Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Материаловедение

Диссертационная работа:

Попова Марина Владимировна. Научно-технологические основы разработки заэвтектических силуминов с регулируемым температурным коэффициентом линейного расширения : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.02.01 : Новосибирск, 2004 470 c. РГБ ОД, 71:05-5/562

смотреть содержание
смотреть введение
смотреть литературу
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ТЕПЛОВОМ РАСШИРЕНИИ МЕТАЛЛОВ. ЛИНЕЙНОЕ РАСШИРЕНИЕ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ 14

1.1 Природа теплового расширения металлов 14

1.2 Влияние пластической деформации 26

1.3 Влияние водорода, кислорода и азота 28

1.4 Линейное расширение алюминия и его сплавов 30

1.4.1 Влияние легирования, термической обработки и +. пластической деформации 31

1.4.2 Композиционные сплавы 41

1.5 Структура и свойства силуминов 44

1.5.1 Двойные и легированные 44

1.5.2 Влияние газосодержания на свойства силуминов 53

1.6 Выводы по главе 57

Глава 2 ЛИНЕЙНОЕ РАСШИРЕНИЕ ЛИТЫХ И ДЕФОРМИРОВАННЫХ СПЛАВОВ Al-ll4-50%Si 58

2.1 Влияние предварительного нагрева 61

2.2 Влияние условий приготовления 71

2.2.1 Обработка шихты 73

2.2.2 Обработка расплава 83

2.2.3 Кристаллизация 97

2.3 Деформированные сплавы 118

2.3.1 Удаление водорода из металлов и сплавов при совместном воздействии нагрева и механического давления 120

2.3.2 Горячая циклическая прокатка 124

2.3.3 Горячая ковка 133

2.3.4 Термическая обработка деформированных сплавов 143

f 2.3.5 Связь деформируемости с условиями приготовления 156

2.3.6 Линейное расширение деформированных сплавов 161

2.4 Выводы по главе 183

Глава 3 ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ НА ЛИНЕЙНОЕ РАСШИРЕНИЕ СИЛУМИНОВ 189

3.1 Легирование тугоплавкими металлами 192

3.2 Совместное легирование тугоплавкими и легкоплавкими элементами 203

3.3 Легирование легкоплавкими элементами 207

3.4 Разработка легированных заэвтектических силуминов для $. поршней двигателей внутреннего сгорания 235

3.4.1 Свойства силуминов, приготовленных с наводоро- живанием расплава 238

3.4.2 Сплав с повышенной жаропрочностью 254

3.5 Выводы по главе 268

Глава 4 ЛИНЕЙНОЕ РАСШИРЕНИЕ ЛИТЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ 270

4.1 Свойства кремния и способ получения сплавов на его основе... 270

4.2 Сплавы на основе Si - 50% А1 275

4.3 Сплавы на основе Si - 45% А1 285

4.4 Сплавы на основе Si - 40% А1 287

4.5 Перспективы создания литых сплавов со "сверхнизким" температурным коэффициентом линейного расширения а=(7-5-3)-10-бград"1 295

4.6 Выводы по главе 298

Глава 5 ВОДОРОДНЫЙ МЕХАНИЗМ РАСШИРЕНИЯ СПЛАВОВ АЛЮМИНИЯ С КРЕМНИЕМ 299

5.1 Развитие представлений о механизмах теплового расширения. 299

5.2 Гипотетический механизм расширения 315

5.2.1 Кристаллизация 315

5.2.2 Влияние легирования и термической обработки на линейное расширение заэвтектических силуминов 327

5.2.3 Влияние обработки расплава СаСОз-М§СОз и термической обработки на микроструктуру и свойства сплава Al-50%Si 339

5.2.4 Влияние пластической деформации и термической обработки на линейное расширение сплава Al - 50%Si... 348

5.2.5 Влияние пластической деформации на структуру и свойства сплава Al - 15%Si 357

5.3 Выводы по главе 361

Глава 6 РАЗРАБОТКА ЛИТЕЙНЫХ И ДЕФОРМИРУЕМЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ Al-Si С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОДОРОДА, ФОСФОРА, АЗОТА И ФТОРА В КАЧЕСТВЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ 363

