CC BY
21
ЛИТЬЕ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
УДК 669.715
ОСТОРОЖНО - МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЗЕРНА
Б.В. Овсянников, канд. техн. наук (ОАО «КУМЗ», 623405, г. Каменск-Уральский, ул. Заводская, 5)
Показано, что использование модифицирования, помимо положительных моментов, может нанести определенный, а иногда существенный вред. Например, введение таких сильных модификаторов, как цирконий и даже цирконий вместе со скандием, может способствовать образованию веерной структуры, а использование лигатурных прутков Al-Ti-B, Al-Ti-C иногда приводит к образованию несплошностей типа расслоений в деформированных полуфабрикатах.
Приведены факты, свидетельствующие о том, что прессование прутков из мелкозернистых слитков может способствовать прохождению рекристаллизации, формированию крупнозернистости и, как следствие, нежелательному изменению механических свойств.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, модифицирование, веерная структура, расслоения, механические свойства.
Beware of Grain Modification. B.V. Ovsyannikov.
It is shown that the use of modification, apart from positive moments, can do harm and sometimes much harm. For example, addition of such strong modifiers as zirconium and even zirconium together with scandium can result in development of a fanlike structure, while the use of Al-Ti-B and Al-Ti-C alloying bars gives rise sometimes to formation of delamination-type voids in wrought semiproducts.
Facts showing that extrusion of bars using fine-grain ingots can favour recrystalli-zation process, coarsening of grain size and, as a result, an undesirable variations in mechanical properties are presented.
Key words: aluminum alloys, modification, fanlike structure, delaminations, mechanical properties.
«Иные лекарства опасней самих болезней».
Сенека
Введение
Трудно переоценить вклад Владимира Ивановича Добаткина в разработку и освоение технологии полунепрерывного литья слитков алюминиевых сплавов. Для специалистов ОАО «КУМЗ», которые начали освоение полунепрерывного литья на несколько лет позже, чем ВСМПО, монографии В.И. Добаткина [1, 2] были и остаются настольными книгами. В процессе освоения и серийного производства полуфабрикатов из данных сплавов постоянно велась работа по повышению качества слитков и конечной продукции. Большое значение для понимания природы
модифицирования и принципов получения качественной структуры слитка сыграла дискуссия на страницах журнала «Цветные металлы» в 1988-1989 гг., координатором которой был В.И. Добаткин [3].
Необходимость использования модификаторов в процессе полунепрерывного литья слитков в настоящее время ни у кого не подвергается сомнению. Теория модифицирования достаточно хорошо проработана и изложена в большом количестве литературы [4, 5]. Рынок предлагает целый ряд различных модификаторов, таких как АШБ, АНЮ и др. в виде лигатурных прутков. Вопрос в
-Ф-
-Ф-
том, для чего проводится измельчение зерна в слитке в процессе кристаллизации. Цель, которая обычно ставится, заключается в получении мелкозернистой равноосной структуры, субдендритного зерна. Однако слиток, получаемый полунепрерывным литьем, не является конечным продуктом. Считается, что тонкая структура ведет к повышению пластичности слитка и получению полуфабрикатов высокого качества. Так ли это? Всегда ли мелкое зерно слитка ведет к получению качественного деформированного изделия. Многолетний опыт автора показывает, что это далеко не так.
Использование модификаторов зерна имеет ряд отрицательных моментов. Некоторые из этих отрицательных феноменов достаточно хорошо известны и обсуждены в научных публикациях, некоторые упоминаются, но не обсуждаются, так как считаются случайными выпадами. Некоторые эффекты могут стать полной неожиданностью.
В настоящей статье предпринята попытка классифицировать отрицательные явления, связанные с модифицированием зерна, показана необходимость соблюдать осторожность при использовании модификаторов, а в некоторых случаях вносить существенные изменения в технологию производства как слитка, так и в его последующую деформацию.
