ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2011, том 111, № 6, с. 605-612
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.71 '295'784:534.29
СТРУКТУРА ЛИГАТУРНЫХ СПЛАВОВ Al-Ti-C
© 2011 г. Э. А. Попова**, И. Г. Бродова*, Т. И. Яблонских*, И. Г. Ширинкина*, Н. М. Барбин***, Л. Е. Бодрова**, А. В. Долматов**, Э. А. Пастухов**, Н. А. Ватолин**,
В. В. Чебыкин***, Я. Б. Чернов***
*Институт Физики Металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Институт металлургии УрО РАН, 620016Екатеринбург, ул. Амундсена, 101 ***Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН, 620219Екатеринбург, ул. Академическая, 20
Поступила в редакцию 26.06.2010 г.; в окончательном варианте — 01.12.2010 г.
Методом алюмотермии получена бинарная Al—Ti лигатура заэвтектического состава, структурные характеристики которой обеспечивают высокую модифицирующую способность сплава. При обработке расплава низкочастотными колебаниями и его взаимодействии с углеродным излучателем, в процессе кристаллизации образуется тройной сплав Al—Ti—C, в состав которого входят алюминиды титана Al3Ti и карбид титана TiC. Наличие этих фаз создает благоприятные условия для зародыше-образования в алюминиевой матрице при применении тройного лигатурного сплава в качестве модификатора. Проведено сравнение эффективности измельчения структуры при использовании опытных лигатур и стандартной Al—Ti лигатуры, отлитой в металлический кокиль.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, лигатуры, модифицирование.
ВВЕДЕНИЕ
К настоящему времени имеется достаточное число публикаций о теоретических и экспериментальных аспектах модифицирования сплавов. Наиболее полное и современное представление о природе и механизмах модифицирования А1-сплавов дается в монографиях [1—3]. Обобщая свои оригинальные экспериментальные результаты по модифицированию А1-сплавов различными добавками, авторы [3] предлагают единый подход к природе этого явления — через структурное состояние их расплавов. В основу данной концепции положены современные представления о микронеоднородном строении жидких алюминиевых сплавов различных составов.
Обширный экспериментальный материал свидетельствует, что процессы зародышеобразования твердой фазы связаны с существованием в расплавах различного рода химических и структурных не-однородностей [4]. В этом случае изменение состояния расплава при изменении температуры нагрева и варьировании его химического состава, должно приводить к изменению характера распределения центров кристаллизации, их размеров и скорости роста. Такой подход к описанию процесса зароды-шеобразования вносит элемент новизны и в понимание природы обменных атомных процессов на границе фазового перехода, посредством которых происходит рост кристалла из расплава.
В последнее время все большее внимание уделяется лигатуре А1—Т1—С, проявляющей высокую модифицирующую способность при использовании ее для получения тонкой равноосной структуры алюминия и его сплавов и, как следствие, для повышения их механических и литейных свойств [5—10]. Отмечается, что эта лигатура имеет преимущества перед самой распространенной в течение нескольких последних десятилетий лигатурой А1—И—Б, содержащей часто весьма грубые и имеющие тенденцию к агломерации частицы ИБ2, резко снижающие качество продукции.
Получают лигатуру А1—И—С различными способами, в основе которых лежит синтез карбида титана в расплаве алюминия. Карбид титана образуется в расплаве за счет реакций взаимодействия либо порошков И, С, А1 (СВС — процесс) и графита с солью К2ИР6 (алюмотермический процесс), либо титана, растворенного в алюминиевом расплаве, с углеродом графитового ротора (роторный процесс) [9].
В настоящей работе описан новый способ получения тройной лигатуры, разработанный в ИМЕТ УрО РАН, который позволяет кратковременным воздействием низкочастотный колебаний (НЧК) на расплавы А1—Н-лигатур получать сплавы А1—'Н—С с разным содержанием фаз А13И и НС [11, 12]. Цель работы — изучить влияние структурных особенностей бинарных лигатурных А1-Т1-сплавов, изготовленных по разным технологиям, на морфологию, состав, размеры и распределение фаз в тройных ли-
Рис. 1. Микроструктуры опытной (а) и стандартной (б) лигатур Al—4% Ti.
гатурах Al—'Ti—C, полученных воздействием НЧК на соответствующие Al-Ti-расплавы.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исходными материалами служили два лигатурных сплава состава (мас. %) Al—(2.7—4)% Ti, полученные разными способами.
Один представлял собой промышленную лигатуру, отлитую в металлический кокиль (производство ВСМПО), второй был получен опытным путем методом алюмотермии. С целью получения тройной лигатуры Al—Ti—C оба бинарных сплава в жидком состоянии обрабатывали НЧК в одинаковых температурно-временных условиях (1200°С, 2 мин). При такой температуре растворенный в алюминии титан взаимодействует с углеродом поршня-излучателя, и происходит образование новой фазы TiC, которая потоками разносится по всему объему расплава. В результате кратковременности воздействия в алюминиевом расплаве остается некоторое количество титана, не связанного с углеродом.
