РАСПЛАВЫ
4 • 2009
УДК 669.017.11
© 2009 г. В.Л. Смирное, В.М. Замятин, Б.В. Овсянников, В С. Мушников ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Al-Mg-Mn
Методом термического анализа с последующим численным дифференцированием по времени кривых нагрева изучен процесс плавления промышленных алюминиевых сплавов 5086, 5083 и АМгб системы Al-Mg-Mn. Установлены значения температур равновесного солидуса и ликвидуса указанных сплавов в режиме их нагрева. На дифференциальной кривой охлаждения сплава АМгб при его кристаллизации обнаружены экзотермические пики, обусловленные выделением из расплава фаз Al6(Fe, Mn) и Mg2Si.
Полуфабрикаты из алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Mn широко применяются во многих отраслях промышленности, в частности в судостроении [1]. Для повышения коррозионной стойкости и механических свойств полуфабрикатов из сплавов системы Al-Mg-Mn требуется как совершенствование режимов изготовления полуфабрикатов методами горячей и холодной деформации слитков, так и улучшение строения и свойств последних за счет управления процессом кристаллизации сплавов [2].
В настоящей работе исследуются процессы плавления алюминиевых сплавов 5086, 5083 и АМгб системы Al-Mg-Mn, а также кристаллизации сплава АМгб методом термического анализа [3].
Методика исследований. Образцы для исследования вырезали из промышленных крупногабаритных гомогенизированных слитков поперечным сечением 400 х 1630 мм сплавов 5086, 5083 и АМг6. Химический состав изученных сплавов приведен в табл. 1.
Процесс плавления сплавов изучали методом термического анализа с последующим численным дифференцированием по времени кривых нагрева. Особенности проведения экспериментов заключались в следующем: цилиндрические образцы диаметром 16 мм и высотой 16 мм с наличием осевого отверстия, предназначенного для размещения горячего спая хромель-алюмелевой термопары, помещали в корундовый тигель, находящийся в специальной измерительной ячейке термоанализатора. При монотонном нагревании образца до 670°С (температура, отвечающая небольшому перегреву над температурой ликвидуса) и последующем охлаждении его фиксировали через одинаковые промежутки времени Ах = 5 с числовые значения термоЭДС с помощью цифрового вольтметра Щ31. В связи с тем, что график зависимости в координатах температура (t, °С) - время (т, с) характеризуется при фазовых превращениях плавными переходами, определение темпе-
Таблица 1
Химический состав промышленных алюминиевых сплавов
Сплав Элемент, мас. %
Mg Mn Si Zn Cu Fe Ti Сг
5086 4.4 0.6 0.12 0.02 0.04 0.3 0.06 0.08
5083 4.7 0.7 0.09 0.04 0.05 0.2 0.06 0.06
АМг6 5.9 0.6 0.1 0.2 0.1 0.3 0.05 -
Рис. 1. Термограммы промышленных алюминиевых сплавов в режиме нагрева: 1 - 5086; 2 - 5083; 3 - АМг6.
ратур солидуса и ликвидуса с минимальной погрешностью затруднено, а иногда и невозможно. Для повышения точности определения этих температур зависимости £ - (т) численно дифференцировали и строили графики в координатах "скорость нагревания образца (А£/Ат в условных единицах) - его температура (£)", из которых находили значения температур солидуса 4 и ликвидуса £1 с погрешностью ±1°С.
При достижении сплавом температуры 670°С измерительную ячейку извлекали из нагревательной печи и продолжали снимать показания цифрового вольтметра. Методика обработки значений и построения дифференциальных кривых в режиме охлаждения образца описана выше. Следует отметить, что образцы кристаллизовались в неравновесных условиях. Скорость охлаждения расплавов к моменту начала затвердевания составляла 45°С /мин. Выбранное значение скорости соизмеримо со скоростью охлаждения
3 Расплавы, № 4
66
В.Л. Смирнов, В.М. Замятин, Б.В. Овсянников, В.С. Мушников
Таблица 2
Значения температур фазовых превращений при плавлении алюминиевых сплавов
Сплав Плавление, °С А?пл
4 А
5086 575 636 61
5083 570 633 63
АМг6 549 629 80
кристаллизующихся слитков, отливаемых методом полунепрерывного литья в промышленных условиях.
Результаты исследования образцов в режиме нагрева. На рис. 1 приведены термограммы (дифференциальные кривые) изученных образцов сплавов 5086, 5083 и АМг6 в режиме нагрева со скоростью 14°С/мин перед плавлением. На полученных кривых обозначены значения температур равновесного солидуса (?8) и ликвидуса (£1), которые сведены в табл. 2.
