Анотація до роботи:

Безпалий А.А. Дослідження процесів міжфазної взаємодії та розробка оптимальної технології плавки сплавів на основі цирконію та алюмінію, що аморфізуються. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04. – ливарне виробництво. Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, 2007.

Дисертація присвячена дослідженню міжфазної взаємодії розплавів на основі цирконію та алюмінію з вогнетривкими матеріалами та розробці технології плавки сплавів та їх отримання ливарними методами в аморфному стані. В роботі вивчено вплив температури, часу витримки, добавок четвертого та п’ятого елементів на процеси міжфазної взаємодії сплавів Zr₆₅Cu_17,5Ni₁₀Al_7,5 і Al₈₆Ni₆Y₈ з вогнетривкими матеріалами. Встановлено, що збільшення температури та часу витримки приводить до покращення змочування та зростання роботи адгезії для всіх вивчених систем. Визначено, що матеріалами найбільш стійкими по відношенню до розплаву на основі цирконію є плавлений оксид ітрію (до температури 1383 К) та кварцове скло (до 1293 К), а до розплаву на основі алюмінію – оксид алюмінію та кварцове скло (до 1523 К). Визначено температурний інтервал (від 1343 К до 1523 К), в якому добавки магнію або ітрію в розплав Zr₆₅Cu_17,5Ni₁₀Al_7,5 проявляють рафінуючий вплив та перешкоджають його взаємодії з вогнетривом. Вивчено ливарні властивості сплавів: Zr₄₇Cu₅₃, Zr₄₇Cu₄₃Ni₁₀, Zr₄₆Cu₄₇Al₇, Zr₆₅Cu_17,5Ni₁₀Al_7,5, Al₈₆Ni₆Y_8, Al₂₀Ni₂₅Y₅₅, Al₁₅Ni₄₀Y₄₅. Отримано температурні залежності їх рідкоплинності. На підставі отриманих результатів розроблена технологія плавки та отримання цих сплавів в аморфному стані ливарними методами. Створено установки для отримання аморфних заготовок методами вакуумного всмоктування та стопорної заливки. Вивчено вплив температури нагріву та часу витримки на фізико- механічні властивості аморфного сплаву Zr₆₅Cu_17,5Ni₁₀Al_7,5. Встановлено, що збільшення температури від 683 К до 729 К та витримка (20 хвилин) приводять до утворення в аморфній матриці нанокристалічної фази, що є причиною збільшення міцності та твердості зразків.

1. Отримано температурні залежності константи рівноваги та зміни енергії Гібса для реакцій взаємодії компонентів розплавів на основі цирконію і алюмінію з оксидами, карбідами і нітридами. Визначено, що для плавки сплавів систем Zr – Cu – Ni – Al і Al – Ni – Y можна використовувати матеріали на основі наступних хімічних сполук: Al₂O₃, MgO, BaO, BeO, CaO, ThO₂, CeO, Y₂O₃, Be₃N₂, TiC. Окрім того, встановлено, що для рафінування розплаву від кисню і неметалевих включень (ZrO₂, Al₂O₃), придатні ітрій, лантан, кальцій, торій, барій, магній.

2. Вперше методом лежачої краплі вивчено вплив температури та часу витримки на міжфазні властивості в системах розплав (Zr₆₅Cu_17,5Ni₁₀Al_7,5 або Al₈₆Ni₆Y₈) – вогнетрив (оксид алюмінію, алунд, кварцове скло, плавлений оксид ітрію, оксид цирконію, цирконат кальцію, нітрид алюмінію, карбонітрид бора). Одержано аналітичні залежності густини і поверхневого натягу цих розплавів від температури. Показано, що підвищення температури від Т_пл до 1523 К (для розплаву Zr₆₅Cu_17,5Ni₁₀Al_7,5) і 1623 К (для Al₈₆Ni₆Y₈) сприяє зменшенню їх густини (на 9 % для розплаву Zr₆₅Cu_17,5Ni₁₀Al_7,5 і на 5 % для Al₈₆Ni₆Y₈), а також поверхневого натягу (на 4 % для Zr₆₅Cu_17,5Ni₁₀Al_7,5 і на 10 % для Al₈₆Ni₆Y₈).

