Содержание к диссертации
Введение
1.Обзор литературы 9
1.1. Производство катанки из проводниковых алюминиевых сплавов 9
1.1.1. Технология и оборудование ВНИИМЕТМАШ 10
1.1.2. Технология и оборудование Continuus-Properzi 14
1.1.3. Технология и оборудование «Саутвайер» 16
1.2. Обзор производства катанки на примере Иркутского алюминиевого завода («ИркАЗ») 17
1.2.1. Приемка шихтовых материалов 17
1.2.2. Приготовление расплава 18
1.2.3. Подготовка оборудования к работе 21
1.2.4. Литье и прокатка 22
1.3. Алюминий и сплавы, используемые в изделиях электротехнического назначения 25
1.3.1. Марки первичного алюминия и сплавов для электротехнического применения 25
1.3.2. Проводниковые сплавы для высокотемпературного применения 27
1.3.3. Сравнительный анализ термостойких сплавов систем А1-РЗМ и А1-Zr 29
1.4. Особенности влияния циркония на структуру и упрочнение алюминия 1.4.1. Фазовая диаграмма системы Al-Zr 31
1.4.2. Влияние циркония на структуру и упрочнение алюминиевых сплавов 32
1.4.3. Особенности совместного легирования алюминиевых сплавов цирконием и кремнием 36
Выводы по обзору литературы 38
2. Материал и методики 40
2.1.Объекты исследования 40
2.2. Методики исследования 42
2.2.1. Анализ химического состава
2.2.2. Измерение удельного электросопротивления 42
2.2.3. Методика структурных исследований 43
2.2.4. Определение коэффициента термического расширения 46
2.2.5.Определение механических свойств 46
2.2.6. Расчет фазового состава 48
2.2.7. Определение водорода 48
3. Особенности плавки и литья алюминиевых сплавов с добавкой циркония 49
3.1. Обоснование концентрации циркония и температуры расплава 49
3.2. Особенности введения циркония в алюминиевый расплав 56
3.3. Влияние температуры нагрева на структуру, твердость и электропроводность литой заготовки 60
Выводы по главе 3 68
4. Влияние деформационно-термической обработки и дополнительного легирования на свойства Al-Zr сплавов 70
4.1. Влияние режима термообработки на электросопротивление, временное сопротивление разрыву и термостойкость холоднокатаных листов сплавов системы Al-Zr-Fe-Si 70
4.2. Влияние режима термообработки на электросопротивление, временное сопротивление разрыву и термостойкость проволоки сплавов системы Al-Zr-Fe-Si 74
4.3. Совместное влияние циркония и кремния на электросопротивление и упрочнение низколегированных алюминиевых сплавов 81
5. Оптимизация состава и технологических параметров для обеспечения наилучшего соотношения между прочностью, электросопротивлением и термостойкостью 90
5.1. Анализ формирования структуры катанки из Al-Zr сплава 90
5.2. Влияние степени деформации на изменение удельного электрического сопротивления при ступенчатой термической обработке 94
5.3. Моделирование получения катанки Al-Zr сплавов в лабораторных условиях 95
5.4. Моделирование длительного прогрева катанки в лабораторных условиях 99
5.5. Обоснование контроля технологических и структурных параметров для достижения заданных свойств 102
Выводы по главе 5 104
6. Опытно-промышленное опробование технологии получения катанки сплава Al-Zr способом непрерывного литья и прокатки в условиях завода «ИркАЗ» 105
6.1. Приготовление расплава и получение катанки 105
6.2. Оптимизация режима термообработки 116
Выводы по главе 6 125
Основные выводы по работе 127
Список литературы
- Алюминий и сплавы, используемые в изделиях электротехнического назначения
- Методика структурных исследований
- Влияние температуры нагрева на структуру, твердость и электропроводность литой заготовки
- Совместное влияние циркония и кремния на электросопротивление и упрочнение низколегированных алюминиевых сплавов
Введение к работе
Актуальность работы
Одной из важнейших областей применения алюминия является его использование для проводов воздушных линий электропередач (ЛЭП). По данным на 2013 г. объем производства катанки из первичного алюминия (в частности, марок типа А5Е, А7Е) в РФ составляет около 250 тыс. тонн в год. Основная часть катанки идет на производство неизолированных проводов ЛЭП.
