МОДИФИЦИРУЮЩИЕ ЛИГАТУРНЫЕ ПРУТКИ AL-SC-ZR ДЛЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

-ЛИТЕИНОЕ ПРОИЗВОДСТВО-

Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор В.Ю. Конкевич

УДК 669.715:621.74.047

МОДИФИЦИРУЮЩИЕ ЛИГАТУРНЫЕ ПРУТКИ М-Бо-1г ДЛЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

В. В. Захаров, докт. техн. наук, И.А. Фисенко

Экспериментально показано, что использование лигатурных прутков Al-Sc-Zr, отпрессованных из слитков непрерывного литья малого диаметра, дает возможность получать слитки с предельно измельченной (недендритной) структурой. При этом в модифицированном слитке обнаруживаются лишь следы скандия и циркония.

Ключевые слова: модифицирование; лигатурный пруток Al-Sc-Zr, предельное измельчение зерна.

Al-Sc-Zr Modifying Alloying Rods for Aluminium Alloys. VV. Zakharov, I. A. Fisenko.

It is shown experimentally that the use of Al-Sc-Zr alloying rods made via extrusion of small diameter continuous casting ingots enables production of ingots with an extremely fine-grained (nondendritic) structure. In this case, a modified ingot has only traces of scandium and zirconium.

Key words: modification; Al-Sc-Zr alloying rod; ultimate grain refining.

Размер литого зерна является одним из критериев качества слитков непрерывного литья [1-3]. У металлургов сформировалось почти единодушное мнение о предпочтительности слитков с мелкозернистой структурой, обладающих рядом преимуществ и достоинств. Прежде всего слитки с мелким зерном менее склонны к горячим (кристаллизационным) трещинам, возникающим в процессе литья. Они имеют более высокую технологическую пластичность и допускают большие степени деформации при обработке давлением. Мелкозернистая структура литых заготовок наследуется деформированными полуфабрикатами, обеспечивая рост служебных и технологических свойств.

Наиболее распространенным и эффективным способом изменения структуры слитков непрерывного литья, используемым на производстве, является введение в расплав на некотором расстоянии от фронта кристаллизации лигатурных модифицирующих прутков [2, 3]. Структура модифицирую-

щих прутков представляет из себя алюминиевую матрицу с включениями тугоплавких частиц, служащих центрами кристаллизации алюминиевых зерен. Одними из самых распространенных и эффективных являются прутки из сплавов А1—Т1—В, Д1—Т1—С, центрами кристаллизации в которых являются частицы тиборида титана Т1В2, покрытые тонкой пленкой А1зД и частицы карбида титана ТЮ. Размер частиц колеблется в пределах от десятых долей до нескольких микрометров. Эти частицы хорошо смачиваются алюминиевым раствором, их удельный вес не сильно отличается от удельного веса алюминия, а кристаллическая решетка этих частиц хорошо сопрягается с кристаллической решеткой алюминия. Благодаря этому прутки эффективно измельчают зеренную структуру слитков алюминиевых сплавов. Обычно прутки вводят в количестве 1-2 кг на тонну расплава.

Вместе с тем существуют более эффективные способы измельчения литого зерна, позволяющие получать слитки непрерывного

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

литья с предельно измельченном недендритной структурой [4, 5]. Это использование мощного ультразвука, вызывающего в расплаве явление кавитации, а также введение в расплав лигатурного прутка одновременно с ультразвуком, препятствующим агломерации частиц зародышей новых зерен. Слитки с предельно измельченной, недендритной структурой могут быть также получены путем введения в сплав добавки скандия [6, 7], которую можно вводить в сплавы в виде лигатуры Al-Sc вместе с шихтой и в расплав в виде лигатурного прутка. Последний способ является более эффективным с точки зрения модифицирования зеренной структуры. Цель настоящей статьи заключается в обсуждении возможности использования лигатурных прутков из сплавов Al-Sc-Zr для измельчения зеренной структуры слитков непрерывного литья алюминиевых сплавов.

