автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование структуры и свойств жаропрочных литейных сплавов эвтектического типа на базе системы алюминий-церий

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

НАУМОВА Евгения Александровна

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЖАРОПРОЧНЫХ ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ ЭВТЕКТИЧЕСКОГО ТИПА НА БАЗЕ СИСТЕМЫ АЛЮМИНИЙ-ЦЕРИЙ

Специальность 05.16.01 - " Металловедение и термическая

обработка металлов"

Диссертация

На соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: профессор, доктор технических наук

Белов Н.А.

Москва 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ.

Введение.................................................................................6

1 .Обзор литературы....................................................................11

1.1 .Промышленные жаропрочные литейные и деформируемые алюминиевые сплавы................................................................. 11

1.1.1 .Промышленные жаропрочные литейные алюминиевые сплавы.......11

1.1.1.1.Литейные сплавы твердорастворного типа на основе системы алюминий-медь..........................................................................12

1.1.1.2. Литейные сплавы эвтектического типа на основе системы алюминий кремний (силумины)................................................... 16

1.1.1.3. Литейные сплавы эвтектического типа на основе системы алюминий-церий (церумины).........................................................19

1.1.2 .Промышленные жаропрочные деформируемые алюминиевые сплавы.....................................................................................21

1.2. Легирование алюминиевых сплавов переходными металлами..........24

1.2.1. Особенности взаимодействия ПМ с алюминием.........................24

1.2.2. Влияние переходных металлов на структуру и свойства

алюминиевых сплавов..................................................................27

1.2.3.Особенности взаимодействия переходных металлов с алюминием в зависимости от скорости охлаждения..............................................30

1.3. Гранулируемые алюминиевые сплавы, легированные только ПМ......33

1.3.1.Принципы оптимизации состава и структуры быстрозакристаллизованных жаропрочных алюминиевых сплавов твердорастворного и эвтектического типов.......................................33

1.3.2.Свойства известных быстрозакристаллизованных жаропрочных алюминиевых сплавов.................................................................36

1.4.Новые жаропрочные литейные алюминиевые сплавы эвтектического типа, легированные только переходными металлами..........................38

1.5. Анализ диаграмм состояния алюминия с переходными металлами и другими элементами...................................................................43

1.5.1. Обоснование подхода к разработке алюминиевых сплавов нового типа и выбора легирующих элементов.............................................43

1.5.2. Двойные диаграммы состояния..............................................48

1.5.2.1. Система А1-Се...............................................................48

1.5.2.2. Система А1 - Сг................................................................50

1.5.2.3. Система А1-Мп...............................................................50

1.5.2.4. Система А1-№................................................................51

1.5.2.5. Система А1 - 2г................................................................52

1.5.2.6. Система А1 - Бе................................................................54

1.5.2.7. Система А1 - ................................................................55

1.5.3. Тройные диаграммы состояния..............................................56

1.5.3.1. Система А1-Се-Ре.............................................................56

1.5.3.2. Система А1-Ре-№..............................................................57

1.5.3.3. Система А1-Ре-81..............................................................58

1.5.3.4. Система А1-№-81...............................................................59

1.5.3.5. Система А1-Се-81..............................................................59

1.5.3.6. Система А1-Се-Си.............................................................60

1.5.3.7. Система А1-Се-№..............................................................61

2. Методика эксперимента............................................................66

2.1. Объекты исследования, их получение и термообработка.................66

2.2. Определение механических свойств..........................................67

2.3. Определение литейных свойств................................................68

2.4. Методика определения показателей жаропрочности......................70

2.5.Методики структурных исследований.........................................73

2.5.1. Световая микроскопия..........................................................73

2.5..2.Растровая электронная микроскопия (РЭМ) и

микрорентгеноспектральный анализ................................................75

2.5.3. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ).....................76

3. Структура и фазовый состав сплавов системы А1-Се-М...................77

3.1 Общие особенности структуры литых сплавов системы А1-Се-№......79

3.2. Влияние скорости кристаллизации на структуру сплавов на основе системы А1-Се-№........................................................................85

3.3. Изучение влияния режимов термообработки на структуру сплавов системы А1-Се-№........................................................................90

