Повышение прочности и пластичности Al-Mg-Mn-сплавов, легированных цирконием и скандием, при равноканальном угловом прессовании

УДК 669.71:669.721:669.793:621.7.01

РАЗЛИЧНЫЕ ПОДХОДЫ К РЕАЛИЗАЦИИ УПРОЧНЯЮЩЕГО ЭФФЕКТА ОТ ДОБАВКИ СКАНДИЯ В ДЕФОРМИРУЕМЫХ СПЛАВАХ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ Al-Mg-Sc

Ю.А. Филатов, докт. техн. наук

Рассмотрены различные варианты реализации упрочняющего эффекта от добавки скандия в Al-Mg-Sc-сплавах: закалка и старение, распад пересыщенного твердого раствора скандия в алюминии в процессе переработки слитка, увеличение суммарной степени деформации, воздействие высоких давлений на металл слитка.

Ключевые слова: сплавы системы Al-Mg-Sc, деформируемые сплавы, механические свойства.

Various Approaches to Realization of the Strengthening Effect Resulted from Scandium Addition Made to Wrought Al-Mg-Sc System-Based Alloys. Yu.A. Filatov.

A number of variants of realization of the strengthening effect resulted from scandium addition made to Al-Mg-Sc alloys is discussed. Among these variants are the following: quenching and ageing, decomposition of supersaturated scandium solid solution in aluminium during working of ingots, an increase in total degree of strain, an influence of high pressure on ingot metal.

Key words: Al-Mg-Sc system-based alloys, wrought alloys, mechanical properties.

Первые промышленные деформируемые сплавы на основе системы А!-М^-Бс, в том числе известный сплав 01570, были разработаны в СССР в конце 70-х годов в результате совместных работ ИМЕТа под руководством М.Е. Дрица и ВИЛСа под руководством В.И. Елагина [1]. В дальнейшем к этим исследованиям присоединились ЦНИИ КМ «Прометей» и НПО «Композит». В настоящее время существует группа сплавов на основе системы А!-М^-Бс, наиболее прочным из которых является сплав 01570, содержащий около 6 % [2]. Из всех деформируемых алюминиевых сплавов со скандием в качестве легирующего компонента упрочняющий эффект от добавки скандия в наибольшей степени проявляется в сплавах на основе системы А1-М^-Бс. Например, холоднокатаные отожженные листы из сплава 01570 имеют обычно предел текучести около 330 МПа, что почти в 2 раза больше, чем у отожженных листов из сплава АМг6 с таким же содержанием магния, но без скандия. В данном случае упрочняющий эффект от небольшой добавки скандия соизмерим с упрочняющим эффектом от

основного легирующего компонента - магния. Что касается других видов деформированных полуфабрикатов, то в них эффект от добавки скандия проявляется в меньшей степени. Например, горячепрессованные прутки диаметром 180 мм из сплава 01570, полученные с четырехкратной вытяжкой, имеют а02 всего лишь около 250 МПа [2].

Представляется целесообразным рассмотреть различные подходы к реализации упрочняющего эффекта от добавки скандия в сплавах системы А!-М^-Бс с целью возможного их использования в металлургической практике применительно к производству различных видов деформированных полуфабрикатов из сплавов этой группы.

В одной из ранних работ ИМЕТа [3], посвященной исследованию структуры и механических свойств двойных сплавов А1-Бс и выполненной с учетом данных американского патента [4], было показано, что сплав А1-0,4 % Бс в виде прессованных прутков, полученных из негомогенизированных слитков, закаленный в воде с температуры 640 °С, приобретает максимальную твердость после старения

при 300 °С в течение 10 ч. По сравнению с исходным закаленным состоянием твердость увеличилась в 3 раза (с 20 до 70 НВ). Исследованиями, проведенными в ВИЛСе [5], установлено, что аналогичный нагрев (300 °С, 8 ч) сплава А1-0,4 % Бе в литом состоянии привел к такому же повышению прочностных свойств. Предел прочности, по сравнению с исходным литым состоянием, увеличился в 2,5 раза (с 90 до 220 МПа), при этом специальной термической обработки для перевода скандия в твердый раствор не потребовалось.

