Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0039

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0039
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Разработка технологии производства нового поколения экономнолегированных высокопрочных наноструктурированных алюминиевых сплавов, производимых с использованием алюминия, получаемого по технологии электролиза с инертным анодом
Докладчик
Белов Николай Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель работы: Разработка технологии производства нового вида материалов – высокопрочных (упрочняемых наночастицами, σв >500 МПа) экономнолегированных алюминиевых сплавов (от 0,5 до 1,5 % Fe) для применения в виде легких конструкционных изделий, изготовляемых из недорогих полуфабрикатов, получаемых с использованием алюминия, производимого по технологии электролиза с инертным анодом
Задачи проекта.
Провести качественный и количественный анализ фазового состава многокомпонентных систем на основе алюминия, прежде всего, в области составов, в которых можно получить значительный эффект термического упрочнения за счет вторичных наноразмерных фаз при концентрация железа не менее 0,5 %. По результатам анализа выбрать наиболее перспективные составы экономнолегированных алюминиевых сплавов (ЭЛАС).
Изучить особенности формирования структуры отливок и слитков наиболее перспективных ЭЛАС в зависимости от состава условий кристаллизации.
Разработать режимы термообработки применительно к высокопрочным литейным ЭЛАС.
Разработать режимы деформационно-термической обработки применительно к высокопрочным деформированным ЭЛАС сплавам.
Провести опытно-промышленное опробования разработанных высокопрочных ЭЛАС, в том числе с использованием алюминия, производимого по технологии электролиза с инертными анодами.
Провести патентование новых ЭЛАС и способов их получения
Актуальность и новизна исследования
Сплавы на основе алюминия занимают особое положение среди конструкционных материалов, что связано с возможностью достижения уникального сочетания основных эксплуатационных свойств. Однако существует проблема, связанная с необходимостью значительного снижения себестоимости продукции из алюминиевых сплавов (в виде фасонных отливок, слитков, деформированных полуфабрикатов) при сохранении (а желательно при повышении) основных эксплуатационных и технологических характеристик. В основе цены алюминиевой продукции лежит цена первичного алюминия, получаемого по технологии электролиза. Одной из наиболее перспективных технологий получения первичного алюминия представляется новая технология, при которой используются инертные аноды. Поскольку при электролизе в криолит-глиноземном расплаве инертный анод всё же подвергается незначительному растворению, то основные компоненты инертного анода (железо, медь, никель) неизбежно загрязняют получаемый алюминий. Очистка получаемого алюминия от примесей, в первую очередь, от железа, чрезвычайно трудна и для больших промышленных партий экономически невыгодна, главным образом, из-за высокой себестоимости процесса электромагнитной сепарации расплавленного металла и сложности аппаратурного оформления.
Наиболее рациональным путем использования алюминия, производимого по технологии электролиза с инертными анодами, является получение алюминиевых сплавов с повышенным содержанием железа, соответствующим по своим характеристикам отечественным и/или зарубежным стандартам, а также разработка новых алюминиевых сплавов с высокими потребительскими свойствами.
Описание исследования

По разработанным методикам плавки, литья и деформационной обработки были изготовлены экспериментальные партии образцов  виде слитков, листов и прутков. Плавку проводил в печах сопротивления (в частности, LAC. Чехия)  и индукционной печи (в частности, РЭЛТЭК, Россия). Для определения химического состава использовали оптический спектрометр  «ARL 4460 OES» (Thermo Fisher Scientific, Швейцария). Для определения влияния термической обработки на упрочнение образцов ЭЛАС было проведено измерение твердости плоских слитков в литом состоянии и после термической обработки, которую проводили в муфельных электрических печах (отжиг,  SNOL 8.2/1100) и сушильном шкафу (старение, SNOL 58/350). Для оценки влияния вторичных фаз на упрочнение образцов ЭЛАС были выбраны различные  режимы термической обработки. Измерение твердости проводилось с использованием универсальных компьютеризированных твердомеров, в частности Wilson Wolpert 93. Изготовление экспериментальных партий образцов высокопрочных ЭЛАС, в виде листового проката, содержащего сварные соединения, из алюминия, производимого по технологии электролиза с инертным анодом проводилось соисполнителем ООО «РУСАЛ ИТЦ». Для проведения коррозионных испытаний рассматриваемых сплавов был выбран ГОСТ 9.021-74 «Алюминий и сплавы алюминиевые».

