CC BY
4
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
УДК 669.715 - 669.046.5
001: 10.24412/0321-4664-2024-1-29-35
О ВОЗМОЖНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ
ПЛОСКИХ СЛИТКОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА АМг3
Павел Леонидович Коковин1,2, аспирант, Татьяна Викторовна Мальцева1,2, канд. техн. наук, доцент
1ОАО «КУМЗ», Каменск-Уральский, Свердловская область, Россия 2 ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия, е-та11^ог_тМ1@таН.ги
Аннотация. Сплавы системы Al-Mg относятся к термически неупрочняемым алюминиевым сплавам. Из них изготавливают почти все виды полуфабрикатов. Структура литых промышленных слитков формируется в условиях неравновесной кристаллизации, в результате которой возникает дендритная ликвация. Последствия кристаллизации устраняет гомогенизационный отжиг. Длительные режимы гомогенизации сплавов системы Al-Mg сложились на основе продолжительных исследований и рекомендованы нормативными документами. В работе изучена возможность корректировки технологических режимов получения крупногабаритных плоских слитков из сплава АМг3 за счет частичного или полного исключения процесса гомогенизации как самостоятельной операции из технологического цикла.
Ключевые слова: термически неупрочняемые алюминиевые сплавы; крупногабаритные плоские слитки; технологический цикл; литье; кристаллизатор; гомогенизация
About the Possibility of Changing the Technology for Producion of Large-Sized Flat Ingots from AMg3 Aluminum Alloy. Postgraduate Student Pavel L. Kok-
ovin1,2, Cand. of Sci. (Eng.), Associate Professor Tatyana V. Maltseva1,2
1 JSC «KUMZ», Kamensk-Uralsky, Russia
2 Ural Federal University named after B.N. Yeltsin, the first President of Russia (UrFU), Ekaterinburg, Russia, e-mail:for_mtv01@mail.ru
Abstract. Al-Mg alloys belong to the non-treatable aluminum alloys. Almost all types of semi-finished products can be manufactured from them. The structure of industrial cast ingots is formed under conditions of non-equilibrium crystallization, which results in dendritic segregation. The consequences of crystallization are eliminated by homogenization annealing. Long-term homogenization conditions of Al-Mg alloys were developed on the basis of long-term researches and are recommended by regulatory documents. The work examined the possibility of adjusting the process conditions for production of large-sized flat ingots from the AMg3 alloy by the partial or complete elimination of the homogenization stage, as an independent operation, from the production process.
Keywords: non-treatable aluminum alloys; large-sized flat ingots; method of procedure; casting; crystallizer; homogenization
Введение
Сплавы системы А1-Мд относятся к термически неупрочняемым алюминиевым сплавам.
Химический состав наиболее распространенных сплавов системы А1-Мд приведен в табл. 1.
Из них изготавливают почти все виды полуфабрикатов: листы, плиты, поковки, штампов-
Таблица 1
Химический состав (% мас.) сплавов системы А1-Мд [1]
Марка сплава Стандарт Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Be
АМг2 ГОСТ 4784 0,4 0,5 0,5 0,1-0.5 1,7-2,4 0,05 0,15 0,15 -
АМг3 ГОСТ 4784 0,5-0,8 0,5 0,1 0,3-0,6 3,2-3,8 0,05 0,02 0,1 -
АМг5 ГОСТ 4784 0,5 0,5 0,1 0,3-0,8 4,8-5,8 - 0,2 0,02-0,10 0,0002-0,005
АМг6 ГОСТ 4784 0,4 0,4 0,1 0,5-0,8 5,8-6,8 - 0,2 0,02-0,10 0,0002-0,005
5052 ISO 209 0,25 0,4 0,1 0,1 2,2-2,8 0,15-0,35 0,1 - -
5754 ISO209 0,4 0,4 0,1 0,5 2,6-3,6 0,30 0,2 0,30
5083 IS0209 0,4 0,4 0,1 0,2-0,7 4,0-4,9 0,05-0,25 0,25 0,15
ки, прессованные изделия и др. Все сплавы рассматриваемой системы хорошо свариваются [2, 3].
