Структурообразование алюминиевого сплава с заперитектическим содержанием марганца и титана при воздействии постоянного магнитного поля на затвердевающий расплав
Установлено, что при обработке сплава алюминия, легированного марганцем и титаном, постоянным магнитным полем в периоды заливки, охлаждения и затвердевания, содержание марганца и титана увеличилось в α-твёрдом растворе алюминия, а во включениях интерметаллидов снизилось, но при этом их микротвёрдост...
Saved in:
| Date: | 2015 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2015
|
| Series: | Процессы литья |
| Subjects: | |
| Online Access: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160460 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Структурообразование алюминиевого сплава с заперитектическим содержанием марганца и титана при воздействии постоянного магнитного поля на затвердевающий расплав / В.И. Дубоделов, В.А. Середенко, А.С. Затуловский, А.В. Косинская, Е.В. Середенко // Процессы литья. — 2015. — № 3. — С. 20-26. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-160460 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1604602019-11-07T01:25:48Z Структурообразование алюминиевого сплава с заперитектическим содержанием марганца и титана при воздействии постоянного магнитного поля на затвердевающий расплав Дубоделов, В.И. Середенко, В.А. Затуловский, А.С. Косинская, А.В. Середенко, Е.В. Кристаллизация и структурообразование сплавов Установлено, что при обработке сплава алюминия, легированного марганцем и титаном, постоянным магнитным полем в периоды заливки, охлаждения и затвердевания, содержание марганца и титана увеличилось в α-твёрдом растворе алюминия, а во включениях интерметаллидов снизилось, но при этом их микротвёрдость возросла. размеры интерметаллидов сократились до 9 раз за счёт их разрушения и растворения. Эффекты перераспределения компонентов между фазами и модифицирование включений могут быть связаны с магнитогидродинамическими течениями, возникающими при кристаллизации интерметаллидов в расплаве вследствие взаимодействия магнитного поля и термотока. Повышение микротвёрдости включений предположительно обусловлено уменьшением несовершенств их строения, что отображалось формой и характером окрашивания при травлении. Встановлено, що при обробці алюмінієвого сплаву, легованого марганцем і титаном, постійним магнітним полем у періоди заливання, охолодження і твердіння, вміст марганцю і титану збільшився в α-твердому розчині алюмінію, а у вкрапленнях інтерметалідів знизився, але їхня мікротвердість при цьому збільшилась. Розміри інтерметалідів скоротились до 9 разів за рахунок їхньої руйнації і розчинення. Ефекти перерозподілу компонентів між фазами і модифікування включень можуть бути пов’язаними з магнітогідродинамічними течіями, що виникають при кристалізації інтерметалідів в розплаві внаслідок взаємодії магнітного поля і термічного струму. Збільшення мікротвердості включень, можливо, обумовлено зменшенням недосконалостей їхньої будови, що відображено формою і характером забарвлення при травленні. It is set that at treatment of alloy of Al with Mn and Ti by the constant magnetic field in periods of casting, cooling and solidification, contents of Mn and Ti increased in α-solid solution of Al, and in intermetallics inclusions decreased, but their microhardness grew here. Sizes of in intermetallics were decreased to 9 times due to their destruction and dissolution. The effects of redistribution of components phase-to-phase and modification of inclusions can be related to the magnetohydrodynamics flows arising up during crystallization of intermetallics in the melt because of cooperation of magnetic field and thermo-current. The increase of microhardness of inclusions is, probably, conditioned by reduce imperfections of their structure, that was represented by a form and character of their color with etching. 2015 Article Структурообразование алюминиевого сплава с заперитектическим содержанием марганца и титана при воздействии постоянного магнитного поля на затвердевающий расплав / В.И. Дубоделов, В.А. Середенко, А.С. Затуловский, А.В. Косинская, Е.В. Середенко // Процессы литья. — 2015. — № 3. — С. 20-26. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0235-5884 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160460 559.715:621.74.043:538.4 ru Процессы литья Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Кристаллизация и структурообразование сплавов Кристаллизация и структурообразование сплавов |
