Влияние характера и степени легирования на склонность к проявлению ликвации литых заготовок деформируемых алюминиевых сплавов

Технология получения качественного полуфабриката для последующей деформации (прокатка, штамповка или прессование) предусматривает получение бездефектной литой заготовки [ 1-5 ] . Строение исходного слитка определяется формой, размерами и составом зерен, а также их внутренним строением [ 6-9 ] .

Зерна алюминиевого твердого раствора представляют собой дендриты, выросшие из одного центра кристаллизации, которые легко выявляются при макроисследовании. Зерна по размерам могут быть крупными или мелкими, а по форме равноосными, столбчатыми и веерными [10-12]. Внутреннее строение зерен определяется формой и размерами первично кристаллизовавшихся ветвей дендрита, а также формой, размерами и расположением ин-терметаллидов. По внешнему виду зерен нельзя судить о внутреннем строении. При любом размере зерна дендритные ветви могут быть также любого размера, как тонкими, так и толстыми, а соответственно этому интерме-таллиды – и мелкими, и крупными. Чем тоньше ветви (чем меньше размер дендритной ячейки) и чем мельче интерметаллиды, залегающие в междендритных пространствах, тем тоньше внутреннее строение [13-15].

Уровень механических свойств сплавов в литом и термически обработанном состоянии определяется в основном внутренним строением зерен и в меньшей степени его размерами и формой: чем тоньше внутреннее строение, тем выше и прочность, и пластичность [ 16-17 ] . Таким образом, одним из основных параметров, влияющих на качество литой заготовки для последующей пластической деформации, является проявление химической неоднородности зерен по содержанию легирующих элементов, или ликвация.

В работе исследуются сплавы АМц, АМг6 и Д16 по методике, ранее предложенной в статье [ 18 ] . Это широко распространенные деформируемые алюминиевые сплавы, которые отличаются как характером легирования (один, два или три легирующих элемента), так и их содержанием. В сплаве АМц, легированном только марганцем, содержание Mn допускается от 1,0 до 1,5 масс. %. В сплаве АМг6, кроме марганца, содержание которого допускается от 0,5 до 0,8 масс. %, дополнительно введен магний, содержание которого от 5,8 до 6,8 масс. %. В сплаве Д16 основными легирующими элементами является медь (3,8…4,9 масс. %), марганец (0,3...0,9 масс. %) и магний в количестве от 1,2 до 1,8 масс. %.

Введение дополнительных легирующих элементов может приводить к супераддитивному влиянию на склонность алюминиевых сплавов к проявлению ликвационных эффектов в литых заготовках. Выявлению подобного влияния и посвящено данное исследование.

Указанные сплавы можно условно выбрать в качестве модельных для исследования влияния характера легирования на склонность деформируемых алюминиевых сплавов к проявлению ликвационных эффектов в литом состоянии.

Материал и методика исследования

Для оценки степени ликвации были отобраны образцы из литых заготовок промышленных сплавов различного характера легирования, таких как АМц, АМг6 и Д16, которые не подвергались гомогенизационному отжигу, необходимому по технологии для последующей пластической деформации.

Исследуемые образцы сплавов АМц, АМг6 и Д16С соответствуют ГОСТ 4784–97. Составы сплавов, определенные атомно-эмиссионным методом на спектрометре Spectrolab по ASTME 1251-11, представлены в табл. 1.

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

Состав микрообъемов сплавов в этих образцах определяли на растровом микроскопе JEOL JSM–6460LV с приставкой Oxford Instruments Inca Energy для микрорентгеноспектрального анализа.

Оптическая металлография проводилась на микроскопе Axio Observer D1m.

Результаты экспериментаи их обсуждение

Микроструктуры сплавов в исходном литом состоянии представлены на рис. 1–3.

Для всех сплавов наблюдается типичная, ярко выраженная дендритная структура, характерная для литых алюминиевых сплавов. При микроструктурном исследовании на оптическом микроскопе дендритные оси выглядят более светлыми, а междендритные объемы, более темными (см. рис. 1а, 2а, 3а). При исследовании на растровом микроскопе (см. рис. 1б, 2б и 3б) цвета элементов изображения инвертируются. Для определения химического состава осей дендритов и междендритных объемов этих образцов с целью оценки степени химической неоднородности структуры проведены систематические исследования на растровом микроскопе.

