Анотація до роботи:

Щерецький О. А. Теоретичні та технологічні основи одержання литих заготовок із композиційних матеріалів на основі алюмінію та цирконію з дисперсними частинками. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.04. – ливарне виробництво. Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, 2007.

В роботі розроблено методичні основи кількісної оцінки інтенсивності міжфазної взаємодії в дискретно армованих композиційних матеріалах на металевій основі з використанням термодинаміки гетерогенних систем. Виконано кількісний системний аналіз інтенсивності взаємодії матричного сплаву з армуючими елементами в литих дискретно армованих композиційних матеріалах на основі алюмінію з дисперсними частинками SiC, C, TiC, TiB₂, B₄C, BN, AlB₂, AlN.

Вивчено вплив способів одержання (просочування, інжекція, лігатурний метод) та характеристик армуючих частинок (вид, дисперсність, кількість) на структуру та властивості дискретно армованих композиційних матеріалів на основі алюмінію.

Досліджено ливарні властивості композиційних матеріалів армованих дисперсними частинками.

Наведені результати експериментальних досліджень закономірностей вакуумного просочування металевими розплавами дисперсних частинок. Використовуючи встановлені закономірності, розроблені технології одержання литих заготовок із композиційних матеріалів на основі алюмінієвих сплавів.

В роботі встановлено, що перехід з аморфного в кристалічний стан для об’ємноаморфних сплавів на основі систем Al-Y-Ni, Zr-Cu-Ni-Al лімітується дифузією, що дозволяє керувати цим процесом шляхом вибору температурно-часових режимів та одержувати ендогенні композиційні матеріали з різним розміром дисперсної фази.

Показана можливість використання розробленої термодинамічної методики оцінки міжфазної взаємодії для вирішення технологічних задач, зокрема, для оптимізації складу ливарних сплавів та лігатур.

У дисертації наведене теоретичне узагальнення досліджень взаємного впливу дисперсних частинок і матричного сплаву на фазовий склад, структуру та властивості композиційних матеріалів на основі алюмінію та цирконію. Розроблено та запропоновано нову термодинамічну методику кількісної оцінки інтенсивності взаємодії компонентів в КМ. Вирішена наукова проблема контролю та керування міжфазними процесами при одержанні КМ. На цій основі розроблені оптимальні технологічні режими одержання литих заготовок із композиційних матеріалів з прогнозовано стабільними характеристиками.

1. Розроблено методичні основи кількісної оцінки інтенсивності міжфазної взаємодії в дискретно армованих композиційних матеріалах на металевій основі з використанням термодинаміки гетерогенних систем. Розрахунки, проведені за розробленою методикою, характеризують систему в цілому, а не відносяться тільки до конкретної хімічної реакції, як це було раніше. Це дає можливість кількісно оцінити вплив взаємодії матричного сплаву і наповнювача на фазовий склад композиційного матеріалу.

2. Виконано кількісний системний аналіз інтенсивності взаємодії матричного сплаву з армуючими елементами в литих дискретно армованих композиційних матеріалах на основі алюмінію з дисперсними частинками: SiC, C, TiC, TiB₂, B₄C, BN, AlB₂, AlN.

Для КМ сплав на основі алюмінію – карбід кремнію встановлено:

метали, які розчиняються в алюмінії або утворюють з ним інтерметаліди, практично не впливають на міжфазну взаємодію в даній системі;

легуючі елементи, які при введені в алюмінієво-кремнієвий розплав утворюють хімічні сполуки з кремнієм, посилюють взаємодію карбіду кремнію з алюмінієм за рахунок зменшення активності кремнію в розплаві;

збільшення активності кремнію в алюмінієвому розплаві призводить до значного послаблення міжфазної взаємодії в КМ.

Термодинамічні розрахунки показали, що всі досліджені алюмінієві сплави згідно інтенсивності взаємодії з частинками карбіду кремнію можливо розмістити в ряд: АМг5Мц АМг5К АМг2АМ5 Д16 АК7 АК9Ц6 АК12.

