Исследование структуры и оценка свойств литых и деформированных полуфабрикатов из сплавов системы Al-РЗМ с различным содержанием никеля

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

УДК 621.777:621.771.22

Довженко H.H., Сидельников С.Б., Дроздова Т.Н., Трифоненков Л.П., Ворошилов Д.С., Сидельников A.C.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ОЦЕНКА СВОЙСТВ ЛИТЫХ И ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ AL-P3M С РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ НИКЕЛЯ*

Аннотация. Представлены результаты экспериментальных исследований влияния количественного состава церия, лантана и никеля на свойства и структуру литых и деформированных полуфабрикатов из сплавов системы A1-P3M, полученных c помощью совмещенных методов обработки. Изучена структура и свойства металла, дан анализ влияния различного содержания этих элементов в исследуемых сплавах на механические и электрофизические свойства катанки и проволоки, полученные из этих сплавов.

Ключевые слова: совмещенные процессы, литье, прокатка, прессование, механические свойства, структура, электросопротивление.

Dovjenko N.N., Sidelnikov S.B., Drozdova T.N., Trifonenkov L.P., Voroshilov D.S., Sidelnikov A.S.

RESEARCH OF THE STRUCTURE OF METAL AND ESTIMATION OF PROPERTIES CAST

AND DEFORMED SEMI-FINISHED PRODUCTS FROM ALLOYS OF AL-REM SYSTEM CONTAINING

DIFFERENT AMOUNTS OF NICKEL

Abstract. There were presented the results of experimental studies of influence of quantitative composition of cerium, lanthanum and nickel on the properties and structure of cast and deformed semi-finished products of alloys Al-REM system, that were receipt with using combined methods of treatment. Studied the structure and properties of metal, presented analysis of the influence of various content of these elements in the experimental alloys on mechanical and electro physical properties of rolled wire and wire receipt from these alloys.

Keywords: combined processes, casting, rolling, extruding, mechanical properties, structure, electrical resistance.

Исследования по поиску новых составов алюминиевых сплавов системы А1-РЗМ и изучение их свойств с различным расчетным содержанием церия, лантана и никеля проводили для оценки механических свойств и структуры литых и деформированных полуфабрикатов. Химический состав слитков из экспериментальных сплавов приведен в табл. 1. Слитки отливали в изложницы, при этом температура плавки составляла 740-750°С, а температура заливки - 730-740°С. Далее по известной технологии [1-3] из слитков методом совмещенной прокатки-прессования получали прутки диаметром 9 мм, а затем холодным волочением проволоку диаметром 2 мм.

Исследование литых проб всех образцов проводили для оценки влияния химического состава на формирование структуры и свойств экспериментальных сплавов. Макроструктурный анализ показал, что литые пробы исследуемых сплавов состоят из зоны

столбчатых кристаллов, которая занимает более половины слитка, и центральной зоны равноосных кристаллов. Установлено, что увеличение содержания РЗМ более 2 масс. % приводит к образованию зон с веерной структурой.

Таблица 1

Химический состав слитков из экспериментальных сплавов системы Д1-РЗМ с добавками никеля, масс. %

Номер образца сплава Ce+La (Ce/La =1,2) Ni Fe Si Cu Mg Zn Ga I Ti,V, Mn,Cr Прочие элементы

Количество каждого Сумма

не более

1 0,9-1,4 0,15 0,06 0,02 0,03 0,04 0,03 0,01 0,05 0,2

2 2,1-2,6 0,15 0,06 0,02 0,03 0,04 0,03 0,01 0,05 0,2

3 2,9-3,4 0,15 0,06 0,02 0,03 0,04 0,03 0,01 0,05 0,2

4 0,9-1,4 0,26-0,32 0,15 0,06 0,02 0,03 0,04 0,03 0,01 0,05 0,2

5 2,1-2,6 0,20-0,25 0,15 0,06 0,02 0,03 0,04 0,03 0,01 0,05 0,2

В работе принимали участие В.Н. Баранов, В. А. Падалка, Е.С. Лопатина, Т.А. Орелкина, В.Ф. Фролов, A.B. Сальников.

Структура пробы образца №1 (рис. 1), содержащая минимальное количество легирующих элементов, отличается от остальных образцов. Она характеризуется разнозернистостью в центральной зоне равноосных кристаллов и имеет небольшую периферийную зону столбчатых кристаллов.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ИТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

V*

[ !

» ,>''.»г.