Как показано в статье [ 18 ] , степень не-гомогенности алюминиевых сплавов в литом состоянии с достаточной степенью достоверности можно оценивать по результатам измерения отклонения локального состава сплава от равновесного. Измерения содержания легирующих элементов удобнее проводить, как показывает опыт [ 18 ] , по осям дендритов, которые надежно выявляются при стандартном травлении для анализа микроструктуры. Дендриты, как правило, обеднены основными легирующими элементами, которые обычно локализованы в междендритных объемах.

Таблица 1

Химический состав исследованных образцов, масс. %

Марка сплава	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Zn	Ti	Сr	Al
АМц	0,2	0,4	0,01	1,2	0,05	0,02	0,09	–	98,03
АМг6	0,09	0,02	0,05	0,7	6,2	0,1	0,07	–	92,77
Д16С	0,1	0,18	4,4	0,6	1,4	0,09	0,07	< 0,01	93,16

Примечание. Жирным шрифтом выделены концентрации основных легирующих элементов.

а)

б)

а)

Рис. 2. Микроструктура литого образца сплава АМг6, х 200: а – оптическая металлография, б – электронная микроскопия

Рис. 1. Микроструктура литого образца сплава АМц, х 200: а – оптическая металлография, б – электронная микроскопия

б)

а)                                                               б)

Рис. 3. Микроструктура литого образца сплава Д16 х 200: а – оптическая металлография, б – электронная микроскопия

На рис. 4, представленном в табл. 2 в качестве примера, белым квадратом показан участок оси дендрита сплава АМц размером 30 x 30 мкм, в котором был определен химический состав. Аналогичным образом были исследованы 12 участков. Результаты измерений химического состава для образца сплава АМц представлены в табл. 2. На рис. 5–6 и в табл. 3–4 приведены результаты измерений химического состава в осях дендритов для сплавов АМг6 и Д16.

Сравнивая локальное содержание легирующих элементов в осях дендритов (см. табл. 2–4) с составом сплава, определенным атомно-эмиссионным методом (см. табл. 1) можно отметить значительное несоответствие.

Установленные отклонения являются след- ствием негомогенности сплава.

Как показано в статье [18], критерий гомогенности γi может служить мерой степени приближения составов локальных объемов литых сплавов к марочному составу. За вели- чину, характеризующую степень негомоген-ности для литого сплава, примем величину относительного отклонения состава локально- го объема от марочного:

Δ i = ( q i _с р – q i спл )/ q i спл ,

где qiср – среднее по результатам 12 измерений содержание i-го элемента в осях дендритов, масс. %; qiспл – содержание i-го элемента в спла- ве, по результатам атомно-эмиссионного химического анализа (марочный состав), масс.%.

Химический состав в осях дендритов сплава АМц, масс. %

Рис. 4. Участок определения химического состава

______ сплава АМц на осях дендритов, х 200 ______

Таблица 2

№	Al	Mn
1	99,69	0,31
2	99,39	0,61
3	99,53	0,47
4	99,51	0,49
5	99,70	0,30
6	99,50	0,50
7	99,64	0,36
8	99,45	0,55
9	99,63	0,37
10	99,60	0,40
11	99,63	0,37
12	99,54	0,46
Среднее	99,57	0,43

Химический состав в осях дендритов сплава АМг6, масс. %

Таблица 3

•                   -            ' . ч'. --v-. ^     .-    Г',:         .         ' <	№	Mg	Al	Mn
	1	4,29	94,88	0,83
	2	4,35	95,03	0,62
	3	4,38	95,12	0,50
	4	3,89	95,37	0,74
	5	5,86	93,63	0,51
	6	6,20	93,13	0,68
	7	4,67	94,84	0,49
	8	4,82	94,68	0,50
	9	4,51	94,89	0,60
	10	4,00	95,65	0,34
1 20kU     Х200 100мт      10 55 SEI В	11	4,69	94,58	0,73
	12	4,09	95,24	0,67
Рис. 5. Участок измерения химического состава по осям дендритов сплава АМг6, х200
	Среднее	4,65	94,75	0,60

