Технологии » 2012 » Апрель » 2 » Влияние термической обработки на структуру и фазовый состав алюминиевого сплава.
20:16
Влияние термической обработки на структуру и фазовый состав алюминиевого сплава.
Влияние термической обработки на структуру и фазовый состав модифицированного сплава АК7ч


Многообразие в сочетаниях механических, физических и технологических свойств способствует широкому применению в промышленности  литейных алюминиевых сплавов, в частности сплавов на основе систем  Al-Si, Al-Si-Mg.

Алюминий и его сплавы отличаются высокой технологичностью, обладают хорошими литейными свойствами, имеют высокую коррозионную стойкость.

Термическая обработка является одной из основных технологических операций, применение которой обеспечивает получение необходимого комплекса физико-механических свойств деталей из алюминиевых литейных сплавов.

Упрочняющая термическая обработка доэвтектических силуминов включает закалку и старение.

Закалка применяется для получения максимально возможного пересыщения  α-Al твердого раствора, обеспечивающего существенное упрочнение сплава.
Целью применения режима старения является получение повышенной прочности вследствие распада пересыщенного твердого раствора.

Влияние различных режимов термической обработки на структуру, фазовый состав и свойства доэвтектических силуминов изучены достаточно хорошо, имеются данные о влиянии термической обработки на силумины, модифицированные стронцием, оптимизированы  режимы термической обработки для этих сплавов.


В то же время сведения о влиянии термической обработки на свойства силуминов, совместно модифицированных скандием и стронцием, практически отсутствуют.

В качестве элементов модификаторов для алюминиево-кремниевых сплавов предложены ранее хорошо зарекомендовавшие себя стронций и скандий, вводимые в исследуемый сплав в виде лигатур Al-Sr и Al-Sc.

Изучили раздельное и совместное влияние стронция и скандия и скорости охлаждения при кристаллизации на параметры микроструктуры и механические свойства сплава АК7ч.

Эксперименты проведены по плану  ортогональных латинских квадратов.
Опредено, что оптимальным является соотношение Sr и Sc 1:5.

Таким образом, целью настоящей работы является исследование влияние термической обработки на структуру и фазовый состав доэвтектического силумина АК7ч при совместном модифицировании стронцием и скандием.

Объектом исследований служили образцы модифицированного сплава АК7ч, химический состав которого приведен в таблице 1.

В связи с наличием большого количества возможных сочетаний независимых переменных (Тзак, tзак, Tстар, tстар), уровней их варьирования и неизвестностью диапазона рациональных условий решения задачи эксперименты проводили по плану ортогональных латинских квадратов (таблица 2).
 
Таблица. 1
Химический состав модифицированного сплава АК7ч

Наименование

сплава

 

Содержание элементов % (по массе)

АК7ч

Si

Mg

Fe

Sr

Sc

6.4

0.3

0.6

0.1

0.5

 
Таблица. 2
План эксперимента термической обработки сплава АК7ч, модифицированного 0,1% Sr и 0.5% Sc

1

1111

2

2222

3

3333

4

4444

5

5555

6

2345

7

3451

8

4512

9

5123

10

1234

11

3524

12

4135

13

5241

14

1352

15

2413

16

4253

17

5314

18

1425

19

2531

20

3142

21

5432

22

1543

23

2154

24

3215

25

4321


Для каждой ячейки представленной матрицы образцы сплава подвергали термической обработке согласно четырехзначному коду, в котором позиция цифры обозначает независимую переменную, а ее значение – уровень переменной.

Соответствующие данные представлены в таблице 3.
 
Таблица. 3
Уровни варьирования независимых переменных для термической обработки сплава АК7ч

переменной

Наименование

независимой переменной

Уровни варьирования независимых

переменных

1

2

3

4

5

1

Тзак, ºС

520

530

535

540

545

2

tзак, час

2

3

4

5

6

3

Tстар, ºС

0

150

160

175

200

4

tстар, час

0

1

3

5

7


Исследования влияния термической обработки на структуру и фазовый состав сплава проводили  в лабораторных условиях в печах типа СНОЛ-2.5,2.5,2.5/2М и СШОЛ-11,6/12-М3.

