Preview

Известия вузов. Цветная металлургия

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков
№ 6 (2020)
Скачать выпуск PDF

Металлургия редких и благородных металлов 

4-23 144
Аннотация

Рассмотрены современные тенденции применения редкоземельных металлов (РЗМ) в двух важнейших научно-технических сферах – производстве магнитных и люминесцентных материалов. Показано, что именно РЗМ придают этой продукции уникальные свойства. Систематизирована информация по содержанию матричных и легирующих компонентов, их влиянию на достижение требуемых характеристик наиболее востребованных магнитных материалов. Описаны перспективы новых комбинаций РЗМ в дальнейшем прогрессе производства магнитных материалов различного назначения. Наряду с традиционными композициями кобальт–самарий и неодим–железо–бор разработаны новые магнитные материалы с повышенными гистерезисными свойствами и температурно-временнóй стабильностью, синтезированы фазы с переменной валентностью, которые используются в качестве элементов памяти в информационных системах. Также рассмотрены и обобщены результаты исследований в другой важной области применения РЗМ – создании люминесцентных материалов. Люминофоры на основе соединений редкоземельных металлов используются в производстве ртутных ламп высокого давления с улучшенными характеристиками, рентгеновских экранов, люминесцентных ламп высокого и низкого давлений, экранов электронно-оптических преобразователей. Узкополосные люминофоры на основе соединений РЗМ представляют интерес для ламп, применяемых в растениеводстве, особенно для районов с холодным климатом, где круглогодичное выращивание растений возможно только при применении дополнительных источников излучения. Выявлены тенденции синтеза люминесцентных материалов с использованием различных РЗМ и их комбинаций. Акцентировано внимание на необходимости использования химически чистых прекурсоров РЗМ при создании таких материалов. Отмечена перспективность создания нанолюминофоров, а также совершенствования способов синтеза и методов диагностики.

Обработка металлов давлением 

24-31 153
Аннотация

Проведено моделирование процесса горячей объемной штамповки поковки из алюминиевого сплава АК4-1 для поршня двигателя внутреннего сгорания (ДВС) беспилотного летательного аппарата (БПЛА) с помощью программного комплекса Deform-3D. Объектом исследований служил поршень ДВС, устанавливаемый на один из типов БПЛА российского производства. При моделировании использовались следующие параметры: температура оснастки и заготовки составляла 450 °C, скорость движения пуансона – 5 мм/с, показатель трения по Зибелю – 0,4. В качестве модели материала была выбрана жесткопластическая среда. Количество элементов (6000) было выбрано таким образом, чтобы в наименьшем сечении поковки их умещалось не менее 3. На примере штампованной поковки поршня показано, что с помощью компьютерного моделирования с использованием программы Deform-3D можно разрабатывать технологию горячей объемной штамповки заготовок из алюминиевых сплавов для изготовления поршней для ДВС БПЛА. При этом компьютерное моделирование позволяет произвести оценку энергосиловых параметров процесса горячей объемной штамповки, изучить характер формоизменения заготовки при штамповке, внести необходимые корректировки в виртуальный технологический процесс, а также разработать конструкцию штампового инструмента, что дает возможность при проектировании реального процесса подобрать наиболее эффективные технологические решения. Изложенная методика компьютерного моделирования может быть рекомендована для анализа и проектирования технологии изготовления других штампованных поковок из алюминиевых сплавов.

32-43 159
Аннотация

В программе конечно-элементного моделирования QForm выполнено сравнительное исследование горячей радиально-сдвиговой прокатки (РСП) заготовок из сверхупругого сплава сиcтемы Ti–Zr–Nb и серийного сплава ВТ6. Для каждого сплава исследована прокатка по 48 вариантам режимов с варьированием угла подачи и коэффициента вытяжки на 4 уровнях и начальной температуры процесса на 3 уровнях. Реология сплава Ti–Zr–Nb при горячей деформации определена экспериментально методом горячей осадки и импортирована в программу QForm. Выявлено наличие максимумов на кривых течения в начальной стадии деформации, которые отсутствуют у сплава ВТ6. Результаты моделирования представлены в виде полей коэффициента жесткости, интенсивности скорости деформации и степени накопленной деформации в сечении максимального обжатия в зависимости от режима прокатки. Общие закономерности поведения сплавов Ti–Zr–Nb и ВТ6 при РСП имеют сходный характер. С повышением угла подачи и коэффициента вытяжки градиентность исследуемых полей снижается, а усилие и момент прокатки увеличиваются. Температура в начале прокатки не оказывает особого влияния на картину деформации, но существенно влияет на усилие и момент. При этом выявлена бóльшая склонность экспериментального сплава к локализации деформирующих усилий в приконтактной зоне и повышению градиента параметров напряженно-деформированного состояния по сечению заготовки. Исследование формы и глубины утяжки торцев прокатанной заготовки показало, что у сплава Ti–Zr– Nb глубина утяжки больше на 3,5–9,6 %. Показано, что для прокатки опытного сплава требуются усилия и момент прокатки в 1,6–2,4 раза выше, чем для серийного сплава.

