СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЛЕГИРОВАНИЯ И МОДИФИЦИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМ Al-Cu-Mg И Al-Zn-Mg-Cu
|
Актуальность работы
Полуфабрикаты из алюминиевых сплавов на основе систем А1-Си-Мд и А1- 2п-Мд-Си нашли широкое применение в современном авиастроении и аэрокосмической технике благодаря хорошему сочетанию механических, коррозионных и конструкционных свойств. В связи с этим стабильное получение крупногабаритных полуфабрикатов из этих сплавов с требуемым нормативной документацией комплексом свойств является одной из актуальных задач.
В настоящее время для измельчения зерна в слитках алюминиевых сплавов, получаемых методом полунепрерывного литья, применяют в основном прутковые модифицирующие лигатуры на основе систем А1-Т1-В и А1-Т1-С иностранного производства. Однако, как показывает производственный опыт, не всегда удается получить мелкозернистую и однородную структуру по всему объему слитка при использовании указанных лигатур. Причины кроются как в качестве самих лигатур, так и в технологии введения их в расплав. Сложившаяся ситуация свидетельствует о необходимости дальнейшего совершенствования процесса модифицирования алюминиевых сплавов.
Важнейшую роль в формировании структуры и свойств слитков и, как следствие, деформированных полуфабрикатов играет химический состав сплава. Согласно нормативным документам содержание химических элементов в составе каждого сплава может изменяться в достаточно широких пределах. На практике конкретные значения содержания легирующих элементов в сплаве часто подбираются опытным путем методом «проб и ошибок». При этом не всегда учитывается соотношение легирующих элементов в сплаве с точки зрения формирования стехиометрического состава упрочняющих фаз. Во многих случаях содержание отдельных легирующих элементов в сплаве оказывается завышенным. В результате свойства полуфабрикатов из термически обрабатываемых сплавов получаются нестабильными и существенно ниже требуемых значений из-за образования в микроструктуре значительной объемной доли избыточных фаз, не растворяющихся ни при гомогенизации, ни при нагреве полуфабриката под закалку. В связи с этим требуется разработка подхода к выбору химического состава сплава, учитывающего как содержание, так и соотношение легирующих элементов, но в концентрационных пределах допускаемых нормативной документацией.
Таким образом, совершенствование процессов легирования и модифицирования алюминиевых сплавов имеет научное и прикладное значение. При этом важно установить закономерности влияния как известных прутковых лигатур на основе систем А1-Т1-В и А1-Т1-С, так и синтезированных лигатур на основе алюминия с ультрадисперсными частицами карбида титана Т1С на процесс кристаллизации сплавов на основе систем А1-Си-Мд и А1-2п-Мд-Си, характеризующихся широким (150ОС) температурным интервалом затвердевания.
Цель работы заключается в установлении закономерностей влияния модифицирования и легирования алюминиевых сплавов на основе систем А1- Си-Мд (серия 2ххх) и А1-2п-Мд-Си (серия 7ххх) на процесс их кристаллизации, формирования зеренной структуры, фазового состава и микроструктуры литых образцов и применении установленных закономерностей для совершенствования технологических операций модифицирования и легирования изученных сплавов.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
• определить температуры фазовых превращений при плавлении и кристаллизации бинарных сплавов алюминия с добавками меди, циркония, скандия, титана и гафния, а также многокомпонентных промышленных сплавов серий 2ххх и 7ххх;
• установить связь между переохлаждением расплава перед кристаллизацией и размером зерна литого слитка;
• выявить влияние различных модификаторов на процесс кристаллизации расплава и зеренную структуру литых слитков из алюминия и многокомпонентных алюминиевых сплавов;
• установить роль избыточного легирования на формирование фазового состава и температурные интервалы плавления и кристаллизации сплавов серии 2ххх;
• синтезировать новый модификатор и апробировать его для модифицирования алюминия и алюминиевых сплавов.