Одной из задач модернизации существующей электроэнергетической сетевой инфраструктуры является применение новых термически стабильных материалов, которые должны сочетать высокую электропроводность и достаточную прочность, сохраняющуюся после многократных нагревов вплоть до 240 0С. Поскольку при таких температурах нелегированный алюминий сильно разупрочняется, то марки типа А5Е и А7Е для термостойких проводов не подходят. Для решения этой проблемы наиболее перспективным направлением является создание низколегированных алюминиевых сплавов с добавкой циркония. Ряд широко известных зарубежных компаний – производителей проводов, таких как: Lamifil (Бельгия), 3М (США), J-Power Systems (Япония) и другие, ведут разработки в области создания термостойких (“heat resistant”) проводов, в которых используется проволока именно из алюминиево-циркониевых сплавов. Назначение малой добавки циркония (0,1– 0,4 масс.%) состоит в том, чтобы сформировать в конечной структуре наночастицы фазы Al3Zr (L12), которые позволяют резко повысить температуру рекристаллизации.
Исходной заготовкой для алюминиевой проволоки, из которой делают провода, является катанка, которую, как правило, получают способом непрерывного литья и прокатки (СНЛП), в частности на установках типа Properzi и Southwire. Достижение требуемых характеристик на Al–Zr проволоке (прежде всего удельного электрического сопротивления (УЭС) и прочностных характеристик) определяется заданной микроструктурой катанки, формирование которой происходит при обеспечении заданных режимов плавки и литья, а также режимов деформационно-термической обработки. Именно эти режимы определяют конечный уровень механических и физических характеристик катанки и полученной из неё проволоки. Оптимизация этих режимов является непростой задачей, что обусловлено сложностью процесса СНЛП, существенно отличающегося от традиционных способов, в которых литье слитков и последующая их деформационная обработка разделены.
Цель работы
Целью работы является создание научных основ технологии получения алюминиевой катанки с добавкой циркония способом непрерывного литья и прокатки для последующего производства проволоки, обеспечивающей заданный комплекс механической прочности, электросопротивления и
термостойкости за счет формирования в их структуре наночастиц фазы Al3Zr
(L12).
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Изучить влияние режимов приготовления расплава в плавильной печи, при которых достигается полное растворение циркония, и режимов литья, обеспечивающих отсутствие первичных кристаллов фазы Al3Zr.
-
С использованием расчетных и экспериментальных методов исследовать распад пересыщенного цирконием алюминиевого твердого раствора ((Al)) с выделением вторичных частиц фазы Al3Zr в процессе охлаждения после окончания кристаллизации и последующей деформационно-термической обработки.
-
Применительно к промышленным условиям завода ОК РУСАЛ обосновать режимы получения катанки и ее термообработки для последующего изготовления термостойкой проволоки, отвечающей требованиям марок АТ1 и АТ3 (в соответствии со стандартом IEC 62004).
Научная новизна
-
С использованием расчетных и экспериментальных методов обоснованы технологические параметры производства алюминиевой катанки с добавкой циркония свыше 0,2% способом непрерывного литья и прокатки. Показано, что температура расплава на колесе-кристаллизаторе должна составлять не менее 720 0С при 0,2%Zr и не менее 760 0С при 0,3%Zr.
-
Изучена кинетика усвоения расплавом циркония из различных лигатур. Показано, что в отсутствии перемешивания для растворения 0,3%Zr из табле-тированной лигатуры (80%Zr) требуется более 2-х часов, а для растворения из литой лигатуры Al–15%Zr достаточно 1 часа.