Из табл. 1 видно, что сплавы 5086 и 5083 имеют близкий химический состав по всем компонентам, за исключением повышенного содержания Mg у сплава 5083 (4.4 мас %) по сравнению со сплавом 5086 (4.7 мас %). Сплав АМг6 характеризуется более высоким содержанием Mg по сравнению со сплавом 5086 и, помимо этого, более высоким содержанием примесей и Си.
Термограммы гомогенизированных сплавов характеризуются отсутствием эндотермических пиков, свидетельствующих о плавлении неравновесных эвтектик.
Следовательно, выбранные режимы гомогенизации сплавов 5086, 5083 и АМг6 обеспечивают полное растворение неравновесной эвтектики аА1 + Mg2A13 в зернах алюминиевой матрицы.
Температуры равновесного солидуса сплавов 5083 и 5086 очень близки, что обусловлено близостью химических составов сплавов. Температура же равновесного солидуса сплава АМг6 значительно ниже, что можно объяснить повышенным содержанием в нем Mg.
При нагревании сплавов до температуры равновесного солидуса начинается оплавление границ зерен. В этот момент термограмма плавно меняет угол наклона, и скорость нагревания образца монотонно снижается до температуры ликвидуса. Значительное увеличение угла наклона термограммы при температуре равновесного солидуса вызвано поглощением тепла образцом вследствие плавления в интервале температур порядка 10°С. Далее скорость нагревания образцов монотонно уменьшается вплоть до температуры ликвидуса. Такую особенность сплавов системы A1-Mg-Mn можно объяснить быстрым разрушением кристаллического каркаса образца.
На термограммах (рис. 1) также указаны значения температуры ликвидуса данных сплавов. По мере повышения содержания Mg в сплавах системы A1-Mg-Mn происходит смещение температуры ликвидуса в область более низких температур, однако значения данной температуры отличаются всего на несколько градусов.
В табл. 2 также сведены интервалы плавления А£пл = - изученных сплавов. Видно, что эти сплавы характеризуются сравнительно узкими интервалами плавления, равными примерно 60-80°С.
Результаты исследования сплава АМгб в режиме охлаждения. Дифференциальная кривая сплава АМг6, полученная в процессе кристаллизации, приведена в координатах "скорость охлаждения образца - его температура" на рис. 2. Обращает на себя внимание то, что при построении дифференциальных кривых охлаждения в указанных координа-
Рис. 2. Термограмма сплава АМгб в режиме охлаждения со скоростью 45°С/мин.
тах экзотермические пики на термограммах обращены вниз, а не вверх в отличие от классического дифференциально-термического анализа [3]. Как видно из рис. 2, на термограмме охлаждения наблюдается несколько экзотермических пиков. Температура ликвидуса сплава составляет 622°С. Пик при самой низкой температуре 438°С свидетельствует о затвердевании неравновесной эвтектики аА1 + Mg2Al3.
Для выяснения состава зерен а-твердого раствора матрицы и природы пиков при 560 и 541°С провели микрорентгеноспектральный анализ (МРСА) микроструктуры исходных гомогенизированных образцов. Установлено, что содержание Mg в разных зернах матрицы сплава находится в пределах 5.4-5.7 мас. %, а Mn - в интервале 0.2-1.1 мас. %. Результаты МРСА показали также, что в микроструктуре исходных образцов имеются две фазы: АЦБе^п) и Mg2Si. При этом содержание железа в частицах фазы АЦБе^п) колеблется в пределах 15-19 мас. %, а марганца - в интервале 10-12 мас. %.
Учитывая данные МРСА, можно констатировать, что экзотермические пики на термограммах охлаждения обусловлены выделением из междендритной жидкости фазы А^Бе^п) при 560°С и фазы Mg2Si при температуре 541°С.
Выводы. 1. Методом термического анализа с последующим численным дифференцированием кривых нагрева определены температурные интервалы плавления промышленных алюминиевых сплавов конкретного химического состава: 5086, 5083 и АМг6. 2. Установлены состав фаз и температуры их выделения в сплаве АМг6 в процессе неравновесной кристаллизации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арчакова З.Н., Балахонцев Г.А., Басова И.Г. и др. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: Справ. изд-е 2-е, перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1984. - 408 с.
2. Фридляндер И.Н., Чуистов К.В, Березина А.Л., Колобнев Н.И. Алюминиевые сплавы. Структура и свойства. - Киев: Наукова думка, 1992. - 192 с.
3. Егунов В. П. Введение в термический анализ. - Самара, 1996. - 270 с.
Уральский государственный технический университет Поступила в редакцию
Екатеринбург 05 декабря 2008 г.
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.