Влияние легирования и МГД-обработки расплава на структуру и свойства высокопрочных алюминиевых литейных сплавов типа ВАЛ 10. Сообщение 2
Рассмотрено дальнейшее развитие работ по получению новых высокопрочных алюминиевых литейных сплавов типа ВАЛ10, не содержащих вредных (кадмий) и дорогостоящих (серебро) компонентов. В качестве основных легирующих компонентов предложены олово, способствующее упрочнению сплава, и цирконий, интерметалл...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Процессы литья |
|---|---|
| Дата: | 2014 |
| Автори: | , , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159858 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние легирования и МГД-обработки расплава на структуру и свойства высокопрочных алюминиевых литейных сплавов типа ВАЛ 10. Сообщение 2 / В.И. Дубоделов, В.Н. Фикссен, А.Л. Березина, М.С. Горюк, Т.А. Монастырская, А.В. Ященко, Н.А. Слажнев, Ю.П. Скоробагатько, А.В. Катко // Процессы литья. — 2014. — № 4. — С. 62-72. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-159858 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Дубоделов, В.И. Фикссен, В.Н. Березина, А.Л. Горюк, М.С. Монастырская, Т.А. Ященко, А.В. Слажнев, Н.А. Скоробагатько, Ю.П. Катко, А.В. 2019-10-15T18:27:08Z 2019-10-15T18:27:08Z 2014 Влияние легирования и МГД-обработки расплава на структуру и свойства высокопрочных алюминиевых литейных сплавов типа ВАЛ 10. Сообщение 2 / В.И. Дубоделов, В.Н. Фикссен, А.Л. Березина, М.С. Горюк, Т.А. Монастырская, А.В. Ященко, Н.А. Слажнев, Ю.П. Скоробагатько, А.В. Катко // Процессы литья. — 2014. — № 4. — С. 62-72. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0235-5884 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159858 669.715 : 621.746 : 538.4 Рассмотрено дальнейшее развитие работ по получению новых высокопрочных алюминиевых литейных сплавов типа ВАЛ10, не содержащих вредных (кадмий) и дорогостоящих (серебро) компонентов. В качестве основных легирующих компонентов предложены олово, способствующее упрочнению сплава, и цирконий, интерметаллиды которого являются эффективными модификаторами литой структуры. Приготовление и обработка гаммы экспериментальных сплавов осуществлялись с применением электромагнитных воздействий. В результате основные механические свойства экспериментальных сплавов, не содержащих кадмий и серебро и легированных цирконием и оловом, сопоставимы со свойствами стандартного высокопрочного алюминиевого сплава АМ4,5Кд (ВАЛ10) по ГОСТу 1583-93. Розглягуто подальший розвиток робіт з одержання нових високоміцних алюмінієвих ливарних сплавів типу ВАЛ10, що не містять шкідливих (кадмій) і дорогих за вартістю (срібло) компонентів. В якості основних легуючих компонентів запропоновані олово, що сприяє зміцненню сплаву, та цирконій, інтерметаліди якого є ефективними модифікаторами литої структури. Приготування і обробка гамми експериментальних сплавів здійснювалися із застосуванням електромагнітних дій. В результаті основні механічні властивості експериментальних сплавів, що не містять кадмій та срібло і леговані цирконієм та оловом, співставні з властивостями стандартного високоміцного алюмінієвого сплаву АМ4,5Кд (ВАЛ10) за ГОСТом 1583-93. It is presented the further development of works for obtaining of new high-strength aluminium casting alloys of VAL10 type which ones do not contain harmful (cadmium) and highpriced (silver) components. As basic alloying components there are offered tin (it provides strengthening of alloy) and zirconium (its intermetallides are the effective modifiers of the cast structure). Preparation and processing of lines of experimental alloys were realized with using of electromagnetic actions. As result, main mechanical properties of experimental alloys (without cadmium and silver and alloyed by zirconium and tin) are comparable with properties of the standard high-strength aluminium casting alloy AM4.5Kd (VAL10) by GOST 1583-93. Работа выполнена в рамках комплексного научного проекта Р7.4 «Разработка новых экологически безопасных МГД-технологий получения отливок из высокопрочного литейного алюминиевого сплава типа ВАЛ10 с повышенным уровнем технологических свойств» (разделы Р7.4.1 и Р7.4.2) Целевой комплексной программы научных исследований НАН Украины «Проблемы ресурса и безопасности эксплуатации конструкций, сооружений и машин («Ресурс»)» ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Процессы литья Новые литые материалы Влияние легирования и МГД-обработки расплава на структуру и свойства высокопрочных алюминиевых литейных сплавов типа ВАЛ 10. Сообщение 2 Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Влияние легирования и МГД-обработки расплава на структуру и свойства высокопрочных алюминиевых литейных сплавов типа ВАЛ 10. Сообщение 2 |
| spellingShingle |
Влияние легирования и МГД-обработки расплава на структуру и свойства высокопрочных алюминиевых литейных сплавов типа ВАЛ 10. Сообщение 2 Дубоделов, В.И. Фикссен, В.Н. Березина, А.Л. Горюк, М.С. Монастырская, Т.А. Ященко, А.В. Слажнев, Н.А. Скоробагатько, Ю.П. Катко, А.В. Новые литые материалы |
| title_short |
Влияние легирования и МГД-обработки расплава на структуру и свойства высокопрочных алюминиевых литейных сплавов типа ВАЛ 10. Сообщение 2 |
| title_full |
Влияние легирования и МГД-обработки расплава на структуру и свойства высокопрочных алюминиевых литейных сплавов типа ВАЛ 10. Сообщение 2 |
| title_fullStr |