| spellingShingle |
Кристаллизация и структурообразование сплавов Кристаллизация и структурообразование сплавов Дубоделов, В.И. Середенко, В.А. Затуловский, А.С. Косинская, А.В. Середенко, Е.В. Структурообразование алюминиевого сплава с заперитектическим содержанием марганца и титана при воздействии постоянного магнитного поля на затвердевающий расплав Процессы литья |
| description |
Установлено, что при обработке сплава алюминия, легированного марганцем и титаном, постоянным магнитным полем в периоды заливки, охлаждения и затвердевания, содержание марганца и титана увеличилось в α-твёрдом растворе алюминия, а во включениях интерметаллидов снизилось, но при этом их микротвёрдость возросла. размеры интерметаллидов сократились до 9 раз за счёт их разрушения и растворения. Эффекты перераспределения компонентов между фазами и модифицирование включений могут быть связаны с магнитогидродинамическими течениями, возникающими при кристаллизации интерметаллидов в расплаве вследствие взаимодействия магнитного поля и термотока. Повышение микротвёрдости включений предположительно обусловлено уменьшением несовершенств их строения, что отображалось формой и характером окрашивания при травлении. |
| format |
Article |
| author |
Дубоделов, В.И. Середенко, В.А. Затуловский, А.С. Косинская, А.В. Середенко, Е.В. |
| author_facet |
Дубоделов, В.И. Середенко, В.А. Затуловский, А.С. Косинская, А.В. Середенко, Е.В. |
| author_sort |
Дубоделов, В.И. |
| title |
Структурообразование алюминиевого сплава с заперитектическим содержанием марганца и титана при воздействии постоянного магнитного поля на затвердевающий расплав |
| title_short |
Структурообразование алюминиевого сплава с заперитектическим содержанием марганца и титана при воздействии постоянного магнитного поля на затвердевающий расплав |
| title_full |
Структурообразование алюминиевого сплава с заперитектическим содержанием марганца и титана при воздействии постоянного магнитного поля на затвердевающий расплав |
| title_fullStr |
Структурообразование алюминиевого сплава с заперитектическим содержанием марганца и титана при воздействии постоянного магнитного поля на затвердевающий расплав |
| title_full_unstemmed |
Структурообразование алюминиевого сплава с заперитектическим содержанием марганца и титана при воздействии постоянного магнитного поля на затвердевающий расплав |
| title_sort |
структурообразование алюминиевого сплава с заперитектическим содержанием марганца и титана при воздействии постоянного магнитного поля на затвердевающий расплав |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| publishDate |
2015 |
| topic_facet |
Кристаллизация и структурообразование сплавов |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160460 |
| citation_txt |
Структурообразование алюминиевого сплава с заперитектическим содержанием марганца и титана при воздействии постоянного магнитного поля на затвердевающий расплав / В.И. Дубоделов, В.А. Середенко, А.С. Затуловский, А.В. Косинская, Е.В. Середенко // Процессы литья. — 2015. — № 3. — С. 20-26. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| series |
Процессы литья |
| work_keys_str_mv |
AT dubodelovvi strukturoobrazovaniealûminievogosplavaszaperitektičeskimsoderžaniemmargancaititanaprivozdejstviipostoânnogomagnitnogopolânazatverdevaûŝijrasplav AT seredenkova strukturoobrazovaniealûminievogosplavaszaperitektičeskimsoderžaniemmargancaititanaprivozdejstviipostoânnogomagnitnogopolânazatverdevaûŝijrasplav AT zatulovskijas strukturoobrazovaniealûminievogosplavaszaperitektičeskimsoderžaniemmargancaititanaprivozdejstviipostoânnogomagnitnogopolânazatverdevaûŝijrasplav AT kosinskaâav strukturoobrazovaniealûminievogosplavaszaperitektičeskimsoderžaniemmargancaititanaprivozdejstviipostoânnogomagnitnogopolânazatverdevaûŝijrasplav AT seredenkoev strukturoobrazovaniealûminievogosplavaszaperitektičeskimsoderžaniemmargancaititanaprivozdejstviipostoânnogomagnitnogopolânazatverdevaûŝijrasplav |
| first_indexed |
2025-07-14T13:06:00Z |
| last_indexed |
2025-07-14T13:06:00Z |
| _version_ |
1837627721979527168 |
| fulltext |
