Влияние примесных элементов на термическую устойчивостьмикрогетерогенных состояний жидких металлических растворов на основе алюминия, никеля и железа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ



■РГо ОД 1 1 СЕН 1395

На правах рукопйси Матвеев Виктор Михайлович

Влияние примесных элементов на термическую устойчивость микрогетерогенных состояний жидких металлических растворов на основе алюминия, никеля и железа.

специальность 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург - 1995

Работа выполнена на кафедре общей физики Уральского государственного педагогического университета и на кафедре , физики Уральского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор П.С. Попель

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор В.Г. Байдаков; кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.П. Ченцов

Ведущее учреждение - Институт химии твёрдого тела, УрО РАН, г. Екатеринбург.

Защита состоится " " ОИ&ск^995г. на заседании диссертационного совета К 063.14.11. при Уральском государственном техническом университете в ч мин, аудитория Фт-419, 5-й учебный корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета. '

Автореферат разослал -22." г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

Е.В. Кононенко

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. При изучении строения и свойств жидких металлических растворов часто отмечаются признаки их микрогетерогенности. Дискуссионным остается вопрос о ее происхождении н характерном масштабе. Существует ряд альтернативных представлений, однако для того, чтобы сделать обоснованный выбор между ними, нет достаточных оснований. Дело в том, что, по-видимому, единственным экспериментальным методом определения масштаба микрогетерогенности является малоугловое рассеяние рентгеновских лучей и нейтронов. К сожалению, на сегодняшний день в мире нет экспериментальной установки, позволяющей исследовать данным методом высокотемпературные металлические расплавы. В этих условиях наиболее продуктивным путем изучения их микрогетерогепности является проведение тщательно спланированных " решающих" экспериментов, результаты которых, хотя и косвенно, но свидетельствовали бы в пользу тех или иных представлений.

В последние 10 лет наблюдается возрождение коллоидных представлений о строении расплавов. В отличие от работ 40-летней давности, их коллоидные состояния трактуются сейчас как метастабильные или неравновесные с большим временем релаксации. Происхождение такой сравнительно крупномасштабной гетерогенности авторы связывают с наследственными факторами: плавлением гетерогенных исходных сйит-ков или смешением разнородных компонентов вблизи ликвидуса. Фактором, стабилизирующим дисперсные частицы в такой системе, является межфазное натяжение на их границах, специфическим образом зависящее от радиуса частицы.

Если указанные представления верны, следует ожидать существенного влияния микроскопических добавок веществ, эффективно снижающих межфазное натяжение на границах дисперсных частиц, на термическую

устойчивость микрогетерогенных состояний расплавов. Однако до настоящего временя целенаправленных исследований в этом направлении не проводилось.

Вопрос о влиянии поверхностно-активных примесей на устойчивость микрогетерогенности расплавов важен и с практической точки зрения. Известно, что перевод расплава из микрогетерогенного состояния в состояние истинного раствора в результате нагрева до высоких температур или ультразвуковой обработки обычно способствует повышению качества питого и деформированного металла. Однако указанные виды воздействий не всегда осуществимы на практике. Микролегирование расплава поверхностно-активными добавками может оказаться наиболее доступным способом гомогенизации расплавов при стандартных температурах их выплавки в производственных условиях.

Настоящая работа посвящена целенаправленному исследованию влияния примесей на термическую устойчивость микрогетерогенных состояний в расплавах на основе алюминия, никеля и железа. Основная информация была получена при измерении их поверхностного натяжения, плотности и вязкости.

Цель работы. Выявить факты существенного влияния примесей на температуру разрушения микрогетерогенных состояний расплавов; подобрать модель микрогетерогенности, адекватную полученным результатам, и разработать рекомендации по микролегированию расплавов примесями с целью снижения температуры гомогенизации расплавов.

Научная новизна.

1. Впервые измерены температурные зависимости поверхностного натяжения, плотности и вязкости ряда жидких сталей и многокомпонентных алюминиевых сплавов (1541, АЛ4, АЛ9, А1-Си-гг), а также температурные зависимости кинематической вязкости расплавов А1-Бп с примесями Mg, С<1, Ъть в<1, £>с, 2п, ТЛ, Мп, В; уточнены имеющиеся данные по поверхностному натяжению и плотности расплавов №-В.