Влияние легирования и МГД-обработки расплава на структуру и свойства высокопрочных алюминиевых литейных сплавов типа ВАЛ 10. Сообщение 2 |
| title_full_unstemmed |
Влияние легирования и МГД-обработки расплава на структуру и свойства высокопрочных алюминиевых литейных сплавов типа ВАЛ 10. Сообщение 2 |
| title_sort |
влияние легирования и мгд-обработки расплава на структуру и свойства высокопрочных алюминиевых литейных сплавов типа вал 10. сообщение 2 |
| author |
Дубоделов, В.И. Фикссен, В.Н. Березина, А.Л. Горюк, М.С. Монастырская, Т.А. Ященко, А.В. Слажнев, Н.А. Скоробагатько, Ю.П. Катко, А.В. |
| author_facet |
Дубоделов, В.И. Фикссен, В.Н. Березина, А.Л. Горюк, М.С. Монастырская, Т.А. Ященко, А.В. Слажнев, Н.А. Скоробагатько, Ю.П. Катко, А.В. |
| topic |
Новые литые материалы |
| topic_facet |
Новые литые материалы |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Процессы литья |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| format |
Article |
| description |
Рассмотрено дальнейшее развитие работ по получению новых высокопрочных алюминиевых литейных сплавов типа ВАЛ10, не содержащих вредных (кадмий) и дорогостоящих (серебро) компонентов. В качестве основных легирующих компонентов предложены олово, способствующее упрочнению сплава, и цирконий, интерметаллиды которого являются эффективными модификаторами литой структуры. Приготовление и обработка гаммы экспериментальных сплавов осуществлялись с применением электромагнитных воздействий. В результате основные механические свойства экспериментальных сплавов, не содержащих кадмий и серебро и легированных цирконием и оловом, сопоставимы со свойствами стандартного высокопрочного алюминиевого сплава АМ4,5Кд (ВАЛ10) по ГОСТу 1583-93.
Розглягуто подальший розвиток робіт з одержання нових високоміцних алюмінієвих ливарних сплавів типу ВАЛ10, що не містять шкідливих (кадмій) і дорогих за вартістю (срібло) компонентів. В якості основних легуючих компонентів запропоновані олово, що сприяє зміцненню сплаву, та цирконій, інтерметаліди якого є ефективними модифікаторами литої структури. Приготування і обробка гамми експериментальних сплавів здійснювалися із застосуванням електромагнітних дій. В результаті основні механічні властивості експериментальних сплавів, що не містять кадмій та срібло і леговані цирконієм та оловом, співставні з властивостями стандартного високоміцного алюмінієвого сплаву АМ4,5Кд (ВАЛ10) за ГОСТом 1583-93.
It is presented the further development of works for obtaining of new high-strength aluminium casting alloys of VAL10 type which ones do not contain harmful (cadmium) and highpriced (silver) components. As basic alloying components there are offered tin (it provides strengthening of alloy) and zirconium (its intermetallides are the effective modifiers of the cast structure). Preparation and processing of lines of experimental alloys were realized with using of electromagnetic actions. As result, main mechanical properties of experimental alloys (without cadmium and silver and alloyed by zirconium and tin) are comparable with properties of the standard high-strength aluminium casting alloy AM4.5Kd (VAL10) by GOST 1583-93.
|
| issn |
0235-5884 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159858 |
| citation_txt |
Влияние легирования и МГД-обработки расплава на структуру и свойства высокопрочных алюминиевых литейных сплавов типа ВАЛ 10. Сообщение 2 / В.И. Дубоделов, В.Н. Фикссен, А.Л. Березина, М.С. Горюк, Т.А. Монастырская, А.В. Ященко, Н.А. Слажнев, Ю.П. Скоробагатько, А.В. Катко // Процессы литья. — 2014. — № 4. — С. 62-72. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT dubodelovvi vliânielegirovaniâimgdobrabotkirasplavanastrukturuisvoistvavysokopročnyhalûminievyhliteinyhsplavovtipaval10soobŝenie2 AT fikssenvn vliânielegirovaniâimgdobrabotkirasplavanastrukturuisvoistvavysokopročnyhalûminievyhliteinyhsplavovtipaval10soobŝenie2 AT berezinaal vliânielegirovaniâimgdobrabotkirasplavanastrukturuisvoistvavysokopročnyhalûminievyhliteinyhsplavovtipaval10soobŝenie2 AT gorûkms vliânielegirovaniâimgdobrabotkirasplavanastrukturuisvoistvavysokopročnyhalûminievyhliteinyhsplavovtipaval10soobŝenie2 AT monastyrskaâta vliânielegirovaniâimgdobrabotkirasplavanastrukturuisvoistvavysokopročnyhalûminievyhliteinyhsplavovtipaval10soobŝenie2 AT âŝenkoav vliânielegirovaniâimgdobrabotkirasplavanastrukturuisvoistvavysokopročnyhalûminievyhliteinyhsplavovtipaval10soobŝenie2 AT slažnevna vliânielegirovaniâimgdobrabotkirasplavanastrukturuisvoistvavysokopročnyhalûminievyhliteinyhsplavovtipaval10soobŝenie2 AT skorobagatʹkoûp vliânielegirovaniâimgdobrabotkirasplavanastrukturuisvoistvavysokopročnyhalûminievyhliteinyhsplavovtipaval10soobŝenie2 AT katkoav vliânielegirovaniâimgdobrabotkirasplavanastrukturuisvoistvavysokopročnyhalûminievyhliteinyhsplavovtipaval10soobŝenie2 |
| first_indexed |
2025-11-24T16:49:09Z |
| last_indexed |
2025-11-24T16:49:09Z |
| _version_ |
1850487036253831168 |
| fulltext |
62 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106)
Новые литые материалы
УДК 669.715 : 621.746 : 538.4
в. и. Дубоделов, в. Н. Фикссен, а. л. Березина*,
м. С. Горюк, т. а. монастырская*, а. в. Ященко,
Н. а. Слажнев, Ю. П. Скоробагатько, а. в. Катко*
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
*Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, Киев
влиЯНие леГироваНиЯ и мГД-оБраБотКи раСПлава
На СтрУКтУрУ и СвойСтва выСоКоПрочНых
алЮмиНиевых литейНых СПлавов тиПа вал10.
Сообщение 2**
Рассмотрено дальнейшее развитие работ по получению новых высокопрочных алюминиевых
литейных сплавов типа ВАЛ10, не содержащих вредных (кадмий) и дорогостоящих (серебро)
компонентов. В качестве основных легирующих компонентов предложены олово, способству-
ющее упрочнению сплава, и цирконий, интерметаллиды которого являются эффективными
модификаторами литой структуры. Приготовление и обработка гаммы экспериментальных
сплавов осуществлялись с применением электромагнитных воздействий. В результате
основные механические свойства экспериментальных сплавов, не содержащих кадмий и
серебро и легированных цирконием и оловом, сопоставимы со свойствами стандартного
высокопрочного алюминиевого сплава АМ4,5Кд (ВАЛ10) по ГОСТу 1583-93.
Ключевые слова: высокопрочный алюминиевый литейный сплав типа ВАЛ10, легирующие
элементы, МГД-обработка, структура, свойства.
Розглягуто подальший розвиток робіт з одержання нових високоміцних алюмінієвих ливарних
сплавів типу ВАЛ10, що не містять шкідливих (кадмій) і дорогих за вартістю (срібло) компо-
нентів. В якості основних легуючих компонентів запропоновані олово, що сприяє зміцненню
сплаву, та цирконій, інтерметаліди якого є ефективними модифікаторами литої структури.
Приготування і обробка гамми експериментальних сплавів здійснювалися із застосуванням
електромагнітних дій. В результаті основні механічні властивості експериментальних сплавів,
що не містять кадмій та срібло і леговані цирконієм та оловом, співставні з властивостями
стандартного високоміцного алюмінієвого сплаву АМ4,5Кд (ВАЛ10) за ГОСТом 1583-93.
Ключові слова: ливарний високоміцний алюмінієвий сплав типу ВАЛ10, легуючі елементи,
МГД-обробка, структура, властивості.
** Работа выполнена в рамках комплексного научного проекта Р7.4 «Разработка новых
экологически безопасных МГД-технологий получения отливок из высокопрочного литей-
ного алюминиевого сплава типа ВАЛ10 с повышенным уровнем технологических свойств»
(разделы Р7.4.1 и Р7.4.2) Целевой комплексной программы научных исследований НАН
Украины «Проблемы ресурса и безопасности эксплуатации конструкций, сооружений и
машин («Ресурс»)»
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106) 63
Новые литые материалы
It is presented the further development of works for obtaining of new high-strength aluminium
casting alloys of VAL10 type which ones do not contain harmful (cadmium) and highpriced (silver)
components. As basic alloying components there are offered tin (it provides strengthening of alloy)
and zirconium (its intermetallides are the effective modifiers of the cast structure). Preparation and
processing of lines of experimental alloys were realized with using of electromagnetic actions. As
result, main mechanical properties of experimental alloys (without cadmium and silver and alloyed
by zirconium and tin) are comparable with properties of the standard high-strength aluminium
casting alloy AM4.5Kd (VAL10) by GOST 1583-93.
Keywords: high-strength aluminium casting alloy of VAL10 type, alloying elements, MHD-pro-
cessing, structure, properties.
введение
Известно, что высокопрочные алюминиевые литейные сплавы на основе систе-
мы Al-Cu – такие как сплав 201 (США, на основе Al-Cu-Mg-Ag), сплавы ВАЛ10
и ВАЛ14 (Россия и страны СНГ, на основе Al-Cu-Mn) – широко используются в от-
ечественной и мировой практике авиастроения [1]. Конкурентоспособность этих
материалов во многом определяется более благоприятным сочетанием их литей-
ных и эксплуатационных свойств по сравнению с более высокопрочными алюми-
ниевыми сплавами на основе Al-Zn-Mg (Aircast67 (США) и ВАЛ12 (Россия)).
Все эти алюминиевые сплавы являются дисперсионно твердеющими, кристал-
лизуются по типу твердого раствора, в определенном температурном интервале и,
соответственно, имеют пониженные литейные свойства, такие как герметичность,
жидкотекучесть, склонность к горячим трещинам.
Определяющим легирующим элементом этих сплавов является медь, которая
способна образовывать пересыщенный твердый раствор меди в алюминии при за-
калке из области однородного твердого раствора. Основное упрочнение происходит
в процессе распада пересыщенного твердого раствора за счет выделения по пло-
скости {100} наноразмерной пластинчатой упрочняющей метастабильной q′-фазы
состава Al
2
Cu. Степень упрочнения зависит от объемной доли упрочняющей фазы,
которая определяется концентрацией меди, режимами гомогенизации, закалки и
старения. Изменение характера ликваций в литом сплаве, введение дополнительных
легирующих элементов требует исследований по оптимизации термообработки
сплава [1, 2].
