Быстрая кристаллизация высоколегированных алюминиевых сплавов в электромагнитном поле

УДК 669.715:621.74

БЫСТРАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ

© 2011 г. М.В. Первухин*, Д.К. Фигуровский**, Н.В. Сергеев*, Е.А. Головенко*,

М.Ю. Хацаюк*

*Сибирский федеральный университет *Siberian Federal University

"Московский государственный университет **Moscow State University of Instrument

приборостроения и информатики Engineering and Computer Sciences

Рассматриваются основы процесса кристаллизации алюминиевых сплавов методом непрерывного литья в электромагнитном поле. Проведен анализ тепловых режимов кристаллизующегося слитка, показано их влияние на структуру сплава.

Ключевые слова: электромагнитный кристаллизатор; быстрая кристаллизация; высоколегированные алюминиевые сплавы; литье в электромагнитном поле.

The present article describes the crystallization process of aluminum alloys continuously cast in an electromagnetic field. The analysis of the crystallizing ingot thermal rates has been made, its influence on the structure alloy characteristics have been presented.

Keywords: electromagnetic crystallizer; quick crystallization; high-alloy aluminum alloys; cast in an electromagnetic field.

Ведение. Такие элементы как марганец, хром, титан, цирконий, железо, никель, редкоземельные металлы (РЗМ) и другие, присутствующие во многих алюминиевых сплавах, эффективно влияют на структуру и свойства полуфабрикатов. Входя в небольших количествах в твердый раствор и выделяясь в виде вторичных интер-металлидов, указанные элементы способствуют получению мелкозернистых структур, что также повышает технологические свойства сплавов и полуфабрикатов. Имея малую растворимость в твердом растворе и выделяясь в виде эвтектических составляющих и интерметаллидов, указанные элементы способствуют диспергированию структуры сплавов, что приводит к значительному повышению технологических свойств сплавов и полуфабрикатов. В то же время интерме-таллиды марганца, хрома, титана, циркония и РЗМ, образующиеся в алюминиевых сплавах при обычных условиях литья, находятся в слитке в виде грубых, неравномерно распределенных включений, которые могут ухудшать механические свойства, а также негативно сказываться на

качестве поверхности деформированных полуфабрикатов [1].

Вместе с тем известно, что увеличение скорости охлаждения жидкой фазы до начала кристаллизации и скорости самого процесса кристаллизации в алюминиевых сплавах, имеющих в своем составе первичные интерметаллиды, способствует их измельчению и более равномерному распределению. При высоких скоростях кристаллизации в сильной степени меняется и структура гетерогенных сплавов. Грубые эвтектические и первичные включения интерметаллидов или чистых металлов, которые при обычных способах литья снижают механические свойства сплавов, по мере увеличения скорости кристаллизации становятся более тонкими и равномерно распределенными, и их влияние на свойства оказывается уже положительным [1, 2].

Постановка задачи. В настоящее время в отечественной и зарубежной практике имеется большое разнообразие схем получения высоколегированных алюминиевых сплавов методом быстрой кристаллизации, основными из которых являются:

распыление расплава газом; намораживание расплава на подложку; распышение расплава центробежными силами [1]. Они сводятся к диспергированию расплава, его охлаждению в водной или газовой среде и получению гранул сплава размером от 0,05 до 5 мм. Для того чтобы использовать полученные гранулы для изготовления полуфабрикатов и изделий на их основе, необходимо осуществить ряд сложных технологических операций, основными из которых являются: обезвоживание, сушка, классификация и очистка от инородных примесей, вакуумная дегазация и герметизация, компактирование и др. [1, 2]. В итоге, для получения полуфабрикатов и изделий из гранул, необходимо порядка 20 технологических операций, каждая из которых в той или иной мере ведет к безвозвратной потере части сплава, что снижает выход годного. Кроме этого, применение технологии гранульной металлургии для изготовления полуфабрикатов в виде проволоки диаметром 0,07—0,1 мм и лент, имеет серьезные трудности. Эти трудности связаны с неизменными спутниками гранул — включениями различного рода, которые снижают технологичность сплавов, способствуют разрыву проволоки и ленты при деформации. Это вынуждает искать альтернативные гранульной металлургии технологические решения, которые позволят уменьшить число технологических операций и энергетические затраты на пути от производства сплава к изготовлению готовой продукции и увеличить выход годного.

