Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0220

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0220
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Разработка технологии получения коррозионностойких алюминиево-кальциевых сплавов, упрочняемых наночастицами фазы L12 без использования закалки
Докладчик
Белов Николай Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели
1.Разработка технологии получения коррозионностойких алюминиево-кальциевых сплавов, упрочняемых наночастицами фазы L12 без использования закалки, в виде фасонных отливок, предназначенных для изготовления облегченных изделий.
2. Разработка технологии получения коррозионностойких алюминиево-кальциевых сплавов, упрочняемых наночастицами фазы L12 без использования закалки, в виде деформированных полуфабрикатов, предназначенных для изготовления облегченных изделий.
Задачи
1. Выбрать системы легирования и предложить составы новых материалов, способных обеспечить высокий уровень технологичности и эксплуатационных характеристик за счет присутствия в их структуре вторичных наночастиц L12 (без использования закалки). Данная задача решается путем изучения влияния легирующих элементов на структуру, фазовый состав и свойства (механические, технологические, физические, коррозионные) новых Al–Ca сплавов.
2. Разработать технологию получения коррозионностойких алюминиево-кальциевых сплавов в виде фасонных отливок, упрочняемых наночастицами фазы L12 без использования закалки. Данная задача решается путем оптимизации перспективных составов литейных Al–Ca сплавов и технологических режимов литья фасонных отливок из них.
3. Разработать технологию получения коррозионностойких алюминиево-кальциевых сплавов в виде деформированных полуфабрикатов, упрочняемых наночастицами фазы L12 без использования гомогенизационного отжига и закалки. Данная задача решается путем оптимизации перспективных составов деформируемых Al–Ca сплавов и технологических режимов литья слитков и их деформационной обработки.
Актуальность и новизна исследования
В последнее время алюминий получил широчайшее применение в самых различных отраслях промышленности и по объемам использования уступает только железу. Очевидно, что роль алюминиевых сплавов, как конструкционных материалов, будет непрерывно возрастать. Однако существующие системы легирования, на основе которых созданы известные сплавы, в значительной мере исчерпали ресурсы повышения базовых эксплуатационных характеристик. В частности, это относится к недостаточной коррозионной стойкости, которая присуща практически всем сплавам, содержащим добавку меди. Это существенно сдерживает применение алюминиевых сплавов, поскольку недостаточная коррозионная стойкость вынуждает использовать защитные покрытия.
Наиболее перспективным направлением представляется создание принципиально новых систем легирования, в которых определяющая роль отводится кальцию, который, как и кремний, образует с алюминием диаграмму эвтектического типа. По содержанию в земной коре (3,6 масс. %) кальций занимает 3 место среди всех металлов, уступаю только алюминию и железу.
Одной из наиболее перспективных добавок в алюминиевые сплавы в последнее время рассматривается скандий, который при использовании обычных литейных технологий позволяет добиться заметного упрочнения за счет формирования вторичных выделений фазы Al3Sc (L12) размером менее 10 нм. Поскольку скандий является весьма дорогостоящей легирующей добавкой, целесообразно рассматривать возможность ее частичной или даже полной замены цирконием.
Описание исследования

Проведен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме. Из известных сведений по сплавам на основе алюминия, содержащим добавку кальция, следует, что данный элемент способен образовывать различные тройные соединения. Это предполагает сложный фазовый состав многомпонентных сплавов. На примере эвтектического сплава Al-7,6%Ca показано, что добавка 0,3%Sc приводит к такому же упрочняющему эффекту за счет наночастиц L12, как и в двойном сплаве Al-0,3%Sc. По влиянию циркония, способному образовывать такие же наночастицы, сведений по его поведению в Al-Ca сплавах не обнаружено. Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96. Показано, что имеется очень ограниченное количество патентов по Al-Ca сплавам. В большинстве из них концентрация кальция не превышает 1%, что свидетельствует о значительном потенциале патентоспособности сплавов этой группы.

Разработаны специальные требования к коррозионностойким алюминиево-кальциевым сплавам, предназначенным для производства фасонных отливок и деформированных полуфабрикатов. Для достижения высокой коррозионной стойкости целесообразно отказаться от добавок меди и никеля, которые часто используются для легирования алюминиевых сплавов. Для упрочнения без использования закалки рекомендовано вводить добавки скандия и циркония в количестве не более 0,5%. Для того, чтобы избежать отрицательного влияния железа, необходимо выбрать такой состав сплава, в котором этот элемент не образует иглообразных включений (типа Al3Fe и Al5FeSi) и полностью входит в состав алюминиево-кальциевой эвтектики. Обоснованы методы и средства изучения состава, структуры и свойств образцов, разрабатываемых сплавов. В качестве основного метода изучения структуры рекомендовано использовать сканирующую электронную микроскопию (СЭМ) и микрорентгеноспектральный анализ (МРСА), а в качестве основных методов изучения свойств  - измерение твердости по Виккерсу и коррозионной стойкости по потере массы.  Проведена сравнительная оценки эффективности возможных направлений исследований и обоснование выбора направление исследований. Рекомендовано на первом этапе выбрать 2-3 базовых сплава, оценить их технологичность при литье и обработке давлением и определить их основные свойства. По результатам первого этапа предлагается обосновать концентрации элементов, которые могут быть использованы для дополнительного легирования базовых сплавов.

