CC BY
13
I СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ. ОП1Р РУЙНУВАННЮ ТА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИ ВОСТ1
УДК 669.2.017
Д-р техн. наук В. I. Мазур, канд. техн. наук С. В. Капустникова, канд. техн. наук Г. Ю. Шпортько, С. В. Бондарев
Нацюнальна металургшна академiя УкраТни, м. Днтропетровськ
СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ ПРИ ВИСОКОШВИДК1СН1Й КРИСТАЛ1ЗАЦП СПЛАВУ Al-11%Si
Вивчено можливгсть одержання др1бнокристал1чно1 структури в Al-Si сплавах близькоевтектичного складу. Методом високошвидюсно'1 кристалгзацИ крапель розплаву отриманг тонк1 плгвки сплаву, у структурi яких присутнi кристали кремнiю ргзно1 Тенези, як мають розмiри вiд 200 нм i бтьше, а також метастабшьна Х-фаза, щоутворилася вна^док перитектичноХреакцИ.
Вступ
Потреби науково-техшчного прогресу стимулюють штенсивний розвиток матерiалознавства, суть якого полягае в удосконалюванш наявних матерiалiв i по-шуку й розробщ нових матерiалiв з новими, у рядi випадшв незвичайними властивостями. Наприкiнцi минулого столптя в матерiалознавствi сформувався но-вий напрямок, пов'язаний з одержанням i використан-ням речовин у наностат, тобто в такому сташ, коли розмiр кристала або конденсовано! фази хоча б в одному з напрямiв зменшуеться до сотень i одиниць на-нометрiв (10-9 м). Перехiд речовин у наностан ютотно змiнюе практично всi його властивосп - електричнi, магнiтнi, оптичш, термiчнi, механiчнi та iн., що доз-воляе створювати принципово новi функцiональнi матерiали й пристро! з ушкальними характеристиками, використовуючи добре вiдомi речовини й матерiа-ли.
Одними з найбiльш розповсюджених конструкцш-них матерiалiв, як1 використовуються в авiапромисло-востi та двигунобудуванш, е алюмiнiевi сплави. Ли-варш алюмiнiевi сплави i найбiльш важливi з них -силумiни мають сприятливе поеднання фiзико-механ-iчних i технологiчних властивостей. Однак так1 тех-нологiчнi прийоми, як модифiкування i термiчна об-робка практично вичерпували ресурс пiдвищення вла-стивостей. Використання таких механiзмiв структуроутворення, якi приводять до отримання дрiбнокристалiчноl структури з розмiром зерна вiд дек1лькох десятшв до сотень нанометрiв, дозволить отримати матерiал з високим рiвнем властивостей. Технологи високошвидкюно! кристалiзацil, як1 достат-ньо добре вiдпрацьованi i забезпечеш вiдповiдним обладнанням. дозволяють одержувати об'екти мало!
товщини при швидкостях охолодження розплаву 105...1010 К/с. При таких швидкостях охолодження вiдбуваеться суттеве подрiбнення структури сплаву, а також структурш перетворення з утворенням метаста-бшьних фаз.
Матерiали та методика дослвджень
Матерiалами дослiджень були алюмшево-кремнiевi сплави близькоевтектичного складу: Л1-(10,3.. .11,8 % мас.)8Ц0,5 .. .0,8 % мас.)Бе.
Для подрiбнення структурних складових сплаву використовували метод високошвидкюно! кристаль зацп крапель розплаву на шдкладщ (метод сшншгу-вання). Ця методика включала ряд операцш, як1 вико-нувались послщовно. Навiску металу, що призначена для плавления, розмiщували в графiтовому тигл^ який закривали кришками, встановлювали у тч i нагрiвали до задано! температури. Через фiльеру розплав витис-кали графiтовим поршнем або видували аргоном. Краплi розплаву падали на мщний диск, що обертався зi швидк1стю « 30000 об/хв., i кристалiзувались у виг-лядi плiвок рiзноl товщини i довжини.
Температуру розплаву контролювали за допомогою хромель-алюмелево! термопари i цифрового мшволь-тметра.
Проведено металографiчнi дослiдження сплаву в литому сташ та плiвок, одержаних з нього методом сштнгування. Для виявлення мiкроструктури використовували стандартний протравлювач алюмжево-кремнiевих сплавiв - 0,5 % водний розчин плавиково! кислоти.
Шкрострукгуру сплавiв дослвджували за допомогою мшроскопа №орИо1 30. Для виведення оцифрованого зображення використовували фотокамеру ОЬУМРШ С3040, сполучену з персональним комп'ютером.
© В. I. Мазур, С. В. Капустникова, Г. Ю. Шпортько, С. В. Бондарев, 2009 8
Рентгенофазовий аналiз проводили за допомогою дифрактометра ДРОН 2,0 в Си К а випромiнювaннi.