З’ясовано, що збільшення температури і часу витримки приводить до зниження контактних кутів змочування для всіх вивчених вогнетривів. Визначено, що матеріалами, найбільш стійкими до розплаву на основі цирконію, є плавлений оксид ітрію (до температури 1383 К) і кварцове скло (до 1293 К), а до розплаву на основі алюмінію – оксид алюмінію і кварцове скло (до 1523 К).

3. Досліджено вплив добавок магнію, ітрію і лантану на міжфазні властивості в системі розплав Zr₆₅Cu_17,5Ni₁₀Al_7,5 – кварцове скло. Встановлено, що при температурах вище 1443 К добавки магнію (до 1,38 %, мас. дол.) й ітрію (до 0,72 %, мас. дол.) істотно знижують активність кисню і утворюють оксиди, які концентруються на міжфазній границі рідке – тверде та захищають робочу поверхню вогнетриву від взаємодії з розплавом. Визначено, що добавки лантану (0,2 %, мас. дол. – 1,8 %, мас. дол.) в розплав Zr₆₅Cu_17,5Ni₁₀Al_7,5 проявляють поверхневі властивості та знижують контактні кути змочування ним кварцового скла.

4. Вивчено вплив температури та часу витримки на кінетику міжфазної взаємодії в системі розплав Zr₆₅Cu_17,5Ni₁₀Al_7,5 – вогнетрив (плавлений оксид ітрію, кварцове скло, алунд). З’ясовано, що тридцятихвилинна витримка при температурах 1273 К і 1373 К не приводить до взаємодії і руйнування даних вогнетривів. Підвищення температури до 1523 К та ізотермічна витримка (30 хвилин) сприяє утворенню на границі розділу вогнетрив – алунд або кварц перехідних зон. В системі розплав – оксид ітрію перехідна зона утворюється при температурі 1623 К.

5. Розроблено технологічні режими плавки сплавів на основі цирконію і алюмінію для отримання їх в аморфному стані. Технологія плавки включає наступні етапи:

– попередній переплав та витримку шихтових матеріалів при температурі Т_пл + 100 К і вакуумі (Р 1,210^-2 Па);

– індукційну вакуумну плавку сплавів в керамічних тиглях (для сплаву Zr₆₅Cu_17,5Ni₁₀Al_7,5 – алундові і кварцові тиглі до температури 1373 К, тиглі з плавленого оксиду ітрію – до 1523 К; для сплаву Al₈₆Ni₆Y₈ – тиглі з кварцового скла і алунду – до 1523 К) та десятихвилинну витримку розплавів перед заливкою.

Вдосконалено методи та виготовлено установки для отримання аморфних заготовок. Вони дають змогу розплавити попередньо приготовлений сплав в атмосфері інертного газу або у вакуумі, перегріти його на 100 К та розлити в мідні водоохолоджувані форми за допомогою вакуумного всмоктування або стопорної заливки.

6. Вперше досліджено ливарні властивості сплавів: Zr₄₇Cu₅₃, Zr₄₇Cu₄₃Ni₁₀, Zr₄₆Cu₄₇Al₇, Zr₆₅Cu_17,5Ni₁₀Al_7,5, Al₈₆Ni₆Y_8, Al₂₀Ni₂₅Y₅₅, Al₁₅Ni₄₀Y₄₅. Отримано температурні залежності їх рідкоплинності. Показано, що зі збільшенням температури перегріву на кожні 10 К рідкоплинність цих сплавів покращується на 5 – 15 %.

7. Вивчено вплив температури нагріву і часу витримки на фізико-механічні властивості аморфного сплаву Zr₆₅Cu_17,5Ni₁₀Al_7,5. Показано, що підвищення температури нагріву таких зразків від 683 К до 729 К приводить до підвищення їх міцності (на 450 МПа) та твердості (на 140 одиниць по Віккерсу). Це зумовлено утворенням в аморфній матриці нанокристалічної фази в кількості 5 – 10 %. Двадцятихвилинна витримка зразків при цих температурах істотно збільшує долю цієї фази (до 50 – 60 %), в результаті чого характеристики міцності зростають ще більше (_в збільшується на 1950 МПа, а HV – на 620 одиниць).

