Аменова А.А., Смагулов Д.У., Достаева А.М.

РГП «Казахский национальный технический университете им. К.И. Сатпаева», Алматы, Казахстан

Оптимизация состава новых промышленных экономнолегированных термостойких сплавов алюминия

Большинство промышленных алюминиевых сплавов являются многокомпонентными и многофазными, поэтому для их анализа требуется наличие соответствующих фазовых диаграмм, как минимум трех- и четырехкомпонентных систем (а часто и более сложных) [1].

В настоящее время в массовом производстве изделий из алюминиевых сплавов остро стоит проблема снижения стоимости конечной продукции, что делает актуальным в области металловедения повышение качества используемых на практике промышленных сплавов и разработка новых экономнолегированных алюминиевых сплавов. При этом новые сплавы, как минимум, не должны уступать по основным характеристикам существующим аналогам. Повышение их качества и снижение стоимости может быть достигнуто за счет следующих факторов: минимизация или полное устранение дорогостоящих легирующих элементов; повышение допустимого уровня примесей; упрощение технологического процесса (в частности, термообработки). Очевидно, что для научно обоснованного выбора концентраций легирующих компонентов, примесей и режимов термической обработки новых сплавов требуется достаточно подробное исследование их фазового состава, структуры и свойств.

Однако следует отметить, что экспериментальное построение (ФД) многокомпонентных металлических систем является очень трудоемкой работой. Для их анализа требуются расчетные методики и современные специализированные программные продукты.

Целью настоящей работы является исследование фазовых равновесий в системе Al–Cu–Mn–Zr и оптимизация составов новых жаропрочных алюминиевых сплавов. С ускоренным развитием всех отраслей промышленного производства Республики Казахстан, особенно, машиностроения, нефтегазовой отрасли, металлургической промышленности потребность в алюминиевых сплавах в ближайшем будущем будет резко возрастать.

Наиболее перспективным направлением в области создания легких, надежных и долговечных деталей арматуростроения является применение жаропрочных алюминиевых сплавов нового поколения и специальных защитных покрытий. Среди стандартных алюминиевых сплавов наиболее высокими характеристиками жаропрочности обладают сплавы на базе системы Al–Cu: литейные типа АМ5 (ГОСТ 1583-93) и деформируемые типа 1201, Д16, АК4-1 (ГОСТ 4784-97). Однако их рабочие температуры не превышают 200-250°С, и повысить этот уровень в рамках традиционного легирования представляется сложной задачей.

В качестве альтернативы промышленным сплавам типа 1201 и быстро закристаллизованным типа 01419 в работах [2-8] была предложена принципиально новая группа экономнолегированных термостойких алюминиевых сплавов (далее АЛТЭК).

Основными легирующими компонентами в сплавах группы АЛТЭК (также как и промышленных типа 1201), являются медь, марганец и цирконий. В данной работе был проведен анализ четверной системы Al–Cu–Mn–Zr с использованием современной программы расчета фазовых диаграмм Thermo – Calc, для обоснованного выбора концентраций легирующих компонентов и режимов термической обработки.

Результаты исследований. В работе использованы методы термодинамического расчета с использованием современного програмного продукта Thermo-Calc, экспериментальные методы сканирующей электронной микроскопии и количественной оценки фазового состава и структуры сплавов.

Анализ составов сплавов типа 1201 и АЛТЭК (таблица 1) показывает, что первые имеет существенно более высокую концентрацию меди, но меньшие концентрации марганца и циркония. Это различие в содержании легирующих компонентов и определяет ключевую разницу между этими группами, что рассматривается ниже.

Учитывая, что первичные кристаллы интерметаллидов, которые в общем случае нежелательны, образуются при сравнительно небольших концентрациях переходных металлов, на первом этапе рассчитывали (с использованием базы данных TTAL5) границы ликвидуса для тройной системы Al–Cu–Mn. Из рисунка 1а следует, что с увеличением в сплаве содержания меди граница появления первичных кристаллов Mn-содержащих фаз (Al₂₀Cu₂Mn₃ и Al₆Mn) сдвигается в сторону меньших концентрации марганца. Этот результат является первым доводом в пользу мало медистых сплавов АЛТЭК по сравнению со сплавами типа 1201, содержащими более 6%Cu. Расчет границ солидуса также показывает, что с повышением содержания меди однофазная область (Al) сильно сужается по марганцу: от 1,4%Mn в двойной системе до 0,2%Mn при 5,7%Cu (рисунок 1б).

