Спосіб легування металу

Винахід відноситься до металургії, а саме до легування чорних і кольорових металів. Відомий спосіб легування металу, - введення в сплав від 0,1 до 10% і вище добавок для зміни будівлі сплаву, додання йому визначених фізичних і механічних властивостей [1 - с.5]. Для різних металів досвідом установлені найбільш сприятливі легуючі добавки [1], наприклад для алюмінію - магній, мідь, цинк, кремній і т.д. [1 - с. 135]; для міді - цинк, алюміній, олово і т.д. [1 - с. 140]; для заліза - марганець, кремній, хром, нікель, титан і т.д. [1-е. 148]. Легуючі елементи, у більшості випадків, створюють твердий розчин з металом основою [1 - с. 132- 149]. Уведення легуючи х елементів у плавку виробляється лігатурою [2]. Уведення лігатур у металургійну плавку, у залежності від їхніх властивостей здійснюється в різний час. Так, наприклад, при плавці сплавів на основі алюмінію дотримується наступний порядок: "При проведенні плавки на свіжих чушкових металах і лігатурах у першу чергу завантажують (цілком або вроздріб) алюміній, а потім завантажують лігатури", елементи що сильно угорають (Mg і Zn) вводять у сплав в останню чергу. У виді лігатур в алюмінієві сплави вводять такі компоненти як Cu, Mn, Si, Ті, Cr, Ni, Be і ін. [З -с.137]. Відомий також спосіб введення в алюмінієві розплави рідких лігатур [2 -с.105]. "При плавці стали в електропечах легуючі елементи, що володіють значно меншою спорідненістю до кисню чим залізо (наприклад Ni, Мо і ін.) вводять у ванну печі разом із завалкою шихти. Титан, ванадій і інші елементи, що легко окисляються в рідкій сталеплавильній ванні, вводять у розплав наприкінці плавки [4 -с. 206-209]. У відомих способах вихідна кристалічна структура шихти не завжди спадково може формувати дрібнокристалічну структур у кінцевої металопро-дукції (поява негативної спадковості [5]). Наприклад, у роботі [6] підкреслюється, що чушки лігатур мають традиційно крупнокристалічну структур у, потому не можна заперечувати виникнення спадководрібного зерна після затвердіння виливка. У літературі, напр. [7 с.23], відзначено, що "чим дрібніше зерно, тим краще механічні властивості металів і сплавів: більше межа пружності, межа міцності й ударна в'язкість". У роботі [8] відзначається, що для поліпшення структури лігатурної шихти (тобто перетворення її в дрібнозернисту) існують наступні способи: прискорене охолодження її від рідкого стану, термічна обробка твердої шихти, а також пластична деформація. Однак ці способи важко здійснити технічно - великі витрати енергії на термообробку ши хти, на швидке охолодження значних мас лігатурних розплавів, багато лігатур у твердому стані ламкі [3 -с. 139] і не можуть бути піддані деформаційній обробці. Найбільш близьким способом до пропонованого є введення в розплав лігатурного прутка [2 -с.105]. Він уводиться з метою легування розплаву і не завжди досягається ефект здрібнювання зерна металу. Використання відомих способів приводить до того, що в одному випадку досягається здрібнювання структури металу (при введенні в розплав невеликих добавок дрібнокристалічної шихти, наприклад, прокат, кування, і т.п. [8]), але відсутнє легування сплаву, а в іншому випадку виробляється тільки легування сплаву, без здрібнювання зерна затверділого металу [6]. Тому при легуванні металу для поліпшення їхніх властивостей необхідна термічна обробка. Наприклад, у роботі [9 —с. 155] відзначаються основні переваги легованих сталей виявляються тільки після термічної обробки. Для сплавів на основі кольорових металів у роботі [1 -с.112] затверджується, що "термічна обробка не може розглядатися поза легуванням». В основу винаходу поставлена задача розробити спосіб легування металу, у якому за рахунок нової дії й умов його здійснення досягається посилення впливу легуючого елемента на основний метал за рахунок здрібнювання зерна затверділого розплаву і поліпшення механічних властивостей, що забезпечить зниження собівартості виливків, економії легуючи х матеріалів. Для рішення поставленої задачі в способі легування метала утримуючому