Дополнительное упрочнение возможно за счет введения в сплав небольших
количеств элементов-модификаторов упрочняющей фазы. В качестве такого мо-
дификатора в сплав 201 вводили серебро, что способствовало замене q′-фазы на
высокопрочную пластинчатую высокодисперсную w-фазу, которая образуется по
плоскости {111} [1]. В сплав ВАЛ10 в качестве модификатора вводили кадмий, ко-
торый ускорял процессы зародышеобразования упрочняющей q′-фазы и замедлял
процессы коалесценции [2].
Малорастворимые переходные элементы (марганец, титан) образуют тугоплав-
кие интерметаллиды, которые влияют на характер ликваций в сплаве и препятствуют
миграции границ зерен в процессе гомогенизации [3].
В предыдущей работе была обоснована актуальность проблемы создания но-
вого высокопрочного литейного сплава на базе Al-Cu, не содержащего кадмий
или серебро и имеющего повышенные литейные свойства [4], описана методика
получения сплавов с использованием электромагнитных воздействий на расплав,
в т. ч. с применением магнитодинамической установки (МДУ) и электромагнитного
перемешивателя пульсирующего магнитного поля (ЭМП-ПМП), и обнаружена прин-
ципиальная возможность образования глобулярной структуры вместо дендритной
в процессе кристаллизации при электромагнитных воздействиях.
Также были получены обнадеживающие данные по применению электромагнит-
ных воздействий при приготовлении базового экспериментального алюминиевого
сплава типа ВАЛ10, не содержащего кадмий, и лигатуры Al-5 % Zr. При этом для
64 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106)
Новые литые материалы
более полной оценки роли МГД-технологий в процессе получения такого сплава в
его химическом составе массовая доля основных легирующих элементов-упрочни-
телей – Cu и Mn – находилась ближе к нижнему пределу (Cu – 4,6 и Mn – 0,4 %) при
их допустимых максимальных содержаниях Cu – 5,1 и Mn – 0,8 % соответственно,
предусмотренных ГОСТ 1583-93 для сплава АМ4,5Кд (ВАЛ10), содержащего кадмий.
Как следствие, было установлено [4], что экспериментальный сплав имел проч-
ностные характеристики – предел прочности и предел текучести – на уровне в сред-
нем 75 % от значений, установленных ГОСТ 1583-93 для сплава АМ4,5Кд (ВАЛ10), а
относительное удлинение – в 2,5 раза выше, чем требует стандарт.
Такой рост пластичности экспериментального сплава может быть объяснен, с
одной стороны, отсутствием Cd, с другой – применением ранее разработанной
термосиловой МГД-обработки жидких алюминиевых сплавов, оказывающей на них
физическое воздействие, сравнимое с эффектом реагентного модифицирова-
ния, вследствие разрушения областей микронеоднородностей, обусловленных
металлургической наследственностью шихты. Это подтверждается ранее прове-
денными исследованиями на до- и заэвтектических сплавах системы Al-Si [5], где
предложенная МГД-обработка алюминиевых расплавов привела к существенному
(до 2-4 раз) росту в первую очередь относительного удлинения твердого сплава,
как такой структурно-чувствительной характеристики, которая в большей степени
зависит от наследственности, нежели прочность или твердость.
Основная задача исследования – изучить совместное влияние МГД-обработки
расплава и дополнительного легирования на структуру и свойства алюминиевого
сплава типа ВАЛ10, не содержащего кадмий.
Исходя из этого, усилия исполнителей были сконцентрированы на следующих
направлениях: приготовление гаммы экспериментальных сплавов; отработка ра-
циональных режимов термической обработки литых образцов экспериментальных
сплавов; исследование структуры и основных механических свойств образцов экс-
периментальных алюминиевых сплавов.
Методика исследования и составы опытных сплавов
В качестве базового сплава для проведения исследований был выбран алюмини-
евый сплав состава ВАЛ10, не содержащий кадмий (табл. 1). Сплав был выплавлен
в электрической печи сопротивления. Последующая его доводка и внепечная об-
работка производилась в многофункциональной МДУ типа МДН-6А.
В дальнейшем все экспериментальные сплавы выплавлялись в лабораторной
электрической печи сопротивления, оснащенной устройством электромагнитного
перемешивания пульсирующего магнитного поля. Были отлиты в металлическую
форму (скорость охлаждения составляла 102 0С/с) цилиндрические образцы длиной
230 и ∅ 20 мм.
Фазовые превращения в сплавах оценивались с помощью дюрометрического,
резистометрического и калориметрического методов.
Калориметрический анализ проводился с помощью прибора DSC404F1
Pegasus® фирмы NETZSCH в динамическом режиме при скорости нагрева 20 0С/с в
температурном интервале 20-780 0С.
Температурные интервалы старения определялись по изменению приведенного
температурного коэффициента электросопротивления a
T
= 1/R · dR/DT при непре-
рывном нагреве со скоростью 3 0С/мин в температурном интервале 20-600 0С.
таблица 1. химический состав базового алюминиевого сплава типа вал10,
%мас.
Образец
(исходный сплав)
Al Cu Mn Ti Fe Si Zn Ni Mg
А0 основа 4,63 0,42 0,19 0,057 0,17 0,002 0,004 0,01
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106) 65
Новые литые материалы
Твердость по Виккерсу измерялась на приборе ТП-2 при нагрузке 5 кг.
