Анотація до роботи:

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 електроних 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 a-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.

Дисертація присвячена встановленню закономірностей формування зеренної структури алюмінію і його сплавів при затвердінні в присутності дисперсних часток тугоплавких сполук з метою визначення оптимальних типу і кількості уживаних добавок та способів їх введення в розплав для одержання структури металу з найкращими споживчими характеристиками. На основі результатів комплексного дослідження наслідків кристалізації в присутності часток тугоплавких сполук, виконаного з використанням як оптичної мікроскопії, так і сучасних методів мікроскопії і аналізаторів з високою роздільною здатністю, у сполучені з критичним аналізом літературних даних з даної проблеми, зроблені наступні висновки:

1. Зменшення розмірів литого зерна алюмінію з доперитектичним вмістом титану, введеного в розплав у складі бінарної лігатури AlTi6, обумовлено зародкоутворюючою дією дисперсних часток карбіду титану, який утворюється завдяки присутності у лігатурі вуглецю, сконцентрованого переважно в кристалах Al₃Ti. Частки TiC, що виникли при розчиненні Al₃Ti, виявляються стійкими, якщо вміст Ti в розплаві перевищує 0,5 %.

2. При охолодженні алюмінію чи сплаву алюміній – кремній з вмістом Ti більш, ніж 0,15 %, із швидкістю 0,1 – 20,0 К/с зародкоутворення a-фази відбувається на частках тетрагональної форми, склад яких у випадку чистого Al точно відповідає стехіометричній сполуці Al₃Ti, а у сплаві Al – Si – фазі на основі триалюмініду титану, яка вміщує розчинений кремній.

3. Здатність до зменшення розмірів литого зерна Al при використанні лігатур системи Al – Ti – B обумовлена присутністю в їх складі часток дибориду титану, більшість з яких відповідає стехіометричній сполуці TiB₂ і має розмір 0,1 – 6,0 мкм. Кристалізація a-Al відбувається не безпосередньо на поверхні цих часток, а на проміжному шарі товщиною 15 – 20 нм, який повністю вкриває частки і містить лише Al і Ti. Аналіз його електронномікроскопичного зображення показав, що структура шару має ознаки аморфного стану.

4. При використанні лігатури Al – Ti – B лише незначна доля часток TiB₂, що входять до її складу, виступає як центри кристалізації, а решта осідає в міждендритних ділянках і на границях зерен у вигляді конгломератів. Це явище знижує корисний вплив лігатури на формування дрібнозернистої структури і, крім того, заважає виготовленню особливо тонкостінних деталей та фольги. З цієї точки зору доцільніше використовувати лігатуру Al – Ti – C, додавання якої не веде до утворення в розплаві великих конгломератів. Застосування цієї лігатури вимагає жорсткого контролю температурних і часових умов плавки, що пов’язано з нестійкістю часток TiC в рідкому алюмінії.

5. В присутності часток – потенційних зародкоутворювачів легуючий елемент впливає на формування дрібнозернистої структури подвійним чином: через зміну швидкості росту кристалів твердої фази і їх морфології і через створення попереду фронту кристалізації зони концентраційного переохолодження (DT_c). Частки, що потрапляють до цієї зони, дістаючи необхідне для зародження кристалів переохолодження, стають центрами кристалізації нових зерен. Останні, в свою чергу, утворюють навколо себе зону DT_c, яка також містить зародкоутворюючі частки. Така послідовність подій забезпечує рух фронту зародкоутворення від стінок форми вглиб зливка.

6. Концентрація легуючих елементів в алюмінієвих сплавах, впливаючи на морфологію зростаючих зерен a-фази, визначає ефективність зародкоутворюючої дії тугоплавких часток. При кристалізації сплавів з низьким вмістом легуючих елементів кристали ростуть у формі листків, і дифузійна зона вкриває вершини дендритних гілок товстим шаром, сприяючи зменшенню швидкості росту твердої фази і залишаючи, внаслідок цього, більше часу для залучення у зародкоутворення нових часток. При високому вмісті легуючих компонентів дендритні гілки першого порядку мають гілчасту форму і, відповідно, малу товщину дифузійної зони на вершинах. Через це лише мала доля часток потрапляє в сприятливі для зародкоутворення умови.