2. Во всех исследованных системах обнаружено ветвление температурных зависимостей свойств, полученных при нагреве и последующем охлаждении, которое свидетельствует о необратимом разрушении микрогетерогенного состояния расплавов; по получении результатам определены температуры перехода расплавов из микрогетерогенного состояния в состояние истинного раствора (температуры гомогенизации

jffcor»)-

3. На примере алюминиевых расплавов показано, что в тех случаях, когда изотермическая выдержка при Г > Т^от недостаточно продолжительна, при их охлаждении восстанавливается микрогетерогенное состояние.

4. Установлено, что температурно-временные условия перехода расплавов AI-Zr из микрогетерогенного состояния в состояние истинного раствора зависят от дисперсности, морфологии и кристаллической структуры выделений Al^Zr в исходной шихте; таким образом, обосновано представление о наследственной природе микрогетерогенного состояния расплавов.

5. Показано, что вся совокупность полученных данных может быть качественно (а в случае бинарной системы Ni-B - и количественно) интерпретирована с позиции коллоидной модели микрогетерогенности расплавов.

6. В рамках градиентного приближения Кана-Хиллиарда рассчитана температура гомогенизации и наиболее вероятные размеры дисперсных частиц в расплавах Ni-B; впервые проведено уточнение полученных результатов для случая эквиатомной разделяющей поверхности.

7. Установлено, что введение примесей, поверхностно-активных на границах коллоидных частиц, при условии правильно выбранной их концентрации может снизить температуру гомогенизации расплавов Al-Sn до значений, близких к ликвидусу; превышение же оптимальной концентрации ПАВ может привести к формированию микрогетерогенности на

основе примесных элементов.

Практическая ценность.

1. Сконструирована и изготовлена быстродействующая установка для измерения плотности и поверхностного натяжения высокотемпературных расплавов методом "большой" капли с автоматической регистрацией формы капли и расчётом искомых величин на персональном компьютере; после метрологической аттестации и доработки отдельных узлов она может быть рекомендована к использованию в других лабораториях.

2. Результаты измерений поверхностного натяжения и плотности многокомпонентных промышленных композиций использованы для совершенствования технологических режимов их выплавки.

3. Определённые в работе темлературио-хонцентрацмонные границы области микрогетерогенности расплавов №-В могут быть использованы для оптимизации технологии выплавки аморфных магнитомягких материалов с целью повышения их гомогенности.

4. Разработанные рекомендации по введению в расплавы добавок поверхностно-активных веществ открывают новый способ гомогенизации расплавов с целью повышения качества слитков и отливок, не требующий модернизации технологического оборудования.

На защиту выносится:

1. Конструкция быстродействующей установки для измерения плотности и поверхностного натяжения расплавов методом "большой капли" с телевизионной регистрацией изображения капли и синхронной компьютерной обработкой результатов.

2. Результаты измерений поверхностного натяжения, плотности и вязкости указанных выше систем.

( 3. Термодинамические оценки дисперсности частиц и границ их термической устойчивости в расплавах N1-8.

4. Результаты, свидетельствующие о существенном влиянии поверх-

ностноактивных веществ на температуру гомогенизации расплавов А1-Sn.

5. Рекомендации по микролегированию расплавов присадками по-верхностноактивных веществ с целью снижения температуры их гомогенизации.

6. Технологические режимы температурно-временной обработки ряда сталей и сплавов, обеспечивающие повышение качества слитков и отливок.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и опубликованы на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Научно-техническая конференция "Молодые учёные и специалисты чёрной металлургии Урала - научно-техническому прогрессу" (Свердловск, 1987); X Уральская школа металловедов-термистов "Ускорение технического прогресса в металловедении и термической обработки сталей и сплавов" (Устинов, 1987); Всесоюзная научно-техническая конференция "Металл и технический прогресс" (Москва, 1987); Всесоюзное совещание "Взаимосвязь жидкого и твёрдого металлических состояний" (Свердловск, 1987); Научно-технический семинар "Ближний порядок в металлических расплавах и структурно-чувствительные свойства вблизи границы устойчивости фаз (Львов, 1988); Научно-техническая конференция "Наследственность в литых сплавах" (Самара, 1993); 1 Украан-ская конференция "Структура i фмичш властивост) невпорядкованих систем (Льв'т, 1993); Eighth International Conference on High Temperature Materials Chemistry (Vienna/Austria, 1994); An International Conference "High temperature capillarity" (Bratislava/Slovakia, 1994).

Сруктура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка цитируемой литературы и приложения. Она содержит 156 стр. текста, 57 рис. и 10 табл.

Основное содержание работы

В первой главе после краткого обзора литературных данных о ме-тастабильных и неравновесных состояниях жидких металлических растворов рассмотрены основные модели микронеоднородного и микрогетерогенного строения расплавов и проанализирована их применимость к интерпретации этих состояний.

