Исследование влияния термовременной обработки лигатуры Al-Sc на ее фазовый состав и модифицирующую способность
Исследовано влияние на фазовый состав и модифицирующую способность лигатуры Al-Sc таких технологических факторов, как температура и воздействие вакуума в процессе приготовления, а также скорость охлаждения сплавов при кристаллизации. Досліджено вплив на фазовий склад та модифікуючу здатність лігатур...
Saved in:
| Published in: | Процессы литья |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143813 |
| 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: | Исследование влияния термовременной обработки лигатуры Al-Sc на ее фазовый состав и модифицирующую способность / Л.П. Пужайло, В.П. Гаврилюк, С.Л. Поливода, А.В. Серый, А.Н. Гордыня // Процессы литья. — 2013. — № 5. — С. 15-21. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859611140054581248 |
|---|---|
| author | Пужайло, Л.П. Гаврилюк, В.П. Поливода, С.Л. Серый, А.В. Гордыня, А.Н. |
| author_facet | Пужайло, Л.П. Гаврилюк, В.П. Поливода, С.Л. Серый, А.В. Гордыня, А.Н. |
| citation_txt | Исследование влияния термовременной обработки лигатуры Al-Sc на ее фазовый состав и модифицирующую способность / Л.П. Пужайло, В.П. Гаврилюк, С.Л. Поливода, А.В. Серый, А.Н. Гордыня // Процессы литья. — 2013. — № 5. — С. 15-21. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Процессы литья |
| description | Исследовано влияние на фазовый состав и модифицирующую способность лигатуры Al-Sc таких технологических факторов, как температура и воздействие вакуума в процессе приготовления, а также скорость охлаждения сплавов при кристаллизации.
Досліджено вплив на фазовий склад та модифікуючу здатність лігатури Al-Sc таких технологічних факторів, як температура та вплив вакууму у процесі приготування, а також швидкість охолодження сплавів під час кристалізації.
It has been investigated the influence of such technological factors, as the temperature and vacuum exposure in the preparation process, and the alloys cooling rate during crystallizing on the Al-Sc ligature’s phase composition and modifying properties.
|
| first_indexed | 2025-11-28T12:13:35Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 5 (101) 15
Получение и обработка расплавов
УДК 669.715-154
Л. П. Пужайло, В. П. Гаврилюк, С. Л. Поливода,
А. В. Серый, А. Н. Гордыня
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
ИССЛеДоВАНИе ВЛИяНИя термоВремеННой
обрАботКИ ЛИГАтУры Аl-Sc НА ее фАзоВый СоСтАВ
И моДИфИцИрУющУю СПоСобНоСть
Исследовано влияние на фазовый состав и модифицирующую способность лигатуры Al-Sc
таких технологических факторов, как температура и воздействие вакуума в процессе при-
готовления, а также скорость охлаждения сплавов при кристаллизации.
Ключевые слова: лигатура алюминий-скандий, высокопрочный алюминиевый сплав В96Ц,
недендритная структура.
Досліджено вплив на фазовий склад та модифікуючу здатність лігатури Al-Sc таких
технологічних факторів, як температура та вплив вакууму у процесі приготування, а також
швидкість охолодження сплавів під час кристалізації.
Ключові слова: лігатура алюміній-скандій, високоміцний алюмінієвий сплав В96Ц, неден-
дритна структура.
It has been investigated the influence of such technological factors, as the temperature and vacuum
exposure in the preparation process, and the alloys cooling rate during crystallizing on the Al-Sc
ligature’s phase composition and modifying properties.
Keywords: aluminum-scandium ligature, high strength aluminium alloy В96Ц, non dendritic
structure.
Скандий является одним из наиболее эффективных модификаторов литой
зеренной структуры высокопрочных алюминиевых деформируемых спла-
вов [1, 2]. В алюминиевые сплавы его вводят в малых количествах (до 0,3 %). Для
каждого сплава существует концентрационный порог, ниже которого скандий прак-
тически не проявляет своего модифицирующего действия. Известно [2], что цен-
трами кристаллизации недендритного зерна могут служить интерметаллиды Al
3
Sc
размером менее 1,8 мкм. Наличие в лигатурной чушке крупных интерметаллидов,
неоднородность ее фазового и химического составов [3] снижают эффект моди-
фицирования, а в некоторых случаях могут практически его нивелировать. Одним
из путей решения проблемы улучшения качества лигатуры считается увеличение
скорости охлаждения при кристаллизации [4], что приводит к измельчению пер-
вичных интерметаллидов.
Целью настоящей работы было изучение влияния различных технологических
факторов приготовления лигатуры Al-Sc на ее фазовый состав и модифицирующую
способность.
Приготовление лигатурных сплавов и их кристаллизацию проводили в лабора-
торной установке, конструкция которой позволяет в широких пределах изменять
основные технологические факторы, влияющие на физико-химические процессы
приготовления и кристаллизацию сплава (температуру и электромагнитное пере-
мешивание в процессе приготовления, воздействие вакуума, а также скорость
16 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 5 (101)
Получение и обработка расплавов
охлаждения сплава при кристаллизации). Лабораторная установка (рис. 1) пред-
ставляет собой печь сопротивления 1, совмещенную с однофазной индукционной
печью 2, которая размещена в вакуумной камере 3. В печи сопротивления установлен
тигель 4 емкостью 290 г жидкого алюминия. Теплоизоляционный слой 5 отделяет
водоохлаждаемую катушку 6 от спирали. Для разливки приготовленного сплава в
форму 7 печь наклоняется, вращаясь вокруг поворотных осей. Лабораторная уста-
новка позволяет приготавливать сплавы при температуре до 1100 0С.
Объектом настоящего исследования служили лигатуры Al-Sc с содержанием
скандия в пределах 0,4-2,0 % с шагом варьирования 0,2 %. Концентрации скан-
дия, пониженные по сравнению с серийной лигатурой, получали подшихтовкой к
серийной лигатуре Al-2 % Sc алюминия марки А97. Интенсивность перемешивания
в процессе приготовления лигатур составляла порядка Re ≈ 2·104. Вакуумное
рафинирование проводили при остаточном давлении в вакуумной камере
0,133 кПа в течение 20 мин. Температуры лигатурных сплавов перед разливкой
варьировали в пределах 700-1100 0С с шагом 1000. Для исследования различных
условий кристаллизации в лабораторной установке размещали форму из вологра-
на (теплоизоляционного материала) и толстостенный медный кокиль, в которых
скорости охлаждения при кристаллизации (Vохл) составляли порядка 10 и 102 0С/с
соответственно. Для достижения Vохл ~ 105 0С/с в лабораторной установке размеща-
ли вращающийся водоохлаждаемый медный диск, в результате разливки получали
волокна толщиной 25-50 мкм.
Структуру полученных образцов лигатур изучали на микроанализаторе
REMMA-102 на полированных нетравленных образцах*.
По результатам исследований была построена диаграмма (рис. 2), на которой
представлены температурно-концентрационные области существования в лигатуре
Al-Sc первичных интерметаллидов Al
3
Sc, видимых при увеличении до 1000.
*Исследование проведено В. Я. Хоружим
Рис. 1. Схема лабораторной установки
5
6
2
1
3
Вода
47
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 5 (101) 17
Получение и обработка расплавов
Как показали исследования, при Vохл ~ 10 0С/с концентрационный интервал от
1,2 до 2,0 % Sc является областью существования первичных интерметаллидов
Al
3
Sc при всех исследованных температурах нагрева перед кристаллизацией.
По мере снижения содержания скандия в лигатуре от 1,2 до 0,6 % температурная
область существования интерметаллидов сужается, а при концентрации ниже 0,6 %
интерметаллиды в лигатурных сплавах не обнаруживаются при всех исследованных
температурах нагрева перед кристаллизацией.
Повышение скорости охлаждения лигатур до ~102 0С/с приводит к значитель-
ному сужению области существования первичных интерметаллидов по сравнению
с Vохл ~ 10 0С/с. Так, в лигатуре с 1,6 % Sc при нагреве перед кристаллизацией до
1100 0С интерметаллиды Al3Sc не обнаружены даже при увеличении 1000. В лига-
туре с содержанием скандия 1,0 % они не выявлены уже при температуре нагрева
перед кристаллизацией 900 0С, а при снижении содержания скандия до 0,8 % и
ниже – при 700 0С.
Исследования образцов, закристаллизованных с Vохл ~105 0С/с, показали, что при
всех температурах нагрева перед кристаллизацией и всех концентрациях скандия
в лигатуре вплоть до 2 % при х1000 интерметаллиды Al
3
Sc не обнаруживаются.
Микроструктуры лигатур и режимы их термовременной обработки приведены
на рис. 3.
Анализ влияния вакуумной обработки на характер кристаллизации интер-
металлидов Al
3
Sc показал, что при высоких концентрациях скандия в лигатуре
(1,8-2,0 %) наличие в технологическом процессе вакуумной обработки не приводит
к какому-либо заметному изменению величины и формы интерметаллидов Al
3
Sc.
Зато при снижении содержания скандия в лигатуре до 1,0-1,6 % наблюдается
значительное уменьшение размеров интерметаллидов после вакуумирования как
при Vохл
~ 10 0С/с, так и Vохл
~ 102. Так, например, в образцах лигатуры Al-1,2 % Sc при
их кристаллизации от температуры 800 oС и Vохл ~ 102 oС/с, полученных без вакуумной
обработки (рис. 3, г), интерметаллиды Al
3
Sc обнаруживаются, тогда как в образцах,
полученных при тех же условиях нагрева и охлаждения, но с дополнительной ва-
куумной обработкой в процессе приготовления, они отсутствуют (рис. 3, д). Это
дает основание говорить о том, что вакуумирование лигатурных сплавов во время
Рис. 2. Температурно-концентрационные области существования первичных интермета-
лидов Al
3
Sc в лигатурах Al-Sc при различных скоростях охлаждения при кристаллизации
– 105 oC/c
V
охл
T, oC
1100
1000
900
800
700
600
– 102 oC/c – 101 oC/c
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 %Sc
18 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 5 (101)
Получение и обработка расплавов
приготовления может служить одним из технологических приемов получения ли-
гатур без крупных первичных интерметаллидов.
Для определения модифицирующей способности лигатур Al-Sc был выбран один
из самых высокопрочных алюминиевых деформируемых сплавов В96Ц. Сплав го-
товили в лабораторной установке из первичных материалов технической чистоты.
Интенсивность перемешивания в процессе приготовления сплавов составляла по-
рядка Re = 2·104. Вакуумное рафинирование проводили при остаточном давлении
в вакуумной камере 0,133 кПа в течение 20 мин. Температура сплавов перед раз-
ливкой составляла 700 0С. Был проведен ряд плавок с варьированием содержания
скандия от 0 до 0,15 %. Для приготовления сплавов использовали серийную лигатуру
Рис. 3. Микроструктуры лигатур Al-Sc: а – серийная лигатура Al-2 % Sc; б – Al-2 % Sc,
V
охл
~ 10 0С/с; в – Al-2,0 % Sc, V
охл
~ 102/с (кристаллизация от температуры 1100 0С); г –
Al-1,2 % Sc, V
охл
~ 10; д – Al-1,2 % Sc, вакуумная обработка, V
охл
~10 0С/с (кристалли-
зация от температуры 800 0С), х200; е – Al-2,0 % Sc, V
охл
~105 0С /с (кристаллизация от
температуры 700 0С), х1000
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 5 (101) 19
Получение и обработка расплавов
Al-2 % Sc производства ВостГОК и лигатуры, полученные в ходе экспериментов по
определению температурно-концентрационных областей существования в них пер-
вичных интерметаллидов Al
3
Sc. В описании результатов исследований упомянуты
лигатуры № 1-4, режимы приготовления которых приведены в таблице. Лигатуры
№ 2-4 принадлежат к температурно-концентрационным областям диаграммы, в
которых при увеличении 1000 интерметаллиды не выявляются. Приготовленные
сплавы заливали в форму из волограна и толстостенный медный кокиль (Vохл ~10 и
102 0С/с соответственно) для получения образцов ∅ 12 мм. Для металлографическо-
го исследования образцы травили реактивом Келлера. Микроструктуру образцов
изучали на микроскопе МИМ-7.
Микроструктура сплава В96Ц, не модифицированного скандием, при Vохл
~10 0С/с
(рис. 4, а) – крупнокристаллическая дендритная. Увеличение Vохл до ~102 0С/с способ-
ствовало измельчению структуры, хотя характер ее остался дендритным (рис. 4, б).
Введение в сплав В96Ц лигатуры №1 из расчета содержания скандия 0,13 % с
последующей кристаллизацией его с Vохл
~10 0С/с позволило получить в сплаве
структуру, близкую к недендритной с величиной зерна 80-90 мкм (рис. 4, в). При
введении в сплав В96Ц лигатур № 2 и 3 при Vохл ~10 0С/с микроструктура литого
металла была практически одинаковой (рис. 4, г): величина недендритного литого
зерна составила 60-70 мкм.