Для КМ, армованих дисперсними частинками графіту, встановлено:

механізм впливу легуючих елементів та домішок на взаємодію графіту з розплавами на основі алюмінію;

титан та ванадій значно підсилюють міжфазну взаємодію в системі Al-Si-C;

рідкоземельні метали ітрій та неодим максимально послаблюють взаємодію графіту з алюмінієво-кремнієвою матрицею.

Для системи сплав на основі алюмінію – дисперсні частинки TiC встановлено:

більшість досліджених елементів мало впливають на взаємодію в даній системі за виключенням титану, який значно знижує інтенсивність взаємодії фаз;

на відміну від КМ, армованих дисперсними частинками карбіду кремнію, в системі Al – TiC, кремній досить сильно інтенсифікує взаємодію матричного сплаву з наповнювачем. Введення вже 1 % кремнію повністю нівелює позитивний вплив титану на процеси взаємодії в даній системі.

3. Проведено термодинамічний аналіз інтенсивності міжфазної взаємодії захисних металевих покриттів (Nb, Ta, Mo, W, Cr, Nі, Сu) на дисперсних частинках з розплавами на основі алюмінію, досліджено основні закономірності та показано, що використовувати легкорозчинні в алюмінієвих розплавах металізатори, такі як мідь, нікель та інші, недоцільно для КМ на основі сплавів, які не містять кремнію. В цьому випадку необхідно використовувати покриття із тугоплавких металів, наприклад, танталу, ніобію, молібдену, вольфраму. Встановлено, що стійкість покриттів зменшується в ряду Nb Ta Mo W Cr.

4. Методами термічного та диференціально-термічного аналізів експериментально досліджено взаємодію дисперсних частинок графіту та карбіду кремнію з ливарними алюмінієвими сплавами як під час одержання КМ, так і при їх термообробці. Встановлено температури початку інтенсивного карбідоутворення (Т_кр) в залежності від складу сплаву, режимів одержання та термічної обробки. В вакуумі (110^-2 Па) Т_кр для КМ на основі стандартних алюмінієвих сплавів з дисперсними частинками графіту дорівнює: АК7 – 1356 ) 20 К, АК12 – 1363 ) 20 К, АК5М7 – 1341 ) 20 К, АМ5 – 1325 ) 20 К.

5. Розрахунки, виконані за розробленою методикою термодинамічної оцінки міжфазної взаємодії дисперсного наповнювача з матричним сплавом в рівноважних умовах, узгоджуються з експериментальними даними та можуть бути використані для прогнозування інтенсивності та напрямку протікання, міжфазної взаємодії для реальних ливарних композиційних матеріалів, а початок та повнота взаємодії визначаються кінетичними факторами (стійкість оксидної плівки, швидкість охолодження та інші).

6. Методом лежачої краплі досліджено особливості змочування армуючої фази розплавами на основі алюмінію. Встановлено, що початок змочування в даних системах пов’язаний з розривом алюмінієвої оксидної плівки на міжфазних границях. Температура різкого зменшення кута змочування для стандартних алюмінієвих сплавів складає: A95 – 1373 ) 10 К, АК12 – 1390 ) 10 К, Д16 – 1350 ) 10 К.

7. Встановлено, що структурні параметри матричного евтектичного сплаву зменшуються із збільшенням кількості та дисперсності наповнювача за рахунок гальмування їх росту дисперсними частинками. Максимальні механічні властивості КМ при введені дисперсних частинок дисперсністю 100-200 мкм спостерігаються при їх вмісті 0.5-1 %.

8. Експериментально досліджені закономірності вакуумного просочування металевими розплавами дисперсних частинок:

- технологічні параметри просочування практично не залежать від матеріалу частинок, а залежить від їх дисперсності, армуючі елементи менше 50 мкм не просочуються розплавом;

- збільшення розрідження в формі до 20 Па приводить до різкого збільшення глибини просочування, подальше збільшення вакууму мало впливає на процес просочування. Встановлено залежність технологічних параметрів просочування від температури розплаву та форми, часу витримки та дисперсності наповнювача.