-
Показано, что достижение минимального уровня УЭС на Al–Zr катанке за время выдержки не более 10 часов можно добиться только за счет ее отжига по многоступенчатому режиму при температуре последней ступени в интервале 400–450 0С. При 350 0С требуется выдержка более 500 часов, а при температурах отжига свыше 450 0С происходит снижение прочности ниже допустимого уровня.
-
Установлено, что кремний, который в алюминии электротехнических марок (А5Е, А7Е) рассматривается как вредная примесь, при наличии добавки циркония может быть полезным элементом, который позволяет уменьшить время отжига за счет ускорения выделения фазы Al3Zr из алюминиевого твердого раствора.
Практическая значимость
1.Разработаны технологические рекомендации на получение
алюминиевой катанки с добавкой циркония (согласно требованиям, предъявляемым к маркам АТ1 и АТ3 в соответствии с международным стандартом IEC 62004) способом непрерывного литья и прокатки, в том числе
применительно к условиям алюминиевого завода ОАО «ИркАЗ-СУАЛ» (ОК РУСАЛ).
2. Разработаны технологические рекомендации по термической обработке алюминиевой катанки с добавкой циркония в промышленных печах.
Апробация работы
Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: 142-й международной конференции и выставке
«The Minerals, Metals & Materials Society» (TMS), 2-7 марта 2013 г., Сан-Антонио (Техас), США; 5-й международном конгрессе и выставке «Цветные Металлы - 2013», 4-6 сентября 2013 г., Красноярск; 7-й международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии», 11-15 ноября 2013 г., Москва, НИТУ «МИСиС».
Результаты работы отражены в 6 публикациях (в том числе 4 входящих в перечень ВАК).
Достоверность научных результатов
Достоверность научных результатов подтверждается использованием современных методик исследования и поверенных измерительных установок и приборов (оптико-эмиссионный спектрометр марки ARL 4460, универсальная испытательная машина Zwick Z250, прибор по определению удельной электрической проводимости ВЭ-26НП и др.)
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографического списка из 105 источников и 1 приложения. Работа изложена на 149 страницах, содержит 39 таблиц и 60 рисунков.
Алюминий и сплавы, используемые в изделиях электротехнического назначения
Мировым лидером по разработке и производству линий непрерывного литья и проката цветных металлов (CCR-линий) является итальянская компания Continuus-Properzi. Ее основателем является Иларио Проперци, который в 1947 г. оформил патент на технологию непрерывного литья и проката для изготовления прутков-заготовок для производства проволоки из цветных металлов [6]. Процесс получения такого прутка (катанки) заключается в том, что жидкий металл прямо из плавильной печи направляется в кристаллизатор, выполненный по радиусу с закрытым калибром, из которого затвердевший металл поступает в непрерывный прокатный стан, а затем готовый продукт сматывается в бухты.
Когда эта технология достаточно усовершенствовалась, «процесс Проперци» взяли на вооружение многие производители. В течение 10 лет было налажено промышленное производство медных прутков-заготовок. В дальнейшем, благодаря технологическому развитию, стало возможным изготовление методом непрерывного литья и проката прутков из алюминия и алюминиевых сплавов. К сегодняшнему дню в разных странах сданы в эксплуатацию свыше 400 CCR-линий различной производительности, при этом более 85% алюминиевой катанки в мире производится на оборудовании Continuus-Properzi. С середины 1960-х годов стратегическое значение для компании Continuus-Properzi имеет российский рынок. Компания успешно работает с российскими фирмами, как в области продаж, так и в плане технического сотрудничества. Суть метода непрерывного литья Проперци заключается в следующем. Разливочный аппарат оборудован литейным колесом диаметром от 1,4 до 3,2 м в зависимости от требующейся производительности. Литейное колесо имеет медный обод с полостью, размер которой совпадает с размером литого изделия. Полость закрывается стальной лентой. Лента циркулирует по мере вращения литейного колеса и может натягиваться при помощи отклоняющего ролика. Расплавленный металл может поступать в полость горизонтально или вертикально с помощью специального сопла. Если в линии установлен прокатный стан, то литейное колесо обычно работает по принципу вертикальной заливки.
