МОДИФИЦИРУЮЩИЙ ЛИГАТУРНЫЙ ПРУТОК Ai-Sc-Zr
MODIFYING ALLOYING BAR Al-Sc-Zr

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, и в частности, к химическому составу и технологии получения лигатурных прутков для модифицирования зеренной структуры слитков из алюминиевых сплавов. Модифицирование зеренной структуры слитков уменьшает их склонность к горячим и холодным трещинам, возникающим во время и после литья, повышает технологическую пластичность слитков при обработке их давлением (ковке, прессовании, прокатке) и улучшает служебные свойства деформированных полуфабрикатов, получаемых из вышеупомянутых слитков.
Одной из самых известных и давно используемых модифицирующих лигатур являются лигатура Al-Ti с содержанием титана 2-5% (здесь и далее % по массе) и лигатура Al-В с содержанием бора 2-5% (Напалков В.И., Махов С.В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. М.: МИСиС, 2002 г. - с.230-245). Использование лигатур Al-Ti и Al-В позволяет измельчать зеренную структуру слитков из алюминиевых сплавов и за счет этого повышать их сопротивление горячим и холодным трещинам и увеличивать технологическую пластичность при обработке давлением. Однако эффективность лигатур Al-Ti и Al-В не высока, и сильного измельчения зерна в отливаемых слитках не происходит.
Известны более эффективные модифицирующие лигатуры Al-Ti-B и Al-Ti-C, выпускаемые в виде лигатурных прутков (Макаров Г.С.Слитки из алюминиевых сплавов с магнием и кремнием для прессования. М.: Интернет.Инжиниринг, 2011 г. - стр.309-314; Напалков В.И., Махов С.В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. М.: МИСиС, 2002 г. - с.245-251). Прототип.
Лигатуры Al-Ti-B и Al-Ti-C, используемые в виде лигатурных прутков, оказывают сильное модифицирующее действие на зеренную структуру слитков из алюминиевых сплавов, заметно превосходя модифицирующее действие лигатур Al-Ti и Al-В. Вместе с тем использование лигатурных прутков Al-Ti-B и Al-Ti-C не дает возможность получить слитки из алюминиевых сплавов с предельно измельченной зеренной структурой, с так называемой недендритной структурой, характеризуемой отсутствием дендритного строения и равенством величины зерна величине дендритной ячейки второго порядка (дендритному параметру).
Предлагается модифицирующий лигатурный пруток Al-Sc-Zr, обеспечивающий получение слитков из алюминиевых сплавов с предельно измельченной зеренной структурой (с недендритной структурой). При использовании лигатурного прутка Al-Sc-Zr в процессе литья слитков формируется предельно измельченная зеренная структура, не имеющая дендритного строения, с величиной зерна, равной дендритному параметру. Помимо предельного измельчения зеренной структуры измельчаются частицы избыточных фаз кристаллизационного происхождения, залегающие по границам зерен.
Для получения лигатурного прутка Al-Sc-Zr, способного предельно измельчить зеренную структуру слитков вплоть до образования недендритной структуры, необходимо соблюдение следующих условий.
1. Химический состав лигатурного прутка должен удовлетворять требованиям, % по массе.
Скандий -
0,8-1,5
Цирконий -
0,8-1,5
По крайней мере один из элементов
Марганец
до 0,10
Хром
до 0,10
Титан
до 0,10
Молибден
до 0,10
Железо
до 0,30
Кремний
до 0,20
Алюминий -
остальное
2. При производстве модифицирующего лигатурного прутка Al-Sc-Zr в процессе кристаллизации заготовки, из которой будет изготавливаться лигатурный пруток, скорость охлаждения в интервале температур кристаллизации должна быть больше 50 град/сек, а расплав перед литьем должен перегреваться до температур выше 850°С.
3. На конечных операциях при производстве лигатурного прутка из быстрозакристаллизованной заготовки используют холодную деформацию.
Предлагаемый модифицирующий лигатурный пруток Al-Sc-Zr является пока единственным, который способен предельно измельчить зеренную структуру слитков вплоть до формирования недендритной структуры. Введение лигатурного прутка в алюминиевый расплав следует осуществлять с такой скоростью, чтобы содержание скандия и циркония в слитке отливаемого сплава возрастало не более чем на 0,02% каждого компонента. Этого количества скандия и циркония достаточно, чтобы предельно измельчить зеренную структуру слитка, то есть сформировать недендритную структуру. Получение слитков непрерывного литья с недендритной структурой и с измельченными частицами избыточных фаз кристаллизационного происхождения обеспечивает следующие выгоды и преимущества.