6.1 Сплавы Al-Si-H 364

6.2 Сплавы Al-Si-P-H 371

6.3 Сплавы Al-Si-P-N 373

6.3.1 Литейные сплавы 374

6.3.2 Деформируемые сплавы 381

6.4 Деформируемые сплавы Al-Si-F 395

6.5 Выводы по главе 417

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 419

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 423

ПРИЛОЖЕНИЕ 451 

Введение к работе:

Актуальность работы. В современном металловедении одним из узловых вопросов является разработка новых композиций металлических сплавов с уровнем свойств более высоким по сравнению с имеющимися. Растущие требования к металлическим сплавам предусматривают прежде всего их легкость и низкую стоимость. Здесь особое место занимают сплавы для приборной техники, от которых требуются низкие значения температурного коэффициента линейного расширения в сочетании с необходимым уровнем механических свойств. Для изготовления различных узлов космических аппаратов нужны сплавы с малым удельным весом и низким температурным коэффициентом линейного расширения. Имеющиеся в настоящее время прецизионные сплавы, построенные на основе системы железо-никель, обладают уникальными физическими свойствами. Однако эти сплавы отличаются рядом недостатков, которые в основном сводятся к сложной технологии получения их и обработки, дороговизне и большому удельному весу. В связи с этим в последнее время в мире уделяется большое внимание поиску композиций сплавов на основе алюминия, среди которых самой перспективной является система Al-Si. Это обусловлено рядом причин:

- во-первых, содержание кремния и алюминия в земной коре наибольшее (29,5 и 8,05% соответственно);

- во-вторых, кремний более существенно, по сравнению с другими легирующими элементами, снижает коэффициент линейного расширения алюминия;

- в-третьих, алюминий имеет малый удельный вес, который дополнительно уменьшается при легировании кремнием.

Главным препятствием для практического использования силуминов как конструкционного материала является их высокая хрупкость, поскольку для получения сплавов с низким температурным коэффициентом линейного расширения необходимо вводить в алюминий большое количество кремния (30 и более процентов).

За последнее время было выполнено множество исследований по технологии выплавки, закономерностям структурообразования и свойствам сплавов Al-Si. Однако существующие методы модифицирования заэвтектических силуминов, хотя и позволяют значительно измельчить первичные выделения кремнистой фазы и повысить свойства отливок, недостаточно эффективны для получения качественного полуфабриката. До настоящего времени в качестве деформируемых используются лишь сплавы с содержанием кремния до 13%, которые были разработаны 50 лет назад. В последнее время исследования по деформации заэвтектических силуминов успешно ведутся японскими учеными, однако технология приготовления и деформации сплавов в опубликованных работах не описывается. Сотрудниками ВИАМа, ВИЛСа и др. на основе системы Al-Si разработаны порошковые сплавы с низким коэффициентом линейного расширения, содержащие 26 - 30% кремния (САС). Прессованные прутки из таких сплавов имеют довольно высокую прочность и удовлетворительную пластичность. Однако технология приготовления таких сплавов является весьма дорогостоящей, а изготовление из них деталей - трудоемкий, технологически сложный процесс, характеризующийся малым коэффициентом полезного использования металла. Практически не изученными в качестве сплавов для специального приборостроения являются композиции на основе кремния. Помимо малого удельного веса от них следует ожидать низких значений коэффициента линейного расширения, а впоследствии решать проблему получения оптимальной структуры, обеспечивающей необходимый уровень технологических и служебных свойств.

Общие теоретические положения, которые были разработаны для описания теплового расширения металлов и сплавов, имеют много частных случаев и исключений. Зачастую элементам-спутникам алюминия и кремния вовсе не уделяется внимания. Это, в свою очередь, приводит к созданию композиций по методу проб и ошибок, подтверждающих значительное влияние условий получения и способов обработки сплавов, изменяющих газосодержание. Тем не менее участие таких элементов, как водород, азот и кислород в механизме расши рения практически не рассматривается. Малоизученным также остается вопрос о возможности использования в качестве легирующих в сплавах Al-Si легкоплавких элементов (ЛЭ) - Pb, Sb, Bi, Sn и др. Большинство из них с алюминием и кремнием образуют две жидкости в расплавленном состоянии и поэтому они считаются неперспективными в качестве легирующих элементов. Особенно важным является исследование влияния больших количеств этих элементов в тройной системе Al-Si-ЛЭ, поскольку данных о влиянии их на коэффициент линейного расширения практически нет.