20 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111)
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ СПЛАВОВ
УДК 559.715:621.74.043:538.4
В. И. Дубоделов, В. А. Середенко, А. С. Затуловский,
А. В. Косинская, Е. В. Середенко
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ АЛюмИНИЕВОгО СПЛАВА
С ЗАПЕРИТЕКТИчЕСКИм СОДЕРжАНИЕм мАРгАНЦА
И ТИТАНА ПРИ ВОЗДЕйСТВИИ ПОСТОЯННОгО
мАгНИТНОгО ПОЛЯ НА ЗАТВЕРДЕВАющИй РАСПЛАВ
Установлено, что при обработке сплава алюминия, легированного марганцем и титаном, по-
стоянным магнитным полем в периоды заливки, охлаждения и затвердевания, содержание
марганца и титана увеличилось в α-твёрдом растворе алюминия, а во включениях интерме-
таллидов снизилось, но при этом их микротвёрдость возросла. размеры интерметаллидов
сократились до 9 раз за счёт их разрушения и растворения. Эффекты перераспределения
компонентов между фазами и модифицирование включений могут быть связаны с магни-
тогидродинамическими течениями, возникающими при кристаллизации интерметаллидов
в расплаве вследствие взаимодействия магнитного поля и термотока. Повышение микро-
твёрдости включений предположительно обусловлено уменьшением несовершенств их
строения, что отображалось формой и характером окрашивания при травлении.
Ключевые слова: сплав алюминия, включения интерметаллидов, постоянное магнитное
поле, заливка, охлаждение, затвердевание, перераспределение элементов, микротвёр-
дость фаз.
Встановлено, що при обробці алюмінієвого сплаву, легованого марганцем і титаном, по-
стійним магнітним полем у періоди заливання, охолодження і твердіння, вміст марганцю і
титану збільшився в α-твердому розчині алюмінію, а у вкрапленнях інтерметалідів знизився,
але їхня мікротвердість при цьому збільшилась. розміри інтерметалідів скоротились до 9
разів за рахунок їхньої руйнації і розчинення. Ефекти перерозподілу компонентів між фазами
і модифікування включень можуть бути пов’язаними з магнітогідродинамічними течіями, що
виникають при кристалізації інтерметалідів в розплаві внаслідок взаємодії магнітного поля
і термічного струму. Збільшення мікротвердості включень, можливо, обумовлено зменшен-
ням недосконалостей їхньої будови, що відображено формою і характером забарвлення при
травленні.
Ключові слова: сплав алюмінію, включення інтерметалідів, постійне магнітне поле, заливання,
охолодження, тверднення, перерозподіл елементів, мікротвердість фаз.
It is set that at treatment of alloy of Al with Mn and Ti by the constant magnetic field in periods of
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) 21
Кристаллизация и структурообразование сплавов
casting, cooling and solidification, contents of Mn and Ti increased in α-solid solution of Al, and in
intermetallics inclusions decreased, but their microhardness grew here. Sizes of in intermetallics
were decreased to 9 times due to their destruction and dissolution. The effects of redistribution of
components phase-to-phase and modification of inclusions can be related to the magnetohydro-
dynamics flows arising up during crystallization of intermetallics in the melt because of cooperation
of magnetic field and thermo-current. The increase of microhardness of inclusions is, probably,
conditioned by reduce imperfections of their structure, that was represented by a form and char-
acter of their color with etching.
Kaywords: aluminum alloy, intermetallic inclusions, constant magnetic field, casting, cooling,
solidification, elements redistribution, microhardness.
Работы, направленные на совершенствование свойств алюминиевых сплавов
путём введения малых добавок переходных металлов, были начаты ещё в на-
чале ХХ века с марганца, влияние которого на свойства сплавов связано с обра-
зованием в структуре дисперсных вторичных частиц алюминида марганца [1]. В
настоящее время марганец входит в группу наиболее распространённых пере-
ходных металлов, нашедших применение в промышленных алюминиевых сплавах.
Он, как и другие наиболее востребованные переходные металлы (цирконий, хром,
титан, скандий), имеет при высоких температурах (эвтектическое и перитектиче-
ское превращения), растворимость в твёрдом алюминии на уровне 1,8 %мас., ко-
торая резко снижается с падением температуры. При этом сплавы Al-Mn характе-
ризуются высокой устойчивостью как твёрдых, так и жидких растворов марганца в
алюминииl [2].