Научная новизна
• установлена взаимосвязь между переохлаждением алюминия перед кристаллизацией а - твердого раствора и размером зерна литых образцов от количества добавок Си, 8с, /г, Н£ и Т1; выявлено, что наиболее значительное уменьшение размера литого зерна алюминия наблюдается при полном устранении переохлаждения расплава под воздействием добавленного элемента;
• установлено, что для достижения максимального модифицирующего эффекта в сплавах системы А1-Си-Мд и А1-2п-Мд-Си необходимо полностью устранить переохлаждение перед кристаллизацией а - твердого раствора;
• научно обосновано, что частицы карбида титана с размером в пределах 0,5-1,0 мкм, обеспечивают максимальный модифицирующий эффект при получении слитков из многокомпонентных алюминиевых сплавов на основе систем А1-Си-Мд и А1-2п-Мд-Си;
• научно уточнено содержание Си и Мд (в пределах нормативной документации) в алюминиевом сплаве 2024 на основе системы А1-Си-Мд с целью исключения избыточного содержания нерастворенных фаз и обеспечения требуемого комплекса свойств изготовляемых полуфабрикатов.
Практическая значимость
• предложен состав и способ изготовления модификатора на основе алюминия с добавками ультрадисперсного порошка Т1С для модифицирования многокомпонентных алюминиевых сплавов;
• разработана технология получения гранулированной лигатуры А1-2°ь/г. применение которой для легирования алюминиевого сплава 1960 системы А1-/п-Мд-Си позволяет полностью устранить образование интерметаллидов циркония в микроструктуре слитка.
Апробация работы
Основные результаты и положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на XIII Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов»: г. Екатеринбург. 2011 г.. на Региональной научно-практической конференции «Молодежь и наука»: г. Нижний Тагил. 2011 г.. на Региональной научно-практической конференции «Молодежь и наука»: г. Нижний Тагил. 2012 г.. VI Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов»: г. Екатеринбург. 2011 г.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения. четырех глав. общих выводов по работе и библиографического списка из 71 наименований. изложена на 119 страницах машинописного текста. содержит 45 рисунков и 28 таблицы.
Полуфабрикаты из алюминиевых сплавов на основе систем А1-Си-Мд и А1- 2п-Мд-Си нашли широкое применение в современном авиастроении и аэрокосмической технике благодаря хорошему сочетанию механических, коррозионных и конструкционных свойств. В связи с этим стабильное получение крупногабаритных полуфабрикатов из этих сплавов с требуемым нормативной документацией комплексом свойств является одной из актуальных задач.
В настоящее время для измельчения зерна в слитках алюминиевых сплавов, получаемых методом полунепрерывного литья, применяют в основном прутковые модифицирующие лигатуры на основе систем А1-Т1-В и А1-Т1-С иностранного производства. Однако, как показывает производственный опыт, не всегда удается получить мелкозернистую и однородную структуру по всему объему слитка при использовании указанных лигатур. Причины кроются как в качестве самих лигатур, так и в технологии введения их в расплав. Сложившаяся ситуация свидетельствует о необходимости дальнейшего совершенствования процесса модифицирования алюминиевых сплавов.
Важнейшую роль в формировании структуры и свойств слитков и, как следствие, деформированных полуфабрикатов играет химический состав сплава. Согласно нормативным документам содержание химических элементов в составе каждого сплава может изменяться в достаточно широких пределах. На практике конкретные значения содержания легирующих элементов в сплаве часто подбираются опытным путем методом «проб и ошибок». При этом не всегда учитывается соотношение легирующих элементов в сплаве с точки зрения формирования стехиометрического состава упрочняющих фаз. Во многих случаях содержание отдельных легирующих элементов в сплаве оказывается завышенным. В результате свойства полуфабрикатов из термически обрабатываемых сплавов получаются нестабильными и существенно ниже требуемых значений из-за образования в микроструктуре значительной объемной доли избыточных фаз, не растворяющихся ни при гомогенизации, ни при нагреве полуфабриката под закалку. В связи с этим требуется разработка подхода к выбору химического состава сплава, учитывающего как содержание, так и соотношение легирующих элементов, но в концентрационных пределах допускаемых нормативной документацией.