Отмечено, что неоправданно ограниченным остаётся круг свойств, которые измеряются для определения точек перехода расплава из микрогетерогенного состояния в состояние истинного раствора. Как правило, при этом измеряются вязкость (свойство, наиболее определённо связанное с наличием в системе неоднородностей коллоидного масшта-. ба) и электросопротивление, реагирующее на существование микроне-однородностей, размер которых соизмерим с длиной свободного пробега электронов 1А). С появлением высокочувствительных методов эти результаты стали дополняться данными денситометрии и магнитометрии. Поверхностное натяжение расплавов, которое является свойством, несущим информацию о строении межфазных границ, используется-сравнительно редко. Отчасти это связано с малой производительность.» метода лежащей капли, наиболее широко применяемого для высокотемпературных исследований.

Не изучены некоторые принципиальные вопросы, касающиеся существования и разрушения неравновесных и метастабильных состояний расплавов. В частности, ограниченной и несистематизированной остаётся информация о кинетике переходных процессов, сопровождающих образование равновесного (метастабильного или устойчивого) раствора. Мало исследованы особенности разрушения микронеоднородности в системах с соединениями, где при повышении температуры одновременно могут происходить процессы разрушения коллоидных частиц и диссоциации соединений.

Не проведено н систематического изучения влияния примесей на температуру гомогенизации системы. При специальном выборе примесных элементов, поверхностно-активных на границах дисперсных частиц с окружающим расплавом, подобное исследование могло бы стать одним из решающих экспериментов для анализа справедливости коллоидной модели микрогетерогенности расплавов.

На основании вышеизложенного были сформулированы задачи данной работы.

Во второй главе рассмотрены сущность метода лежащей капли, методики и алгоритмы расчёта капиллярной постоянной. Предпочтение отдаётся методу "большой капли" и алгоритму обработки его резуль-' татов, предложенному В.М. Замятиным с сотрудниками1.

Основная часть данных получена на модернизированной автором установке с регистрацией координат точек меридианального сечения капли непосредственно на матовом стекле оптической системы. К моменту завершения диссертационного исследования была введена в эксплуатацию разработанная автором с сотрудниками быстродействующая схема регистрации этих координат на базе телевизионного комплекса "Измеритель- Iй и ПЭВМ ДВК-3 или IBM PC/AT. Блок-схема установки приведена на рис.1.

Несмотря на то, что в установке " Измеритель-1" имеется большинство необходимых для сопряжения сигналов и сама форма представления информации удобна для автоматизации, понадобилось сделать ряд изменений и дополнений к её схеме. В частности, в связи с тем, что данная установка должна вести отсчёт координат, необходимо было организовать сквозной отсчёт заполняющих импульсов с начала строки и по фронтам сигнала "хорда" передавать полученную величину в компьютер. Масштабировать данные оказалось удобнее программно, а не с

13nv«TifH В.М., Ksiecez НИ, Ххфкзов P.M. К вопросу о расчете мотяоетж ■ яовержжостного ганжежжх в методе "бояыио! хаа».: / Фииесие сво!ств& иетихоа х стазов. Свердловск. УПИ. 1986, с.115-118.

Рис. 1. Блок-схема автоматизированной установки: 1 - шина ЭВМ; 2 - буфер; 3 - счётчик; 4 - генератор; 5 - формирователь; 6 - дешифратор; 7 - "Измеритель-1".

помощью встроенного в "Измеритель" делителя с переменным коэффициентом деления. Ввиду того, что информация об измеренном параметре на экране видеоконтрольного устройства индициируется в десятичном коде, а для для машинного счёта удобнее использовать двоичный, пришлось изменить режим работы счётчика с десятичного на двоичный.

Для обмена информацией между ЭВМ и - "Измерителем" разработан интерфейс связи. Смонтированный на специальной плате, он устанавливается на любое свободное место в "корзине" компьютера. Блок питания ЭВМ обеспечивает питание интерфейса.

Как известно, телевизионное изображение "рисуется" по строкам. Таким образом, изображение капли - это совокупность горизонтальных хорд. На границе изображения капли и фона величина телевизионного сигнала изменяется. Это позволяет установить моменты начала и конца хорды, для чего напряжение сигнала сравнивается с пороговым. Начало и конец импульса формирует метки. Промежуток от начала строки

до метки заполняется счетными импульсами частотой 10 МГц. Количество импульсов до метки пропорционально ее абсциссе, а ординатой является номер строки, начиная от строки первой хорды капли.