Дефекты структуры
Во многих публикациях, касающихся модифицирования алюминиевых сплавов, в качестве модификатора приводится цирконий и особенно скандий. Однако на практике добавка циркония в алюминиевые сплавы ведет к провоцированию кристаллизации в виде перистых кристаллов, особенно это характерно для сплавов системы Л!-7п-Мд(Си) и А1-Мд. В то же время считается, что введение скандия в данные сплавы должно предотвращать появление веерной (перистой) структуры в связи с тем, что скандий является очень сильным модификатором. Каково же было удивление специалистов, когда в слитках 0 506 мм сплава 1545К системы Л!-Мд(7г, Бе), отлитых в низкий кристаллизатор была обнаружена веерная структура (рис. 1).
Рис. 1. Веерная структура в слитках сплава 1545К системы А!—Мд(1г, во)
Рис. 2. Структура слитка сплава 1545К (модифицирование прутком А/Т/С)
Как и ожидалось, при ковке данных слитков произошло их разрушение. Поэтому при повтороной отливке был введен модифицирующий пруток Л!Т1С в количестве 0,3 кг на 1 т расплава. В результате получили мелкозернистую субдендритную структуру (рис. 2).
Интерметаллические включения
Присутствие веерной структуры в слитках приводит к образованию расслоений, выявляемых при ультразвуковом контроле плит и штамповок. Для получения равноосной структуры возникает необходимость вводить модифицирующие добавки, такие как Л!Т1Б или Л!Т1С. Однако в полуфабрикатах, изготовленных из модифицированного металла, наблю-
-Ф-
ЛИТЬЕ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
Рис. 3. Дефект типа «штрих»» в штамповках из сплава 7050 системы Al—Zn—Mg—Cu(Zr). Модифицирование прутком ATTiC
ЯШаНЯа
Ti
20 kV х 1,000 10 мкм 21 40 BES
а б
Рис. 4. Дефект типа «штрих,» в штамповках из сплава 7050 (модифицирование прутком ATTiC):
а - электронное изображение штриха; б - съемка в характеристическом излучении титана
-Ф-
С *
4 - -¿tl^'
* ■шГЩР г- Щ .* Í К 1
• г - ч 5
а ♦ ■ - 2
Í 1
даются дефекты типа «штрих» (рис. 3). Исследование данных дефектов с помощью электронного микроскопа и микрорентгено-спектрального анализа показывают, что в основе всех таких дефектов находится титансо-держащий зародыш (рис. 4).
Причем это относится не только к сплавам с цирконием, модифицированных лигатурой А1Т1В, о чем предупреждают производители модифицирующих лигатур, но и к сплавам системы А1-Си-Мд (рис. 5). Более того, модифицирование лигатурой А1Т1С не исключает появления данных дефектов.
50 мкм
0 1 2 3 4 5 6 Полная шкала 3031 имп. Курсор :10,546 (17 имп)
10 кэВ
7
8
9
Спектр Mg Al Si Ti Cr Mn Fe Cu Zn Zr Итог
1 0,48 57,00 0,28 31,99 0,20 0,94 0,00 9,12 0,00 0,00 100,00
2 0,18 67,22 8,87 0,00 0,05 9,14 9,03 5,39 0,12 0,00 100,00
3 0,65 93,88 0,58 0,09 0,00 0,48 0,09 4,00 0,23 0,00 100,00
Рис. 5. Электронное изображение штриха в штамповках из сплава 2014 (модифицирование лигатурным пруткомЛГЛБ)
-Ф-
-Ф-
Окисные включения
Еще один вид дефектов, связанных с введением мо дифицирующего прутка окисные включения. Уста новлено, что при введении лигатурного прутка в рас плав затягивается окисная плена (рис. 6).
Поэтому нельзя следо вать рекомендациям некоторых производителей, предлагающих для повышения эффективности модифици рования вводить пруток после установки вне-печного рафинирования и пенокерамического фильтра. В этом случае наличие окисных плен в слитке неизбежно.
Единственный путь по предотвращению появления данных дефектов является уменьшение количества модифицирующей добавки по сравнению с рекомендованным разработчиком, причем введение лигатурного прутка должно проводиться перед установкой внепечного рафинирования расплава и фильтром.