После охлаждения и затвердевания металл в виде прутка направляется к правильному устройству через экстрактор и тянущиеся ролики. После выпрямления пруток проходит через вращающиеся ножницы, которые используются для его деления на равные куски, которые поставляются к автоматическому укладчику. Этот способ может быть использован для литья чушек в виде прутков. Его преимущество состоит в том, что литая поверхность остается очень чистой, ровной, свободной от поверхностных оксидов и усадочных раковин.
Что касается конструктивного оформления литейной машины, у разных производителей оно может быть различным. В частности, фирма «Проперци» использует двухколесные литейные машины, в которых плоскость литейного колеса повернута на 7-8 относительно оси прокатки, что требует такого же разворота заготовки после ее выхода из кристаллизатора; подобные литейные машины имеют и отечественные литейно-прокатные агрегаты.
Традиционный метод Проперци применяется в кабельной промышленности для производства проволоки разного размера. В этом случае пруток не режется, а направляется в прокатный стан. Литой пруток в клетях стана прокатывается до диаметров от 7,2 до 9,5 мм. При производстве катанки диаметром 9,5 мм две последние клети не используются. В линии прокатного стана устанавливается намоточное устройство (корзинного типа или в виде двойной моталки). После того как одна бухта готова, летучие ножницы отрезают катанку, и вся система автоматически переключается на следующую бухту.
В основном, этим способом перерабатываются нелегированный алюминий и деформируемые сплавы алюминия, хотя на машинах «Проперци» отливались и сплавы с высоким содержанием кремния.
Начиная с 2005 г. «процесс Проперци» стал использоваться на некоторых предприятиях России. Агрегаты фирмы «Саутвайер» оснащаются как двухколёсными, так и четырехколесными литейными машинами в зависимости от назначения и производительности агрегата [7].
По составу прокатного оборудования литейно-прокатные агрегаты (ЛПА) подразделяются на агрегаты с трехвалковыми прокатными станами (отечественные агрегаты и агрегаты фирмы «Проперци») и агрегаты с двухвалковыми станами (агрегаты фирмы «Саутвайер»). В последние годы фирма «Проперци» использует также комбинированные станы, в которых черновые клети - двухвалковые, промежуточные и чистовые - трехвалковые.
Для смотки катанки обычно используются шпулевые моталки, обеспечивающие плотную рядную намотку катанки с минимальным натяжением. При этом фирма «Проперци» и фирма «Саутвайер» в своих агрегатах используют моталки типа фирмы «ОТТ» (Франция) с горизонтальной осью намотки с массой бухт более 2000 кг.
Современные прокатные комплексы оснащены также системами термической обработки заготовки с отжигом и закалкой, в процессе которой формируется окончательная структура сплава, которая обеспечивает необходимую технологичность при последующей деформации, а также заданный уровень эксплуатационных характеристик. Ниже будет поэтапно рассмотрена схема получения катанки из жидкого алюминия в условиях Иркутского алюминиевого завода (далее ИркАЗ).
Процесс производства катанки условно можно разделить на следующие этапы: приемка шихтовых материалов, приготовление расплава, подготовка оборудования к работе, литьё и прокатка.
Методика структурных исследований
Металлографические исследования проводили помощью светового микроскопа (AxioObserverMAT) с увеличениями 200 - 1000 крат.
Объектами исследования служили шлифы, которые вырезались из центральной части литых и термообработанных слитков (литых заготовок) и деформированных полуфабрикатов экспериментальных сплавов. Для приготовления шлифов использовали как механическую (Struers Labopol-5), так и электролитическую полировку, поскольку эти два метода дополняют друг друга, что дает более полное представление о микроструктуре. Для электролитической полировки использовался электролит, который содержал: 6 частей С2Н5ОН, 1 часть НСЮ4 и 1 часть глицерина. Температура электролита не превышала 10 С. Электролитическая полировка проводилась при напряжении 12,5 В.
