Закономірності формування дрібнозернистої структури алюмінієвих сплавів, що містять дисперсні частки тугоплавких сполук

Михаленков К. В., Лысенко С. И. Измельчение зерна доэвтектических силуминов с помощью титан- и цирконийсодержащих солей// Процессы литья. - 2003. - № 1. - c. 41 - 50

Михаленков К. В. Зародкоутворюючі частки в алюмінієвих сплавах з додатками лігатур систем Al - Ti, Al - B, Al - Ti - B // Металознавство та обробка металів. - 2004. №3. - с. 44 - 48

Окремі дослідження, що стосуються введення нітриду і карбонітриду титану в розплав алюмінію були виконані спільно з кандидатом технічних наук В. Г. Могилатенком (кафедра “Фізико-хімічні основи технології металів”, Національний технічний університет України) і аспірантом тієї ж кафедри С. І. Лисенком. В роботі 1 переліку основних публікацій за темою дисертації автором розроблена та перевірена методика визначення рівномірності розподілу тугоплавких часток у відливці. В роботі 2 автор виконав аналіз літератури з питань синтезу композиційних матеріалів, а також виконав дослідження по впливу тугоплавких часток на розмір зерна алюмінію. Автор приймав участь в обговоренні результатів. В роботі 3 автором виконані дослідження по введенню тугоплавких часток в рідкий алюміній і одержані результати досліджень центрів кристалізації на скануючому електронному мікроскопі. Автор брав участь в обговоренні впливу дисперсних тугоплавких часток нітриду титана на подрібнення зерен в алюмінії. В роботі 4 авторові належить методика обробки даних та результати випробувань по впливу різних факторів на характеристики ливарних алюмінієвих сплавів. В роботі 6 авторові належать результати досліджень макро- і мікроструктури алюмінію після обробки сумішшю солі з тугоплавкими частками, узагальнення результатів.

б) Додаткові публікації по темі дисертації:

Чернега Д. Ф., Михаленков К. В., Могилатенко В. Г., Струина Т. А. Применение новых флюсов для упрочняющей обработки алюминиевых сплавов // Процессы литья.-1995. -№ 3. - c. 82 - 89

Чернега Д.Ф., Михаленков К.В., Могилатенко В.Г. Нитридные частицы как перспективный материал в технологии дисперсного упрочнения алюминиевых сплавов// Неметаллические включения и газы в литейных сплавах”, Сб. Научных трудов 8-й научно-технич. конференции г. Запорожье, 1997 г. - c. 23 - 26

Чернега Д.Ф., Михаленков К.В., Могилатенко В.Г. Структурообразование в модифицированных нитридами литейных алюминиевых сплавах// Сб. научных трудов конференции “CO-MAT-TECH'97”, г. Трнава, Словакия, 14 - 15 октября 1997 року. - c. 207 - 214

Mykhalenkov K., Lysenko S. Application of nitride particles for hardening of aluminum alloys// Konferencja Nukowo Techniczna Odlewniztwo Metali Niezelaznych. - Secja Odlevnictwa Metali Niezelaznych AGH, Krakow. - 1998. -S. 47-54

Mykhalenkov K., Lysenko S. and Reif W. TiN particles as potential grain refiner for aluminum//Konferencja Nukowo Techniczna Odlewniztwo Metali Niezelaznych.-Secja Odlevnictwa Metali Niezelaznych AGH, Krakow.-1999, S.69-77

Mykhalenkov K.V., Mogilatenko V.G., Lysenko S.I. Grain refinement of hypoeutectic Al-Si alloys by titanium, boron and carbon additives// Procedeengs of 6^th International School-Conference “Phase Diagramme in Material science” PDMS-2001, Kiev.-2001. - p. 161

Чернега Д.Ф., Могилатенко В.Г., Михаленков К.В. Массоперенос азота в жидких сплавах алюминия с титаном и марганцем // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. - 2001. - № 10. - c. 21 - 23

Чернега Д.Ф., Могилатенко В.Г., Михаленков К.В. Массоперенос азота в жидких сплавах алюминия с титаном и марганцем // Процессы литья. - 1999. - № 4. - c. 11 - 15

АНОТАЦІЯ

Михаленков К. В. “Закономірності формування дрібнозернистої структури алюмінієвих сплавів, що містять дисперсні частки тугоплавких сполук”. ? Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.01 - металознавство та термічна обробка металів. - Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова Національної академії наук України, Київ, 2005 р.