Металлографический анализ структуры экспериментальных образцов ЭЛАС проводился с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Tescan Vega SBH3, оснащенного приставкой энергодисперсионного микроанализа Oxford. Образцы для металлографического анализа готовились с помощью автоматически программируемого шлифовально-полировального станка «MASTERLAM 3.0». Испытания на одноосное растяжение проводили на
универсальных машинах Z250 Zwick/Roell и Instron в соответствии со стандартной методикой по ГОСТ 1497-84. Определяли механические свойства в продольном направлении, для чего из термообработанных холоднокатаных листов были вырезаны ленты с шириной 10 мм и длиной 120 мм.

Результаты исследования

В результате исследований уровня упрочнения деформированных полуфабрикатов из ЭЛАС (Al-Zn-Mg-Ni-Fe) с использованием расчетных (Thermo-Calc) и экспериментальных методов была проведена, корректировка режимов термо-деформационной обработки, позволяющих достигнуть требуемой прочности (выше 600 МПа). Были разработаны два технологических регламента на получение экспериментальных образцов высокопрочных ЭЛАС в виде деформированных полуфабрикатов (листового проката и прутков, получаемых методом радиально-сдвиговой прокатки) с использованием алюминия, производимого по технологии электролиза с инертным анодом, включающие в себя контроль качества на каждом этапе передела в технологической цепочке. Установлена более высокая технологичность разработанного деформируемого ЭЛАС по сравнению с аналогичным высокопрочным марочным сплавом типа В95. Установлено, что структура и свойства разработанного деформируемого ЭЛАС, не чувствительны к повышенному содержанию примеси железа. Формирующаяся после высокотемпературного отжига структура разработанного деформируемого ЭЛАС, состоящая из алюминиевой матрицы и равномерно в ней распределённых частиц фазы Al9FeNi, позволяет проводить деформационную обработку слитков при относительно невысоких температурах и с большими степенями обжатия. Помимо нечувствительности структуры и свойств разработанного деформируемого ЭЛАС к примеси железа, он также лишен еще одного недостатка сплавов типа В95 – образования зернограничных выделений по границам зерен при распаде твердого раствора. Равномерно распределенные частицы фазы  Al9FeNi предотвращают образование  зернограничных выделений в ЭЛАС, позволяя тем самым проводить деформационную обработку слитков без закалки и при относительно невысоких температурах.  Высокая температура солидуса, в отличии от марочного сплава В95, позволяет проводить высокотемпературную обработку ЭЛАС без опасения пережога.

Определение прочности сварных соединений высокопрочных ЭЛАС в виде листового проката показало, что он составляет не менее 80 % от прочности основного металла. Разрабатываемые высокопрочные деформируемые ЭЛАС, по коррозионной устойчивости, уступают низколегированным стандартным деформируемым сплавам, но существенно превосходят стандартный высокопрочный алюминиевый сплав марки В95.

Практическая значимость исследования
Результаты Проекта будут использованы, главным образом для создания принципиально новой продукции (материалов, технологий, видов услуг) – новых экономнолегированных литейных и деформируемых алюминиевых сплавов. Результаты Проекта возможно использовать для усиления конкурентных позиций отечественной науки и бизнеса при внедрении принципиально новой экологически чистой технологии электролиза алюминия с использованием инертных анодов. Алюминий, получаемый по такой технологии (с повышенным содержанием примесей Fe, Cu, Ni по сравнению с алюминием, полученным по традиционной технологии) планируется использовать как для получения известных стандартных алюминиевых сплавов с повышенным содержанием железа (от 0,5 масс.%), так и широкого спектра новых экономнолегированных литейных и деформируемых сплавов, имеющих высокие потребительские свойства. В перспективе, объем производства таких сплавов на предприятиях ОК РУСАЛ оценивается на уровне 300 тыс. тонн/год. Применение разработанных решений по использованию алюминия с повышенным содержанием примесей для изделий из стандартных (марочных) литейных и деформируемых сплавов и высокопрочных экономнолегированных алюминиевых сплавов в виде фасонных отливок и деформированных полуфабрикатов, получаемых, в том числе с использованием алюминия, производимого по технологии электролиза с инертными анодами, должно приводить к снижению себестоимости продукции из алюминия не менее 10 %. Среди перспективных областей применения следует выделить:иавиапром, автопром, железнодорожные транспорт, строительство, спортиндустрия, оборонпром,
судостроение, космическая техника