Помощь студентам в учебе
Возможности улучшения структуры слитков автоматных алюминиевых сплавов за счет гомогенизации расплава
|
Консультанты по разделам 2
Содержание 3
Реферат 4
Введение 6
Глава 1. Технологические особенности приготовления
автоматных алюминиевых сплавов и возможности улучшения структуры слитка за счет гомогенизации монотектических расплавов
1.1 Автоматные алюминиевые сплавы и промышленный опыт их получения 11
1.2 Строение, охлаждение и затвердевание монотектических расплавов 24
1.3 Роль поверхностных явлений в формировании эвтектических и монотектических структур 29
1.4 Возможности уменьшения ликвации системы Al-Pb за счет
легирования сплава магнием 31
1.5 Влияние поверхностных свойств расплавов системы
Al-Cu-Mg-Pb на формирование структуры слитков 33
1.6 Вывод по исследованию и анализу литературного обзора.. 35
1.7 Цель и задачи исследования 37
Глава 2. Исходные материалы, оборудование и методика
проведения исследований 38
Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение 42
Заключение 51
Список использованных источников 52
Содержание 3
Реферат 4
Введение 6
Глава 1. Технологические особенности приготовления
автоматных алюминиевых сплавов и возможности улучшения структуры слитка за счет гомогенизации монотектических расплавов
1.1 Автоматные алюминиевые сплавы и промышленный опыт их получения 11
1.2 Строение, охлаждение и затвердевание монотектических расплавов 24
1.3 Роль поверхностных явлений в формировании эвтектических и монотектических структур 29
1.4 Возможности уменьшения ликвации системы Al-Pb за счет
легирования сплава магнием 31
1.5 Влияние поверхностных свойств расплавов системы
Al-Cu-Mg-Pb на формирование структуры слитков 33
1.6 Вывод по исследованию и анализу литературного обзора.. 35
1.7 Цель и задачи исследования 37
Глава 2. Исходные материалы, оборудование и методика
проведения исследований 38
Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение 42
Заключение 51
Список использованных источников 52
Алюминий и его сплавы по объемам производства и потребления занимают второе место после стали, причем сфера их потребления постоянно расширяется и в ряде областей промышленности они успешно вытесняют традиционно применяемые материалы. Бурное развитие потребления алюминия и его сплавов обусловлено их замечательными свойствами, среди которых в первую очередь следует назвать высокую прочность в сочетании с малой плотностью, удовлетворительную коррозионную стойкость, хорошую способность к формообразованию литьём, давление и др. Все это в сочетании с большими запасами в земной коре в виде бокситов делает перспективы развития производства и потребления алюминия и его сплавов весьма широкими.
Согласно диаграммам фазового равновесия, монотектические композиции из разнородных компонентов должны обладать исключительно интересными физическими свойствами - магнитными, гальваномагнитными, термоэлектрическими, оптическими, эмиссионными и др., потребность в которых растет в связи с бурным развитием соответствующих областей техники.
В качестве примера можно привести систему A1-Pb (до 30 % Pb), на основе которой созданы баббиты с превосходящими все известные по своим антифрикционными характеристикам в тяжелейших условиях работы и более дешевые, чем широко применяемые материалы системы Al-Sn для автомобилей легкой и средней весовой категорий. Но весьма ограниченная растворимость свинца в алюминии в твердом и жидком состояниях создает проблему получения таких сплавов. Поэтому исследование механизма структурообразования, термодинамики и кинетики процессов получения сплавов из несмешивающихся компонентов имеет научный и практический интерес.
Непрерывный рост объема производства деформируемых алюминиевых сплавов и их применение в различных отраслях промышленности, особенно за рубежом, потребовал разработки мероприятий по повышению скорости обрабатываемости резанием алюминиевых сплавов на станках - автоматах. С этой целью сплавы традиционных составов дополнительно легируют легкоплавкими элементами - свинцом или свинцом совместно с висмутом, оловом. Как известно, системы: Al-Pb, Al-Pb-Bi, Al-Sn относятся к системам с областью несмешиваемости в жидком состоянии.