Заданную температуру поддерживали с точностью ±0,5 градуса с помощью прибора ВРТ-1.
Измерения температуры проводили хромель-алюмелевой термопарой универсальным измерительным прибором Р-4833 (класс точности 0,05).

Идентификацию фаз осуществляли методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН – 3М в Сuα фильтрованном излучении по стандартной методике.
В качестве эталона использовали отожженный в течение 16 часов с последующим охлаждением с печью алюминий марки А999.
Запись дифрактограмм проводили со скоростью (1/8)0/мин.

Для  выявления общей микроструктуры образцы сплава АК7ч травили 0,5% раствором плавиковой кислоты в течение15 секунд с последующей промывкой в струе проточной воды.
Микроструктуру сплавов изучали с помощью микроскопа «Axiovert-200 MAT».

Количественные характеристики микроструктуры (количество эвтектической составляющей Е, размеры частиц эвтектического кремния D, вытянутость A кремниевых частиц и расстояние L между частицами кремния в эвтектике) определяли по стандартным методикам.

Данные металлографических исследований свидетельствуют о том, что температура нагрева под  закалку 520 ºС не приводит к существенным изменениям в структуре сплава (рис. 1, режимы 1, 10, 14, 18, 22).

Начиная с температуры нагрева под закалку 530 ºС (режимы 2, 6, 15, 19) наблюдается некоторое дробление эвтектического кремния  и частичное растворение фаз Mg2Si и Al3Sc.

Интенсивность этого процесса возрастает при увеличении температуры нагрева под закалку до 535 ºС (режимы 3,7,11, 20, 24).
Это приводит к сфероидизации и коалесценции эвтектических кристаллов кремниевого твердого раствора и к частичному их растворению.

При этом на дифрактограммах сплава АК7ч наблюдается уменьшение интенсивности (начиная с температуры нагрева под закалку 520 ºС) или же полное исчезновение дифракционных максимумов, соответствующих интерметаллидным соединениям Mg2Si и Al3Sc, - при нагреве вплоть до температур 540-545 ºС (рис.2).

Увеличение температуры нагрева под закалку до 540 ºС ведет к коалесценции кристаллов эвтектического кремния и некоторому их огрублению.

При дальнейшем увеличении температуры до 545 ºС происходит значительное огрубление эвтектического кремния, что приводит к формированию низких механических свойств сплава.

Увеличение времени выдержки при температуре закалки приводит к аналогичным изменениям в структуре уже при температуре 540 ºС.

Количественные зависимости D, A и L от независимых переменных (Тзак, tзак, Тстар, tстар) получены после известной процедуры обработки экспериментальных данных для ортогональных латинских планов.
Эта процедура заключается в логарифмировании соответствующих количественных данных, усреднении их для каждого уровня каждой независимой переменной, потенцировании и привязке полученных зависимостей к условиям проведения опытов.

На рисунках 3, 4 представлены количественные  зависимости D, A от независимых переменных (Тзак, tзак, Тстар, tстар) для  сплава АК7ч.



Рис. 1. Микроструктуры сплава АК7ч, полученные в соответствии с планом эксперимента, x500


Рис. 2. Изменение вида дифрактограмм исследуемого сплава после закалки: а – Тзак = 520 ºС, б – Тзак = 540 ºС, в – Тзак = 545 ºС


Рис. 3. Частные зависимости размера частиц кремния в эвтектике от температурно-временных параметров закалки и старения в сплаве АК7ч


Рис. 4. Частные зависимости вытянутости частиц кремния от температурно-временных параметров закалки и старения в сплаве АК7ч

Конкретное определение зависимости параметров структуры для термически обработанного сплава АК7ч D, A и L от независимых переменных выполняется по формуле: X = N * φ(Tз) * φ (tз) * φ(Tс) * φ(tс),

где:
Х представляет одну из функций отклика;
φ(T),φ(t),φ(T),φ(t)–ординаты соответствующих частных зависимостей (рис.3,4);
N–нормирующий множитель, обеспечивающий привязку полученных зависимостей к условиям проведения опытов.