Решение поставленной задачи. Для решения поставленной задачи необходимо уходить от гранулирования и двигаться в сторону увеличения объемов кристаллизующегося металла. Однако здесь возникает противоречие, связанное с тем, что это ведет к снижению соотношения между площадью поверхности и объемом кристаллизующейся порции металла, в результате чего снижается скорость охлаждения. При определенных условиях такой подход может полностью нейтрализовать эффект, присущий процессу кристаллизации с высокими скоростями охлаждения.

В последние годы заметно возрос интерес к фундаментальным и прикладным исследованиям в области кристаллизации при воздействии управляемого движения расплава. Используемое внешнее воздействие для приведения в движение потока жидкого металла включает в себя такие методы, как вибрация, ультразвуковое воздействие, электромагнитное перемешивание (ЭМП). Среди этих методов ЭМП можно считать одним из наиболее эффективных технологических приемов управления литой структурой.

В работах [3—5] было показано, что структура сплавов, сформированная в процессе кристаллизации под действием электромагнитного поля,

оказывает значительное влияние на механические, технологические и эксплуатационные свойства сплавов.

Перспективным направлением, обладающим высоким потенциалом в отношении получения высоких скоростей охлаждения в относительно больших объемах кристаллизующегося металла, является метод непрерывного литья в электромагнитном поле слитков малого поперечного сечения (диаметром 5—15 мм). Рассмотрим основные принципы и закономерности такого способа литья [5] (рис. 1).

Жидкий металл 1 посредством литейной оснастки 2 подается в одновитковый индуктор 3. Под действием электромагнитного поля, создаваемого индуктором, в жидком металле наводятся вихревые токи, которые при взаимодействии с магнитным полем индуктора приводят к возникновению объемных сил, удерживающих жидкий металл в индукторе от растекания. Формируемый магнитным полем столб жидкого металла в начальный момент литья опирается на токопрово-дящее основание, переходящее в процессе литья в кристаллизующийся слиток 4. Для охлаждения слитка используют охладитель 5. Под действием охлаждающей воды, поступающей на боковую поверхность слитка, жидкометаллическая масса непрерывно затвердевает и отводится вниз.

1

Непосредственная подача охлаждающей воды на застывающий металл позволяет обеспечить высокую интенсивность охлаждения, а малый диаметр слитка (5—15 мм) сводит к минимуму температурный градиент в его поперечном сечении. Дополнительное воздействие на структуру слитка оказывает ЭМП, возникающее под действием электромагнитных сил. Как было показано в ранее проведенных работах [4, 5], диспергирование структуры сплавов, выплавленных с использова-

нием ЭМП в процессе кристаллизации, связано с перемешиванием расплава в области лунки, что приводит к активному увеличению центров кристаллизации за счет значительного переохлаждения расплава (от 2 до 20 оС) и обламывания ветвей дендритов, образующих дополнительные центры. Перечисленные факторы приводят к диспергированию структуры; частичному или полному устранению дендритной ликвации; расширению концентрационных областей твердых растворов; сдвиг эвтектических и перитектических точек и др. [1, 2].

Проведем анализ тепловых процессов, протекающих в жидкой фазе слитка, кристаллизующегося в магнитном поле, и их влияние на структуру получаемых сплавов.

Метод проведения исследования. Исследование закономерностей протекания тепловых процессов в слитке проводилось с использованием методов математического моделирования [6]. Изучение структуры и физико-механических свойств слитка, а также влияния, которое оказывает на них изменение скорости охлаждения, осуществлялось на образцах, полученных на опытной литейной установке с электромагнитным кристаллизатором, располагающейся в лаборатории Сильных магнитных полей Института физики СО РАН.

В основу математических моделей и натурных экспериментов положена система «индуктор—слиток» ЭМК с основными параметрами, приведенными в таблице.

