CC BY
36
-Ф-
_МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ_
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Е.Б. Качанов
УДК 669.715:669.793
СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛИСТОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА ТИПА 01570 С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ СКАНДИЯ*
Н.Г. Байдин, Ю.А. Филатов, докт. техн. наук (ОАО «ВИЛС», e-mail: [email protected])
Исследовали структуру и механические свойства лабораторных образцов листов из экспериментального алюминиевого сплава типа 01570 системы Al-Mg-Sc, в котором часть скандия (около 37 %) заменена более дешевым цирконием (условная марка сплава 01570-1). Лабораторные образцы листов толщиной 2,8 мм из экспериментального сплава 01570-1 в отожженном состоянии имеют полностью нерекристаллизованную структуру и механические свойства, соответствующие требованиям, предъявляемым к отожженным листам из серийного сплава 01570.
Ключевые слова: сплавы Al-Mg-Sc; содержание Sc; листы; структура; прочность.
A Structure and Mechanical Properties of Sheets in 01570-Type Aluminium Alloy with Lower Scandium Content. N.G. Baidin, Yu.A. Filatov.
A structure and mechanical properties of laboratory specimens of sheets in an experimental 1570-type Al-Mg-Sc aluminium alloy wherein a part of scandium (about 37 %) was substituted with lower cost zirconium (tentative grade of the alloy is 01570-1) were investigated. Experimental 01570-1 alloy laboratory sheet 2,8 mm thick specimens as-annealed have a completely nonrecrystallized structure and mechanical properties which meet requirements imposed for annealed sheets in commercial 01570 alloy.
Key words: Al-Mg-Sc alloys; Sc content; sheets; structure; strength.
Введение
Деформируемый алюминиевый сплав 01570 системы А!-Мд-Бс, разработанный в Советском Союзе в конце 70-х г. прошлого века [1], относится к категории термически неупрочняемых деформируемых алюминиевых сплавов, поскольку изготовленные из него деформированные полуфабрикаты не подвергаются упрочняющей термической обработке - закалке и старению. Однако особенностью сплавов системы А1-Мд-Бс, отличающей их от классических термически неуп-
* В работе принимали участие С.Г. Бочвар, А.Я. Винокуров, Д.А. Шадаев, В.В. Белоцерковец, Л.Г. Карса-нова, Т.А. Мухина, В.И. Цветкова.
рочняемых сплавов системы А1-Мд, является то, что в начале технологического цикла производства деформированных полуфабрикатов из этих сплавов при неизбежном гомоге-низационном отжиге слитков в них происходят процессы дисперсионного твердения, являющиеся следствием распада пересыщенного твердого раствора скандия и циркония в алюминии, образовавшегося при охлаждении слитка в температурном интервале кристаллизации. Продукты распада твердого раствора оказывают значительное упрочняющие воздействие как непосредственно, так и за счет торможения процессов рекристаллизации при горячей обработке слитка давлением и последующем отжиге деформированного полуфабриката. Достигнутый
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
уровень прочностных свойств деформированных полуфабрикатов из сплава 01570 в отожженном состоянии приближается к уровню прочностных свойств деформированных полуфабрикатов из наиболее распространенных термически упрочняемых деформируемых алюминиевых сплавов в состоянии после упрочняющей термической обработки [2]. Сплав 01570 применяется достаточно давно, однако область его применения ограниченна - это, в основном, изделия космической техники [3, 4]. Более широкому применению сплава 01570 препятствует его высокая стоимость, связанная с высокой стоимостью входящего в его состав скандия. Работы, проведенные в ВИЛСе, показывают, что содержание скандия в сплаве А!-Мд-Бс может быть уменьшено за счет частичной замены его цирконием [5, 6]. Приводятся данные о том, что тонкие прессованные полосы сечением 3*100 мм из модельных сплавов А!-6Мд-0,3Бс-0,17г и А!-6Мд-0,16Бс-0,157г в отожженном состоянии имеют практически одинаковые прочностные свойства - предел текучести ст0,2 = 274 и 270 МПа соответственно [6]. Применительно к сплаву 01570 наибольший интерес представляют листовые полуфабрикаты. Цель настоящей работы - изучение возможности получения листов из сплава 01570, в котором часть скандия (30-50%) заменена цирконием, с механическими свойствами, близкими к механическим свойствам листов из сплава 01570 с обычным содержанием скандия, и не ниже требуемых по техническим условиям на отожженные листы из сплава 01570 (ств 1 402 МПа, ст0,2 1 274 МПа, 8 1 13%), при этом особое внимание предполагали уделить экспериментальным данным, позволяющим судить о процессах дисперсионного твердения металла слитка при гомогенизационном отжиге.