Для определения размера зерна и дендритной ячейки использовали линейный анализ. При этом, в поле зрения размещалось большое количество секущих известной длины. Затем подсчитывалось число точек пересечения секущей с границами зерен и дендритных ячеек. Средняя линейная величина зерна или дендритной ячейки определялась как отношение длины секущей к числу пересечений с зерном или дендритной ячейкой: L=Lo6ui/nL, где L0gm -средний размер зерна (дендритной ячейки); L - длина секущей; nL - число пересечений с зерном. В некоторых случаях измерялась длина отдельных участков (хорд) внутри отдельных фаз. По полученным размерам дендритной ячейки литых образцов оценивалась скорость охлаждения в соответствии с формулой: lgd=A+BlgV0XJ1, где: d - размер дендритной ячейки, мкм; V0XJI - скорость кристаллизации, К/с; А и В-коэффициенты, зависящие от системы легирования сплава (их выбирали по литературным данным) [95,96].
Структура сплавов также изучалась на электронном сканирующем микроскопе (JSM-6610LV). Объектами исследования были те же шлифы, что использовались для анализа при помощи световой микроскопии. Использовались режимы отраженных электронов и вторичных электронов. Траектория отраженных электронов носит прямолинейный характер. Число отраженных электронов зависит от атомного номера элементов вещества объекта. Чем больше атомный номер зондируемого вещества, следовательно, тем больше электронов содержат атомы, и тем интенсивнее обратное рассеяние быстрых электронов, и тем светлее будут выглядеть эти участки. Таким образом, при этом режиме микроскопа достигается максимальный фазовый контраст. Это особенно важно при выявлении первичных кристаллов фазы Al3Zr (DO23) в случаях, когда их выявление затруднено при анализе структуры, полученной в световом микроскопе.
Микрорентгеноспектральный анализ. Микроскоп JSM-6610LV укомплектован энергодисперсионной приставкой-микроанализатором INCA SDD Х-МАХ производства Oxford Instruments и программным обеспечением INCA Energy для проведения микрорентгеноспектрального анализа (МРСА).
Изучение тонкой структуры (прежде всего, вторичных выделений Zr-содержащей фазы) проводили на просвечивающем электронном микроскопе высокого разрешения JEM2100 с ускоряющим напряжением 200 кВ. Порядок анализа объекта в просвечивающем электронном микроскопе состоит из следующих этапов [97]: 1) подготовка объекта, достаточно прозрачного для электронов. 2) съемка электронно-микроскопического изображения при определенных условиях в световом поле (т.е. прямом пучке) и в темном поле, переход от светлого поля к темному достигается путем наклона осветительной системы, при этом дифрагированный пучок проходит через апертурную диафрагму, а прямой - задерживается. Микроскоп JEM 2100 имеет разрешение по точкам 2,3 А и по линиям -1,4 А, максимальное ускоряющее напряжение 200 кВ и прямое увеличение составляет до 1,5 млн. раз. В качестве источника электронов используется катод LaB6. Минимальный диаметр электронного пучка в режиме просвета составляет 20 нм, что позволяет в микролучевом режиме получить дифракционную картину с области такого же диаметра. Гониометрический столик позволяет наклонять образец по оси х ± 60 , и по оси у ± 25 . Микроскоп может работать в двух основных режимах: в режиме дифракции и в режиме изображения. Все измерения проводятся при ускоряющем напряжении 200 кВ. В режиме изображения возможно получение светлопольных (СП) и темнопольных (ТП) изображений. С их помощью проводился морфологический анализ, определялись количественные и качественные характеристики элементов структуры. Сопоставление светлопольных и темнопольных изображений дает возможность выявить особенности структуры и, при необходимости, эти области подвергаются кристаллографическому анализу.