Исследования микроструктуры проводились в Центре коллективного пользования Сибирского федерального университета. Поперечные шлифы подвергли химическому и ионному травлению. Микроструктуру исследовали по диаметру шлифа от края образца к центру в трех точках, на оптическом микроскопе Zeiss Observer Z1m и сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM 7001F.

Результаты исследований и их обсуждение. На

рис. 2 а представлены кривые охлаждения, полученные расчетным путем для слитков диаметром 5, 10 и 15 мм (сплав 01417М) при параметрах литья, приведенных в таблице. Температура металла на выходе из литейной оснастки (момент времени г=0) составляет 720 °С. По мере продвижения металла во внутреннюю область индуктора, с высокой степенью концентрации магнитного поля, начинается его разогрев под действием джо-улева тепла, выделяющегося в металле под действием электромагнитного поля. При этом разогрев слитка с меньшим диаметром происходит более интенсивно, что связано с ростом объемной плотности джоулева тепла (рис. 2 а). Таким образом, при подходе металла к области фазового перехода, в слитках меньшего диаметра он имеет более высокую степень перегрева. Наличие перегретого расплава у фронта кристаллизации благотворно влияет на качество слитков, так как при этом уменьшается размер двухфазной зоны и время пребывания металла в двухфазном состоянии [7]. Далее металл попадает в область струйного охладителя, где происходит резкое его охлаждение и кристаллизация.

На рис. 2 б для рассматриваемого сплава приведена зависимость средней скорости охлаждения металла по сечению слитка от диаметра слитка. Расчеты показали, что при диаметрах слитка от 5 до 15 мм, скорости охлаждения составляют 850—380 К/с соответственно, что соответствует нижней границе скоростей охлаждения получаемых методами быстрой кристаллизации. Ускоренное прохождение интервала ликвидус—солидус не только приводит к измельчению всех структурных элементов, но и способствует достижению более высокой химической однородности, т.е. снижается склонность металла к формированию ликвационных зон.

Наименование параметра Значение

Внутренний диаметр индуктора, , мм 36

Высота индуктора, Ии, мм 20

Диаметр слитка ¿сл, мм 5, 10 и 15

Частота электромагнитного поля, f, кГц 60

Ток в индукторе, I, А 2500 - 4500

Исследуемый алюминиевый сплав 01417М

Высота жидкой фазы слитка, мм 100

Скорость вытягивания слитка, мм/с 10

Температура расплава перед разливкой, оС 720 - 730

Параметры системы «индуктор—слиток» ЭМК

---5 мм--Юым .......15 мм

а

у

охр> _

К/С

800 -

700 -600 -500 -400 • 300 -

о 5 10 15 d , ММ

сл'

<5

Рис. 2. Кривые охлаждения точки, лежащей на оси слитка

В рассматриваемом способе литья повышение скорости кристаллизации достигается как за счет электромагнитного воздействия, так и благодаря уменьшению сечения литой заготовки. Уменьшение диаметра литой заготовки приводит к увеличению интенсивности электромагнитного воздействия [8] и скорости охлаждения. При ЭМП за счет меньшего градиента концентраций по составу реализуется большее приближение к равновесному состоянию.

Можно полагать, что происходит активное выравнивание состава в расплаве — между слоем жидкого раствора, прилегающего к поверхности растущего кристалла, и участками расплава, удаленными от фронта кристаллизации, т.е. происходит более активное протекание выравнивающей диффузии в жидкой фазе. Повышение однородности, уменьшение количества и диспергирование неравновесных составляющих при электромагнитном воздействии в процессе кристаллизации улучшают технологические свойства материала.

Изменение скорости кристаллизации позволяет проследить особенности формирования микроструктуры слитка. Исследования проводились на алюминиевом сплаве 01417М (А1+РЗМ).

При низких скоростях кристаллизации (до 50 К/с) и без ЭМП образуются крупные разветвленные зерна твердого раствора на основе алюминия, которые неравномерно распределены по образцу (рис.3 а). Воздействие ЭМП на формирующийся слиток и увеличение скорости кристаллизации способствует измельчению структуры (рис. 3 б,в,г) и равномерному распределению зерен твердого раствора алюминия как по сечению слитка, так и по его длине.

