Аналитические возможности оценки степени гомогенности литых алюминиевых сплавов

Литые сплавы характеризуются значительной химической неоднородностью, обусловленной процессами кристаллизации. Особенно это заметно в литых многокомпонентных цветных сплавах – алюминиевых, магниевых, медных и др. [1–8].

Гомогенизирующий отжиг является основным специфичным видом термической обработки именно для литых сплавов. При гомогенизирующем отжиге не только устраняются последствия дендритной ликвации, но и уменьшаются остаточные напряжения, улучшается технологическая пластичность слитков при обработке давлением и повышаются конечные свойства фасонных отливок или деформированных полуфабрикатов [9–14].

Во время гомогенизационного отжига алюминиевых сплавов идут следующие основные процессы [15]:

– растворение неравновесного избытка фаз кристаллизационного происхождения;

– устранение внутрикристаллитной ликвации легирующих элементов;

– изменение зеренной и дислокационной структуры алюминиевого твердого раствора;

– распад алюминиевого раствора по основным легирующим элементам при охлаждении при изотермической выдержке;

– распад алюминиевого раствора во время изотермической выдержки с образованием алюминидов переходных металлов (в сплавах, содержащих подобные добавки).

Последний процесс освещается в литера- туре наиболее подробно [10]. Первые два процесса очевидны и общеизвестны, но результатов их экспериментального подтверждения в отечественной литературе практически нет.

Основные параметры режима гомогени-зационного отжига – температура и время выдержки. Скорость нагрева имеет несущественное значение. Влияние скорости охлаждения более значительно. Скорость гомогениза-ционного процесса определяется коэффициентами диффузии легирующих компонентов, возрастает с повышением температуры. Считается, что с увеличением температуры на 40–50 °С коэффициенты диффузии возрастают на порядок [15].

Температуру гомогенизационного отжига выбирают разной в зависимости от состава сплава, но близкой к температуре равновесного или неравновесного солидуса. Выдержка при температуре гомогенизации приводит к растворению избыточных фаз, а также выравниванию химического состава по объему ячеек. Скорость гомогенизации существенно зависит от дисперсности неравновесных фаз. Чем мельче дендритные ячейки и тоньше частички неравновесных фаз, тем с большей скоростью и полнотой протекают процессы растворения.

В слитках многокомпонентных алюминиевых сплавов, кроме неравновесных эвтектик и интерметаллических соединении, образовавшихся вследствие дендритной ликвации, содержатся и избыточные фазы или сложные равновесные эвтектики, которые не растворяются при гомогенизационном отжиге.

В результате гомогенизации существенно изменяются механические свойства слитка. Изменения структуры, вызываемые растворением неравновесных и коагуляцией избыточных фаз, обусловливают значительное повышение пластических характеристик при комнатной температуре и технологической пластичности при деформации. Гомогенизированные слитки, как правило, требуют меньших удельных давлений и допускают большие скорости деформации, чем негомогени-зированные.

Режимы гомогенизации плоских слитков должны обеспечивать достаточную технологическую пластичность при прокатке и необходимый уровень свойств.

Слитки режут обычно после гомогенизации, при которой высокие термические напряжения, свойственные литому слитку, снимаются. В ряде случаев для снятия напряжений перед резкой применяют отжиг слитков при температурах 275–350 °С в течение 1–3 ч [15]. Такая обработка достаточна для устранения остаточных напряжений, и опасность растрескивания слитков при резке снимается.

Важно отметить, что на предприятиях степень гомогенности оценивают лишь по результатам механических испытаний. В то время как актуальным остается вопрос о неразрушающем методе оценки результатов гомогенизирующего отжига.

Материал и методика исследования

Объектами исследования являются промышленные образцы высокопрочного алюминиевого сплава В95 (ГОСТ 4784), зарубежный аналог сплав 7475 (SAE AMS 4202). Состав сплавов, определенный атомно-эмиссионным методом на спектрометре Spectrolab по ASTM E 1251-11, представлен в табл. 1.

Образцы для исследования вырезались из отливки после предварительного отжига для снятия внутренних напряжений, проведенного по режиму с нагревом 380–420 °С в течение 2 ч, а также образцы после предварительного и дополнительного гомогенизирующего отжига при 450–470 °С в течение 36 ч.

Структуру сплавов, после травления реактивом Келлера, изучали методами оптической и сканирующей электронной микроскопии.