За допомогою комп'ютерно! програми визначали розмiри кристалiв кремнiю i будували кривi розтдалу Гаусса.
Аналiз отриманих результат
У ходi експериментiв змiнювали так1 параметри технологи: швидшсть обертання гартувального диска, кут атаки, вiдстань мiж фшьером i диском; контролю-вали яшсть поверхнi диску, вiдстань мiж центром диска i точкою згткнення струменя рiдкого металу з диском . Це дозволило вибрати режими, при яких отриму-вали плiвки з дисперсною i порiвняно однорiдною структурою.
Товшина цих плiвок становила 10...30 мкм, однак, як показали результата статистичного аналiзу, найбiльша кшьшсть плiвок мала товщину 20 мкм. Ширина плiвок коливалась вiд 200 до 900 мкм. Швидшсть охолоджен-ня плiвок тако! товщини вадповшала 106...107К/с [1]. Характерна структура наведена на рис. 1.
Видно, що в плiвках дендритна структура повнютю вiдсутня. В дiлянках, як1 безпосередньо контактували з поверхнею мiдного диска утворився дуже перенаси-чений твердий розчин (рис. 1). За результатами вимь рювання рентгеноструктурним методом параметра гратки ал твердого розчину та обчислення даних зпдно з правилом Вегарда, вмiст розчиненого крем-нiю становив вiд 4,5 % в середньому до 8 % у найтон-ших плiвках. Далi вiд контактно! поверхнi сформува-лись округлi зерна а л твердого розчину i квазiевтек-тика мiж ними (рис. 1).
Рис. 1. Мжроструктура швидко затвердшо! пл1вки, х 500
Вiдомо, що в тонких плiвках розплав переохолод-жуеться на дек1лька сотень градусiв [2]. В таких ви-падках утворюеться велика кшьшсть зародк1в криста-лiзацi! по всьому перетину плiвки i формуеться структура , яка представлена на рис. 2 - у матриц а л твердого розчину розташоваш кристали кремшю, як мають чiткi границi i неправильну форму. Результати вимiрювань наведено на рис. 2. у виглядi математич-но згладжених кривих. Переважна б№шють кристалiв мала розмiр вiд 200 до 900 нм в ширину i вш 200 нм ^зометричш) до 2 мкм (витягнутi кристали) в довжи-ну; найбiльш iмовiрний розмiр, визначений за криви-ми розпод^, становив 550 нм.
Крiм цих кристалiв, при оптичних збшьшеннях мiкроскопа (х 2000) виявляються дабш частинки округло! форми, середнш розмiр яких становить 200...300 нм (рис. 2). 1х утворення - результат розпаду перенасиче-ного твердого розчину.
Рис. 2. Крив1 розподшу розм1р1в кристал1в кремшю
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2009
9
Висош швидкосп охолодження (велик1 переохолод-ження розплаву) приводять не тшьки до тдвищення ступеня перенасичення твердого розчину, а й можуть сприяти також утворенню метастабшьних фаз [1, 2].
У сплавах системи Al-Si завдяки розробленш авторами [3] методищ гальмування розпаду перенасиче-ного твердого розчину виявлеш таш метастабшьш фази: Х- фаза куб1чно! сингонй' з параметром а = 6,975Á [4, 5], п - фаза орторомб1чно! сингонп з параметрами а = 7,4525Á, b = 7,8184Á, с = 5,7579Ái ю- фаза гексагонально! сингони з параметрами а = 5,0597Á, с = 11,0255Á [3]. В1дпов1дно до схематично!' д1аграми метастабшьних фазових р1вноваг (рис. 3), що була запропонована авторами [3] i уточнена в [6] Х- фаза ут -ворюеться за перитектичною реакщею Ж + а о Х, п -фаза за евтектичною реакщею Ж о Х +п , ю - фаза
за перитектичною реакщею Ж + к о ю . Оск1льки ю -фаза е висококремшстою (область и гомогенносп при-близно 30...32 % Si мас.), то характерна перитектична структура з обвдками, що наведена на рис. 4, сформува-лась у птвщ, 1мов1ршше за все, в результат! перетворен-ня Ж + а о Х з утворенням метастабшьно1 Х- фази.
Рентгеноструктурш дослщження пл1вок показали,
що основш максимуми в1дпов1дак>ть а ai i Si, однак на дифрактограм1 е i шш1, що не належать цим двом фазам (рис. 5). Внаслщок невелико!' штенсивносп цих рефлекав, важко видшити !'х 1з фону й в1ропдно щен-тиф1кувати. Не виключено, що вони можуть належати метастабшьним пром1жним фазам, що утворюються в систем! Al-Si [4, 5].