Структура литых промышленных слитков формируется в условиях неравновесной кристаллизации, главный результат которой -возникновение дендритной ликвации, т.е. различий в концентрации легирующих элементов в центре и на периферии дендритной ячейки [4]. Кроме того, появляются частицы избыточных фаз, как правило, эвтектического происхождения.
Микроструктура слитков алюминиево-маг-ниевых сплавов в литом состоянии представляет собой а-твердый раствор магния и марганца в алюминии. Помимо а-твердого раствора могут присутствовать фазы: р(А!3Мд2), Д!6(Ре, Мп) и Мд2Б1. Частицы избыточных фаз расположены на границах дендритных ячеек и на границах между дендритами. Определяющим фактором, от которого зависит размер дендритных ячеек, является скорость охлаждения при кристаллизации [4, 5]. Количество этих фаз растет с повышением содержания магния, марганца и железа.
Гомогенизационный отжиг устраняет последствия кристаллизации, оказывает благотворное влияние на структуру и свойства сплавов серии 5ххх. При гомогенизации происходит несколько процессов, основными из них являются выравнивание концентрации легирующих элементов внутри дендритных ячеек; растворение эвтектических прослоек избыточной р-фазы и последующее выде-
ление ее при охлаждении в форме точечных включений, а также распад твердого раствора марганца в алюминии с выделением дисперсных пластинчатых частиц А!6Мп. Труднорастворимые марганцевые и железокремниевые соединения при гомогенизации остаются без изменения или частично коагулируют [4, 5].
В условиях КУМЗа серийная технология производства слитков из сплава АМг3 заключается в их отливке полунеприрывным методом в высокие кристаллизаторы скольжения с одной камерой охлаждения, обеспечивающие двухзонное охлаждение (рис. 1) [6].
Охлаждение слитка происходит в двух зонах: первичное непосредственно в кристаллизаторе; вторичное начинается при выходе слитка из кристаллизатора на расстоянии 25-50 мм от нижнего края кристаллизатора (охлаждение водой) и продолжается на протяжении всей длины отливаемого слитка. Тянущие валки не используются. Опускание
Рис. 1. Однокамерный кристаллизатор для отливки алюминиевых сплавов
слитка происходит за счет опускания поддона (затравки) вниз до конечной длины. Слиток отливается прямой длиной до 7000 мм. Кристаллизатор охлаждается водой температурой 23 ± 3 °С, подаваемой во внутреннюю полость кристаллизатора, при этом происходит первичное охлаждение слитка. Охлаждающая вода, нагретая от стенок кристаллизатора, выходит из отверстий кристаллизатора, расположенных под углом, и попадает на слиток, что приводит к вторичному охлаждению отливаемого слитка.
Затем слитки гомогенизируют по режиму: нагрев не ниже «450 °С, длительная выдержка, нагрев не ниже «530 °С, длительная выдержка [5, 7-9]. Длительные режимы гомогенизации сплавов системы А1-Мд сложились на основе эмпирических исследований [5] и рекомендованы нормативными документами. Двухступенчатый режим необходим для растворения легкоплавкой р-фазы, которая формируется в сплаве в процессе неравновесной кристаллизации. Вторая ступень служит для того, чтобы выровнить химический состав по сечению зерна и устранить внутридендритную ликвацию. После гомогенизации слитки остывают на воздухе и передаются в обрабатывающий цех, где подвергаются нагреву перед последующей деформацией.
Цель работы состояла в изучении возможности корректировки технологических режимов получения крупногабаритных плоских слитков из сплава АМг3 таким образом, чтобы частично или полностью исключить процесс гомогенизации как самостоятельную операцию из технологического цикла.
Материал и методы исследования
Предметом исследования являлись крупногабаритные слитки сечением 465 х 1640 мм из сплава АМг3, изготовленные по серийной технологии на КУМЗе.