Для уверенного обмена информацией с ЭВМ (т.е. для обеспечения необходимого времени на обмен) метки левой и правой сторон относительно оси синхроимпульса формируются не в одной строке, а через строку.

Обработка результатов измерения осуществляется по специальной программе, написанной на языке ФОРТРАН для ДВК и TURBOPASCAL для IBM PC/AT.

Исследования проводились на подложках из ВеО или AI2O3 как в динамическом вакууме, так и в атмосфере гелия. Температурная зависимость поверхностного натяжения и плотности определялась в ходе нагрева и охлаждения образцов после изотермических выдержек расплава для выравнивания температуры по объёму образца, завершения в нём процессов релаксации структуры и достижения термодинамического равновесия в системе расплав-газовая фаза. Для контроля за достижением равновесной концентрации кислорода в расплаве по отношению к газовой фазе в некоторых экспериментах использовался активометр.

Погрешность измерения поверхностного натяжения не превцшает 2,5 %, плотности -2%.

Вязкость измеряли методом затухающих крутильных колебаний тигля с расплавом (метод Швидковского). Значения вязкости определяли, используя алгоритм решения гидродинамической задачи, применимый

как для сильно-, так и для слабовязких жидкостей. Погрешность опре-

/

деления вязкости не превышает 3 %.

Для приготовления сплавов использовались следующие материалы: А1-А999; Sn-ОВЧООО; Gd-Ч; Сг-рафинированый; Sc-CKMl; В-94 % основного компонента; Ti-99,58 %; Mg-Mr-90 ГОСТ 804-72; Zn-электролитический; Cd-ХЧ; Zr-исдидный; Мп-МрО.

(

В третьей гладе приводятся результаты исследований температурных и временных зависимостей поверхностного натяжения и вязкости ряда промышленных сталей и сплавов в жидком состоянии. Основной задачей при этом было проследить, коррелируют ли аномалии на этих кривых с аномалиями политерм других структурно-чувствительных . свойств (прежде всего - вязкости) и насколько ярко проявляются эти особенности на различных свойствах. Одновременно решалась и задача совершенствования технологических режимов выплавки с целью повышения качества сплавов в литом и деформированном состояниях.

Исследованы температурные зависимости поверхностного натяжения жидких сталей Р6АМ5, 08Х14Н7МЛ, 12Х18Н12МЗТЛ, а также поверхностного натяжения и вязкости жидких сплавов на основе алюминия: 1541, А1-2%гг, А1-5%Си-0,2%гг* А1-5%Си-0,4%гг, АЛ4 и АЛ9 в режимах нагрева и последующего охлаждения. Во всех исследованных системах обнаружено ветвление политерм свойств, полученных при нагреве и охлаждении, которое свидетельствует о необратимых структурных перестройках в расплавах. В образцах, получаемых из гетерогенных шихтовых материалов, ветвление отмечается лишь после нагрева до определённых для каждого состава температур

Установлено, что значения 7\от и относительное расхождение политерм нагрева и охлаждения, определённые при измерениях поверхностного натяжения и вязкости, близки между собой. Это позволяет рекомендовать внедрение экспрессных методов измерения поверхностного натяжения для определения структурных перестроек в расплавах.

В данном исследовании получена серия новых результатов, подтверждающих влияние примесей на значение Ткот- Возможность регулирования температуры гомогенизации путем изменения содержания примесей весьма привлекательна с технологической точки зрения. Однако для решения указаной задачи необходимо выяснить суть необратимых перестроек, происходящих в расплавах вблизи Т/^т-

По мнению автора, полученные в главе 3 экспериментальные значения на качественном уровне могут быть наиболее последовательно интерпретированы с позиции представления о метастабильных или неравновесных коллоидных состояниях расплава3.

В метастабильном или неравновесном коллоиде термическая устойчивость дисперсных частиц определяется межфазным натяжением сг на их границах. Поверхностно-активные примеси, адсорбируясь в межфазных слоях, уменьшают «г, вследствие чего значение температуры гомогенизации также снижается. С другой стороны, нельзя исключить образование в расплаве дисперсных частиц на основе примесных и микролегирующих элементов, которые могут обладать более высокой термической устойчивостью, чем частицы основных компонентов. В этом случае переход "загрязненного" расплава в состояние истинного раствора должен завершаться при более высокой температуре.

Количественные расчёты характеристик микрогетерогенной струк-. туры многокомпонентных промышленных сплавов провести не удаётся, т.к. отсутствует информация о составах контактирующих фаз.