9. Розроблена технологія одержання литих заготовок із композиційних матеріалів на основі алюмінієвих сплавів з високим вмістом (біля 60 об. %) дисперсних частинок графіту, карбіду та оксиду кремнію. Розроблені матеріали перспективні для використання в якості рухомих електричних контактів та металокерамічних вставок для головки поршня двигуна внутрішнього згорання.

10. На основі технології примусового вакуумного просочування розроблена технологія одержання литих заготовок із дисперснопористих матеріалів на основі алюмінієвих сплавів, яка включає два етапи: одержання литого композиційного матеріалу, армованого дисперсними частинками, та витравлювання наповнювача відповідним розчинником, при цьому пористість матеріалу може змінюватися від 0,5 до 0,75, а питома вага від 1,1 до 0,6 г/см³.

11. Для одержання виливок, армованих невеликою кількістю дисперсних частинок графіту і карбіду кремнію (1 – 5 %), розроблено лігатурний метод введення наповнювача в розплави на основі алюмінію.

12. Розроблені оптимальні технологічні режими термопластичної обробки литих композиційних матеріалів, армованих дисперсними частинками графіту, що дозволило підвищити фізико-механічні властивості в 1,5 рази, а тріботехнічні характеристики в 2 рази.

13. Встановлено, що ливарні властивості КМ залежать не тільки від ефективної в’язкості розплаву, а і від міжфазної взаємодії дисперсних частинок з матричним розплавом. Введення 4 % частинок оксиду алюмінію розміром 100 мкм призводить до зменшення рідкоплинності на 30 %, при цьому ефективна в’язкість змінюється лише на 15 %. Показано, що рідиноплинність КМ на основі алюмінієвих сплавів за умови вводу однакової масової долі наповнювача зменшується з ростом кількості частинок, зменшенням їх розмірів та питомої ваги. При вмісті частинок менше 5 % рідиноплинність розплавів залишається достатньо високою, тому вироби з таких матеріалів можливо одержувати за звичайними ливарними технологіями. А для забезпечення ливарних властивостей КМ на рівні матричного сплаву необхідно температуру заливання розплаву збільшити в залежності від виду та кількості дисперсних частинок, так, наприклад, при вмісті 2 % частинок Al₂O₃ температура заливання повинна бути вищою на 30-40 К, для частинок SiC – на 45-55 К, а для частинок графіту – на 50-60 К.

14. Використовуючи розроблену термодинамічну методику та експериментально встановлені закономірності міжфазної взаємодії, вибрано оптимальний склад матричного сплаву АК12М2, розроблено спосіб введення армуючих елементів та визначено оптимальні технологічні режими одержання литих заготовок з КМ для виготовлення рухомих електричних контактів (струмознімачів) для міського електротранспорту на заміну вугільно-графітових.

15. Встановлено, що процес переходу з аморфного в кристалічний стан для об’ємноаморфних сплавів на основі систем Al-Y-Ni та Zr-Cu-Ni-Al має досить високу енергію активації (більше 200 кДж/моль), розпочинається в інтервалі температур t_g – t_x та має порівняно низьку інтенсивність, що дозволяє керувати цим процесом шляхом вибору температурно-часових режимів та одержувати композиційні матеріали з різним вмістом, розмірами та розподіленням дисперсної фази.

16. Показана можливість використання розробленої термодинамічної методики оцінки міжфазної взаємодії для вирішення технологічних задач, зокрема, для оптимізації складу ливарних сплавів та лігатур.

Публікації автора:

1. Билецкий А. К., Щерецкий А. А., Витусевич В. Т., Шумихин В. С. Энтальпии образования расплавов в системе Si-В// Изв. АН СССР, Металлы. – 1988. – № 3. – С. 66-68.

2. Витусевич В. Т., Щерецкий А. А., Шумихин В. С. Термодинамические свойства расплавов системы Со-С// Расплавы. – 1988. – № 6. – С. 72-75.

