Изучение кристаллизационных процессов тройных сплавов с целью оценки их склонности к неравновесной кристаллизации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Баженов, Вячеслав Евгеньевич

• Баженов, Вячеслав Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Баженов, Вячеслав Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

ЧАСТЬ 1 НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ

КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СПЛАВОВ ТРЁХКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ.

Глава 1.1 Аналитический обзор литературы.

1.1.1 Способы описания границ фазовых областей в тройных диаграммах состояния.

1.1.2 Способы определения положения конод в двухфазных областях

1.1.3 Расчёт процессов кристаллизации сплавов в тройных диаграммах состояния.

1.1.4 Частично неравновесная кристаллизация тройных сплавов твёрдых растворов.

1.1.5 Внутрикристаллитная ликвация в тройных сплавах.

1.1.6 Механизм изменения состава фаз при кристаллизации в двойных системах с ретроградным солидусом.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изучение кристаллизационных процессов тройных сплавов с целью оценки их склонности к неравновесной кристаллизации»

В настоящее время отмечается неуклонный рост требований к качеству литых деталей, которое во многом определяется структурой сплавов. Управление литой структурой невозможно без понимания особенностей неравновесной кристаллизации сплавов. Для двойных сплавов считается, что склонность к неравновесному процессу определяется величиной их температурного интервала кристаллизации. Для многокомпонентных, в частности тройных сплавов, величина температурного интервала кристаллизации не позволяет надёжно оценивать их склонность к неравновесному переходу из жидкого состояния в твёрдое, так как в общем случае этот интервал складывается из неоднородных процессов - кристаллизации твердого раствора, кристаллизации двойных эвтектик, перитектических превращений и т.д. Поскольку число используемых тройных сплавов очень велико, разработка научно обоснованного критерия для оценки склонности тройных сплавов к неравновесной кристаллизации является крайне актуальной задачей. Именно решению этой задачи посвящена первая часть диссертационной работы.

Актуальность второй части работы, в которой рассмотрена кристаллизация сплавов системы Си-№-Мп, определяется значительным количеством используемых сплавов этой системы и недостатком сведений о кристаллизационных процессах этих сплавов в области от Си+(30-40)%Мп до №+(55-65)%Мп. В диаграмме состояния тройной системы Си-№-Мп неясным является вопрос о соприкосновении поверхностей ликвидуса и солидуса этой тройной диаграммы по линии, соединяющей точки минимумов в двойных диаграммах Си-Мп и №-Мп. Если эта линия существует, на ней должны находиться тройные сплавы, кристаллизующиеся при постоянной температуре. В таких сплавах должна отсутствовать внутрикристаллическая и дендритная ликвация. Литые заготовки из подобных сплавов не нуждались бы в гомогенизирующих отжигах.

Цель работы: разработка научно обоснованного способа оценки склонности к неравновесной кристаллизации тройных сплавов в отливках, основанного на подробном анализе механизма кристаллизации. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать графическую методику расчётного описания процесса кристаллизации сплавов с использованием равновесных диаграмм трёх-компонентных систем, как модельных, так и реальных, не требующую термодинамических данных;

2. Проанализировать равновесную и неравновесную кристаллизацию твёрдых растворов и моновариантных эвтектик в модельных и реальных трёхкомпонентных системах с учётом механизмов «распада» и «взаимодействия», что позволило бы определять потенциальную склонность к неравновесной кристаллизации;

3. Расчётными методами и экспериментально проанализировать внутрикристаллитную ликвацию в сплавах тройных систем с непрерывным рядом твёрдых растворов, в которых коэффициент распределения одного из компонентов проходит через единицу, и выяснить, как это отразится на литой структуре сплава;

4. Провести анализ кристаллизации сплавов в системе Си-№-Мп и уточнить область диаграммы, прилегающую к минимуму в системе Си-Мп с помощью расчётов и экспериментально, чтобы выяснить, имеются ли в ней тройные сплавы с нулевым интервалом кристаллизации;

5. Разработать основы технологии выплавки сплавов Си-№-Мп с содержанием марганца более 40%.

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Баженов, Вячеслав Евгеньевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработан универсальный «графический» метод расчёта кристаллизации сплавов в модельных трехкомпонентных системах, пригодный для анализа реальных систем, термодинамические данные для которых отсутствуют. Способ успешно опробован на сплавах системы Си-М-Мп.