Поэтому в четвёртой главе исследованы закономерности разрушения микрогетерогенности в бинарной системе №-В. Измерены температурные зависимости поверхностного натяжения и плотности расплавов №-В, содержащих от 0 до 22,2 ат.% В в интервале температур 1670-2070 К. Результаты представлены на рис. 2. Для всех образцов обнаружены восходящие участки зависимостей <т(Т) и расхождение кривых о"(Т), полученных при нагреве и последующем охлаждении расплава. Ветвление политерм натяжения и плотности наблюдается только после нагрева расплава до определённой, характерной для него температуры. По температурной завимсимости поверхностного натяжения жидкого никеля рассчитаны избыточные термодинамические свойства его поверхности.

3Попе*ь П.С. Кохюихи « пргаески мкгрожеоджорсстъ ххдгжх иетымтесккх растворов.: Джсс___догт. ФЖ5.-И1Т. жжук. Сяердговсг. 1988. 387 с.

Рис. 2. Политермы поверхностного натяжения сплавов №-В: 1 - №; 2 - 5,2 %; 3 - 9,8 %; 4 - 14,4 5 - 18,5 %; 6 - 22,2 %В; • - нагрев; о -

охлаждение.

Подтверждена важность учёта энтропийной составляющей поверхностного натяжения. Обнаружено быстрое возрастание доли поверхностной энтропии и свободного объёма в поверхности с повышением температуры расплава. По изотермам поверхностного натяжения рассчитаны концентрационные зависимости адсорбции бора в поверхностном слое при различных температурах (рис. 3). Результаты расчётов позволяют связать особенности изменения а при вариации состава и температуры с перераспределением компонентов между поверхностью и объёмом расплавов.

В рамках приближения Кана-Хиллиарда проведены расчёты свобод-

Рис. 3. Изотермы адсорбции бора Гд"' в поверхностном слое, х - 1970 К; о - 1920 К; 4 - 1870 К; Л - 1820 К; ■ - 1770 К; □ - 1720 К.

ной энергии системы, моделирующей дисперсную частицу, взвешенную в расплаве иного состава (частицы Ni^B в расплавленном а-растворе В в Ni или частицы «-раствора в расплавленном бориде). Профиль концентрации в переходном слое считался линейным. Использовалось приближение регулярного раствора. Для этого случая3 получено аналитическое выражение свободной энергии F в зависимости от её параметров (составов контактирующих фаз Xi и х2, радиуса частицы R и толщины переходного слоя б).

Обнаружена немонотонность зависимости F(S), свидетельствующая4 о возможности кинетического режима растворения дисперсных частиц. При этом по мере уменьшения радиуса частицы происходит уменьше-

*Д£ияжа. Б.Л. Зисономержостж кххрорасхоех» эвтехтгчесхжх р&свхюов Sn-РЬ ж Al-Si. Дхсс....хвДА. фп^шт. н&ух. Смрджовск. 1887,180 с.

4Пояель П.С., Демгаа Е.Л. Апнэ яроцесса. ъг&жижого растворен« жщджосте» с огр«лжтееткэ4 сменив агмостью. // ЖФХ. 1988, т.ВО, N7, с.1«02-160в.

яие толщины переходного слоя приблизительно по линейному закону, т.е. возрастает межфазное натяжение на границе дисперсной частицы. В первой серии расчётов значения а были отнесены к разделяющей поверхности, радиус которой соответствует точкам переходного слоя со средней по его толщине концентрацией ®я — Полученная зави-

симость сг(Я) приведена на рис. 4. Для частиц радиуса В. > 200 им межфазное натяжение отрицательно. Это означает энергетическую выгодность самопроизвольного диспергирования крупных частиц, унаследованных от слитка, на более мелкие частицы с Д < 200 им. После завершения этого процесса они продолжают медленно растворяться в кинетическом режиме, причём в области 120 < Е < 200 ям с уменьшением радиуса капли межфазное натяжение возрастает быстрее, чем ¿х- Следовательно, существуют термодинамические предпосылки для реализации в расплавах Ш-В метастабилышх коллоидных состояний с дисперсностью частиц, лежащей в указанных пределах.

Проведён уточнённый расчёт зависимостей свободной энергии модельной системы и межфазного натяжения на границе дисперсной частицы, соответствующий эквиатомной разделяющей поверхности. Показано, что уточнение положения разделяющей поверхности не изменяет принципиальных выводов анализа, проведённого для случая, когда этой поверхности соответствовали точки средней концентрации в переходном слое.

