Анотація до роботи:

Мітяєв О.А. Науково-технологічні основи формування структури, фізико-механічних і службових властивостей вторинних силумінів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – Матеріалознавство. – Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2008.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-технічної проблеми забезпечення формування заданої структури вторинних силумінів з метою підвищення показників їх механічних і службових властивостей до рівня первинних сплавів відповідно до вимог ДСТУ 2839-94 (ГОСТ 1583-93). Встановлено залежності впливу кількісних та якісних характеристик інтерметалідних фаз на механічні та службові властивості вторинних силумінів та визначено їх роль у процесах руйнування при статичному та циклічному знакозмінному навантаженнях. Розроблена аналітична модель руйнування вторинних алюмінієвих сплавів, яка дозволяє прогнозувати їх границю міцності. Розроблено рафінувально-модифікувальні матеріали і технологія їх застосування, що за характеристиками дії відповідають і перевищують кращі закордонні аналоги.

1. Відомо, що алюмінієві сплави, які отримано шляхом рециклінга, мають несприятливу спадковість структури і, як наслідок, низький рівень властивостей, який певною мірою зберігається при подальших переплавленнях. Основними чинниками, що визначають якість вторинних сплавів є рівень газонасиченості, а також кількість, форма, розміри і розподіл інтерметалідних фаз, які залежні, перш за все, від вмісту в них заліза. При цьому одну з головних шкідливих домішок вторинних алюмінієвих сплавів – залізо, неможливо повністю видалити існуючими методами рафінування. Аналіз літератури дозволяє зробити висновок, що найперспективнішими методами підвищення якості вторинних алюмінієвих сплавів є: вдосконалення процесу сортування брухту і відходів з метою максимального зниження вмісту заліза в шихті та розробка ефективних методів рафінувально-модифікувального оброблення, які переслідують дві мети – отримання компактної форми інтерметалідних фаз і зниження вмісту газів.

2. Розроблені вдосконалений, порівняно з ДСТУ 3211-95, «Класифікатор № К110-02-ЦПАС сортів брухту алюмінію після первинного перероблення» і технологічна схема перероблення брухту і відходів виробництва вперше дозволили в умовах Запорізького заводу кольорових сплавів повністю виключити невідповідність сплавів хімічному складу, зменшити на 20% вміст заліза в шихті, забезпечити відповідність рівня якості металу вимогам міжнародного стандарту якості ISO 9002 і знизити трудомісткість й енергоємність процесу отримання вторинних сплавів.

3. Встановлено, що збільшення концентрації заліза у вторинному силуміні з 0,40 до 1,45 мас.% сприяло підвищенню об'ємної частки інтерметалідних включень, які містять залізо, з 4,17 до 11,89%, супроводжувалося збільшенням їх розмірів в 6…8 разів, а також зміною середньостатистичного параметра форми l з 1,71 до 8,64 (в термообробленому стані). Це призвело до зниження границі міцності на 34%, відносного видовження до нуля, ударної в'язкості на 34%, границі витривалості s_-1 при частоті 18кГц на 22…24% для баз випробувань 10⁶ і 10⁷ циклів. Проведені дослідження показують визначальну роль форми, розмірів і розташування інтерметалідних фаз, які містять залізо, у формуванні структури і конструктивної міцності вторинних силумінів.

4. Аналіз мікромеханізмів руйнування сплавів методами металографічного та фрактографічного досліджень показав, що в умовах статичного розтягування, мало- та багатоциклової втоми найбільший внесок у процеси руйнування та зниження міцності, пластичності та ударної в’язкості вносить фаза Al₅SiFe, яка має моноклінну кристалічну гратку, великі розміри та високий параметр форми .

Вперше встановлена схильність фази Al₅SiFe при статичних і циклічних навантаженнях до розшарування та утворення в ній мікротріщин, які переходять у металеву основу.