Современные представления о механизме упрочнения алюминия и деформируемых алюминиевых сплавов, в том числе системы А!-М^, при легировании их скандием изложены в обобщающей работе В.И. Елагина [5] и основаны на положении о том, что скандий, подобно другим переходным металлам, в условиях непрерывного литья в основном входит в твердый раствор. При последующих нагревах (гомогенизации, нагреве под деформацию, термической обработке) происходит распад твердого раствора скандия с образованием дисперсных когерентных выделений фазы А!3Бе (начало распада 250 °С), оказывающих значительное упрочняющее действие и повышающих температуру рекристаллизации деформированного полуфабриката. Максимальное упрочнение достигается при нагреве слитков до 300-400 °С, более высокие температуры приводят к коагуляции фазы А!3Бе и разупрочнению. Фактором, стабилизирующим упрочняющий эффект, является введение в сплав 0,1 % 7г, входящего в состав упрочняющей фазы и замедляющего процесс коагуляции продуктов распада твердого раствора. Добавка скандия совместно с цирконием позволяет сохранить во многих полуфабрикатах, в том числе в холоднокатаных листах, после термообработки нерекрис-таллизованную (полигонизованную) структуру и получить за счет этого значительный эффект структурного (субзеренного) упрочнения. Отмеченные особенности взаимодействия скандия с алюминием справедливы при условии, что скандий не взаимодействует с другими легирующими компонентами сплава с образованием нерастворимых фаз. Скандий не взаимодействует с магнием, поэтому

сплавы системы А!-М^ наиболее благоприятны для легирования скандием, поскольку они не требуют высокотемпературной упрочняющей термообработки, и весь процесс изготовления полуфабриката из слитка можно осуществить, не нагревая сплав выше 400 °С, т. е. избегая коагуляции упрочняющей фазы. Для А!-М^-Бс-сплавов будут действовать оба механизма упрочнения: за счет дисперсной фазы А13 (Бе, 7г) и за счет субзеренной структуры.

Холоднокатаные отожженные листы толщиной 1,6 мм из сплава 01570 с содержанием легирующих элементов на верхнем пределе, полученные в ВИЛСе с учетом вышеуказанных соображений из слитка непрерывного литья сечением 165х550 мм, имели следующие механические свойства в поперечном направлении: ав=451 МПа, а02=362 МПа, 5=15,6 % [6]. Это весьма высокий уровень для термически неупрочняемого сплава, однако вопрос о том, является ли этот уровень предельным для данной системы, пока остается открытым.

В этом плане большой интерес представляет эксперимент американских исследователей, целью которого было достижение максимума прочностных свойств у полуфабрикатов из А!-М^-Бе-сплавов, не выходя за пределы слитковой металлургии [7]. Эксперимент проводился с учетом данных [4] и опубликованных результатов исследований, проведенных под руководством М.Е. Дрица и В.И. Елагина. Исследовали сплавы следующего состава, % вес.: А!-0,5Бе, А!-2М^-0,5Бе, А!-4М^-0,5Бе и А!-6М^-0,5Бе. Методом непрерывного литья отливали плоские слитки сечением 25х130 мм и 64х310 мм, имея в виду, что при такой относительно небольшой толщине будет обеспечено получение пересыщенного твердого раствора скандия в алюминии в состоянии после литья. Максимальное упрочнение сплава в результате распада пересыщенного твердого раствора скандия в алюминии происходит, как считают авторы работы [7], при 288 °С. Негомогенизирован-ные слитки подвергали горячей прокатке при 288 °С до толщины 13 и 8 мм. Горячекатаные пластины прокатывали вхолодную до толщины 2,5 мм. Горячекатаные пластины и холод-

нокатаные листы подвергали старению при 288 °С. Механические свойства горячекатаных пластин и холоднокатаных листов, состаренных при 288 °С в течение 4 ч, приведены в таблице.

Механические свойства горячекатаных пластин и холоднокатаных листов из сплавов А!-8с и А!-1^-8с, состаренных при 288 °С в течение 4 ч [7]

Сплав Состояние о , МПа в' о0,2, МПа %

А!-0,58с 1 2 297 319 286 298 14,5 10,5

А!-21У^-0,58с 1 2 370 401 341 376 13,5 8,5

А!-41У^-0,58с 1 2 443 460 381 414 14,5 9,5

А!-61У^-0,58с П р и м е ч а н и 2 - горячая прок 1 2 е. 1 - го атка+хол 467 503 рячая про одная про 381 433 катка+стар катка+стар 10,5 10,5 )ение; ение.

Авторы [7] считают, что наилучшим комплексом свойств обладает сплав А!-4М^-0,58с.