Таким образом, приведённые в главе 3,4 экспериментальные данные позволяют интерпретировать структурные изменения в исследованных расплавах как необратимое разрушение метастабильного коллоидного состояния, унаследованного от гетерогенного исходного образца, и переход расплава в состояние истинного раствора. Поскольку термическая устойчивость коллоида определяется в основном величиной межфазного натяжения с на границах дисперсных частиц, естественно было предположить, что введение в расплав незначительных примесей веществ, сни-

Рис. 4. Зависимость а/АжпкТ от радиуса капли Я при 6 = 6а: х! = 0.05; х2 = 0.25; Т=1700 К.

жагощих сг (так называемых ПАВ - поверхностно-активных веществ), позволит существенно снизить температуру его гомогенизации.

В главе 5 приводятся результаты исследования влияния примесей на температуру гомогенизации расплавов А1-5,4 ат.% 8п.

На основании анализа литературных данных, установлено, что в соответствии с имеющимися критериями поверхностной активности присадки С<1, Бс, Т5, Мп, В должны снижать межфазное натяжение на границах коллоидных частиц в микрогетерогенных расплавах А1-Бп.

Исследованы температурные зависимости вязкости расплава А1-5,4 ат.% Бп без присадок и с присадками 0,14 ат. % перечисленных элементов. Результаты представлены на рис. 5. Обнаружено ветвление политерм вязкости, полученных при нагреве и последующем охлаждении образца, трактуемое автором как свидетельство перехода из мета-

•9./07,м*/с

~ О—О—О—о—п—Г" 1 1 '1

1 1

о— о—о— — о С * 1 1 | |

■ 1 1 1

1 1 __ <1 1 1

3

4 Ъ 4

3

4 3

юоо иоо то т,к юоо иоо хоо т,к

Рис. 5. Температурные зависимости вязкости расплава А1-5,4 ат.% Бп с присадками 0,14 ат.% поверхностно-активных веществ; стрелками отмечены температуры гомогенизации расплава Т/ит'-1 - А1-8п; 2 -3 -Сг; 4 - В; 5 - Тг, 6 - Мп; 7 - С<1; 8 - Ъщ 9 - Бс; 10 - С<1; 11 - Ъг. • -нагрев, о - охлаждение.

стабильного микрогетерогенного состояния в состояние истинного раствора. По точкам ветвления политерм вязкости определены температуры гомогенизации исследованных расплавов Тьот. Установлено, что введение 0,14 ат.% Mg, вй, С<1, Zг) Мп, Т| заметно изменяет вид температурной зависимости вязкости, однако несущественно влияет на Т/ит. Присадки же В и Бс значительно повышают температуру гомогенизации.

Таким образом, критерии поверхностной активности сами по себе не определяют влияния присадки на межфазиое натяжение и за счёт этого -

■}) {07, мг/с а) Ь л/ Ю,мг/с

iooo иоо то т,к юоо иоо то т,н

Рис. 6. Температурные зависимости вязкости расплава А1-5,4 ат.% Бп, содержащих различные количества скандия (а) и гадолиния (б); стрелками отмечены температуры гомогенизации расплава 210т: 1 - 0,05 ат.%; 2 - 0,14 ат.%; 3 - 0,30 ат.%; 4 - 0,50 ат.%. • - нагрев, о - охлаждение.

на термическую устойчивость метастабильной коллоидной структуры. Одной из причин этого может быть немонотонная зависимость межфазного натяжения на границе дисперсных частиц от концентрации примеси.

С целью проверки этой гипотезы исследовали влияние содержания скандия и гадолиния на расплавов А1-5,4 ат.% Бп. Результаты, представленью на рис. 6, свидетельствуют о существенной зависимости температуры гомогенизации расплава от концентрации Бс и вс!. Введе-

(

ние 0,05 ат.% Sc или 0,3 ат.% Gd обеспечивает гомогенизацию расплава при температурах, близких к ликвидусу.

Измерены температурные зависимости вязкости расплава А1-5,4 ат.% Sn с присадками 0,14 ат.% Ti, Мп и Gd, вводимыми в виде концентрированных лигатур. Установлено, что при использовании лигатур температура гомогенизации расплава повышается более чем на 100 К по сравнению с присадкой того же количества чистого компонента

Основные результаты и выводы

1. Сконструирована и изготовлена автоматизированная установка для измерения поверхностного натяжения расплава методом лежащей капли с телевизионной регистрацией размеров капли н синхронной компьютерной обработкой результатов экспериментов.