Наиболее эффективной при модифицировании литой зеренной структуры
сплава В96Ц явилась лигатура № 4 (рис. 4, д). Величина литого зерна в образцах
из сплава В96Ц с добавками этой лигатуры из расчета 0,13 % Sc, закристалли-
зованных с V
охл
~10 0С/с, оказалась практически в 2-3 раза меньше (30-40 мкм),
чем в образцах того же состава, но с использованием лигатуры №1. Ввиду высокой
модифицирующей способности лигатуры № 4 были проведены исследования по
модифицированию сплава В96Ц пониженным количеством скандия (0,1 %) при
введении его в сплав этой лигатурой. Исследования показали, что в этом случае
достигается модифицирующий эффект, равный модифицированию этого сплава
0,13 % Sc с использованием лигатуры № 1. Таким образом, при использовании для
модифицирования сплава В96Ц лигатуры, закристаллизованной со сверхвысокой
скоростью, удается достичь 25 %-ной экономии дорогостоящей алюминий-скан-
диевой лигатуры.
Увеличение Vохл сплава В96Ц, модифицированного лигатурами № 1-4, до
~102 0С/с приводит к изменению структуры от недендритной или близкой к ней
на мелкокристаллическую дендритную (рис. 4, е). Это, вероятно, объясняется
тем, что при высоких скоростях охлаждения скандий, фиксируясь в твердом рас-
творе, не выделяется в виде интерметаллидов Al
3
Sc, модифицирующих литую
структуру алюминиевых сплавов.
режимы приготовления лигатур
Номер
лигатуры
Содержание
скандия, %
Кристаллизация
от температуры, °С
Скорость охлаждения
при кристаллизации, °С/с
1 2,0 серийная
2 0,5 700 ~ 10
3 1,5 1100 ~ 102
4 2,0 700 ~ 105
20 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 5 (101)
Получение и обработка расплавов
а
гв
б
д е
Рис. 4. Микроструктура сплава: а – В96Ц не модифицированный скандием, скорость
охлаждения ~ 10 °С/с; б – В96Ц не модифицированный скандием, скорость охлаж-
дения ~ 102 °С/с; в – В96Ц + 0,13 % Sc, лигатура № 1, скорость охлаждения ~ 10 °С/с;
г – В96Ц + 0,13 % Sc, лигатура № 2, скорость охлаждения ~ 10 °С/с; д – В96Ц + 0,13 % Sc,
лигатура № 4, скорость охлаждения ~10 °С/с; е – В96Ц + 0,13 % Sc, лигатура № 2, скорость
охлаждения ~102 °С/с
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2013. № 5 (101) 21
Получение и обработка расплавов
Вывод
Исходя из проведенных исследований, можно дать несколько практических
рекомендаций по выбору параметров технологического процесса приготовления
лигатур Al-Sc с наивысшей модифицирующей способностью, а также некоторых
технологических особенностей процесса полунепрерывного литья для получения
слитков из сплава В96Ц с недендритной структурой, что позволит повысить меха-
нические и эксплуатационные свойства изделий [5], изготовленных из них:
– Хотя лигатуры Al-Sc, приготовленные с использованием метода сверхбыстрой
кристаллизации имеют наивысшую модифицирующую способность, однако техно-
логический процесс их приготовления является довольно дорогостоящим в связи с
необходимостью использования дополнительного оборудования для получения во-
локон или гранул и его сравнительно низкой производительностью. Использование
такого технологического приема, как перегрев металла до высоких температур в
процессе плавки также является сложно осуществимым в промышленных условиях,
так как требует наличия высокотемпературных печей и создания защитной атмосфе-
ры над расплавом. Для промышленного применения можно рекомендовать метод,
предусматривающий снижение содержания скандия в лигатуре путем подшихтовки
алюминия во время проведения плавки и заливку лигатур Al-Sc в толстостенный
водоохлаждаемый медный кокиль с получением отливок толщиной не более 10 мм.
– В технологический процесс приготовления лигатур целесообразно включать
стадию вакуумирования металла. Это позволит уменьшить объемный процент ин-
терметаллидов в лигатурах, а также существенно снизит содержание водорода и
оксидных включений в них и, как следствие, улучшит качество металла, изготавли-
ваемого с использованием приготовленных лигатур.
– Технологический процесс полунепрерывного литья слитков следует организо-
вать так, чтобы скорость охлаждения слитка имела значения порядка 10 0С/с.