3. Витусевич В. Т., Щерецкий А. А., Шумихин В. С. Энтальпии образования расплавов системы Fe-Si-В// Расплавы. – 1989. – № 4. – С. 102-105.

4. Витусевич В. Т., Шумихин В. С., Щерецкий А. А. Энтальпии образования расплавов в системе железо-бор-углерод// Расплавы. – 1990. – № 1. – С. 82-85.

5. Витусевич В. Т., Щерецкий А. А., Билецкий А. К. Энтальпии образования расплавов системы Сo-Si-B // Изв. АН СССР, Металлы. – 1990. – № 4. – С. 199-201.

6. Витусевич В. Т., Щерецкий А. А., Шумихин В. С. Энтальпии образования расплавов Со-В-С// Изв. АН СССР, Металлы. – 1990. – № 5. – С. 52-54.

7. Верховлюк А. М., Щерецкий А. А. Кинетика растворения сплавов на основе железа в расплавах алюминия// Адгезия расплавов и пайка материалов. – 1995, вып. 32. – С. 71-74.

8. Щерецкий А. А. Исследование возможности инжекции дисперсных частиц в расплавы на основе алюминия// Процессы литья. – 1997. – № 4. – С.73-77.

9. Шумихин В. С., Лахненко В. Л., Верховлюк А. М., Щерецкий А. А. Поверхностные свойства железоуглеродистых расплавов и их роль при модифицировании// Процессы литья. – 2000. – № 3. – С 44-48.

10. Щерецкий А. А., Апухтин В. В. Особенности переработки конверсионных отходов алюминия, меди и сплавов на их основе// Процессы литья. – 2000. – № 4. – С 50– 53.

11. Потрух А. Г., Шумихин В. С., Щерецкий А. А., Раздобарин И. Г., Бабич В. Н. Процесс получения композитных и армированных материалов в вакуумированных формах// Процессы литья. – 2001. – № 1. – С 84–90.

12. Шумихин В. С., Щерецкий А. А., Лахненко В. Л. Влияние дисперсных частиц на структуру металлической матрицы композиционных материалов на основе алюминия// Процессы литья. – 2002. – № 2. – С. 33–37.

13. Верховлюк А. М., Шумихин В. С., Беспалый А. А., Щерецкий А. А. Межфазное взаимодействие расплава на основе циркония с огнеупорными материалами// Процессы литья. – 2002. – № 4. – С. 15–18.

14. Верховлюк А. М., Щерецкий А. А., Шумихин В. С., Лахненко В. Л. Влияние цинка, циркония и олова на поверхностные свойства расплавов системы Си-Р// Расплавы. – 2002. – № 3. – С. 47-51.

15. Шумихин В. С. , Щерецкий А. А., Сергиенко Р. А. Определение удельных теплот плавления бинарных сплавов на основе алюминия и меди// Процессы литья. – 2003. – № 1. – С.22-26.

16. Щерецкий А. А., Шумихин В. С., Сергиенко Р. А. Физико-химические аспекты получения аморфных металлических сплавов при низких скоростях охлаждения// Процессы литья. – 2003. – № 4 – С. 62-70.

17. Верховлюк А. М., Щерецкий А. А., Витусевич В.Т., Рабкин Е., Семенов В.Н. Межфазное взаимодействие монокристаллов ниобия и железа с легкоплавкими металлами и сплавами// Порошковая металлургия. – 2003. – № 7-8. – С. 86-91.

18. Шумихин В. С. , Щерецкий А. А., Сергиенко Р. А. Влияние содержания цинка на удельную теплоту плавления латуней// Процессы литья. – 2004. – № 1 – С. 22–26.

19. Щерецкий А. А., Шумихин В. С. Литые композиционные материалы на основе алюминия с дисперсными частицами// Процессы литья. – 2004. – № 4 – С. 38-41.