Среди современных способов воздействия на кристаллизующиеся алюминиевые
сплавы, с целью изменения дисперсности фаз, применяются методы модифици-
рования. Модифицирование, являющееся универсальным и высокоэффективным
методом управления структурой, входит в качестве обязательной операции в тех-
нологии производства алюминиевых сплавов. Из переходных металлов одним из
наиболее сильных модификаторов является титан [3]. Добавки титана не только
положительно влияют на эксплуатационные свойства как отливок, так и алюминие-
вых деформируемых полуфабрикатов, но и кардинально улучшают технологические
свойства сплавов [4].
Особую перспективу в современной металлургии и литейном производстве пред-
ставляют физические способы модифицирования. Одним из них является исполь-
зование электромагнитного воздействия на металлический расплав. Управление
процессом кристаллизации расплава наложением внешнего электромагнитного
поля позволяет получать различный тип структуры материала, который определяет
уровень свойств и характер поведения сплава на последующих этапах его перера-
ботки [5-7]. В отличие от переменных электромагнитных полей, глубина проникно-
вения которых в обрабатываемый металл ограничена вследствие скин-эффекта и
уменьшается с увеличением частоты изменения поля, постоянные магнитные поля
равномерно воздействуют на весь объём металла. Процессы, происходящие в рас-
плавленных и затвердевающих металлах под воздействием постоянных магнитных
полей на микроуровне, очень сложные, а механизмы такого влияния раскрыты лишь
частично, особенно для алюминиевых сплавов, которые легированы одновременно
двумя переходными металлами.
Для установления изменений в структуре сплавов и некоторых их свойств, про-
исходящих под действием постоянного магнитного поля, была выбрана система
Al-Mn-Ti, с комбинацией перитектической схемы кристаллизации как в системе
Al-Mn, так и Al-Ti.
При традиционной технологии производства таких сплавов обычно ограничивают
легирование концентрациями компонентов, которые ещё не приводят к образова-
нию первичных кристаллов вторых фаз. В то же время известно, [8], что на основе
трёхкомпонентных систем, содержащих переходные металлы, можно синтезиро-
22 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111)
Кристаллизация и структурообразование сплавов
вать сплавы c повышенной жаропрочностью. Образование в них более сложных,
чем в бинарной системе, интерметаллидов, определяет дополнительный эффект
жаропрочности. Повышение степени легирования и одновременное использование
технологических процессов, влияющих на конфигурацию и размеры образующихся
включений, позволило бы существенно улучшить свойства сплавов.
Целью данной работы было исследование действия постоянного магнитного
поля, наложенного на сплав алюминия заперитектического состава с марганцем
и титаном в период его заливки, охлаждения и затвердевания на форму, размер
включений интерметаллидов и распределение легирующих компонентов между
фазами литого сплава.
При проведении экспериментов использовали слабое однородное постоянное
горизонтально направленное магнитное поле с индукцией 0,25 Тл. Шихтовыми
материалами для получения сплава служили алюминий технической чистоты (А6) и
сплавленные лигатуры (Al-Mn с 8,6-8,7 %мас. Mn) и (Al-Ti с 2,7-3,1 %мас. Ti). Масса
полученного сплава составляла 0,11 кг. Содержание легирующих компонентов в
сплаве было, %мас.: Mn − 4,57-7,79 и Ti − 0,54-0,6; в сплаве присутствовали примеси
железа и кремния. Выплавка сплава осуществлялась в печи электросопротивления
в графитовых тиглях. Плавка и заливка производилась при температуре 860 0С. По-
сле расплавления компонентов шихты и достижения заданного перегрева расплав
выдерживался в печи 10-15 мин. Готовый сплав заливался в графитовые формы (их
температура была ~20 0С) без наложения магнитного поля (контрольный сплав) и
под воздействием поля. Диаметр полученных отливок составлял 25, высота – 50 мм.