Механические испытания проводились на цилиндрических образцах с рабочей
частью ∅ 4 мм и длиной l
0
= 20 мм при скорости деформирования e′ = 2·10-3 с-1.
Для электронно-микроскопических исследований применялся электронный ми-
кроскоп JEM-2000FMFXII, металлографических – оптический микроскоп Neophot-2.
Выявление границ зерен производилось на микрошлифе с использованием
травителя Келлера, раствор 0,5 мл HF в воде (рис. 1, а).
Для определения ликваций проводили макротравление реактивом: 15,5 мл HNO
3
;
84 мл H
2
O; 0,5 мл HF; 3 г CrO
3
. При использовании этого травителя области, обеднен-
ные Cu анодны по отношению к матрице окрашиваются в черный цвет (рис. 1, б).
После гомогенизации при отсутствии ликваций в сплаве разница в травимости
шлифов разными реактивами не наблюдается. Известно, что ликвация меди про-
исходит по эвтектическому типу, то есть междендритное пространство и границы
зерен обогащаются медью.
На рис. 1, б различаются три области разной травимости, характеризующие
ликвации в сплаве: светлые области – a-твердый раствор, обогащенный Cu; темные
области – a-твердый раствор, объедененный медью; нитеобразные выделения –
равновесная фаза Al
2
Cu кристаллизационного происхождения.
При выборе легирующих элементов для повышения прочностных свойств базо-
вого экспериментального сплава учитывалось: повышение содержания меди до 5 %
увеличит объемную долю упрочняющей q′-фазы, которая образуется при старении;
интерметаллиды циркония – эффективные модификаторы литой структуры, дис-
персные частицы Al
3
Zr фазы, образованные в процессе распада пересыщенных
твердых растворов, способны упрочнять матрицу; Sn относится к триаде легко-
плавких, малорастворимых в алюминии элементов (кадмия, инодия, олова), которые
способны интенсифицировать процессы зародышеобразования и коалесценции
упрочняющей метастабильной q′-фазы [6-12].
Поэтому в качестве дополнительных легирующих элементов были выбраны олово
и цирконий а также цезий.
Были выплавлены экспериментальные алюминиевые сплавы трех серий (табл. 2):
сплавы серии А на основе базового алюминиевого сплава (см. табл. 1); сплавы се-
рии В на основе базового алюминиевого сплава с содержанием меди, повышенным
до верхнего предела, предусмотренного ГОСТ 1583-93 (5,10 % Cu); сплавы серии
С на основе базового алюминиевого сплава с содержанием Cu и Mn, повышенным
до верхних пределов по ГОСТу 1583-93 (5,10 % Cu; 0,60 % Mn).
Ввод легирующих, в том числе мелкодисперсных лигатур ( Al-4 Mn и 5 Zr %мас.),
приготовленных ранее с использованием МГД-воздействий [1], а также стандартной
лигатуры Al-Ti-B, и последующую термосиловую МГД-обработку экспериментальных
aтв.р, обогащенный Cu
aтв.р, обедненный Cu
равновесная фаза Al2Cu
aтв.р, обогащенный Cu
aтв.р, обедненный Cu
равновесная фаза Al2Cu
Рис. 1. Влияние травителя на выявление микроструктуры литого сплава А0: а – травитель:
раствор 0,5 мл HF в воде; б – травитель: 15,5 мл HNO
3
, 84 мл H
2
O, 0,5 мл HF, 3 г CrO
3
; 1 – a
тв.р
,
обогащенный медью; 2 – a
тв.р
, объедененный медью; 3 – равновесная фаза Al
2
Cu
1
2
3
ба 100 мкм
100 мкм
66 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106)
Новые литые материалы
сплавов производили по двум схемам. В целях экономии ресурсов, основная часть
экспериментов проводилась с применением лабораторного устройства, включаю-
щего электрическую печь сопротивления с небольшой массой жидкого металла (до
2 кг), оснащенную электромагнитным перемешивателем пульсирующего магнит-
ного поля (ЭМП-ПМП) [13], с использованием установленных ранее рациональных
режимов нагрева алюминиевого расплава и его управляемого электромагнитного
перемешивания. После определения рациональных параметров МГД-воздействия,
с соблюдением масштабного фактора и величины удельных энергетических ха-
рактеристик, были проведены эксперименты на опытно-промышленной МДУ типа
МДН-6А емкостью до 70 кг жидкого алюминиевого сплава.
Исследование влияния температуры литья и легирующих элементов на формиро-
вание глобулярной микроструктуры при электромагнитном воздействии на расплав
В предыдущем Сообщении 1 [4] было отмечено, что при электромагнитном
воздействии на расплав происходит глобуляризация дендритов. Известно, что
металлические суспензии с глобулярной микроструктурой обладают свойствами
тиксотропности [14,15]. Эффект тиксотропности – способность металлических
суспензий с глобулярной микроструктурой в твердожидком состоянии значительно
снижать сопротивление сдвиговым деформациям, что позволяет металлу заполнять
сложные формы при незначительной удельной силе [15-17].
В настоящее время интенсивно разрабатываются тиксотехнологии, которые за
счет управления формированием микрокристаллического строения отливок в твер-
дожидком состоянии формируют недендритную структуру слитка, что обеспечивает
одновременный рост прочности и пластичности материала изделий. Предполагает-
ся, что использование тиксоформинга (тиксо- и реолитье, тиксо- и реоштамповка)
для высокопрочных литейных алюминиевых сплавов позволит получить свойства,
близкие к тем, которые присущи существующим деформируемым сплавам.