введення в рідкий метал лігатурних матеріалів, відповідно до винаходу, додатково вводять дрібнокристалічну тверду ши хту основного металу в кількості до 10% при температурі розплаву (1,05 - 1,30) K (Кельвін) точки досягнення мікрооднорідного складу рідкого розплаву перед випуском його з печі. При цьому період уведення додаткової шихти складає 5-15 хвилин до випуску розплаву з печі. Суть способу пояснюється графіком, де представлена залежність коефіцієнта спадкування шихти (KН(НВ)) від розмірного критерію атома (а) і полярності зв'язку елемента (П,%) (б). Теоретичною основою пропонованого способу легування металу є аналіз опублікованих у літературі дослідних даних [10] по вивченню явища спадковості в алюмінієвих сплавах з додаванням наступних легуючи х елементів: Добавка Mg Си Zn Si Mn Ті Fe Ni %,ат. 0,459 1,89 0,135 2,079 0,32 0,108 0,38 0,46 Вихідну ши хту для розплавлювання одержали шляхом охолодження металевого розплаву зі швидкостями 102 град/с (дрібне зерно) і 1 град/с (велике зерно). Отримані заготівлі знову розплавляли, перегрівали до 700 – 720°С ( тобто нижче температури разупорядковування кластерів розплаву, що по оцінках роботи [11 -рис. 3] складає »950°С) і охолоджували для кристалізації зі швидкістю 10 град/с. З затверділих виливків вирізували зразки, на яких вивчали твердість металу по Бринелю НВ. За коефіцієнт спадковості шихти KH автори роботи [19] прийняли відношення двох значень величини НВ для проб із дрібно- і крупнокристалічної шихти KH(HB). Важливі питання спадковості шихти: a) Як обчислити результуючу функцію процесу; b) Які властивості шихти є її аргументами. У роботі [10] результуючим показником спадковості шихти прийняли величину KH(HB) - Але ця величина не враховує зміст добавки (Д) у сплаві. Тому вперше як це видно з літератури, уведена питома величина коефіцієнта спадковості KH(HB)/Д,% ат. Як аргумент процесу в літературі використовували або безрозмірні параметри подвійних діаграм стану а і со [1 -з. 102 - 103], або безрозмірний геометричний параметр h·h ( e0 - e Д ) /( e0 + e Д ) ´ 100% [10]. [ ] Параметр h відображає співвідношення радіусів основного елемента r0 і добавки r. Як показав попередній аналіз результатів роботи [10] показники процесу a і w не дають надійного зв'язку між розглянутими величинами. Тому при вивченні процесів спадковості шихти використовувався новий показник цього процесу, - полярність зв'язку П основного елемента й елемента добавки. Останню величину обчислили з використанням єлектронегативності основного є і домішеного є елементів по Полінгу [12 -з. 97; 13 -з. 144 - 145]. Як прийнято в літературі [12 - с.97] полярність зв'язку обчислили по рівнянню h·h ( e0 - e Д ) /( e0 + e Д ) ´ 100% [ ] На фіг. представлені величини KH(HB)/Д,% ат. для різних елементів у залежності від критеріїв h (а) і П.% (б). Як видно з фіг. спадковість шихти максимальна при нульових значеннях критеріїв h і П. Це означає, що максимальну сприятливу спадковість легованого розплаву можна досягти, якщо в розплав увести невелику кількість (до 10%) дрібнокристалічної твердої ши хти основного металу. Для того, щоб зберегти спадковість дрібнокристалічної шихти введення її в розплав повинний бути регламентований: а) по температурі і б) по інтервалі часу між уведенням її в розплав і початком розливання металу. Як відомо з літератури [11], спадковість шихти виявляється, якщо розплав нагрітий нижче температури разупорядковуванням його кластерів. Тому температура розплаву при введенні дрібнокристалічної шихти повинна бути в межах 1,05 - 1,30 температури (в Кельвінах) точки досягнення мікрооднорідного складу рідкого розплаву перед випуском його з печі або 0,80 - 0,95 точки разупорядковування кластерів розплаву [11]. При більш високій температурі розплаву спадковість шихти не виявляється, тому що її центри руйнуються. При більш низькій температурі розплаву тверда ши хта не розплавляється й ефект здрібнювання структури затверділого розплаву не виявляється. Час введення в розплав дрібнокристалічної шихти обирається в інтервалі 5 - 15 хвилин