Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами
Елагин В.И.
Металлургия, 1975 г.
ВЛИЯНИЕ МАЛЫХ ДОБАВОК ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ НА ВЕЛИЧИНУ ЗЕРНА, ОБРАЗУЮЩЕГОСЯ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ В СЛИТКАХ АЛЮМИНИЯ И АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Еще на начальном этапе развития алюминиевых сплавов, в работах двадцатых годов было отмечено, что малые примеси или специальные добавки титана (сотые или десятые доли процента) резко измельчают зерно литого алюминия. Этот эффект впоследствии был назван модифицированием. М. В. Мальцев [22] модифицированием называет процесс искусственного изменения структуры литого металла или сплава под воздействием небольших количеств специально вводимых добавок. Поскольку добавки модифицирующих элементов обычно очень малы, имеется в виду, что они не оказывают заметного влияния на фазовый состав сплава и влияют на его свойства, воздействуя на процесс кристаллизации и величину зерна основной структурной составляющей.
Ниже рассматривается лишь одна из разновидностей модифицирования — измельчение зерна алюминия (твердого раствора) малыми добавками специальных компонентов, т. е. модифицирование 1-го вида, по классификации Мальцева М. В. Для краткости этот процесс далее будем называть просто «модифицированием».
Очевидная практическая ценность измельчения литого зерна в алюминии и алюминиевых сплавах за счет малого содержания титана обусловила появление большого количества работ по изучению модифицирования алюминия и различных алюминиевых сплавов титаном (а также добавками других компонентов). При этом следует отметить, что если применительно к литейным сплавам (в которых величина зерна алюминиевого твердого раствора непосредственно влияет на свойства) положительное действие титана на структуру и свойства констатировалось всеми исследователями, то применительно к деформируемым сплавам наряду с положительными результатами были и отрицательные.
Долгое время для деформируемых алюминиевых сплавов модифицирующие добавки титана не использовались. Однако в связи с расширением производства и применения алюминиевых сплавов возникли новые проблемы, которые снова поставили вопрос о модифицировании деформируемых алюминиевых сплавов. К этим проблемам относятся следующие:
1. В связи с резким увеличением размеров деформированных полуфабрикатов (профилей, листов, поковок, штамповок) увеличились габариты слитков. И литье, и деформация крупных слитков вызывают трудности и тем большие, чем грубее их структура. В работах В. И. Добаткина [23, 24] показано, что измельчение зерна в слитках ряда алюминиевых сплавов за счет регулирования примеси титана приводит к значительному уменьшению склонности к образованию трещин при литье. Измельчение ведет и к повышению пластичности слитков, а следовательно, к облегчению процесса обработки давлением.
2. В связи с широким распространением сварных конструкций из алюминиевых сплавов потребовалось создание новых высокопрочных свариваемых сплавов. Необходимая свариваемость при сварке плавлением (малая склонность к образованию трещин, высокие механические свойства сварных соединений) могла быть достигнута только при условии введения в сплавы модифицирующих добавок, положительно влияющих на структуру литого шва.
В широко развернувшихся работах по модифицированию алюминиевых сплавов [22—26] было установлено, что, помимо титана, измельчают зерно алюминия при кристаллизации также малые добавки Zr, W, Mo, В, Nb, Та, Sc, Hf, V, Reи в гораздо меньшей степени — Fe, Ni, Cr, Мn. Все перечисленные элементы, за исключением бора, относятся к числу ПМ четвертого, пятого и шестого периодов. Таким образом, измельчение зерна алюминия при кристаллизации является результатом особого взаимодействия ГШ с алюминием.
Прежде чем обсудить существующие представления о природе модифицирования алюминия ПМ, рассмотрим имеющиеся данные об относительной эффективности модифицирования алюминия различными ПМ, а также некоторые другие фактические данные, касающиеся процесса модифицирования.
В работе [22] проведено сравнительное исследование влияния добавок Ti, Zr, V, Та, Nb, Cr, Mo, Wи В на величину зерна слитков алюминия марки А99. Ниже приведены некоторые результаты работы, иллюстрирующие влияние наиболее сильных модификаторов (Ti, Та, В и Zr) при литье в кокиль алюминия А99:
Содержание добавки/% ... Без 0,2—0,3 Ti 0,1 Та 0,2 В 0,5 Zr
добавки
Среднее количество зерен на
1 см2 площади шлифа .... 2 170—180 167 130 186
Что касается V, Сr, Мо и W, то они не оказали заметного влияния на величину зерна.
В работе [26] исследовано влияние следующих ПМ на величину литого зерна алюминия марки А99 и сплава АЛ7: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Hf, Та, W, Re. Для оптимального содержания каждого компонента определено, так же как и в работе [22 ], число зерен на микрошлифе слитков, приходящееся на 1 см2.
Полученные в работе [26] данные позволяют расположить все исследованные металлы по эффективности модифицирования алюминия в следующем порядке: Sc(самый эффективный), Ti, Zr, Hf, Та, V, W, Nb, Mo, Re, Fe, Mn, Cr, Co, Ni.
Специально поставленные эксперименты на сплавах Al—Tiи Al—Та [27] показали, что при замедленном их охлаждении в зоне температур перитектической реакции эффект модифицирования заметно уменьшается, а при весьма медленном охлаждении (вместе с печью) полностью снимается.
Известно, что перегрев жидкого сплава перед литьем приводит к уменьшению эффекта модифицирования и тем в большей степени, чем выше температура нагрева. При высоких температурах расплава модифицирующие добавки дезактивируются.
Не останавливаясь на теориях модифицирования алюминия, связывающих измельчение зерна с концентрационным градиентом, образованием в расплаве частиц карбидов ПМ, с перитектической реакцией (поскольку эти теории достаточно убедительно опровергнуты в последующих работах [22, 25]), рассмотрим механизм измельчения литого зерна алюминия при введении в него малых добавок элементов модификаторов, предложенный М. В. Мальцевым. В работах [22, 25] показана связь модифицирующего действия добавок с диаграммами состояния, которые они образуют с алюминием. При введении в алюминий тантала, титана и циркония на кривых число зерен на 1 см2 шлифа — процент модифицирующей Добавки появляется характерный перегиб, положение которого связано с перитектической точкой на диаграмме состояния, т. е. измельчение зерна наблюдается для тех сплавов, в которых по Диаграмме состояния первично кристаллизуются интерметаллические фазы (Al3Ti, А13Та и т. д.).