Таким образом, совершенствование процессов легирования и модифицирования алюминиевых сплавов имеет научное и прикладное значение. При этом важно установить закономерности влияния как известных прутковых лигатур на основе систем А1-Т1-В и А1-Т1-С, так и синтезированных лигатур на основе алюминия с ультрадисперсными частицами карбида титана Т1С на процесс кристаллизации сплавов на основе систем А1-Си-Мд и А1-2п-Мд-Си, характеризующихся широким (150ОС) температурным интервалом затвердевания.
Цель работы заключается в установлении закономерностей влияния модифицирования и легирования алюминиевых сплавов на основе систем А1- Си-Мд (серия 2ххх) и А1-2п-Мд-Си (серия 7ххх) на процесс их кристаллизации, формирования зеренной структуры, фазового состава и микроструктуры литых образцов и применении установленных закономерностей для совершенствования технологических операций модифицирования и легирования изученных сплавов.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
• определить температуры фазовых превращений при плавлении и кристаллизации бинарных сплавов алюминия с добавками меди, циркония, скандия, титана и гафния, а также многокомпонентных промышленных сплавов серий 2ххх и 7ххх;
• установить связь между переохлаждением расплава перед кристаллизацией и размером зерна литого слитка;
• выявить влияние различных модификаторов на процесс кристаллизации расплава и зеренную структуру литых слитков из алюминия и многокомпонентных алюминиевых сплавов;
• установить роль избыточного легирования на формирование фазового состава и температурные интервалы плавления и кристаллизации сплавов серии 2ххх;
• синтезировать новый модификатор и апробировать его для модифицирования алюминия и алюминиевых сплавов.
Научная новизна
• установлена взаимосвязь между переохлаждением алюминия перед кристаллизацией а - твердого раствора и размером зерна литых образцов от количества добавок Си, 8с, /г, Н£ и Т1; выявлено, что наиболее значительное уменьшение размера литого зерна алюминия наблюдается при полном устранении переохлаждения расплава под воздействием добавленного элемента;
• установлено, что для достижения максимального модифицирующего эффекта в сплавах системы А1-Си-Мд и А1-2п-Мд-Си необходимо полностью устранить переохлаждение перед кристаллизацией а - твердого раствора;
• научно обосновано, что частицы карбида титана с размером в пределах 0,5-1,0 мкм, обеспечивают максимальный модифицирующий эффект при получении слитков из многокомпонентных алюминиевых сплавов на основе систем А1-Си-Мд и А1-2п-Мд-Си;
• научно уточнено содержание Си и Мд (в пределах нормативной документации) в алюминиевом сплаве 2024 на основе системы А1-Си-Мд с целью исключения избыточного содержания нерастворенных фаз и обеспечения требуемого комплекса свойств изготовляемых полуфабрикатов.
Практическая значимость
• предложен состав и способ изготовления модификатора на основе алюминия с добавками ультрадисперсного порошка Т1С для модифицирования многокомпонентных алюминиевых сплавов;
• разработана технология получения гранулированной лигатуры А1-2°ь/г. применение которой для легирования алюминиевого сплава 1960 системы А1-/п-Мд-Си позволяет полностью устранить образование интерметаллидов циркония в микроструктуре слитка.
Апробация работы
Основные результаты и положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на XIII Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов»: г. Екатеринбург. 2011 г.. на Региональной научно-практической конференции «Молодежь и наука»: г. Нижний Тагил. 2011 г.. на Региональной научно-практической конференции «Молодежь и наука»: г. Нижний Тагил. 2012 г.. VI Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов»: г. Екатеринбург. 2011 г.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения. четырех глав. общих выводов по работе и библиографического списка из 71 наименований. изложена на 119 страницах машинописного текста. содержит 45 рисунков и 28 таблицы.
1. Проведена модернизация и автоматизация установки для проведения термического анализа алюминиевых сплавов. В результате оказалось возможным фиксировать изменение температуры в численном виде с погрешностью ±0,1ОС и временным шагом 1с при нагреве и охлаждении образца. Эксперименты показали, что значения температур фазовых превращений при плавлении и кристаллизации сплава одной марки воспроизводятся вне зависимости от количества опытов. За счет методических усовершенствований удалось надежно определять переохлаждение алюминиевых сплавов перед кристаллизацией, величина которого составляет десятые доли градуса.