а б

Рисунок 1. Границы поверхностей ликвидуса (а) и солидуса в области алюминиевого угла (б) в системе Al–Cu–Mn

Добавка циркония в двойные сплавы, как известно, приводит к образованию фазы Al₃Zr [1]. Хотя в литературе нет данных по строению диаграммы Al–Cu–Mn–Zr, распределение фазовых областей в алюминиевом углу этой четверной системы в твердом состоянии можно спрогнозировать, опираясь на имеющуюся информацию. Четверные сплавы в зависимости от соотношения между компонентами могут быть иметь следующий фазовый состав: (Al)+Al₆Mn+Al₃Zr (I);(Al)+Al₆Mn+Al₂₀Cu₂Mn₃+Al₃Zr (II):(Al)+Al₂₀Cu₂Mn₃+Al₃Zr (III)_; (Al) +Al₂₀Cu₂Mn₃+Al₂Cu+Al₃Zr (IV). Оптимальной, как это показано в [2], является область III.

Таблица 1 – Cостав некоторых деформируемых сплавов на основе системы Al-Cu-Mn-Zr

Марка	Cu, %	Mn, %	Zr, %	Другие
1201^2	5,8–6,8	0,2–0,4	0,1–0,25	Ti, V
Д20^1	6,0–7,0	0,4–0,8	0,2	Ti
АА 2219^3	5,8–6,8	0,2–0,4	0,1–0,25	Ti, V
АЛТЭК^4	1,2–2,4	1,2–2,2	0,15–0,6	Sc, V

¹ОСТ , ²ГОСТ 4784-97, ³спецификация Алюминиевой Ассоциации (США), ⁴ пат.РФ № 2252975 (публ. 27.05.2005, бюл.№15)

Известно, что цирконий сильно повышает температуру ликвидуса в двойных сплавах. Расчет показывает, что наличие меди и магния мало сказывается на степени этого повышения, что демонстрируют политермические разрезы, показанные на рисунке 2, а также данные, приведенные в таблице 2.

Температуры ликвидуса (T_L) и солидуса (T_S) являются одними из наиболее важных характеристик любого сплава. С помощью этих температур определяют режимы термической обработки, температуры плавки и литья сплавов. Результаты расчета значений T_L и T_S для некоторых сплавов системы Al–Cu–Mn–Zr приведены в таблице 2, из которого следует, что медь не сильно влияет на T_L, но заметно снижает T_S. С другой стороны, добавка уже 0,4%Zr поднимает ликвидус выше 800 °C.

а б

Рисунок 2. Политермические разрезы системы Al–Cu–Mn–Zr при переменном содержании циркония: а) 2%Cu и 1,5%Mn; б) 6,5%Cu и 0,5%Mn

Таблица 2 – Параметры кристаллизации характерных сплавов системы Al–Cu–Mn–Zr

Cu, %	tL, °C	tS, °C	Фазы
2	730	628	(Al) +Al20 +Al6 +Al3Zr
5	731	576	(Al) +Al20 +Al3Zr

Рисунок 3. Изотермический разрез системы Al–Cu–Mn–Zr при 0,4%Zr и 300⁰С: расчет для метастабильной фазы Al₃Zr (L1₂)

Из разреза при 0,4%Zr и 300 ⁰С (рисунок 3) видна последовательность изменения фазовых областей с повышением отношения Cu:Mn.

На рисунке 4 представлены политермические разрезы при переменных содержаниях марганца и меди. Видно, что уменьшение концентрации меди с 2 до 1% уменьшает вероятность образования фазы Al₂Cu.

а б

Рисунок 4. Политермические разрезы системы Al–Cu–Mn–Zr при 0,4%Zr и переменном содержании марганца: а) 2%Cu; б) 1%Cu: расчет для метастабильной фазы Al₃Zr (L1₂)

Как видно из таблицы 2 небольшая добавка меди почти не влияет на характер кристаллизации сплава. В неравновесных условиях кристаллизации растворимость марганца в алюминии возрастает, а образование тройного соединения подавляется. Поэтому в таких сплавах вместе с (Al) сосуществуют фазы Al₂Cu и Al₆Mn. После образования первичных кристаллов (Al), происходит выделение фаз Al₂Cu и Al₂₀Cu₂Mn₃ по следующей реакции: L®(Al)+Al₂C+Al₂₀Cu₂Mn₃ при температуре 547 °С. С дальнейшим увеличением концентрации меди существенных изменений не наблюдается.