44-51 98
Аннотация

Предложен вариант реологической модели горячей деформации – закона гиперболического синуса, учитывающий в отличие от стандартного не только скорость деформации и температуру процесса, но и степень деформации. Входящие в закон гиперболического синуса константы материала заменены полиноминальными функциями степени деформации, для расчета коэффициентов которых разработана соответствующая методика. Показано применение предложенной реологической модели для алюминий-литиевых сплавов пониженной плотности марки 1424 системы Al–Mg–Li–Zn и В-1461 системы Al–Cu–Li–Zn, для которых методом физического моделирования на установке Gleeble-3800 экспериментально определены кривые течения в диапазонах температур 400–480 °С и скоростей деформации 1–60 с–1 до степени деформации 0,6. Исследовалось также влияние исходного состояния материала – образцы отбирались как от слитка, так и от горячекатаных плит. Определены константы реологической модели горячего деформирования, включающей параметр Зинера–Холломона и закон гиперболического синуса для всего диапазона напряжений и деформаций. После аппроксимации зависимостей параметров данной модели от истинных де- формаций полиноминальным законом 4-го порядка создана реологическая модель, описывающая поведение сплава в исследуемом температурно-скоростном диапазоне. Установлены особенности изменения параметров закона гиперболического синуса от степени деформации. Показано, что параметры для литого материала выше, чем для катаного. Сравнение стандартной и предложенной моделей показало, что использование стандартной модели во всем интервале деформаций приводит к завышенным значениям напряжений течения (до 12 %).

Металловедение и термическая обработка 

52-64 139
Аннотация

Титановые сплавы используют в медицинских целях уже более 60 лет: при изготовлении искусственных сердечных клапанов, стентов кровеносных сосудов, эндопротезов костей и суставов (плечевых, коленных, тазобедренных, локтевых), для реконструкции ушных раковин, в лицевой хирургии, а также в качестве зубных имплантатов. В материалах первого поколения (таких как технически чистый титан или сплавы типа ВТ6) матрица состояла из фазы α-Ti или смеси α-Ti и β-Ti. К сожалению, имплантаты из материалов первого поколения требуют замены уже через 10–15 лет эксплуатации. Это происходит из-за деградации имплантатов и потери контакта с костью. В последнее время на смену этим материалам пришли β-Ti-сплавы. Материалы второго поколения позволяют исключить вредное влияние ионов алюминия и ванадия, выделяющихся при постепенной коррозии имплантата, а их модуль упругости ближе к значениям для живой кости, чем у α- и α + β-сплавов. К важным направлениям развития β-Ti-сплавов относится повышение их механической прочности, усталостной прочности, коррозионной стойкости и биосовместимости. Возникают и развиваются новые методы получения и термомеханической обработки титановых сплавов, такие как аддитивные технологии или интенсивная пластическая деформация. Весьма успешно идет замена дорогих компонентов (таких как тантал, цирконий или ниобий) на более дешевые (например, хром и марганец). В результате характеристики титановых имплантатов постепенно все больше приближаются к свойствам человеческой кости, а срок их службы неуклонно возрастает. В связи с этим в настоящей работе проведен сравнительный анализ сплавов на основе β-титана для медицинских применений.

65-75 131
Аннотация

Изучено влияние электромеханической поверхностной обработки (ЭМО), безабразивной ультразвуковой финишной обработки (БУФО), а также их комплексного воздействия с последующим старением на циклическую долговечность и изменение микротвердости поверхности титанового сплава. Образцы для исследований изготавливались из прутков сплава переходного типа ВТ22 после стандартной термомеханической обработки. Процесс ЭМО проводился путем обкатки поверхности образца роликом и пропусканием между ними тока большой плотности. В результате осуществлялась поверхностная электротермомеханическая обработка с локальным быстрым нагревом и охлаждением поверхности. Технология БУФО заключалась в ударной обработке бойком ультразвукового излучателя по обрабатываемой поверхности. При этом установлено повышение в 1,8 раза циклической долговечности при нагружении изгибом (с амплитудой напряжений 0,5σв) с вращением для образцов после БУФО по сравнению с необработанным исходным состоянием, сопровождающееся незначительным ростом микротвердости (до 16 %). Применение ЭМО снижает микротвердость почти на 20 %, а долговечность на 70 %. Комплексная обработка ЭМО + БУФО несущественно влияет на микротвердость, но по отношению к ЭМО на 40 % повышает долговечность. Старение при температуре 450 °С в течение 5 ч увеличивает микротвердость после ЭМО на 30–40 % с одновременным ростом долговечности в 2 раза. Старение образов, подвергнутых ЭМО + БУФО, практически не выявило повышения микротвердости, но увеличило долговечность почти в 3 раза (по сравнению с ЭМО). Анализ фрактографии поверхности разрушения показал, что снижение долговечности при обработке ЭМО связано с сокращением стадии зарождения трещин, что практически исключает этот этап накопления усталостных повреждений из общей долговечности образца.