7. Кількісно вплив легуючих елементів на формування дрібнозернистої структури алюмінію в присутності часток тугоплавких сполук може бути описаний фактором росту Q, який відображає швидкість утворення концентраційно-переохолодженної зони на початковій стадії кристалізації. Для ефективного і економічного зерноподрібнення алюмінієвих сплавів Q повинно бути в межах 10 - 20 К. Для сплавів з низьким вмістом легуючих компонентів (Q = 1 - 3 К) слід рекомендувати додаткове легування елементами з високим питомим значенням Q, наприклад титаном, щоб зберігаючи морфологію дендритів, збільшити абсолютну величину DT_c і, таким чином, активізувати зародкоутворюючу дію більшої долі часток. У сплавах з високим вмістом легуючих елементів (Q = 40 - 60 К) через вузьку зону DT_c формується хоч і рівновісна, але крупнозерниста структура. Тому використання для таких сплавів лігатур з надлишковим, відносно до стехіометричного складу, зародкоутворюючих часток, вмістом легуючих елементів недоцільно.

8. Вперше експериментально визначений розподіл часток дібориду титана за розміром в лігатурах Al – Ti – B виявився близьким до експоненціального. Врахування цієї обставини у запропонованому варіанті моделі формування зеренної структури алюмінію в присутності тугоплавких часток показало, що не усі частки TiB₂ потрапляють у сприятливі для зародкоутворення умови, внаслідок чого коефіцієнт корисної дії лігатур Al–Ti–B ніколи не досягає 100%.

9. При введенні в Al або сплав Al – Si порошку нітриду і карбонітриду титана у суміші з гексафторцирконатом калію центрами кристалізації виступають частки фази на основі Al₃Zr, яка містить деяку кількість розчиненого титану. Частки TiN або Ti(C,N) не виконують самостійної зародкоутворюючої функції. Досягнення середнього розміру зерна в межах 100 – 140 мкм за допомогою введення TiN (Ti(C,N)) потребує майже в 3 рази більшої добавки, ніж при ввдені AlTi5B1. До того ж засвоєння тугоплавких часток TiN або Ti(C,N) суттєво нижче за 100 %, що також знижує економічність їх використання для подрібнення зерен. Тому користуватися для подрібнення зерна алюмінію і його сплавів добавками TiN і Ti(C,N) недоцільно.

10. В доевтектичних сплавах Al – Si найвищу ефективність подрібнення зерна виявляє подвійна лігатура AlB4, механізм дії якої залежить від вмісту домішки титану у вихідному металі. В сплавах з вмістом Ti до 0,01 % утворення зародків твердої фази відбувається на поверхні часток дібориду алюмінію. Для сплавів з вмістом Ti більш, ніж 0,04 %, зародкоутворення відбувається при участі часток дібориду титана, що утворюються у розплаві внаслідок реакції введеного з лігатурою бору з титаном. Ці частки, як і частки TiB₂, введені з потрійної лігатури Al – Ti – B, стійкі в алюмінієво – кремнієвому розплаві і зберігають здатність до зародкоутворення навіть після триразового переплаву металу.

Таким чином, в роботі розв'язано важливу науково - практичну задачу: встановлено закономірності формування зеренної структури алюмінію в присутності часток тугоплавких сполук, таких як TiB₂, TiC, Al₃Ti, Al₃Zr, TiN і Ti(C,N) та обґрунтовано, яким чином присутність легуючих елементів та домішок впливає на кристалізацію алюмінію в дрібнозернистій формі. На основі одержаних результатів розроблено підхід до раціонального використання лігатур для зменшення розмірів литого зерна алюмінієвих сплавів і, за рахунок цього, формування високих споживчих властивостей останніх, якій є універсальним як для ливарних сплавів, так і для сплавів для подальшого деформування.