Состав микрообъемов сплавов этих образцах определяли на растровом микроскопе JEOL JSM–6460 ULV с приставкой для микрорентгеноспектрального анализа.

Оптическая металлография проводилась на микроскопе Axio Observer D1m.

Результаты экспериментаи их обсуждение

Микроструктура литого образца сплава В95 после предварительного отжига представлена на рис. 1.

Таблица 1

Химический состав исследованных образцов, масс. %

Al	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti
Основа	0,02	0,052	1,5	0,01	2,4	0,19	5,8	0,02

Наб люд а е тс я ти п и чн а я, ярк о в ыраженная де н д ри тн а я с тру к ту ра , хара к те рна я д ля ли т ых алю ми н и е в ых с п ла в ов . Д ля оп ре де ле н и я х ими че ск ого с о с та в а о с е й д е н д ри тов и м е ж д ендритных о бъем о в эт о г о обр аз ца, с цел ь ю о ценки ст епени х им ич еско й не о дно р о дно ст и структ ур ы , пр о ведены сист ем ат ич еские исследо вания на р ас т р о во м м икро ско пе. Н а р ис. 1 , б де н д ри тн ы е ос и в ыгля дят те мн ыми , а м е жде н д ри тн ы е учас тк и в ыг ляд ят с в е тл ыми .

Изоб раж е н ия, пол учен ны е н а рас тров ом ми к рос коп е , пре дста в ле ны н а ри с . 2, а в ы деленный квад ра т, ра зме р ам и 30 x 30 мкм соотв ет ству е т уча стк у, в к отором оп ре де ле н х имический состав.

Р ез у льтаты д е с яти п ос лед ов а те льных и змере н ий хи м и че ск ого с о с та в а п о ос ям д е н дритов представлены в табл. 2.

Аналогичные определения состава участков в междендритных объемах представлены в табл. 3 (масс. %).

Сравнивая содержание легирующих элементов по осям дендритов и в междендритных объемах, следует отметить значительное несоответствие локального состава с марочным составом сплава В95. Это отклонение, в той или иной форме, является мерой негомо-генности сплава.

Критерием гомогенности γ может служить степень приближения составов локальных объемов литых сплавов к марочному составу. Измерения содержания легирующих элементов удобнее проводить, как показывает опыт, по осям дендритов, которые надежно выявляются при стандартном травлении для анализа микроструктуры. Дендриты, как пра-

а)

б)

а)

Рис. 2. Участки определения химического состава: а – на осях дендритов; б – в междентритных областях

Рис. 1. Микроструктура литого образца сплава В95 после предварительного отжига, х 50: а - оптическая металлография; б – изображение аналогичного участка этого образца, полученное на растровом микроскопе JEOL JSM–6460 ULV

б)

Таблица 2

Химический состав в осях дендритов сплава В95, масс. %

Участки измерения химического состава по осям дендритов	№	Mg	Al	Cr	Cu	Zn
	1	1,37	93,97	0,32	0,70	3,64
	2	1,35	93,87	0,47	0,33	3,98
	3	1,53	93,88	0,29	0,46	3,84
	4	1,47	93,80	0,20	0,45	4,08
	5	1,34	94,50	0,18	0,38	3,60
	6	1,50	93,85	0,31	0,26	4,09
	7	1,43	93,77	0,27	0,59	3,94
	8	1,41	94,47	0,37	0,19	3,55
	9	1,36	94,31	0,27	0,50	3,56
	10	1,46	93,67	0,32	0,50	4,05
Среднее		1,42	94,01	0,30	0,43	3,83
Марочный состав		2,4	90,0	0,19	1,5	5,8

Таблица 3

Химический состав в междендритных объемах сплава В95, масс. %

Участки измерения химического состава в междендритных объемах № Mg Al Cu Zn 1 3,10 83,51 3,86 9,53 2 3,21 81,88 5,33 9,57 3 2,91 85,13 3,86 8,10 4 2,99 78,50 5,84 12,67 5 2,99 83,24 4,70 9,07 6 2,53 86,85 3,04 7,58 7 2,67 86,77 2,78 7,78 8 2,49 87,64 1,98 7,89 9 3,39 81,59 5,25 9,77 10 2,65 85,35 3,82 8,18 Среднее 2,89 84,05 4,05 9,01 Марочный состав 2,4 90,0 1,5 5,8 вило, обеднены основными легирующими элементами, которые обычно локализованы в междендритных объемах.

