Влияние скорости литья на процесс кристаллизации и структуру крупногабаритного плоского слитка из сплава 1163

-Ф-

-Ф-

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

УДК 669.715.017

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ЛИТЬЯ

НА ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И СТРУКТУРУ

КРУПНОГАБАРИТНОГО ПЛОСКОГО СЛИТКА ИЗ СПЛАВА 1163

Б.В. Овсянников, канд. техн. наук

Методом вмораживания термопар выполнено термометрирование плоских слитков из алюминиевого сплава 1163 в процессе полунепрерывного литья. Установлено влияние скорости литья на размеры двухфазной области кристаллизующихся слитков в сечении, перпендикулярном их широким граням. Исследована микроструктура образцов, вырезанных из центральной зоны слитков. Выявлено, что уменьшение скорости литья до определенного предела вызывает сужение переходной области в центральной зоне слитков в изученном сечении и практически предотвращает образование микропористости.

Ключевые слова: алюминиевый сплав, полунепрерывное литье, плоский слиток, термометрирование, скорость литья, двухфазная область, микропористость, микроструктура.

The Effect of a Casting Rate on Solidification Process and a Structure of Large-Size 1163 Alloy Flat-Shaped Ingots. B.V. Ovsyannikov, V.M. Zamyatin, A.V. Razinkin, V.S. Mushnikov.

Thermometry of 1163 aluminium alloy flat-shaped ingots in the process of semi-continuous casting was carried out by the thermocouple freezing-in technique. The effect of a casting rate on sizes of the two-phase field of the solidifying ingots in the section perpendicular to their wide sides was found. A microstructure of specimens cut from the central zone of the ingots was examined. It was also found that a reduction in a casting rate down to certain limit resulted in contraction of the transition region in the central zone of the ingots within the cross-section under examination and prevented practically microporosity formation.

Key words: aluminium alloy, semicontinuous casting, flat-shaped ingot, thermometry, casting rate, two-phase field, microporosity, microstructure.

Введение

Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов зависят от строения и свойств слитков [1]. Эта наследственная связь проявляется тем в большей степени, чем более легирован сплав и ниже степень деформации слитков в процессе переработки их на полуфабрикаты. Дефекты, образовавшиеся при кристаллизации слитка, наследуются,

как правило, деформированными полуфабрикатами. Так, наличие пористости в слитках сопровождается появлением расслоений в полуфабрикатах. Пористость слитка возрастает с увеличением сечения слитка, повышением скорости литья. Для выбора оптимальных технологических параметров процесса непрерывного литья слитков, при которых предотвращается образование пористости или обеспечивается ее минимальное прояв-

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

ление, требуется исследование процесса кристаллизации слитка. Особенно актуальным такое исследование становится в связи с увеличением сечения слитков. Термометриро-вание крупногабаритного слитка с помощью вмораживания в него нескольких термопар дает наиболее полную информацию о процессе кристаллизации, поскольку одновременно выявляет температурное поле слитка и профиль фронта затвердевания [1, 2]. Кроме того, этот метод позволяет зафиксировать положение границ ликвидуса и солидуса сплава, а также границу между жидкотвердой и твер-дожидкой частями двухфазной зоны. В настоящей работе проведено термометриро-вание крупногабаритных плоских слитков из сплава 1163 при разных скоростях литья и исследование микроструктуры образцов, вырезанных из центральных зон отлитых слитков.

Методика термометрирования слитка

методом вмораживания термопар

Схема вмораживания нихросил-нисиловых термопар в слиток поперечным сечением 460 х 1640 мм сплава 1163 показана на рис. 1. Химический состав сплава 1163 разных плавок приведен в табл. 1. Термо-ЭДС термопар регистрировали с помощью прибора УОКООДШД М^00, который автоматически переводил значения ЭДС из милливольт в °С. Термопары, закрепленные на расстоянии 70 мм друг от друга с помощью специально приготовленной жесткой рамки, вмораживали в слиток после отливки его части длиной 600-650 мм, когда процесс литья оказывался установившимся. При этом термопара 1 находилась на расстоянии 15-20 мм от стенок кристаллизатора. Запись показаний каждой из четырех

- - / Ч

~ о! OJL о! о! 4 _ 3 2 1 ----- оо"

>

150 500

1640

Рис. 1. Схема вмораживания термопар в слиток сечением 460 х 1640мм из сплава 1163:

1, 2, 3, 4 - места ввода термопар

термопар проводилась через промежуток времени Дт = 1 с.

Слитки отливали со съемом воды при трех значениях скорости литья: 50, 45 и 42 мм/мин. Во всех случаях расход воды на кристаллизатор составлял 24 м3/ч, а температура расплава миксере 700 °С. В связи с тем, что над кристаллизатором расположен литейный желоб, вмораживание термопар в центральную область слитка оказалось невозможным. Поэтому вмораживание термопар осуществляли в доступную часть поверхности расплава в лунке слитка. Использовали кристаллизатор высотой 125 мм. Съем воды осуществляли на расстоянии 280-290 мм от нижнего торца кристаллизатора. В процессе измерения температурного поля определяли глубину лунки с помощью металлического стержня.