В качестве объектов исследования в работе использовались фольги деформированных полуфабрикатов (листы и катанка), которые готовили по следующей методике: сначала из листов и катанки вырезали заготовки, которые с помощью шлифовки утоняли до 0,1-0,15 мм. Из полученных пластин вырубали диски диаметром 3 мм, в которых с двух сторон с помощью струйной электрополировки 30 %-ным раствором HNO3 в метаноле при температуре минус 30 С и напряжении 20 В создавали конические углубления.
Механические свойства деформированных полуфабрикатов (листов и проволоки), полученных в лабораторных условиях, а также катанки, полученной в условиях промышленного эксперимента, оценивали по и относительного удлинения (8), которые определяли стандартным методом испытаний на одноосное растяжение на универсальной испытательной машине ZwickZ250, оснащенной контактным датчиком деформации (рис.2.4).
Влияние температуры нагрева на структуру, твердость и электропроводность литой заготовки
Как следует из общей схемы получения катанки, после получения литой заготовки (в виде трапеции) следует многопроходная прокатка при повышенной температуре (рис. 1.6). В результате этого процесса происходит изменение структуры, в частности, из-за изменения морфологии исходных зерен и наклепа (из-за повышения плотности дислокаций). Далее для достижения необходимого уровня электросопротивления катанку подвергают термообработке, что также приводит к изменению структуры. Следует отметить, что процессы, происходящие при нагреве деформированных полуфабрикатов, к которым относится и катанка, отличаются от процессов, происходящих в литых заготовках. В частности, в первых имеет место процесс рекристаллизации, приводящий к сильному разупрочнению.
Исходя из вышесказанного, в данной главе рассматривается влияние деформационно-термической обработки на удельное электросопротивление и механические свойства Al-Zr сплавов. В ней также рассмотрено влияние некоторых элементов, прежде всего, кремния. Основные задачи, на решение которых были направлены эксперименты, состояли в следующем: 1) изучить влияние промежуточного отжига на электросопротивление и прочность листов и проволоки низколегированных алюминиевых сплавов с разным содержанием циркония, железа и кремния; 2) установить взаимосвязь между значениями данных свойств и характеристиками структуры и фазового состава.
Влияние режима термообработки на электросопротивление, временное сопротивление разрыву и термостойкость холоднокатаных листов сплавов системы Al-Zr-Fe-Si
С целью предварительного изучения влияния режима деформационно-термической обработки на удельное электросопротивление (р), временное сопротивление разрыву и термостойкость катанки, был приготовлен ряд характерных сплавов системы Al-Zr-Fe-Si в виде плоских слитков (15x60x180мм). Эти слитки подвергали холодной прокатке на лабораторном прокатном стане, использовали режимы как с промежуточным отжигом (состояние Т), так и без него (состояние F). Составы сплавов приведены в табл.4.1, а режимы отжига листов - в табл.4.2.
Влияние времени выдержки при 300 С на временное сопротивление разрыву (а) и удельное электросопротивление (б) холоднокатаных листов сплава Al-0,22%Zr и Al-0,34%Zr
Из полученных результатов следует, что одноступенчатый отжиг при 300 С не позволяет снизить электросопротивление до требуемого уровня даже при очень длительной выдержке (до 500 часов включительно), выходящей за разумные пределы для промышленного производства. В частности, в сплаве Al-0,22%Zr минимальное значение р составляет 29,9 мкОммм (для одноступенчатого отжига по режиму 300С, 8 ч, см. рис. 4.16). С другой стороны, промежуточный отжиг (300 С, 8 ч+450 С, 8 ч) позволяет существенно снизить значение р. В частности, в сплаве А1-0,33%Zr-0,15%Fe-0,28%Si уже 1 часовой отжиг при 300 С (при промежуточном отжиге) позволяет снизить электросопротивление до 28,5 мкОммм (рис.4.4).