2. Установлено, что в бинарных сплавах А1-Си, составляющих основу многих промышленных композиций, повышение содержания меди от 1 до 6% приводит к уменьшению переохлаждения расплава перед кристаллизацией а-твердого раствора и повышению переохлаждения эвтектики перед ее затвердеванием. Уточнено положение линии ликвидус сплавов A1-Cu в области концентраций меди до 6%.
3. Выявлено, что такие элементы как Sc, Zr и Ы£ при концентрациях меньше 0,15% не влияют на размер зерна алюминия и не устраняют переохлаждение расплава перед кристаллизацией твердого раствора а А. Добавки титана при той же концентрации существенно уменьшают размер зерна алюминия и полностью устраняют переохлаждение расплава перед кристаллизацией а А. На основе сопоставления термограмм и структуры литых образцов показано, что чем больше переохлаждение расплава, тем ниже зерноизмельчающая способность модификатора, добавленного в сплав.
4. Обнаружено, что несмотря на хорошую модифицирующую способность промышленной прутковой лигатуры А1-5Т1-1В в ее структуре встречаются крупные частицы диборида титана Т1В2 и довольно большое количество посторонних примесей (кислорода и серы), что может быть одной из причин снижения технологической пластичности слитков и механических свойствах полуфабрикатов.
5. Методом механосинтеза в вибромельнице получен ультрадисперсный порошок карбида титана нанометрических размеров и приготовлена новая лигатура А1-Т1С. Фазовый и микроструктурный анализ лигатуры А1-Т1С показал, что частицы карбида титана размером, не превышающим 0,5 мкм, достаточно однородно распределены в алюминиевой матрице.
6. При добавлении ультрадисперсной лигатуры в алюминий марки А99 из расчета получения в нем концентрации титана 0,015% удалось полностью устранить переохлаждение расплава перед кристаллизацией твердого раствора. Следовательно, данная лигатура по своей модифицирующей способности, по крайней мере, не хуже серийных промышленных лигатур, вызывающих аналогичный эффект.
7. Применение ультрадисперсной лигатуры А1-Т1С для модифицирования промышленных сплавов систем А1-2п-Мд-Си и А1-Си-Мд показало ее конкурентоспособность по сравнению с зарубежными лигатурами, так как размер зерна в литых образцах этих сплавов оказался даже несколько меньше, чем при применении серийных лигатур А1-Т1-В или А1-Т1-С из расчета введения в расплав одинакового содержания Т1.
8. Методом термического анализа изучен процесс кристаллизации сплава 7075пч с добавкой серийных модификаторов и без них. На термограммах охлаждения модифицированных образцов выявлено переохлаждение эвтектики перед ее кристаллизацией и отсутствие переохлаждения расплава перед кристаллизацией а А.. Это обусловлено тем, что в составе шихты, применяемой для приготовления сплава, используется около 30% оборотных отходов сплава 7075пч, содержащих модификатор.
9. Термический анализ сплава 2024 показал, что повышенное содержание меди в его составе приводит к резкому увеличению переохлаждения эвтектики перед кристаллизацией и, как следствие, к значительному утолщению прослоек эвтектических фаз.
10. Методом микрорентгеноспектрального анализа образцов сплава 2024 выявлено, что среднее содержание меди в зерне твердого раствора составляет только 3,7% при общем содержании меди в сплаве - 4,5%. Следовательно, медь не полностью переходит в твердый раствор при гомогенизации слитка, а остается частично в составе эвтектических фаз. Этот фактор вызывает снижение технологической пластичности слитка при обработке его давлением и отрицательно сказывается на прочностных и пластических характеристиках полуфабрикатов из данного сплава. На основании полученных результатов даны рекомендации по снижению содержания меди в сплаве 2024 с 4,5% до 4,2%.
11. Исследование качества слитка сплава 1960, отлитого с использованием гранулированной лигатуры Al-2%Zr, показало 100% усвоение циркония и отсутствие в структуре слитка первичных интерметаллидов Al3 Zr.