Микроструктуру образцов изучали на инвертируемом микроскопе GX-57 (OLYMPUS) и микроскопе "Neophot-32" при увеличениях до 2000 с использованием цифровой камеры и компьютерной программы анализа изображений SIAMS-700. Измерение микротвердости осуществляли на приборе ПМТ-3 при нагрузках 1—2 H. Рентгенофазовый анализ лигатур выполнен на дифрактометре D8 ADVANCE (Bruker AXS, Германия) с программным обеспечением. Для определения химического состава структурных составляющих использовали сканирующий микроскоп ''Quanta-200'' c приставкой EDAX.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
1. Получение лигатурных Al—Ti сплавов методом алюмотермии и их модифицирующая способность
Опытный лигатурный Al—Ti сплав был получен за счет взаимодействия гранулированного алюминия и фтортитаната калия K2TiF6 (в количестве 10% от массы алюминия) в расплаве солей 95% KCl— NaCl (эвтектического состава) + 5% AlF3. Процесс перехода титана из соли в расплав алюминия происходил при температуре 800°С в течение 1 ч при периодическом перемешивании расплава. При таких режимах процесса в сплаве формируются алюми-ниды титана Al3Ti, имеющие форму компактных кубоидов или равноосных дендритов, распределенных по шлифу в виде отдельных включений, размерами не более 60 х 20 мкм (рис. 1а). Содержание титана в сплаве составило в среднем 5.15%. На рис. 1б представлена структура лигатурного сплава такого же состава, но полученного традиционной технологией — литьем в металлический кокиль. Из-за ликвации Ti и резкого температурного градиента по сечению отливки, разброс размеров кристаллов алюминидов Al3Ti, основной формой роста которых являются иглы и пластины, очень существенен. Так, в нижней части отливки — это иглы ин-терметаллидов (250 х 5 мкм), а в верхней — иглы более крупные, встречаются даже отдельные пластины, достигающие размеров 600 х 80 мкм.
Таким образом, опытный лигатурный сплав содержит более компактные и дисперсные алюмини-ды, равномерно расположенные по сечению отливки, что является определяющими факторами для оценки модифицирующей способности лигатур.
Модифицирующая способность лигатур была проверена при легировании технического алюминия титаном. Подробно этот эксперимент описан в [12]. Установлено, что модифицирующий эффект стандартной лигатуры (при ее введении в расплав
Рис. 2. Макроструктура слитков из сплава А1—0.15% 1, легированных титаном с помощью стандартной (а) и опытной (б) лигатур.
ШШк^ШШШ I
i . ,
л -,
' 5 ' , jtf ¿ÍЧЬ Ж*/.' * ntóí^ Ф^У'*
■□Г':, ур
Г
I
Vtmw Ш i
ЧГ'Щ&к, ЪшУЗШй ■ "МА-Д*»
; 1г V. ' I : «' . ' ■ . « J
(а),
200 мкм i_i
ёшЩнрЧ и
I ЛЛ1*. «jJLr' ■ ¿TrT
'TWv.'1* i
/ ™ »ir . Л" í ~
Ц vIÉj »7 .V Як.
V t*t i hl Jil • i '¿y? •*. SSf* л f
14 VV .¡tllrí'
! I Kfj*j IRSf1 ■
200 мкм
(б)_ _______. - .........
при Т= 700°С) проявляется при содержании титана в сплаве (0.21—0.22%), в то время как опытная лигатура начинает "работать'' при концентрациях И в сплаве в два раза меньше.
Известно, что модифицирующая способность тугоплавких лигатур сильно зависит от температур-но-временных условий введения плавки [3]. Были проведены специальные опыты, в которых осуществлялся синтез сплава А1—0.15% Н с применением температурно-временной обработки расплава. Легирование технического алюминия титаном осуществлялось с помощью обоих лигатурных сплавов при одних и тех же условиях. Шихтовые материалы (технический А1 и лигатура А1—4% Н) загружались в графитовый тигель, нагревались в печи до Т = 1200°С (выдержка 30 мин), а затем расплав разливался в металлическую изложницу. Масса отливок составляла 100 г. На рис. 2 показана макроструктура слитков из сплава А1—0.15% Н, полученных с помощью стандартной (рис. 2а) и опытной (рис. 2б) лигатур.
Методами количественной металлографии установлено, что размер литого зерна в сплаве, легированном опытной лигатурой, в три раза меньше, чем при легировании стандартной лигатурой. Следовательно, А1—'И лигатура, полученная методом алю-мотермии, имеет более высокую модифицирующую способность и может конкурировать со стандартными технологиями производства лигатурных сплавов. Данные результаты могут быть объяснены наследственным влиянием структуры жидкой фазы на структуру твердой фазы. Причинами повышения модифицирующей способности опытной лигатуры являются несколько факторов. Это меньший инкубационный период растворения алюминидов И, а также оптимальные характеристики структурных
составляющих жидкого сплава (с точки зрения их устойчивости, размеров и количества), регулирующие число дополнительных зародышевых центров и величину переохлаждения расплава.
2. Получение лигатурных тройных Al-Ti-C сплавов при воздействии на расплав НЧК и их структура
В процессе эксперимента использовали оба бинарных лигатурных сплава, структуры которых, описаны выше. При воздействии на Al-сплавы НЧК, передаваемых графитовым поршнем-излучателем, в условиях знакопеременного давления и активного перемешивания интенсивно протекает процесс карбидообразования. Было установлено, что длительность
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.