Промышленный эксперимент заключался в том, что при литье сплава АМг3 использовали кристаллизатор, на который были установлены резиновые манжеты (рис. 2). Технология литья с применением резиновых манжет - водосъе-мов на КУМЗе применяется только для литья высокопрочных сплавов серии 2ххх и 7ххх.
А—А
Вид сбоку
гЛ,1 Кристаллизатор скольжения
ф ........... 1
Резиновая манжета
-i- | |
Рис. 2. Кристаллизатор с резиновыми манжетами
В процессе кристаллизации резиновые манжеты снимали воду с поверхности слитка, в результате чего слиток подвергался вторичному разогреву до температуры 200-250 °С. Отлитые слитки остывали на воздухе от 4 до 5 ч со скоростью охлаждения 50-60 °С/ч. Изменение температуры фиксировали гибкими термопарами при помощи переносного электронного прибора на диаграммной бумаге. Затем слитки, как и по серийной технологии, подвергали нагреву перед деформацией по стандартному режиму не ниже «475 °С с выдержкой не менее 30 мин.
В качестве материала для исследований использовали темплеты от литниковой и донной частей слитков. Темплеты отбирали на длине не менее 200 мм со стороны литника и донника, а также на устоявшейся стадии процесса литья. Слитки получали по следующим технологическим схемам: I - литье (по серийной технологии); II - литье + гомогенизация (по серийной технологии); III - литье с применением резиновых манжет.
В работе были проведены:
- определение химического состава спектральным методом;
- исследование макро- и микроструктуры;
- определение размера зерна (центр, периферия);
- определение ликвации методом спектрального анализа по сечению слитка.
Результаты исследований
Полный химический состав определяли непосредственно на образцах из слитков сплава АМг3 методом спектрального анализа (табл. 2).
Химический состав всех образцов всех слитков сплава АМг3 соответствовал требованиям ГОСТ 4784-2019 [1].
Химический состав сплава АМг3 Таблица 2
Элемент, % мас. Технологическая схема
I II III ГОСТ 4784—2019
Кремний 0,639 0,644 0,657 0,651 0,633 0,631 0,5—0,8
Железо 0,371 0,373 0,337 0,333 0,367 0,364 0,5
Медь 0,040 0,039 0,034 0,033 0,041 0,040 0,1
Маргенец 0,438 0,442 0,438 0,436 0,436 0,439 0,3—0,6
Магний 3,54 3,56 3,52 3,49 3,59 3,60 3,2—3,8
Цинк 0,047 0,046 0,034 0,034 0,045 0,044 0,05
Никель 0,0080 0,0080 0,0063 0,0063 0,0080 0,0079 0,2
Хром 0,004 0,004 0,011 0,011 0,004 0,004 —
Свинец 0,0003 0,0002 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,001 —
Олово 0,00098 0,00078 0,00052 0,00061 0,00081 0,00083 —
Титан 0,046 0,045 0,046 0,049 0,046 0,046 0,1
Бор 0,00139 0,00143 0,00146 0,00145 0,00159 0,00155 —
Бериллий 0,00028 0,00029 0,00031 0,00031 0,00028 0,00029 —
Кальций 0,00051 0,00017 0,00126 0,00117 0,00055 0,00073 —
Натрий <0,00010 <0,00010 0,00032 0,00027 0,00021 0,00027 —
Литий 0,00016 0,00022 0,00010 0,00014 0,00011 <0,00002 —
Ванадий 0,0138 0,0138 0,0129 0,0134 0,0143 0,0138 —
Цирконий 0,0016 0,0018 0,0013 0,0013 0,0016 0,0019 —
Скандий <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 —
Рис. 3. Типичная макроструктура поперечного сечения донной части слитка сечением 465 * 1640 мм сплава АМг3 (край слитка - центр слитка)
Макроструктура поперечного сечения слитков из сплава АМг3, полученных по схемам 1-111, практически одинаковая, однородная, мелкозернистая, дефектов в виде неметаллических, интерметаллидных включений не обнаружено (рис. 3).