Встановлено, що зниження в результаті рафінувально-модифікувального оброблення параметра форми l інтерметалідів в литому стані з 9,3 до 2,7 забезпечило підвищення границі міцності на 39%, відносного видовження на 43%, ударної в'язкості на 21% і твердості на 41%. Для термообробленого стану зниження параметра з 5,5 до 1,7 сприяло збільшенню границі міцності на 17%, відносного видовження на 80%, ударної в'язкості на 51% і твердості на 23%.

5. Вперше, з використанням методів математичного аналізу і на основі положень лінійної механіки руйнування запропонована аналітична модель розрахунку границі міцності вторинних силумінів з різним параметром форми l інтерметалідних фаз. Надійна збіжність розрахункових і експериментальних результатів підтверджує коректність аналітичних рішень і достовірність висновків щодо визначальної ролі параметра форми і розташування інтерметалідних фаз в процесах руйнування силумінів.

6. Показано, що зі збільшенням частки вторинних матеріалів в шихті від 0 до 100% структура сплавів становиться менш впорядкованою і диференційованою, зі зростаючою кількістю інтерметалідних фаз несприятливих форми, розмірів та розподілу, параметр форми l при цьому зростає з 1…3 до 20…46, що зумовлює значне зниження рівня механічних властивостей. Між вмістом вторинних матеріалів в шихті і механічними властивостями сплавів встановлено кореляційні залежності з коефіцієнтами кореляції r = 0,93…0,99.

7. З метою ефективного зменшення параметра форми інтерметалідних фаз і зниження газової пористості на основі NaCl, KCl, AlF₃, Na₂CО₃, S, Ti та ультрадисперсного SіC розроблено флюс (патент України № 58793А) і модифікатор (патент України № 57584А), призначені відповідно для оброблення вторинних алюмінієвих сплавів на стадіях отримання чушки і виливків. Оптимальні, залежно від якості шихти, присадки флюсу (1,0…1,5%) і модифікатора (0,05…0,16%) забезпечують рафінування розплаву за адсорбційним і флотаційним механізмами, модифікування евтектичного кремнію та інтерметалідних фаз модифікаторами I і II роду, можливість отримувати вторинні сплави з рівнем властивостей, які відповідають вимогам ДСТУ 2839-94 (ГОСТ 1583-93) для первинних сплавів.

Вперше показано, що з урахуванням спадковості алюмінієвих сплавів високі показники механічних властивостей виливків, що отримуються зі 100% вторинної сировини, досягаються при подвійному рафінувально-модифікувальному обробленні: на стадії отримання чушки і виливків.

8. Встановлено, що використання флюсу і модифікатора в результаті поліпшення структури, зменшення параметра форми l інтерметалідних фаз, а також збільшення рівномірності їх розподілу, дозволяє підвищити опір експериментального металу руйнуванню при малоцикловому навантаженні з частотою 1Гц і ступенем деформації e = 0,15…0,30% до 3 разів. При високочастотному циклічному навантаженні, залежно від рівня напруження, довговічність експериментальних сплавів зростає при частоті 0,3 кГц в
3,75…5 разів, при частоті 8,8 кГц в 4…7 разів, а при частотах 18 і 44 кГц – в 5…15 і 8,6…15 разів відповідно.

9. В результаті рафінувально-модифікувального оброблення кавітаційна стійкість експериментальних сплавів підвищена в 1,9…2,1 разів, а корозійні втрати маси і швидкість корозії в середовищі (3% NaCl + 0,1%H₂O₂) знижені в 1,7 раза, площа корозійних уражень зменшена в 1,6 раза, при одночасному скороченні кількості пітингів на одиницю площі в 1,25 раза. Корозійна стійкість вторинних експериментальних сплавів у водогінній воді підвищена в 1,4 раза.

10. Випробування матеріалів досліджень на Запорізькому заводі кольорових сплавів (ЗЗКС), ТОВ «УРП «Союз» і ТОВ «НПКП «Парамі» (Україна), Мінському моторному заводі та Білоруському науково-дослідному інституті лиття Академії наук Республіки Білорусь показали їх високу ефективність. Впровадження розробок на ЗЗКС дозволило отримати щорічний економічний ефект 300,5 тис. грн.; сумарний ефект за період з 2002 по
2005 роки склав 1202,0 тис. грн.