Рис. 1. Структура литых образцов №1 (а, б) и №5 (в, г) макроструктура (а, в); микроструктура (в, г), х1000

Металлографический анализ литых проб показал, что микроструктура сплавов состоит из дендритов а-твердого раствора и эвтектических включений избыточных фаз, расположенных по границам дендритных ячеек. Микроструктура всех образцов характеризуется однородным расположением избыточных фаз по сечению. При комплексном легировании в структуре образуются вторичные фазы различной формы и состава. Исследования микроструктуры проб на оптическом и электронном микроскопах позволили выявить морфологию эвтектических фаз, которые имеют округлую и пластинчатую форму. Поэлементный состав включений избыточных фаз в исследуемых сплавах, определенный методом микро-рентгеноспектрального анализа, выявил, что округлые включения содержат Al, Si, Fe, Ce, La и № (в сплавах, дополнительно легированных никелем). Включения пластинчатой формы содержат элементы А1, Si, Се, La и № (в сплавах, дополнительно легированных никелем). Мик-рорентгеноспектральный анализ исследуемых сплавов показал, что в эвтектических фазах содержание церия в два раза превышает содержание лантана.

Далее проводили металлографические исследования слитков, полученных из экспериментальных сплавов. Макро- и микроструктура некоторых образцов слитков приведена на рис. 2.

В образцах №1, 3, 5 центральная зона равноосных кристаллов практически отсутствует, и макроструктура представляет собой столбчатую транскристаллитную структуру. Макроструктура исследуемых слитков №2 и 4 состоит из периферийной зоны столбчатых кристаллов и центральной зоны равноосных кристаллов. Макроструктура всех слитков, кроме образца №4, содержит зоны с неблагоприятной веерной структурой.

Микроструктура исследуемых слитков характеризуется однородным расположением избыточных фаз по сечению образцов. Увеличение концентрации легирующих элементов влияет на размер дендритных ячеек, форму эвтектических кристаллов и их объемную долю. В образце №1 с содержанием РЗМ 0,9-1,4 масс. % размер дендритной ячейки составляет 26 мкм, в образце 3 с концентрацией РЗМ 2,9-3,4 масс.% размер дендритной ячейки уменьшается до 19 мкм. Повышение суммарной концентрации легирующих элементов в анализируемом интервале приводит к увеличению объемной доли эвтектики с 10 до 20%. Грубые веерные кристаллы с двойнико-ванными границами приводят к формированию при кристаллизации характерного расположения ветвей дендритов относительно плоскости двойникования (образцы №3 и 5). Такие участки структуры могут оказывать неблагоприятное воздействие при изготовлении деформированных полуфабрикатов.

Рис. 2. Структура слитков образцов №1 (а, б) и №5 (в, г): макроструктура (а, в); микроструктура (в, г), х500

Далее из литых заготовок по технологии совмещенной прокатки-прессования получали катанку диаметром 9 мм, из которой далее изготавливали проволоку диаметром 2 мм холодным волочением. Полученная микроструктура образцов деформированных полуфабрикатов приведена на рис. 3.

_____

--------

_;_  ^_____,„..'_____N -

• Zi - -„».

'._____-

___ . __

' - ~

50 рт „.•/•f •

• * - -<-'*:. '

V. - ''*

-

, 50 цт

Рис. 3. Микроструктура катанки (а, в) и проволоки (б, г) образцов №1 (а, б) и №5 (в, г), х500

Выявлено, что совмещенная прокатка-прессование привела к деформации твердого раствора, изменению формы дендритных ячеек и дроблению избыточных фаз эвтектического состава, а также частичному растворению неравновесных фаз. Дендритные ячейки и эвтектические колонии пластинчатого строения ориентированы в направлении оси деформации. Расположение фаз, их количество, размер и форма будут оказывать влияние на упрочнение и электрофизические свойства полуфабрикатов из исследуемых сплавов.

Повышение суммарной концентрации легирующих элементов в интервале от 0,9-1,4 до 2,9-3,4 масс.% приводит к увеличению неоднородности в структуре катанки. Зоны с расположением избыточных фаз становятся шире за счет увеличения объемной доли эвтектических составляющих в сплавах системы Al-РЗМ.

Волочение привело к образованию строчечной структуры в виде избыточных фаз. Строчечность в структуре проволоки возрастает с повышением степени легированности сплавов РЗМ.

Для определения механических свойств использовали универсальные машины LFM 400 кН и LFM 20 кН. Измерение микротвердости деформированных полуфабрикатов проводили при нагрузке 200 гр. на приборе AFFRI DM 8. Свойства деформированных полуфабрикатов, изготовленных из исследуе-

мых сплавов, приведены в табл. 2.