Результаты исследования

Экспериментальные зависимости в координатах «температура t- время т» построили в координатах «температура t - длина слитка ^сл» с учетом того, что ^сл = vлт, где ул - скорость литья слитка. За начало отсчета длины слитка ^сл приняли поверхность расплава

Таблица 1

Химический состав сплава 1163 разных плавок и скорость литья ул слитков

поперечным сечением 460 х 1640 мм

Номер Содержание элементов, % мас.

плавки Cu Mg Mn Ti Fe Si Zn Ni Al мм / мин

1 4,17 1,45 0,54 0,05 0,08 0,05 0,01 0,004 Ост. 50

2 4,21 1,50 0,48 0,05 0,10 0,08 0,01 0,004 Ост. 45

3 4,10 1,40 0,53 0,07 0,10 0,05 0,03 0,004 Ост. 42

-Ф-

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

в лунке. Основываясь на зависимостях t (Lсл) и учитывая, что 642 °С - температура ликвидуса сплава 1163, 615 °С - температура его начала линейной усадки [3], а 505 °С - температура солидуса, построили профили лунок слитков, отлитых при разных скоростях (рис. 2). Как видно из рис. 2, ширина двухфазной зоны слитка (расстояние между ликвидусом и солидусом), отлитого при скорости 50 мм/мин существенно больше в центральной зоне по сравнению с периферийной.

Уменьшение скорости литья с 50 до 45 мм/мин вызвало существенное сужение двухфазной области в осевой зоне слитка (см. рис. 2). Особенно заметно это сказалось на ширине области твердожидкого состояния (между поверхностями температуры начала линейной усадки и температуры солидуса сплава), ответственной за формирование пористости, зональной ликвации, макро- и микроструктуры слитка в его осевой зоне. Глубина лунки, определенная с помощью металлического щупа в точке 4, оказалась равной 310 мм. Последующее снижение скорости литья слитка с 45 до 42 мм/мин не оказало заметного влияния на ширину двухфазной области (см. рис. 2) и глубину лунки слитка, которая составила в точке 4 около 300 мм.

Из центральной зоны каждого отожженного по режиму 380-420 °С, 2 ч слитка были вырезаны образцы для электронно-микроскопического и микрорентгеноспектрального анализов с помощью сканирующего электронного микроскопа иБМ-5900ЬУ. На рис. 3, а приве-

Рис. 2. Влияние скорости литья на двухфазную область кристаллизующегося слитка поперечным сечением 460 s 1640мм сплава 1163 (литье слитка со съемом воды):

• , О, + - скорость литья 50, 45, 42 мм/мин соответственно; I - кристаллизатор; II - слиток; III - экран для съема воды

дено электронное изображение типичной микроструктуры образца от слитка, отлитого со скоростью 50 мм/мин. На снимке отчетливо видны междендритные поры черного цвета в микроструктуре полированного шлифа. По границам дендритных ячеек расположена сетка эвтектических прослоек.

Таблица 2

Химический состав фазовых составляющих в микроструктуре образца, вырезанного из центральной зоны слитка сечением 460 х 1640 мм сплава 1163,

отлитого со скоростью 50 мм/мин

Усреднение по точкам Содержание элементов, % мас .

Mg AI Si Ti Mn Fe Ni Cu

1-4 0,46 47,57 0,04 51,94

5-7 0,40 60,70 0,43 10,13 9,76 0,16 18,42

8-11 0,83 97,28 0,15 0,50 1,23

12-15 1,25 94,39 0,57 3,79

16-18 8,56 63,79 0,15 0,25 0,20 0,05 27,00

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

100 мкм

Наложение

Рис. 3. Электронное изображение микроструктуры

образцов из центра отожженных по режиму 380-420 °С, 2 ч слитков сечением 460 х 1640мм сплава 1163, отлитых со скоростью 50

Результаты количественного микрорент-геноспектрального анализа химического состава фаз и алюминиевой матрицы сплава, приведенные в табл. 2, позволяют заключить, что эвтектика представляет собой тонкодисперсную смесь кристалликов а-твердого раствора на основе алюминия (аА|) и S-фазы (A^CuMg), точки 16-18. В отдельных участках эвтектических прослоек присутствуют частицы 9-фазы (A^Cu), точки 1-4, а также частицы интерметаллидной фазы AlFeMnCuSi (точки 5-7). В центральных частях дендритных ячеек обнаружено повышенное содержание титана (точки 8-11), а также пониженное содержание меди (точки 8-11) по сравнению с содержанием ее в периферийных частях дендритных ячеек (точки 12-15). Таким образом, широкая твердожидкая зона в центральной области кристаллизующегося слитка приводит к образованию в нем междендритной усадочной пористости.