Рис. 3. Структура образцов сплава 1417М, полученный без ЭМП кристаллизацией в асбестовой форме (а) и кристаллизацией с ЭМП со скоростями охлаждения: б — 300К/с; в — 500К/с; г — 900К/с

Выводы. Способ получения высоколегированных алюминиевых сплавов методом литья в электромагнитном поле слитков малого поперечного сечения (диаметром 5—15 мм) благодаря высоким скоростям охлаждения (до 1000 К/с) и электромагнитному перемешиванию расплава в области лунки, диспергирующим структуру сплава, позволяет получать сплавы с равномерной мелкодисперсной структурой и физико-механическими свойствами, не уступающими сплавам, полученным с использованием гранульных технологий. А так как сплав при этом получается в виде непрерывной заготовки, отпадает необходимость в технологических операциях, связанных с обработкой и компак-тированием гранул.

Представленные в статье результаты получены при проведении научно-исследовательских работ в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 гг.

Литература

1. Бондарев Б.И., Шмаков Ю. В. Технология производства быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов. М., 1997. 23 с.

2. Быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы / В. И. Добаткин, В. И. Елагин, В. М. Федоров. М., 1995. 341 с.

3. Ефимов В. А. , Эльдарханов А. С. Технологии современной металлургии. М., 2004. 784 с.

4. Фигуровский Д. К. Применение магнитогид-родинамических технологий для управления процессами структурообразования при кристаллизации сплавов на основе меди // Заготовительные производства в машиностроении. 2006. №10. С. 3—9.

5. Непрерывное литье в электромагнитный кристаллизатор / З. Н. Гецелев, Г. А. Балахонцев, Ф. И. Квасов и др. М., 1983. 152 с.

6. Первухин М. В., Гаврилов В. В. Математическая модель слитка малого поперечного сечения, кристаллизующегося в электромагнитном поле // Вестн. Краснояр. гос. техн. ун-та. Вып. 42. Математические методы и моделирование. Красноярск, 2006. С. 99-106.

7. Самойлович Ю. А. Формирование слитка. М., 1977. 160 с.

8. Фигуровский Д. К. , Первухин М. В. , Романова Е. В. Формирование структуры сплава на основе Al-Ce при кристаллизации под действием электромагнитного поля // Технология легких сплавов. 2010. №2. С. 71-76.

Поступила в редакцию 29 июля 2010 г.

Первухин Михаил Викторович — канд. техн. наук, доцент, Сибирский федеральный университет. Тел. (391)2912957. E-mail: pmv_75@mail.ru

Фигуровский Дмитрий Константинович — канд. техн. наук, доцент, Московский государственный университет приборостроения и информатики. Тел. (495)268-00-51. E-mail: dkfigurov@bk.ru

Сергеев Николай Вячеславович — канд. техн. наук, доцент, Сибирский федеральный университет. Тел. (391)291-29-57. E-mail: mgd2@mail. ru

Головенко Евгений Анатольевич — канд. техн. наук, доцент, Сибирский федеральный университет. Тел. (391)291-29-57. E-mail: golovenko_ea@mail.ru

Хацаюк Максим Юрьевич — студент, Сибирский федеральный университет. Тел. (391)291-29-57. E-mail: maxhac@ya.ru

Pervukhin Mikhail Viktorovich — Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Siberian Federal University. Tel. (391)2912957. E-mail: pmv_75@mail.ru

Figurovsky Dmitry Konstantinovich — Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Moscow State University of Instrument Engineering and Computer Sciences. Tel. (495)268-00-51. E-mail: dkfigurov@bk.ru

Sergeev Nikolay Vyacheslavovich — Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Siberian Federal University. Tel. (391)291-29-57. E-mail: mgd2@mail.ru

Golovenko Evheniy Anatoljevich — Candidate of Technical Sciences, assistant professor, Siberian Federal University. Tel. (391)291-29-57. E-mail: golovenko_ea@mail.ru

Hatsauk Maxim Urjevich — student, Siberian Federal University. Tel. (391)291-29-57. E-mail: maxhac@ya.ru