1. Резко уменьшается склонность к горячим трещинам в процессе литья слитков из алюминиевых сплавов.
2. Уменьшается склонность слитков к холодным трещинам после окончания литья.
3. Возрастает технологическая пластичность слитков при их обработке давлением - ковке, прокатке и прессовании.
4. Повышается комплекс служебных свойств готовых полуфабрикатов (профилей, поковок, листов, штамповок, плит), полученных из слитков с недендритной структурой.
3
3
3
3
3
Природа сильнейшего модифицирующего действия лигатурных прутков Al-Sc-Zr заключается в том, что в алюминиевый расплав с помощью лигатурного прутка вносятся дисперсные частицы интерметаллидов Al(Sc, Zr), кристаллическая решетка которых имеет практически полное размерно-структурное соответствие кристаллической решетке алюминия. Поэтому частицы Al(Sc, Zr) обладают сильнейшим затравочным действием при кристаллизации зерен алюминиевого раствора, т.е. частицы Al(Sc, Zr) являются активными центрами кристаллизации зерен твердого алюминиевого раствора. Кроме того, частицы-зародыши Al(Sc, Zr) обладают хорошей смачиваемостью алюминиевым расплавом, что усиливает их затравочное действие. Получение лигатурного прутка с использованием высокой скорости охлаждения при кристаллизации вызывает диспергирование частиц Al(Sc, Zr) и обусловливает появление большого числа потенциальных центров кристаллизации алюминиевых зерен при литье слитков. Как показывают эксперименты, введение в расплав по 0,001-0,01% Sc и Zr с помощью лигатурного прутка Al-Sc-Zr обеспечивает предельное измельчение зеренной структуры слитка, т.е. формирование недендритной структуры.
Пример.
Методом непрерывного литья был получен слиток диаметром 304 мм из сплава 1960 следующего фактического химического состава (табл.1).
Таблица 1
Фактический химический состав слитка сплава 1960, % по массе
Al
Zn
Mg
Cu
Zr
Ti
Mn
Fe
Si
Остальное
8,61
2,63
2,36
0,13
0,01
0,02
0,13
0,07
Плавку готовили в электрической печи сопротивления емкостью 1 т. Половину плавки отливали с использованием серийного лигатурного прутка Al-Ti5-B1, а вторую половину - с использованием предлагаемого лигатурного прутка Al-Sc-Zr, с содержанием 1,2% Sc и 1,15% Zr. Лигатурный пруток был получен из слитка непрерывного литья диаметром 20 мм, отлитого в электромагнитный кристаллизатор со скоростью охлаждения в интервале температур кристаллизации около 200 град/сек. Температура перегрева расплава перед литьем составляла около 1100°С. Расплав защищали от окисления с помощью инертного газа. Слиток отжигали, и с помощью ротационной ковки и последующего холодного волочения получали лигатурный пруток с хорошей чистой поверхностью диаметром 9,7 мм.
Слитки диаметром 305 мм, отлитые с применением предлагаемого лигатурного прутка Al-Sc-Zr, имели ровную малошероховатую поверхность практически без неслитин и ликвационных наплывов. Зеренная структура слитков - недендритная, с величиной зерна около 70 мкм.
Слитки, отлитые с использованием известного лигатурного прутка Al-Ti5-B1, имели шероховатую поверхность с небольшими ликвационными наплывами. Структура слитка - зеренно-дендритная, с величиной зерна около 350 мкм и величиной дендритной ячейки около 70 мкм. Слиток с недендритной структурой имел большую плотность из-за меньшей пористости и значительно меньшего размера (~ в 10 раз) включения избыточных фаз, залегающих в виде прослоек по границам зерен.
Слитки сразу после литья гомогенизировали при температуре 460°С, 24 ч, с последующим охлаждением на воздухе.
Для оценки технологической пластичности слитков проводили испытания на растяжение образцов, взятых из гомогенизированных слитков, при температуре 400°С. Результаты испытаний представлены в таблице 2.
Таблицы 2
Механические свойства слитков при 400°С
Слиток модифицированный с использованием
σ<sub>B</sub>, МПа
δ, %
известного лигатурного прутка
3,7
86
предлагаемого лигатурного прутка
3,4
99
Рассмотрение таблицы 2 показывает, что слиток, модифицированный с помощью предлагаемого прутка и имеющий недендритную структуру, обладает более высокой пластичностью и меньшим сопротивлением деформации по сравнению со слитком, модифицированным известным лигатурным прутком и имеющим обычную зеренную дендритную структуру.