Al 10 20 30 40 Si, мас. %
Рис. 3. Схематична дiаграма метастабшьних фазових рiвноваг в систе]ш Al-Si
Рис. 5. Рентгенограмма плiвки Al-Si сплаву
Висновок
Таким чином, внаслiдок використання методу ви-сокошвидшсно! кристалiзацil Al-Si сплаву, одержано матерiал, характерною особливютю якого е наявнiсть у струкгурi кристалiв кремнiю рiзного походження: одш - в результатi утворення в рщюй фазi зародк1в кремнiю i подальшого 1х росту в умовах швидкого охо-лодження (розмiр таких кристалiв коливаеться вiд 200 до 900 нм); друп, бiльш дабш (200 нм), - в результата твердофазного перетворення. Розмiр обох титв крис-талiв можна регулювати за рахунок змiнювання тех-нологiчних параметрiв. Метод високошвидшсно! кри-сталiзацil дае можливють отримати матерiал з бшьш дисперсною структурою.
Перелiк посилань
1. Добаткин В. И. Закономерности быстрой кристаллизации как основа выбора составов гранулируемых сплавов / В. И. Добаткин // Металлургия гранул. - М., 1988. -С. 11-23.
2. Мирошниченко И. С. Закалка из жидкого состояния / И. С. М1рошниченко. - М. : Металургия, 1982. - 168 с.
3. Мазур В. И., Куцова В. З., Узлов К. И. Структурообра-зование в силуминах при высокоскоростной кристаллизации / В. И. Мазур, В. З. Куцова, К. И. Узлов // Металловедение и термическая обработка металлов. -1985. - № 3. - С. 50-56.
4. Кушнерева А. К., Салли И. В. Об образовании пересыщенных твердых растворов в системах Al-Si и Al-Ge / А. К. Кушнерева, И. В. Салли // Известия АН СССР : Неорганические материалы. - 1970. - Т. 6, № 10. -С. 1867-1868.
5. Салли И. В. Кристаллизация при сверхбольших скоростях охлаждения / И. В. Салли. - К. : Наукова думка, 1972. - 135 с.
6. Мазур В. И., Рябова Н. С. Изучение метастабильных фаз в сплаве Al-7%Si / В. И. Мазур, Н. С. Рябова // Научные труды Международной конференции «Эвтектика IV». - Д. : ДНВП «Системш технологи», 1997. -С. 45-46.
Одержано 12.01.2009
Изучена возможность получения мелкокристаллической структуры в Al-Si сплавах околоэвтектического состава. Методом высокоскоростной кристаллизации капель расплава получены тонкие пленки сплава, в структуре которых присутствуют кристаллы кремния разного генезиса, имеющие размеры от 200 нм и больше, а также метастабильная X- фаза, образовавшаяся в результате перитектической реакции.
Possibility of formation of fine-crystalline structure in Al-Si alloys of near-eutectic composition has been studied. Thin films of alloy have been obtained by the method of rapid solidification process. Crystals of silicon of different genesis are present in the structure of these films and have sizes about 200 nm and more. Metastable X- phase, which appeared as a result of peritectic reaction, also present in structure.
УДК 669.24:620.183
Канд. техн. наук Я. И. Спектор1, И. Н. Куницкая1, канд. техн. наук А. Н. Тумко2, д-р техн. наук А. В. Ноговицын3, д-р техн. наук В. Е. Ольшанецкий4
1 Украинский научно-исследовательский институт специальных сталей, сплавов и ферросплавов «УкрНИИспецсталь», 2 ОАО «Днепроспецсталь»; г. Запорожье, 3 Министерство промышленной политики Украины, г. Киев, 4 Национальный технический университет, г. Запорожье
ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ И МЕХАНИЗМЫ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПРИ МНОГОПРОХОДНОЙ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
Для различных групп легированных специальных сталей - подшипниковых, инструментальных, коррозионностойких, жаропрочных, высокопрочных конструкционных - построены и уточнены термокинетические диаграммы рекристаллизации при прокатке в интервале температур 800-1200 °С. Рассмотрены механизмы рекристаллизации при горячей многопроходной деформации коррозионностойких аустенитных сталей. Показано влияние температурно-деформационныхрежимов во время прокатки и ковки на формирование различных типов рекристаллизованных структур сталей 08Х18Н10Т и 10Х17Н13М2Т.
Введение сталей показывают, что его разупрочнение происхо-
Исследования кинетики рекристаллизации горяче- дит, во-первых, непосредственно при горячей пласти-деформированного прокаткой аустенита специальных ческой деформации, во-вторых - в течение последе© Я. И. Спектор, И. Н. Куницкая, А. Н. Тумко, А. В. Ноговицын, В. Е. Ольшанецкий, 2009
ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуванш №1, 2009 11
