Оптимизация состава и структуры деформируемых алюминиевых сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Карагандинский государственный индустриальный университет, г. Темиртау, Казахстан

Оптимизация состава и структуры деформируемых алюминиевых сплавов

А.Р. Толеуова

Сплавы, содержащие цирконий в количестве более 0,5 % и получаемые методами сверхбыстрого затвердевания, с последующим применением порошковой металлургии, длительное время рассматривались как одними из наиболее перспективных материалов. Вторичные выделения фаз Al₃Zr со структурой Ll₂ (дисперсоиды), которые образуются при повторном нагреве закаленных сплавов, являются наиболее эффективными упрочнителями в алюминиевых сплавах [1,2]. Это обусловлено образованием дисперсных (менее 10 нм) частиц, когерентных алюминиевой матрице.

Однако, из-за высокой себестоимости сплавов (из-за сложной технологии) и скромных результатов в настоящее время они практически не используются.

В качестве альтернативы промышленным сплавам типа 1201 и быстрозакристаллизованным типа 01419 в работах [9] была предложена принципиально новая группа экономнолегированных термостойких алюминиевых сплавов (далее АЛТЭК). Эти сплавы предназначены для получения различных деформированных полуфабрикатов (среди них: листы, прутки, профили, панели, трубы, штамповки, поковки) на имеющемся промышленном оборудовании [3].

Основными легирующими компонентами в сплавах группы АЛТЭК (также как и промышленных типа 1201), являются медь, марганец и цирконий. Очевидно, что для обоснованного выбора концентраций легирующих компонентов и режимов термической обработки, требуется анализ, как минимум (если не учитывать примеси и малые добавки), четверной системы Al-Cu-Mn-Zr. Поэтому в данной работе была поставлена задача выполнить такой анализ с использованием современной программы Thermo - Calc. Данная программа позволяет не только строить практически любые сечения, но и рассчитывать на количественном уровне фазовый состав сплава при разных температурах (включая массовые и объемные доли фаз, а также концентрации в них элементов). Без расчета получить подобную информацию практически нереально.

Экспериментальные исследования

Анализ составов сплавов типа 1201 и АЛТЭК (табл.1.) показывает, что первые имеет существенно более высокую концентрацию меди, но меньшие концентрации марганца и циркония. Это различие в содержании легирующих компонентов и определяет ключевую разницу между этими группами, что рассматривается ниже.

Учитывая, что первичные кристаллы интерметаллидов, которые в общем случае нежелательны, образуются при сравнительно небольших концентрациях переходных металлов, на первом этапе рассчитывали (с использованием базы данных TTAL5) границы ликвидуса для тройной системы Al-Cu-Mn. Из рис.1а следует, что с увеличением в сплаве содержания меди граница появления первичных кристаллов Mn-содержащих фаз (Al₂₀Cu₂Mn₃ и Al₆Mn) сдвигается в сторону меньших концентрации марганца [4]. Этот результат является первым доводом в пользу маломедистых сплавов АЛТЭК по сравнению со сплавами типа 1201, содержащими более 6%Cu. Расчет границ солидуса также показывает, что с повышением содержания меди однофазная область (Al) сильно сужается по марганцу: от 1,4%Mn в двойной системе до 0,2%Mn при 5,7%Cu (рис. 1б).

а б

Рисунок 1. Границы поверхностей ликвидуса (выделены жирными линиями) и солидуса в системе Al-Cu-Mn: а) общий вид, б) солидус в области алюминиевого угла

Таблица 1. Cостав некоторых деформируемых сплавов на основе системы Al-Cu-Mn-Zr

¹ОСТ, ²ГОСТ 4784-97, ³спецификация Алюминиевой Ассоциации (США), ⁴ пат. РФ № 2252975 (публ. 27.05.2005, бюл. № 15)

Добавка циркония в двойные сплавы, как известно, приводит к образованию фазы Al₃Zr [1]. Хотя в литературе нет данных по строению диаграммы Al-Cu-Mn-Zr, распределение фазовых областей в алюминиевом углу этой четверной системы в твердом состоянии можно спрогнозировать, опираясь на имеющуюся информацию. Известно, что цирконий сильно повышает температуру ликвидуса в двойных сплавах. Расчет показывает, что наличие меди и магния мало сказывается на степени этого повышения, что демонстрируют политермические разрезы, показанные на рис.2, а также данные, приведенные в табл. 2.

Таблица 2. Параметры кристаллизации характерных сплавов системы Al-Cu-Mn-Zr

Температуры ликвидуса (T_L) и солидуса (T_S) являются одними из наиболее важных характеристик любого сплава. С помощью этих температур определяют режимы термической обработки, температуры плавки и литья сплавов [5]. Результаты расчета значений T_L и T_S для некоторых сплавов системы Al - Cu - Mn - Zr приведены в табл. 2. Исходя из результатов расчета можно сделать вывод, что медь не сильно влияет на T_L, но заметно снижает T_S. С другой стороны, добавка уже 0,4%Zr поднимает ликвидус выше 800 C.

а б

Рисунок 2. Политермические разрезы системы Al-Cu-Mn-Zr при переменном содержании циркония: а) 2%Cu и 1,5%Mn; б) 6,5%Cu и 0,5%Mn

Поскольку наибольший эффект от добавки циркония связан с формированием метастабильной фазы Al₃Zr с кристаллической решеткой L1₂, изотермические разрезы рассчитывали, исключив с расчета стабильную фазу (D0₂₃). Разрез при 0,4%Zr и 300 ⁰С (рис. 3) показывает именно ту последовательность изменения фазовых областей с повышением отношения Cu:Mn, которая вытекает из рис. 2.

Рисунок 3. Изотермический разрез системы Al-Cu-Mn-Zr при 0,4%Zr и 300 ⁰С: расчет для метастабильной фазы Al₃Zr (L1₂)

Влияние температуры отражают политермические разрезы при переменном содержании марганца, приведенные на рис.4. Из них видно, что уменьшение концентрации меди с 2 до 1% уменьшает вероятность образования фазы Al₂Cu.

а б

Рисунок 4. Политермические разрезы системы Al-Cu-Mn-Zr при 0,4%Zr и переменном содержании марганца: а) 2%Cu; б) 1%Cu: расчет для метастабильной фазы Al₃Zr (L1₂)

С использованием программы Thermo-Calc проведен количественный анализ фазовой диаграммы Al - Cu - Mn - Zr, включая расчет изотермических и политермических сечений, температур ликвидуса и солидуса, массовых и объемных долей фаз. Определены области концентраций и температур, при которых может быть достигнуто максимальное количество дисперсоидов Al₂₀Cu₂Mn₃ и минимальное количество фазы Al₂Cu, что должно отвечать наилучшей жаропрочности.

Список использованных источников

алюминиевый сплав гомогенизация закалка

1. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов.- М.: Металлургия , 1979. - С. 77-81.

2. Белов Н.А. Фазовый состав алюминиевых сплавов. - М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. - С. 392.

3. Н.А. Белов, А.Н. Алабин Перспективные алюминиевые сплавы с добавками циркония и скандия // Цветные металлы. - 2000. - № 2. - С. 99-106.

4. Белов Н.А. Структура и упрочнение литейных сплавов системы алюминий-никель-цирконий // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1993. - № 10. - С. 19-22

5. http://kgiu.kz/wp-content/uploads/2013/03/selection-1.compressed.pdf.

Размещено на Allbest.ru