Широко известно сильное влияние газосодержания на свойства сплавов Al-Si. Тем не менее, участие таких элементов, как водород, азот и кислород в механизме расширения практически не рассматривается. Выяснение этих особенностей и создание механизма теплового расширения сплавов Al-Si, учитывающего влияние элементов внедрения, является актуальным.

Работа выполнена в соответствии с программой "Металл" ГКПО СССР (задание 14.04.04., этапы 14.04.04.02 и 14.04.04.03), программой "Сибирь" СО АН СССР (подпрограмма 6.01.08.03.), со специальными программами общественных академий (КузбассФИАР, РАЕН) и комплексной региональной программой "Стабильное развитие Кузбасса: Человек-природа-ресурсы-прогресс", а также при поддержке четырех грантов Министерства образования РФ по фундаментальным исследованиям в области технических наук (раздел "Металлургия"): "Усовершенствование состава и технологии приготовления заэвтектиче-ского силумина" (1998г.), "Исследование природы линейного расширения и структуры сплавов типа силумин" (1999-2000гг.), "Разработка алюминиево-кремниевого сплава с повышенной жаропрочностью для поршней двигателей" (2000-2002гг.), "Разработка режимов термической обработки поршней двигателей внутреннего сгорания" (2003-2004ГГ.).

Цель работы. Разработать научные основы легирования и технологии обработки заэвтектических силуминов для получения легких сплавов (р 2700 кг/м3) с оптимальным сочетанием температурного коэффициента линейного расширения и механических свойств, способных заменить спеченные алюминиевые сплавы (САС).

В этой связи в работе были поставлены и решены следующие задачи.

1. Установить закономерности влияния технологических факторов: предварительной обработки шихты, расплава, условий кристаллизации, пластической деформации, термической обработки на линейное расширение силуминов c(ll-50)%Si.

2. Выявить закономерности раздельного и совместного влияния тугоплавких и легкоплавких легирующих элементов на линейное расширение заэвтектических силуминов с различным содержанием кремния.

3. Изучить особенности линейного расширения литых сплавов на основе кремния.

4. Изучить влияние водорода, азота, фосфора и фтора на структуру и механические свойства сплавов алюминия с кремнием.

5. Предложить механизм теплового расширения сплавов алюминия с кремнием, предусматривающий ведущую роль водорода; провести его подтверждение.

6. На основе предложенного механизма теплового расширения разработать новые легкие сплавы с низким ТКЛР, полученные без применения методов порошковой металлургии и имеющие свойства не ниже, чем у спеченных алюминиевых сплавов (САС).

Научная новизна.

1. Методом дифференциального дилатометрического анализа выявлены особенности линейного расширения заэвтектических силуминов в зависимости от условий приготовления, режимов пластической деформации и термической обработки. Показано, что основной причиной существенного влияния технологических факторов на величину ТКЛР сплавов с одинаковым содержанием кремния является изменение количества диффузионно-подвижного водорода.

2. Установлены закономерности влияния раздельного и совместного легирования тугоплавкими и легкоплавкими элементами на линейное расширение высо кокремнистых силуминов. Методами дилатометрического и металлографического анализов показано, что наиболее перспективным является применение в качестве легирующих элементов легкоплавких сурьмы, висмута, свинца раздельно и совместно.

3. На основе анализа влияния технологических факторов на линейное расширение высококремнистых силуминов разработан способ модифицирования, заключающийся в обработке расплава смесью карбонатов металлов с высоким сродством к водороду. Применение разработанного способа позволило предложить новые материалы - сплавы на основе кремния и провести систематическое исследование их линейного расширения в литом и деформированном состояниях в зависимости от легирования и термической обработки.

