CC BY
22РАЗДЕЛ 3. МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов (технические науки) DOI: 10.25712^Ш2072-8921.2020.04.020 УДК 620.193
МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ (СОПРОТИВЛЕНИЕ КОРРОЗИИ) СВОЙСТВА ПРОКАТА ИЗ ЛЕГИРОВАННОГО СКАНДИЕМ И ЦИРКОНИЕМ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ А1-Мд
А. А. Рагазин, А. Ф. Халимова
В статье проводилось исследование механических и эксплуатационных свойств (испытания на склонность к различным видам коррозии) алюминиевого сплава 1570. Образцы изучали в состоянии Н116, полученные по следующему маршруту: литье в промышленный кристаллизатор скольжения, гомогенизация, горячая прокатка и холодная прокатка на лабораторном стане. По окончанию режимов обработки были отобраны образцы и проведены исследования механических свойств на растяжение плоских образцов, коррозионные испытания на межкристаллитную и расслаивающую коррозию, исследование микроструктуры. В ходе работы установлено, что режим гомогенизации 360-380 °С - 8 часов позволяет получить структуру слитка с достаточной плотностью распределения частиц для блокировки рекристаллизации при температурах обработки до 400 °С; механические свойства листов сплава 1570 в состоянии поставки Н116 со степенью нагартовки 7 % превосходят механические свойства сплава АМг6 (нагартованного при степени холодной деформации 25 %); прокат из сплава 1570 в состоянии поставки Н116 соответствует высокому сопротивлению к межкристаллитной и расслаивающей коррозии в соответствии со стандартами ASTM G 67 и ASTM G 66.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, гомогенизация, горячая прокатка, холодная прокатка, коррозия.
ВВЕДЕНИЕ
Современный уровень развития научно-технического прогресса металлургической и машиностроительной отраслей предъявляет повышенные требования к качеству слитков, полуфабрикатов и конечных изделий из алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы на основе системы А1-Мд широко используются во всех отраслях промышленности. На современном этапе развития техники большое внимание уделяется изучению комплексного легирования сплавов переходными металлами, такими как Sc и Zr и их влияния на структуру и свойства деформируемых алюминиевых сплавов. Но из-за высокой стоимости алюминиевых деформируемых сплавов, легированных скандием, они нашли применение только в космической промышленности, а существующие исследования сплавов со скандием сосредоточены только для изучения физико-механических свойств. Небольшое количество работ посвящено изучению поведения алюминиевых сплавов со скандием в агрессивной среде [1-5]. При рассмотрении вопроса об эксплуатации данного сплава в агрессивной среде, а именно в морской среде, требуются исследования на сопротивление коррозии в данной среде, по-
этому изучение коррозионных свойств сплавов со скандием является актуальным в настоящее время.
Цель работы: исследование влияния различных режимов прокатки на механические и коррозионные свойства катаных листов из сплава марки 1570. Данный сплав относится к системе А1-Мд, легированной переходными металлами цирконием и скандием. Благодаря присутствию в сплаве этих переходных металлов, при нагреве в структуре сплава образуются интерметаллиды Al3(Scx, Zrx-1), которые блокируют процесс рекристаллизации и дополнительно повышают прочностные свойства за счет дисперсионного твердения [6-10]. Алюминиевые сплавы системы А1-Мд являются термонеупроч-няемыми, прочностные свойства достигаются в процессе нагартовки. Самое привлекательное сочетание свойств в листах и плитах достигается в состоянии, которое по прочностным характеристикам выше полностью отожжённого состояния, но ниже на четверть нагартованного, обозначаемого Н116. В цикле производства листов и плит в состояния Н116 возможно обойтись только одной операцией термической обработки - гомогенизация плоского слитка для снятия внутренних напряжений и получения однородной струк-
туры, в современном производстве процесс гомогенизации совмещают с процессом нагрева слитка перед прокаткой. Таким образом, при гомогенизации требуется получить оптимальную фазовую структуру, которая позволит получить наиболее высокие прочностные свойства.
МЕТОДИКА И МАТЕРИАЛЫ
Работа проводилась на образцах, полученных в промышленных условиях полунепрерывным литьем в кристаллизатор скольжения, химический состав образцов приведен в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав опытных образцов
Химический Массовая доля
элемент элемента, % масс
Mg 6
Mn 0,45
Zr 0,06
Sc 0,248
Zn 0,01
Ti 0,02
Cu 0,01
Si 0,08
Fe 0,25
Из слитков вырезали темплеты размерами 40 х 100 х 200 мм3, подвергали гомогенизации при температуре 360-380 °С в течение 8 часов.
