Розмір шрифту:
РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОГО СПОСОБА МОДИФИЦИРОВАНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА В96Ц (7050)
Остання редакція: 2021-05-25
Тези доповіді
При производстве непрерывнолитых слитков из высокопрочного алюминиевого сплава В96ц (аналог сплава 7050 по европейскому стандарту EN 573-3:2009) [1] существуют определенные трудности, которые ведут к возврату значительного количества сплава на повторный переплав. Часто наблюдается пониженный уровень и значительный разброс механических свойств готовых изделий. Поэтому разработка эффективного способа модифицирования позволит повысить качество изделий со стабильными механическими характеристиками, а также уменьшить количество горячих трещин при литье слитков из сплава В96ц и уменьшить их растрескивание при прессовании.
Для разработки эффективного способа модифицирования сплава В96ц были приготовлены и исследованы модифицирующие лигатуры следующих составов (мас. %): Al-3%Ti; Al-3%TiC; Al-4,5%TiC, Al-3%WC, Al-3%TiO2, Al-5%Ti-1%B; Al-2%Ti-0,5%C. Лигатуры (за исключением лигатур промышленного изготовления Al-5%Ti-1%B; Al-2%Ti-0,5%C и лигатуры Al-3%Ti) были приготовлены в виде прутков с помощью экструзии из смеси порошков алюминия (с размером частиц 50 мкм) и наночастиц карбида титана TiC (50 нм и 200 нм), карбида вольфрама WC (100 нм), оксида титана TiO2 (50 нм). Лигатуры в разном количестве (1, 2, 5 кг на тонну расплава) вводились в расплав при температуре 740 °С перед заливкой образцов в чугунные и стальные формы по отдельности или в определенных комбинациях (Al-5%Ti-1%B + Al-3%TiC; Al-5%Ti-1%B + Al-3%TiO2; Al-5%Ti-1%B + Al-3%Ti; Al-2%Ti-0,5%C + Al-3%Ti; Al-3%TiC + Al-3%Ti). Температура заливки металла в формы была 720 °С.
Как показали наши исследования, промышленные лигатуры Al-5%Ti-1%B и Al-2%Ti-0,5%C активно измельчают зерно сплава В96ц. В зависимости от количества вводимого модификатора, размер зерна сплава уменьшался в 5-10 раз по сравнению с немодифицированными образцами (рис. 1, a). Лигатуры Al-3%TiC, Al-4,5%TiC с размером частиц карбида титана 50 нм и 200 нм, соответственно, проявили слабое модифицирующее действие, так как зерно сплава измельчалось меньше, чем в 2 раза. Введение в расплав лигатуры Al-3%WC с размером наночастиц 100 нм не привело к измельчению зерна сплава, а наоборот даже к его укрупнению (рис. 1, a). Макро- и микроструктуры исходного и модифицированных образцов представлены на рис. 2 (а, б) и 2 (в, г, д, е, ж, з, и, к), соотвественно. На микрофотографиях красными линиями выделены границы отдельных зерен.
Согласно стандарту, в составе сплава В96ц присутствует цирконий в пределах 0,08-0,15 мас. %, который вводят для предотвращения рекристаллизации структуры слитков при их термической обработке. Цирконий существенно снижает модифицирующий эффект лигатуры Al-5%Тi-1%B, так как цирконий образует с бором соединение ZrB2 и блокирует модифицирующее действие частиц TiB2. Совместное введение титана в количестве больше, чем 0,04 мас. % с лигатурой Al-5%Тi-1%B существенно уменьшает вредное действие циркония и повышает модифицирующий эффект. Введение в расплав лигатуры Al-3%TiC (2 кг на тонну расплава) c добавкой титана (0,12; 0,2 мас. %), также как и промышленные лигатуры, эффективно измельчало зерно образцов из сплава В96ц (рис. 1, а, б), так как титан сам по себе активно уменьшает размеры зерна алюминиевых сплавов (рис. 2, и, к) [2].