В данной работе для того, чтобы определить оптимальные режимы обработки
расплава, были проведены исследования влияния температуры литья базового
алюминиевого сплава А0 на его микроструктурное состояние. Расплав был обра-
ботан в течение 5 мин в печи с электромагнитным перемешиванием пульсирующим
магнитным полем. Температура обработки расплава и его заливки превышала тем-
пературу ликвидус и составляла 740, 720 и 660 0С.
Как показали металлографические исследования (рис. 2), для всех состояний
наблюдаются ликвации по Cu: присутствует твердый раствор, обедненный медью
таблица 2. Составы экспериментальных алюминиевых сплавов типа
вал10, %мас.
Экспериментальный
сплав
Cu Mn Ti Zr Sn Sc
A0 4,63 0,42 0,19 __ __ __
A1 4,63 0,42 0,19 0,15 __ __
A2 4,63 0,42 0,19 0,15 __ 0,30
A3 4,63 0,42 0,19 0,15 0,10 __
A4 4,63 0,42 0,19 0,15 0,20 __
В0 5,10 0,42 0,19 __ __ __
В1 5,10 0,42 0,19 0,15 __ __
С0 5,10 0,60 0,19 0,15 __ __
С1 5,10 0,60 0,19 0,15 0,20 __
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106) 67
Новые литые материалы
(темные участки шлифа), обогащенный медью твердый раствор (светлые участки)
и фаза Al
2
Cu в междендритном пространстве.
При этом, ярко выраженная дендритная структура (рис. 2, а, в) формируется при
относительно высокой (730-740 0С) и относительно низкой (660 0С) температуре об-
работки. Только при температуре литья 720 0С (близкая к среднему значению для
исследуемого диапазона температур) формируется не дендритная микроструктура,
а микроструктура с четко выраженной тенденцией к глобуляризации (рис. 2, б). Сле-
довательно, в данном случае, в процессе коалесценции в твердожидком состоянии
растворяются дендритные оси.
Изменение типа ликваций в литых сплавах в зависимости от содержания леги-
рующих элементов представлено на рис. 3. В базовом экспериментальном алюми-
ниевом сплаве А0 после обработки расплава наблюдается глобулярная структура
(рис. 3, а). После ввода в этот сплав циркония (рис. 3, б) появляются признаки
дендритной структуры, то есть наблюдается глобулярно-дендритная структура.
При повышении содержания Cu до 5,10 % (сплав В0) глобулярная структура со-
храняется, размер ячеек уменьшается почти вдвое (рис. 3, в). При вводе Zr сплав
В1 сохраняет глобулярную структуру, наблюдаются неоднородности, связанные с
выделением пластинчатых частиц равновесной Al
3
Zr фазы (рис. 3, г). Вокруг этих
частиц наблюдается измельчение ячеистой структуры. Наличие избыточной Al
3
Zr
фазы кристаллизационного происхождения свидетельствует об избыточном со-
держании циркония в сплава В1. При повышении содержания марганца (сплав С0,
рис. 3, д), и при этом одновременно вводе олова (сплав С1, рис. 3, е), дендритная
структура сплава сохраняется.
Определение режимов термообработки сплавов и исследование формирования
зеренной структуры
Для устранения внутрикристаллической ликвации, возникающей при дендритной
кристаллизации, были проведены высокотемпературные отжиги (гомогенизация).
При выборе температуры гомогенизации учитывалось, что температурный интервал
гомогенизации должен быть в пределах (527 -547 0С). Верхняя граница выбиралась
ниже температуры эвтектики 547 0С, чтобы предотвратить контактное оплавление,
нижняя температура должна быть выше температуры 527 0С, при которой предельная
растворимость меди в твердом растворе алюминия составляет 5 %.
Исследования структурного состояния сплава при проведении гомогенизации по
стандартным режимам показали наличие оплавления по границам зерен. С целью
б
в
Рис. 2. Влияние МГД-обработки распла-
ва и температуры заливки Т
з
на микро-
структуру базового экспериментального
алюминиевого сплава А0 (см. табл. 2):
а – Т
з
= 730-740; б – Т
з
∼720; в – Т
з
∼660 0С
а б
в
100 мкм 100 мкм
100 мкм
68 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106)
Новые литые материалы
уточнения режимов гомогенизации был проведен анализ изменения тепловых эф-
фектов при непрерывном нагреве и охлаждении сплава в температурном интервале
от 20 до 780 0С в течении двух циклов нагрева и охлаждения. С помощью метода
ДСК (дифференциальной сканирующей калориметрии) [18] был выявлен*** низ-
котемпературный пик оплавления при температуре 538,7 0С, который коррелирует
с наблюдаемым оплавления по границам зерен при нагреве выше 535 0С (рис. 4).
Используя полученные результаты, была предложена новая двухступенчатая
схема термообработки по режиму Т6 при пониженных температурах (гомогениза-
ция (отжиг): 510 0С, 2 ч + 530 0С, 10 ч), что позволило предотвратить оплавление по
границам зерен. При гомогенизации, помимо выравнивания концентрации меди в
твердом растворе, происходит старение, связанное с ростом и коалесценцией туго-
плавких алюминидов Al
6
Mn, Al
3
X (X = Ti, Zr), которые тормозят процессы нормального
роста зерен, и окончательно формируется зеренная структура сплава. Температура
старения значительно ниже температуры гомогенизации и не влияет на рост зерен.