4. Установлены закономерности линейного расширения заэвтектических силуминов, легированных водородом, азотом, фосфором и фтором. Определено влияние водорода на формирование аномалии линейного расширения заэвтектических силуминов, заключающейся в резком изменении значений ТКЛР в узком температурном интервале. Показано, что количество и соотношение водорода и азота в сплаве определяет величину и температурный интервал аномалии. Введение фтора обеспечивает получение мелкодисперсной структуры высококремнистых силуминов и значительное уменьшение величины ТКЛР.

5. Предложен механизм теплового расширения сплавов алюминия с кремнием, предусматривающий ведущую роль водорода в формировании величины ТКЛР. Методами дилатометрического, газового, рентгеноструктурного, микрорентгенос-пектрального и металлографического анализов установлено, что степень влияния водорода зависит от соотношения водорода и азота в сплаве. Экспериментальным подтверждением этого механизма является обнаружение инварного эффекта в интервале 20-100°С после термоциклической обработки сплава Al-30%Si-20%Sb.

6. Разработаны новые легкие сплавы с низким температурным коэффициентом линейного расширения, содержащие в качестве легирующих те элементы, от соотношения которых в сплаве зависит величина ТКЛР. Показано, что с помощью рационального легирования и обработки, без применения методов порошковой металлургии можно получить литые и деформированные сплавы, которые по плотности, механическим свойствам и величине ТКЛР могут заменить спеченные алюминиевые сплавы (САС).

Практическая значимость. На основании большого экспериментального материала в работе реализован системный подход к решению проблемы управления величиной температурного коэффициента линейного расширения заэвтекти-ческих силуминов с целью создания новых легких сплавов с требуемыми свойствами за счет изменения количества и соотношения элементов внедрения в сплавах.

Разработаны способы обработки шихты и расплава силуминов с целью модифицирования структурных составляющих и снижения ТКЛР. Рекомендованы эффективные технологические параметры процессов обработки шихты, расплава, пластической деформации и термической обработки, уменьшающие величину ТКЛР при сохранении необходимого уровня прочностных свойств сплавов.

На основе предложенного механизма расширения силуминов разработаны новые легкие сплавы с низким ТКЛР, содержащие в качестве легирующих элементов водород, азот, фосфор и фтор. Разработанные составы сплавов, а также способы их получения и обработки защищены 24 авторскими свидетельствами и патентами РФ на изобретения и нашли применение при производстве поршней двигателей внутреннего сгорания и легкосплавных колес.

Результаты, полученные при выполнении работы, в течение нескольких лет используются в Сибирском государственном индустриальном университете на факультете материаловедения и обработки металлов давлением при подготовке инженеров по специальности "Физика металлов" и внедрены в учебный процесс в виде двух учебных пособий.

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских научных конференциях, симпозиумах и семинарах: III Всесоюзной научной конференции "Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа" (Днепропетровск, 1986 г.); Ill областном научно-техническом семинаре "Наследственность в литых сплавах (Куйбышев, 1987 г.); городском научном семинаре по металловедению под председательством д.т.н., профессора Тушинского Л.И. (Новосибирск, 1989 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (Москва, 1994 г.); российско-китайском симпозиуме по перспективным процессам и материалам в металлургии (Калуга, 1995 г.); VI международной научно-практической конференции "Генная инженерия в сплавах" (Самара, 1998 г.); XXXIV международном семинаре "Актуальные проблемы прочности" (Тамбов, 1998 г.); IV собрании металловедов России (Пенза, 1998 г.); V российско-китайском международном симпозиуме "Прогрессивные методы и технологии. Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий XXI века" (Байкальск, 1999 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Аэрокосмическая техника и высокие технологии-2001" (Пермь, 2001 г.); VII международной конференции "Водородное материаловедение и химия гидридов металлов" (Алушта, 2001 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Аэрокосмическая техника и высокие технологии-2002" (Пермь 2002 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии. НМТ-2002" (Москва, 2002 г); VIII международной конференции "Водородное материаловедение и химия гидридов металлов" (Судак, 2003 г.); международной конференции "Водородная обработка материалов" (Донецк, 2004 г.).