2. Установлено, что в бинарных сплавах А1-Си, составляющих основу многих промышленных композиций, повышение содержания меди от 1 до 6% приводит к уменьшению переохлаждения расплава перед кристаллизацией а-твердого раствора и повышению переохлаждения эвтектики перед ее затвердеванием. Уточнено положение линии ликвидус сплавов A1-Cu в области концентраций меди до 6%.
3. Выявлено, что такие элементы как Sc, Zr и Ы£ при концентрациях меньше 0,15% не влияют на размер зерна алюминия и не устраняют переохлаждение расплава перед кристаллизацией твердого раствора а А. Добавки титана при той же концентрации существенно уменьшают размер зерна алюминия и полностью устраняют переохлаждение расплава перед кристаллизацией а А. На основе сопоставления термограмм и структуры литых образцов показано, что чем больше переохлаждение расплава, тем ниже зерноизмельчающая способность модификатора, добавленного в сплав.
4. Обнаружено, что несмотря на хорошую модифицирующую способность промышленной прутковой лигатуры А1-5Т1-1В в ее структуре встречаются крупные частицы диборида титана Т1В2 и довольно большое количество посторонних примесей (кислорода и серы), что может быть одной из причин снижения технологической пластичности слитков и механических свойствах полуфабрикатов.
5. Методом механосинтеза в вибромельнице получен ультрадисперсный порошок карбида титана нанометрических размеров и приготовлена новая лигатура А1-Т1С. Фазовый и микроструктурный анализ лигатуры А1-Т1С показал, что частицы карбида титана размером, не превышающим 0,5 мкм, достаточно однородно распределены в алюминиевой матрице.
6. При добавлении ультрадисперсной лигатуры в алюминий марки А99 из расчета получения в нем концентрации титана 0,015% удалось полностью устранить переохлаждение расплава перед кристаллизацией твердого раствора. Следовательно, данная лигатура по своей модифицирующей способности, по крайней мере, не хуже серийных промышленных лигатур, вызывающих аналогичный эффект.
7. Применение ультрадисперсной лигатуры А1-Т1С для модифицирования промышленных сплавов систем А1-2п-Мд-Си и А1-Си-Мд показало ее конкурентоспособность по сравнению с зарубежными лигатурами, так как размер зерна в литых образцах этих сплавов оказался даже несколько меньше, чем при применении серийных лигатур А1-Т1-В или А1-Т1-С из расчета введения в расплав одинакового содержания Т1.
8. Методом термического анализа изучен процесс кристаллизации сплава 7075пч с добавкой серийных модификаторов и без них. На термограммах охлаждения модифицированных образцов выявлено переохлаждение эвтектики перед ее кристаллизацией и отсутствие переохлаждения расплава перед кристаллизацией а А.. Это обусловлено тем, что в составе шихты, применяемой для приготовления сплава, используется около 30% оборотных отходов сплава 7075пч, содержащих модификатор.
9. Термический анализ сплава 2024 показал, что повышенное содержание меди в его составе приводит к резкому увеличению переохлаждения эвтектики перед кристаллизацией и, как следствие, к значительному утолщению прослоек эвтектических фаз.
10. Методом микрорентгеноспектрального анализа образцов сплава 2024 выявлено, что среднее содержание меди в зерне твердого раствора составляет только 3,7% при общем содержании меди в сплаве - 4,5%. Следовательно, медь не полностью переходит в твердый раствор при гомогенизации слитка, а остается частично в составе эвтектических фаз. Этот фактор вызывает снижение технологической пластичности слитка при обработке его давлением и отрицательно сказывается на прочностных и пластических характеристиках полуфабрикатов из данного сплава. На основании полученных результатов даны рекомендации по снижению содержания меди в сплаве 2024 с 4,5% до 4,2%.
11. Исследование качества слитка сплава 1960, отлитого с использованием гранулированной лигатуры Al-2%Zr, показало 100% усвоение циркония и отсутствие в структуре слитка первичных интерметаллидов Al3 Zr.