Зеренная структура и горячеломкость сплава Al–6%Mg–2%Ca, легированного цинком и титаном

Язык труда и переводы:
УДК:
669.715
Дата публикации:
31 мая 2022, 14:08
Категория:
Материаловедение и новые материалы в машиностроении
Авторы
Дорошенко Виталий Владимирович
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Барыкин Михаил Александрович
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Аннотация:
Рассмотрено влияние добавок кальция, цинка и титана на изменение зеренной структуры и горячеломкость в сравнении с литейным сплавом Al–10Mg. Плавку осуществляли в печи сопротивления с использованием как чистых шихтовых компонентов, так и лигатур с последующим литьем в графитовые и стальные кокили. Для изучения структуры и определения состава сплавов использовали оптическую микроскопию. Образцы для структурных исследований и определения механических свойств получали из плоских отливок сечением 10х20 мм, которые затем переплавляли для литья «карандашных» проб на горячеломкость. сделан вывод, что экспериментальный сплав Al6Mg2Ca2Zn не уступает по горячеломкости Al–10Mg при литье с минимальным перегревом в холодную форму, а также обладает более мелкой зеренной структурой и схожей твердостью. Отсутствие цинка негативно сказывается как на размерах зерна, так и на горячеломкости. Добавка титана наоборот способствует измельчению зерна, но сохраняется горячеломкость на уровне сплава Al6Mg2Ca.
Ключевые слова:
алюминий, магний, легирование, зерно, горячеломкость, твердость, кальций
Основной текст труда

Введение

Ранее [1, 2] было установлено влияние кальция и кремния на фазовый состав и структуру литейного сплава Al–10Mg. Кремний рассматривался в качестве известной примеси, содержащейся в первичном алюминии, а кальций позволял сохранить низкую плотность и увеличить долю эвтектики, что, как предполагалось, должно улучшить литейные свойства. При этом, показано, что сохраняются высокие коррозионные свойства, при увеличении твердости. В данном исследовании предлагается рассмотреть исследуемые аналоги сплава АМг10ч, сплавы на основе АМг6лч, легированные кальцием, а также цинком/титаном. Концентрация магния 6 % позволит снизить количество выделений фазы Al3Mg2, которая характерна для сплавов с высоким магнием. Содержание кальция ограничивали 2 %, поскольку в источнике [3] упоминалось, что формирующаяся эвтектика (Al)+Al4Ca в сплавах с магнием более грубая по сравнению с другими сплавами, где легирующим элементом является Са. Поэтому для придания пластичности эвтектической фазе сплав дополнительно легировали цинком, который также растворяется в соединении Al4Ca, из-за чего в структуре будет отсутствовать упрочняющая при старении фаза Al2Mg3Zn3 (Т), что позволит сократить цикл термообработки [4]. Отдельно, вместо цинка рассматриваемый сплав легировали небольшими добавками Ti для измельчения зерна, что должно положительно сказываться на горячеломкости сплава.

Методика эксперимента

Сплавы (таблице 1) плавили в печи сопротивления фирмы GRAFICARBO в графитовых тиглях. Температура плавки находилась в пределах 750–800 °С (на печи), а в тигле температуру контролировали с помощью хромель-алюмелевой (ХА) термопары. В качестве шихты использовали первичный алюминий марки А99 (ГОСТ 11069–2001), магний марки Мг90 (ГОСТ 804–93), металлический кальций (ТУ 95.768–80), цинк Ц0 (ГОСТ 3640–94), лигатура Al5TiB (ГОСТ 53777–2010). Для исследования структуры и механических свойств получали плоские слитки размерами 10×20×180 мм литьем в графитовую изложницу. Для изучения горячеломкости заливали образцы в стальную «карандашную» пробу с диаметрами стержней 10, 12, 14 и 16 мм. Литье осуществляли при перегреве 50 °С в холодную (25 °С) форму. Показателем горячеломкости (ПГ) служит наименьший диаметр, в котором отсутствуют трещины. Травление на зерно проводили с помощью раствора Баркера и проводили съемку в оптическом микроскопе Zeiss Axio Observer.D1m. Оценку размер зерен проводили по методу секущих.

Таблица 1. Состав исследуемых сплавов

Сплав

Маркировка

Легирующие элементы1, % масс.