Лигатура Al-2%Ti-0,5%C, также как и модификатор Al-5%Тi-1%B способна значительно измельчать зерно сплава В96ц (рис. 1, а, б, рис. 2, ж, з), а присутствие циркония в сплаве на нее не влияет. Модифицирующими частицами выступает карбид титана (TiC), но при температуре расплава выше 730 °С карбид титана взаимодействует с расплавом алюминия с образованием карбида алюминия и его модифицирующее действие резко падает. Поэтому желательно вводить эту лигатуру в расплав при температуре не выше 710-720 °С.
Исследовали влияние времени выдержки расплава (1, 5, 10, 20 мин) после модифицирования расплава промышленной лигатурой Al-5%Тi-1%B. Проводили два эксперимента – в первом эксперименте сплав не содержал цирконий, во втором эксперименте количество циркония было около 0,19 мас. % (рис. 3, а). При выдержке расплава больше 10 минут при температуре 740 °С наблюдается заметное уменьшение модифицирующей эффективности лигатуры Al-5%Тi-1%B. Сам по себе цирконий может измельчать зерно сплава В96ц, но значительно менее эффективно, чем промышленный модификатор Al-5%Тi-1%B.
Рис. 1. Влияние количества модифицирующих лигатур отдельно (а) и в комбинации с титаном (б) на размер зерна в образцах диаметром ø18 мм из сплава В96ц
Рис. 2. Макро- и микроструктура образцов из сплава В96ц, модифицированных разными лигатурами в количестве 2 кг на тонну расплава: исходный немодифицированный образец – (а, б); Al-3%TiC (50 нм) – (в, г); Al-5%Ti-1%B – (д, е); Al-2%Ti-0,5%С – (ж, з); 0,1% Ti (лигатура Al-3%Ti) – (и, к)
Размер зерна в немодифицированном без циркония образце был около 1300 мкм, а добавка циркония (0,19 мас. %) уменьшила размер зерна в два раза, т. е. до 680 мкм (рис. 3, а), в то время как лигатура Al-5%Тi-1%B измельчила зерно почти в 8 раз.
При комплексном модифицировании в рас плав одновременно вводили два типа модификаторов: промышленную лигатуру Al-5%Тi-1%B, которая способствует образованию центров кристаллизации, и лигатуру, которая содержит элементы, блокирующие рост зерна. Так стронций в количестве 0,05 мас. % блокирует рост зерна за счет повышения поверхностного натяжения на границе зерно – расплав, а наноразмерный карбид титана или оксид титана (из лигатур Al-3%TiC и Al-3%TiO2) механически блокирует рост зерна, находясь на межфазной границе (рис. 3, б). Как показали эксперименты, комплексное модифицирование измельчило зерно в 2,5-3 раза, а лигатура алюминий-титан-бор (Al-5%Тi-1%B) без добавок уменьшила зерно в 3,5-4,5 раза по сравнению с немодифицированным образцом. Можно сделать вывод, что добавки поверхностно-активного стронция и наночастиц TiC, TiO2 не оказали значительного модифицирующего эффекта.
Таким образом при испытаниях было установлено, что лигатуры Al-5%Тi-1%B и Al-2%Ti-0,5%C активно измельчают зерно сплава, а введение титана в количестве больше, чем 0,04 мас. % уменьшает вредное действие циркония. Комплексное модифицирование не оказало значительного измельчающего эффекта. На действующих металлургических предпириятиях, где производятся непрерывнолитые слитки из высокопрочных алюминиевых сплавов, на первом этапе в плавильную печь рекомендуется вводить титан в пределах 0,04-0,06 мас. %, а на втором этапе следует вводить в расплав модифицирующую лигатуру в количестве 2 кг на тонну сплава после рафинирования и фильтрования ближе к кристаллизатору, при этом температура расплава в месте ввода модификатора не должна превышать 720 °С.
Рис. 3. Влияние времени выдержки сплава в жидком состоянии после модифицирования лигатурой Al-5%Ti-1%B (1 кг на тонну) и циркония на размер зерна (а); влияние разного количества вводимой лигатуры Al-5%Ti-1%B (0,5; 1 и 2 кг/т), комплексного модифицирования, и стронция на размер зерна в образцах диаметром ø 46 мм из сплава В96ц (б)
Литература:
1. Европейский стандарт EN 573-3:2013. Алюминий и алюминиевые сплавы – Химический состав и форма обработанной давлением продукции – Часть 3: Химический состав и форма продукции.