После гомогенизации сплавов по вышеуказанному двухступенчатому режиму
было проанализировано влияние легирующих элементов на размеры зерен (рис. 5).
В базовом экспериментальном высокопрочном алюминиевом литейном сплаве
типа ВАЛ10 – А0 (рис. 5, а), в котором отсутствует кадмий, а содержание меди и
а б
в г
ед
Рис. 3. Влияние содержания основных компонентов, а также дополни-
тельного легирования Zr и Sn на характер ликваций в экспериментальных
алюминиевых сплавах: а – А0; б – А1; в – В0; г – В1; д – С0; е – С1
50 мкм
50 мкм50 мкм
50 мкм
50 мкм50 мкм
*** Измернения выпонены под руководством д-ра техн. наук А. М. Верховлюка и д-ра техн. наук
А. А. Щерецкого
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106) 69
Новые литые материалы
ба
в г
д е
50 мкм 50 мкм
50 мкм 50 мкм
50 мкм 50 мкм
Рис. 5. Зеренная структура экспериментальных сплавов (см. табл. 2)
после гомогенизации: а – А0; б – А1; в – А2; г – В1; д – А3; е – А4
Рис. 4. Изменение удельного теплосодержания экспериментального высокопрочного
алюминиевого литейного сплава А0 (табл. 1, 2) при непрерывном нагреве в температурном
интервале 20-780 0С в течение двух циклов нагрева и охлаждения
t/ 0СДСК /(мВт/мг)
Время, мин
70 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106)
Новые литые материалы
марганца находится на нижнем пределе, установленном ГОСТ 1583-93, наблюдается
наиболее крупное зерно a-твердого раствора (~120 мкм). Дополнительный ввод
в базовый сплав 0,15 % Zr (экспериментальный сплав А1) позволило уменьшить
размер зерна до 40 мкм (рис. 5, б). Наибольшее измельчение зерен (до 15-20 мкм)
наблюдается при совместном вводе в базовый сплав скандия и циркония (экспери-
ментальный сплав А2) (рис. 5, в). Ввод компонентов для повышения прочности спла-
ва – в первую очередь, повышение содержания меди (рис. 5, г) до верхнего предела
по ГОСТу 1583-93, а также олова (рис. 5, д, е), не способствует измельчению зерна.
После гомогенизации образцы были закалены в воду от температуры гомогениза-
ции и состарены. Для выбора режимов изотермического старения были построены
изохроны в температурном интервале 100-230 °С для 5 и 10 ч старения. Из анализа
полученных данных был выбран режим старения: 190 °С, 10 ч.
Исследование механических свойств экспериментальных сплавов
После электромагнитных воздействий на расплав, гомогенизации, закалки в
воду и старения всех экспериментальных сплавов (см. табл. 2) были проведены
испытания по определению их механических свойств (табл. 3).
Анализ полученных данных показывает, что дополнительное легирование пере-
ходными металлами (скандием и цирконием) способствует формированию наибо-
лее мелкого зерна (сплав А2, см. также рис. 5, в), что позволяет увеличить предел
текучести на 25 % при снижении предела прочности и падении пластичности.
Наиболее эффективным является легирование экспериментальных алюминиевых
сплавов оловом (сплав А4), введение которого обеспечивает увеличение предела
текучести в 1,5 раза, предела прочности на 15 %, при снижении пластичности в 2
раза по сравнению с базовым экспериментальным сплавом А0.
С целью определения механизма резкого упрочнения базового алюминиевого
сплава типа ВАЛ10 при вводе олова, были проведены электронно-микроскопические
исследования состаренных образцов сплавов А0 и А4 (рис. 6).
На микродиффракциях, приведенных на рис. 6, в, г, присутствуют диффузные
тяжи в направлении <100>, что свидетельствует о выделении когерентных пластинча-
Таблица 3. Механические свойства экспериментальных сплавов
Экспериментальный
сплав (см. табл. 2)
Предел прочности,
σB, МПА
Предел текучести,
σт, МПА
Относительное
удлинение, δ, %
A0 400 270 10,5
A1 415 270 13
A2 374 340 6,5
A4 463 401 5,5
С0 416 293 10
С1 455 407 2,2
Сплав АМ4,5Кд (ВАЛ10)
по ГОСТу 1583-93
490 390 4,0
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106) 71
Новые литые материалы
тых образований по плоскости {100}. Метастабильная наноразмерная упрочняющая
q′-фаза, образованная в процессе старения, выделяется непрерывно (гомогенно) в
матрице и имеет форму дисков. Сечение плоскостью {110} этих дисков представлено
на темнопольных изображениях на рис. 6, а, б.
Выделения q′-фазы в сплаве, легированном оловом (сплав А4, рис. 6, б, г), име-
ют большую плотность выделения и намного дисперснее, чем в базовом сплаве А0
(рис. 6, а, в). Средние размеры частиц выделения в сплаве А4: толщина диска h ∼
3-5 нм, диаметр d ∼ 150 нм; соответственно для сплава А0: h ∼15-20 нм и d ∼ 300 нм.
Существенная разница в пространственной плотности распределения и дис-
перности q′-фазы связана с замедлением процессов коалесценции при распаде
твердого раствора. Таким образом, повышенная плотность упрочняющих частиц
обеспечивает значительный прирост предела текучести в сплавах, легированных
олоаом (см. табл. 3).