Методика и материалы исследования*

Методом непрерывного литья был получен слиток диаметром 94 мм из сплава Al-0,75 % Sc-0,75 % Zr. Расплав подвергали нагреву до 850 °С с выдержкой 1 ч, температура литья 750 °С. Соотношение Sc:Zr было выбрано как 1:1 с целью максимального насыщения цирконием фазы A^Sc. При растворении циркония в фазе A^Sc путем замещения атомов скандия и образования Alß(Sci _ х, Zrx) уменьшается размерное несоответствие кристаллических решеток соединения Alß(Sci _ х, Zr^ и алюминиевой матрицы, что усиливает затравочное действие частиц. Кроме того, при замене в сплаве Al-Sc-Zr частиц скандия на цирконий, стоимость которого в 20 раз ниже стоимости скандия, цена на пруток заметно снижается.

Слиток гомогенизировали, механически обрабатывали на заготовки и прессовали на пруток диаметром 9 мм. Этот пруток использовали в качестве лигатурного, его вручную вводили с разной скоростью в жолоб с расплавом перед кристаллизатором. При проведении экспериментов модифицировали слиток 0 134 мм из сплава Al-5 % Zn-2 % Mg-

0,4% Мп-0,1 % Ре-0,03% Б!, температура литья 730-740 °С. Исследовали макро- и микроструктуру слитка, определяли электропроводимость.

Результаты экспериментов и их обсуждение

Исследование слитка 0 94 мм сплава А!-0,75 % Бс-0,75 % 7г, отлитого для приготовления модифицирующего прутка, показало, что большая часть скандия и циркония вошли при литье слитка в твердый раствор, а меньшая часть выделилась в виде первичных ин-терметаллидов А^Бс - х, 7гх) (рис. 1). Объемная доля интерметаллидов составила 2,4%, размеры интерметаллидов - от десятых долей до нескольких микрометров. Электропроводимость слитка составила 25,0 МСм/м (у технического алюминия она 37 МСм/м), это указывает на то, что значительная часть скандия и циркония вошли в твердый раствор.

Прессованный пруток имел деформированную структуру. Зерна, интерметаллиды в виде цепочек вытянулись в направлении прессования.

Структура экспериментального слитка 0134 мм из сплава А!-7п-Мд-Мп в исходном состоянии (до модифицирования) дендритная с величиной зерна около 170 мкм и величиной дендритной ячейки 17 мкм (рис. 2, а). Введение в жолоб лигатурного прутка А!-0,75 % Бс-0,75 % 7г способствует формиро-

* В проведении экспериментов и в исследовании структуры слитков принимала участие Т.Д. Ростова.

Рис. 1. Интерметаллиды Al3(Sc1 _ х, Zr) в слитке 0 94мм сплава Al—O, 75 % Sc—0,75 % Zr, s 800

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Пиит тиши—м I'

*>л уу<

к' -ГН *

Рис. 2. Структура слитка 0 мм сплава Л/-5 % гп-2,0 % Мд-0,4% Мп до модифицирования (а) и после введения лигатурного прутка Л!-вс-1г (б), х /00

ванию в слитке недендритной структуры независимо от скорости введения прутка (рис. 2, б). При самой минимальной скорости введения в слитке были обнаружены только следы скандия и циркония (Бе < 0,01 %,

< 0,01 %), и слиток при этом имел полностью недендритную структуру с размером зерна 17 мкм (см. рис. 2, б).

Полученные результаты согласуются с нашими ранее полученными данными, свидетельствующими о сильном модифицирующем действии скандия А^Бс [6-10]. Высокая модифицирующая способность скандия объясняется несколькими факторами. Во-первых, количество первичных частиц А!зБс, являющихся центрами кристаллизации алюминиевых зерен, в единице объема расплава перед началом кристаллизации большое вследствие механизма их формирования в

алюминиевом расплаве из сиботаксических групп [10]. Плотность (удельный вес) этих частиц близка к плотности алюминиевого расплава и они медленно осаждаются в расплаве, обеспечивая тем самым возможность зарождения на них алюминиевых зерен. Частицы А1зБс характеризуются также хорошей смачиваемостью алюминиевым расплавом, а их кристаллическая решетка обладает почти полным размерно-структурным сходством с кристаллической решеткой алюминия. Все выше перечисленные факторы обусловливают сильное, уникальное модифицирующие действие добавки скандия.