Временное сопротивление разрыву катанки находится в диапазоне 134-153 МПа, относительное удлинение достигает 16-27%. После холодного волочения временное сопротивление разрыву образцов проволоки увеличивается до 194-218 МПа, а относительное удлинение падает до 1,5-8,3%.

Анализ полученных результатов показал, что микротвердость катанки изменяется в пределах 39-46 кгс/мм2, а проволоки достигает значений 54-57 кгс/мм2, что аналогично изменению прочностных свойств полу фабрикатов.

Полученные значения удельного электрического сопротивления (УЭС) для деформированных полуфабрикатов находятся в интервале: для катанки - 0,0278-0,0295 Оммм /м; для проволоки - 0,0287-0,030 Оммм2/м.

Таким образом, в результате исследований выявлено, что увеличение концентрации легирующих элементов в исследуемых сплавах на основе алюминия приводит к росту временного сопротивления разрыву и удельного электросопротивления, что связано в основном с увеличением объемной доли эвтектики в этих сплавах. Анализ результатов механических и электрофизических свойств показал, что с увеличением содержания церия и лантана увеличивается временное сопротивление разрыву, твердость и удельное электросопротивление. Легирование никелем сплавов системы А1-РЗМ повышает пластичность и технологичность обработки, при этом прочностные свойства соответствуют сплавам без никеля с аналогичным содержанием РЗМ, а значения УЭС несколько повышаются.

Таблица 2

Механические и электрофизические свойства деформированных полуфабрикатов из исследуемых сплавов

Номер образца Ce+La (Ce/La =1,2) Временное сопротивление разрыву ств, МПа Относительное удлинение, % Микротвердость HV, кгс/мм2 Удельное электрическое сопротивление, Оммм2/м

Катанка

1 0,9-1,4 139,7 16,0 40,9±2,7 0,0278

2 2,1-2,6 142,5 17,3 42,9±1,4 0,0286

3 2,9-3,4 152,9 17,5 46,5±1,5 0,0288

4 0,9-1,4 134,0 18,8 42,4±0,8 0,0279

5 2,1-2,6 141,8 26,6 39,2±0,9 0,0295

Проволока

1 0,9-1,4 193,6 8,2 56,0±0,6 0,0287

2 2,1-2,6 207,1 3,3 56,6±0,8 0,0296

3 2,9-3,4 217,5 2,9 56,5±4,4 0,0302

4 0,9-1,4 218,3 1,5 55,9±2,4 0,0289

5 2,1-2,6 204,2 5,1 54,5±0,8 0,0298

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Полученные результаты исследований использовались при проектировании технологии и оборудования совмещенной обработки алюминиевых сплавов с переходными и редкоземельными металлами для получения катанки электротехнического назначения в рамках выполнения ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» и ООО «РУСАЛ ИТЦ» договора №13.G25.31.0083 с Минобрнауки России по созданию высокотехнологичного производства.

Список литературы

1. Сидельников С.Б., Довженко H.H. Загиров H.H. Комбинированные и совмещенные методы обработки цветных металлов и сплавов: монография. М.: МАКС Пресс, 2005. 344 с.

2. Исследование структуры металла и оценка свойств опытных образцов из сплава системы Al-РЗМ, полученных совмещенными методами литья и обработки давлением / Сидельников С.Б., Дов-

женко Н.Н., Ворошилов Д.С. и др. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2011. №2. С. 23-28.

3. Повышение эффективности производства профилей из алюминиевых сплавов на основе управления тепловыми условиями процесса прессования / С.В. Беляев, Н.Н. Довженко, С.Б. Сидельников и др. // Журнал Сибирского федерального университета. 2009. №4. С. 418-426.

References

1. Sidelnikov S.B., Dovzhenko N.N., Zagirov N.N. Combined methods of treatments of non-ferrous metals and alloys: a monograph. M.: MAKS Press, 2005. P. 344.

2. Research of the structure of metal and estimation properties of test samples from alloy of Al-REM system, which were receipt with using combined methods of casting and forming / Sidelnikov S.B., Dovzhenko N.N., Voroshilov D.S. and other // Bulletin of the MSTU named after G.I. Nosov. 2011. №2. P. 23-28.

3. Improving the efficiency of production profiles from aluminum alloys based on control of thermal conditions of extruding process / S.V. Belyaev, N.N. Dovzhenko, S.B. Sidelnikov and other // Journal of Siberian Federal University. 2009. №4. P. 418-426.