3.4.Построение диаграммы состояния А1-Се-№.................................94

4. Свойства сплавов системы А1-Се-№...........................................103

4.1. Механические свойства при комнатной температуре...................103

4.2. Жаропрочность и литейные свойства сплавов системы А1-Се-№.....109

4.3. Анализ корреляционных связей между свойствами сплавов на базе системы А1-Се-№ и параметрами структуры....................................114

4.4. Сравнительный анализ механических и литейных свойств тройной эвтектики и некоторых известных модельных композиций.................120

5. Исследование влияния дополнительного легирования на структуру и свойства А1-Се сплавов..............................................................126

5.1.Выбор элементов для легирования алюминиевого твердого раствора.................................................................................126

5.2. Исследование модельных композиций на основе системы Al-Zr......130

5.3. Исследование структуры сплавов системы Al-Ce-Ni, дополнительно легированных цирконием............................................................135

5.4.Структура и свойства литейных алюминиевых сплавов, содержащих церий.....................................................................................143

5.5. Сравнительный анализ основных характеристик некоторых исследованных композиций и известных литейных и гранулированных жаропрочных алюминиевых сплавов.............................................150

5.6. Принципы оптимизации состава и структуры литейных алюминиевых сплавов нового типа на примере сплавов с высоким содержанием

церия.....................................................................................156

Выводы

165

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Алюминиевые сплавы стоят в ряду наиболее широко применяемых в промышленности. Они выигрывают в сравнении с другими промышленными сплавами ( на основе Ре,Т1,М^ и др.) благодаря ценному комплексу механических, физических, коррозионных свойств, высокой технологичности, большим природным ресурсам алюминиевого сырья. Но у этих сплавов есть ряд недостатков, ограничивающих их использование. В частности, жаропрочность существующих литейных и деформируемых алюминиевых сплавов недостаточно высока, поэтому повышение ее уровня с целью расширения производства и применения алюминиевых сплавов является актуальной задачей.

По уровню высокотемпературных свойств жаропрочные литейные алюминиевые сплавы существенно превосходят деформируемые и, в связи с этим, представляют больший интерес для данного исследования.

В существующих литейных алюминиевых сплавах не удается получить сочетания высоких прочностных характеристик при комнатной температуре, жаропрочности и технологичности. Высокопрочные сплавы типа твердых растворов (АЛ 19, АЛЗЗ и др.) обладают невысокими литейными свойствами, а у технологичных силуминов низкие прочность и жаропрочность. Самый жаропрочный литейный сплав АЦР1У является также и высокотехнологичным, но его слабое место - низкие механические свойства при комнатной температуре .

За последние два десятилетия было проведено много исследований по совершенствованию эксплуатационных характеристик алюминиевых сплавов. Качественным скачком в этих исследованиях явились разработки в области порошковой и гранульной металлургии. Это позволило получить высокие прочностные характеристики ( в гранулируемых сплавах на основе системы Al-Zn-Mg-Cu), увеличить значения жаропрочности ( быстроохлажденные сплавы системы Al-Cr-Zr типа 01419). Но использование этих технологий ограничено сложностью получения высоких скоростей охлаждения и высокой стоимостью конечной продукции. Поэтому гранулируемые и порошковые алюминиевые сплавы еще далеки от широкого промышленного применения.

Исходя из сказанного, целесообразно рассмотреть возможность получения принципиально нового класса алюминиевых сплавов, которые по эксплуатационным характеристикам могли бы приблизиться к быстроохлажденным сплавам, а по технологическим характеристикам, не уступать литейным сплавам на базе системы Al-Si (силуминам). Это может быть реализовано в структуре, состоящей из матрицы на основе алюминиевого твердого раствора и равномерно распределенных в ней дисперсных алюминидов ( или других фаз эвтектического происхождения) с объемной долей 15-30% .

Литейные сплавы на основе систем Al-Fe-Ni и Al-Fe-Ce , в которых реализуется двухфазная эвтектическая структура, уже исследовались раньше на кафедре металловедения цветных металлов. Далее целесообразно рассмотреть сплавы на базе тройных эвтектик. В них возможно получить более

тонкодифференцированную эвтектическую структуру с большей объемной долей дисперсных алюминидов по сравнению с двойными

эвтектиками. На данном этапе исследований наиболее подходящими для решения этой задачи представляются сплавы на базе системы А1-Се-№.

Получение сплавов, по структуре и свойствам близких к гранулируемым, методами обычной литейной технологии позволит расширить применение алюминиевых сплавов в ответственных изделиях, за счет снижения их себестоимости по сравнению с быстрозакристаллизованными сплавами.

Цель работы.

Целью работы является установление основных принципов легирования жаропрочных литейных алюминиевых сплавов на базе многофазных эвтектик, управления их структурой и свойствами .на примере зависимостей состав-структура-свойства в сплавах йа основе системы А1-Се-№.

Научная новизна.

1. Построен алюминиевый угол диаграммы состояния А1-Се-№ в области до 20%Се и 10%№, в котором установлено наличие тройной эвтектической реакции Ь-> (А1)+А14Се +А13№ при 12%Се, 5%№ и температуре 627°С.

2. Показано, что тройная эвтектика (А1)+А14Се +А1з№ при скоростях охлаждения, реализуемых в тонкостенных отливках (Укр=20 К/с), имеет в литом состоянии тонкодифференцированную структуру, близкую той,

л

которая характерна для гранул 0^=10 К/с) алюминиевых сплавов с малорастворимыми переходными и редкоземельными металлами (размер дендритных ветвей алюминидов 0,2-0,4 мкм, микротвердость до 1500

-1600 МПа, суммарная объемная доля алюминидов около 25 об.%).

3. Показано, что при сравнительно медленной кристаллизации (Укр= 20К/с) тройная эвтектика (А1)+№А1з+СеА14 существенно дисперснее и тверже по сравнению с двойными эвтектиками (А1)+№А13, (А1)+СеАЦ и (А1)+(8Г).

4. Установлено, что при температурах ниже 400°С не происходит заметного формоизменения эвтектических фаз. При более высоких температурах происходят процессы фрагментации, сфероидизации и коалесценции алюминидов СеА14 и №А13. Оптимальное сочетание твердости, прочности и пластичности соответствует структуре с глобулярными включениями алюминидов размером около 0,5 мкм;

5. Показано, что прочностные свойства, в том числе и при повышенных температурах (350-400°С), в большей степени зависят от общего количества эвтектики и ее дисперсности, чем от суммарной объемной доли алюминидов. Наиболее высокой прочностью и жаропрочностью обладают сплавы вблизи точки тройной эвтектики.

Практическая ценность:

1. Предложены рекомендации по оптимизации состава и структуры жаропрочных литейных алюминиевых сплавов нового поколения.

- несогласно этим рекомендациям, оптимальной представляется структура, в которой глобулярные сложнолегированные частицы эвтектических фаз с объемной долей 20-30 об.% и размером 0,2-0,4 мкм равномерно распределены в алюминиевой матрице, упрочненной термически стабильными вторичными алюминидами. 2. Сравнение экспериментальных композиций с известными литейными алюминиевыми сплавами АЛ30, АЛ19 и АЦр1У при использовании функции желательности показало, что по совокупности различных характеристик первые имеют заметное преимущество. На основании обобщения результатов работы и известных данных сделан прогноз, согласно которому в отливках сплавов нового поколения могут быть получены следующие механические свойства : при 20°С: ав=400-450 МПа, твердость 130-140НВ, не снижаясь после длительных нагревов при 350-400°С ; при 350°С: св=150 МПа , сюо=60 МПа. Реализация этого уровня свойств позволит использовать новые литейные сплавы в ответственных изделиях новой техники вместо гранулируемых алюминиевых сплавов, что позволит получить значительный экономический эффект, связанный с более низкой ценой первых.

ОБЪЕМ РАБОТЫ: Диссертация состоит из 5 глав, содержит 176 страниц машинописного текста, включая 25 таблиц и 55 рисунков.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 .Промышленные жаропрочные литейные и деформируемые алюминиевые сплавы.

1.1.1. Промышленные жаропрочные литейные алюминиевые сплавы.

