Влияние температурных условий выплавки сплавов Al-4%Cu-(0-0.7)%Ti на их структурные и физико-химические характеристики

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБУН Институт металлургии Уральского отделения РАН г. Екатеринбург

Влияние температурных условий выплавки сплавов Al-4%Cu-(0-0.7)%Ti на их структурные и физико-химические характеристики

Котенков П.В., Попова Э.А., Быков А.С.,

Пастухов Э.А., Шубин А.Б.

Опыт воздействия на алюминиевые расплавы низкочастотными колебаниями (НЧК), передаваемыми через графитовый поршень-излучатель, показал, что происходящее при этом интенсивное перемешивание расплава значительно меняет состояние расплава перед кристаллизацией [1-2], что сказывается в дальнейшем на структурных и физико-химических характеристиках исследуемых сплавов.

В работе изучалось влияние на структуру и свойства сплавов Al-4%Cu-(0-0.7%)Ti температурных условий выплавки, воздействия НЧК и кристаллизации. Плавки без обработки и с обработкой расплавов НЧК проводили, соответственно, в лабораторной шахтной электропечи в корундовых тиглях и в печи угольного сопротивления в графитовых тиглях с графитовым поршнем-излучателем. Для приготовления сплавов использовали гранулированный алюминий, прутковую медь и промышленную лигатуру Al-3%Ti. На зеркало расплава насыпали покровный флюс (40% NaCl, 35%KCl, 15% криолита и 10% NaF) в количестве 1% от веса сплава. Расплав заливали в плоскую стальную форму, скорость кристаллизации в которой составляла ~ 10³ - 10⁴ град/с. Получали слитки размерами (мм) 80х70х9, которые разрезали на 5 частей для изучения процессов старения, готовили шлифы для металлографических исследований литого сплава и после отжига на старение, брали стружку для химического анализа. Химический состав сплавов Al-4%Cu-(0-0.7)%Ti и температурные условия плавления, кристаллизации и воздействия НЧК приведены в таблице 1.

низкочастотный колебание сплав кристаллизация

Таблица 1 Химический состав сплавов и условия их получения

Металлографический анализ полученных образцов проводили с помощью инвертированного микроскопа GX-57 (OLYMPUS) при увеличениях от 50 до 1500 и сканирующего электронного микроскопа Carl Zeiss EVO 40. Приставку для рентгеноспектрального микроанализа INCA X-Act фирмы «Oxford Instruments» использовали для определения химического состава матрицы, эвтектики и алюминидов. Твердость сплавов измеряли по Бринеллю с нагрузкой 250 кгс и диаметром шарика 5 мм. Методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) в термоанализаторе МНТС измеряли температуры и тепловые эффекты плавления/кристаллизации образцов исследуемых сплавов в атмосфере аргона со скоростью 5 К/с.

Основными структурными составляющими сплавов с содержанием меди 4% являются твердый раствор меди в алюминии и неравновесная эвтектика (Al)+Al₂Cu (рис. 1).

Рис 1. Микроструктура литых сплавов: а - Al-4%Cu (М14), б - Al-4%Cu-0.3%Тi (M18), в - Al-3.92%Cu-0.34%Тi (M10)

После добавления в сплавы 0.3% Ti (рис. 1б,в) проявляется его модифицирующее действие: микроструктура сплава измельчается, уменьшаются в 3 раза размеры дендритных ячеек. Однако наблюдаемые в структуре сплавов М18 и М17 отдельные крупные первичные алюминиды титана, размеры которых достигают 100 мкм (рис. 1б), могут в дальнейшем отрицательно влиять на свойства сплава. При тех же добавках титана, но при ведении плавок при повышенных температурах (830, 920 и 1150єС) и кратковременном (1 мин) воздействии НЧК на расплавы, весь титан переходит в твердый раствор алюминия. Однако при высоких температурах заливки расплава, 900 и 1100 єС, значительно повышается содержание газов в сплаве, что также отрицательно сказывается на свойствах сплавов.

Как показал рентгеноспектральный микроанализ (см. таблицу 2), содержание меди в эвтектике колеблется от 25.6 до 35.49%, что (с учетом различающихся температурных условий кристаллизации и единичности определений) довольно хорошо соответствует равновесному содержанию меди в эвтектике 33.2%. Близки к равновесным (25% Ti и 75% Al) составы алюминидов в сплавах М17 и М18, и особенно близки значения содержаний меди и титана в сплаве М10, определенные химическим анализом (3.92% Cu, 0.34%Ti) и рентгеноспектральным микроанализом (3.9%Cu, 0.43%Ti) по площади 200х200 мкм². Микроанализ не показал медь в матрице сплава М14, по-видимому, ее содержание незначительно и находится в пределах ошибки определения. По приведенным в таблице данным было рассчитано количество эвтектики в сплавах, оно составило 8-10%.

Таблица 2 Результаты рентгеноспектрального микроанализа образцов сплавов

¹ - видимая эвтектика, но непопадающая в плоскость шлифа

Метод ДСК был использован для определения тепловых эффектов плавления/кристаллизации и температур фазовых переходов исследуемых сплавов, а также для расчета доли эвтектики в них. Результаты ДСК и способ оценки доли эвтектики в сплавах обсуждаются в статье Быкова А.С. с соавторами. В данной же работе приводятся только полученные процентные содержания эвтектики в сплавах. Они составили для сплавов М14, М17, М7 и М12, соответственно, 2.9, 2.5, 4.6 и 4.7%, что более, чем в 2 раза меньше значений, полученных по данным рентгеноструктурного микроанализа.

Для изучения влияния температурного режима и условий получения сплавов на их поведение при старении был проведен отжиг сплавов при 530єС в течение 5 часов с последующей закалкой в воде для получения пересыщенного медью и титаном твердого раствора алюминия. Уже в результате отжига твердость сплавов возросла с 470 до 550-730 МПа. Процесс старения проводился при температурах от 150 до 350єС с шагом 50 градусов в течение 20 часов. Результаты изменения твердости сплавов без Ti и с 0.3-0.42% Ti в процессе старения при 150-250єС приведены на рис.2(а,б,в). Видно, что твердение сплава М14 за счет образования зон Гинье-Престона составляет при температурах 150, 200. 250єС соответственно 640, 760 и 710 МПа через 19, 6 и 2 часа старения, при этом с увеличением длительности старения значения твердости снижаются на 60-70 МПа. В сплавах с добавкой титана за счет выделения дисперсоидов Al₃Ti достигаются высокие значения твердости, особенно в сплаве М8, температурные условия получения (830-800єС) которого были достаточны для перехода титана в твердый раствор алюминия и, в то же время, обеспечили незначительное содержание газов в сплаве. Наибольшая достигаемая твердость в изученном интервале старения по температурам и длительности составляет 1210 МПа за 14 часов старения при 150єС, 1010 МПа за 6 часов при 200єС и 960 МПа за 10 часов при 250єС (сплав М8). Скачки твердости при температурах старения 200 и 250єС характерны для сплава, в котором сохранились первичные выделения алюминидов Al₃Ti (М18), и для сплава (М13), полученного при температуре 1150єС и характеризующегося повышенным газосодержанием. Процесс распада твердого алюминия, пересыщенного медью (сплав М14), медью и титаном (остальные сплавы) при температуре 150єС, по-видимому, еще не закончился, поскольку достигнутая в каждом сплаве твердость остается практически неизменной. Однако, при температурах старения 200 и 250єС имеет место падение твердости практически всех сплавов, что свидетельствует о начавшемся процессе укрупнения дисперсоидов.

Таким образом, проведенные эксперименты показали возможность упрочнения сплава Al-4%Cu малыми добавками титана, при этом большое значение имеют температурные условия получения сплавов, определяющие отсутствие алюминидов титана в сплавах. Представляет научный интерес дальнейшее проведения процессов старения сплавов в расширенном температурном и временном интервалах.

Результаты получены с использованием оборудования Центра Коллективного пользования Урал-М.

Список литературы

1. Попова Э.А., Ватолин Н.А.,Пастухов Э.А.,Быков А.С.,Телицын И.И. Влияние низкочастотной кавитационной обработки алюминиевых расплавов на изменение условий кристаллизации и плавления, структуры и свойств литого металла. Расплавы, 1995, №3, с.10-14

2. Бродова И.Г., Яблонских Т.И., Долматов А.В., Попова Э.А. и др. Влияние температурно-временной и низкочастотной акустической обработок расплава на структурообразование в сплаве Al-5% Fe. Физика металлов и металловедение, 2006. Т. 102, №5. С. 556-562.

Размещено на Allbest.ru