Внутрикристаллитная ликвация в трехкомпонентных и промышленных алюминиевых сплавах

Внутрикристаллитная ликвация основных легирующих элементов.

В литературе имеется уже довольно много экспериментальных данных о распределении легирующих элементов по сечению кристаллитов и степени внутрикристаллитной ликвации в многокомпонентных сплавах, в том числе на алюминиевой основе. Показано, что относительная интенсивность ликвации каждого компонента качественно определяется равновесным коэффициентом распределения этого компонента в двойных сплавах с алюминием, хотя уже в тройных системах должно проявляться взаимное влияние компонентов на их коэффициенты распределения. В любом случае для предсказания минимальной и максимальной концентраций легирующих элементов в алюминиевом твердом растворе многокомпонентного литого сплава нужно знать соответствующую диаграмму состояния и уметь определять направления конод (характерных линий диаграммы состояния сплава) при различных условиях неравновесной кристаллизации. Марганец вводится в большинство промышленных алюминиевых сплавов в количестве от 0,3 до 1,5%. Хотя марганец обычно не относят к основным легирующим элементам, он оказывает весьма существенное влияние на свойства алюминиевых сплавов, особенно деформируемых. Природа этого влияния связывается с концентрацией марганца и особенностями его распределения в алюминиевом твердом растворе после литья.

Распределение марганца в многокомпонентных сплавах и даже в разных сечениях дендритных ячеек одного образца различно по характеру и обычно сложнее, чем в двойных сплавах А1—Мп. Однако все многообразие экспериментальных кривых распределения марганца может быть качественно сведено к двум типам (рис. 2.12). В средней части дендритной ячейки всегда наблюдается «нормальное» повышение концентрации марганца от ее центра к периферии (поскольку коэффициент распределения марганца в алюминии меньше единицы). Правда, в некоторых ячейках это повышение очень мало и может быть в пределах ошибки экспериментального определения концентрации.

Рис. 2.12. Схема двух типов распределения Мп по сечению дендритной ячейки в алюминиевых сплавах.

Принципиальное различие между кривыми двух типов проявляется лишь на периферии дендритных ячеек. В ряде случаев здесь, как и в двойных сплавах А1—Мп и как обычно принято считать, наблюдается продолжение подъема концентрации марганца, очевидно вплоть до границы (рис. 2.12, кривая 1). Разница максимальных и минимальных концентраций марганца при таком характере его распределения всегда невелика — от ОД до 0,2—0,3%.

На кривых распределения второго типа (рис. 2.12, кривая 2), которые встречаются чаще, чем кривые первого типа, наблюдается резкое обеднение марганцем периферийных зон дендритных ячеек. На рис. 2.13 показаны экспериментальные кривые распределения магния, меди и марганца по сечению дендритных ячеек в слитке сплава Д16, наглядно иллюстрирующие образование обедненных марганцем зон вблизи границ дендритных ячеек, где концентрация основных легирующих элементов повышена.

Минимальная концентрация марганца на границах дендритных ячеек, в том числе свободных от выделений избыточных фаз, намного ниже его концентрации в середине ячейки и часто достигает 0,1—0,2% (при содержании в сплаве и в центре ячейки до 1%). Ширина обедненных зон при скоростях охлаждения больше 0,16 К/с колеблется в пределах 10—50 мкм. В промышленных слитках полунепрерывного литья эта ширина зависит от диаметра слитка прямо пропорционально. В слитках из сплава Д1 диаметром 540 мм она колеблется в диапазоне 20—30 мкм. При такой значительной ширине обедненной зоны и величине изменения концентрации марганца в ней по сравнению с серединой дендритной ячейки возможность экспериментальной ошибки полностью исключена. Надежность этих данных подтверждается также фиксацией обедненных зон вблизи включений марганецсодержащих фаз, где концентрация марганца значительно выше, чем в алюминиевом твердом растворе. Важно отметить, что обедненные марганцем зоны наблюдались не только у «чистых» границ дендритных ячеек и вблизи марганцовистых фаз, но и вокруг включений, не содержащих марганца, например у эвтектических включений в сплаве Д1.

Рис. 2.13. Распределение Си, Мд и Мп по сечению дендритных ячеек в литом сплаве Д1б. Заштрихована область, занятая эвтектическим включением на границе.

Зоны, обедненные марганцем, сохраняются после термической обработки и деформации, причем в гомогенизированных слитках и деформированных полуфабрикатах они легко выявляются металлографически.

Образованию при кристаллизации зон, обедненных марганцем, можно дать два объяснения. Во-первых, это образование определяется диаграммой состояния соответствующей многокомпонентной системы, в которой при первичной эвтектической или перитектической кристаллизации в интервале температур алюминиевый твердый раствор вначале обогащается, а затем обедняется марганцем. Например, в тройной системе А1—Мп—Si при охлаждении сплава в трехфазной области L + + (А1) + А1₆Мп или а-(А1, Mn, Si) (рис. 2.14) вершина конодного треугольника, характеризующая состав выделяющегося алюминиевого раствора, может смещаться в сторону снижения концентрации марганца.

Рис. 2.14. Схема кристаллизации сплава системы AI—Мп—Si (Г, > t₂> t₃). Линия abc характеризует состав жидкости, находящейся в равновесии с алюминиевым твердым раствором (состав его меняется по линии def) и AI₆Mn a-(AI, Mn, Si).

Во-вторых, при неравновесной кристаллизации первичный алюминиевый твердый раствор может пересыщаться марганцем, а затем при кристаллизации фаз, богатых марганцем, его.

«не хватает» в жидкости, из которой одновременно продолжает выделяться алюминиевый раствор. В результате этого и образуются на периферии дендритных ячеек зоны, обедненные марганцем.

При любом объяснении механизма возникновения этих зон увеличение объемной доли марганцовистых фаз должно вызывать рост объемной доли обедненных марганцем зон. Ширина зон закономерно уменьшается по мере ускорения охлаждения при кристаллизации, что кажется естественным результатом измельчения дендритных ячеек и размера включений избыточных фаз. В этом случае уменьшение ширины зон при ускорении кристаллизации компенсируется увеличением поверхности границ между дендритными ячейками и, следовательно, объема приграничных участков. В результате объемная доля зон, обедненных марганцем, слабо зависит от скорости охлаждения.