Середенко В. А., Косинская А. В., Середенко Е. В., Богатырёва Ж. Д.

(Фтимс НАН Украины, Киев)

Формирование направленных структур в литом алюминии с добавками циркония и титана с помощью слабого постоянного магнитного поля

Одним из направлений повышения свойств сплавов является формирование их специальных структур в пред- и кристаллизационный периоды. выбор рациональных составов сплавов и режимов их обработки при переходе из жидкого состояния в твёрдое позволяет в широких пределах изменять структуру и свойства литых материалов, в частности, на основе алюминия.

Первым армированным волокнами эвтектическим сплавом, полученным направленной кристаллизацией был сплав Al-Ni с 10 % об. содержанием нитевидных кристаллов Al₃Ni, окружённых пластичной матрицей. Такой сплав в литом состоянии с разориентированными волокнами имеет предел прочности при растяжении до 90 МПа, а со структурой одноосно ориентированных кристаллов Al₃Ni – до 350 МПа. Подобный результат достигнут и для других эвтектических систем (Al – Cu, Cu – Cr). Основным недостатком такого способа является низкая производительность. Сплав Al-Ni эвтектического состава со структурой, близкой к направленной, получен при его кристаллизации в постоянном магнитном поле с индукцией (В) до 1,5 Тл.

Однако для большинства промышленных сплавов ориентированную структуру в постоянном магнитном поле получить не удаётся, прежде всего, из-за слабо выраженной анизотропии магнитных свойств кристаллов, выделяющихся в интервале кристаллизации. Исследование влияния сильных постоянных магнитных полей (В до 10 Тл) на кристаллическую структуру фазы Al₃Ni в Al-Ni сплавах с 8 – 13 % Ni показали, что степень упорядочения направленности кристаллов Al₃Ni возрастает с увеличением температуры расплава и индукции магнитного поля. Создание сильных магнитных полей требует дорогостоящего оборудования. В наименьшей мере изучены возможности получения подобных структур в сплавах перитектической системы, к которым относятся многие промышленные сплавы Fe, Cu, Al. Zr и Ti образуют перитектическую систему с Al и широко используются для модифицирования его сплавов.

Целью работы было исследование возможностей формирования однонаправленных структур в условиях заливки расплавов Al - Zr - Ti с малым содержанием переходных металлов (Zr до 0,26 % мас. и Ti до 0,4 %) в графитовые кокили с цилиндрической полостью, помещённые в зазор постоянного магнита (В = 0,25 Тл). Перитектика в системе Al – Zr возникает с содержания Zr 0,11 %, а в сплаве Al – Ti с ~ 0,18 % Ti. Сплавы готовились из алюминия А6 и лигатур в печи электросопротивления при температуре 860 ºС. Процессу заливки соответствовали максимальные значения чисел подобия: Рейнольдса 9·10³; Пекле 1486; Гартмана 337; Альфвена 17,2; параметра МГД-взаимодействия 2,3. Состояние металла при охлаждении отвечало значению числа подобия Фурье 2,5, при затвердевании числа Био 0,8.

На рисунке показаны характерные структуры с направленно расположенными интерметаллидами составов сплавов: а) содержание Zr и Ti перитектическое, б) Zr доперитектическое, Ti – заперитектическое.

Таким образом, показано, что под воздействием слабого постоянного магнитного поля (В << 1 Тл) в сплавах перитектической системы сплава Al с малым содержанием (<< 1 %) Zr и Ti возможно формирование направленных структур в условиях обычных способов литья.