Публікації автора:

а) Основні матеріали дисертації опубліковані в роботах:

1. Михаленков К. В., Чернега Д. Ф., Могилатенко В.Г., Моляр А.Г. К вопросу об усваиваемости тугоплавких соединений жидкими алюминиевыми сплавами// Процессы литья. – 1996. – № 1. – с. 3 – 9

2. Михаленков К. В., Могилатенко В. Г. Получение дисперсноупрочненных и композиционных материалов на основе алюминия// Процессы литья. – 1996. - № 2. - с. 49 – 63

3. Михаленков К.В., Могилатенко В.Г., Райф В. Новые аспекты в применении нитрида титана для упрочняющей обработки алюминиевых сплавов// Процессы литья. – 1997. - № 1. – c. 41 – 50

4. Михаленков К. В., Чернега Д. Ф., Могилатенко В. Г., Жаркая А. О. Некоторые технологические особенности получения качественных отливок из сплава ВАЛ10// Процессы литья. – 1999. – № 1. – c. 49 – 56

5. Чернега Д. Ф., Михаленков К. В., Могилатенко В.Г., Прилуцкий М.И. Нитридные частицы как перспективный материал в технологии дисперсного упрочнения алюминиевых сплавов// Теория и практика металлургии. – 1998. – № 2. – c. 50 – 54

6. Михаленков К. В., Могилатенко В. Г. Необходимость разработки государственной научно-технической программы по литым дисперсноупрочненным и композиционным материалам – веление времени// Проблемы специальной электрометаллургии. – 1997. – № 3. – c. 64 – 68

7. Михаленков К. В. Кристалiзацiя i властивості сплавів. Новiтнi технології// Металознавство та обробка металів. – 1997. – № 3 – 4. – c. 70 – 71

8. Михаленков К. В., Могилатенко В. Г. Некоторые вопросы получения литых дисперсноупрочненных и композиционных материалов// Процессы литья – 1997. – № 4. – c. 51 – 53

9. Чернега Д. Ф., Михаленков К. В., Кузимович Э. Н. Промышленное освоение технологии дисперсного упрочнения литейных алюминиевых сплавов// Процессы лиття. – 1998. – № 1. – c. 41 – 50

10. Михаленков К.В., Могилатенко В.Г., Регенер Д., Iсляйб А. Дисперснi частки тугоплавких сполук як можливi змiцнювачі вторинних алюмiнiєвих сплавiв// Металознавство та обробка металiв. – 1999. – № 4. – c. 50 – 57

11. Mykhalenkov K. V., Lysenko S. I. ,Reif W. Application of TiN particles for grain refinement of Aluminum// Z. Metallkunde. – 1999. – Vol. 90, № 9. – p. 664 – 668

12. Чернега Д. Ф., Могилатенко В. Г., Михаленков К. В., Прилуцькiй М. I. Технолог-гiя дисперсного змiцнення алюмiнiєвих сплавiв нiтридними частками// Науковий Вісник КПI. – 1998. – № 3. – с. 85 – 90

13. Михаленков К.В., Лысенко С.И., Райф В. Измельчение зерна алюминия с помощью титана, циркония и тройных лигатур AlTiB и AlTiC// Процессы литья.–2000. – № 2. – c. 21 – 31

14. Михаленков К. В., Лисенко С. И., Райф В. Измельчение зерна алюминия с помощью частиц нитрида и карбонитрида титана// Процессы литья. – 2000. – № 3. – с. 49 – 57

15. Михаленков К. В., Могилатенко В. Г., Лисенко С. И. Формирование структуры алюминия, содержащего дисперсные частицы нитрида титана// Процессы литья. – 2001. – № 1. – с. 40 – 47

16. Михаленков К. В., Райф В. Измельчение зерна алюминия при допери-тектических добавках титана// Теория и практика металлургии. – 2002. –№ 2. – c. 34 – 42

17. Михаленков К. В., Райф В. Формирование и устойчивость частиц карбида титана в алюминии при доперитектических добавках титана// Теория и практика металлургии. – 2002. - № 3. – c. 12 - 17

18. Михаленков К. В., Чернега Д. Ф. Модифицирование алюминия титаном, цирко-нием и лигатурами AlTiB и AlTiC//Литейное производство.–2001.–№4.–c. 17 – 20

19. Михаленков К. В., Лисенко С. И. Модифицирование сплавов системы Al - Si добавками титана, бора и углерода// Процессы литья. – 2002. – № 2. – c. 44 – 52

20. Михаленков К. В., Райф В. Экспериментальное наблюдение границы раздела между зародышем кристаллизации и алюминиевой матрицей// Металлофизика и новейшие технологии. – 2001. – Т. 23, № 8. – c. 1049 – 1056

21. Михаленков К. В. Перераспределение титана при кристаллизации алюминия// Процессы литья. – 2002. – № 2. – c. 37 – 41

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

23. 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:

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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