Дисертацію присвячено встановленню закономірностей і механізмів формування зеренної структури алюмінію і його сплавів при затвердінні в присутності дисперсних часток тугоплавких сполук з метою визначення оптимальних типу і кількості уживаних добавок для формування рівновісної дрібнозернистої структури металу та способів їх введення в розплав. За джерело дисперсних часток правили дво- та трикомпонентні лігатури, що широко застосовуються промисловістю. За допомогою сучасних оптичних і електронних мікроскопів та аналізаторів з високою роздільною здатністю визначалися розміри литого зерна алюмінію і його сплавів в залежності від типу і кількості введеної лігатури, умов плавки і заливання, а також хімічний склад і морфологія зародкоутворюючих часток і прилеглих ділянок матриці. Встановлено, що найкращу зерноподрібнюючу дію в алюмінії і низьколегованих сплавах виявляють частки дібориду титану, що вводяться в розплав у складі лігатури AlTi5B1. У високолегованих сплавах призначених для деформування найкращий ефект спостерігається після введення лігатури AlTi2,2B1, а у випадку ливарних сплавів - після додавання AlB4. Експериментально показано існування проміжного шару товщиною біля 20 нм між частками дібориду титану і алюмінієвою матрицею на якому відбувається формування зародків твердої фази. З'ясовані переваги і недоліки застосування інших лігатур і додатків. Запропоновано варіант моделі формування кристалів Al в присутності в розплаві зародкоутворюючих часток, в якому враховано розподіл часток за розмірами. Обґрунтовано кількісний критерій зерноподрібнюючої дії тугоплавких часток в залежності від вмісту і типу легуючого елементу. На основі одержаних результатів розроблено науковий підхід до використання лігатур для зменшення розмірів литого зерна алюмінієвих сплавів, якій є універсальним як для ливарних сплавів, так і для сплавів для подальшого деформування.

Ключові слова: алюміній, алюмінієві сплави, зерно подрібнення, зародкоутворюючи частки, лігатури, діборид титану, карбід титану, інтерметалліди.

ABSTRACT

Mykhalenkov K. V. Grain refinement in aluminum alloys in the presence of dispersed refractory particles. - Thesis's.

Thesis's on the degree Doctor of science in the field 05.16.01 - material science and metals heat treatment. - Kurdyumov Institute of metal physics, National Academy of Science of Ukraine, Kiev, 2005.

The work presented related to the mechanisms of grain refinement in aluminum and its alloys in the presence of dispersed particles. As the source of the nucleation particles the binary and ternary master alloys have been used. By using light microscopy, scanning and transmission electron microscopy (TEM), high resolution electron microscopy (HRTEM) and energy dispersive and wave length X-ray analysis the average grain size and morphology and composition of nucleation particles and surrounded matrix were studied. TiB₂ particles introduced to the melt via AlTi5B1 master alloy shows the most powerful effect on the grain refinement of Al and low alloyed Al-based alloys. For highly alloyed materials the addition of AlTi2.2B1 master alloys shows the most pronounced grain refinement effect. Using HRTEM it was shown that the nucleation of Al in the presence of TiB₂ particles starts not directly on the surface of the particles. The accommodation of atoms of the solid phase takes place on the intermediate Al-Ti layer with average thickness of 20 nm. The ability to grain refine Al, the advantages and shortcoming of the AlTi5C0.15, AlTi6 master alloys and salts additives was monitored. The model of the formation of -Al in the presence of dispersed particles was developed and the size distribution of the nucleation particles has been putted into account. The parameter for monitoring the alloying element affection on the ability of particles acts as the nucleants was confirmed.

Key words: aluminum, aluminum alloys, grain refinement, nucleation particles, master alloys, titanium diboride, titanium carbide, intermetallics.

АННОТАЦИЯ

Михаленков К. В. Закономерности формирования мелкозернистой структуры алюминиевых сплавов, содержащих дисперсные частицы тугоплавких соединений. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.16.01. - металловедение и термическая обработка металлов. - Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова Национальной академии наук Украины, Киев, 2005 год.

Диссертация посвящена установлению закономерностей формирования зёренной структуры алюминия и сплавов на его основе при затвердевании в присутствии дисперсных частиц тугоплавких соединений с целью установления оптимальных типа и количества использованных зерноизмельчающих добавок, а также способов их введения в расплав для получения мелкозернистой структуры. В качестве источников дисперсных частиц тугоплавких соединений использовались двух- и трехкомпонентные лигатуры, которые широко применяются в алюминиевой промышленности при литье слитков для последующего деформирования и получении фасонных отливок. С использованием современных оптических микроскопов в сочетании с компьютерными системами анализа металлографических изображений, электронных сканирующих и просвечивающих микроскопов и анализаторов с высокой разрешающей способностью определялись средний размер литого зерна алюминия и его сплавов в зависимости от типа и количества введенной лигатуры, условий плавки и заливки, а также химический состав и морфология зародышеобразующих частиц и прилегающих к ним участков алюминиевой матрицы.