Для D величина N равна 7,35*10-3; для A величина N равна 0,473 и для  L равна 2,93*10-2 соответственно.
 
Выводы

1. Изучена структура сплава АК7ч - после термической обработки.
Показано, что температура нагрева под закалку 520 ºС не приводит к существенным изменениям в структуре сплава.
Начиная с температуры нагрева под закалку 530 ºС наблюдается некоторое дробление эвтектического кремния и частичное растворение интерметаллидных фаз.
Нагрев под закалку до температуры 535 ºС приводит к формированию мелких округлых кристаллов эвтектического кремния, к частичному его растворению.
Увеличение температуры до 545 ºС приводит к значительному огрублению эвтектического кремния.

2. Изучено изменение фазового состава сплава, сформировавшегося в результате термической обработки.
При закалке сплава с температуры 520 ºС фазовый состав практически не изменяется, однако на дифрактограммах наблюдается уменьшение интенсивности (начиная  с температуры нагрева под закалку 520 ºС) или же полное исчезновение дифракционных максимумов, соответствующих интерметаллидным соединениям Mg2Si  и Al3Sc (при нагреве до температур 540-545 ºС).

3. В ходе эксперимента, проведенного по плану ортогональных латинских квадратов, исследовано влияние термической обработки на структуру доэвтектического силумина АК7ч, модифицированного оптимальным соотношением Sr и Sс.
Получены количественные зависимости данных функции отклика (D размеры частиц эвтектического кремния, вытянутость A кремниевых кристаллов и расстояние L между частицами кремния в эвтектике) от независимых переменных (Тзак, tзак, Тстар, tстар).
Это позволяет рассчитывать конкретные значения параметров D, A и L и прогнозировать структуру сплава АК7ч при заданных значениях независимых переменных в диапазоне их изменения.


В.З.Куцова, д.т.н., проф.; Т.А.Аюпова, асп.
Национальная металлургическая академия Украины

   

Литература:
1. Аристова Н.А., Колобнев И.Ф.Термическая обработка литейных алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1977 – 144 с.
2. Куцова В.З., Аюпова Т.А. Влияние микролегирования Sr и Sc на структуру сплава АК7ч / Строительство, материаловедение, машиностроение // Сб. научн. тр. – вып. 36, ч.1. – Днепропетровск, ПГАСиА. – 2006г. С. 201-209.
3.Таран Ю.Н. , Куцова В.З., Ковальчук М.Г., Узлов К.И. Структура и фазовый состав силуминов, модифицированных стронцием.// Известия вузов. Цветная металлургия. – 1988. - №3. – с. 78-84
4.Куцова В.З., Швець О.В., Аюпова Т.А. Модифікування алюмінієвих сплавів// «МОМ», - 2001. - №1-2. – с. 99-109
5.Beresina A.I., Chuistov K.V., Monastyrskaya T.A. The stability of structure states of Al-Mg, Al-Li-Mg alloys, alloyed by Sc, Zr and Hf//Proc.of the 3rd European Conference on Light Alloys and Composites. – Zakopane, (Poland). – 1999. – p. 43-48
6.Dobatkina T.V., Rokhlin L.L., Characterova M.L. Phase diagrams of the aluminium – base alloys containing scandium// Proc.of the 3rd European Conference on Light Alloys and Composites. – Zakopane, (Poland). – 1999. – p/ 55-60
7. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента. Пер. с англ. – М.: Мир, 1972. – 382с
   
Категория: Термообработка | Просмотров: 3305 | Добавил: semglass | Теги: сплав, структура, термообработка, силумин, алюминий, фазы
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *: