Исследование и разработка литейных технологий при получении дисперсно-упрочненных алюминиевых сплавов

Актуальность работы. Постоянный рост применения алюминиевых сплавов в энергетике, транспорте, строительстве и других отраслях техники требуют разработки новых высокоэффективных технологий, обеспечивающих увеличение их прочности, термостабильности, надежности и долговечности. Оптимальная структура слитков, изготовленных способом непрерывного литья, может быть достигнута введением в металлическую матрицу дисперсных частиц за счет разных технологических приемов. В частности, структура сплавов системы Al-Zr достигается деформационно-термической обработкой, в результате которой из пересыщенного твердого раствора выделяется цирконий в виде дисперсных частиц фазы Al3Zr. Эта технология успешно применяется в промышленности, однако при получении сплавов с добавкой циркония необходимы повышенные температуры плавки, литья, и также последующий отжиг слитков для выделения частиц глобулярной морфологии.
Альтернативой известного направления повышения прочности и эксплуатационных характеристик низколегированных алюминиевых сплавов является создание особого класса новых гетерофазных материалов, в основе получения которых лежит принцип синтеза упрочняющих фаз непосредственно в расплаве. Однако и эта технология требует совершенствования, поскольку для синтеза дисперсных частиц в расплаве требуется его высокий перегрев, что связано с угаром и окислением металла. В связи с этим, совершенствование технологии получения дисперсно-упрочненных сплавов на основе алюминия является актуальной задачей в процессе изготовления слитков.
Степень разработанности темы. В соответствии с первым направлением упрочнения алюминиевых сплавов достигается их легированием небольшими добавками переходных металлов или РЗМ. Высокоскоростная кристаллизация или специальная деформационно-термическая обработка позволяет реализовать оптимальную структуру. Большой вклад в развитие этого направления внесли

5
В.И. Добаткин, В.И. Елагин, В.В. Захаров, Н.А. Белов, В.И. Напалков, В.И. Никитин и др.
Разработка эффективных технологий получения алюмоматричных композиционных сплавов является другим важным направлением создания оптимальных структур, обеспечивающих требуемый уровень надежности и долговечности. При реализации этой технологии достигается сочетание высокой прочности с достаточным запасом пластичности. В развитие техники и технологии производства дисперсно-упрочненных сплавов по этому направлению внесли В.П. Сабуров, М.Ф. Жуков, Г.Г. Крушенко, В.А. Полубояров, А.В. Панфилов, Т.А. Чернышова, Э.А. Пастухов и др. Тем не менее, широкого распространения в промышленности это направление не получило из-за сложности ввода наноразмерных частиц упрочняющей фазы в расплав или необходимости его высокого перегрева при синтезе частиц непосредственно в расплаве. Поэтому для производства дисперсно-упрочненных композиционных сплавов на основе алюминия весьма актуальным является разработка и применение промежуточных сплавов (лигатур), содержащих в достаточно большом количестве армирующих частиц заданного размера, практически нерастворимых при температурах плавки и литья. Между тем, в научной и технической литературе сведений по этому вопросу практически нет.
Работа выполнялась в рамках государственной программы Российской Федерации «Развитие науки и технологий» на 2013-2020 годы от 20 декабря 2012г (приложение 1, п. 4).
Цель и задачи исследования. Целью диссертации является разработка комплекса технических решений для получения дисперсно-упрочненных алюминиевых сплавов с применением армирующих лигатур, содержащих микроразмерные частицы упрочняющих фаз, синтезированные в расплаве.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

6
– термодинамическое обоснование исходных компонентов для синтеза в расплаве алюминия упрочняющих фаз заданного состава, и оценка устойчивости образующихся дискретных систем с микроразмерными частицами;
– исследование процессов формирования структуры и свойств дисперсно- упрочненных алюминиевых сплавов в литом и деформированном состояниях;
– разработка технологических режимов получения армирующих лигатур на основе алюминия, содержащих микроразмерные частицы упрочняющих фаз;
– получение литых и деформированных заготовок из дисперсно- упрочненных алюминиевых сплавов с применением армирующих лигатур.
Научная новизна полученных результатов:
1. На основе термодинамического анализа и экспериментальных исследований обоснованы выбор исходных компонентов для жидкофазного реакционного синтеза упрочняющих фаз в расплаве алюминия и возможность их равномерного распределения в литой матрице.
2. Впервые за счет одновременного рафинирования технического алюминия бором и его упрочнения частицами C2Al3B48, образующимися в реакциях in-situ, получен композиционный сплав электротехнического назначения, не требующий, в отличие от известного электротехнического алюминия марки А5Е, термической обработки для достижения заданного комплекса свойств.
3. В лигатурных сплавах системы Al-Ti(Zr)-C, Al-B-C выявлена взаимосвязь фазового состава, формы и величины структурных составляющих с условиями литья этих сплавов. Установленная связь объясняется скоростью охлаждения и интервалом кристаллизации сплавов.
4. Подтверждено, что упрочнение деформируемых сплавов на основе алюминия армирующими лигатурами связано с внесением в расплав микроразмерных частиц ZrC, TiC, C2Al3B48, выполняющих роль дополнительных центров кристаллизации алюминиевого твердого раствора и одновременно армирующих металлическую матрицу.

