Предварительная термообработка слитков » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Предварительная термообработка слитков

15.06.2021

Эта термическая операция применяется к слиткам до горячего деформирования и известна как предварительная термообработка слитка или гомогенизация. Гомогенизация преследует одну или несколько целей в зависимости от сплава, вида полуфабриката и способа его изготовления. Одной из основных задач гомогенизации является улучшение деформационной способности материала. Как отмечалось ранее, микроструктура большинства сплавов в литом состоянии очень гетерогенна. Это справедливо для сплавов, образующих твердые растворы в равновесных условиях, и даже для сравнительно малолегированных сплавов. При неравновесной кристаллизации в микроструктуре слитка образуются дендриты, в которых содержание растворенного вещества постепенно увеличивается от центра к краям, а частицы второй фазы или эвтектика располагаются в междендритных прослойках.

Из-за сравнительно низкой пластичности межзеренных и междендритных прослоек второй фазы литые материалы обычно плохо деформируются. Режимы гомогенизации, используемой для повышения пластичности, были установлены в основном эмпирически в соответствии с результатами металлографического анализа (световая микроскопия) с целью определения времени выдержки и температуры, необходимых для сведения к минимуму внутридендритной ликвации и растворения частиц второй фазы. В последние годы разработаны методы количественного определения степени микронеоднородности в литых структурах и скоростей растворения и гомогенизации. На рис. 5.9 показана гетерогенность по сечению одной дендритной ячейки в литом состоянии и после гомогенизации, определенная рентгеноспектральным методом. Вследствие того что условия кристаллизации при быстром охлаждении очень отличаются от равновесных, максимальная микронеоднородность имеет место по сечению ветвей дендритов, а размеры дендритных ячеек сравнительно невелики. Однако в типичных промышленных слитках ситуация осложняется, крупные дендритные ячейки в большей степени неоднородны, чем мелкие, поскольку для осуществления диффузии каждый атом должен пройти большее расстояние и, следовательно, материал с крупными ячейками труднее поддается гомогенизации. Например, исследования рентгеноспектральным методом слитков сплава Al — 2,5 % Mg, полученных способом направленной кристаллизации, показали, что степень неоднородности больше в медленно закристаллизовавшемся материале с более грубой структурой и что достижение однородности распределения легирующего элемента при нагреве при 425°С происходит быстрее в более мелкозернистом материале, как это показано на рис. 5.10.

Растворение при гомогенизации интерметаллических фаз, располагающихся в междендритных участках, представляет собой лишь одну ступень на пути получения максимальной пластичности. Из-за того что после гомогенизации большая часть легирующего элемента находится в твердом растворе, дальнейшее разупрочнение и улучшение технологичности может быть достигнуто посредством медленного охлаждения с тем, чтобы вновь выделить легирующий элемент в составе крупных частиц по границам дендритов.

В сплавах Al-Mg-Si перераспределение магния и кремния происходит очень быстро, примерно за 30 мин при 585°С. Однако увеличение длительности гомогенизации позволяет повысить скорость прессования и улучшить качество поверхности прессованных полуфабрикатов. Это объясняется сфероидизацией почти нерастворимых, обогащенных железом фаз; чем меньше растворимость и скорость диффузии элементов в сплаве, тем ниже скорость сфероидизации. Вторичные эффекты достигаются также при выделении переходных элементов из твердого раствора при перитектических превращениях, которые не смогли полностью пройти при кристаллизации.

Ликвация таких элементов, как хром и цирконий, которые выделяются в результате перитектической реакции при кристаллизации, происходит таким образом, что первая порция закристаллизовавшегося дендрита содержит больше хрома и циркония, чем последующие. Следовательно, концентрация их максимальна в центре дендрита и постепенно уменьшается к краям. Твердые растворы этих элементов и марганца, образованные в процессе быстрого затвердевания, являются пересыщенными. Полагают, что это - результат относительно низких скоростей диффузии элементов в твердом состоянии.