2. Напалков, В. И. Модифицирование алюминиевых сплавов: монография / В. И. Напалков, С. В. Махов, А. В. Поздняков; под. ред. В. И. Напалкова. – Москва: Изд. Дом МИСиС, 2017. – 348 с. – ISBN 978-5-906846-49-5.
Для разработки эффективного способа модифицирования сплава В96ц были приготовлены и исследованы модифицирующие лигатуры следующих составов (мас. %): Al-3%Ti; Al-3%TiC; Al-4,5%TiC, Al-3%WC, Al-3%TiO2, Al-5%Ti-1%B; Al-2%Ti-0,5%C. Лигатуры (за исключением лигатур промышленного изготовления Al-5%Ti-1%B; Al-2%Ti-0,5%C и лигатуры Al-3%Ti) были приготовлены в виде прутков с помощью экструзии из смеси порошков алюминия (с размером частиц 50 мкм) и наночастиц карбида титана TiC (50 нм и 200 нм), карбида вольфрама WC (100 нм), оксида титана TiO2 (50 нм). Лигатуры в разном количестве (1, 2, 5 кг на тонну расплава) вводились в расплав при температуре 740 °С перед заливкой образцов в чугунные и стальные формы по отдельности или в определенных комбинациях (Al-5%Ti-1%B + Al-3%TiC; Al-5%Ti-1%B + Al-3%TiO2; Al-5%Ti-1%B + Al-3%Ti; Al-2%Ti-0,5%C + Al-3%Ti; Al-3%TiC + Al-3%Ti). Температура заливки металла в формы была 720 °С.
Как показали наши исследования, промышленные лигатуры Al-5%Ti-1%B и Al-2%Ti-0,5%C активно измельчают зерно сплава В96ц. В зависимости от количества вводимого модификатора, размер зерна сплава уменьшался в 5-10 раз по сравнению с немодифицированными образцами (рис. 1, a). Лигатуры Al-3%TiC, Al-4,5%TiC с размером частиц карбида титана 50 нм и 200 нм, соответственно, проявили слабое модифицирующее действие, так как зерно сплава измельчалось меньше, чем в 2 раза. Введение в расплав лигатуры Al-3%WC с размером наночастиц 100 нм не привело к измельчению зерна сплава, а наоборот даже к его укрупнению (рис. 1, a). Макро- и микроструктуры исходного и модифицированных образцов представлены на рис. 2 (а, б) и 2 (в, г, д, е, ж, з, и, к), соотвественно. На микрофотографиях красными линиями выделены границы отдельных зерен.
Согласно стандарту, в составе сплава В96ц присутствует цирконий в пределах 0,08-0,15 мас. %, который вводят для предотвращения рекристаллизации структуры слитков при их термической обработке. Цирконий существенно снижает модифицирующий эффект лигатуры Al-5%Тi-1%B, так как цирконий образует с бором соединение ZrB2 и блокирует модифицирующее действие частиц TiB2. Совместное введение титана в количестве больше, чем 0,04 мас. % с лигатурой Al-5%Тi-1%B существенно уменьшает вредное действие циркония и повышает модифицирующий эффект. Введение в расплав лигатуры Al-3%TiC (2 кг на тонну расплава) c добавкой титана (0,12; 0,2 мас. %), также как и промышленные лигатуры, эффективно измельчало зерно образцов из сплава В96ц (рис. 1, а, б), так как титан сам по себе активно уменьшает размеры зерна алюминиевых сплавов (рис. 2, и, к) [2].
Лигатура Al-2%Ti-0,5%C, также как и модификатор Al-5%Тi-1%B способна значительно измельчать зерно сплава В96ц (рис. 1, а, б, рис. 2, ж, з), а присутствие циркония в сплаве на нее не влияет. Модифицирующими частицами выступает карбид титана (TiC), но при температуре расплава выше 730 °С карбид титана взаимодействует с расплавом алюминия с образованием карбида алюминия и его модифицирующее действие резко падает. Поэтому желательно вводить эту лигатуру в расплав при температуре не выше 710-720 °С.