Примем за величину, характеризующую степень негомогенности литого сплава, величину отклонения состава от марочного

Δ = (qсреднее – qмарочное) / qмарочное, где qсреднее и qмарочное – содержание соответствующих легирующих элементов, представленное в табл. 2. Тогда критерий гомогенности можно представить как

γ _i = 1 – Δ.

Для совершенного гомогенного сплава значение критерия гомогенности должно приближаться к 1.

Рассчитанные по данной формуле значения критерия гомогенности γ i для основных легирующих элементов литого сплава В95 составляют: γ Mg = 0,59; γ Cu = 0,29; γ Zn = 0,61. А средний коэффициент гомогенности стал равен γ ∑ = 0,503.

В качестве контрольного примера приведем аналогичные измерения на образце после качественного гомогенизационного отжига, микроструктура которого представлена на рис. 3.

Результаты десяти последовательных измерений состава образца после гомогенизационно-го отжига при 450–470 °С в течение 36 ч в центре гомогенизированных зерен и по их границам представлены в табл. 4 и табл. 5 соответственно.

Сравнивая содержание легирующих элементов в центре зерен и по границам гомогенизированных зерен, следует отметить, что локальный состав зерен и в центре, и на границах стал близок к марочному составу сплава В95. На это указывает и близкий к 1 введенный ранее условный коэффициент гомогенности γ. Действительно, рассчитанные по приведенной выше методике коэффициенты гомогенности, стали близки к 1: γ Mg = 0,84; γ Cu = 0,98; γ Zn = 1. А средний коэффициент гомогенности стал равен γ ∑ = 0,94.

а)

б)

Рис. 3. Микроструктура образца сплава В95 после полноценного гомогенизационного отжига: а – оптическая металлография ( х 100); б - изображение аналогичного участка этого образца, полученное на растровом микроскопе JEOL JSM-6460 ULV ( х 200)

Таблица 4

Химический состав в центре гомогенизированных зерен сплава В95, масс. %

Участки измерения химического состава	№	Mg	Al	Cr	Cu	Zn
	1	1,70	91,37	0,39	1,40	5,114
	2	2,01	90,29	0,33	1,60	5,77
	3	2,10	90,64	0,45	1,24	5,57
	4	1,97	90,40	0,14	1,75	5,74
	5	2,12	90,62	0,14	1,50	5,61
	6	2,31	89,38	0,27	1,61	6,43
	7	1,93	90,39	0,33	1,62	5,73
	8	2,00	90,62	0,13	1,49	5,76
	9	2,04	90,24	0,32	1,55	5,84
	1 0	2,04	89,65	0.35	1,49	6,47
Среднее		2,02	90,36	0,28	1,52	5,81
Марочный состав		2,4	90,0	–	1,5	5,8

Таблица 5

Химический состав по границам гомогенизированных зерен сплава В95, масс. %

Участки измерения химического состава	№	Mg	Al	Cr	Cu	Zn
	1	1,90	90,85	0,20	1,44	5,62
	2	1,85	90,42	0,19	1,73	5,81
	3	1,94	90,63	0,14	1,47	5,81
	4	2,05	90.69	0,25	1,14	5,87
	5	1,89	90,65	0,13	1,38	5,95
	6	1,88	90,49	0,18	1,69	5,76
	7	1,80	91,42	0.27	1,53	4,98
	8	2,06	90,22	0,17	1,55	6,00
	9	1,92	90,54	0,14	1,50	5,89
	1 0	2,06	90,18	0,10	1,68	5,98
Среднее		1,94	90,61	0,18	1,51	5,77
Марочный состав		2,4	90,0	–	1,5	5,8

Выводы

• 1.    Результаты измерений состава локальных участков сплава показали, что для литого состояния характерно значительное несоответствие состава этих областей марочному составу сплава.

• 2.    Результаты измерений состава локальных участков этого же сплава после гомоге-низационного отжига указывают на приближение состава всех локальных участков по составу к марочному составу сплава.

• 3.    Предложенный метод можно рекомендовать в качестве аналитического способа для оценки степени гомогенности алюминиевых литых сплавов.

• 4.    В качестве критерия гомогенности γ можно предложить обобщенный статистический показатель, построенный на основе анализа дисперсий локальных составов по осям дендритов и междендритных областей.