Дослідження фазових перетворень та закономірностей структуроутворення в сплавах, що деформуються, на основі алюмінію для виробів різноманітного призначення - Автореферат

Алюмінієві сплави систем Al-Cu-Si-Mg і Al-Mg-Si-Cu мають великий практичний інтерес, зокрема, завдяки таким характеристикам: вони мають високі показники механічних властивостей, високу пластичність в гарячому стані, здатність значно зміцнюватися при деформуванні. Дисертаційна робота узагальнює частину результатів досліджень, що виконувались у межах реалізації науково-технічних робіт за програмами Міносвіти України Г123010005 «Розроблення і дослідно-промислове випробування економнолегованого середньоміцного сплаву на основі алюмінію машинобудівного призначення» (1994р.), Г123011034 «Структурний аналіз первинних і вторинних сплавів та розроблення науковообгрунтованих методів підвищення якості складнолегованих силумінів з низькогатункової сировини, металобрухту, відходів, виготовлення на їх основі нових конкурентноспроможних матеріалів» (1995р.), Г123010007 «Дослідження фазових перетворень і закономірностей структуроутворення в ливарних та придатних до деформування сплавах на основі алюминію. Мета роботи - вивчення впливу модифікування на структуроутворення, фазовий склад та механічні властивості сплавів систем Al-Cu-Si-Mg і Al-Mg-Si-Cu в литому стані, після деформування і термічного оброблення, відпрацювання режимів термообробки сплавів, що дозволить поліпшити комплекс механічних і експлуатаційних характеристик готових виробів. Для досягнення цієї мети необхідно вирішити наступні завданя: 1) вивчити закономірності формування структури в сплавах систем Al-Cu-Si-Mg і Al-Mg-Si-Cu; 2) вивчити вплив модифікування на структуроутворення, фазовий склад та механічні властивості сплавів в литому стані, після деформування і термооброблення; 3) оптимізувати режими термічного оброблення сплавів, що дозволить поліпшити комплекс механічних і експлуатаційних характеристик готових виробів; 4) встановити причини руйнування деталей металургійного призначення і запропонувати шляхи їх усунення. Вперше показано, що в модифікованих сплавах систем Al-Cu-Si-Mg і Al-Mg-Si-Cu послідовність фазових перетворень, що притаманна немодифікованому сплаву, зберігається, змінюються лише їхні температурні інтервали, внаслідок чого фазовий склад і кількісні співвідношення інтерметалідних фаз в сплавах змінюються в процесі модифікування.Отже являє значний інтерес вивчення впливу наведених вище модифікаторів на структуру, фазовий склад і властивості придатних до деформування сплавів систем Al-Cu-Si-Mg і Al-Mg-Si-Cu, а також встановлення взаємозвязку між структурою, параметрами термічного оброблення та механічними властивостями; на цій основі розробити параметри модифікування і термічного оброблення сплавів даних систем, що дозволить поліпшити комплекс механічних і експлуатаційних властивостей готових виробів різного призначення. Як шихтовий матеріал використовували: сплав АМГ6 (ГОСТ 4784-74), алюміній марки ЧДА, магній марки МГ95 (ГОСТ 804-72), лігатури Al 10%Mn та Al-4%Sr, чисту електролітичну Cu та напівпровідниковий Si, дисперсний порошок TICN, отриманий середньотемпературним плазмохімічним методом при 5500-7000ОС в потоці азотної плазми. Вивчено модифікаційну здатність дисперсного порошку TICN (0.05%) і модифікування сумішшю Sr (0,05%) TICN (0,05%) у сплаві АЛ28 системи Al-Mg-Si-Cu. Модифікування (відповідно до результатів рентгеноспектрального аналізу) не справляє помітного впливу на перерозподіл компонентів у сплаві між фазами та структурними складовими, що природно, не викликає і зміни параметру кристалічної гратки. Виміри мікротвердості a-Al твердого розчину та інших фазових складових в сплаві АК6 показали, що вона практично не залежить від вмісту Sr в сплаві.В фундаментальній літературі накопичено великий фактичний матеріал з різного роду прийомів модифікування - визначення оптимального складу модифікатора, способу його дії, тривалості дії, дегазації. У звязку з цим, являє значний інтерес вивчення впливу модифікування стронцієм і дисперсним порошком тугоплавких елементів на структуру і властивості придатних до деформування сплавів систем Al-Cu-Si-Mg і Al-Mg-Si-Cu. Методами кольорового щавлення, мікрорентгеноспектрального та фазового рентгеноструктурного аналізу проведено ідентифікацію інтерметалідних фаз в дослідних сплавах. Дані з фазового складу сплавів свідчать про їхню багатофазність і про те, що аналіз фазових рівноваг та перетворень у сплавах цих систем варто проводити відповідно до багатокомпонентних діаграм стану - Al-Mg-Si, Al-Mg-Si-Cu, Al-Mg-Si-Cu-Fe для сплавів системи Al-Mg-Si-Cu та Al-Cu-Si, Al-Cu-Si-Mg, Al-Cu-Si-Mg-Mn(Fe) - для сплавів системи Al-Cu-Si-Mg. Оптимальна концентрація стронію в сплаві АК6 (система Al-Cu-Si-Mg) складає 0,05-0,1%, при цьому суцільна сітка інтерметалідів руйнується, вони рівномірно розподілені в обємі виливки, має місце деяке зменшення кількості інтерметалідних фаз в сплаві.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В фундаментальній літературі накопичено великий фактичний матеріал з різного роду прийомів модифікування - визначення оптимального складу модифікатора, способу його дії, тривалості дії, дегазації. Однак механізм модифікування алюмініевомідних сплавів дотепер залишається дискусійним. Незважаючи на те, що одним з найбільш ефективних модифікаторів тривалої дії ливарних сплавів систем Al-Si, Al-Si-Cu є стронцій, його вплив на структуру і властивості сплавів, що деформуються, на основі алюмінію практично не вивчено. Крім того, останнім часом зявився ряд робіт, присвячених модифікуванню високоміцних алюмінієвих придатних до деформування сплавів різними тонкодисперсними порошками тугоплавких елементів (зокрема TICN, TIC). У звязку з цим, являє значний інтерес вивчення впливу модифікування стронцієм і дисперсним порошком тугоплавких елементів на структуру і властивості придатних до деформування сплавів систем Al-Cu-Si-Mg і Al-Mg-Si-Cu.