Материал для исследования и методика эксперимента
В качестве материала для исследования выбрали лабораторные образцы листов толщиной 2,8 мм из базового сплава 01570 с расчетным составом Al-6Mg-0,4Mn-0,22Sc-0,08Zr и экспериментального сплава с условной маркой 01570-1 с расчетным составом Al-6Mg-0,4Mn-0,15Sc-0,15Zr, оба сплава должны содержать по расчету 0,01Ti и 0,001Be, содержание контролируемых примесей в обоих сплавах, не более: 0,3Fe, 0,2Si, 0,1Cu, 0,1Zn (везде % мас.).
Сплавы готовили в лабораторной электрической печи типа СШОЛ. В качестве шихтовых материалов использовали чушковой алюминий марки А7, чушковой магний марки Мг90, двойные лигатуры Al-Sc, Al-Zr, Al-Be, марганец брикетированный с флюсом марки Mn80F. В металлическую изложницу отлили круглые слитки диаметром 50 мм и плоские размером 16*160*200 мм. Фактический химический состав сплавов по результатам химического анализа приведен в табл. 1, из которой следует, что содержание скандия в сплаве 01570-1 на 36,8 % ниже, чем в сплаве 01570.
Плоские слитки предназначали для изготовления лабораторных образцов листов.
Исследования литого металла проводили на круглых слитках. Микроструктуру слитков исследовали с помощью светового микроскопа «Неофот-2» на поперечных шлифах, подвергнутых анодному оксидированию, съемку вели в поляризованном свете. Слитки обоих сплавов имеют мелкозернистую, в основном, недендритную структуру, средний размер зерна D0 = 73 и 89 мкм соответственно (рис. 1). Фазовый состав слитков исследовали на растровом электронном микро-
Таблица 1
Химический состав сплавов лабораторных плавок, % мас., А1 — основа
Сплав Mg Mn Sc Zr Ti Fe Si Zn Cu
01570 5,8 0,41 0,19 0,13 0,04 0,14 0,06 0,02 0,1
01570-1 5,9 0,50 0,12 0,16 0,02 0,16 0,06 0,02 0,1
Примечание. Оба сплава содержат 0,001 % Be по расчету шихты.
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
а б
Рис. 1. Микроструктура слитков сплавов 01570 (а) и 01570-1 (б)
скопе КУКУ с микроанализатором ЫОРАЫ. В структуре слитков обоих сплавов присутствуют избыточные фазы А!(Ре, Мп), МддЭ! и р, обычно содержащиеся в сплаве 01570. Что касается избыточных фаз, содержащих скандий и цирконий, а также титан, то в базовом сплаве 01570 это фаза А!з(Эс, Zr, И), а в спла-
ве 01570-1 с избытком циркония - фаза А!3^г, Эс, И) (рис. 2, 3).
Исследования слитков на предмет установления факта фиксации твердого раствора Эс и Zr в алюминии и его последующего распада проводили путем измерения удельной электрической проводимости у в состоянии
20 КУ 500 X 100 ит КУКУ-2800В ЭЕМ $14:3124
Рис. 2. Фазовый состав слитка сплава 01570
14 ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ № 4 2016
О -$— ф —$
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Рис. 3. Фазовый состав слитка сплава 01570-1
после литья и после нагревов при 350, 400 и 450 °С в течение 1, 3 и 5 ч. Удельную электрическую проводимость металла слитков измеряли токовихревым методом в соответствии с ГОСТ 27333-87 на поперечных макро-темплетах.
Результаты определения характеристики у (табл. 2) показывают, что при нагреве в условиях исследуемых температур и выдержке происходит распад твердого раствора, сопровождающийся повышением электропроводимости. Максимальный прирост удельной электрической проводимости Ау составляет 0,7 МСм/м или 5,3 % для сплава 01570 и 0,7 МСм/м или 5,4 % для сплава 01570-1.