20. Лахненко В. Л. Щерецкий А. А., Апухтин В. В., Гаврилюк К. В., Щерецкий В. А. Методологические аспекты определения жидкотекучести сплавов с существенно отличающимися теплофизическими характеристиками// Процессы литья. – 2005. – № 3 – С. 28–34.

21. Щерецкий А. А., Щерецкий В. А. Термодинамический метод расчета межфазного взаимодействия в металлических композиционных материалах// Процессы литья. – 2006. – № 3 – С. 18-21.

22. Щерецкий А. А., Новицкий В. Г., Лахненко В. Л. Износостойкость сплавов системы Al-Cu-Ni с мартенситным превращением в условиях трения скольжения // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2006. – № 10,– С. 20-23.

23. Шумихин В. С., Щерецкий А. А., Верховлюк А. М., Лахненко В. Л., Апухтин В. В. Влияние кислорода на аморфизацию сплавов.// Процессы литья. – 2007. – № 1-2 – С. 84-87.

24. Щерецкий А. А., Щерецкий В. А. Термодинамічні особливості міжфазної взаємодії в композиційних матеріалах на основі алюмінію \\ Металознавство та обробка металів. – 2007. – № 1. – С. 19-23.

25. Шумихин В. С. Щерецкий А. А. Литые композиционные материалы с аморфной матрицей// Металлургия Машиностроения. – 2007. – № 3. – С. 6-11.

26. Шумихин В. С., Щерецкий А. А., Верховлюк А. М., Лахненко В. Л. Получение и исследование объемноаморфизованных сплавов на основе циркония // Сб. Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии. – Т. 3. – Вып. 4, 2005. – С. 1071-1076.

27. Щерецкий А. А., Шумихин В. С., Апухтин В. В. Технология получения изделий из композиционных материалов на основе алюминия с дисперсными частицами. – В кн.: Матер. Международной конференции "Композиционные материалы, технология и производство", Киев – 1994. – С. 114–115.

28. Щерецкий А. А., Шумихин В. С. Литые композиционные материалы на основе алюминия с дисперсными частицами. – В кн.: Матер. Международной конференция «Перспективные материалы». – Киев. – 1999. – С. 187.

29. Влияние физико-химических методов раскисления на активность кислорода в железоуглеродистых расплавах / Шумихин В.С., Верховлюк А.М., Лахненко В.Л., Щерецкий А.А. // В кн.: Производство стали в ХХI веке. Прогноз, процессы, технологии, экология. – Киев: 2000. – С. 169-173.

30. Rabkin E., Verhovlyuk A., Shcheretskiy O., Witusevich V., Semenov V. Wetting of Niobium and Iron Single Crystals by Low-Melting-Point Metals and Alloys. – The 10 International Conference on Intergranular and Interphase Boundaries. – Haifa Israel. – 23 – 26, 2001. – P.49.

31. Shcheretskiy A. A., Novytskyy V. G., Lakhnenko V. L. Wear rate of cast alloys of The system Cu-Al-Ni having martensite transformation for work under sliding friction. – Proceedings World Tribology Congress III. – Washington, DC, USA. – 12-16 September. 2005. – WTC2005-63047.

32. Шумихин В. С., Щерецкий А. А., Верховлюк А. М., Лахненко В. Л. Объемноаморфизованные сплавы на основе циркония, особенности получения и свойства. – В кн.: Матер. Международной конференции «Современное материаловедение достижения и проблемы», г. Киев . – 2005. – С. 297-298.

33. Верховлюк А. М., Беспалый А. А., Шумихин В. С., Щерецкий А. А., Апухтин В. В. Влияние магния и иттрия на процесс смачивания кварца расплавом на основе циркония. – В кн.: Матер. Международной конференции «Современное материаловедение достижения и проблемы», г. Киев . – 2005. – С. 303.

34. Щерецкий А. А., Щерецкий В. А. Применение термодинамики гетерогенных систем для расчета межфазного взаимодействия в композиционных материалах на основе алюминия армированных дисперсными частицами карбида кремния. – В кн.: Матер. Международной конференции «Композиционные материалы в промышленности», Ялта. – 2006. –
    С. 370-373.