Показано, что при доперитектических содержаниях титана в алюминии формирование равноосной мелкозернистой структуры при кристаллизации обусловлено зародышеобразующим действием дисперсных частиц карбида титана, который образуется за счет присутствия углерода в двойной лигатуре. Частицы карбида титана, возникшие при растворении алюминида титана, оказываются устойчивыми в алюминиевом расплаве, когда содержание титана в металле не больше 0,5 %.

Установлено, что зерноизмельчающее действие лигатур Al - Ti - B обусловлено присутствием в ее составе частиц диборида титана, большая часть которых соответствует соединению TiB₂. Экспериментально показано существование промежуточного слоя толщиной 15 - 20 нм который полностью покрывает частицы, содержит только Al и Ti и служит подложкой для возникновения зародышей твердой фазы.

Предложен вариант модели формирования кристаллов Al в присутствии частиц потенциальных зародышеобразователей, в котором обоснованы условия эффективности зерноизмельчающего действия добавки, а также учтено распределение частиц по размерам. Включение в модель распределения частиц по размерам позволило количественно объяснить низкую эффективность зерноизмельчающего действия лигатур Al - Ti - B, коэффициент полезного действия которых никогда не достигает 100 %.

На основе экспериментальных данных и теоретического анализа показана роль легирующих элементов в формировании равноосной мелкозернистой структуры алюминиевых сплавов, которая состоит в том, что присутствие легирующего элемента, во-первых изменяет скорость роста кристаллов твердой фазы, оставляя тем самым больше времени для зарождения новых зерен, а во-вторых, влияет на морфологию кристаллов твердой фазы и приводит к формированию перед фронтом кристаллизации зоны концентрационного переохлаждения. Попавшие в эту зону частицы, приобретая необходимое для зарождения твердой фазы переохлаждение, получают возможность стать центрами кристаллизации новых зерен. Последние, в свою очередь, создают вокруг себя концентрационно переохлажденную зону, которая также содержит зародышеобразующие частицы. Такая последовательность событий обеспечивает движение фронта зародышеобразования от стенок формы вглубь слитка. Для количественного описания влияния легирующих элементов на формирование мелкозернистой структуры алюминия в присутствии тугоплавких частиц предлагается использовать фактор роста Q, который отображает скорость образования концентрационно переохлажденной зоны на начальной стадии кристаллизации. Показано, что для эффективного и экономичного зерноизмельчения алюминиевых сплавов суммарная величина фактора роста должна находиться в пределах 10 - 20 К. Для сплавов с низким содержанием легирующих элементов (Q = 1 - 3 К) рекомендуется одновременно с введением частиц потенциальных зародышеобразователей дополнительное легирование элементами с высоким удельным значением Q. Для измельчения зерна высоколегированных сплавов (Q = 40 - 60 К) к металлу необходима добавка только способных к зародышеобразованию частиц.

Установлено, что в доэвтектических сплавах алюминий-кремний наибольшую эффективность в измельчении зерна проявляет двойная лигатура AlB4, механизм действия которой зависит от содержания примеси титана в исходном металле. Показано, что в сплавах, выплавленных из чистых исходных материалов, зародыши твердой фазы возникают на поверхности частиц диборида алюминия. В сплавах промышленной чистоты зародышеобразование происходит при участии частиц диборида титана, которые возникают при реакции введенного с лигатурой бора с примесью титана в расплаве. Эти частицы, как и частицы диборида титана, введенные в составе тройных лигатур Al - Ti - B, устойчивы в алюминиево-кремниевом расплаве и сохраняют способность к зародышеобразованию даже после трехкратного переплава металла.

На основе полученных результатов разработан научный поход к использованию зерноизмельчающих лигатур для уменьшения размеров литого зерна алюминиевых сплавов, который является универсальным как для литейных сплавов, так и для сплавов для последующего деформирования и разработаны рекомендации по их применению для конкретных промышленных сплавов.

Ключевые слова: алюминий, алюминиевые сплавы, измельчение зерна, частицы, лигатуры, диборид титана, карбид титана, интерметаллиды.

Размещено на Allbest.ru