1. Давыдов В. Г., Захаров В. В., Ростова Т. Д. Модифицирование зеренной структуры слитков
алюминиевых сплавов // Цв. металлы. – 2001. – № 9-10. – С. 95-98.
2. Захаров В. В. Влияние скандия на структуру и свойства алюминиевых сплавов // Метал-
ловедение и терм. обраб. металлов. – 2003. – № 7. – C. 7-15.
3. Пужайло Л. П., Поливода С. Л. Исследование фазового состава алюминий-скандиевых
лигатур // Материалы II Международной научно-технической конференции «Перспективные
технологии, материалы и оборудование в литейном производстве». – Краматорск, 2009.
– C. 167-169.
4. Лигатуры для производства алюминиевых и магниевых сплавов / В. И. Напалков,
Б. И. Бондарев, В. И. Тарарышкин и др. – М.: Металлургия, 1983. – 160 с.
6. Добаткин В. И., Эскин Г. И. Недендритная структура в слитках легких сплавов // Цв. ме-
таллы. – 1991. – № 1. – C. 64-67.
Поступила 02.07.2013
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-143813 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0235-5884 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-28T12:13:35Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Пужайло, Л.П. Гаврилюк, В.П. Поливода, С.Л. Серый, А.В. Гордыня, А.Н. 2018-11-12T18:07:51Z 2018-11-12T18:07:51Z 2013 Исследование влияния термовременной обработки лигатуры Al-Sc на ее фазовый состав и модифицирующую способность / Л.П. Пужайло, В.П. Гаврилюк, С.Л. Поливода, А.В. Серый, А.Н. Гордыня // Процессы литья. — 2013. — № 5. — С. 15-21. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143813 669.715-154 Исследовано влияние на фазовый состав и модифицирующую способность лигатуры Al-Sc таких технологических факторов, как температура и воздействие вакуума в процессе приготовления, а также скорость охлаждения сплавов при кристаллизации. Досліджено вплив на фазовий склад та модифікуючу здатність лігатури Al-Sc таких технологічних факторів, як температура та вплив вакууму у процесі приготування, а також швидкість охолодження сплавів під час кристалізації. It has been investigated the influence of such technological factors, as the temperature and vacuum exposure in the preparation process, and the alloys cooling rate during crystallizing on the Al-Sc ligature’s phase composition and modifying properties. ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Процессы литья Получение и обработка расплавов Исследование влияния термовременной обработки лигатуры Al-Sc на ее фазовый состав и модифицирующую способность Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование влияния термовременной обработки лигатуры Al-Sc на ее фазовый состав и модифицирующую способность Пужайло, Л.П. Гаврилюк, В.П. Поливода, С.Л. Серый, А.В. Гордыня, А.Н. Получение и обработка расплавов |
| title | Исследование влияния термовременной обработки лигатуры Al-Sc на ее фазовый состав и модифицирующую способность |
| title_full | Исследование влияния термовременной обработки лигатуры Al-Sc на ее фазовый состав и модифицирующую способность |
| title_fullStr | Исследование влияния термовременной обработки лигатуры Al-Sc на ее фазовый состав и модифицирующую способность |
| title_full_unstemmed | Исследование влияния термовременной обработки лигатуры Al-Sc на ее фазовый состав и модифицирующую способность |
| title_short | Исследование влияния термовременной обработки лигатуры Al-Sc на ее фазовый состав и модифицирующую способность |
| title_sort | исследование влияния термовременной обработки лигатуры al-sc на ее фазовый состав и модифицирующую способность |
| topic | Получение и обработка расплавов |
| topic_facet | Получение и обработка расплавов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143813 |
| work_keys_str_mv | AT pužailolp issledovanievliâniâtermovremennoiobrabotkiligaturyalscnaeefazovyisostavimodificiruûŝuûsposobnostʹ AT gavrilûkvp issledovanievliâniâtermovremennoiobrabotkiligaturyalscnaeefazovyisostavimodificiruûŝuûsposobnostʹ AT polivodasl issledovanievliâniâtermovremennoiobrabotkiligaturyalscnaeefazovyisostavimodificiruûŝuûsposobnostʹ AT seryiav issledovanievliâniâtermovremennoiobrabotkiligaturyalscnaeefazovyisostavimodificiruûŝuûsposobnostʹ AT gordynâan issledovanievliâniâtermovremennoiobrabotkiligaturyalscnaeefazovyisostavimodificiruûŝuûsposobnostʹ |