Целью предварительной термообработки слитков некоторых сплавов, содержащих указанные элементы, является распад твердого раствора с образованием частиц таких равновесных фаз, как Al20Cu2Mn3 и Al12Mg2Cr, размерами от 10 до 100 нм. Эти выделения, образующиеся при высоких температурах, часто называют дисперсоидами. Они появляются в исходных дендритах и их распределение, по существу, такое же, какое устанавливается в процессе затвердевания, так как скорости диффузии слишком низки для того, чтобы могло произойти сколь-нибудь заметное перераспределение. В сплавах Al-Mg-Mn предварительная термообработка слитков увеличивает гетерогенность распределения марганца из-за образования выделений марганцовистых дисперсоидов, локализующихся вблизи ветвей дендритов. Неоднородность распределения сохраняется в некоторых деформированных полуфабрикатах, что приводит к образованию полосчатой структуры. Предварительный нагрев слитков ряда сплавов, содержащих марганец, например сплава 3003, предназначен для того, чтобы вызвать выделение в контролируемых условиях. Это снижает температуру рекристаллизации и способствует получению полуфабрикатов с мелким рекристаллизованным зерном после последующей обработки и окончательного отжига.

Равновесное - неравновесное оплавление. При предварительном нагреве слитков необходимо учитывать некоторые ограничения, которые обусловлены фазовой диаграммой; это показано на рис. 5.11. Te же самые принципы применимы к более сложным системам, различие может быть в деталях из-за того, что разные фазы имеют различные температуры сольвуса, а эвтектика может быть не точкой, а иметь форму желоба.

Сплавы разных составов на диаграмме рис. 5.11 представляют разные типы промышленных сплавов. В сплаве состава X содержание легирующих элементов не превышает максимальную растворимость. Это типично для сравнительно низколегированных сплавов, таких как 2117, 6063 и 7029, и справедливо также для сплавов 7075 и 6061. При беглом рассмотрении фазовой диаграммы можно считать, что температурный интервал предварительного нагрева слитков может располагаться где-то между температурами сольвуса и солидуса. Однако во избежание вероятности неравновесной плавки (что будет пояснено ниже) либо верхняя граница температурного интервала нагрева должна быть ниже температуры эвтектики, либо длительность нагрева при температуре ниже эвтектической должна быть достаточной для того, чтобы обеспечивалось полное растворение элементов, составляющих эвтектику. В сплаве состава У избыток растворимой фазы всегда остается нерастворенным. Во избежание оплавления верхняя граница интервала температур предварительного нагрева должна быть ниже равновесной эвтектической температуры. Этот случай типичен для сплавов 2219, 2011 и 7178. Такие сплавы, как 2024, могут соответствовать либо сплаву X, либо У в зависимости от содержания и соотношения легирующих элементов и примесей.

Начальная стадия оплавления (образования жидкой фазы) может происходить либо в равновесных, либо в неравновесных условиях. Ясно, что в сплаве У на рис. 5.11 оплавление имеет место при температуре, равной или выше эвтектической. Однако вовсе не очевидно, что то же самое будет происходить в сплаве X, температура равновесного солидуса которого выше, чем у сплава У. Сплав X в литом состоянии содержит неравновесную эвтектику. Если повторный нагрев до температуры эвтектики производится с такой высокой скоростью, что растворимые интерметаллические соединения не могут раствориться, эвтектика оплавляется. Выдержка таких сплавов, как сплав X, в течение достаточного времени в интервале между температурами эвтектики и истинного солидуса приводит к исчезновению жидкой фазы, так как растворимые элементы переходят в раствор. Если содержание водорода в сплаве выше некоторого критического уровня, растворение элементов в жидкой фазе сопровождается образованием микропористости в местах расположения эвтектики. В высококачественном слитке размер этих микропор меньше, чем усадочная пористость. Рассмотренные выше закономерности применимы в равной мере к термически неупрочняемым и упрочняемым сплавам.

Реальная опасность перегрева имеет место в любом случае, когда в результате перегрева образуются такие дефекты микроструктуры, которые не могут быть исправлены при последующей обработке. Ими являются поры, ликвация, пузыри, трещины и сильное окисление поверхности. Розетки (скопления оплавленного металла сферической формы), возникающие при кристаллизации эвтектики во время охлаждения после перегрева, очень хрупки и имеют высокую твердость. Их можно обнаружить в тонком листе, изготовленном из перегретого слитка большой толщины, несмотря на ряд термомеханических обработок, использованных при изготовлении листа.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: