Исследование структуры и свойств деформированных полуфабрикатов, полученных по технологии совмещенного литья и прокатки-прессования из сплавов системы AI-P3M

С целью определения влияния содержания редкоземельных металлов и технологии приготовления сплавов на их свойства, фазовый состав и структуру проводили экспериментальные исследования по получению прутков из сплавов системы А1-РЗМ с различным содержанием церия и лантана (0,5-7,0 % мае.) по технологии совмещенного литья и прокатки- прессования. Литые заготовки из экспериментальных сплавов были изготовлены при температуре плавки 760 °С, заливки - 750 °С и времени выдержки - 10 мин (см. табл. 4.1).

Далее получали прутки по отработанной технологии совмещенного литья и прокатки-прессования, при этом слитки загружали в печь-миксер, нагревали до температуры 760 °С, выдерживали при этой температуре и заливали расплав во вращающиеся валки установки. Температурноскоростные режимы деформации определяли с использованием результатов моделирования [3]. На выходе из калибра валков устанавливали матрицу, которая была плотно поджата к валкам с помощью гидроприжима. Диаметр калибрующего отверстия матрицы был равен 9 мм. От полученных полуфабрикатов отрезали образцы для испытаний на растяжение, тем самым определяли их механические свойства. С целью исследования технологичности обработки опытных сплавов оставшиеся части прутков подвергали холодному волочению и получали проволоку диаметром 2 мм, при этом суммарная степень деформации достигала 77,8 %.

Микроструктура прутков, полученных по технологии совмещенного литья и прокатки-прессования из исследуемых сплавов системы А1-РЗМ (см. табл. 4.1), приведена в табл. 4.7.

Микроструктура прутков из сплавов системы AI-P3M

Таблица 4.7

Номер сплава	Микроструктура
	х200	хЮОО
1
2
3

Окончание табл. 4.7

Номер сплава	Микроструктура
	х200	хЮОО
4
5
6
7
8

По результатам микроструктурного анализа установлено, что применение метода высокоскоростной кристаллизации-деформации привело к появлению макронеоднородности в виде полос, ориентированных в направлении оси деформации, состоящих из эвтектических колоний. В малолегированных сплавах макронеоднородность по сечению прутка характеризуется зонами с повышенным количеством эвтектических составляющих, вытянутых в строчки, и зонами с единичными выделениями эвтектических кристаллов. Причем области, обогащенные эвтектическими выделениями, формируются в центральной части прутков, а периферийная часть не содержит фаз АЦМе.

Таким образом, прутки, изготовленные при температуре заливки металла в валки 750 °С с разными скоростями деформации, имеют неоднородную структуру, которая сильно отличается в периферийных и центральных зонах. В периферийных зонах наблюдается однородное распределение мелких частиц по твердому раствору, в центральных - светлые участки a-твердого раствора и темные участки эвтектики (а + А1₄Ме). Увеличение концентрации редкоземельных элементов усиливает макро- и микронеоднородность в структуре прутков. Значительное легирование лигатурой с лантаном приводит к грубой строчечной структуре по всему сечению прутка.

Волочение проволоки из полученных прутков не устранило макро- и микронеоднородности исходных заготовок (рис. 4.8). Структура проволоки подобна структуре прутков тех же составов. В проволоке малолегиро- ванных сплавов (рис. 4.8, а) присутствует незначительная макронеоднородность в виде 1-2 строчек избыточных фаз вдоль направления деформации. Строчечность в структуре проволоки возрастает с повышением степени легирования сплава редкоземельными металлами. В зонах строчечное™ структуры образцов, легированных лантаном, наблюдаются значительные неоднородные области, представленные в виде скоплений эвтектических кристаллов. Эвтектика при волочении сохранила пластинчатое строение.

Измерение микротвердости деформированных полуфабрикатов проводили при нагрузке 200 г на приборе AFFRI DM 8. Результаты замеров приведены в табл. 4.8. Растворимость легирующих элементов церия и лантана в алюминии незначительная, и микротвердость алюминиевого твердого раствора во всех сплавах должна иметь близкие значения. В основном на уровень микротвердости существенное влияние оказывает макронеоднородность структуры. В зонах с незначительной неоднородностью микротвердость составляет 30-38 HV вне зависимости от степени легирования и определяется твердостью твердого раствора с небольшим количеством эвтектики. С увеличением содержания церия и лантана возрастает объемная доля эвтектики, и микротвердость повышается. Микротвердость проволоки существенно выше микротвердости прутков, что обусловлено высокой дисперсностью структурных составляющих и деформационным упрочнением, связанным с искажениями кристаллического строения.

Рис. 4.8. Микроструктура проволоки (х200) из экспериментальных сплавов: а - сплав 1; б - сплав 4; в - сплав 8; г - сплав 10

При исследовании механических свойств деформированных полуфабрикатов для прутков использовали универсальную электромеханическую машину LFM 400 (усилием 400 кН), а для проволоки - LFM 20 (усилием 20 кН). Измерение их удельного электросопротивления (УЭС) проводили с помощью миллиомметра «ВИТОК» в соответствии с ГОСТ 7229-76 на образцах с расчетной длиной 1 м.

Анализ результатов исследований (табл. 4.8) показал, что пластичность прутков и проволоки сплавов разных систем легирования уменьшается с повышением содержания РЗМ.

В прутках из сплавов системы Al-MM-La выявлена пониженная пластичность. Микрорентгеноспектральным анализом установлено, что в слитках сплавов системы Al-MM-La в составе фаз содержание лантана превышает содержание церия, это подтверждает иной фазовый состав эвтектических включений в отличие от сплавов системы А1-ММ. Вследствие этого можно предположить, что установленное понижение пластичности связано с формированием в структуре иных труднодеформируемых фаз, в составе которых повышено содержание лантана по сравнению со сплавами А1-ММ.

Таблица 4.8

Механические и электрофизические свойства деформированных полуфабрикатов из исследуемых сплавов системы AI-P3M

С увеличением содержания церия возрастают временное сопротивление разрыву и удельное электросопротивление (см. табл. 4.8).

Таким образом, повышение концентрации легирующих элементов в сплавах на основе алюминия приводит к росту временного сопротивления разрыву и удельного электросопротивления вне зависимости от системы легирования. Это связано в основном с увеличением объемной доли эвтектики в сплавах при повышении концентрации легирующих элементов. Добавление в сплав лантана приводит к аналогичным последствиям и подтверждает установленные закономерности. Однако в этом случае процесс обработки заготовок протекал с повышенными энергозатратами и характеризовался достаточно высокой трудоемкостью.

При производстве прутков из сплавов систем А1-РЗМ и Al-P3M-Ni методом совмещенного литья и прокатки-прессования происходит характерное распределение структурных составляющих по сечению образцов, которое приводит к макро- и микронеоднородности (табл. 4.9-4.11). В малолегированных сплавах 11, 15 наблюдаются отдельные участки с повышенным количеством эвтектической составляющей в виде строчек, ориентированных в направлении деформации. Увеличение концентрации РЗМ в сплавах от 1 до 4 % приводит к значительной неоднородности по сечению прутка (сплавы 12-14, 16-18). Области, содержащие колонии эвтектических кристаллов, расположены вдоль границ деформированных зерен. Эвтектические колонии образуют скопления с повышенным содержанием легирующих элементов. Микронеоднородность легирующих элементов по сечению подтверждается присутствием в структуре эвтектики крупных ин- терметаллидов, преимущественно пластинчатой формы.

Микрорентгеноспектральный анализ интерметаллидов (сплавы 13, 14) показал присутствие в составе включений алюминия, церия и лантана. В образцах сплава с содержанием РЗМ до 4 % количество церия в кристаллах и эвтектике превышает содержание лантана.

Исследование микроструктуры проволоки из полученных прутков (см. табл. 4.11) показало, что холодная деформация не устранила макро- и микронеоднородности исходных заготовок.

Механические свойства деформированных полуфабрикатов из исследуемых сплавов, представлены в табл. 4.12.

Увеличение концентрации легирующих элементов в исследуемых сплавах на основе алюминия приводит к росту временного сопротивления разрыву и удельного электросопротивления вне зависимости от системы легирования. Это связано в основном с увеличением объемной доли эвтектики в сплавах при повышении концентрации легирующих элементов.

Пластичность прутков и проволоки сплавов разных систем легирования уменьшается с повышением содержания церия, лантана и никеля. В образцах прутков сплавов системы Al-La выявляется пониженная пластичность. Микрорентгеноспектральным анализом установлено, что в слитках сплавов, легированных А1-ММ, в составе фаз содержание лантана превышает содержание церия, это подтверждает иной фазовый состав эвтектических включений в отличие от сплавов системы Al-MM-Ni, в которой никель является микродобавкой, не существенно влияющей на структуру. Вследствие этого можно предположить, что установленное понижение пластичности связано с формированием в структуре иных труднодеформи- руемых фаз, в составе которых повышено содержание лантана по сравнению со сплавами систем Al-MM, Al-MM-Ni.