Образец от слитка, отлитого со скоростью 45 мм/мин, также был подвергнут электронно-микроскопическому и микрорентгеноспект-ральному анализам. Результаты исследования этого образца, приведенные на рис. 3, б и в табл. 3, свидетельствуют об отсутствии в нем микропор. Аналогичные данные были получены и при исследовании образца от слитка, отлитого со скоростью 42 мм/мин. В целом же составы матрицы и эвтектики в образцах слитков, отлитых со скоростями 50, 45 и 42 мм/мин, оказались идентичными и свойственными сплаву 1163 в литом состоянии.

Таблица 3

Химический состав фазовых составляющих в микроструктуре образца, вырезанного из центральной зоны слитка сечением 460 х 1640 мм сплава 1163,

отлитого со скоростью 45 мм/мин

Усредне-

Содержание элементов, % мас.

ние по точкам Mg AI Si Ti Mn Fe Ni Cu

1-5 0,28 53,83 0,58 0,04 7,89 12,66 0,09 24,63

6 0,55 48,44 0,42 0,16 5,41 11,76 33,26

7-12 1,00 96,04 0,12 0,45 0,04 0,04 2,14

13-15 1,61 93,32 0,22 0,63 0,10 0,20 3,91

-Ф-

-Ф-

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Обсуждение результатов

В области температур выше 642 °С сплав 1163 находится в жидком состоянии. В интервале температур от 642 до 615 °С сплав находится в жидкотвердом состоянии. Это состояние характеризуется тем, что образующиеся кристаллы а-твердого раствора на основе алюминия могут свободно перемещаться в расплаве. В интервале температур от 615 до 505 °С сплав находится в твердожидком состоянии. При охлаждении сплава ниже 615 °С формируется кристаллический каркас слитка. Отдельные дендриты смыкаются (сцепляются) между собой и начинается усадка кристаллизации. При дальнейшем понижении температуры до 505 °С междендритная жидкость постепенно кристаллизуется. При 505 °С происходит затвердевание эвтектики.

Согласно работам [2, 3] затвердевание остаточного расплава в ячейках кристаллического скелета в твердожидкой зоне связано с затрудненным питанием усадки кристаллизации. Если вблизи границы с жидкотвердой зоной еще возможно пополнение усадки свежим расплавом, то к концу затвердевания уменьшение удельного объема при кристаллизации приводит к образованию микроскопической пористости. Степень усадочной пористости определяется главным образом размерами и формой твердожидкой зоны, т. е. длиной каналов, по которым питается усадка.

Анализ полученных экспериментальных данных при скорости литья слитка 50 мм/мин (см. рис. 2) показывает, что на расстоянии от поверхности слитка до 0,3 его толщины ширина зоны твердожидкого состояния оказывается достаточно узкой. Поэтому при кристаллизации слитка в этой зоне не происходит образования междендритной усадочной пористости. При увеличении же расстояния от 0,3 толщины слитка до центральной его части наблюдается существенное возрастание ши-

рины твердожидкой зоны, что в соответствии с данными работ [2, 3] неизбежно приводит к образованию в этой части слитка междендритной усадочной пористости. Поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы ширина твердо-жидкой зоны центральной части кристаллизующегося слитка была как можно более узкой.

Согласно справочному изданию [3] при понижении скорости литья уменьшается и ширина твердожидкой зоны кристаллизующегося слитка, повышаются его плотность и механические свойства.

Результаты наших экспериментов (см. рис. 2, 3) хорошо согласуются с данными работ [2, 3]. Следовательно, с целью уменьшения пористости, степени зональной ликвации неоднородности макроструктуры слитков сечением 460 х 1640 мм сплава 1163 и, как следствие, повышения технологической пластичности слитков необходимо понижение скорости литья слитков с 50 до 45 мм/мин.

Выводы

1. Методом вмораживания термопар в отливаемый со съемом воды слиток сечением 460 х 1640 мм сплава 1163 установлено, что при серийной скорости литья 50 мм/мин слиток характеризуется широкой двухфазной областью в центральной зоне. В микроструктуре образцов из центральной зоны слитка выявлена междендритная пористость.

2. Уменьшение скорости литья слитка сечением 460 х 1640 мм из сплава 1163 с 50 до 45 мм/мин вызывает существенное (на 25 %) сужение двухфазной области в его центральной зоне. При этом в микроструктуре слитка практически отсутствует междендритная пористость.

3. Дальнейшее снижение скорости литья слитка сечением 460 х 1640 мм сплава 1163 с 45 до 42 мм/мин не оказало заметного влияния на ширину двухфазной области слитка.

1. Добаткин В.И. Влияние качества слитка на структуру и свойства полуфабрикатов / Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: справ. изд. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1984. - 408 с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 2

Кац А.М., Шадек Е.Г. Теплофизические основы непрерывного литья слитков цветных металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1983. - 208 с. Вайнблат Ю.М., Добаткин В.И. Основы теории кристаллизации слитков и отливок / Плавка и литье алюминиевых сплавов: справ. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1983. - 352 с.