Полученные в работе [7] результаты представляют интерес с точки зрения возможностей системы А!-М^-8с и могут быть использованы для сплавов с низким содержанием магния. Что касается высокопрочных сплавов типа 01570 с содержанием магния более 4 %, то они должны подвергаться гомогенизации при температуре выше линии сольвуса в системе А!-М^, т. е. выше 288 °С, с соответствующим неизбежным снижением прочностных свойств. В качестве практической рекомендации можно отметить целесообразность уменьшения толщины плоского слитка, предназначенного для производства листов. В этом случае можно говорить о возможности получения листов из сплава типа А!-4М^+8с, 7г с такими же прочностными свойствами, как у листов из сплава 01570.

Однако вышеупомянутые результаты (см. таблицу) не решают проблемы повышения прочностных свойств полуфабрикатов больших сечений, получаемых из крупногабаритных слитков с иными условиями охлаждения, не способствующими фиксации скандия в

твердом растворе. В работе [8] проведено исследование структуры крупногабаритных слитков из сплава 01570 - сплошного диаметром 590 мм и полого с внутренним диаметром 390 мм и наружным диаметром 745 мм. По результатам исследования сделан вывод о том, что независимо от формы слитка на формирование упрочняющей фазы А!3 (8с,7г) расходуется 50 % вводимых в сплав скандия и циркония. Остальное количество указанных элементов входит в состав первичных интерметаллидов. Поскольку в случае крупногабаритных слитков снижается роль механизма упрочнения за счет дисперсной фазы А!3 (8с,7г), можно говорить о повышении прочности деформированных полуфабрикатов больших сечений только вследствие эффекта структурного (субзеренного) упрочнения. Условия для проявления этого эффекта могут быть созданы за счет применения новых технологических схем горячей обработки давлением, позволяющих увеличить суммарную степень деформации без существенного изменения формы, например РКУ-прессова-ние.

Еще одним возможным резервом, позволяющим повысить прочность деформированных полуфабрикатов из А!-М^-8с-сплавов, получаемых из крупногабаритных слитков с малой степенью деформации, могут служить идеи В. И. Ливанова и полученные им экспериментальные данные по увеличению прочностных и пластических свойств крупных слитков из алюминиевых сплавов за счет применения всестороннего сжатия в области жидко-твердого состояния путем быстрого приложения высоких давлений (~100 кгс/мм2) [9]. В этом случае локальные жидкие объемы сплава под влиянием высокого давления будут затвердевать с большой скоростью, что позволит получить пересыщенный твердый раствор скандия в алюминии и соответствующее упрочнение по первому механизму за счет дисперсной фазы А!3 (8с,7г).

Выводы

1. Повышение прочности листов из сплавов на основе системы А!-М^-8с возможно за счет уменьшения толщины исходного слитка и повышения тем самым упрочняющего

эффекта за счет дисперсной фазы А13Бс, а в присутствии циркония - А13 (Бс^г).

2. Повышение прочности полуфабрикатов больших сечений, получаемых из крупногабаритных слитков, возможно вследствие применения новых технологических схем горячей обработки давлением, позволяющих в большей степени задействовать механизм структурного (субзеренного) упрочнения.

3. Возможным резервом повышения прочности металла, получаемого из крупногабаритных слитков из сплавов на основе системы А1-М^-Бс, может быть использование идей В.А. Ливанова по воздействию высоких давлений на литой металл при высоких температурах в области жидко-твердого состояния с использованием механизма упрочнения за счет дисперсной фазы А13Бс в локальных объемах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.

2.

3.

4.

5.

Дриц М.Е., Торопова Л. С., Быков Ю. Г., Елагин В. И., Филатов Ю.А.//Металлургия и металловедение цветных сплавов. - М.: Наука, 1982. С. 213-233.

Филатов Ю. А.//Технология легких сплавов. 2004. № 5. С. 13-19.

Дриц М.Е., Туркина Н.И., Каданер Э.С., Добат-кина Т.В.//Редкие металлы в цветных сплавах. - М.: Наука, 1975. С. 160-167. Patent 3, 619, 181. US. L.A. Willey.1971. Елагин В.И.//Технология легких сплавов. 2004.

№ 3. С. 6-29.

6. Елагин В.И., Швечков Е.И., Филатов Ю.А., Захаров В.В.//Технология легких сплавов. 2005. № 1-4. С. 40-44.

7. Sawtell R.R., Jensen C.L.//Metallurgical Transactions A. 1990. V. 21A. P. 421-430.

8. Валуев В .В .//Металловедение и термическая обработка металлов. 1998. № 6. С. 1517.

9. Ливанов В.А.//Металловедение легких сплавов. - М.: ВИЛС, 1985. С. 12-18.