Для получения состояния поставки H116 образцы после гомогенизации обрабатывали прокаткой на лабораторном стане, сначала многопроходной горячей прокаткой в толщину 5 мм (Т = 380-400 °С; е = 90 %), затем холодной прокаткой на определенную степень деформации (е = 7 %, 9 %, 13 %, 25 %, 60 %). Степень деформации е = 60 % была взята для дополнения кривой упрочнения, приведенной на рисунке 4 [13].
После горячей прокатки и на каждой степени нагартовки были отобраны образцы и проведены исследования механических свойств на растяжение плоских образцов, в состоянии H116 (е = 9 %) проведены коррозионные испытания на межкристаллитную коррозию (МКК) по ASTMG 67 [11] и расслаивающую коррозию (РСК) по ASTMG 66 [12].
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Испытания на склонность к коррозии
Испытания на определение восприимчивости к МКК по ASTMG67 проводили методом
определения потери массы после воздействия азотной кислоты. Данный метод испытания заключается в погружении образцов в концентрированную азотную кислоту при 30 °С на 24 часа и последующем определении потери массы на единицу площади, как степени подверженности межкристаллитной коррозии. Допустимой величиной считается потеря массы не более 15 мг/см2 [14].
Чувствительность к расслаивающей коррозии определялась методом визуальной оценки образцов после погружения в испытательный раствор, содержащий аммоний хлористый, аммоний азотнокислый, аммоний виннокислый и перекись водорода, на 24 часа при 65 °С. Подверженность расслоению определялась сравнением полученных образцов с фотографиями шаблонов [ASTMG 66-99].
Испытания механических свойств
Механические свойства определялись одноосным растяжением в соответствии с ISO 6892-1 [15] при комнатной температуре. Образцы отбирали в поперечном направлении под углом 90° к направлению прокатки. При исследовании листов образцы изготавливали плоскими, с головками для зажимных клиньев, в соответствии с ГОСТ 11701-84 [16]. Для исследования слитков изготавливали цилиндрические образцы в соответствии с ГОСТ 1497-84 [17]. Испытания проводили на универсальной испытательной машине (Zwick/Roell Z050).
Анализ интерметаллидов проводился на сканирующем электронном микроскопе FEI Inspects c датчиком упруго-отраженных электронов (BSED) с разрешением изображения 10 нм и приставкой энергодисперсионного рентгеновского микроанализатора EDAX с возможностью определения элементов от B до U.
Микроисследование
Исследование микроструктуры проводилось методом металлографии на микроскопе Axiovert-40 МАТ.
Анализ интерметаллидов проводился на сканирующем электронном микроскопе FEI Inspects c датчиком упруго-отраженных электронов (BSED) с разрешением изображения 10 нм и приставкой энергодисперсионного рентгеновского микроанализатора EDAX с возможностью определения элементов от B до U.
Анализ дисперсионных частиц был проведен на просвечивающем микроскопе (Tecnai G2 F20 S-TWIN TMP с термополевым катодом при ускоряющем напряжении 200 кВ).
МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ (СОПРОТИВЛЕНИЕ КОРРОЗИИ) СВОЙСТВА ПРОКАТА ИЗ ЛЕГИРОВАННОГО СКАНДИЕМ И ЦИРКОНИЕМ АЛЮМИНИЕВОГО
СПЛАВА СИСТЕМЫ Al-Mg
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
Исследуемые образцы прошли три вида обработки: гомогенизацию, горячую и холодную прокатки.
Главная задача гомогенизационного отжига - повышение технологической пластичности слитков при последующем горячем и холодном деформировании. Вторая самостоятельная задача - улучшение механических и коррозионных свойств готовых полуфабрикатов. Обе эти задачи решаются путем устранения литой, как правило, дендритной структуры и формирования новой зеренной структуры [18]. Микроструктура сплава 1570 после литья состояла из равноосных зерен со средним размером ~ 40 ± 2 мкм и процесс гомогенизации следует в них рассматривать с точки зрения растворения крупных (> 1 мкм) интер-металлидов на основе А1, содержащих Мд (р-фаза), выравнивание содержания легирующих компонентов по сечению зерна и коагуляцию трудно растворимых железно-марганцевых интерметаллидов Al(MnFe). Микроструктура и фазовый состав играют доминирующую роль в сопротивлении коррозии в алюминиевых сплавах. На рисунке 1 показаны изображения со сканирующего микроскопа, с определением химического состава EDS-анализом.
а)
б)
а) темные включения, соединения с магнием (1) и светлые включения, как правило, правильной формы, либо квадратной, либо
округлой после термообработки, соединения Al3(ScxZri-x) (2);
б) соединения типа Al(FeMn) (3) - первичные интерметаллиды, после кристаллизации
имеют скелетообразную форму, после термообработки коагулируют и частично растворяются
Рисунок 1 - Исследования микроструктуры SEM
За счет распада образовавшихся после литья аномально пересыщенных по переходным элементам твердых растворов при гомогенизации формируются дисперсные частицы выделения частиц фаз, содержащих переход-
ные элементы (Мп, Zr и Sc). На рисунках 2, а и 2, г стрелками указаны частицы AlзZr, 2, в -рефлекс, в котором получено темное поле. Размеры частиц на границах зерен 25-30 нм. Частицы состава А^с не выявлены.
С'
а) и б) светлые поля; в) микроэлектронограмма; г) темное поле в совпадающих рефлексах [220] А\ + [208] А\3Тт
Рисунок 2 - Электронно-микроскопическое изображение 1570 в литом состоянии:
Возникающие в результате гомогенизации литых заготовок, фазовый состав и морфология дисперсионных частиц блокируют рекристаллизации, и структура металла даже при обработке при температуре 400 °С остается деформированной (рисунок 3).
Рисунок 3 - Микроструктура горячекатаной заготовки
Состояние Н116 действительно для изделий, которые после окончательного отжига подвергаются упрочнению наклепом в такой мере, что для них уже не действительно состояние полностью отожжённого металла, однако они не упрочнены наклепом так сильно или так равномерно, чтобы можно было придать им состояние нагартованный на чет-
верть или выше. Если взглянуть на диаграмму упрочнения листов из сплава 1570 (рисунок 4), то видно, что четверть нагартовки (предел прочности 445 МПа) набирается уже при = 14 % деформации, соответственно, степень деформации на состояние Н116 должна быть менее 14 %.
Рисунок 4 - График упрочнения листов из сплава 1570
Полученные механические свойства на опытных листах показаны на рисунке 5.
Из рисунка 5 видно, что предел
прочности (420-443 МПа) состояния Н116 достигается уже при степени нагартовки 7 %. Предел текучести выше 360 МПа и относительное удлинение около 6 %, что превышает минимальные требования к традиционно используемому сплаву АМг6 НПП (сто,2 не менее 313 МПа, относительное удлинение не менее 5 %).
Рисунок 5 - Прочностные свойства опытных образцов
Таблица 2 - Результаты испытаний на стойкость к МКК и РСК образцов в состоянии H116
Наименование проводимых испытаний Сплав Количество образцов Результаты испытаний
МКК по ASTM G 67 1570 №1 Значение потери массы образца составляет 3,39 мг/см2
№ 2 Значение потери массы образца составляет 3,23 мг/см2
РСК по ASTM G 66 № 1 Образец соответствует коду РС Точечная коррозия
№ 2 Образец соответствует коду РС Точечная коррозия
№ 3 Образец соответствует коду РС Точечная коррозия
ВЫВОДЫ
На основе результатов исследований ниже приводятся основные выводы:
1. Предложенный режим гомогенизации 360-380 °С с выдержкой 8 часов, благодаря формированию высокой плотности выделения 1_12 дисперсионных частиц позволяет получить структуру для блокировки процессаре-кристаллизации при горячей обработке (температура 380-400 °С), что обеспечивает повышение уровня механических свойств.
2. Для получения листов из сплава 1570 в состоянии поставки Н116 после горячей прокатки достаточно степени нагартовки 7 %.
В этом состоянии механические свойства листов превосходят механические свой-
ства традиционно используемого сплава АМг6 в полностью нагартованном состоянии.
3. Прокат из сплава 1570 в состоянии поставки Н116 соответствует высокому сопротивлению к межкристаллитной коррозии в соответствии со стандартом ASTMG67 и устойчивы к коррозионному расслаиванию в соответствии со стандартом ASTMG66.
СПИСОК ЛИ ТЕРАТУРЫ
1. Синявский, В. С. Влияние добавок скандия и циркония на коррозионные свойства Al-Mg сплавов [Текст] / В. С. Синявский, В. Д. Вальков, Е. В. Титко-ва // Защита металлов. - 1998. - Т. 34. - № 6. -С. 613.