Исследование процесса упрочнения слитков продуктами распада твердого раствора при их нагреве (эффекта дисперсионного твердения) проводили путем измерения твердости HB слитков в тех же состояниях, что и при определении у. Твердость измеряли на поперечных макротемплетах в соответствии с ГОСТ 9012-59. Результаты определения твердости приведены в табл. 2, откуда видно, что максимальный упрочняющий эффект АНВ у сплава 01570 составляет 26,73 ед. НВ или 37,3 % и наблюдается после нагрева при 350 °С, у сплава 01570-1 он составляет
21,8 ед. НВ или 31,5 % и наблюдается после нагрева при 400 °С. Исходя из этих данных, плоские слитки гомогенизировали в течение 5 ч при 350 °С для сплава 01570 и при 400 °С для сплава 01570-1. Гомогенизированные плоские слитки приводили в состояние, пригодное для прокатки - фрезеровали с поверхности до толщины 14 мм и обрабатывали под углом 110° в местах входа в валки прокатного стана (т.н. «замок Петрова»). Механически обработанные плоские гомогенизированные литые заготовки прокатывали при температуре от 360 °С до 390 °С с 14 до 6 мм, затем при 150 °С с 6 до 2,8 мм на лабораторном стане дуо-260. Полученные листы толщиной 2,8 мм и шириной 155 мм резали на карточки, которые отжигали в лабораторной печи при 320 °С, выдержка 1 ч, охлаждение с печью до 150 °С, далее на воздухе. Микроструктуру листов исследовали методом световой микроскопии в продольном сечении. Аппаратура и методика подготовки шлифов те же, что и при исследовании структуры слитков. Листы из обоих сплавов имеют не-рекристаллизованную зеренную структуру, вытянутую в направлении прокатки, причем размер зерна по толщине несколько больше у сплава 01570-1 (рис. 4).
-Ф-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Таблица 3 Механические свойства лабораторных образцов листов толщиной 2,8 мм из сплавов 01570 и 01570-1, отожженное состояние (320 °С, 1 ч), продольное направление, средние значения
Предел Предел Относитель-
Сплав прочности текучести ное удлине-
ств, МПа ст02, МПа ние 8, %
01570 01570-1 410 421 310 295 12,5 17
Таблица 2
Влияние нагревов на удельную электрическую проводимость у и твердость НВ металла слитков сплавов 01570 и 01570-1
Режим нагрева
Сплав Температура Т, °С Время выдержки т при температуре Т, ч У. МСм/м НВ, ед.
Без нагрева 13,2 71,6
1 13,5 93,93
350 3 13,3 98,33
5 13,3 97,97
01570 1 13,6 90,37
400 3 13,7 90,40
5 13,8 92,47
1 13,8 91,77
450 3 13,9 78,97
5 13,8 90,73
Без нагрева 12,9 69,27
1 13,3 88,07
350 3 12,9 85,53
5 13,2 89,70
01570-1 1 13,2 88,37
400 3 13,0 87,10
5 13,4 91,07
1 13,6 89,03
450 3 13,5 87,03
5 13,6 90,37
Ф-
б
Рис. 4. Микроструктура отожженных листов из сплавов 01570 (а) и 01570-1 (б)
Механические свойства отожженных листов определяли на образцах, вырезанных в продольном направлении (ГОСТ 11701-84, ширина рабочей части образца 10 мм). Результаты испытаний приведены в табл. 3.
Обсуждение результатов
Как видно из табл. 1, исследуемый сплав 01570-1 содержит на 37 % меньше скандия и на 23 % больше циркония, чем исследуемый базовый сплав 01570. Микроструктура слитков обоих сплавов практически одинаковая, можно лишь отметить, что у сплава 01570-1 средняя величина зерна несколько больше (см. рис. 1). Довольно сильно исследуемые сплавы различаются между собой по составу и геометрии избыточных фаз кристаллизационного происхождения, содержащих Бе, и Т
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
(см. рис. 2, 3). Игольчатая фаза А13^г, Бс, И) (см. рис. 3) имеет менее благоприятную конфигурацию, чем глобулярная фаза А^(Бс, 7г, И) (см. рис. 2). Судя по меньшему значению показателя у в слитке сплава 01570-1 в исходном состоянии без нагрева (см. табл. 2), можно предположить, что в сплаве 01570-1 степень пересыщенности твердого раствора выше, чем в сплаве 01570. Несмотря на существенно меньшее содержание скандия в сплаве 01570-1, эффект дисперсионного твердения у него почти такой же, как у сплава 01570. Практически важным является тот факт, что у сплава 01570-1 распад твердого раствора происходит при более высокой температуре (400 °С), чем у сплава 01570 (350 °С). Структура листов из обоих сплавов одинаково устойчива против рекристаллизации (см. рис. 4), по крайней мере, для данной температуры отжига (320 °С). Несколько большую толщину нерекристаллизованных зерен в отожженном листе из сплава 01570-1 (см. рис. 4, б) можно объяснить несколько большей величиной недендритного зерна в слитке этого сплава. Прочностные характеристики лабораторных образцов листов из обоих сплавов в отожженном состоянии близки между собой. Образцы листов из сплава 01570-1 имеют несколько меньший (на 15 МПа или примерно на 5 %) предел текучести, но значительно более высокое (примерно в 1,3 раза) относительное удлинение (см. табл. 3), что, по-видимому, связано с более высокой температурой гомогенизационного отжига слитка сплава 01570-1. Также следует отметить, что по своим механическим свойствам полученные лабораторные образцы листов из сплава 01570-1 в отожженном состоянии удовлетворяют требованиям ТУ на отожженные листы из сплава 01570.
Полученные в работе результаты хорошо согласуются с данными [6], что говорит о перспективности данного направления.
Заключение
При сравнительном исследовании слитков лабораторных плавок сплава 01570 и сплава типа 01570, в котором 37 % скандия заменено цирконием (условная марка 01570-1), установили, что в обоих сплавах наблюдается близкий по величине эффект дисперсионного твердения металла слитка при гомогениза-ционном отжиге. Величина этого эффекта максимальна при 350 °С для сплава 01570 и при 400 °С для сплава 01570-1. Лабораторные образцы листов из обоих сплавов, полученные путем прокатки слитков лабораторных плавок, подвергнутых гомогенизацион-ному отжигу при указанных температурах, в отожженном (320 °С, 1 ч) состоянии имеют нерекристаллизованную структуру и близкие механические свойства (предел текучести ст0,2 = 310 МПа и 295 МПа, относительное удлинение 12,5 и 17% соответственно). По механическим свойствам полученные в настоящей работе лабораторные образцы удовлетворяют требованиям технических условий на отожженные листы из сплава 01570. Более высокую пластичность лабораторных образцов листов из сплава 01570-1 можно объяснить более высокой температурой го-могенизационного отжига слитков. Представляется целесообразным провести аналогичные сравнительные исследования листов из сплавов 015570 и 01570-1, полученных в условиях опытно-промышленного производства из плоских слитков, отлитых полунепрерывным методом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Авт. свид. 704266 СССР. Сплав на основе алюминия / Дриц М.Е., Торопова Л. С., Быков Ю.Г., Елагин В.И., Филатов Ю.А., Захаров В.В., Золото-ревский Ю.С., Макаров А.Г. 1979.
2. Филатов Ю.А. Сплавы системы Al-Mg-Sc как особая группа деформируемых алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 2014. № 2. С. 34-41.
3. Маркачев Н.А., Ковтун В.А., Буханова Н.М., Лавочкина Л.Л. Опыт создания сварных герметичных конструкций из алюминиевого сплава 01570 // Технология легних сплавов. 1997. № 5. С. 14-18.
4. Филатов Ю.А. Алюминиевые сплавы системы А1-Мд-Бс для космической техники // Технология легких сплавов. 2013. № 4. С. 61-65.
5. Захаров В.В., Фисенко И.А. Об экономии скандия при легировании им алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 2013. № 4. С. 52-60.
6. Захаров В.В., Фисенко И.А. О возможности создания экономнолегированных скандием алюминиевых сплавов//Технология легких сплавов. 2015. № 4. С. 40-44.