Производство сплавов с несмешивающимися компонентами обусловлено рядом технологических трудностей: механизм затвердевания сплава зависит от соотношений плотностей смешиваемых компонентов; невозможно получить однородное распределение компонентов как при нормальной, так и при искусственной гравитации из-за нестабильности структуры с прослойками двухфазной жидкости: на фронте кристаллизации растущим кристаллом захватываются частицы менее 0,1-0,25 мкм, а более крупные оттесняются в междендритные пространства [1]. В двухфазной зоне происходит укрупнение частиц свинца вдоль фронта растущих кристаллов [2].
Сплавы монотектических систем недостаточно изучены, так как получение многих из них в сравнительно большом объеме традиционными методами литья невозможно из-за расслаивания сплава в процессе его охлаждения и кристаллизации. Между тем двойных монотектических систем алюминия с другими компонентами достаточно много. Это системы алюминия с натрием, калием, рубидием, цезием, кадмием, индием, галлием, свинцом, висмутом [3].
В западных странах для приготовления свинецсодержащих алюминиевых сплавов применяют присадки свинца в виде порошка или гранулированном виде. Однако, и в этом случае существуют проблемы недостаточного усвоения свинца расплавами (не более 80 %) и нестабильности получения заданной структуры из-за укрупнения частиц свинца.
Как показали многочисленные исследования, при получении лигатур с большим содержанием свинца и их последующим применением для выплавки автоматных алюминиевых сплавов не достигается гомогенизация раствора. Эти системы рассматриваются как микрогетерогенные системы, состоящие из дисперсной и дисперсионной фаз. При значительных перегревах монотектических систем (выше купола несмешиваемости) система переходит из макроскопиче-
неоднородности и перевод расплава в состояние истинного раствора существенно меняет условия кристаллизации, структуру и свойства формирующего¬ся слитка.
Согласно диаграммам фазового равновесия, монотектические композиции из разнородных компонентов должны обладать исключительно интересными физическими свойствами - магнитными, гальваномагнитными, термоэлектрическими, оптическими, эмиссионными и др., потребность в которых растет в связи с бурным развитием соответствующих областей техники.
В качестве примера можно привести систему A1-Pb (до 30 % Pb), на основе которой созданы баббиты с превосходящими все известные по своим антифрикционными характеристикам в тяжелейших условиях работы и более дешевые, чем широко применяемые материалы системы Al-Sn для автомобилей легкой и средней весовой категорий. Но весьма ограниченная растворимость свинца в алюминии в твердом и жидком состояниях создает проблему получения таких сплавов. Поэтому исследование механизма структурообразования, термодинамики и кинетики процессов получения сплавов из несмешивающихся компонентов имеет научный и практический интерес.
Непрерывный рост объема производства деформируемых алюминиевых сплавов и их применение в различных отраслях промышленности, особенно за рубежом, потребовал разработки мероприятий по повышению скорости обрабатываемости резанием алюминиевых сплавов на станках - автоматах. С этой целью сплавы традиционных составов дополнительно легируют легкоплавкими элементами - свинцом или свинцом совместно с висмутом, оловом. Как известно, системы: Al-Pb, Al-Pb-Bi, Al-Sn относятся к системам с областью несмешиваемости в жидком состоянии.
Производство сплавов с несмешивающимися компонентами обусловлено рядом технологических трудностей: механизм затвердевания сплава зависит от соотношений плотностей смешиваемых компонентов; невозможно получить однородное распределение компонентов как при нормальной, так и при искусственной гравитации из-за нестабильности структуры с прослойками двухфазной жидкости: на фронте кристаллизации растущим кристаллом захватываются частицы менее 0,1-0,25 мкм, а более крупные оттесняются в междендритные пространства [1]. В двухфазной зоне происходит укрупнение частиц свинца вдоль фронта растущих кристаллов [2].