Режим заливки расплава характеризовался числами Re (Рейнольдса), а при на-
личии магнитного поля, также N (параметром МГД-взаимодействия), Ha (Гартмана),
Al (Альфвена) и Pr
m
(магнитным числом Прандтля) [9]. Значения данных чисел в на-
чале и конце заливки расплава были соответственно: Re ~ 9000 и 10000; N ~ 1,0 и
2,0; Ha ~ 270 и 340. Величина Prm была на уровне 2,8·10-6.
Охлаждение и затвердевание металла в форме происходило со скоростью ~
20 0С/с. Тепловой процесс при заливке расплава описывался числом Pe (Пекле). Его
значение изменялось от ~130 (в начале заливки) до ~1500 (в конце). Охлаждение ме-
талла от температуры заливки до температуры кристаллизации характеризовалось
числом Fo (Фурье), а период затвердевания – числом Bi (Био). При неподвижном
расплаве значение Bi вычислялось исходя из условия Nu = 1 для цилиндрической
формы отливки, которое было обосновано в работе [10]. Значения данных чисел
были – Fo ~ 2,7; Bi ~ 0,8.
Общее содержание компонентов в сплаве и в его фазах определялось методами
спектрального и микрорентгеноспектрального анализов. Для анализа литой структуры
готовились шлифы в горизонтальном сечении образцов на уровне ~ 30 мм от верхней
кромки отливки. Металлографический анализ проводили на приборе Neophot на
травленных шлифах (1%-ный раствор фтороводородной кислоты в дистиллиро-
ванной воде). Измерения микротвёрдости фаз проводили на приборе ПМТ–3 при
нагрузке 5 г.
Проведёнными металлографическими исследованиями было установлено, что
структура сплава, полученного без воздействия магнитного поля, была представ-
лена α-твёрдым раствором алюминия, в котором легирующие элементы (марганец
и титан) были распределены равномерно, о чём свидетельствовал узкий диапазон
изменения их концентраций (таблица). Значение микротвёрдости α-твёрдого рас-
твора алюминия составило Нμ
5
= 21,1 кг/мм2.
В структуре сплава присутствовали интерметаллиды на основе соединения
алюминия с марганцем, титаном и кремнием. В этих интерметаллидах содержание
марганца изменялось в весьма узком диапазоне, а соотношение между наимень-
шими и наибольшими количествами титана и кремния в их концентрационных диа-
пазонах было на уровне ~ 1,5 (см. таблицу – интерметаллиды №1). Форма включе-
ний интерметаллидов была круглой, овальной и шестоватой (соотношение длины
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) 23
Кристаллизация и структурообразование сплавов
к ширине включений составляло от
1 до 9). Ширина и длина включений
была в среднем соответственно 50
и 100 мкм, а диапазон этих величин
составлял: ширина 15-60 и длина
20-460 мкм (рис. 1). Вероятно,
вследствие того, что по составу
основного легиру-ющего эле-
мента (Mn) включения одина-
ковы, они имели одну природу
происхождения, а их разная
форма на шлифах обусловлена
неодинаковой ориентировкой
этих интерметаллидов в объёме
сплава. Поскольку большинство
включений, попавших в пло-
скость шлифа, представляли
округлые образования, а сечение образцов было выполнено в горизонтальной
плоскости, то, вероятно, они представляли собой шестоватые образования с
округлым поперечным сечением, преимущественно ориентированные перпен-
дикулярно дну формы. Данные включения имели повышенную микротвёрдость:
Нμ
5
= 70,9-86,6 кг/мм2. В структуре сплава также встречались отдельные участки,
с игольчатыми и тонковетвистыми дендритными интерметаллидами (рис. 1, тип
№ 2) .
Структура сплава, обработанного постоянным магнитным полем, отличалась от
контрольного металла тем, что в ней присутствовали зоны с разным строением. В
зоне, прилегающей к наружной поверхности образца (периферийной), протяжённо-
стью до 3 мм, наблюдалась направленная (от кромки образца к его центру) область
удлинённых кристаллов α-фазы, по границам которых выделялись тонкие игольча-
тые и тонковетвистые дендриты интерметаллидов типа № 2 на основе алюминия с
марганцем, титаном, кремнием и железом (см. таблицу, рис. 2). В центральной части
образца интерметаллиды присутствовали в виде овальных и круглых кристаллов
(рис. 3), местами группирующихся в звёздчатые образования (см. рис. 2 и 3).