до випуску рідкого металу з печі. При меншому часі шихта може не розчинитися й ефекту здрібнювання зерна затверділого виливка не буде досягнуто. При більшому періоді часу шихта розчиняється рано і центри кристалізації можуть зруйнуватися, - е фект здрібнювання зерна металу також не досягається. Необхідно відзначити ще одну позитивну сторону пропонованого способу легування металу,- як відзначено в літературі [14 -с. 129] уведення твердої шихти в розплав наприкінці плавки приводить до енергійного скипання металу і зменшенню змісту в ньому газів і неметалічних включень. Приклад У ливарній лабораторії Приазовського державного технічного університету, в печі ємністю 50 кг, на технічно чистих матеріалах, чушковий алюміній і алюмінієво-кремнієві лігатури, виплавили сплав складу Аl - 10%Si. Дослідна технологія від стандартної відрізняється тим, що перед випуском розплаву за 10 хвилин у нього вводять шматки дрібнозернистого алюмінію (прискореного охолодження в кокілі висотою 20 мм). Температура ра-зупорядковування кластерів металевого розплаву складала »950°С (1223 K); температура ліквідує розплаву склала 600°С=873K. Оптимальна температура введення дрібнокристалічної шихти складає (1,20 - 1,30)´873K=(1048-1135)K=(775-852)°С. При розчиненні шихти в розплаві спостерігали газовиділення з нього. Метал розлили в кокілі. На пробах визначають властивості металу. Результати дослідів приведено в таблиці. Таблиця Результати дослідів по введенню дрібнокристалічної твердої ши хти те хнічно чистого алюмінію в рідкий розплав складу Al-10%Si № пп. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Технологія Час уведення шихти Кількість Температура sв до випуску металу, шихти розплаву, °С кг/мм 2 хв. кг % звичайна 700 19,00 звичайна 730 19,50 дослідна 5 1 2 700 18,50 дослідна 5 2 4 800 22,50 дослідна 5 3 6 950 17,40 дослідна 10 4 8 800 21.00 дослідна 18 3 6 800 19,00 дослідна 5 4 8 800 20,20 дослідна 5 4 8 810 21,30 дослідна 5 6 12 880 18,70 d,% 2,10 2,07 2,04 2,50 2,00 2,40 2.15 2,35 2,45 2,00 Досягнення позитивного ефекту в порівнянні зі звичайною технологією не досягається досягається не досягається досягається досягається досягається досягається не досягається З таблиці видно, що в заявленому інтервалі температур розплаву (800 - 820°С), часу введення в нього твердої ши хти (5 - 9 хв.) і маси уведеної твердої шихти (до 10%) властивості затверділого металу найвищі. Список літератури. 1. Гуляев Б.Б. Физико-химические основы синтеза сплавов: -Л.: Издательство Ленинградского университета. -1980. -192 с. 2. Напалков В.И., Ма хов С.В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. -М.: МИСиС. 2002. -376 с. 3. Альтман М.Б. Металлургия литейных алюминиевых сплавов. -М.: Металлургия, 1972.-152 с. 4. Крамаров А. Д. Производство стали в электропечах. -М.: Металлургиздат, 1958. -440 с. 5. Гаврилин И.В. Что дают исследования строения жидких сплавов для практики литья? - Литейное производство - 1988. -№9. - С. 3 - 4. 6. Кандалова Е.Г., Никитин В.И., Тюкилин А.Г. Критерии качества модифицирующей лигатуры на основе алюминия. - Литейное производство. -1999. -№1 -С. 25 - 27. 7. Мальцев М.В. Модифицирование структуры металлов и сплавов. -М.: Металлургия. -1964. -214 с. 8. Никитин В.И. О влиянии качества шихто вых металлов на свойства легких сплавов. — Цветные металлы. -1982. -№8. -с. 73 - 75. 9. Лейкин А.Е., Родин Б.И. Материаловедение. -М.: Выc. шк., 1971. -416 с. 10 Никитин В.И. Связь эффекта наследственности шихты с природой добавок и примесей в сплавах алюминия. - Лит. пр-во. -1990. -№8. -с. 6-8. 11. Кинетика разупорядочения кластеров при перегреве и выдержке металлического расплава. Процессы литья. 2002 г. №4. стр. 9-14. 12. Пилипенко А.Т., Починок В.Я., Середа И.П., Шевченко Ф.Д. Справочник по элементарной химии. Киев: Наукова Думка. -1980. -544 с. 13. Свидунович Н.А., Глыбин В.П., Свирко Л.К. Взаимодействие компонентов в сплавах. -М: Металлургия. -1989. -158 с. 14. Ершов Г.С., Бычков Ю.Б. Высокопрочные алюминиевые сплавы из вторичного сырья. -М: Металлургия. -1979. -192 с.