При создании сплава 1970 [11], работы по которому проводили в восьмидесятых годах прошлого столетия, была выявлена следующая закономерность, характеризующая модифицирующее действие добавки скандия. При увеличении содержания скандия в сплаве А!-7п-Мд-7г от нуля до 0,17 % величина зерна в слитках непрерывного литья практически не меняется. Слитки имеют обычную дендритную зеренную структуру. Весь скандий, вводимый в сплавы, входит при литье слитков в твердый раствор, о чем свидетельствует непрерывное снижение электропроводимости. При достижении содержания скандия 0,18% размер зерна резко скачкообразно уменьшается до размера дендритной ячейки. Зеренная структура становится недендритной и при дальнейшем увеличении содержания скандия величина зерна не меняется, оставаясь равной величине дендритной ячейки. По-видимому, при увеличении содержания скандия до -0,17% достигается граница метастабильной растворимости скандия в алюминии, появляются первые частицы интерметаллида А!з(Бс, 7г), являющиеся центрами кристаллизации алюминиевых зерен. Эксперименты свидетельствуют, что достаточно совсем небольшого превышения критической величины содержания скандия, которая является границей ме-тастабильной растворимости (на 0,01 %), и появление первых частиц интерметаллида А!з(Бс1 _ х, 7гх) приводит к преобразованию обычной дендритной зеренной структуры в предельно измельченную, недендритную (см. рис. 2).

а

-Ф-

-Ф-

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Таким образом, возникновение в алюминиевом расплаве перед началом кристаллизации мелких частиц А^(Бс - х, 7гх), образованных всего лишь 0,01 % Бс и 0,01 % 7г, является достаточным фактором для предельного измельчения зерна (т. е. для формирования недендритной структуры) при непрерывном литье слитков из алюминия и его сплавов. Наиболее просто и доступно это можно сделать путем использования лигатурного прутка. Целесообразно продолжить исследования в этой области и, в частности,

в направлении выбора оптимального состава сплава А!-Бс-7г и возможного его усложнения, в направлении разработки эффективной и экономной технологии производства лигатурных прутков из скандийсодержащих сплавов. Цель наиболее ближайших экспериментов - определение оптимальных параметров морфологии частиц типа А^(Бс - х, 7гх) в лигатурном прутке. Такие прутки позволят получать слитки непрерывного литья из алюминиевых сплавов всех систем с предельно возможной измельченной структурой.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Плавка и литье алюминиевых сплавов. Справ. / Под редакцией Добаткина В.И. 2-ое издание. -М.: Металлургия, 1983. - 352 с.

2. Бондарев Б.И., Напалков В.И., Тарарыш-

кин В.И. Модифицирование алюминиевых деформируемых сплавов. - М.: Металлургия, 1979. -224 с.

3. Макаров Г.С. Слитки из алюминиевых сплавов с магнием и кремнием для прессования. - М.: Ин-термет. Инжиниринг. 2011. - 527 с.

4. Добаткин В.И., Эскин Г.И., Боровикова С.И., Гольдер Ю.Г. Закономерности формирования структуры слитков алюминиевых сплавов при непрерывном литье с ультразвуковой обработкой кристаллизующегося расплава // В кн.: Обработка легких и жаропрочныхсплавов. - М.: Наука, 1981. С.118-122.

5. Бочвар С.Г. Новая концепция предельного измельчения структуры слитков алюминиевых сплавов в процессе непрерывного литья за счет вне-печного комплексного модифицирования расплава // Технология легких сплавов. 2011. № 1. С.12-21.

6. Елагин В.И., Захаров В.В., Ростова Т.Д. Перспективы легирования алюминиевых сплавов скандием // Цветные металлы. 1982. № 12. С. 96-99.

7. Елагин В.И., Захаров В.В., Ростова Т.Д. О недендритной структуре слитков и ее влиянии на свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов // В кн.: Металловедение, литье и обработка сплавов. - М.: ВИЛС, 1995. С. 6-16.

8. Захаров В.В. Влияние скандия на структуру и свойства алюминиевых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2003. № 7. С. 7-15.

9. Давыдов В.Г., Захаров В.В., Ростова Т.Д. Модифицирование зеренной структуры слитков алюминиевых сплавов // Цветные металлы. 2001. № 9-10. С.95-98.

10. Захаров В.В. Особенности кристаллизации алюминиевых сплавов, легированных скандием // Металловедение и термическая обработка металлов. 2011. № 9. С. 12-18.

11. Захаров В.В., Ростова Т.Д. Высокопрочный свариваемый сплав 1970 на основе системы А!-2п-Мд // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005.№ 4. С. 10-17.