Наиболее жаропрочными являются сплавы, в которых или уже в литом состоянии имеются сильно разветвленные выделения второй твердой и тугоплавкой фазы, или при нагреве из закаленного твердого раствора выделяются сложные, медленно коагулирующие химические соединения, например, фазы W(AluMgxSiyCuz), CuxNiyAlz и др., образующие тончайшие твердые скелеты выделений внутри зерен или по их границам [1]. Помимо высокой жаропрочности литейные сплавы должны обладать хорошими литейными свойствами ( герметичностью, жидкотекучестью, низкой горячеломкостью и др.). Поэтому легирование этих сплавов должно быть комплексным (добавками, упрочняющими твердый раствор, а также улучшающими литейные свойства).

Основными системами, на основе которых разработаны современные литейные жаропрочные алюминиевые сплавы, являются Al-Cu и Al-Si. Имеются также жаропрочные сплавы на базе системы А1-Се, однако их применение крайне незначительно [2,3,4-14]. Ниже будут рассмотрены структура, фазовый состав и механические свойства некоторых представителей каждой из этих групп. Особое внимание уделено вопросу влияния добавок переходных металлов на их структуру и свойства.

1.1.1.1. Литейные сплавы твердорастворного типа на основе системы

алюминий-медь.

Диаграмма состояния Al-Cu приведена на рис. 1.1. При 548°С в алюминии может растворяться до 5,6% меди, поэтому сплавы этой группы обычно содержат 4-6% меди. Их структура в литом состоянии состоит из зерен алюминиевого твердого раствора, окруженных прослойками эвтектики (а + СиАЬ в двойной системе, и других в сложнолегированных сплавах).

t.ac 600

ноо

zoo

Си, %

Рис. 1.1. Диаграмма состояния Al-Cu [13].

При температуре закалки большая часть фазы СиА12 полностью растворяется в (Al) и, выделяясь при последующем старении, способствует упрочнению. Эти процессы достаточно хорошо изучены [1-4,8,13]. В работах автора [3] исследована кинетика распада алюминиевого твердого раствора двойных алюминиево-медных сплавов (типа AJI7- с 5%Си) и тройных сплавов системы Al-Cu-Mn (типа АЛ 19). Жаропрочность двойных сплавов невысока , так как диффузионные процессы в них протекают очень быстро. Распад алюминиевого твердого раствора начинается уже при комнатной температуре (ЗГП1 могут образовываться даже в процессе закалки). При температурах 200-250°С образование стабильной фазы СиАЬ и ее последующая коагуляция

приводят к резкому снижению прочности [3]. Жаропрочность тройных сплавов системы А1-Си-Мп намного выше, чем двойных алюминиево-медных. Это связано с тем, что:

- в неравновесных условиях в твердом растворе содержится больше марганца, чем указано в равновесной диаграмме состояния (это будет более подробно рассмотрено ниже);

- коэффициент диффузии марганца в алюминии значительно меньше, чем коэффициент диффузии меди, поэтому распад пересыщенного твердого раствора марганца в алюминии идет очень медленно;

- в процессе распада твердого раствора тройного сплава (при нагреве под закалку) образуется сложная фаза А^МщСи, частицы которой медленно формируются и коагулируют;

- так как марганец является переходным элементом, особенности строения его атомов обусловливают понижение коэффициента самодиффузии алюминия и, следовательно, повышение жаропрочности сплавов (особенности строения атомов переходных металлов будут рассмотрены ниже).

Жаропрочный сплав АМ5 (АЛ19), разработанный на базе системы А1-Си-Мп наиболее хорошо известен и широко применяем. В нем также присутствует небольшая добавка титана. Из литературы [3,4] известно, что легирование титаном (0.3%) способствует повышению прочности сплавов этой системы (Тл способствует резкому измельчению зерна твердого раствора, т.к выделения интерметаллического соединения АЬТл являются готовыми центрами кристаллизации твердого раствора). В литом состоянии сплав АЛ 19 содержит фазы: (А1), СиА12, Т(А112СиМп2) и А13Т1 [2]. Фазовый состав сплава после термообработки: а, Т(А112Мп2Си), АЬТл [ 4 ].

Сплав АМ5 применяют для изготовления крупногабаритных отливок и ответственных деталей, работающих в условиях повышенных статических и ударных нагрузок при температурах до 300 °С. К сожалению, из-за больш