В качестве базовой системы легирования, способной обеспечить высокий уровень технологичности и эксплуатационных характеристик за счет присутствия в их структуре вторичных наночастиц L12, выбрана система Al­-Ca-Fe-Sc-Zr. Температуры плавки и литья сплавов этой системы должны быть не менее, чем на 500С выше температуры ликвидуса, установление которой требует специальных методик (не ДТА!). Для максимального упрочнения фасонных отливок рекомендуется отжиг в интервале от 300 до 500 0С. При таких же температурах рекомендуется проводить и обработку давлением. С использование программного пакета Thermo-Calc выполнено моделирования фазового состава для сплавов системы Al-Ca-Fe-Zr-Sc-Si-Mg-Mn-Zn, включая расчет изотермических и политермических сечений. В частности, спрогнозировано строение фазовой диаграммы Al–Ca–Fe, согласно которому в равновесии с алюминиевым твердым раствором могут находиться не только фазы из двойных систем (Al4Ca и Al3Fe), но и тройное соединение Al10CaFe2.Проведено моделирование формирования литой структуры для выбранных сплавов данной системы по модели Шейля-Гулливера. Показано, что железо, и марганец не оказывают заметного влияние на температуру солидуса, что позволяет предположить отсутствие отрицательного влияния этих элементов на литейные свойства. С другой стороны, магний и цинк сильно расширяют интервал кристаллизации, что предполагает ухудшение литейных свойств по сравнению с двойными сплавами Al-Ca. На основе обобщения известной информации и результатов моделирования выбрано 3 состава для экспериментального изучения (в качестве тестовых образцов коррозионностойких алюминиево-кальциевых сплавов): Al-6%Ca-1%Fe, Al-6%Ca-1%Fe-0,3%Sc, Al-6%Ca-1%Fe-0,4%Zr. Разработана программа и методика исследовательских испытаний по изучению структуры и определения комплекса физико-механических свойств тестовых образцов фасонных отливок и деформированных полуфабрикатов. 

Результаты исследования

Индустриальным партнером (РУСАЛ-ИТЦ) разработаны методики изготовления тестовых образцов в виде фасонных отливок и деформированных полуфабрикатов. По разработанным методикам изготовлены тестовые образцов 3-х сплавов, которые переданы исполнителю для исследования. Установлено, что все 3 тестовых сплава имеют высокие литейные свойства (не уступая силуминам типа АК7ч) и способны к деформационной обработке при 500 0С, позволяя получать горячекатаные листы со степенью обжатия более 80%.Исследованы свойства тестовых образцов фасонных отливок и деформированных полуфабрикатов в соответствии с разработанной программой и методиками. Установлено, что железо в количестве 1% не оказывает отрицательного влияния на структуру, поскольку этот элемент почти полностью входит в состав алюминиево-кальциевой эвтектики. Добавка 0,3%Sc способствует сильному упрочнению после отжига при 300 0С, однако нагрев при более высоких температурах приводит к разупрочнению. С другой стороны, упрочняющий эффект от добавки 0,4%Zr существенно  меньше, при этом необходимо проводить плавку и литье при повышенных температурах (более 850 0С).  Установлено, что все 3 тестовых сплава имеют высокую коррозионную стойкость (потеря массы менее 0,5%) и плотность ниже 2,65 г/см3. Проведена корректировка перспективных химических составов и технологических режимов изготовления образцов фасонных отливок и деформированных полуфабрикатов. Рекомендовано в базовый сплав Al-6%Ca-1%Fe вводить совместно скандий и циркония в количестве около 0,1% и 0,2% соответственно. Экспериментальное исследование скорректированного состава показало, совместное введение этих элементов, сохраняя все основные достоинства первых трех сплавов, позволяет повысить термическую стабильность к разупрочнению до 400 0С включительно и при этом избежать необходимости проводить плавку и литье при повышенных температурах.  Именно эти концентрации Sc и Zr предлагаются в качестве оптимальных. Для дальнейшей разработки коррозионностойких алюминиево-кальциевых сплавов предлагается рассмотреть влияние кремния, марганца, магния и цинка. При этом концентрации кальция и железа, вероятно, должны быть скорректированы в сторону снижения.

Практическая значимость исследования
Результаты Проекта будут использованы, главным образом, для создания принципиально новой продукции – коррозионностойких алюминиево-кальциевых сплавов, предназначенных для получения фасонных отливок и деформированных полуфабрикатов. Результаты Проекта возможно использовать для усиления конкурентных позиций отечественной науки и бизнеса при внедрении энергоэффективной технологии упрочняющей термической обработки, исключающей закалку. В перспективе, объем производства таких сплавов на предприятиях ОК РУСАЛ оценивается на уровне 100 тыс. тонн/год. Среди перспективных областей применения следует выделить: автопром, судостроение, железнодорожные транспорт, строительство, спортиндустрия, оборонпром,
космическая техника.