35. Щерецкий А. А., Шумихин В. С., Лахненко В. Л., Беспалий А. А. Композиционные материалы на основе циркония с аморфной матрицей. – В кн.: Матер. Международной конференции «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов», г. Харьков . – 2006. – С. 160–165.

36. Щерецкий А. А., Шумихин В. С., Лахненко В. Л., Беспалий А. А. Композиционные материалы с аморфной матрицей – особенности получения и свойства. – В кн.: Матер. Международной конференции «Композиционные материалы в промышленности», Ялта. – 2007. – С. 208-210.

37. Способ введения дисперсных частиц в расплавы: Патент 2015188 России, МКИ С22С1/10,1/06/ Щерецкий А. А., Шумихин В. С., Билецкий А. К., Апухтин В. В.. – №5022257/02 Заявл. 03.07. 1991; Опубл 30.06.1994, Бюл. №12.

38. Способ получения заэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов с дисперсными частицами карбида кремния: Патент 2015185 России, МКИ С22С1/02,1/10/ Щерецкий А. А., Шумихин В. С., Билецкий А. К., Апухтин В. В.. – № 5002831/02 Заявл. 16.09.1991; Опубл. 30.06.94, Бюл. №12.

39. Лигатура: Патент 2823 Украины, МКИ С22С35/00/ Щерецкий А. А., Шумихин В. С., Апухтин В. В.. –№ 93300798 Заявл. 21.01.1993; Опубл. 29.04.1994, Бюл. №5-1.

40. Способ рафинирования алюминиевых сплавов: Патент 2064514 России, МКИ С22В21/06/ Щерецкий А. А., Апухтин В. В.. – Заявл. 05.03.1991; Опубл. 27.07.96, Бюл. №21.

41. Спосіб очищення розплавів: Патент 10371А України, МКІ С22В15/14 №94030657 Заявл. 28.04.1993; Опубл. 25.12.96, Бюл. №4.

42. Спосіб введення дисперсних частинок у сплави: Патент 10630А України, МКІ С22С1/06/ Щерецький О. А., Шуміхін В. С., Апухтін В. В.. –№ 94061571 Заявл. 28.04.1993; Опубл. 25.12.1996, Бюл. №4.

43. Спосіб одержання армованих відливок у вакуумованій формі: Патент 12478А України, МКІ В22D19/02/ Щерецкий О. А., Шумихин В. С., Потрух О. Г.. –№93030300 Заявл. 29.12.1995; Опубл. 28.02.1997, Бюл. №1.

44. Способ очистки расплавов: Патент 2082791 России, МКИ С22В15/14/ Щерецкий А. А., Апухтин В. В. Толочко П. И.. – №94027720/02 Заявл. 22.07.1994; Опубл. 27.06.1997, Бюл. №18.

45. Спосіб одержання об’ємно аморфізованих сплавів: Патент 20439 України, МКІ С22С 45/00/ Шуміхін В. С., Щерецький О. А., Роздобарин І. Г., Лахненко В. Л. Апухтін В. В., Верховлюк А. М., Безпалий А. А.. – №200608957, Заявл. 11.08.2006; Опубл. 15.01.2007, Бюл. №1.

46. Спосіб одержання аморфних сплавів: Патент 20440 України, МКІ С22С 45/00/ Шуміхін В. С., Щерецький О. А., Верховлюк А. М., Безпалий А. А., Науменко М. І., Роздобарин І. Г., Лахненко В. Л.. – №200608958, Заявл. 11.08.2006; Опубл. 15.01.2007, Бюл. №1.

47. Антифрикційний композиційний матеріал для вузлів тертя-ковзання з ефектом самозмащування і низьким рівнем зношування. Патент 25997 України МКІ С22С1/10/ Щерецький В. О., Щерецький О. А., Раздобарин І. Г.. – №200705261, Заявл. 14.05.2007; Опубл. 27.08.2007, Бюл. №13.