Из полученных результатов следует, что кремний, который в алюминии электротехнических марок (А5Е, А7Е) рассматривается как вредная примесь, при наличии добавки циркония может быть полезным элементом, который позволяет уменьшить время отжига. Это послужило основанием для эксперимента, который проводили на алюминии высокой чистоты (А99). Основными объектами исследования были слитки 7 алюминиевых сплавов, состав которых приведен в табл.4.8 (см. раздел 4.3).
Основными объектами исследования были образцы проволоки 5 сплавов системы Al-Zr-Fe-Si, составы которых приведены в табл.4.3. Выбор концентраций циркония, железа и кремния в экспериментальных сплавах был обусловлен следующим соображениями:
N1- базовый сплав А5Е; N2- сплав с оптимальной концентрацией Zr (см. раздел 3.1) при производстве на основе алюминия А5Е; N3- сплав с оптимальной концентрацией Zr при производстве на основе алюминия А7Е; N4- типичная для промышленных сплавов концентрация циркония и избыток кремния по сравнению с маркой А5Е; N5- повышенная концентрация циркония (близкая к максимальной для промышленных условий) и избыток кремния по сравнению с маркой А5Е.
Экспериментальные сплавы готовили в электрической печи сопротивления при 850 С на основе отходов катанки А5Е и А7Е.
Цирконий в сплавы N2-N5 вводили в виде лигатуры Al-15%Zr, а в сплавы N4 и N5 дополнительно вводили кремний марки КрО. Круглые слитки диаметром 44 мм и высотой около 200 мм получали литьем в стальную изложницу. Литые слитки подвергали холодной деформации и термообработке в заводских условиях ОАО «Кирскабель», получая в конечном итоге проволоку диаметром 3,4 мм. Промежуточный отжиг проводили по многоступенчатому режиму при максимальной температуре, не превышающей 450 С. Окончательный отжиг проводили при 300 С в течение 1 часа. Рассматривали 4 варианта деформационно-термической обработки: S1 - без промежуточного и окончательного отжигов; S2 - с промежуточным отжигом, но без окончательного отжига; S3 - без промежуточного отжига, но с окончательным отжигом; S4 - с промежуточным и окончательным отжигами.
Совместное влияние циркония и кремния на электросопротивление и упрочнение низколегированных алюминиевых сплавов
При кристаллизации сплавов в промышленных условиях скорости охлаждения могут колебаться в широком интервале. Так, например, для слитков непрерывного литья скорость охлаждения составляет 0,5-20 К/с [22,44]. Такой большой диапазон скоростей может оказывать существенное влияние на растворимость циркония в алюминиевом твердом растворе, что обуславливает необходимость определения скорости кристаллизации на конкретных литейных агрегатах.
Для определения скорости охлаждения трапеции (Уохл) расчетным методом, используя зависимость (2.1) [95,96], была проведена оценка среднего размера дендритной ячейки на примере технического алюминия марки А5Е и промышленного сплава ABE, производимых серийно в условиях завода ИркАЗ. Типичные микроструктуры алюминия марки А5Е и сплава ABE приведены на рис.6.3.
Результаты расчета скорости охлаждения, приведенные в табл. 6.2., показывают, что скорость охлаждения на рассматриваемом литейном агрегате (при получении трапеции с сечением 3 450 мм ) составляет более 20 К/с, которая является достаточной для получения пересыщенного цирконием алюминиевого твердого раствора в сплавах, содержащих до 0,5 % циркония [32]. В этом случае кристаллизация осуществляется по метастабильному варианту диаграммы состояния Al-Zr [23]. При скоростях охлаждения менее 5 К/с кристаллизация будет осуществляться уже по равновесной диаграмме с образованием первичных кристаллов фазы Al3Zr.
Выше было показано, что особенностью диаграммы состояния Al-Zr является резкое повышение температуры ликвидуса с увеличением концентрации циркония. Это требует обеспечить заданную температуру (не ниже «критической»), которая определяется ликвидусом в системе Al-Zr, непосредственно в миксере литейного агрегата и на всем протяжении течения металла до кристаллизатора. Данная температура определяется концентрацией циркония в сплаве, что отражено в таблице 3 Приложения 1.
