ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Металлургические способы измельчения микроструктуры сплавов. ЮЗ Использование термической обработки для получения ультрамелкозер- и нистой микроструктуры из "Сверхпластичность промышленных сплавов " Повышение пластичности промышленных сплавов путем перевода их в СП состояние во многом сводится к изысканию способов получения УМЗ структуры в металлических материалах. Для этого необходимо разработать такие методы изменения микроструктуры металлов, которые просты и достаточно универсальны, т. е. применимы к широкому кругу металлов и сплавов. В данном случае речь идет не о демонстрационных опытах, обеспечивающих получение УМЗ микроструктуры на лабораторных образцах, а о промышленных методах, позволяющих получать мелкозернистые полуфабрикаты различного ассортимента, которые могут найти широкое применение в промышленности. [c.102] Эти направления дополняют друг друга, но второй путь более перспективен, поскольку подбор материалов для деталей машин и конструкций производят, как правило, исходя из требований к их эксплуатационным характеристикам, а не из возможности реализации в них эффекта СП, хотя этот фактор также надо учитывать. Второй путь обеспечивает более быстрое использование СП в промышленности. Отсюда понятна необходимость разработки легко осуществляемых способов получения СП полуфабрикатов промышленных сплавов. [c.102] Измельчить микроструктуру сплавов при кристаллизации можно несколькими принципиально различными способами. Во-первых, регулированием условий затвердевания с целью повышения числа и скорости зарождения центров кристаллизации. Во-вторых, воздействием на кристаллизующийся сплав УЗ колебаний. В-третьих, легированием расплава специальными элементами-модификаторами. [c.103] Используя перечисленные приемы или их комбинации, можно добиться заметного измельчения микроструктуры слитков практически всех промышленных сплавов. Наряду с измельчением размеров зерен в сплавах удается получить дисперсные и равномерно распределенные продукты, первичной и вторичной кристаллизации, способствующие получению УМЗ структуры при последующей обработке в твердой фазе. [c.103] Рассмотрим возможности каждого из указанных выше способов. Переохлаждение жидкого металла способствует значительному увеличению числа зародышей кристаллизации. Этот способ измельчения микроструктуры эффективно используют в различных технологических операциях получения сплавов. [c.103] Возможности способа иллюстрируют эксперименты с закалкой из жидкого состояния с высокими скоростями охлаждения. При соприкосновении жидкого металла с подложкой, имеющей высокую теплопроводность, скорость охлаждения резко возрастает и достигает 10 °С/с. Используя этот способ, удается измельчить микроструктуру до десятых долей микрометра [133]. Однако способ не нашел широкого применения в силу следующих причин во-первых, размеры получаемого слитка в одном из направлений (толщина) не превышают нескольких десятков микрометров, поэтому трудно ожидать, что такие слитки были бы пригодны для непосредственной обработки их в твердом состоянии во-вторых, в связи с ограничениями перераспределения компонентов при кристаллизации и уменьшением различий в условиях затвердевания по толщине объектов, при закалке из жидкого состояния фиксируются преимущественно однофазные состояния, ультрамелкое зерно в которых не стабильно при нагреве. [c.103] При охлаждении больших объемов жидкого металла сложно обеспечить высокую степень переохлаждения расплава. При малых степенях переохлаждения, как известно, размер зерен в слитках практически не изменяется. В работе [133] показано, что размер зерен чистого никеля мало изменялся до тех пор, пока температура переохлаждения не достигала примерно 175 °С, только в этом случае размер зерен резко уменьшался практически на порядок с 2000 до 200 мкм. Авторы работы [183] наблюдали аналогичные изменения микроструктуры сплавов на основе железа. При температуре переохлаждения около 160 С размер зерен уменьшался до 100 мкм. Обеспечить температуру переохлаждения даже такого уровня равномерно по сечению промышленных слитков не удается. В результате этот способ, как правило, не позволяет получать УМЗ микроструктуру в промышленных сплавах. [c.103] Заметное измельчение микроструктуры слитков больших размеров достигается при использовании УЗ обработки кристаллизующегося жидкого металла [133, 184, 185]. Размер зерен при этом уменьшается у однофазных сплавов в 2—3 раза, а у ряда многофазных сплавов —в 5—10 раз однородность слитка повышается. [c.103] Использование УЗ обработки обеспечивает на практике измельчение зерен в сплавах, но не всегда гарантирует получение микроструктуры с требуемым