Анализ состава α-твёрдого раствора алюминия показал, что в периферийной
зоне, по сравнению с центром, он был обогащён марганцем и титаном, чем можно
объяснить повышенные показатели микротвёрдости (Нμ
5
= 35,7 кг/мм2) по сравнению
с центральной зоной (Нμ
5
= 21,2 кг/мм2). В центральной зоне сплава по сравнению с
контрольным металлом количество марганца почти не изменилось, а титана увеличи-
Рис. 1. Структура сплава Al-Mn-Ti, полученного без
воздействия магнитного поля: 1 – интерметаллиды
№ 1 на основе алюминия с марганцем, титаном и
кремнием, 2 – зона в структуре сплава с тонкими ин-
терметаллидами № 2 (обозначения интерметаллидов
Элеме-
нты
Контрольный сплав Сплав, обработанный магнитным полем
центральная зона центральная зона зона периферии
α-твёрдый
раствор Al
интерметал-
лиды № 2
α-твёрдый
раствор Al
интерметал-
лиды № 2
α-твёрдый
раствор Al
интерметал-
лиды № 1
Al 97,65-97,89 72,48-72,6 97,59-97-91 71-54-81,8 94,07-97,16 92,66-94,27
Mn 1,86-1,96 22,26-23,58 1,88-2,13 15,32-24,54 2,5-4,3 4,51-7,04
Ti 0,15-0,25 3,9-5,07 0,08-0,19 2,47-3,85 0,21-1,5 0,04-0,92
Si 0,0-0,23 0,04-0,06 0,02-0,14 0,07-0,41 0,11-0,13 0,05-0,3
Содержание элементов в образующихся фазах полученного сплава, %мас.
24 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111)
Кристаллизация и структурообразование сплавов
лось в 1,3-1,9 раза. Также возрос-
ла неоднородность распределе-
ния титана в результате действия
поля – различие между верхней и
нижней границами диапазона его
содержания в контрольном сплаве
и обработанном полем было со-
ответственно 1,7 и 2,4 раза. При
сравнении особенностей распре-
деления легирующих элементов
в периферийной и центральной
зонах сплава, обработанного
полем, было отмечено, что в пе-
риферийной зоне количество
марганца и титана, содержащихся
в α- твёрдом растворе алюминия,
увеличилось соответственно в
1,3-2,0 и 2,6-7,9 раза. Усилилась
неоднородность распределения
марганца и титана при переходе
от центральной к периферийной
зоне образца. Это выразилось в
увеличении соотношения между
максимальными и минимальны-
ми значениями содержания этих
компонентов в соответствующих
зонах. Для марганца оно возрос-
ло в направлении от центральной
зоны к периферийной от 1,1 до 1,7
раза, а для титана– от 2,4 до 7,1
раз (см. таблицу)
Как показали проведённые
исследования, интерметаллиды
типа № 1 в контрольном металле
и сплаве, прошедшем обработку
полем, имели не только различную
форму, но и состав. Интерме-
таллиды №1 центральной зоны
металла, полученного с примене-
нием поля, характеризовались средними размерами 10-50 мкм (максимальные
до 100 мкм). По сравнению с контрольным сплавом произошло значительное
сокращение длины включений интерметаллидов №1 (до 5 раз), а максимальное
значение соотношения длины и ширины данных образований сократилось до 3
раз. Шестоватые включения не наблюдались. Содержание компонентов сплава в
этих интерметаллидах стало более неоднородным по сравнению с контрольным
сплавом. Соотношение максимального и минимального значения концентраций
марганца, титана и кремния в интерметаллидах типа № 1 в сплаве, полученном в
поле, по сравнению с контрольным металлом, возросло для марганца с 1,1 до 1,6
раз; титана с 1,3 до 1,6 раза и кремния с 1,5 до 5,9 раз (см. таблицу). Микротвёрдость
интерметаллидов типа №1 была Нμ
5
= 79,5-97,3 кг/мм2. Расширение диапазона её
значений по сравнению с микротвёрдостью аналогичных включений контрольного
сплава связано с увеличением неоднородности распределения в них компонентов.