Исследовали влияние времени выдержки расплава (1, 5, 10, 20 мин) после модифицирования расплава промышленной лигатурой Al-5%Тi-1%B. Проводили два эксперимента – в первом эксперименте сплав не содержал цирконий, во втором эксперименте количество циркония было около 0,19 мас. % (рис. 3, а). При выдержке расплава больше 10 минут при температуре 740 °С наблюдается заметное уменьшение модифицирующей эффективности лигатуры Al-5%Тi-1%B. Сам по себе цирконий может измельчать зерно сплава В96ц, но значительно менее эффективно, чем промышленный модификатор Al-5%Тi-1%B.
Рис. 1. Влияние количества модифицирующих лигатур отдельно (а) и в комбинации с титаном (б) на размер зерна в образцах диаметром ø18 мм из сплава В96ц
Рис. 2. Макро- и микроструктура образцов из сплава В96ц, модифицированных разными лигатурами в количестве 2 кг на тонну расплава: исходный немодифицированный образец – (а, б); Al-3%TiC (50 нм) – (в, г); Al-5%Ti-1%B – (д, е); Al-2%Ti-0,5%С – (ж, з); 0,1% Ti (лигатура Al-3%Ti) – (и, к)
Размер зерна в немодифицированном без циркония образце был около 1300 мкм, а добавка циркония (0,19 мас. %) уменьшила размер зерна в два раза, т. е. до 680 мкм (рис. 3, а), в то время как лигатура Al-5%Тi-1%B измельчила зерно почти в 8 раз.
При комплексном модифицировании в рас плав одновременно вводили два типа модификаторов: промышленную лигатуру Al-5%Тi-1%B, которая способствует образованию центров кристаллизации, и лигатуру, которая содержит элементы, блокирующие рост зерна. Так стронций в количестве 0,05 мас. % блокирует рост зерна за счет повышения поверхностного натяжения на границе зерно – расплав, а наноразмерный карбид титана или оксид титана (из лигатур Al-3%TiC и Al-3%TiO2) механически блокирует рост зерна, находясь на межфазной границе (рис. 3, б). Как показали эксперименты, комплексное модифицирование измельчило зерно в 2,5-3 раза, а лигатура алюминий-титан-бор (Al-5%Тi-1%B) без добавок уменьшила зерно в 3,5-4,5 раза по сравнению с немодифицированным образцом. Можно сделать вывод, что добавки поверхностно-активного стронция и наночастиц TiC, TiO2 не оказали значительного модифицирующего эффекта.
Таким образом при испытаниях было установлено, что лигатуры Al-5%Тi-1%B и Al-2%Ti-0,5%C активно измельчают зерно сплава, а введение титана в количестве больше, чем 0,04 мас. % уменьшает вредное действие циркония. Комплексное модифицирование не оказало значительного измельчающего эффекта. На действующих металлургических предпириятиях, где производятся непрерывнолитые слитки из высокопрочных алюминиевых сплавов, на первом этапе в плавильную печь рекомендуется вводить титан в пределах 0,04-0,06 мас. %, а на втором этапе следует вводить в расплав модифицирующую лигатуру в количестве 2 кг на тонну сплава после рафинирования и фильтрования ближе к кристаллизатору, при этом температура расплава в месте ввода модификатора не должна превышать 720 °С.
Рис. 3. Влияние времени выдержки сплава в жидком состоянии после модифицирования лигатурой Al-5%Ti-1%B (1 кг на тонну) и циркония на размер зерна (а); влияние разного количества вводимой лигатуры Al-5%Ti-1%B (0,5; 1 и 2 кг/т), комплексного модифицирования, и стронция на размер зерна в образцах диаметром ø 46 мм из сплава В96ц (б)
Литература:
1. Европейский стандарт EN 573-3:2013. Алюминий и алюминиевые сплавы – Химический состав и форма обработанной давлением продукции – Часть 3: Химический состав и форма продукции.
2. Напалков, В. И. Модифицирование алюминиевых сплавов: монография / В. И. Напалков, С. В. Махов, А. В. Поздняков; под. ред. В. И. Напалкова. – Москва: Изд. Дом МИСиС, 2017. – 348 с. – ISBN 978-5-906846-49-5.
Full Text:
PDF