2. В режимах нагрева и последующего охлаждения образцов исследованы температурные зависимости поверхностного натяжения расплавов Ni-B; жидких сталей: Р6АМ5, 08Х14Н7МЛ и 12Х18Н12МЗТЛ; вязкости расплавов Al-Sn с присадками Mg, Cd, Zn, Gd, Sc, Zr, Ti, Mn и В, а также поверхностного натяжения и вязкости жидких алюминиевых сплавов: 1541, AJI4, АЛ9, Al-2%Zi, Al-5%Cu, Al-5%Cu-0,2%Zr и Al-5%Cn-0,4%Zi.

3. Во всех исследованных системах обнаружено ветвление политерм свойств, полученных при нагреве и последующем охлаждении, которое свидетельствует о необратимых структурных перестройках расплавов после нагрева до определённых для каждого состава температуры Them-

4. Показано, что указанные перестройки могут быть интерпретированы как переход расплава из метастабильного коллоидного состояния, унаследованного от гетерогенных шихтовых материалов, в состояние истинного раствора. В рамках приближения Кана-Хиллиарда рассчитаны наиболее вероятные размеры коллоидных частиц в расплавах Ni-B.

5. Для ряда многокомпонентных расплавов обнаружена существенная зависимость температуры гомогенизации от содержания примесей. Этот эффект связан с поверхностной активностью примесей на

границах дисперсных частиц метастабильного коллоида с окружающим расплавом.

6. Исследовано влияние примесей поверхностно-активных веществ (ПАВ) на температуру гомогенизации расплава А1-5,4 ат.% Sn. На основании полученных результатов сделан вывод об эффективности микролегирования расплавов поверхностно-активными присадками с целью перевода их в состояние истинного раствора без перегрева или с незначительным перегревом над ликвидусом и следующего за этим повышения качества закристаллизованных сплавов. Показана важность оптимизации концентрации ПАВ в расплаве с целью получения максимального гомогенизирующего эффекта.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Третьякова Е.Е., Тягунов Г.В., Носков Ю.Д., Шаврин A.B., Вью-хин В.В., Худяков Ю.В., Ровбо М.В., Колотухин Э.В., Сидоров В.Е., Гарипов Р.Г., Матвеев В.М. Структура и свойства высокопрочной нержавеющей стали в жидком и твердом состояниях. // Расплавы. 1988, т.2, вып.4, с.107-110.

2. Тягунов Г.В., Третьякова Е.Е., Попова B.C., Ровбо М.В., Матвеев В.М. Применение ажтивометра для контроля за равновесным содержанием кислорода при изучении поверхностного натяжения металлических расплавов. // Расплавы. 1988, т.2, вып.2, с.90-92.

3. Баум Б.А., Игошин И.Н., Шульгин Д.Б., Булер Т.П., Базин Ю.А., Гущин B.C., Третьякова Е.Е., Матвеев В.М., Ровбо М.В. О колебательном характере процесса релаксации неравновесных металлических расплавов. // Расплавы. 1988, т.2, вып.5, с.102-105.

4. Ровбо М.В., Тягунов Г.В., Третьякова Е.Е., Матвеев В.М., Щербакова Т.В. Влияние температуры на поверхностное натяжение жидкой стали РбАМ5. // Молодые ученые и специалисты черной металлургии Урала - научно-техническому прогрессу: Тез. докл. н.-т. конф., Свердловск. 1987, с.15.

5. Ровбо М.В., Хасин Г.А., Дунаев В.Г., Бразгин И.А., Третьякова Е.Е., Матвеев В.М., Копытин А.Ю. Влияние подготовки расплава быстрорежущей стали Р6М5 на формирование карбидной эвтектики в структуре твердого металла. // Ускорение технического прогресса в металловедении и термической обработки сталей и сплавов: Тез. докл. 10 Уральской школы металловедов-термистов. Устинов. 1987, с.83.

6. Ровбо М.В., Дунаев В.Г., Бразгин И.А., Третьякова Е.Е., Матвеев В.М. О методике подготовки расплава быстрорежущих сталей к кристаллизации (с целью улучшения служебных характеристик твердого металла). // Металл и технический прогресс: Тез. докл. Всес. н.-т. конф. Москва. 1987, с.63.

7. Тягунов Г.В., Панкратов В.А., Третьякова Е,Е., Ровбо М.В., Матвеев В.М. Влияние фазовых составляющих кристаллических твердых сплавов на характер политерм поверхностного натяжения расплавов // Ближний порядок в металлических расплавах и структурно-чувствительные свойства вблизи границ устойчивости фаз. Львов. 1988, с.87.

