Структура алюминиевых сплавов в литом состоянии

Для исследования структуры слитков вырезались специальные темплеты от литниковой части слитка. Исследования структуры слитков обычно включают изучение макроструктуры и структуры излома, изучение микроструктуры, определение плотности, определение содержания водорода методом вакуум-нагрева, определение пористости методом глубокого травления, изучение ликвации основных элементов по сечению слитка, определение качества слитков методом проб.

Исследование макроструктуры слитков сплава 1201 показало, что слитки диаметром 190 мм имеют средней величины равноосное зерно и плотный излом (рис. 9.16 и 9.17). Слиток сечением 240×825 мм плавки 9−20 отливался из металла, не модифицированного титаном и бором, и имеет веерную структуру (рис. 9.17, а). Слитки диаметром 805 мм имеют различную структуру, которая зависит от режимов литья, температуры, содержания легирующих элементов (титан и цирконий). Так, слиток плавки 9−887 имеет равноосное зерно по всему сечению слитка. На темплетах от слитков плавок 9−19 (рис. 2.18 и 2.19), 9−654, 9−660 (рис. 2.20 — 2.22) наблюдаются области с веерной структурой различной протяженности.

Рис. 2.16. Макроструктура слитка размером 400×1450 мм в поперечном сечении.

Рис. 2.17. Макроструктура плоского слитка (долевое сечение):

а — слиток 240×825 мм, плавка 9−20; б — слиток 400 Х1450 мм, плавка 9−14.

Рис. 2.18. Макроструктура слитка сплава 1201 диаметром 805 мм,.

плавка 9−19:

а — вдоль слитка; б — поперечное направление слитка.

Рис. 2.19. Макроструктура слитка сплава 1201 диаметром 805 мм плавки 9−19, поперечное сечение:

а — периферийная зона; б — центральная зона.

Рис. 2.20. Макроструктура слитка сплава 1201 размером 400×1450 мм, плавка 9−654; расплав обработан зернолитом (5 кг на плавку).

Рис. 2.21. Макроструктура слитка сплава 1201 размером 400×1450 мм, плавка 9−654; расплав обработан зернолитом.

(10 кг на ковш).

Рис. 2.22. Макроструктура слитка сплава 1201 размером 400×1450 мм, плавка 9−660.

Макроструктура слитка плавки 9−661, 9−662, 9−665 и 9−669 (рис. 2.23 — 2.26) имеет область с веерной структурой, а плавки 9−985 имеет средней величины равномерное зерно по сечению слитка. Вероятно, сказалось изменение режимов литья — скорость литья была понижена с 18 до 16 мм/мин, температура повышена с 700 до 710 °C, давление охлаждающей воды на кристаллизатор понижено с 0,9 до 0,8 ат. Исследование макроструктуры слитков показало, что увеличение содержания бора в сплаве приводит к измельчению зерна. Веерной структуры на плоских слитках сечением 400×1450 не наблюдается (рис. 2.27, 2.28).

Рис. 2.23. Макроструктура слитка сплава 1201 размером 400×1450 мм, плавка 9−661; расплав обработан зернолитом (5 кг на ковш). Слиток отлит с дополнительным охлаждением.

Рис. 2.25. Макроструктура слитка диаметром 805 мм, плавка 9−665, сплав 1201.

Рис. 2.26. Макроструктура слитка диаметром 800 мм, плавка 9−669, сплав 1201.

Рис. 2.24. Макроструктура слитка сплава 1201 размером 400×1450 мм, плавка 9−662; расплав обработан зернолитом (5 кг на ковш). Слиток отлит при повышенной температуре.

Рис. 2.27. Макроструктура слитка диаметром 190 мм, плавка 9−876, сплав 1201 (поперечное сечение).

Рис. 2.28. Макроструктура слитка диаметром 190 мм, плавка 9−876, сплав 1201 (вдоль слитка).