Химический состав в осях дендритов сплава Д16, масс. %

Таблица 4

Рис. 6. Участки измерения химического состава по осям дендритов сплава Д16С, х 200

№	Mg	Al	Mn	Cu
1	0,68	97,72	0,51	1,09
2	0,60	97,61	0,47	1,33
3	0,50	98,14	0,48	0,88
4	0,61	98,02	0,43	0,94
5	0,89	96,65	0,45	2,01
6	0,87	96,29	0,71	2,13
7	0,49	97,99	0,51	1,01
8	0,58	98,01	0,35	1,06
9	0,54	97,91	0,47	1,07
10	0,58	97,92	0,49	1,01
11	0,56	97,97	0,54	0,94
12	0,71	97,66	0,55	1,08
Среднее	0,63	97,66	0,50	1,21

Критерий гомогенности i -го элемента в сплаве:

γ i = 1 – |Δ i |.                                        (2)

Средний критерий гомогенности легирующих элементов сплава можно рассчитать по формуле

γ ср = ∑^{γ i} ,                               (3)

n где n – число легирующих элементов в сплаве, шт.

Расчитанные по формулам (1)–(3) и данным табл. 1–4 критерии гомогенности сплавов приведены табл. 5.

Полученные ненулевые значения относительного отклонения (Δ _i ) локального содержания всех легирующих элементов от марочного свидетельствуют о неоднородности их распределения между осями дендритов и междендритными участками. Знак минус показывает, что все легирующие элементы располагаются преимущественно в межосных участках.

Значение критерия гомогенности (γi) легирующих элементов варьируется в зависимо- сти от характера легирования сплава. Но в целом можно отметить, что чем больше содержание i-го легирующего элемента в сплаве, тем выше значения критерия гомогенности. Однако указанная закономерность наблюдается только при комплексном легировании. Так, если для Mg и Mn в системах Al–Mg–Mn (сплав АМг6) и Al–Mg–Cu–Mn (сплав Д16С) наблюдается повышение критерия гомогенности при увеличении содержания указанных элементов в сплаве, то для Mn в системе Al–Mn такая зависимость не выполняется.

Таким образом, полученные критерии гомогенности γ i для легирующих элементов характеризуют равномерность распределения соответствующего элемента в матрице и могут служить качественным и количественным показателем для контроля процессов гомогенизации при последующем гомогенизирующем отжиге.

Для среднего критерия гомогенности γср наблюдается прямо пропорциональная зависимость от общего содержания легирующих элементов в сплаве.

Таблица 5

Критерии гомогенности исследуемых сплавов в литом состоянии

Сплав	Относительное отклонение содержания легирующего элемента от марочного состава			Критерии гомогенности для легирующих элементов и основы сплава				Средний коэффициент гомогенности легирующих элементов
	Δ Mn	Δ Mg	Δ Cu	γ Mn	γ Mg	γ Cu	γ Al	γ ср
АМц	–0,64	–	–	0,36	–	–	0,98	0,36
АМг6	–0,14	–0,25	–	0,86	0,75	–	0,98	0,81
Д16	–0,17	–0,55	–0,73	0,83	0,45	0,27	0,95	0,52

Выводы

По результатам проведенного анализа можно сделать следующие выводы.

• 1.    Метод расчета критерия гомогенности, предложенный авторами в работе [ 18 ] , можно использовать для сплавов различного характера легирования.

• 2.    На основе данного метода рассчитаны критерии гомогенности легирующих элементов и основы для алюминиевых сплавов АМц, АМг6 и Д16.

• 3.    Экспериментально показано, что оси дендритов в исследуемых сплавах обеднены легирующими элементами.

• 4.    Установлено, что значение критерия гомогенности (γ _i ) легирующих элементов варьируется в зависимости от характера легирования сплава.

• 5.    Критерии гомогенности γ i для легирующих элементов характеризуют равномерность распределения соответствующего элемента в матрице и могут служить качественным и количественным показателем для контроля процессов гомогенизации при последующем гомогенизирующем отжиге.