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

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.

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

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.

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).

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.