Вивчено структуроутворення та фазовий склад сплаву системи Al-Mg-Si-Cu (умовна назва АЛ28) і сплаву системи Al-Cu-Si-Mg (типу АК6) при різних швидкостях охолодження.

Методами кольорового щавлення, мікрорентгеноспектрального та фазового рентгеноструктурного аналізу проведено ідентифікацію інтерметалідних фаз в дослідних сплавах. Дані з фазового складу сплавів свідчать про їхню багатофазність і про те, що аналіз фазових рівноваг та перетворень у сплавах цих систем варто проводити відповідно до багатокомпонентних діаграм стану - Al-Mg-Si, Al-Mg-Si-Cu, Al-Mg-Si-Cu-Fe для сплавів системи Al-Mg-Si-Cu та Al-Cu-Si, Al-Cu-Si-Mg, Al-Cu-Si-Mg-Mn(Fe) - для сплавів системи Al-Cu-Si-Mg.

Вперше показано, що найефективніший вплив на мікроструктуру та механічні властивості сплаву АЛ28 системи Al-Mg-Si-Cu чинить модифікування сумішшю 0,05%Sr 0,05%TICN. В результаті спостерігається високий ступінь кооперативності евтектики та переважання округлих меж розподілу в каркасі Mg2Si, що добре позначається на механічних характеристиках матеріалу. Оптимальна концентрація стронію в сплаві АК6 (система Al-Cu-Si-Mg) складає 0,05-0,1%, при цьому суцільна сітка інтерметалідів руйнується, вони рівномірно розподілені в обємі виливки, має місце деяке зменшення кількості інтерметалідних фаз в сплаві.

На основі аналізу багатокомпонентних систем стану і даних термічного аналізу встановлено, що структура дослідних сплавів систем Al-Mg-Si-Cu і Al-Cu-Si-Mg формується в результаті цілого ряду евтектичних, перитектичних та комбінованих перитектико-евтектичних перетворень, що мають в залежності від умов охолодження певний ступінь завершеності.

Вперше показано, що у модифікованому сплаві послідовність фазових перетворень, що притаманна вихідному немодифікованого сплаву, зберігається, змінюються лише їхні температурні інтервали, внаслідок чого фазовий склад і кількісні співвідношення інтерметалідних фаз в дослідних сплавах систем Al-Mg-Si-Cu і Al-Cu-Si-Mg змінюються в процесі модифікування. Потрійних евтектик з стронцієм в дослідних сплавах не виявлено.