Методы исследований, использованные при выполнении работы: дифференциальная оптическая дилатометрия (дилатометр системы Шевенара), оптическая качественная и количественная микроскопия (микроскоп "Opton", автоматический структурный анализатор "EPIQUANT"), просвечивающая электронная микроскопия (УЭМВ-100К), растровая электронная микроскопия (Tesla BS-350), фрактографический анализ (микроскопы МБС-9 и МБИ-6), микрорентгеноспектральный анализ ("Cameca MS46", "Camebax SX50"), рент-геноструктурный анализ (дифрактомер "ДРОН-3"), термографический анализ, газовый анализ (установка для определения водорода методом вакуум-нагрева), определение механических свойств в условиях статического растяжения; определение плотности методом гидростатического взвешивания.

Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований линейного расширения сплавов алюминия с кремнием в зависимости от условий выплавки.

2. Результаты экспериментальных исследований связи деформируемости заэвтектических силуминов с условиями приготовления; линейное расширение деформированных силуминов до и после термической обработки; влияние среды нагрева.

3. Экспериментальные данные по линейному расширению заэвтектических силуминов, легированных тугоплавкими и легкоплавкими элементами раздельно и совместно.

4. Способ модифицирования алюминиевых сплавов карбонатами щелочноземельных металлов. Экспериментальные данные по линейному расширению литых и деформированных сплавов на основе кремния до и после термической обработки.

5. Механизм теплового расширения сплавов алюминия и кремния, предусматривающий ведущую роль водорода в формировании величины ТКЛР и его подтверждение.

6. Составы и способы получения и обработки литых и деформированных сплавов системы Al-Si, содержащих в качестве легирующих элементов водород, азот, фосфор и фтор.

Автору принадлежит постановка основных положений и задач работы, проведение теоретических и экспериментальных исследований, обработка, интерпретация и обобщение полученных данных, разработка перспективных путей практического использования результатов.

Публикации. По результатам выполненной работы имеется 103 публикации, в том числе 24 а.с. СССР и патентов РФ на изобретения, 2 монографии, 16 статей в центральных научно-технических журналах, 18 статей в других журналах и сборниках научных трудов, 2 учебных пособия.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 315 источников, и приложения. Работа содержит 450 страниц основного текста, 167 рисунков и 135 таблиц. В приложениях приведены отзывы предприятий и заключения об использовании результатов работы.

Подобные работы
Мишаков Виктор Юрьевич
Развитие научно-методических основ разработки и методов исследования антимикробных и защитных материалов на нетканых волокнистых носителях
Фадеев Валерий Сергеевич
Научные основы разработки и получения слоистых композиционных материалов на поверхности твердых сплавов и оксидной керамики для повышения работоспособности режущего инструмента
Белокуров Владислав Николаевич
Развитие теоретических основ и разработка методов определения вязкоупругости материалов легкой промышленности в квазистатическом и динамическом резонансном режимах
Корчагин Михаил Алексеевич
Экспериментальное исследование механизма взаимодействия реагентов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и разработка научных основ получения нанокомпозитных материалов с керамической упрочняющей фазой
Жихарев Александр Павлович
Развитие научных основ и разработка методов оценки качества материалов для изделий легкой промышленности при силовых, температурных и влажностных воздействиях
Бесшапошникова Валентина Иосифовна
Развитие научных основ и разработка методов придания огнезащитных свойств материалам и изделиям легкой промышленности
Латышева Татьяна Вячеславовна
Разработка научных основ технологии производства длинномерных композиционных сверхпроводящих материалов для магнитных систем
Теслина Мария Александровна
Исследование закономерностей формирования вторичных структур при электроискровой обработке медных и железоуглеродистых сплавов и разработка на их основе покрытий функционального назначения
Соколов Александр Григорьевич
Разработка теоретических и технологических основ повышения стойкости режущего и штампового инструмента за счет диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов
Пасечник Мария Сергеевна
Разработка металловолокнистого катализатора на основе никеля и технологии его получения методом высокоскоростного затвердевания расплава

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net