Таблица 4.9

Микроструктура прутков из сплавов систем AI-P3M и AI-РЗМ-Ni, х200

Номер сплава	А1-РЗМ	Номер сплава	Al-P3M-Ni
11		15
12		16
13		17
14		18

Легирование алюминиевых сплавов мишметаллом и совместно мишметаллом и никелем в одинаковом суммарном диапазоне концентраций позволяет получать сравнительно высокий уровень механических свойств. При этом сплавы с никелем хорошо поддаются холодной обработке давлением.

Временное сопротивление разрыву прутков находится в диапазоне 134— 153 МПа, относительное удлинение достигает 16-27 %. После холодного волочения временное сопротивление разрыву образцов проволоки увеличивается до 194-218 МПа, а относительное удлинение падает до 1,5-8,3 %.

Таблица 4.10

Микроструктура прутков из сплавов систем AI-P3M и AI-P3M-Ni, хЮОО

Номер сплава	А1-РЗМ	Номер сплава	Al-P3M-Ni
11		15
12		16
13		17
14		18

Таблица 4.11

Микроструктура проволоки из сплавов систем AI-P3M и AI-P3M-Ni, х200

Номер сплава	А1-РЗМ	Номер сплава	Al-P3M-Ni
11		15
12		16
13		17
14		18

Анализ полученных результатов показал, что микротвердость прутков изменяется в пределах 39-46 кгс/мм², а проволоки достигает значений 54-57 кгс/мм², что аналогично изменению прочностных свойств полуфабрикатов (см. табл. 4.12). Полученные значения удельного электрического сопротивления для деформированных полуфабрикатов (см. табл. 4.12) нахо- дятся в интервале: для прутков - 0,0278-0,0295 Ом-мм /м; для проволоки - 0,0287-0,0311 Ом-мм²/м.

Таблица 4.12

Механические и электрофизические свойства деформированных полуфабрикатов из сплавов систем AI-P3M и AI-P3M-Ni

Таким образом, по результатам исследований можно сделать следующие выводы.

Для сплавов системы А1-РЗМ рекомендуется использовать лигатуру А1-ММ, температура расплава должна составлять: для низколегированных сплавов - 740-760 °С, для высоколегированных сплавов - 760-790 °С; время перемешивания - 1-3 мин; выдержка в печи - 10-20 мин; температура заливки - (740+10) °С.

Установлено влияние содержания редкоземельных металлов на фазовый состав, структуру и физико-механические свойства сплавов системы А1-РЗМ, при этом выявлено, что повышение концентрации легирующих элементов РЗМ в исследуемых сплавах приводит к росту временного сопротивления разрыву. С увеличением содержания лантана в сплаве снижается его пластичность, что связано с формированием в структуре труднодеформируемых фаз, в составе которых повышено содержание лантана. Наиболее оптимальным соотношением количества церия к лантану является диапазон 1,0-1,2.

Анализ свойств образцов прутков, изготовленных методом совмещенного литья и прокатки-прессования из сплавов системы А1-РЗМ, позволил установить, что увеличение концентрации легирующих элементов от 0,5 до 5 % в сплавах на основе алюминия приводит к росту временного сопротивления разрыву со 120 до 220 МПа и удельного электросопротив- ления с 0,0276 до 0,0311 Ом-мм /м вне зависимости от системы легирования. Это связано с увеличением объемной доли эвтектики в сплавах при повышении содержания легирующих элементов. Исследования свойств прутков из сплава с максимальным содержанием РЗМ показали, что временное сопротивление разрыву может достигать в среднем 190-250 МПа, а относительное удлинение - 9-14 %, при этом удельное электросопротив- ление составляет 0,031-0,033 Ом-мм/м. Легирование никелем сплавов системы А1-РЗМ повышает пластичность и технологичность обработки, при этом прочностные свойства соответствуют свойствам сплавов без никеля с аналогичным содержанием РЗМ, а значения УЭС несколько повышаются.

Применение метода высокоскоростной кристаллизации-деформации позволяет получать деформированные полуфабрикаты с требуемым уровнем механических и электрофизических свойств из новых сплавов системы А1-РЗМ за счет варьирования концентрации РЗМ и никеля. При этом можно получать полуфабрикаты с повышенными прочностными свойствами до 220 МПа при содержании в сплавах РЗМ 5-7 % и с пониженными значениями удельного электросопротивления (0,0282 Ом-мм²/м) при содержании РЗМ 0,5-1,5 %.