Рис. 3. Структура центральной зоны сплава Al-Mn-Ti,
полученного под воздействием магнитного поля
Рис. 2. Структура сплава Al-Mn-Ti, полученного под
воздействия магнитного поля на границе перифе-
рийной и центральной зон: 1 – периферийная зона
с тонкими интерметаллидами типа № 2 на основе
алюминия с марганцем, титаном, кремнием и желе-
зом; 2 – граница периферийной и центральной зон;
3 – центральная зона в структуре сплава с интерме-
таллидами типа №1 на основе алюминия с марган-
цем, титаном и кремнием
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) 25
Кристаллизация и структурообразование сплавов
Отмечено, что максимальное содержание марганца в интерметаллидах № 1 спла-
ва, обработанного полем, весьма близко к аналогичному показателю контрольного
сплава (различие не превышает 4 %). Это указывает на то, что одна часть включений
не изменила состава по марганцу, а из другой части включений марганец под воз-
действием поля перешёл в основу сплава. Также произошло перераспределение
титана под воздействием поля – уменьшение его количества во включениях типа
№1 и увеличение в матрице сплава. Поведение кремния было противоположным.
Таким образом, проявилась тенденция рассеяния полем элементов с выражен-
ным парамагнетизмом по объёму сплава и концентрация в компактных объёмах
включений диамагнитного элемента. Исчезновение шестоватых включений под
воздействием внешнего магнитного поля в центральной зоне образцов, вероят-
но, связано с разрушением растущих в расплаве кристаллов интерметаллидов
вследствие магнитогидродинамических течений, вызванных взаимодействием
магнитного поля и электротока, обусловленным переохлаждением, на фронте кри-
сталлизации интерметаллида (термоэлектрический эффект Зеебека). Поскольку
форма включений в обработанном магнитным полем сплаве близка к очертаниям
поперечных сечений шестоватых включений сплава-свидетеля, то, возможно, они
являются фрагментами разрушенных шестоватых интерметаллидов (см. рис. 1-3).
Повышение микротвёрдости у включений № 1 сплава, обработанного полем, по
сравнению с интерметаллидами №1 контрольного сплава (несмотря на понижение
количества титана во всех включениях и марганца у части включений), вероятно,
вызвано тем, что поле уменьшило количество дефектов строения включений. На
рис. 1-3 включения, образовавшиеся в поле, имеют более чёткие очертания и одно-
родность окрашивания.
явление слома в магнитном поле растущего дендрита алюминия в направлен-
но кристаллизующемся сплаве Al-Cu зафиксировано в работе [11], а разрушение
интерметаллидов алюминия в сплаве Al-Cu, легированного редкоземельными
элементами, показано в работе [12]. Магнитогидродинамическими течениями, ве-
роятно, обусловлено выраженное различие в содержании марганца во включениях.
Из этого элемента наряду с алюминием, в основном, состоит интерметаллидная
фаза и, возможно, на начальном этапе формирования кристалла интерметаллида,
электромагнитные течения слабее развиты, чем на последующих стадиях роста
фазы, что и обусловило весьма близкие значения содержания марганца во включе-
ниях контрольного сплава и части интерметаллидов в сплаве, обработанного полем.
Кроме того, понижение количества марганца и титана под воздействием поля во
включениях типа № 2 на периферии образцов, где перепад температур был выше
по сравнению с условиями в центре, при которых формировались интерметаллиды
№ 1, и способствовал большему переохлаждению в этой зоне и интенсификации
магнитогидродинамических течений, что, вероятнее всего, вызвало растворение
крупных включений типа №1 и дополнительное легирование α-твёрдого раствора
алюминия.