Анализ микроструктуры слитков сплава АМг3 проводили на поперечных микрошлифах, отобранных из центральной части слитков (рис. 4).
В литом состоянии (рис. 4, I) структурные составляющие представляют собой плотный каркас из соединений «скелетной» формы и легкоплавкой эвтектики, внутри зерен отсутствуют мелкодисперсные частицы.
В гомогенизированном состоянии (рис. 4, II) фазовые составляющие располагаются преимущественно по границам зерен, внутри зерен присутствуют мелкодисперсные частицы.
Рис. 4. Микроструктура образцов от литниковой части слитка сечением 465 s 1640 мм сплава АМг3,
отлитого по схемам I - III
Периферия
Центр
Структура слитка, отлитого с применением водосъемов (рис. 4, III), соответствует литому состоянию.
Во всех случаях неметаллических включений и интер-металлидов в микроструктуре слитков не выявлено.
Количественный металлографический анализ структуры слитков сплава АМг3 проводили по ГОСТ 21073-75 [8]. Средний размер зерна в слитках опреде-
ЪгЩ
¡ЙВ^^Е * 'S ляли на образцах, отобранных " £jm ^J из периферийной и централь-
ной зон (табл. 3, рис. 5).
Слитки после всех обработок имеют однородную структуру. Размер зерна на пери-
Средний размер зерна ~ 95 мкм д
Средний размер зерна ~ 132 мкм е
Рис. 5. Микроструктура образцов из слитков сплава АМг3 сечением 465 s 1640 мм, отлитых по схемам I (а, б), II (в, г) и III (d, е), в поляризованном свете
Таблица 3 Средний размер зерна слитков в литниковой части сплава АМг3
Технологическая схема Место отбора Средний размер зерна, мкм
I Периферия 58
Центр 100
II Периферия 98
Центр 125
III Периферия 95
Центр 132
Si
g 0,8
a o,6 s
S °>4
и
ä 0,2
50 100 150 200 250 Расстояние от поверхности, мм
Си
в °>6
ьГ 0.5 §
I о-4
§ 0,3 п
8 0,2 |о,1
о
50 100 150 200 250 Расстояние от поверхности, мм
Мп
£0,16 So,12
3
1 0,8 ¡0,4
0
50 100 150 200 250 Расстояние от поверхности, мм
Mg
« 0,8 I
§ 0,6 I 0,4 ¡0,2
0
50 100 150 200 250 Расстояние от поверхности, мм
Zn
g 0,8 а о,б
S О-4
и
ä 0,2
50 100 150 200 250 Расстояние от поверхности, мм
а9 0,5 г-
£ 0,4
а 0,3 -
я О 0,2 -
а 0,1 -
я
0
50 100 150 200 250 Расстояние от поверхности, мм
Рис. 6. Ликвация компонентов по сечению литниковой части слитка сплава АМг3 в литом состоянии (схема I) сечением 465 х 1640 мм в направлении от периферии к центру
ферии несколько меньше, чем размер зерна в центральной части слитков.
Ликвацию основных компонентов определяли от поверхности к центру слитка. В качестве примера на рис. 6 приведены результаты исследования ликвации компонентов по сечению слитка сплава АМг3
Распределение компонентов Б1, Ре, Си, Мп и Zn по сечению слитков сплава АМг3 происходит достаточно равномерно и находится в пределах марки данного сплава. По сечению слитков после указанных обработок наблюдается неравномерное содержание магния. Такое распределение компонентов по сечению характерно для всех слитков, полученных по указанным выше режимам.
Выводы
Проведенное исследование структуры слитков крупногабаритного сечения из сплава АМг3,
Fe полученных в условиях про-
изводства ОАО КУМЗ по трем технологическим схемам, показало следующее.
- Химический состав всех слитков сплава АМг3 соответствует требованиям ГОСТ 4784-2019 [1].
- Макроструктура поперечного сечения литого, литого и гомогенизированного, литого с применением резиновых манжет слитков сплава АМг3 однородная, мелкозернистая. Дефектов в макроструктуре слитков в виде неметаллических и интерметаллидных включений не обнаружено.
- В микроструктуре слитков сплава АМг3, полученных по технологическим схемам I и III, фазовые составляющие располагаются преимущественно по границам зерен, внутри зерен присутствуют мелкодисперсные частицы.
- Средний размер зерна слитков в состояниях II и III практически одинаков.
- Распределение компонентов по сечению всех слитков происходит достаточно равномерно и находится в пределах марки данного сплава.
В заключении можно отметить, что выполнен промышленный эксперимент по отливке крупногабаритных слитков сплавов серии 5ххх в кристаллизатор прямоугольного сечения с резиновыми манжетами.
Возможно, после проведения дополнительных исследований будет достаточно только операции нагрева перед прокаткой для того, чтобы структура слитка соответствовала гомогенизированному состоянию, так как частичная гомогенизация будет проходить одновременно с отливкой слитка за счет вторичного разогрева. С учетом прохождения этих процессов, можно будет скорректировать режимы отливки крупногабаритных слитков из сплава АМг3.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 4784-2019. Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки.
2. Фридляндер И.Н. Алюминиевые сплавы в летательных аппаратах в периоды 1970-2000 и 20012015 гг. // Технология легких сплавов. 2002. № 4. С. 12-17.
3. Фридляндер И.Н. Алюминиевые деформируемые конструкционные сплавы. М.: Металлургия, 1979. 208 с.
4. Алюминиевые сплавы. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: справ. М.: Металлургия, 1974. 432 с.
5. Колобнев Н.И., Бер Л.Б., Цукров С.Л. Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов / Под науч. ред. Каблова Е.Н. М.: НП «АПРАЛ», 2020. 552 с.
6. Пат. 2424869 Российская Федерация. Гомогенизация и термическая обработка отливаемого металла.
7. ТР 50-31-70. Гомогенизация слитков алюминиевых сплавов. М.: ВИЛС, 1970. 24 с.
8. Колобнев И.Ф. Термическая обработка алюминиевых сплавов. М.: Металлургиздат, 1963. 414 с.
9. ГОСТ 21073-75. Металлы цветные. Определение величины зерна. Общие требования.
REFERENCES
1. GOST 4784-2019. Alyuminiy i splavy alyuminiyevyye deformiruyemyye. Marki.
2. Fridlyander I.N. Alyuminiyevyye splavy v letatel'nykh apparatakh v periody 1970-2000 i 2001-2015 gg. // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2002. № 4. S. 12-17.
3. Fridlyander I.N. Alyuminiyevyye deformiruyemyye konstruktsionnyye splavy. M.: Metallurgiya, 1979. 208 s.
4. Alyuminiyevyye splavy. Struktura i svoystva polu-fabrikatov iz alyuminiyevykh splavov: sprav. M.: Metallurgiya, 1974. 432 s.
5. Kolobnev N.I., Ber L.B., Tsukrov S.L. Termiches-kaya obrabotka deformiruyemykh alyuminiyevykh
splavov / Pod nauch. red. Kablova Ye.N.M.: NP «APRAL», 2020. 552 s.
6. Pat. 2424869 Rossiyskaya Federatsiya. Gomog-enizatsiya i termicheskaya obrabotka otlivayemogo metalla.
7. TR 50-31-70. Gomogenizatsiya slitkov alyuminiyevykh splavov. M.: VILS, 1970. 24 s.
8. Kolobnev I.F. Termicheskaya obrabotka alyuminiyevykh splavov. Metallurgizdat, 1963. 414 s.
9. GOST 21073-75. Metally tsvetnyye. Opredeleniye velichiny zerna. Obshchiye trebovaniya