Показано, що збільшення ступеня деформації модифікованого сплаву АК6 веде до вирівнювання концентраційної неоднорідності a-Al твердого розчину; в той час, як у немодифікованому сплаві деформування призводить до посилення неоднорідності алюмінієвого твердого розчину, про що свідчить розмитість і мала інтенсивність дифракційних максимумів. Пластичне деформування призводить до підвищення мікротвердості алюмінієвого твердого розчину приблизно в 2 рази, причому в модифікованому сплаві вона нижча, що, безсумнівно, позитивно позначиться на характеристиках пластичності матеріалу.

Оптимізовано енергоощадний режим термічного оброблення сплаву АК6, що містить стронцій, після пластичного деформування при 400ОС шляхом пресування: гомогенізація при t=490ОС протягом 0,5 години, загартування у воду, старіння при t=160ОС протягом 6 годин. При термічному обробленні дослідного сплаву системи АК6 відбувається формування дрібних округлих кристалів інтерметалідних фаз (в першу чергу тих, що містять мідь), подрібнення і рівномірніший розподіл залізовмісних інтерметалідів в обємі сплаву. Ймовірно, що малі додатки стронцію сповільнюють стадію зонного старіння в придатному до деформування сплаві АК6 аналогічно їхній дії в силумінах і аналогічно дії Sc у придатних до деформування сплавах системи Al-Cu. Модифікування сплаву АК6 стронцієм в оптимальній концентрації, не змінюючи суттєво межі міцності модифікованого сплаву після термооброблення, призводить до підвищення пластичності матеріалу приблизно на 20% у порівнянні з вихідним немодифікованим сплавом.

Запропоновано оптимізований режим термічного оброблення виробів із вторинного сплаву типу АМГ6 з підвищенним вмістом Si (умовна назва АЛ28), модифікованого спільно 0,05%Sr і 0,05%TICN (гомогенізація при t=535ОС протягом 3,5 годин, загартування у воду, старіння при температурі t=175ОС протягом 3 годин). Показано, що в процесі термооброблення сплаву АЛ28, модифікованого спільно Sr і TICN, відбувається незначна сфероідизація і роздріблення фази Mg2Si, що сприятливо позначається на формуванні кінцевої структури матеріалу; залізовмісна фаза не зазнає істотних змін - спостерігається лише незначне її подрібнення і розчинення незначної кількості дрібних кристалів. Модифікування сплаву АЛ28 спільно 0,05%Sr і 0,05%TICN призводить до підвищення межі міцності після термооброблення приблизно на 10%, а пластичності - у 2 рази в порівнянні з вихідним немодифікованим сплавом.

Проведено дослідно-промислове випробування технології модифікування сплаву АЛ28 (система Al-Mg-Si-Cu) сумішшю стронцієм і дисперсним порошком TICN та сплаву АК6 (система Al-Cu-Si-Mg) стронцієм в умовах ВО «ПМЗ».

1. Куцова В.З., Швец А.В. Влияние модифицирования на структуру и фазовый состав сплава системы Al-Cu в литом состоянии// Теория и практика металлургии.-1998.-№1.-С.20-23.

2. Куцова В.З., Швец А.В., Криммель А.Г. Структура и свойства сплава АК6, модифицированного стронцием// Металлы и литье Украины.-1999.-№11-12.-С.52-55.

3. Куцова В.З., Швець О.В., Кріммель А.Г. Вплив модифікування на структуроутворення, фазовий склад та механічні властивості сплаву АЛ28// Металознавство та обробка металів.-1999.-№ 3.-С.58-63.

4. Kutsova V.Z., Shvets O.V., Uzlov K.I., Krimmel A.G. Effect of Sr on structure and phase composition of wrought Al-Cu alloys// Proc. 3rd European Conference on Light alloys and Composites.-Zakopane (Poland).-1999.-Р.165-170.

5. Швец А.В., Криммель А.Г. Влияние стронция на структурообразование и фазовый состав алюминиевых сплавов// Людина і космос.-Дніпропетровськ.-1999.-С.141.

6. Kutsova V.Z., Shvets O.V., Krimmel A.G. Effect of Sr on structure and phase composition of wrought Al-Cu alloys//3rd European Conference on Light alloys and Composites. Abstracts.-Zakopane (Poland).-1999.-Р.35.

7. Чернодуб Л.Л., Швец А.В. Исследование влияния легирующих элементов на структурообразование и свойства сложнолегированных силуминов// Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов.-Донецк.-1995.-С.76.

Размещено на .ru