76-86 125
Аннотация

Исследованы особенности формирования микроструктуры сплава Al–2,5%Fe–1,5%Mn в зависимости от скорости охлаждения при литье и в процессе лазерного плавления. Анализ микроструктуры в литом состоянии показал, что с повышением скорости охлаждения при кристаллизации от 0,5 до 940 К/с первичная кристаллизация фазы Al6(Mn,Fe) практически полностью подавляется, увеличивается объем неравновесной эвтектики до 43 %. Микроструктура сплава Al–2,5%Fe–1,5%Mn после лазерного плавления характеризуется наличием кристаллов алюминиевой матрицы дендритного типа со средним размером ячейки 0,56 мкм, окруженных железомарганцовистой фазой эвтектического происхождения со средним размером пластин 0,28 мкм. Первичная кристаллизация фазы Al6(Mn,Fe) полностью подавлена. Формирование такой микроструктуры происходит при скоростях охлаждения от 1,1·104 до 2,5·104 К/с, что соответствует скоростям охлаждения, реализуемым в аддитивных технологиях. На границе между треком и основным металлом, а также на границе повторного переплава выявлены области, со- стоящие из первичных кристаллов фазы Al6(Mn,Fe), сформированных по механизму эпитаксиального роста. Чем меньше размер эвтектических пластин и дендритной ячейки, находящихся в эпитаксиальном слое, тем дисперснее первичные кристаллы в зоне переплава. Сплав Al–2,5%Fe–1,5%Mn после лазерного плавления имеет высокую твердость при комнатной температуре (93 HV) и хорошую термическую стабильность после нагрева до 300 °С (твердость незначительно снижается до 85 HV), а его расчетный предел текучести составляет 227 МПа. В совокупности с высокими показателями дисперсности формируемой микроструктуры, технологичности при лазерном плавлении, твердости при комнатной температуре и расчетного предела текучести сплав Al–2,5%Fe–1,5%Mn является перспективным для использования в аддитивных технологиях.

87-94 106
Аннотация

Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) реакционной смеси системы Cu–Ti–Al впервые получен интерметаллидный сплав на основе фазы Гейслера – Cu2TiAl. Изучены режимы фронтального горения шихтовых составов системы и процессы формирования фаз при синтезе. Полученные продукты исследовались методами рентгено- фазового анализа (РФА), включая высокотемпературную дифрактометрию со ступенчатым нагревом до 900 К, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и дифференциально-термического анализа, изучались физические свойства. Кроме того, для полученного сплава были проведены электрофизические и магнитные измерения. Результаты РФА и СЭМ с использованием энергодисперсионного анализа показали, что содержание фазы Гейслера в синтезированном продукте составляет не менее 82 %. В составе продукта также присутствуют алюминиды меди (Cu9Al4) и титана (Ti3Al2). Проведено измерение температур- ной зависимости удельного электросопротивления синтезированного продукта для широкого диапазона температур 90– 1000 К, которое при Т = 300 К составило 0,3 мкмОм·м. Выявлены металлический характер проводимости для полученных образцов и аномальное поведение температурной кривой электросопротивления в диапазоне Т = 770÷790 К. Методом термического анализа измерена температура плавления синтезированного продукта и обнаружены дополнительные тепловые эффекты при Т = 788, 848 и 1248 К, связанные с возможными фазовыми переходами в интерметаллиде Cu2TiAl. Рассмотрен возможный механизм фазовых переходов в соответствии с диаграммой фазового равновесия системы Cu–Ti–Al. Результаты магнитных измерений показали, что образцы интерметаллида, полученного методом СВС, проявляют слабые ферромагнитные свойства с остаточной намагниченностью 0,0069 А·м2/кг.



ISSN 0021-3438 (Print)
ISSN 2412-8783 (Online)