Из слитков путем механической обработки были сделаны заготовки под прессование труб, и затем на прессе усилием 3,5 тысячи тонн были отпрессованы трубы ⌀146×6 мм. Температура нагрева перед прессованием была около 380°С. В процессе прессования температура повышалась на 70-90°С за счет выделения деформационного тепла.
Скорость истечения при прессовании слитков с недендритной структурой составила около 2,0 м/мин, а при использовании слитков с обычной зеренно-дендритной структурой - 0,8 м/мин.
Прессованные трубы были закалены в воде с температуры 470°С, выправлены, искусственно состарены по режиму 140°С, 16 часов и подвергнуты испытаниям. В таблице 3 представлены результаты испытаний термически обработанных труб на растяжение.
Таблица 3
Механические свойства закаленных и искусственно состаренных труб, полученных из слитков, модифицированных обычным лигатурным прутком и предлагаемым лигатурным прутком
Использованный лигатурный пруток при литье слитков
σ<sub>B</sub>, МПа
σ<sub>02</sub>, МПа
δ, %
Известный
645
621
4,7
Предлагаемый
673
644
7,7
Рассмотрение таблицы 3 свидетельствует, что трубы, полученные из слитка, модифицированного предлагаемым лигатурным прутком, имеют более высокие прочностные характеристики и более высокое относительное удлинение.
С целью оценки технологической пластичности труб при последующей холодной прокатке горячепрессованные трубы были отожжены по стандартному режиму 400°С, 1 час с последующим охлаждением вместе с печью до 150°С, затем на воздухе, и испытаны на растяжение (табл.4).
Таблица 4
Механические свойства отожженных труб, полученных из слитков, модифицированных известным лигатурным прутком и предлагаемым лигатурным прутком
Использованный лигатурный пруток при литье слитков
σ<sub>B</sub>, МПа
σ<sub>02</sub>, МПа
δ, %
Известный
251
163
19,7
Предлагаемый
244
155
23,5
Анализ таблицы 4 показывает, что пластичность отожженных труб, полученных из слитков, отлитых с использованием предлагаемого лигатурного прутка, выше, а сопротивление деформации немного ниже.
Отожженные трубы были прокатаны вхолодную с ⌀146×6 мм на ⌀134×3 мм. Процесс прокатки подтвердил более высокую технологическую пластичность отожженных труб, получаемых из слитков, модифицированных предлагаемым лигатурным прутком. Холоднокатаные трубы вместе с заготовками под поперечные образцы были закалены в воде с температуры 470°С и искусственно состарены по режиму 140°С, 16 часов. Механические свойства труб после закалки и искусственного старения представлены в таблице 5.
Таблица 5
Механические свойства труб после закалки и искусственного старения
Использованный лигатурный пруток при литье слитков
Продольные
Поперечные
σ<sub>B</sub>, МПа
σ<sub>02</sub>, МПа
δ, %
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>02</sub>, МПа
δ,%
Известный
634
601
4,8
627
601
5,1
Предлагаемый
649
624
7,8
644
617
7,5
t
max
Из труб были изготовлены образцы для испытаний на ударную вязкость и образцы на малоцикловую усталость (f=3 гц, K=2,6; C=160 МПа). Результаты испытаний представлены в таблице 6.
Таблица 6
Результаты испытаний труб холоднокатаных и термически упрочненных на малоцикловую усталость и ударную вязкость
Использованный лигатурный пруток при литье слитков
KCU, кгм/см<sup>2</sup>
Число циклов до разрушения, кцикл
Известный
0,43
180-215
Предлагаемый
0,68
240-300
Трубы, полученные из слитков, отлитых с использованием предлагаемого лигатурного прутка, имеют большие значения ударной вязкости и обладают большим сопротивлением повторным нагрузкам.
Таким образом, предлагаемый лигатурный пруток Al-Sc-Zr обеспечивает предельное измельчение зеренной структуры слитков и сильное измельчение частиц избыточных фаз, залегающих по границам зерен. Указанные изменения структуры слитков из высокопрочного сплава 1960 обусловливают более высокие скорости истечения при прессовании, более высокую технологичность при холодной прокатке труб и, самое главное, дает возможность повысить механические и ресурсные свойства готовых труб, полученных из этих слитков.