На рис. 2.29 показано влияние модификаторов титана и циркония на макроструктуру слитка сплава 1420 (Li — 2,5—2,93%; Мп — 1,09—1,42%; Fe — 0,22—0,23%; Si — 0,065—0,10%).

Рис. 2.29. Макроструктура слитков сплава 1420:

а — без циркония и титана; б — с 0,11% циркония; в — с 0,11% циркония и 0,08% титана Слитки сплава 1420, отлитые с охлаждением водой, имеют более мелкую и плотную макроструктуру (рис. 2.30). Ликвация основных легирующих элементов по ширине слитка воздушного охлаждения составляет 0,6% по магнию и 0,2% по литию.

Рис. 2.30. Макроструктура слитка сплава 1420 сечением 200×800 мм, отлитых с охлаждением воздухом (а) и водой (б).

При литье слитков сплава 1420 с охлаждением воздухом первичные интерметаллидные соединения успевают вырасти до значительных размеров (рис. 2.31).

Рис. 2.31. Микроструктура плоского слитка сечением 240×825 мм сплава 1 420, отлитого с охлаждением воздухом:

а — фазы Al₆(CuFeLi) и Mg2Si (Li) (х250); б — микропористость в слитке (х200).

На рис. 2.32 приведена типичная микроструктура образцов сплава В93, отлитых на полированную плиту. Микроструктура образцов иллюстрирует общую тенденцию к увеличению толщины границ зерен с повышенной концентрацией водорода.

Рис. 2.32. Микроструктура литых образцов сплава В93 с разным содержанием водорода (х800):

а — 0,14 см³/100 г; б — 0,265 см³/100 г; в — 0,47 см³/100 г Однако у каждого из сплавов есть свои отличительные особенности. Так, в сплаве М40 вследствие высокой гетерогенности структуры очень трудно наблюдать данную взаимосвязь. Но, несмотря на это, даже в сплаве М40 заметно утолщение границ зерен при высоком содержании водорода, особенно около стыков.

Для сплава АМгб изучаемая взаимосвязь проявляется очень четко. С возрастанием концентрации водорода (рис. 2.33) границы не только утолщаются, но и становятся менее прерывистыми. Утолщений междоузлий незаметно, а пор совсем нет. Вероятно, предельная концентрация, после которой прекращается рост толщины границ зерен и появляются поры, еще не достигнута.

Рис. 2.33. Микроструктура слитков сплава АМгб с разным содержанием водорода (х800):

а — 0,81 см³/100 г; б — 1,0 см³/100 г; в — 1,1 см³/100 г Характер границ зерен в сплаве 1 911 несколько отличен от предыдущих двух сплавов (рис. 2.34 и 2.35). Они также прерывисты, похожи на пунктирные линии, как и в сплаве АМгб, но штрихи более короткие и округлые — в виде капелек. В сплаве 1 911 наряду с утолщением границ более интенсивно, чем в других сплавах, растут в размерах стыки зерен (рис. 2.34), образуя при концентрации водорода 1,3 см³/100 г поры, как в стыках, так и по полю зерна (рис. 2.35, в). Как видно, в сплаве 1 911 превышена предельная концентрация водорода, сплав сильно пересыщен, что привело к появлению пор.

Рис. 2.34. Микроструктура по оси слитка сплава 1 911 с разным содержанием водорода (х800):

а — 0,41 см³/100 г; б — 0,65 см³/100 г; в — 1,3 см³/100 г Исследование микроструктуры слитков сплава В93 с малым и повышенным содержанием водорода показало, что в последних имеет место междендритная пористость, которая располагается неравномерно по сечению слитка и носит локальный характер. В центре слитка заметна повышенная микропористость. С возрастанием содержания водорода наблюдается утолщение границ микрозерен, особенно на стыках зерен (рис. 2.36).

Растворимость водорода в слитках при прочих равных условиях зависит от их химического состава. Неравномерность распределения водорода по зерну, вероятно, в первую очередь определяется насыщенностью твердого раствора легирующими элементами и составом фаз, залегающих по границам дендритных ячеек.

Рис. 2.35. Микроструктура по толщине слитка сплава 1 911 с разным содержанием водорода (х800):

а — 0,41 см³/100 г; б — 0,65 см³/100 г; б — 1,3 см³/100 г.

Рис. 2.36. Микроструктура слитков сплава В93 с разным содержанием водорода (х800):

а — 0,14 см³/100 г; б — 0,265 см³/100 г; в — 0,47 см³/100 г Сделана попытка приближенно оценить растворимость водорода в фазах, присутствующих в исследуемых сплавах: СиА1₂ (0); Al₃Mg₂; Al₂CuMg (S); Al₂Mg₃Zn₃ (Г).

Плавки массой 3 кг, соответствующие по химическому составу перечисленным фазам, готовились в электропечи.

В фазе СиА1₂ определялось содержание водорода сразу после расплавления шихты при температуре 730 °C и после принудительного двукратного насыщения водородом с помощью мокрого асбеста. После насыщения водородом из жидкой пробы еще до наложения вакуума выделялись мелкие пузырьки. Расчет содержания водорода проводился приблизительный по номограмме, соответствующей сплаву А1—Си с коэффициентами, А = 3100 и В = 1,50.

Структура образцов, отлитых на полированную плиту, приведена на рис. 2.37, на котором четко видно выделение водорода по границам зерен. Образование зерен с четко очерченными границами связано с очень небольшим отклонениями от химического состава фазы и присутствием примесей Fe и Si.

Рис. 2.37. Выделение водорода по границам зерен сплава, соответствующего химическому составу фазы СиА1₂ (6) с разным содержанием водорода (х500):

а — 0,48 см³/100 г; б — 0,55 см³/100 г; в — 0,45 см³/100 г Фазы, содержащие в своем составе магний, готовились под карналлитовым флюсом. Поверхность жидкой пробы, помещенной в установку для определения содержания водорода, присыпалась серой. Оксидная пленка снималась, и благодаря оксиду серы поверхность пробы была довольно светлой.

Содержание водорода определялось в этих фазах также после расплавления шихты и после принудительного насыщения водородом. Образцы, отлитые на полированную плиту, имели окисленную поверхность, поэтому структуру исследовать не удалось.

Коэффициенты для расчета содержания водорода в фазе Al₃Mg₂ были взяты для двойного сплава А1 + 6% Mg (А = 2620, В = 1,57).

В фазе Al₂Mg₃Zn₃ (70 из-за высокой концентрации цинка определить содержание водорода не удалось вследствие интенсивного испарения цинка при наложении вакуума на жидкую пробу.

Получены следующие данные по растворимости водорода в фазах (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Данные по растворимости водорода.

Как следует из данных табл. 2.1, растворимость водорода в фазе СиА1₂ значительно ниже, чем в фазе Al₃Mg₂.

Растворимость водорода в чистом жидком алюминии составляет 0,77 см³/100 г. Следовательно, из полученных результатов можно сделать вывод о том, что медь значительно снижает растворимость водорода в алюминии. Магний, напротив, резко повышает эту растворимость.

В зависимости от типа агрегата, в котором осуществляется выплавка слитка, наблюдается различие в структуре слитков (рис. 2.38 и 2.39).

Рис. 2.38. Макроструктура слитков сплава АК6, выплавленных в пламенной (а) и электрической (б) печи (х400).

Рис. 2.39. Макроструктура слитков сплава АК4−1, выплавленных в пламенной (о) и электрической (б) печи (х400).

Структуры слитков сплавов А1—Mg—Sc—Li при изменении концентрации лития в диапазоне 0,33—1,2% однородны по сечению и мало отличаются друг от друга (рис. 2.40). Средний размер зерна в сплавах составляет примерно 60 мкм.

Рис. 2.40. Микроструктура слитков из сплавов системы AI—Мд— Sc—Li с содержанием лития 0,33% (а) и 1,18% (б) (х200).