Для аморфних сплавів системи Al – Ni – Y встановлено, що збільшення концентрації нікелю в них від 6 до 15 %, ат. дол. приводить до підвищення міцності на 600 МПа, а твердості – на 200 одиниць.

Публікації автора:

1. Верховлюк А.М., Щерецкий А.А., Шумихин В.С., Беспалый А.А. Межфазное взаимодействие расплавов на основе циркония с огнеупорными материалами // Процессы литья. – 2002. – № 4. – С. 15 – 18.

2. Верховлюк А.М., Беспалый А.А. Смачивание огнеупорных материалов высокотемпературными металлами и сплавами // Процессы литья. – 2003. – № 2. – С. 22 – 31.

3. Верховлюк А.М., Беспалый А.А., Шумихин В.С. Термодинамика взаимодействия циркония с оксидами, карбидами и нитридами // Расплавы. – 2005. – № 6. – С. 51 – 60.

4. Верховлюк А.М., Беспалый А.А., Шумихин В.С. Термодинамические особенности взаимодействия расплавов Zr – Cu – Ni – Al с огнеупорными материалами // Адгезия расплавов и пайка материалов. – 2004. – вып. 37. – С. 62 – 72.

5. Верховлюк А.М., Беспалый А.А., Шумихин В.С. Влияние магния и иттрия на процесс смачивания кварцевого стекла расплавом на основе циркония // Адгезия расплавов и пайка материалов. – 2005. – вып. 38. – С. 59 – 68.

6. Патент України 20440 С22С 45/00. Спосіб одержання об’ємноаморфізованих сплавів / В.С. Шуміхін, О.А. Щерецький, І.Г. Раздобарін, В.Л. Лахненко, В.В. Апухтін, А.М. Верховлюк, А.А. Безпалий. – Бюл. №1. – 15.01.2007.

7. Патент України 20439 С22С 45/00. Спосіб одержання аморфних сплавів / В.С. Шуміхін, О.А. Щерецький, А.М. Верховлюк, А.А. Безпалий, М.І. Науменко, І.Г. Раздобарин, В.Л. Лахненко. – Бюл. №1. – 15.01.2007.

8. Верховлюк А.М., Беспалый А.А., Шумихин В.С. Взаимодействие сплавов системы Zr – Cu – Ni – Al с керамическими материалами //Тезисы докладов Международного научно-технического конгресса «Литейное производство: высококачественные отливки на основе эффективных технологий». – Киев. – 2004. – С. 35.

9. Беспалый А.А. Термодинамические особенности взаимодействия расплава Zr – Cu – Ni – Al с огнеупорными материалами //Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Азовсталь – 2004». – Мариуполь. – 2004. – С. 136.

10. Верховлюк А.М., Шумихин В.С., Щерецкий А.А., Беспалый А.А., Апухтин В.В. Межфазное взаимодействие расплавов на основе циркония с огнеупорными материалами //Труды Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: иследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий». – Кацивели - Понизовка. – 2004. – С. 81.

11. Верховлюк А.М., Беспалый А.А., Шумихин В.С., Щерецкий А.А., Апухтин В.В. Влияние магния и иттрия на процесс смачивания кварца расплавом на основе циркония //Тезисы докладов Международной конференции «Современное материаловедение: достижения и проблемы». – Киев. – 2005. – С. 303.

12. Шерецкий А.А., Шумихин В.С., Лахненко В.Л., Беспалый А.А. Композиционные материалы на основе циркония с аморфной матрицей // Сборник докладов 7-й Международной конференции «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов». – Том 2. – Харьков. – 2006. – С. 160 – 165.

13. Беспалый А.А., Верховлюк А.М., Шумихин В.С., Щерецкий А.А. Особенности получения аморфних сплавов на основе циркония и алюминия // Тезисы докладов Международной научно-практической выставки-конференции «Литье – 2007». – Киев. – 2007.– С. 27.