Mg

Ca

Zn

Ti

АМг10ч

10

Al6Mg2Ca

62

6

2

Al6Mg2Ca2Zn

622

6

2

2

Al6Mg2Ca0.06Ti

Ti1

6

2

0,06

Al6Mg2Ca0.12Ti

Ti2

6

2

0,12

1Al — основа

 

Результаты и обсуждение

Оценка зеренной структуры сплава АМг10ч показала, что при выбранном способе литья средний размер составляет 279 мкм. Равное количество зерен (по 33 %) входят в диапазоны 109–224 мкм и 225–341 мкм. Более 16 % зерен имеют размеры более 450 мкм. Сплав 62 показывает бо́льшие размеры, 769 мкм в среднем. Легирование цинком позволяет снизить эти значения более чем в 3 раза, до 179 мкм. Практически одинаковое (37 и 33 %) количество зерен имеют размеры 25–112 и 113–200 мкм соответственно. Базовый сплав АМг10ч и сплав с цинком 622 при литье показали отсутствие горячих трещин на всех образцах, кроме стержня диаметром 10 мм, на котором периодически выявлялись узкие трещины в нижней или верхней (под прибылью) части стержня. В остальном пробы имеют качественную гладкую поверхность с отсутствующими визуальными дефектами. Сплав без цинка 62 показал более высокую склонность к горячеломкости, не превышая показатели ПГ14.

Al6Mg2Ca2Zn (а)
Al6Mg2Ca0.12Ti (б)

Рисунок 1. Зеренная структура сплавов (ОМ): а — Al6Mg2Ca2Zn; б —  Al6Mg2Ca0.12Ti

В современных исследованиях, направленных на легирование тугоплавкими элементами, такими, как Ti и B, указывается постепенное увеличение концентраций, начиная с 0,03 % и заканчивая 0,15 %. Были выбраны 2 концентрации, составившие 0,06 и 0,12 %. Полученные сплавы Ti1 и Ti2 действительно характеризуются мелкозернистой структурой (рисунок 20) по сравнению со сплавом Al6Mg2Ca2Zn. Так, средний размер зерен для 0,06 % Ti и 0,12 % Ti составил 126 и 119 мкм соответственно. В сплаве с Ti1 более 40 % зерен имеют размер менее 100 мкм (но не менее 40 мкм) и 36 % от 100 до 160 мкм. В сплаве Ti2 более 30 % зерен находятся в интервале 30–73 мкм, а также по 22 % приходится на зерна размерами 73–116 и 117–160 мкм. В тоже время, по сравнению со сплавом Al6Mg2Ca2Zn, отсутствует улучшение литейных свойств. Так, ПГ обоих сплавов с Ti составил 14 с трещинами по сечению стержня «карандаша», а также на образцах периодически возникали холодные трещины.

Сравнение твердости разрабатываемого сплава Al6Mg2Ca2Zn и АМг10ч показывает схожие значения как в литом, так и закаленном состояниях (93.3/93.5 против 91.3/92.6).

Выводы

  1. Показано, что сплав системы Al–Mg–Ca–Zn может конкурировать с промышленным АМг10ч по горячеломкости и твердости, а средний размер зерна меньше на 100 мкм.
  2. Легирование титаном сплава Al6Mg2Ca приводит к значительному измельчению зерна, уменьшая его в 7 раз. При этом склонность к горячеломкости остается на том же уровне.
Грант
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 21-79-00134).
Литература
  1. Belov N. A., Naumova E. A., Akopyan T. K., Doroshenko V. V. Phase diagram of Al-Ca-Mg-Si system and its application for the design of aluminum Alloys with high magnesium content. Metals, 2017, vol. 7, iss. 10, pp. 429. http://dx.doi.org/10.3390/met7100429
  2. Belov N.A., Naumova E.A., Doroshenko V.V., Avxentieva N. N. Combined Effect of Calcium and Silicon on the Phase Composition and Structure of Al–10%Mg Alloy. Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2018, vol. 59, no. 1, pp. 67–75. http://dx.doi.org/10.3103/S1067821218010054
  3. Белов Н.А., Наумова Е.А., Базлова Т.А., Алексеева Е.В. Структура, фазовый состав и упрочнение литейных алюминиевых сплавов системы Al–Ca–Mg–Sc. Физика металлов и металловедение, 2016, № 2, с. 196–203. http://dx.doi.org/10.7868/S0015323016020042
  4. Белов Н.А., Наумова Е.А., Акопян Т.К. Эвтектические сплавы на основе алюминия: новые системы легирования. Москва, Руда и металлы, 2016, 256 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.