2. Показано, что склонность сплавов твёрдых растворов и моновариантных эвтектик в трехкомпонентных системах к неравновесной кристаллизации можно оценить по вкладу процесса «взаимодействия» в образование твёрдой фазы: чем этот вклад больше, тем больше склонность к неравновесной кристаллизации.

3. Изучена внутрикристаллитная и дендритная ликвация в сплавах твёрдых растворах. Расчётными методами показано, что коэффициент распределения одного из компонентов при кристаллизации может проходить через единицу. Данный факт экспериментально подтвёрждён на примере сплавов системы Си-№-Мп.

4. Расчётными методами и экспериментально установлено, что на диаграмме Си-№-Мп отсутствует линия, по которой располагаются сплавы с нулевым интервалом кристаллизации. Построена уточнённая область диаграммы состояния этой системы от 0 до 20%№ и от 30 до 50%Мп. Эти уточнённые данные позволяют находить на диаграмме Си-"№-Мп сплавы с минимальным интервалом кристаллизации.

5. Успешно опробована предложенная технология выплавки высокомарганцевых сплавов (>40%Мп) системы Си-М-Мп в производственных условиях ЗАО "Аларм".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Баженов, Вячеслав Евгеньевич, 2013 год

1. Луцык В.И., Воробьева В.П., Зырянов A.M. Кинематические модели фазовых диаграмм с конгруэнтной кристаллизацией твердых растворов // Рост монокристаллов и тепломассоперенос (ICSC-2005) / Сб. тр. 6-й межд. конф. Обнинск: ГНЦРФ-ФЭИ, 2005. Т. 1. С. 112-118.

2. Белов H.A. Диаграммы состояния тройных и четверных систем: Учебное пособие для вузов. М.: Изд. дом МИСиС, 2007. 360 с.

3. Кузнецов Г.М., Ротенберг В.А., Цурган Л.С. О направлении ко-нод в двухфазных областях изотермических разрезов тройных систем // Изв. вуз. цветная металлургия. 1972. № 4. С. 99-104.

4. Новик Ф.С. Об одном способе обработки данных при построении изотермических разрезов тройных систем. // Изв. вуз. цветная металлургия. 1972. №4. С. 105-108.

5. Бочвар A.A. Металловедение. М.: Металлургиздат, 1956. 494 с.

6. Лившиц Б.Г. Металлография. М.: Металлургия, 1990. 333 с.

7. Металловедение: Т. 1. Основы металловедения: учеб. пособ. для вуз. / И.И. Новиков, B.C. Золоторевский, В.К. Портной и др.; Под ред. B.C. Золоторевского. М.: Изд. дом МИСиС, 2009. 492 с.

8. Пикунов М.В., Беляев И.В., Сидоров Е.В. Кристаллизация сплавов и направленное затвердевание отливок. Владимир: Владим. гос. ун-т, 2002.214 с.

9. Регель А.Р., Глазов В.М. Физические свойства электронных расплавов. М:. Наука, 1980. 293 с.

10. Горбачев И.В. О ходе кристаллизации твердых растворов // Тр. Дальневост. политехи, ин-та. Владивосток, 1941. Вып. 26. С. 5-29.

11. Сидоров Е.В. О равновесной кристаллизации трехкомпонентных сплавов твердых растворов // Изв. вуз. цветная металлургия. 2007. № 4. С. 41-44.

12. Пилецкая Е.Г., Пикунов M.В. Расчёт неравновесной кристаллизации сплавов твёрдых растворов // Изв. вуз. цветная металлургия. 1996. № 6. С. 24-27.

13. Пикунов М.В., Пилецкая Е.Г. К вопросу о моделировании неравновесной кристаллизации // Изв. вуз. цветная металлургия. 1999. № 4. С. 50-52.

14. Won Y.M., Thomas B.G. Simple model of microsegregation during solidification of steels // Metallurgical and materials transactions A. 2001. Vol. 32, №7. P. 1755-1767.

15. Dantzig J.A., Rappaz M. Solidification. Lausanne.: Efpl Press, 2009.621 p.

16. Петров Д.А. Вопросы теории сплавов алюминия. M.: Металлург-издат, 1951. 256 с.

17. Новиков И.И., Золоторевский B.C. Дендритная ликвация в сплавах. М.: Наука, 1966. 155 с.

18. Сидоров Е.В., Пикунов М.В., Драпала Я. О коэффициентах распределения компонентов и некоторых закономерностях кристаллизации сплавов твёрдых растворов в многокомпонентных системах // Изв. вуз. чёрная металлургия. 2007. № 5. С. 3-8.

19. Cohen M., Kimball W.P. On the Equilibrium Solidification of Solid Solutions // Metals Technology. 1940. Vol. 7, № 8. P. 1256-1259.

20. Пикунов M.B. Анализ равновесной кристаллизации твердого раствора // Изв. вуз. цветная металлургия. 1959. № 5. С. 151-158.

21. Пикунов М.В. О кристаллизации твердого раствора // ЖФХ. 1959. Т. 33, Вып. 10. С. 2253-2258.

22. Баженов В.Е., Пикунов М.В. Частично неравновесная кристаллизация сплавов твёрдых растворов в тройных системах // Изв. вуз. чёрная металлургия. 2011. № 3. С. 3-11.

23. Голиков И.Н. Дендритная ликвация в стали. М.: Металлургиздат, 1958.206 с.

24. Голиков И.Н., Масленков С.Б. Дендритная ликвация в сталях и сплавах. М.: Металлургия, 1977. 222 с.

25. ASM Handbook. Alloy Phase Diagrams. / Edited by P. Nash, A. Nash, H. Baker, H. Okamoto. Ohio: ASM International Metals Park OH, Vol. 3. 1992. 1741 p.

26. Аносов В.Я., Озерова М.И., Фиалков Ю.Я. Основы физико-химического анализа. М.: Наука, 1976. 503 с.

27. Miettinen J. Thermodynamic description of the Cu-Mn-Ni system at the Cu-Ni side // Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. 2003. Vol. 27, №2. P. 147-152.

28. Аносов В.Я., Погодин C.A. Основные начала физико- химического анализа. М.: Академия наук СССР, 1947. 876 с.

29. Schurmann Е., Prinz В. Schmeizgleigewichte nickelreicher und kupferreicher Kupfer-Mangan-Nickel Legierungen // Z. Metallkunde. 1974. Bd. 65.H.8. S. 535-539.

30. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди: Справочник / М.Е. Дриц, Н.Р. Бочвар, Л.С. Гузей и др.; Под ред. М.Е. Дрица. М.: Наука, 1979. 248 с.

31. Sun W.H., Xu Н.Н., Du Y., Liu S.H., et. al. Experimental investigation and thermodynamic modeling of the Cu-Mn-Ni system // Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry. 2009. Vol. 33, № 4. P. 642-649.

32. Пикунов M.B., Сидоров E.B. Диаграммы состояния трёхкомпо-нентных систем неограниченных твёрдых растворов с температурным экстремумом // Изв. вуз. чёрная металлургия. 2008. № 1. С. 7-10.

33. Пикунов М.В., Сидоров Е.В. О строении диаграммы состояния системы Cu-Ni-Mn // Изв. вуз. чёрная металлургия. 2008. № 5. С. 3-6.

34. Блощицина Ю.В. Исследование закономерностей кристаллизации сплавов и затвердевания отливок с целыо формирования требуемых структуры и свойств литых постоянных магнитов: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 2011.26 с.

35. Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова А.В. Промышленные цветные металлы и сплавы: Справочник / Под ред. А.П. Смирягина. 3-е изд. М.: Металлургия, 1974, 488 с.

36. Précision electrical résistance material // Précision métal specialists / Non ferrous stockholders ltd. URL: http://www.non-ferrous.co.uk/niclal.asp (дата обращения 3.02.2010).

37. Бао-Чан Ч. Изучение тройных медных сплавов Медь-Никель-Марганец//Изв. вуз. цветная металлургия. 1958. № 5. С. 107-115.

38. Сплавы марганца с медью, никелем и цинком: сб. работ / Р.И. Агладзе, В.М. Мохов, Л.И. Топчиашвили и др.; Под ред. Р.И. Агладзе. М.: Наука, 1954.

39. Осинцев О.Е., Фёдоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: Справочник. / Под ред. О.Е. Осинцева. М.: Машиностроение, 2004. 336 с.

40. Пашков А.И. Исследование и разработка технологии получения сплавов системы Cu-Ni-Mn методом механического легирования для высокотемпературной пайки: Дисс. . канд. техн. наук / НИТУ МИСиС. М., 2009. 115 с.

41. Wald F.V., Cocks F.H. Investigation of Copper-Manganese-Nickel Alloys for Dental Purposes // Journal оf Dental Research. 1971. Vol. 50, № 1, P. 48-59.

42. Wright S.R., Cocks F.H., Gettleman L. Corrosion Behavior of Au and Ag Modified Cu-Ni-Mn Alloys // Journal of Dental Research. 1980 Vol. 59, № 4. P. 708-715.

43. Беккерт M., Клемм X. Способы металлографического травления: Справочник. M.: Металлургия, 1988. 400 с.

44. Бобылёв А.В. Влияние травления на микротвёрдость сплавов Cu-Ni-Mn // Металловедение и термическая обработка металлов. 1960. № 1. С. 43^5.

45. РАБОТЫ АВТОРА, В КОТОРЫХ ИЗЛОЖЕНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

46. Баженов В.Е., Пикунов М.В. О существовании линии температурного минимума в диаграмме системы Cu-Ni-Mn // Изв. вуз. Чёрная металлургия. 2010. № з. с. 49-52.

47. Пикунов М.В., Баженов В.Е. Особенности кристаллизации сплавов твердых растворов // Изв. вуз. Чёрная металлургия. 2010. № 11. С. 3-12.

48. Баженов В.Е., Пикунов М.В. Частично неравновесная кристаллизация сплавов твёрдых растворов в тройных системах // Изв. вуз. Чёрная металлургия. 2011. № 3. С. 3-11.

49. Пикунов М.В., Баженов В.Е., Сидоров Е.В. Определение положения конод в двухфазных областях трёхкомпонентных систем // Изв. вуз. Чёрная металлургия. 2012. № 3. С. 55-58.

50. Баженов В.Е. О диаграмме состояния системы Cu-Ni-Mn // Изв. вуз. Цветная металлургия. 2013. № 1. С. 49-55.

51. Баженов В.Е., Пикунов М.В. О внутрикристаллитной ликвации в тройных сплавах твёрдых растворах // Изв. вуз. Цветная металлургия. 2013. №2. С. 21-25.

52. Баженов В.Е., Пикунов М.В. Особенности кристаллизации двойной эвтектики в трехкомпонеитной системе // Изв. вуз. Чёрная металлургия. 2013. № 1.С. 37-45.

53. Баженов В.Е., Пикунов М.В. Механизм изменения состава и массы фаз при двухфазных равновесиях в двойных системах // ФММ. 2013. том. 114, № 3. С. 247-255.

54. Баженов В.Е. Компьютерное моделирование процессов кристаллизации тройных сплавов системы Cu-Ni-Mn // Прогрессивные Литейные технологии / Труды 5-ой международной научно-практической конференции. М.: Лаборатория рекламы и печати, 2009. С. 41-42.

55. Баженов B.E. О кристаллизации сплавов системы Cu-Ni-Mn // Цветные металлы 2012 / Сб. научн. статей. Красноярск: Версо, 2012. С. 729-736.

56. Баженов В.Е., Пикунов М.В. Внутрикристаллитная и дендритная ликвация в литых тройных сплавах // Цветные металлы 2012 / Сб. научн. статей. Красноярск: Версо, 2012. С. 736-744.

57. Использование результатов работы.

58. Результаты диссертационной работы позволили решить ряд практических задач, связанных с кристаллизацией трубных высокопрочных сталей, чугунов и припоев на медной основе. Список статей, где использованы результаты диссертации, прилагается ниже:

59. Глебов А.Г., Свяжин А.Г., Арабей А.Б., Баженов В.Е., Корчагин A.M., Фарбер В.М., Киндоп В.Э. Нитриды титана в трубной стали // Изв. вуз. Чёрная металлургия. 2012. № 7. С. 3-11.

60. Глебов А.Г., Арабей А.Б., Луценко А.Н., Пикунов М.В., Немти-нов A.A. Роль кремния в формировании макро- и микроструктуры высокопрочных сталей // Изв. вуз. Чёрная металлургия. 2010. № 5. С. 8-17.

61. Баженов В.Е., Пикунов М.В. Определение углеродного эквивалента чугунов с помощью программы thermo-calc // Изв. вуз. Чёрная металлургия. 2011. № 11. С. 20-23.

62. Баженов В.Е., Пикунов. М.В. О механизме возникновения графита при кристаллизации чугунов // Изв. вуз. Чёрная металлургия. 2012. № 5. С. 50-56.

63. Баженов В.Е., Пашков И.Н., Пикунов М.В. Изучение кристаллизационных процессов при пайке меди медно-фосфорным припоем с целыо управления структурой паяного шва // Изв. вуз. Цветная металлургия. 2012. № 4. С. 35-40.