Ухудшение литейных свойств
В литературе широко обсуждается положительное влияние модификаторов на предотвращение кристаллизационных трещин при литье [7, 8]. Однако ничего не говорится о влиянии на литейные свойства тех сплавов, которые не склонны к формированию кристаллизационных трещин. Как правило, это сплавы с широким интервалом кристаллизации. Опыт показывает, что измельчение зерна ведет к повышению склонности сплава к холодным трещинам [9]. Изучение структуры слитков, отлитых из сплавов, имеющих широкий интервал кристаллизации, показал, что введение лигатурного прутка Л!Т1Б в некоторых случаях приводит к развитию усадочной пористости в центральных слоях слитка. Это
связано, очевидно, с тем, что модифицирование снижает температуру начала линейной усадки [3]. При этом окончание кристаллизации слитка происходит в условиях недостатка жидкой фазы для компенсации усадки. Для сплавов, имеющих низкую пластичность при температурах, близких к температуре плавления, это приводит к разрушению слитка.
Ухудшение структуры деформированного полуфабриката
В процессе экструзии слитков обнаружено, что снижение размеров зерна исходного слитка увеличивает степень собирательной рекристаллизации изделия (прутков и профилей). Данный эффект был обнаружен при прессовании термически упрочняемых сплавов 6061, 2014, 2017 и ряда других (рис. 7).
Между тем при прессовании аналогичных прутков из слитков с величиной зерна 150— 250 мкм собирательную рекристаллизацию не наблюдали.
Рис. 7. Макростуктура слитка (а) сплава 6061 со средним размером зерна 50 мкм и прутка (б), полученного из него
Таблица 1
Свойства слитков сплавов 6082 и В96Ц3
Темпе- Размер Предел Относитель-
Сплав рату- зерна, текуче- ное удлине-
ра, °С мкм сти, МПа ние, %
6082 20 830 9,6 19,0
2020 8,8 18,8
В96Ц3 350 79-134 48 62
236-339 43 53
Данный феномен можно объяснить следующим образом.
Согласно закону Холла-Петча условный предел текучести повышается с уменьшением размера зерна [10]:
стт = Сто + К/4ё ,
где сто - напряжение, характеризующее сопротивление пластической деформации со стороны кристаллической решетки и ее дефектов, препятствующих движению решетчатых дислокаций;
К - коэффициент, характеризующий вклад в упрочнение со стороны границ зерен; d - размер зерна.
Исследования свойств слитков в зависимости от размера зерна полностью подтверждают закон Холла- Петча (табл. 1).
Соответственно, чем мельче зерно слитка, тем выше сопротивление деформации и тем больше вероятность собирательной рекристаллизации. Неконтролируемый рост зерна в прессованном изделии ведет к сни-
жению прочностных свойств (в соответствии с тем же законом Холла-Петча).
Исследование микроструктуры показало, что при кристаллизации модифицированного расплава увеличивается толщина зерно-граничных прослоек. Увеличение последней отмечено при исследовании всех высоколегированных алюминиевых и даже магниевых сплавов. Причем эффект наблюдался при разных видах модифицирования.
Изменение формы и повышение неравновесности границ литого зерна, по-видимому, является причиной снижения механических свойств и вязкости разрушения, а также ведет к снижению температуры рекристаллизации.
В прессованных изделиях из сплава 6061 при снижении размера зерна с обычных 150-250 мкм до 50 мкм был зафиксирован эффект роста зерна и, соответственно, снижения механических свойств. По результатам исследований было введено ограничение по количеству модификатора.
Снижение механических и усталостных свойств
Большой объем работ по плитам из высокопрочных алюминиевых сплавов, проведенных на ОАО «КУМЗ», показал, что измельчение зерна ниже определенного предела приводит к снижению ударной вязкости слитка и снижению вязкости разрушения изготовленных из него плит. Так, сравнительный анализ результатов оценки качества плоских слитков из сплава В96Ц3пч, отлитых без модифицирования расплава (0,00035 % мас. В) и с модифицированием расплава лигатурным прутком А1 - 5 Т1 - 1В (0,001 % мас. В), показал:
Таблица 2 Свойства плит из сплава В96Ц3пч
Размерзерна слитка, мкм Предел проч -ности, МПа Предел текучести, МПа Относительное удлинение, % Электропроводимость, МСм / м РСК, балл Вязкость разрушения, МПа • м1/2
79-134 236-239 620-633 632-639 599-612 607-614 8,0-9,1 8,5-9,6 20,2-20,5 20,5-21,0 7 5-6 18,5-18,8 26,12-27,9
- модифицирование расплава позволило снизить размер зерна в ~ 2,5-3,0 раза (с 236-239 до 79-134 мкм);
- влияние модифицирования расплава не проявилось в изменении значений относи -тельного сужения в интервале температур деформирования 400-425 °С. Относительное сужение как характеристика способности сплава к локальной деформации имеет значения 98,2-98,8 % в том и другом случае;
- значения относительного удлинения в интервале температур деформирования 400-425 °С снизилось с 98-104 % до 72-89 %, значение ударной вязкости с 1,6-1,4 до 1,2-1,5 кДж/мм2.
Результаты испытаний плит приведены в табл. 2
Заключение
1. Использование модификаторов приводит к дефектам типа интерметаллических включений и расслоений. Введение в сплав циркония провоцирует образование перистых кристаллов при кристаллизации.
2. Кристаллизация с большим числом зародышей может привести к росту напряжений в закристаллизованном слитке и повышенной вероятности формирования холодных трещин.
3. Снижение размера зерна в слитке увеличивает вероятность собирательной рекристаллизации.
4. В процессе кристаллизации модифицированного расплава увеличивается толщина эвтектических прослоек, что может привести к снижению прочностных и усталостных свойств. Причем данный эффект не зависит от способа измельчения зерна.
5. Для предотвращения отрицательных эффектов, связанных с измельчением зерна, необходимо:
- ограничить введение модифицирующей добавки до минимально возможного уровня;
- для каждого вида структуры слитка и каждого диапазона размера зерна требуется разный регламент гомогенизации и, возможно, последующей деформации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Добаткин В. И. Непрерывное литье и литейные свойства сплавов. - М.: Оборонгиза, 1948.
2. Добаткин В.И. Слитки алюминиевых сплавов. -Свердловск: Металлургиздат, 1960.
3. Добаткин В.И., Страхов Г.Н., Чурсин В.М. Модифицирование сплавов цветных металлов при заготовительном литье // Цветные металлы. 1989. № 12.
4. Напалков В.И., Махов С.В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. - М.: МИСИС, 2002. - 376 с.
5. Овсянников Б.В. Влияние модифицирования лигатурой ТЮА! на свойства слитков и плит сплава В95пч // Цветные металлы. 2003. № 10.
6. Овсянников Б.В., Колобнев Н.И., Хохлато-ва Л.Б., Попов В.И, Ивановский Н.П. Освоение производства полуфабрикатов из коррозионно-стойкого сплава марки 1370 системы А1-Мд-БнСи // Технология легких сплавов. 2002. № 4. С.44-47.
7. Овсянников Б.В., Семенихин А.И., Замятин В.М., Дорошенко Н.М. Влияние конструкции кристаллизатора и параметров непрерывного литья на структуру и механические свойства изделий из алюминиевого сплава 7075 // Цветные металлы. 2004. № 2.
8. Овсянников Б.В., Кожекин А.Е., Дорошенко Н.М., Замятин В.М. Структурная и химическая однородность в плоских слитках сплава 7075 // Технология легких сплавов. 2007. № 1.
9. Овсянников Б.В., Кожекин А.Е., Замятин В.М., Колобнев Н.И. Влияние металлургических и технологических факторов на склонность к образованию кристаллизационных трещин плоских слитков из алюминиевого сплава 1370 // Цветные металлы. 2007. № 6.
10. Чувильдеев В.Н. Неравновесные границы зерна в металлах. Теория и приложения. - М.: Физмат -лит, 2004.