размером зерен. К тому же использование УЗ облучения требует больших энергозатрат, а продолжение действия ультразвука после окончания процесса затвердевания может вызвать образование трещин в сплаве. Поэтому практически задача измельчения микроструктуры в сплавах может быть решена введением в расплав элементов-модификаторов. Модифицирование — один из наиболее традиционных приемов получения мелкозернистых литых структур и в настоящее время широко используется в промышленности. [c.104] Влияние элементов-модификаторов на кристаллизацию и измельчение микроструктуры исследовано в работах [186—189. [c.104] Суть модифицирования заключается в следующем. При переходе расплава из жидкого состояния Б твердое необходимо, чтобы между жидкой и твердой фазами образовалась поверхность раздела, что связано с затратой энергии. Уменьшить величину энергетического барьера, а следовательно, увеличить скорость зарождения центров кристаллизации можно за счет создания готовых поверхностей раздела в расплаве, а также уменьшения поверхностной энергии зародыша. То и другое можно регулировать путем введения в расплав элементов-модификаторов. Критический размер зародыша в процессе гетерогенного зарождения (в присутствии элементов-модификаторов) может быть меньшим, чем при гомогенном (без модификаторов), так как слишком мелкие зародыши кристаллизации при гомогенном зарождении не способны к росту, а в присутствии модификаторов размер критического зародыша практически может определяться размерами модифицирующих частиц. [c.104] Необходимыми признаками хорошего модификатора, обеспечивающего создание готовых поверхностей раздела, являются структурное и размерное соответствие между ними и кристаллизующейся фазой. Вместе с тем разница между плотностью модификатора и жидкой фазы должка быть как можно меньшей, иначе может происходить его всплывание или осаждение, т, е. неравномерное распределение в сплаве. [c.104] Рассмотрим возможности использования модифицирования для измельчения микроструктуры на примере конкретных промышленных сплавов. [c.104] При гетерогенном зарождении модифицирующие частицы, окруженные жидкой фазой, служат центрами кристаллизации, на которых и начинает зарождаться кристаллизующаяся фаза. Типичным примером могут служить добавки титана и бора или их соединений с алюминием. Эти добавки, взаимодействуя с расплавленным алюминием, образуют модифицирующие интерметаллические соединения TiAlg и AIB2, которые способствуют эффективному измельчению зерен алюминия. [c.104] В сплавах системы А1—Si для предотвращения роста игольчатых кристаллов кремния в расплав вводят добавки серы и фосфора. Эти элементы, адсорбируясь на межфазных границах и уменьшая поверхностную энергию, способствуют образованию мелкозернистой структуры с зернайи микронных размеров [193, 194 . [c.105] Наибольший эффект измельчения зерен слитков достигается при сочетании УЗ обработки и модифицирования. В работе [195] приведены результаты УЗ обработки при непрерывном литье слитков цинковых сплавов марки ЦО, модифицированных алюминием, и марки ЦМП, модифицированных алюминием и магнием. Оказалось, что степень измельчения зерен за счет комплексного воздействия УЗ обработки и модифицирования достаточно велика. В слитках ЦО при УЗ обработке зерно измельчается в 10—15 раз (с 1000 до 50—100 мкм), в слитках сплава ЦМП — в 5 раз (с 250 до 50—40 мкм). [c.105] В работе [185] представлены результаты изменения размеров зерен и дендритных ячеек в слитках при УЗ обработке кристаллизующихся алюминиевых сплавов 1960, Д20-1, Д16, модифицированных добавками, % (ат.) 0,15 Zr 0,18Zr- -0,lTi+0,lV 0,18Zr-b0,lTi соответственно. Размер почти равноосных зерен сформированной в этих условиях структуры составлял в среднем 20—70 мкм в зависимости от диаметра слитка, в то время как без обработки ультразвуком наблюдалась веерная дендритная структура с размером зерен 300—2000 мкм. [c.105] Рассмотренные выше данные показывают, что, регулируя условия кристаллизации, можно заметно измельчить микроструктуру слитков, однако,получить УМЗ микроструктуру в промышленных сплавах, как правило, не удается. Тем не менее измельчение микроструктуры при кристаллизации важно для получения УМЗ структуры при последующей обработке в твердой фазе. Об этом свидетельствуют результаты работ [185, 195]. [c.105] На примере сплава А1—0,5 % Zr также показано, что УМЗ микроструктуру ( =3-Ь5 мкм) можно получить после предварительной обработки экструзией при рекристаллизационном отжиге слитков с исходным размером зерен 100. мкм, но не удается получить УМЗ микроструктуру при такой же обработке слитка с с/=3000 мкм. Аналогичные данные получены и на других материалах. [c.105] Вернуться к основной статье