Сплавы монотектических систем недостаточно изучены, так как получение многих из них в сравнительно большом объеме традиционными методами литья невозможно из-за расслаивания сплава в процессе его охлаждения и кристаллизации. Между тем двойных монотектических систем алюминия с другими компонентами достаточно много. Это системы алюминия с натрием, калием, рубидием, цезием, кадмием, индием, галлием, свинцом, висмутом [3].
В западных странах для приготовления свинецсодержащих алюминиевых сплавов применяют присадки свинца в виде порошка или гранулированном виде. Однако, и в этом случае существуют проблемы недостаточного усвоения свинца расплавами (не более 80 %) и нестабильности получения заданной структуры из-за укрупнения частиц свинца.
Как показали многочисленные исследования, при получении лигатур с большим содержанием свинца и их последующим применением для выплавки автоматных алюминиевых сплавов не достигается гомогенизация раствора. Эти системы рассматриваются как микрогетерогенные системы, состоящие из дисперсной и дисперсионной фаз. При значительных перегревах монотектических систем (выше купола несмешиваемости) система переходит из макроскопиче-
неоднородности и перевод расплава в состояние истинного раствора существенно меняет условия кристаллизации, структуру и свойства формирующего¬ся слитка.
Анализ отечественных и зарубежных источников по проблеме получения свинецсодержащих алюминиевых сплавов выявил недостатки существующих технологий: не обеспечивается однородный химический состав сплава из-за не-равномерности распределения свинцовых фаз оптимальных размеров в объеме расплава, низкая стойкость футеровки, высокий расход электроэнергии при вы-плавке сплавов в индукционных тигельных печах. Приготовления автоматных алюминиевых сплавов в транспортных ковшах с использованием электромагнитного перемешивания позволяет получить более равномерное распределение свинца по объему ковша (коэффициент распределения - 91%), снижает затраты на электроэнергию, замену футеровки и введению ковша в эксплуатацию.
Для обеспечения термодинамической стабильности расплава необходимо не только диспергировать свинец, но и перевести металлический расплав из микрогетерогенного состояния в гомогенное. Гомогенизация способствует заполнению процесса макрорасслоения монотектического расплава и формированию в структуре слитка после кристаллизации высокодисперсных включений свинца. Однако процесс гомогенизации протекает при высокотемпературной обработке расплава, что недопустимо в условиях промышленного производства. Снижение температуры гомогенизации достигнуто введением в расплав системы Al-Cu-Mg-Pb поверхностно-активного олова в количестве до 0,1%. Положительный эффект обусловлен сравнительно слабым взаимодействием атомов алюминия и меди с атомами олова в объеме расплава и более сильным притяжением их пограничными атомами свинца. С достижением температуры расплава данной системы 710°С возрастает взаимная растворимость компонентов, снижается межфазное натяжение, краевые углы смачивания расплава свинцом микрогетерогенным оловом приобретает нулевое значение.
Для обеспечения термодинамической стабильности расплава необходимо не только диспергировать свинец, но и перевести металлический расплав из микрогетерогенного состояния в гомогенное. Гомогенизация способствует заполнению процесса макрорасслоения монотектического расплава и формированию в структуре слитка после кристаллизации высокодисперсных включений свинца. Однако процесс гомогенизации протекает при высокотемпературной обработке расплава, что недопустимо в условиях промышленного производства. Снижение температуры гомогенизации достигнуто введением в расплав системы Al-Cu-Mg-Pb поверхностно-активного олова в количестве до 0,1%. Положительный эффект обусловлен сравнительно слабым взаимодействием атомов алюминия и меди с атомами олова в объеме расплава и более сильным притяжением их пограничными атомами свинца. С достижением температуры расплава данной системы 710°С возрастает взаимная растворимость компонентов, снижается межфазное натяжение, краевые углы смачивания расплава свинцом микрогетерогенным оловом приобретает нулевое значение.