CC BY
31
-Ф-
■Ф-
_ЛИТЬЕ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, _
ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
(Статьи и доклады на семинаре 25 февраля 2015 г., посвященном 100-летию со дня рождения В.И. Добаткина)
УДК 669.71.01
ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С РАЗНОЙ СКОРОСТЬЮ ОХЛАЖДЕНИЯ
В. В. Телешов, докт. техн. наук (ОАО «ВИЛС», e-mail: [email protected])
Рассмотрена установленная В.И. Добаткиным гиперболическая закономерность уменьшения величины дендритной ячейки в литых алюминиевых сплавах с ростом скорости охлаждения при кристаллизации, общая для всех алюминиевых сплавов в интервале скоростей охлаждения от 10-2 до 106 К/с.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, кристаллизация, скорость охлаждения, дендритная ячейка.
Fundamental Relationship of Aluminum Alloy Structure Modification during Solidification with Different Cooling Rates. V.V. Teleshov.
V.I. Dobatkin's hyperbolic relationship which describes a decrease in a dendritic cell size in casting aluminium alloys with an increase in a cooling rate during solidification is discussed. The relationship is common for all aluminium alloys in a cooling rate range from 10-2 up to 106 k/sec.
Key words: aluminium alloys, solidification, cooling rate, dendritic cell.
Изменение скорости охлаждения при кристаллизации слитков и отливок, отличающихся своей массой, конфигурацией и условиями получения, является неизбежным следствием изменения условий теплоотвода от кристаллизующегося металла.
В большинстве встречающихся на практике условиях кристаллизации алюминиевых сплавов формируется дендритная структура, состоящая из совокупности дендритов твердого раствора (зерен). Дендриты образуются ветвями первого и последующих порядков, на поверхности которых во всех алюминиевых сплавах в литом состоянии после кристаллизации
находятся равновесные и неравновесные избыточные фазы. Выросший дендрит формирует литое зерно в отливке или слитке. Сечение отдельной ветви дендрита плоскостью шлифа, окаймленное частицами избыточных фаз, представляет собой внутризеренную структурную единицу, называемую дендритной ячейкой.
Изменение структуры литого сплава, полученного в различных условиях охлаждения, известно с момента начала изучения структуры отливок из разных сплавов [1]. В СССР это явление подробно изучали при освоении производства слитков полунепрерывного литья из алюминиевых деформируемых сплавов. Ре-
зультаты освоения полунепрерывного литья и изучения структуры получаемых слитков были доложены на конференции металлургических заводов МАП в декабре 1943 г. на Ступинском металлургическом заводе после его возвращения из эвакуации [2]. Содержание представленных на конференции докладов кратко изложено в [3, с. 152-159]. Об истории проведения конференции сообщается также в [4, с. 293-294].
В сделанном на конференции докладе «Металлургические основы непрерывного литья» главный металлург СМЗ В. А. Ливанов выделяет скорость охлаждения как основной фактор литья [5]. Им было показано качественное изменение структуры в дуралюмине в зависимости от скорости кристаллизации vк, представленное на рис. 1. Видно, что с увеличением vк измельчаются ветви дендритов и уменьшается толщина эвтектических колоний, расположенных на границах дендритных ячеек.
! ; | /^-.Г'»
V**
£
-
Г-'йучЧЧ^^ЧИ . ¡«1 V- .1, - ■ 'л ей-'
Щкж.1* Ч.-т т.; 'Л .'л
ук = 100 мм/мин ук = 36 мм/мин
Ук = 6 мм/мин
Рис. 1. Изменение внутреннего строения дендритов (зерен) литого дуралюмина в зависимости от скорости кристаллизации V, х 100
« а а н о
3«
ж о
н
=я
В а
в«
а О
250
288
200 150 100 50 0
|,2 0,5 1,7 3,1 8,0
Скорость кристаллизации, м/ч
Рис. 2. Влияние скорости кристаллизации дуралюмина Д1 на средний линейный размер ячейки дендритной сетки в зависимости от скорости кристаллизации по [6, 7], х200
Для расчета скорости кристаллизации слитков полунепрерывного литья можно использовать приведенное в докладе [5] соотношение vк = vвcos а, где vв - скорость вытягивания (литья) слитка, мм/мин; а - угол между направлением движения слитка непрерывного литья и направлением кристаллизации в рассматриваемой точке на поверхности кристаллизации, или вариант этой формулы vк = vвsinф, где ф - угол между осью слитка и касательной к поверхности кристаллизации в рассматриваемой точке [6].