7
Практическая значимость работы:
1. Разработан литой композиционный материал на основе алюминия и способ его получения, защищенный патентом РФ No2516679 опубликованный 20.05.2014г.
2. Разработаны технологические режимы получения армирующих лигатур систем Al-Ti(Zr)-C, Al-B-C для производства дисперсно-упрочненных алюминиевых сплавов.
3. Разработаны рекомендации на получение дисперсно-упрочненных сплавов на основе алюминия с применением армирующих лигатур с целью изготовления из них литых и деформируемых полуфабрикатов без термической обработки.
4. Результаты исследования внедрены в учебный процесс ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» и используются для подготовки магистров по направлению 22.04.02 «Металлургия», 22.04.01 «Материаловедения и технологии материалов» и аспирантов по специальности 05.16.04 «Литейное производство».
Методология и методы исследования. При выполнении диссертационных исследований использованы современные методы и методики исследования физико-механических свойств алюминиевых сплавов на оборудовании в лабораториях ООО «КраМЗ», ООО «ЛПЗ «СЕГАЛ» и ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет».
Положения выносимые на защиту:
1. Научные обоснования технологии выбора исходных компонентов для синтеза упрочняющих фаз в расплаве на основе алюминия и требования к обеспечению устойчивости дисперсных систем.
2. Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие жидкофазный синтез дисперсных высокомодульных упрочняющих фаз (карбидов и боридов переходных металлов) в расплаве матрицы.
3. Технологические решения получения армирующих лигатур для производства дисперсно-упрочненных алюминиевых сплавов.

8
4. Новые технологии упрочнения алюминиевых деформируемых сплавов.
Степень достоверности полученных результатов. В ходе выполнения диссертационной работы был выполнен достаточный объем экспериментальных исследований, обеспечивающий достоверность результатов. Экспериментальные результаты имеют удовлетворительную сходимость с теоретическими данными, не противоречат исследованиям других авторов. В ходе исследования использовалось современное аналитическое оборудование.
Соответствие диссертации паспорту специальности ВАК 05.16.04 – Литейное производство.
Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует формуле специальности, определяемой:
«Теорией и технологией производства литых заготовок и изделий из металлических сплавов и других материалов, включая разработку новых литейных сплавов; изучения процессов, происходящих в расплавах во время их плавки, внепечной обработки, заливки в литейную форму, кристаллизации и последующего охлаждения в форме, а также исследованием физико-химических процессов».
Области исследований соответствующих пунктам:
1. «Исследование физических, физико-химических, теплофизических, технологических и служебных свойств материалов, как объектов и средств реализаций литейных технологий»;
2. «Исследование тепло- и массопереноса, гидродинамических, реологических и других процессов, происходящих в расплавах, отливках и литейных формах»;
4. «Исследование литейных технологий для их обоснования и оптимизации»;
14. «Исследование процессов формирования свойств литейных сплавов и формовочных смесей».

9
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Российских и международных конференциях, съездах, конгрессах и выставках. IX, XII Съезд литейщиков России 2009, 2015гг.; IV, V Международный конгресс и выставка «Цветные металлы» Красноярск 2012, 2013гг.; VI Международный конгресс и выставка «Цветные металлы и минералы» Красноярск 2014г.; Международная научно- техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Проспект Свободный» 2015, 2016гг.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе в 3 статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ и в 1 патенте на изобретение.
Личный вклад соискателя заключается в общей постановке задач, в проведении экспериментальных работ, анализе и интерпретации полученных данных, оформлении статей. Приведенные в диссертации результаты получены либо самим автором, либо при его активном участии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, содержащего 127 источников, и 3 приложения. Основной материал изложен на 119 страницах, включая 18 таблиц и 32 рисунка.