Количественная информация по фазовому составу характерных сплавов при 350 и 540 ⁰С приведена в таблице 3.

Таблица 3 – Фазовый состав сплава Al – Cu – Mn – Zr при 350 и 540°С, рассчитанный по программе Thermo-Calc

Фаза	% массовый	% объемный	Содержание компонентов, %
			Al	Cu	Mn	Zr
t = 350 °C
(Al)	85,74	88,72	99,1	0,86	0,02	0,008
Al20	11,53	8,95	64,89	15,28	19,82	0
Al2Сu	2,70	2,3	46,36	53,63	0	0
Al3Zr	0,04	0,02	47,01	0	0	52,98
Сплав	100	100	Осн.
t = 540 °C
(Al)	88,11	90,81	96,78	2,85	0,26	0,09
Al20	11,85	9,16	64,89	15,28	19,82	0
Al3Zr	0,04	0,03	47,01	0	0	52,98
Сплав	100	100	Осн.

Выводы.

С использованием программы Thermo-Calc построены ряд политермических и изотермических разрезов фазовой диаграммы системы Al–Cu–Mn–Zr в интервале составов сплавов: 2¸5%Cu, 1¸3%Mn, 0,4¸0,6%Zr, ост. Al. Проведен анализ фазового состава сплавов, определены оптимальные содержания легирующих элементов. Предложены оптимальные составы новых промышленных сплавов типа АЛТЭК.

Определены области концентраций и температур, при которых может быть достигнуто максимальное количество дисперсоидов Al₂₀Cu₂Mn₃, Al₃Zr, Al₆Mn и минимальное количество фазы Al₂Cu, которое соответствует наилучшей жаропрочности сплавов.

Показано, что цирконий резко повышает температуру ликвидуса сплавов вне зависимости от концентраций меди и марганца. Сплавы типа АЛТЭК необходимо выплавлять при существенно более высоких температурах по сравнению с промышленными сплавами.

Приведены оптимальные составы новых алюминиевых сплавов, которые предназначены для получения фасонных отливок и деформированных полуфабрикатов на имеющемся оборудовании. Приведены основные преимущества новых сплавов перед марочными по совокупности эксплуатационных и технологических показателей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов.- М.: Металлургия (1979).

2. Белов Н.А. Фазовый состав алюминиевых сплавов: Научное издание. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. – 392 с.

3. Н.А. Белов, А.Н. Алабин. Перспективные алюминиевые сплавы с добавками циркония и скандия. Цветные металлы, 2007, №2, С.99-106.

4. Amenova A.A., Toleuova A.R., Smagulov D.U. Prospecting aluminum alloys with zirconium and scandium additives. Scientific magazine “Nauka and studia”. №12 (43), 2011, ISSN 1561 – 6894, Poland. Section: Technical science.86-92p.

5. Amenova A.A., Toleuova A.R., Smagulov D.U. On the calculation and representation of multicomponent systems. Scientific magazine “Nauka and studia”. December 2011, ISBN 978-966-8736-05-6, Poland, Przemysl.

6. Белов Н.А., Алабин А.Н., Смагулов Д.У., Толеуова А.Р. Perspective aluminum alloys with increased high-temperature strength for valve industry as a possible alternative to steels and cast irons. Материалы III Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии, материалы и оборудование в литейном производстве», 12-16 сентября 2011г., Украина, Краматорск, стр. 188-190.

7. Белов Н.А., Алабин А.Н., Толеуова А.Р. Comparative analysis of alloying additives as applied to the production of heat resistant aluminum base wires Metal Science and Heat Treatment, Vol. 53, Nos. 9 – 10, January, 2012, Impact – factor 0,2, стр. 455 – 459.

8. Аменова А.А., Толеуова А.Р., Белов Н.А., Смагулов Д.У. Расчет изотермических разрезов фазовой диаграммы системы Al–Cu–Mn–Zr–Fe–Si. "Известие НАН РК". №6 (434), 2011. Раздел: Методика и технология. г.Алматы. Стр.82-85.