Следующий шаг в анализе представленной на рис. 1 закономерности сделал В.И. Добат-кин, в книгах которого [6, 7] она была выражена в количественном виде с использованием полулогарифмических координат и представлении скорости кристаллизации в м/ч (рис. 2). Позднее эта зависимость была перестроена при представлении скорости кристаллизации в м/с [8]. Определение среднего линейного размера ячейки дендритной сетки в данном случае проводили планиметрическим методом путем подсчета средней площади ячейки с извлечением квадратного корня из этой величины [6, 7].
При изучении влияния условий охлаждения на структуру отливок разной массы использование скорости кристаллизации vк или скорости литья vв невозможно в связи с отсутствием в отливках стационарного участка кристаллизации с постоянной скоростью литья, свойственного слиткам полунепрерывного литья. Для небольших отливок постоянной массы в качестве критерия скорости кристаллизации можно использовать время их полного затвердевания. Значительно информативнее использовать непосредственное определение скорости охлаждения металла vохл в интервале температуры между ликвидусом и солидусом по записываемым кривым охлаждения отливки, которые дают время кристаллизации металла в этой области. Этот способ является универсальным приемом определения vохл независимо от массы металла и способа литья слитков или отливок.
Подобные зависимости для ряда сплавов, опубликованные в 1962-1977 гг., рассмотрены в работе В.И. Добаткина и Ю.Г. Гольдера [9]. В связи с широким распространением пред-
ставления рассмотренной на рис. 2 зависимости в координатах d, мкм - уохл, К/с в [9] она была скорректирована. Для расчета vохл авторы использовали известное для слитков соотношение vохл = vкG, где vохл выражено в К/с, vк - в см/с, G - градиент температуры в слитке на фронте кристаллизации, К/см.
В [9] учли также, что результаты сопоставления скорости охлаждения и размера дендритной ячейки в большинстве исследований представляют в логарифмических координатах, в которых зависимость ^^ - ^ является прямой линией, свидетельствующей о существовании общего гиперболического вида связи между ними:
d = А v„
(1)
где величина коэффициента п близка к 0,3. В связи с этим скорость кристаллизации на рис. 2 была пересчитана в скорость охлаждения с использование известных для исследованных слитков значений G, а сама зависимость с величиной п = 0,38 приведена к новой системе координат ^ -^охл (рис. 3) [9].
Подобная зависимость известна и для сплавов других систем легирования на основе железа, титана и других металлов. Приведенные в [9] примеры свидетельствуют об изменении в разных сплавах величины коэффициента п в пределах от 0,25 до 0,50. Первая цитируемая работа с этой зависимостью относится к 1962 г.
ё, мкм 103
102
101
100 ........ ........ ......... ......... ......... ........
100
101
Уохл, град/с
102
103
104
Рис. 3. Зависимость дендритного параметра в алюминиевых сплавах от скорости охлаждения:
О - дуралюмин [7]; V, А - сплав В96Ц с дендритной структурой и субдендритной структурой (размер зерна)соответственно
ё, ¿, мкм
900 800 700 600 500 400 300 200 100
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Номер структуры О
Рис. 4. Связь межу показателями величин! зерна изотропной структуры^! по даннм таблицы,! в Приложении 4 к ГОСТ21073.1-75:
й - номер структуры по контрольной шкале; L - средний условный размер зерна; d- средний диаметр зерна; а - средняя величина площади зерна
Необходимо учитывать, что для оценки дисперсности внутризеренной литой дендритной структуры используют различные ее характеристики, определяемые по разным методикам. Для оценки соотношения между этими характеристиками целесообразно рассмотреть способы оценки величины зерна в практически равноосной структуре, предлагаемые в ГОСТ 21073.0-75 - ГОСТ 21073.4-75 «Металлы цветные. Определение величины зерна».
В ГОСТ 21073.1 используется сравнение реальной зеренной структуры со структурой разной дисперсности по контрольной шкале. В этом случае номер й структуры по контрольной шкале характеризует размер зерна и связан со средним условным размером зерна L по ГОСТ 21073.3 ^ = 1/п, где I- длина секущей, п - число пересечений с зернами) и со средним диаметром зерна dm по ГОСТ 21073.4 = 4а , где а - средняя величина площади сечения зерна, определяемая планиметрическим методом).
2
Предлагаемые характеристики зеренной структуры связаны между собой по закономерностям, представленным на рис. 4, построенным в работе [10] по данным таблицы в приложении № 4 к ГОСТ 21073.1-75. По ГОСТ 21073.2 можно также использовать число зерен т на единице площади шлифа. Эта зависимость охватывает интервал изменения номера структуры й от минус 3 до 14, в соответствии с которым средний диаметр зерна dm уменьшается от 1000 до 3 мкм, средний условный размер зерна L уменьшается с 886 до 2,4 мкм, средняя величина площади сечения зерна а уменьшается с 1 мм2 до 8 мкм2, а число зерен т на 1 мм2 возрастает от 1 до 131000. При этом средний условный размер зерна L по ГОСТ 21073.3 меньше размера зерна dm, получаемого планиметрическим методом по ГОСТ 21073.4, поскольку отдельные отрезки секущей внутри зерна не обязательно проходят через его диаметр. Разные способы определения линейной величины зерна приводят к получению разных количественных значений этого параметра.
Применяя эти соотношения к величине дендритной ячейки d, получаем, что для линейного метода определения d получаемая средняя хорда (эквивалентная среднему условному размеру зерна L по ГОСТ 21073.3) меньше размера ячейки, вытекающей из средней площади ячейки, получаемой планиметрическим методом, например, в работах [6, 7, 9]. В связи с этим при рассмотрении количественных характеристик дендритной структуры следует учитывать, что разные способы определения величины дендритной ячейки приводят к получению разных количественных значений этого параметра. Однако разница между ними составляет около 13 %, что в первом приближении мало влияет на положение линейной зависимости на рис. 3.
В большинстве случаев при нахождении наиболее важной характеристики структуры литого сплава - размера дендритной ячейки d, определяющей разветвленность дендритов твердого раствора, используют определение средней хорды дендритной ячейки линейным методом при случайном расположении секущих на шлифе. При этом на секущую попадают ветви дендритов первого и последующих по-
рядков. Поскольку численно преобладают ветви второго порядка, полученную среднюю хорду можно считать характеристикой расстояния между осями дендритов второго порядка. Для ее названия в разных работах также используют понятия «величина дендритной ячейки» или «дендритный параметр».
При рассмотрении причины существования этой зависимости в первую очередь указывают [9] на значение несоответствия между тепло-отводом от поверхности слитка, который может изменяться в широких пределах, и массопере-носом в расплаве при разделительной диффузии в процессе кристаллизации с различными скоростями охлаждения. Разделительная диффузия приводит к увеличению концентрации легирующих компонентов на фронте кристаллизации, что необходимо для образования второй фазы, равновесной с твердым раствором согласно диаграмме состояния [11]. Скорость разделительной диффузии зависит от коэффициента диффузии в расплаве в интервале температуры кристаллизации, который не зависит от скорости охлаждения.
Для того, чтобы в сплаве одного состава при увеличении vохn и стабильности коэффициента диффузии в расплаве обеспечить необходимый постоянный массоперенос легирующих компонентов на фронте кристаллизации, площадь последнего при увеличении vохл должна увеличиваться, т. е. должно происходить уменьшение размеров ветвей дендритов.
Это следует из классических уравнений диффузии. Так, согласно первому закону Фика ^т = DdFdтdС/dx) масса диффундирующего вещества dm, переносимая в единицу времени dт через единицу площади dF при градиенте концентрации dС/dx, зависит от коэффициента диффузии D [12]. Если при разделительной диффузии в процессе кристаллизации сплава одного состава параметры процесса D и dС/dxне изменяются, то для соблюдения постоянства dm снижение dт при увеличении скорости кристаллизации (охлаждения) должно сопровождаться увеличением dF. Применительно к дендритной кристаллизации это должно означать увеличение поверхности ветвей дендритов, т. е. уменьшение величины дендритной ячейки.
-Ф-
-Ф-
Из предположения, что объем кристаллизующейся ветви дендрита Р в пределах одной ячейки обратно пропорционален скорости охлаждения vохл (Р = K/v0XSX, где К - постоянная) и равен кс! , где С - характерный размер дендритной ячейки, то из равенства к! = КДохл получаем С = /^охл"1/3, где п = 0,33, что соответствует экспериментальным данным.
Зависимость на рис. 3 охватывает как область полунепрерывного литья слитков и кокильного литья при величине дендритной ячейки порядка 100 мкм, так и область кристаллизации модельных образцов с более широким изменением vохл при минимальной величине дендритной ячейки порядка 10 мкм. Как показано В.И. Добаткиным, зависимость (1) охватывает также область гранульной металлургии до скоростей охлаждения 106 К/с и величины дендритной ячейки порядка 1 мкм [13]. В таблице сопоставлены реализуемые на практике условия получения отливок и величина дендритного параметра [13].
Значимость зависимости (1) заключается также в том, что она при данной скорости охлаждения определяет предельную минимальную величину недендритного зерна, формирующегося при резком усилении зародыше-образования [13].
С ростом скорости охлаждения при кристаллизации не только величина дендритной ячейки, но и среднее сечение избыточных фаз изменяется по аналогичным гиперболическим кривым. Эти зависимости в логарифмических
координатах приведены на рис. 5 для сплавов системы А1-Мд [14]. С увеличением содержания легирующего компонента происходит рост среднего сечения избыточных фаз в структуре, поскольку при одинаковой величине дендритной ячейки объемное количество избыточных фаз увеличивается.
Благодаря идентичности изменения всех линейных размеров в литой структуре между ее параметрами для сплава одного состава, крис-
1,0
0,6
Ы 2,4
2,0
1,6
0
А А О £0 „срогх.
> АО А О Л -V
1 „
(
А
0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8
Рис. 5. Влияние скорости охлаждения при кристаллизации (^охл, ° С/мин) на величину
(средняя хорда) дендритной ячейки мкм) и среднюю хорду (m, мкм) включений р-фазы в сплаве АЛ8 с содержанием магния 9,5 (Л), 10,2 (*)
и 11,6 (О) % мас. и в сплаве Л/ + 10 % Мд (П): 1 - 1дС = 2,58 - 0,406^^
ш, мкм
Соотношение между дендритным
параметром и скоростью охлаждения
при кристаллизации алюминиевых сплавов
Скорость Дендритный Условия
охлажде- параметр, получения
ния, К/с мкм отливок
10-3 1000 Литьё крупных слитков
в изложницы,литьё
отливок в землю
100 100 Непрерывное литьё,
литьё в кокиль
103 10 Крупные гранулы
106 1 Мелкие гранулы
и чешуйки
л Ьд -г Л 2
( 1
д 1 А • о
ош 5о°
**
Р • •
40 60 80 100 120 140 160 180 200 й, мкм
Рис. 6. Взаимосвязь межу размером средняя хорда) дендритной ячейки и средней хордой (т) структурных составляющих для литых сплавов Л! + 10 % Мд (1, А), В 95 (2, 9) и Л! + 4,5 % Си (3, О): 1 - т = 2,815 + 0,0727С; 2 - т = 1,8815 + 0,0524С; 3 -т = 3,1756 + 0,0377С
таллизующегося с разной скоростью охлаждения, существуют относительно простые линейные связи [15]. Связь между размером дендритной ячейки и средней хордой структурных составляющих для литых сплавов А1 + 10 % Мд, А1 + 4,5 % Си и В95 показана на рис. 6.
Зависимость (1) и уменьшение в соответствие с ней толщины растворяемых при гомогенизации включений объясняет причину более короткой требуемой продолжительности гомогенизации в слитках с более дисперсной структурой [14].
Она позволяет также объяснить причину увеличения прочности и пластичности литых сплавов при измельчении дендритной структуры большим сопротивлением пластическому деформированию материала с уменьшенной длиной свободного скольжения дислокаций внутри ветвей более дисперсного дендрита [16].
Заключение
Приведенные выше данные показывают выдающийся вклад В. И. Добаткина в изучение фундаментальной закономерности С=Avоnл , связывающей скорость охлаждения сплава при кристаллизации и дисперсность его литой структуры [17].
Фундаментальность закономерности изменения структуры при кристаллизации алюминиевых сплавов с разной скоростью охлаждения обусловлена ее существованием в сплавах разных систем легирования и воспроизводимостью в разных сплавах одной системы,на-пример на основе алюминия, в широкой области изменения скоростей охлаждения. На ее основе рассматриваются причины сопутствующего изменения других параметров литой структуры, а также происходящие изменения прочностных и пластических характеристик литого и гомогенизированного металла с разной величиной дендритной ячейки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бочвар А.А. Основы термической обработки сплавов. - М.: Металлургиздат, 1940. - 298 с.
2. Труды Первой технологической конференции металлургических заводов НКАП. - М.: Гос. изд. оборонной промышленности. 1945. - 168 с.
3. Квасов Ф.И., Фридляндер И.Н. Алюминиевые сплавы типа дуралюмин. - М.: Металлургия, 1984. - 240 с.
4. История металлургии легких сплавов в СССР. 1917-1945. - М.: Наука, 1983. - 391 с.
5. Ливанов В.А. Металлургические основы непрерывного литья // В сб.: Труды Первой технологической конференции металлургических заводов НКАП. - М.: Гос. изд. оборонной промышленности, 1945. - С. 5-58.
6. Добаткин В.И. Слитки алюминиевых сплавов. -Свердловск: Металлургиздат, 1960. - 175 с.
7. Добаткин В.И. Непрерывное литье и литейные свойства сплавов. - М.: Оборонгиз, 1948. - 154 с.
8. Вайнблат Ю.М., Добаткин В.И. Основы теории кристаллизации слитков и отливок // Алюминиевые сплавы. Плавка и литье алюминиевых сплавов. Справ. рук-во. - М.: Металлургия, 1970. С.72-103.
9. Добаткин В.И., ГольдерЮ.Г. О микроликвации в слитках // В кн.: Проблемы металловедения цветных сплавов. - М.: Наука, 1978. С. 193-200.
10. Телешов В. В., Сетюков О. А., Ходаков С. П.
и др. Влияние величины зерна на сопротивление срезу и расклепываемость проволоки из сплава
В65 // Технология легких сплавов. 2008. № 2. С. 21-31.
11. Новиков И. И., Золоторевский В. С. Дендритная ликвация в сплавах. - М.: Наука, 1966. -156 с.
12. Белов А. Ф., Бенедиктова Г. П., Висков А. С.
и др. Строение и свойства авиационных материалов. Учебник для вузов. - М.: Металлургия, 1989. - 368 с.
13. Добаткин В. И. Закономерности структурообра-зования при быстрой кристаллизации легких сплавов // В сб.: Металловедение, литье и обработка легких сплавов. - М.: ВИЛС, 1986. С. 3-18.
14. Золоторевский В. С., Телешов В. В. Определение оптимального времени нагрева под закалку по структуре отливок из алюминиевых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 1970. № 7. С.44-49.
15. Телешов В. В., Золоторевский В. С. Взаимосвязь между некоторыми структурными характеристиками литых сплавов // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1971.№ 4. С. 120-123.
16. Золоторевский В. С., Телешов В. В. Количественные связи между механическими свойствами и структурой литых алюминиевых сплавов // Изв. АН СССР. Металлы. 1971. № 5. С. 187-194.
17. Елагин В. И. Научно-производственная деятельность В. И. Добаткина (к 95-летию со дня рождения) // Технология легких сплавов. 2010. № 1. С. 5-6.