8. Третьякова Е.Е., Носков Ю.Д., Выохин В.В., Шаврин А.В., Худяков Ю.В., Матвеев В.М.,Щербакова Т.В., Лапкин В.Н. Влияние способа выплавки на структуру и свойства литейных сталей переходного класса в жидком и твердом состояниях. // Взаимосвязь жидкого и твердого металлических состояний: Тез. докл. Всес. сов. Свердловск. 1987, с.16.

9. Кунгуров В.М., Меркулов В.Ф., Лапин В.М., Цепелев B.C., Вьюхин В.В., Теребов Н.П., Шарафутдинов В.Л., Матвеев В.М., Шульгин Д.Б. Изучение влияния способов раскисления на свойства хромоникельмолиб-деновой стали в жидком и твердом состояниях. // Взаимосвязь жидкого и твердого металлических состояний: Тез. докл. Всес. сов. Свердловск. 1987, с.114.

10. Ровбо М.В., Третьякова Е.Е., Матвеев В.М., Тягунов Г.В., Баум Б.А. Поверхностное натяжение бинарных расплавов никеля и железа

с бором. // Поверхность и новые материалы. Информ. матер. Ижевск. 1990, с.92-96.

И. Матвеев В.М., Хейфец К.О., Попель П.С. Автоматическая установка для измерения поверхностного натяжения и плотности расплавов методом "лежащей" капли. // Расплавы. 1992, N5, с.94-96.

12. Попель П.С., Чикова O.A., Макеев В.В., Матвеев В.М., Верещагин А.Ю. Метастабильные коллоидные состояния расплавов и их роль в явлении структурной металлургической наследственности. // Наследственность в литых сплавах: Тез. докл. 5 н.-т. конф. Самара. 1993, с.71.

13. Матвеев В.М., Попель П.С., Чикова O.A., Макеев В.В. Влияние присадок поверхностно-активных элементов на термическую устойчивость наследственной, микрогетерогенности в расплавах Al-Sn. // Наследственность в литых сплавах: Тез. докл. 5 н.-т. конф. Самара. 1993, с. 110.

14. Чикова O.A., Бродова И.Г., Попель П.С., Матвеев В.М., По-ленц И.В., Зеленский В.Н., Перепечко Н.Ф., Барахвостова Т.А. Влияние структурного состояния расплавов AJI-4 и AJ1-9 на структуру и свойства литого металла. // Наследственность в литых сплавах: Тез. докл. 5 л .-т. конф. Самара. 1993, с.112.

15. Макеев В.В., Матвеев В.М., Бродова И.Г., Чикова O.A., Попель П.С., Замятин В.М. Влияние структурного состояния циркониевой лигатуры на температуру гомогенизации расплавов типа Al-Cu-Zr. // Наследственность в литых сплавах: Тез. докл. 5 н.-т. конф. Самара. 1993, с. 119.

16. Попель П.С., Чикова O.A., Матвеев В.М. Влияние присадок Mg, Gd, Zn, Cd, Zr, Sc, В, Ti, Mn на устойчивость микрогетерогенного состояния расплавов А1-5,4 ат.% Sn. // Структура i фЬичш властивост! не-впорядкованих систем: Тези доповщей 1 Украшсыкм конференци. Льв5в. 1993, 4.1, с.81.

17. Matveev V.M., Popel P.S., Chikova O.A. The influence of suiface-

active elements additions on the temperature stability of hereditary microheterogeneity in Al-Sn melts. // Eight International Conference on High Temperature Materials Chemistry. Abstracts. Viena/Austria. 1994. P.161.

18. Popel P.S., Chikova O.A., Matveev V.M., Makeev V.V. Metastable colloidal states is binary liquid metallic systems and influence of surface-active elements on their thermal stability. // High temperature capillarity. An International Conference. Abstracts. Bratislava/Slovacia. 1994. PP.9-10.

19. Matveev V.M., Kheifets K.O., Philippov V.V., Popel P.S. Automatization of surface tension and density measurements by the lying droplet method.

// High temperature capillarity. An International Conference. Abstracts. Bratislava/Slovacia. 1994. PP.137-138.

20. Matveev V.M., Kheifets K.O., Philippov V.V., Popel P.S. Automatic meusurement of surface tension and density in melts by the sessile drop method. // High temperature capillarity. An International Conference. Proceedings. Bratislava/Slovacia. 1994. PP.259-263.

Ротапринт УрГПУ

Подписано в печать 14.06.95. Тираж 100 экз. Объем 1л.л.Заказ 1715