Известно [13], что модифицирующее влияние титана в алюминиевых сплавах
связано с образованием частиц Al
3
Ti, выполняющих роль зародышей, так как они
первично образуются в составах заперитектического содержания титана. В бинарной
системе Al-Mn при содержании марганца в пределах 4-5 %мас. при кристаллиза-
ции сплава первично образуется соединение Al
4
Mn. Присутствие кремния снижает
растворимость марганца в алюминии, что может усиливать эффект образования
интерметаллидов [14]. Как показал приведённый металлографический анализ, в
исследованном сплаве отсутствовали частицы Al
3
Ti. Титан, как и марганец, при-
сутствует в составе интерметаллидов одновременно с кремнием, образуя сложное
соединение высокой твёрдости. При этом содержание этих элементов в образую-
щихся включениях значительно превышало количество их в α-твёрдом растворе
26 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111)
Кристаллизация и структурообразование сплавов
алюминия. Учитывая тот факт, что в образцах, затвердевавших в условиях действия
магнитного поля, происходило перераспределение легирующих элементов между
фазами, можно говорить о модифицирующем влиянии поля на структуру сплава. В
результате его действия на кристаллизующийся расплав происходило измельчение
выделений вторых фаз, повышалась их размерная однородность.
Таким образом, постоянное магнитное поле, накладываемое на кристаллизу-
ющийся расплав, обладает свойствами модификатора, способствует измельчению
интерметаллидной фазы, повышению её микротвёрдости, и тем самым управляет
структурой алюминиевого сплава и его свойствами. Мелкокристаллические интер-
металлиды высокой твёрдости могут быть полезными структурными составляющими
при создании жаропрочных материалов.
1. Елагин В. И. Конструкционные наноструктурные сплавы на алюминиевой основе
/ В. И. Елагин // Цветные металлы. – 2009. − № 6. – С.103-111.
2. Елагин В. И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металла-
ми / В. И. Елагин. – М.: Металлургия, 1975.– 248 с.
3. Металловедение алюминия и его сплавов: Справочник / под ред. И. Н. Фридляндера. – М:
Металлургия, 1971. – 352 с.
4. Бондарев Б. И. Модифицирование алюминиевых деформируемых сплавов / Б. И. Бондарев,
В. И. Наполков, В. И. Тарарышкин. – М.: Металлургия. – 1979. – 224 с.
5. Фигуровский Д. К. Влияние воздействия электромагнитного поля в процессе кристаллиза-
ции на формирование структуры нейзильбера / Д. К. Фигуровский // Цветные металлы. –
2007. – № 2.– С. 121-125.
6. Об использовании физических модифицирующих воздействий при литье алюминиевых
сплавов / В. Б. Деев, И. Ф. Селянин, С. П. Мочалов и др. // Литейн. пр-во. – 2012. –
№ 5. – С. 16-18.
7. Кольчурина И. Ю. Влияние внешних воздействий на микроструктуру кристаллизующегося
сплава /И. Ю. Кольчурина, И. Ф. Селянин // Там же. – 2009. – № 8. – С. 13-15.
8. Добаткин В. И. Быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы / В. И. Добаткин, В. И. Елагин,
В. М. Федоров. – М.: ВИЛС, 1995. – 341 с.
9. Гельфгат Ю. М. Жидкий металл под действием электромагнитных сил / Ю. М. Гельфгат,
О. А. Лиелаусис, Э. В. Щербинин. − Рига: Зинатне, 1975. – 248 с.
10. Ефимов В. А. Влияние внешних воздействий на процессы фсрмирования отливок // Специ-
альные способы литья: Справочник / Под ред. В. А. Ефимова. − М.: Машиностроение,
1991. – С.10-52.
11. Thermo-electric motions and structures generated by static magnetic fields during the solidi-
fication of metallic alloys / Xi Li, Z. Ren, A. Gagnoud, O. Budenkova, A. Bojarevics, Y. Fautrelle
// Journal of Iron and Steel Research International. – 2012. – 19, S. 1-1. – P. 9-18.
12. Середенко Е. В. Модифицирование постоянным магнитным полем литой структуры
многокомпонентного сплава на базе системы Al-Cu-Се при заливке, охлаждении и за-
твердевании / Е. В. Середенко, В. И. Дубоделов, В. я. Хоружий // Процессы литья. – 2014.
− № 6. − С. 23-32.
13. Мальцев М. В. Модифицированные структуры металлов и сплавов / М. В. Мальцев. – М.:
Металлургия, 1964.–213с.
14. Машиностроение. Энциклопедия. Т. ІІ-3 Цветные металлы и сплавы. – М.: Машиностро-
ение, 2014. – С. 15-24.
Поступила 18.02.2015
|