2. Ahmad, Z. The corrosion behavior of scandium alloyed Al 5052 in neutral sodium chloride solution
МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ (СОПРОТИВЛЕНИЕ КОРРОЗИИ) СВОЙСТВА ПРОКАТА ИЗ ЛЕГИРОВАННОГО СКАНДИЕМ И ЦИРКОНИЕМ АЛЮМИНИЕВОГО
СПЛАВА СИСТЕМЫ Al-Mg
[Text] / Z. Ahmad, A. Ul-Hamid, B. J. Abdul-Aleem // Corrosion Science. - 2001. - Т. 43. - № 7. - С. 12271243.
3. Argade, G. R. Stress corrosion cracking susceptibility of ultrafine grained Al-Mg-Sc alloy [Text] /
G. R. Argade, N. Kumar, R. S. Mishra // Materials Science and Engineering: A. - 2013. - Т. 565. -С. 80-89.
4. Li, Z. Influence of Scandium Addition on Stress Corrosion Cracking Susceptibility of Al-Zn-Mg Alloy in Different Corrosive Environments [Text] / Z. Li,
H. Jiang, D. Yan, L. Rong // Metals. - 2018. - Т. 8. -№ 4. - С. 225.
5. Royset, J. Scandium in aluminium alloys / J. Royset, N. Ryum // International Materials Reviews. -2005. - V. 50. - № 1. - P. 19-44.
6. Правила классификации и постройки морских судов [Текст]: НД N 2-020101-124, Российский морской регистр судоходства. - СПб. - 1995. -Т. 2. - С. 442.
7. Белов, А. Ф. Перспективные технологии легких и специальных сплавов [Текст] / А. Ф. Белов // К 100-летию со дня рождения академика. Сборник статей - М. : Физматлит. - 2006. - 432 с.
8. Захаров, В. В. Алюминиевые сплавы. Влияние гомогенизации на структуру и свойства сплава системы Al-Zn-Mg-Sc-Zr [Текст] / В. В. Захаров, И. А. Фисенко // МиТОМ. - 2017. - № 5. - С. 15-22.
9. Patent 3619181 USA. Aluminum Scandium Alloy / Lowell A. Willey (USA); Applicant Aluminum Company of America. - № 771669; declared 10.29.68; publ. 09.11.71 (USA). - 14 p.
10. Филатов, Ю. А. Исследование и разработка новых высокопрочных свариваемых сплавов на основе системы Al-Mg-Sc и технологических параметров производства из них деформированных полуфабрикатов: автореф. дис... д-ра. тех. наук: 05.16.01 / Филатов Юрий Аркадьевич. - М. -2000. - 50 с.
11. American Society for Testing and Materials. Standard Test Method for Determining the Susceptibility to Intergranular Corrosion of 5XXX Series Alumi-
num Alloys by Mass Loss After Exposure to Nitric Acid (NAMLT Test). - ASTM International, 2004.
12. Standard Test Method for Visual Assessment of Exfoliation Corrosion Susceptibility of 5XXX Series Aluminum Alloys (ASSET Test). - 2013.
13. Соседков, С. М. Деформационное упрочнение плит из сплавов 1565ч, АМг6, 01570 и 1580 при холодной прокатке [Текст] / С. М. Соседков, А. М. Дриц, В. Ю. Арышенский, В. В. Яшин // Технология легких сплавов. - 2020.- № 1. - С. 39-43.
14. ASTM B928/B928M-15. Standard Specification for High Magnesium Aluminum-Alloy Products for Marine Service and Similar Environments // ASTM International. - 2013.
15. ISO E. N. 6892-1. Metallic materials-Tensile testing-Part 1: Method of test at room temperature //International Organization for Standardization. -2009.
16. ГОСТ 11701-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент [Текст]. -Введ.1986-01-01. - М. : Госстандарт России : Изд-во стандартов, 1993. - 12 с.
17. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение [Текст]. - Введ.1986-01-01. - М. : Стандартинформ, 2008. - 12 с.
18. Колачев, Б. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов [Текст] : учеб. / Б. А. Колачев, В. И. Елагин // МИСИС. - 2001. -414 с.
Рагазин Александр Алексеевич, магистрант «Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева», ведущий инженер-технолог АО «Арконик СМЗ», г. Самара, Россия, aleksander.ragazin@arconic.com, тел. 89376482533.
Халимова Алия Фаисовна, магистрант «Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева», ведущий инженер АО «Арконик СМЗ», г. Самара, Россия, aliya.khalimova@mail.ru, тел. 89272645861.