Публікації автора:

1. Рязанов С.Г. Технико-экономические аспекты получения и использования вторичных алюминиевых сплавов / С.Г. Рязанов, А.А. Митяев // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2001. - №2. – С. 92-96.

2. Рязанов С.Г. Структура и свойства вторичных эвтектических силуминов / С.Г. Рязанов, И.П. Волчок, А.А. Митяев // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. - Днепропетровск: ПГАСА, 2002. - Вып. 15 (ч. 1). – С. 186-187.

3. Рязанов С.Г. Влияние металлургических факторов на структуру и свойства силуминов / С.Г. Рязанов, А.А. Митяев, И.П. Волчок // Литье и металлургия. – 2003. - №1. – С. 101-105.

4. Волчок И.П. Влияние структурных факторов на свойства вторичных доэвтектических силуминов / И.П. Волчок, А.А. Митяев // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. - Днепропетровск: ПГАСА, 2003. - Вып. 22 (ч.1). – С. 105-106.

5. Рязанов С.Г. Повышение качества вторичных силуминов /
   С.Г. Рязанов, А.А. Митяев, И.П. Волчок // Литье и металлургия. – 2003. - №3. – С.90-92.

6. Волчок И.П. Строение интерметаллидных фаз и сопротивление разрушению силуминов / И.П. Волчок, А.А. Митяев // Перспективні задачі інженерної науки: Зб. наук. пр. – Дніпропетровськ: Gaudeamus, 2003. – Вип.5. – С. 189-193.

7. Волчок И.П. Влияние количества вторичных шихтовых материалов на качество и механические свойства сплава АК9М2 / И.П. Волчок,
   А.А. Митяев, С.Г. Рязанов // Литье и металлургия. – 2004. - №2. – С. 182-184.

8. Волчок И.П. Повышение качества рециркулируемых алюминиевых сплавов / И.П. Волчок, А.А. Митяев // Вісник двигунобудування. – 2004. - №3. – С. 103-107.

9. Беликов С.Б. Ресурсосберегающая технология производства алюминиевых сплавов / С.Б. Беликов, И.П. Волчок, А.А. Митяев // Металознавство та термічна обробка металів. – 2005. - №2. – С. 59-62.

10. Волчок И.П. Совершенствование технологии обеспечения качества вторичных алюминиевых сплавов / И.П. Волчок, А.А. Митяев // Високі технології в машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Харків: НТУ “ХПІ”, 2005. -
    Вип. 2 (11). – С. 84-90.

11. Митяев А.А. Состояние и перспективы производства и применения алюминиевых сплавов / А.А. Митяев, С.Б. Беликов // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. - Днепропетровск: ПГАСА, 2006. – Вып. 36 (ч.2). - С. 110-116.

12. Производство алюминиевых сплавов: состояние и перспективы /
    С.Е. Бельский, И.П. Волчок, А.А. Митяев, Н.А. Свидунович // Литье и металлургия. – 2006. - №2(ч.1). – С. 130-133.

13. Бєліков С.Б. Вплив металургійних факторів на корозійну стійкість вторинного сплаву АК9М2 / С.Б. Бєліков, О.А. Мітяєв, О.В. Лютова // Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів: В 2-х т. / Спецвипуск журналу “Фізико-хімічна механіка матеріалів”. - №5. – Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2006. – Т.1. – С. 149-151.

14. Митяев А.А. Производство и применение алюминиевых сплавов в транспортном машиностроении / А.А. Митяев, С.Б. Беликов, И.П. Волчок // Вісник двигунобудування. – 2006. - №1. – С. 155-158.

15. Волчок И.П. Сопротивление вторичных силуминов усталостному разрушению при высоких частотах нагружения / И.П. Волчок, А.А. Митяев // Вісник двигунобудування. – 2006. - №2.– С. 175-179.

16. Мітяєв О.А. Вплив інтерметалідних фаз на мікромеханізм руйнування і властивості алюмінієвих сплавів / О.А. Мітяєв, С.Б. Бєліков // Машинознавство. – 2007. - №3. – С. 33-36.

17. Митяев А.А. Повышение кавитационной стойкости вторичных силуминов / А.А. Митяев, С.Б. Беликов, В.Н. Повзло // Литье и металлургия. – 2007. - №3. – С. 94-96.

18. Вплив інтерметалідних включень на міцнісні властивості алюмінієвих сплавів /І.П. Волчок, В.П. Силованюк, О.А. Мітяєв,
    Н.А. Івантишин // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2007. - №2. – С.17-21.

19. Лютова О. Підвищення якості вторинних алюмінієвих сплавів /
    О. Лютова, О. Мітяєв, І. Волчок // Машинознавство. - 2007. - №8. - С. 32-35.

20. Митяев А.А. Комплексная рафинирующе-модифицирующая обработка алюминиевых сплавов / А.А. Митяев // Строительство, материаловедения, машиностроение: Сб. научн. трудов. - Днепропетровск: ПГАСА, 2008. - Вып.45 (ч.2). - С.138-142.

21. Belikov S. Technological and ecological aspects of manufacturing of aluminium and its alloys / S. Belikov, I. Volchok, A. Mityayev // Polish Academy of Sciences: Archives of Mechanical Technology and Automation. - Vol.24. - Poznan: Wydawnictwo Politechniki Poznanskiej, 2004. - №3. – С. 21-26.

22. Митяев А.А. Производство вторичного алюминия: технико-экономические и экологические аспекты / А.А. Митяев, С.Б. Беликов // Polish Academy of Sciences: Archives of Foundry. - Vol.6. - Katowice, 2006. - №20. – С.85-91.

23. Mityayev A. Improvement of quality of secondary aluminium alloys in conditions of mass production / A. Mityayev, S. Belikov // Polish Academy of Sciences: Archives of metallurgy and materials. - Vol.52. - Warszawa-Krakow, 2007. - №3. – С. 521-524.

24. Митяев А.А. Применение вторичных алюминиевых сплавов в машиностроении: проблемы и решения / А.А. Митяев, И.П. Волчок // Проблеми тертя та зношування. - К: НАУ, 2008. - Вып.49. - Т.2. - С.45-51.

25. Пат. 57584А Україна, МКВ С22С 1/06. Модифікатор для алюмінієвих сплавів / Волчок І.П., Мітяєв О.А.; заявник і патентоутримувач Запорізький нац. техн. ун-т.-№2002108343; заявл. 22.10.2002; опубл. 16.06.2003, Бюл. №6.

26. Пат. 58793А Україна, МКВ С22В 21/06, С22/В 9/10. Флюс для обробки алюмінієвих сплавів / Волчок І.П., Мітяєв О.А., Рязанов С.Г.; заявник і патентоутримувач Запорізький нац. техн. ун-т.-№2002108362; заявл. 22.10.2002; опубл. 15.08.2003, Бюл. №8.

27. Рязанов С.Г. Повышение качества алюминиевых сплавов /
    С.Г. Рязанов, А.А. Митяев, И.П. Волчок // Nauka i Technologia: V Konferencja Naukovo-Techniczna Odlewnictwa Metali Niezelaznych. Lucien, 6-8 червня 2002 р. – Lucien, Poland, 2002. – P. 16-20.

28. Волчок І.П. Рафінуюче-модифікуючий комплекс для обробки алюмінієвих сплавів / І.П. Волчок, О.А. Мітяєв, С.Г. Рязанов // Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах: Зб. наук. пр. Х Міжнар. науково-техн. конф. Запоріжжя, 12-16 травня 2003 р. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2003. – С. 220.