Измерение температур непосредственно в миксере и лотке перед кристаллизатором при выполнении экспериментальных плавок показало, что температура расплава непосредственно в миксере составляла около 800 С, а температура расплава в лотке - 745-755 С. Сопоставление этих данных и значений таблицы 3 Приложения 1 показывает, что предельное содержание циркония в сплаве применительно к условиям ИркАЗа не может быть выше 0,25 %. При более высоких концентрациях циркония высока вероятность образования первичных кристаллов фазы A Zr еще до начала кристаллизации, что, по сути, является неустранимым браком.
Таким образом, во избежание образования первичных кристаллов фазы AbZr, плавку и литье необходимо осуществлять выше температуры их образования, т.е. для сплавов, содержащих 0,25%Zr температура расплава вблизи кристаллизатора должна быть не менее 750 С. Для меньших концентраций циркония, например, для сплавов с 0,20%Zr температурные режимы плавки и литья могут быть снижены, обеспечивая не менее 720 С на кристаллизаторе. В противном случае, падение температуры ниже ликвидуса приведет к образованию первичных кристаллов фазы Al3Zr (см. раздел 3.1).
Присутствие в структуре трапеции и далее в катанке таких первичных кристаллов значительно обедняет алюминиевый твердый раствор цирконием, что негативно отразится на термостойкости полученной проволоки.
Таким образом, для недопущения образования первичных кристаллов необходимо выполнение одновременно следующих условий: 1. Для вхождения циркония в алюминиевый твердый раствор должно выполняться условие: Т (плавки и литья) Т (ликвидуса Al-Zr сплава). 2. Для вхождения циркония в алюминиевый твердый раствор скорость охлаждения должна быть достаточной для пересыщения и составлять не менее 5 К/с для сплавов до 0,25 % Zr [31].
Ниже приведены технологические параметры, при которых гарантированно получение заданной литой структуры (табл.5.4, п.1) трапеции в сплаве с 0,24 % Zr (параметры определены в ходе опытно-промышленных плавок):
Анализ микроструктуры образцов, вырезанных из трапеций, отобранных в начале и конце плавок 1 и 2 (см. табл.6.1) показал, что типичная микроструктура этих Al-Zr сплавов характеризуется присутствием преимущественно Fe-содержащих фаз кристаллизационного происхождения (по морфологическим признакам вероятнее всего фаза AleFe) на фоне алюминиевой матрицы, распределенных по границам дендритных ячеек. Типичные микроструктуры приведены на рис.6.4 и 6.5.
Следует отметить, что при детальном изучении литой микроструктуры Al-Zr сплава плавки 1 было выявлено присутствие незначительного количества первичных кристаллов AlZr фазы (вероятнее всего, Al3Zr 110 (рис.6.6а)). Первичные кристаллы фазы Al3Zr в этом случае представляли собой компактные пластины неправильной формы размером до 5 мкм. Присутствие этих кристаллов носило локальный характер, поскольку при последующих анализах структуры AlZr сплава плавки 1 присутствие кристаллов фазы A Zr не было выявлено (рис.6.66). Локальное присутствие небольшого количества этих первичных кристаллов в дальнейшем не должно оказывать существенного влияния на механические свойства и удельное электрическое сопротивление и является допустимым. Во всех иных случаях присутствие первичных кристаллов является неустранимым браком.
Таким образом, отсутствие первичных кристаллов фазы Al3Zr может свидетельствовать о полном вхождении циркония в алюминиевый твердый раствор. Другим критерием подтверждения вхождения циркония в алюминиевый твердый раствор является контроль удельного электрического сопротивления (таблица 6.3) литой заготовки (см.п.3.1), поскольку цирконий наиболее значимо увеличивает эту характеристику [12,34,40].