выводы
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:
• Использование термосиловой МГД-обработки и электромагнитного переме-
шивания расплава, реализуемых в магнитодинамической установке и с помощью
устройства пульсирующего магнитного поля, позволяет для базового экспери-
ментального высокопрочного алюминиевого литейного сплава типа ВАЛ10, не
содержащего кадмий, получить бездендритную, глобулярную структуру. При повы-
шении в таком сплаве концентрации меди и марганца до максимальных значений,
предусмотренных ГОСТ 1583-93, а также при вводе до 0,20 % Sn при идентичном
режиме термосиловой МГД-обработки расплава сохраняется дендритная структура
литого сплава.
• Наибольшее изменение зеренной структуры базового экспериментального
алюминиевого сплава происходит при его совместном легировании скандием и
цирконием. Зерно измельчается до 15-20 мкм, при этом на 20 % увеличивается
предел текучести при падении на 15 % предела прочности и уменьшении пластич-
ности в 2 раза. При увеличении содержания меди до 5,10 % и скоростях охлаждения
102 0С/с ввод повышенных содержаний циркония (> 0,15 %) нецелесообразен, т.
к. это приводит к тому, что в сплаве кристаллизуются крупные стержнеобразные
частицы равновесной Al
3
Zr фазы.
• Самым эффективным легирующим элементом, способствующим повышению
прочностных свойств высокопрочного алюминиевого литейного сплава типа ВАЛ10,
a б
в г
Рис. 6. Электронно-микроскопическая структура и микродиффракция в состаренном
состоянии сплавов: а, в – А0; б, г – А4. Темнопольное изображение в тяжах от q′-фазы,
ориентировка фольги {110}
а
б г
в 0,2 мкм0,3 мкм
72 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2014. № 4 (106)
Новые литые материалы
в котором отсутствует кадмий, является олово. Ввод 0,10-0,20 % Sn в базовый экс-
периментальный алюминиевый сплав А0 при отсутствии кадмия и пониженном со-
держании марганца обеспечивает повышение предела текучести на 50 %, предела
прочности на 15 %. При этом пластичность сплава уменьшается до 5 %. Sn моди-
фицирует кинетику распада, обеспечивая высокую плотность образования и за-
медление коалесценции упрочняющих частиц q′-фазы, что определяет повышенные
прочностные свойства сплава.
• Показано, что замена кадмия на олово позволяет получить механические свой-
ства экспериментального сплава, сопоставимые по своим значениям с механиче-
скими свойствами сертифицированного высокопрочного алюминиевого литейного
сплава АМ4,5Кд (ВАЛ10) по ГОСТу 1583-93.
1. Polmear I. J. Light Alloys: From Traditional Alloys to Nanocrystals / Fourth Edition. – Elsevier
Butterworth-Heinemann, 2006, United Kingdom. – 416 p.
2. Строганов Г. Б. Высокопрочные литейные алюминиевые сплавы. – М.: Металлургия, 1985.
– 216 с.
3. Елагин В. И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными метал-
лами. – М.: Там же. – 1975. – 248 с.
4. Роль электромагнитных воздействий в процессах получения сплава типа ВАЛ10, не содер-
жащего кадмий. Сообщение 1 / В. И. Дубоделов, В. Н. Фиксен, А. В. Ященко, Н. А. Слажнев
и др.// Процессы литья. – 2013. – № 6. – С. 48-56.
5. Влияние обработки расплава в МГД-установке и интенсивной пластической деформации
на структуру и свойства силуминов / А. Л. Березина, Т. А. Монастырская, А. А. Давиденко
и др. // Металлофизика и новейшие технологии. – 2009. – Т. 31. – № 10. – С. 1417-1426.
6. Silcock J. M. Heal T. J., Hardy H. K. J. Inst. Met. – 1954 -1955 (84) 23.
7. Silcock J.M., Flower H. M. Scripta Materialia 46 (2002) 389-394.
8. Bourgeois L., Dwyer C., Weyland M. Acta Mater., 60 (2012) 633-644.
9. Ringer S. P., Hono K., Sakurai T. Applied Surface Science, 87-88 (1995) 223-227.
10. RingerS. P., Hono K., Sakurai T. Metallurgical and Materials Transactions, a2210, Volume 26a,
Sep-tember 1995.
11. Sanjib Banerjee et al. Materials and Design 31 (2010) 4007-4015.
12. Li Runxia, Chen Yujin, Yuan Xiaoguang, Qu Yingdong, Li Rongde. Effects of Cd and Sn on double-
peak age-hardening behaviors of Al-Si-Cu-Mg cast alloys // China Foundry. – Vol. 7 (February
2010). – No 1. – P. 1-5.
13. Дубоделов В. И. Фикссен В. Н., Горюк М. С. Современные устройства для электромагни-
тного перемешивания алюминиевых расплавов в печах и миксерах повышенной емкости
// Металл и литье Украины. – 2008. – № 6. – С. 12-17.
14. Flemings M. C. Solidification processing, McGraw-Hill, New York, 1974.
15. E. R. de Freitas and M. Ferrante. Acta Mater., 49 (2001) 3839-3847.
16. Atkinson H. V., Liu D. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 20 (2010). – Р. 1672-1676.
17. S. Terzi et al. Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 20 (2010) Р. 734-738.
18. Щерецький О. А. Використання комбінованого диференціально-термічного аналізу для
дослідження теплових ефектів малої інтенсивності в сплавах // Металознавство та обробка
металів. – 2012. – № 3. – С. 50-54.
Поступила 03.06.2014
|