29. Волчок І.П. Малоциклова втома вторинних алюмінієвих сплавів / І.П.Волчок, О.А. Мітяєв, С.Г. Рязанов // Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій: Зб. наук. пр. ІІІ Міжнар. конф. Львів, 2004 р. – Львів: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2004. –
    С. 629-632.

30. Volchok I. Improvement of quality of recycled silumins / І. Volchok, Т.Stuczynski, А. Mityayev, М. Lech-Grega // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Зб.наук. пр. ІХ Міжнар. науково-техн. конф. Запоріжжя, 23-26 вересня 2003 р. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2003. – С. 21-23.

31. Рязанов С.Г. Тенденции и проблемы использования вторичных алюминиевых сплавов / С.Г. Рязанов, А.А. Митяев, И.П. Волчок // Nauka i Technologia: VI Konferencja Naukovo-Techniczna Odlewnictwa Metali Niezelaznych. Zakopane-Koscielisko, 29-31 травня 2003 р. – Zakopane-Koscielisko, Poland, 2003. – P. 99-102.

32. Волчок И.П. Коррозионные свойства вторичного сплава АК8М3 / И.П. Волчок, А.А. Митяев, В.Н. Повзло // Aims for Future of Engineering Science: Proceedings the Fifth International Scientific Forum. Paris, 2-8 May, 2004. – Paris, France: Paris Tourist Office “David Lefranc”, 2004. – P. 124-127.

33. Волчок І.П. Підвищення фізико-механічних властивостей вторинних алюмінієвих сплавів / І.П. Волчок, О.А. Мітяєв, В.В. Верещага // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх оброблення для підвищення надійності та довговічності виробів: Зб. матеріалів Х Міжнар. науково-техн. конф. Запоріжжя, 20-22 вересня 2005 р. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2005. – С. 128-130.

34. Волчок І.П. Підвищення малоциклової втоми вторинних силумінів / І.П. Волчок, О.А. Мітяєв // Strategy of Quality in Industry and Education: Proceedings International Conference. Varna, Bulgaria, 3-10 June, 2005. – Дніпропетровськ: Пороги, 2005. – С. 112-116.

35. Беликов С.Б. Коррозионная стойкость вторичных силуминов /
    С.Б. Беликов, А.А. Митяев, В.Н. Повзло // Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов: Сб. трудов XI Междунар. научно-техн. конф.
    Санкт-Петербург, 22 апреля 2005 г. – Санкт-Петербург: ГОУ ВПО
    “Санкт-Петербургский ГУНИПТ”, 2005. – С. 51-56.

36. Беликов С.Б. Кавитационная стойкость вторичных силуминов /
    С.Б. Беликов, А.А. Митяев // Nauka i Technologia: IX Miedzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Odlewnictwa Metali Niezelaznych. Mikorzyn,
    1-3 червня 2006 р. – Mikorzyn, Poland, 2006. – P. 7-11.

37. Belikov S. The nanomodifier of aluminium alloys / S. Belikov,
    I. Volchok, A. Mityayev // Aims for Future of Engineering Science: Proceеdings the International Scientific Forum. Davos, 4-10 July 2006. – Davos Congress Centre, Switzerland, 2006. – C. 191-193.

38. Мітяєв О.А. Вплив інтерметалідних фаз на властивості вторинних силумінів / О.А. Мітяєв, В.В. Верещага // Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах: Зб. матеріалів ХІ Міжнар. науково-техн. конф. Запоріжжя, 19-22 вересня 2006 р. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2006. – С. 165-166.

39. Наномодификатор вторичных силуминов / И.П. Волчок,
    А.А. Митяев, О.В. Лютова, Н.В. Широкобокова // Наноструктурные материалы: Сб. докладов 2-го Междунар. научно-техн. симпозиума “Наноструктурные функциональные покрытия и материалы для промышленности”, 8-й Междун. научно-техн. конф. “Вакуумные технологии и оборудование для получения наноматериалов”. Харьков, 23-27 апреля 2007 г. – Харьков, 2007. – Т.1. –
    С. 180-183.