CC BY
29
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
УДК 669.715:669.793
О ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННЫХ СКАНДИЕМ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В. В. Захаров, докт. техн. наук, И.А. Фисенко
(ОАО «ВИЛС», e-mail: info@oaovils.ru)
Обсуждаются вопросы, связанные с возможностью снижения содержания дорогостоящего скандия в алюминиевых сплавах при одновременном сохранении высокого уровня прочности. Предлагаются пути решения этой задачи. Выработаны требования к добавке, которая может частично заменить скандий без потери прочности.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, добавка скандия, стоимость, снижение содержания,сохранение свойств.
On the Possibility of Creation of Aluminium Alloys with Minimal Scandium Content. V.V. Zakharov, I.A. Fisenko.
Problems concerning the possibility of a reduction in expensive scandium content of aluminium alloys and retention, in this case, a high level of strength are discussed. Ways for solution of the problems are offered. Requirements for an additive which can partially supersede scandium without loss in strength have been elaborated.
Key words: aluminium alloys, scandium additive, cost, reduction in content, retention of properties.
С целью повышения прочностных свойств деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов их легируют небольшой добавкой скандия, как правило, 0,20-0,25 %. Добавка скандия обеспечивает существенный прирост основных прочностных характеристик, предела текучести и предела прочности. Вместе с тем скандий очень дорогой металл и его использование для легирования алюминиевых сплавов даже в таких небольших количествах приводит к их резкому (практически многократному) удорожанию. Уменьшение содержания скандия с целью удешевления сплавов обусловливает соответствующее снижение прочностных свойств изготавливаемых из них полуфабрикатов. В настоящей статье обсуждаются возможные варианты уменьшения содержания скандия в алюминиевых сплавах без потери прочностных свойств. В принципе все варианты сводятся к введению или увеличению содержания других легирующих компонентов, замещающих скандий и способных компенсировать потерю прочностных свойств.
Алюминиевые сплавы, легированные скандием, с повышенным содержанием марганца
На первый взгляд замена части скандия марганцем является не совсем хорошей идеей. Влияние марганца на структуру и свойства алюминиевых сплавов было подробно изучено в работах В.И. Елагина еще в середине прошлого века [1]. Марганец, как и скандий, повышает прочностные свойства деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов за счет непосредственного влияния (твердорастворное упрочнение, упрочняющее действие вторичных частиц, содержащих марганец) и опосредованно, благодаря структурному упрочнению (сохранению в полуфабрикатах нерекристаллизованной структуры). Однако упрочняющее действие марганца слабее, чем скандия, и чтобы компенсировать снижение прочностных свойств, связанное с уменьшением содержания скандия, например, на 0,1 %, надо ввести в сплав в несколько раз больше марганца, чем 0,1 %.
-Ф-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Марганец и скандий взаимодействуют с алюминием по диаграмме эвтектического типа с ограниченной растворимостью и, соответственно, у них одинаковый тип дендритной ликвации: и марганец, и скандий обогащают при кристаллизации расплава периферийные объемы дендритов, а центральные объемы оказываются обедненными этими элементами. С этой точки зрения такое сочетание легирующих элементов является неблагоприятным для совместного легирования алюминиевых сплавов [1]. Вместе с тем при совместном легировании переходными металлами следует также учитывать и такой фактор, как их взаимное влияние на совместную растворимость в твердом алюминии.
Лучший вариант сочетания переходных металлов при их совместном легировании, это когда два переходных металла не уменьшают (не влияют) на совместную растворимость в алюминии. Худший вариант - совместная растворимость обоих элементов снижается. При совместном введении в алюминий скандия и марганца увеличение количества марганца не влияет на растворимость скандия, в алюминии и, напротив, с ростом содержания скандия уменьшается растворимость марганца в алюминии [2-4]. Рассмотрение изотермических сечений алюминиевого угла равновесной диаграммы А!-Бс-Мп (см. рисунок) позволяет сделать следующий практический вывод. Скандий можно и целесообразно вводить в алюминиевые сплавы совместно с марганцем. При этом, учитывая их совместную растворимость в алюминии, содержание скандия следует ограничивать, а марганец, не снижающий растворимости скандия, можно вводить в сравнительно больших количествах. В этом случае можно не опасаться появления грубых интерметаллидов алюминий -переходный металл кристаллизационного происхождения. Следует также иметь в виду, что при их совместном введении в алюми -ниевые сплавы они не образуют между собой химических соединений, а распад твердого раствора скандия в алюминии и марганца в алюминии проходит независимо друг от друга.
Принимая во внимание все вышесказанное, были приготовлены два сплава на основе А1-Мд с одинаковым содержанием магния
Таблица 1
Фактический химический состав двух
сравниваемых сплавов А1—Мд—Бс—Ег- -Мп
Номер А1 Мд Эс 2г Мп Ре Б1
сплава
1 Основа 5,3 0,22 0,08 0,08 0,10 0,05
2 Основа 5,3 0,10 0,07 0,74 0,10 0,06
Бе, ат. %
Совместная растворимость скандия и марганца валюминиипри640, 600и400°С[2]
5,3 % и отличающихся содержанием скандия и марганца (табл. 1).
В сплаве 1 содержится 0,22 % Эс и 0,08 % Мп, а в сплаве 2 снижено содержание скандия до 0,10 % и повышено содержание марганца до 0,74 %. Из сплавов 1 и 2 были отлиты плоские слитки, из которых изготовили листы толщиной 1,6 мм1. Холоднокатаные листы были отожжены и испытаны на растяжение (табл. 2).
Листы из сплава 2 с пониженным содержанием скандия и с добавкой 0,74% Мп не уступают по прочностным показателям листам из сплава 1. Структура холоднокатаных и затем отожженных листов из обоих сплавов полностью нерекристаллизованная (полиго-низованная), что и объясняет высокий уро-
1 Работа была выполнена под руководством В.И. Елагина, в работе принимал участие Ю.А. Филатов.
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Таблица 2
Механические свойства листов из сплавов 1 и 2 в отожженном состоянии
Продольное Поперечное
Номер направление направление
сплава МПа ^0,2' МПа 8, % МПа ^0,2» МПа 8, % Е, МПа
1 408 312 13,2 406 317 20,3 71100
2 427 313 12,7 424 324 19,1 72300
вень прочностных свойств, не характерный для термически неупрочняемого сплава.
Очевидно, что по комплексу эксплуатационных и технологических свойств сплав 2 будет отличаться от сплава 1 и полуфабрикаты из сплава 2 перед их использованием в изделиях должны пройти всесторонние исследования.
Алюминиевые сплавы, легированные скандием, с повышенным содержанием циркония
Добавку скандия всегда вводят в алюминиевые сплавы вместе с добавкой циркония. Цирконий взаимодействует с алюминием по диаграмме перетектического типа и при кристаллизации расплава ликвирует, обогащая центральные зоны дендритов. С этой точки зрения сочетание скандия с цирконием является благоприятным [1]. Положительная роль циркония при введении его в скандийсодер-жащие алюминиевые сплавы была выявлена в 80-е годы прошлого века, и его всегда вводят в промышленные алюминиевые сплавы вместе с цирконием. Использование циркония в принципе позволило снизить содержание скандия с 0,4 до 0,23 %.
В работе [5] было предложено для сохранения прочностных свойств алюминиевых сплавов при уменьшении в них содержания скандия повышать содержание циркония. Обычно скандий вводят в алюминиевые сплавы вместе с цирконием в соотношении Бо:Тг примерно как 2,5:1 - 0,23 % Бо и 0,09 % Тг. Роль циркония при введении его вместе со скандием заключается в следующем.
Цирконий растворяется во вторичных частицах упрочняющей фазы А^Бо путем замещения атомов скандия. Образуется фаза А1з(Бс1-х, Тгх) [6]. Цирконий может замещать до 50 % атомов скандия. При этом, чем больше мы вводим циркония в алюминиевый сплав, тем больше циркония в фазе А1з(Бс1-х, Тгх) [6]. Растворение циркония в фазе А^Бо меняет ее свойства. Уменьшается параметр кристаллической решетки фазы и соответственно меняется межфазная энергия и упругие напряжения [7]. Кроме того, коэффициент диффузии циркония в алюминии на четыре порядка меньше коэффициента диффузии скандия в алюминии [7]. В результате скорость процесса коагуляции вторичных частиц А!з(Бс1-х, Тгх) заметно снижается. Сплавы могут выдерживать длительные высокотемпературные нагревы без заметной потери упрочняющих и антирекристаллизационных свойств вторичных частиц А!з(Бо1-х, Тгх).
В работе [5] было предложено вводить скандий и цирконий в равных количествах, например 0,15 % Бо и 0,15 % Тг. Помимо экономии дорогого скандия в этом случае достигаются также следующие преимущества. При литье слитков из сплавов с соотношением Бо:Тг как 1:1 достигается максимальная ме-тастабильная растворимость скандия и циркония в алюминии, количество интерметал-лидов кристаллизационного происхождения уменьшается до минимума, а насыщенность твердого раствора этими элементами возрастает. Кроме того, меняется состав вторичных частиц А!з(Бо1-х, Тгх). Они насыщаются цирконием, их термическая стабильность возрастает, и они становятся менее склонными к коагуляции. Соответственно, такие сплавы можно подвергать более длительным высокотемпературным нагревам, не опасаясь быстрого укрупнения дисперсных частиц А!з(Бо1-х, Тгх), насыщенных цирконием.
С целью проверки этого предположения (введения скандия и циркония в равных количествах) были отлиты слитки диаметром 134 мм из двух сплавов А!-Мд-Бо-Тг (табл. 3).
В сплаве 1 содержание скандия и циркония близкое к общепринятому, а соотношение Бо:Тг составляет 3:1. В сплаве 2 содержание
-Ф-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Таблица 3
Фактический состав
исследованных сплавов, % мас.
Номер Mg Sc Zr Fe Si
сплава
1 6,0 0,30 0,10 0,01 0,01
2 6,0 0,16 0,15 0,01 0,01
Таблица 4
Механические свойства прессованных полос 3 х 100 мм из сплавов 1 и 2 в продольном направлении
Состояние горяче- Состояние
Номер прессованное отожженное
сплава 8, % ^0,2' 8, %
МПа МПа МПа МПа
1 404 301 18,3 403 274 17,7
2 409 313 16,6 394 270 14,9
скандия меньше обычно принятого, а содержание циркония выше, соотношение Бс^г как 1:1.
Слитки отжигали по режиму 400 °С, 10 ч и прессовали при температуре 400 °С на полосы сечением 3 х 100 мм. В табл. 4 представлены механические свойства полос из сплавов 1 и 2 в горячепрессованном состоянии и после отжига по режиму 400 °С, 1 ч.
Из табл. 4 видно, что свойства полос из сплавов 1 (0,30 % Бс и 0,10 % 7г) и 2 (0,16 % Бс и 0,15 % 7г) близки. Структура полос из обоих сплавов после прессования и отжига полиго-низованная(нерекристаллизованная).
Проведенный эксперимент свидетельствует о том, что имеется реальная возможность создания экономнолегированных скандием алюминиевых сплавов с отношением Бс:7г как 1:1. Конечно, для этого необходимо проведение специальной НИР,направленной на всестороннее изучение эксплуатационных и технологических свойств экономнолегиро-ванных скандием сплавов. В случае успешного завершения такой работы, стоимость полу-
фабрикатов из-за уменьшения содержания скандия снизится минимум в 2 раза.
Решением задачи снижения содержания скандия может быть поиск еще одной добавки, близкой по свойствам и влиянию на цирконий.
Искомая добавка должна отвечать следующим требованиям.
1. Прежде всего она должна иметь высокую растворимость в упрочняющей фазе А13Бс. Цирконий, например, имеет высокую растворимость в фазе А^Бс, как уже упоминалось, путем замещения атомов скандия на атомы циркония и образования фазы А!3(Бс1_х, 7гх), где х может достигать 0,5 [6].
2. Добавка, растворяясь в фазе А^Бс, должна менять параметр ее кристаллической решетки таким образом, чтобы несоответствие с кристаллической решеткой алюминиевой матрицы уменьшалось. Уменьшение несоответствия приведет к снижению упругих напряжений на межфазной поверхности, что облегчит зарождение новой фазы в алюминиевой матрице и в дальнейшем уменьшит стимул протекания процесса коагуляции дисперсных частиц типа А^Бс.
Добавка циркония, например, растворяясь в фазе А!3Бс, уменьшает упомянутое несоответствие с 1,34 % до 1,07 % при замещении цирконием 50 % атомов скандия [7].
3. Добавка должна иметь коэффициент диффузии в алюминии меньше, чем коэффициент диффузии скандия в алюминии. Это дает возможность затормозить процесс коагуляции, процесс огрубления частиц и сохранить при нагревах их полезные свойства. Коэффициент диффузии циркония меньше коэффициента диффузии скандия на четыре порядка [7], что снижает скорость распада твердого раствора (скорость коагуляции частиц) в случае добавки циркония в скан-дийсодержащие алюминиевые сплавы.
Работы по поиску таких добавок ведутся [8, 9]. Наиболее перспективной областью поиска являются недорогие по сравнению со скандием редкоземельные металлы. Было изучено влияние таких редкоземельных металлов, как ТЬ, йу, Но, Ег, Тт, УЬ, 1_и [8].
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Заключение
Приведенные выше экспериментальные данные свидетельствуют о том, что имеется реальная возможность снизить содержание дорогого скандия в алюминиевых сплавах и сохранить высокий уровень прочностных характеристик. Вместе с тем очевидно, что такие сплавы по комплексу служебных характеристик (пластичности, коррозионной стойкости, характеристикам статической и циклической трещиностойкости и др.) и по технологичности в металлургическом и машиностроительном производствах (литейные свойства, способность к обработке давлением, формовке, свариваемость, сверх-
пластичность и др.) будут отличаться от существующих сейчас промышленных скан-дийсодержащих алюминиевых сплавов. Поэтому разработка экономнолегированных скандием алюминиевых сплавов должна предусматривать масштабные работы, включающие не только выбор и обоснование химического состава сплавов, но и разработку технологии получения деформированных полуфабрикатов из этих сплавов и их всестороннее исследование. Считаем проведение таких работ оправданным, поскольку после их завершения и использования экономно-легированных сплавов стоимость полуфабрикатов существенно снизится.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. -М.: Металлургия, 1975. - 247 с.
2. Дриц М.Е., Торопова Л.С., Гущина Ф.Л. О характере физико-химического взаимодействия в богатой алюминием части системы А!-Бс-Мп // Металлы. 1984. № 4. С. 221-225.
3. Рохлин Л.Л., Бочвар Н.Р., Лысова Е.В., Леонова Н.П., Королькова И.Г. Фазовые равновесия в тройной системе А!-Бо-Мп // Металлы. 2008. № 1. С. 103-107.
4. Захаров В.В. Легирование алюминиевых сплавов переходными металлами // Технология легких сплавов. 2011. № 1. С. 22-28.
5. Захаров В.В., Фисенко И.А. Об экономии скандия при легировании им алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 2013. № 4. С. 52-60.
6. Торопова Л.С., Камардинкин А.Н., Кинджи-бало В.В., Тыванчук А.Т. Исследования сплавов системы Al-Sc-Zr в области, богатой алюминием // Физика металлов и металловедение. 1990. № 12. С.108-111.
7. Christian B. Fuller, David N. Seidman. Temporal evolution of the nanostructure of Al(Sc, Zr) alloys: Part II - coarsening of Al(Sc1-x, Zrx) precipitates // Acta Materialia. 2005. 53. P. 5415-5428.
8. Christopher Booth-Morrison, David C. Dunand, David N. Seidman. Coarsening resistance at 400 °C of precipitation-strengthened Al-Zr-Sc-Er alloys // Acta Materialia. 2011. 59. P. 7029-7042.
9. Marsha E. Van Dalen, David C. Dunand, David N. Seidman. Microstructural evolution and creep properties of precipitation-strengthened Al-0.06Sc-0.02Gd and Al-0.06Sc-0.02Yb (at. %) alloy // Acta Materialia. 2011. 59. Р. 5224-5237.
