ПУТИ СНИЖЕНИЯ ГОРЯЧЕЛОМКОСТИ СПЛАВОВ

1.2. ПУТИ СНИЖЕНИЯ ГОРЯЧЕЛОМКОСТИ СПЛАВОВ

Громадный производственный опыт и проводившихся во многих странах лабораторные исследования влияния химического состава и других факторов на склонность сплавов к образованию горячих трещин позволили в последние два десятилетия выявить основные направления снижения горячеломкости. Ниже на основе этого накопленного опыта с учётом данных о природе горячих трещин и закономерностей влияния состава и структуры на пластичность и линейную усадку в твёрдо-жидком состоянии кратко рассматривают пути снижения горячеломкости сплавов (но не отливок, так как в последнем случае пришлось бы рассматривать разнообразные мероприятия по устранению трещин в изделиях, носящие чисто технологический характер).

Горячеломкость сплава зависит от пластичности и линейной усадки его в твёрдо-жидком состоянии и от способности расплава залечивать возникающие трещины. Снижать горячеломкость сплава можно через повышение его пластичности в твёрдо-жидком состоянии, уменьшение линейной усадки кристаллизации и через усиление залечивания трещин расплавом. Из этих трёх факторов пластичность наиболее сильно реагирует на изменения состава и структуры сплава, а способность расплава залечивать трещины – наиболее слабо. Поэтому самые действенные металлургические способы снижения горячеломкости основаны на повышении пластичности сплава в твёрдо-жидком состоянии и частично на снижении линейной усадки в интервале кристаллизации.

Повысить пластичность и снизить линейную усадку в интервале кристаллизации путём изменения состава и структуры сплава – это значит:

1.   Сузить температурный интервал хрупкости за счёт повышения его нижней границы и (или) снижения верхней границы.

2.   Поднять уровень относительного удлинения во всём интервале хрупкости, в том числе и уровень минимального удлинения.

3.   Сузить эффективный интервал кристаллизации за счёт снижения температуры начала линейной усадки и (или) повышения точки солидуса.

4.   Уменьшить темп нарастания линейной усадки при понижении температуры в эффективном интервале кристаллизации.

Можно выделить четыре пути снижения горячеломкости сплавов.

1.2.1. Первый путь снижения горячеломкости – выбор оптимального состава по основным компонентам при разработке новых и улучшении существующих сплавов. Выбирая легирующие элементы и устанавливая их концентрации, желательно обеспечить малый темп кристаллизации в верхней части интервала «ликвидус – солидус» и большой темп в нижней части этого интервала, чтобы получить возможно большее количество жидкой фазы к концу кристаллизации. Этим достигается, во-первых, снижение температурной границы между жидко-твёрдым и твёрдо-жидким состояниями, а параллельно с ней обычно опускается и верхняя граница интервала хрупкости. Во-вторых, увеличение относительного количества жидкой фазы к концу кристаллизации способствует развитию здесь межзёренной деформации при затрудненной усадке и, следовательно, повышает удлинение в интервале хрупкости. Наиболее простой способ достижения этой цели состоит в увеличении количества составляющей кристаллизующейся в последнюю очередь при постоянной температуре. Такой составляющей является эвтектика, перитектическая составляющая, твёрдый раствор, кристаллизующийся в точке минимума на диаграмме состояния, и чистый металл. Снижение горячеломкости путём увеличения количества эвтектики широко используется при разработке алюминиевых и магниевых сплавов. Увеличение количества перитектической составляющей можно использовать для снижения горячеломкости многих медных сплавов. В системах с непрерывным рядом твёрдых растворов из-за дендритной ликвации кристаллизация часто заканчивается в точке минимума на кривой ликвидуса или в точке плавления более легкоплавкого компонента. Изменение состава сплава в сторону этих точек должно увеличить количество жидкой фазы вблизи солидуса и снизить горячеломкость. Этот способ снижения горячеломкости может быть использован при разработке сплавов, относящихся к системам с непрерывным рядом твёрдых растворов, например сплавов на основе Ni, Nb, Pt и др.

На пластичности многокомпонентных сплавов в твёрдо-жидком состоянии сказывается не только составляющая, кристаллизующаяся в последнюю очередь при постоянной температуре (например, тройная эвтектика), но и составляющая, образующаяся внутри интервала кристаллизации (например, двойная эвтектика). Суммарное количество двойной и тройной эвтектик желательно выбирать таким, чтобы температура перехода из жидко-твёрдого в твёрдо-жидкое состояние находилась не в области первичной кристаллизации, а в интервале выделения двойной эвтектики. Тогда сплав будет иметь сравнительно небольшой температурный интервал хрупкости и высокое удлинение в нём.

Рассмотренным выше способом снижения горячеломкости, к сожалению, далеко не всегда удаётся воспользоваться, так как он может ухудшить эксплуатационные свойства. Напомним, что составы высокопрочных и жаропрочных сплавов часто находятся в области, где горячеломкость очень высока, а допускаемое количество эвтектической или перитектической составляющей в деформируемых и многих литейных сплавах строго ограничено.

Другой способ снижения горячеломкости состоит в том, чтобы при разработке сплава попытаться изначально поднять его солидус, не повышая ликвидуса и температуры начала линейной усадки. Для этого совсем необязательно сильно изменять химический состав. Например, в тройной системе (рисунок 4) с соединением A_mB_n, образующимся по перитектической реакции, кристаллизация всех сплавов треугольника A_mB_n– B – C заканчивается в эвтектической точке Е, а сплавов треугольника A – A_mB_n– C

 – в перитектической точке Р. Температура плавления тройной эвтектики может находиться значительно ниже температуры четырёхфазного перитектического равновесия. При очень небольшом увеличении концентрации компонента А в сплавах, находящихся вблизи линии A_mB_n – С,

они из треугольника A_mB_n – B – C попадают в треугольник A – A_mB_n – C (например, сплав меняет свой состав от точки 1 до точки 2). При этом тройная эвтектика исчезает, и солидус сплава сильно повышается, а температура ликвидуса и температура начала линейной усадки практически не изменяются; в результате сильно сужаются эффективный интервал кристаллизации и интервал хрупкости.

Могут использоваться и другие варианты значительного сужения интервала хрупкости при сравнительно небольшом изменении состава. Например, легирование сплава магния с 4.5% Zn добавкой 0.8% Zr повышает солидус с 344 до 550°. Одновременно верхняя граница интервала хрупкости снижается на 30° благодаря тому, что цирконий сильно измельчает зерно. В результате, небольшая добавка циркония, мало изменяющая микроструктуру, сужает интервал хрупкости в 25 раз.

Ещё одну возможность снижения горячеломкости можно использовать при разработке новых сплавов – введение добавок, которые расширяют приграничную зону твёрдого раствора, обогащённую легирующими элементами. Такие добавки увеличивают толщину жидких прослоек по границам зёрен в интервале хрупкости, повышая относительное удлинение в нём без заметного увеличения количества эвтектики. Именно так действует добавка 0.3% Mn и 0.1% Ti к сплаву алюминия с 7% Cu. Сплав алюминия с 7% Cu, 0.3% Mn и 0.1% Ti имеет условный запас прочности в твёрдо-жидком состоянии ЗП = 0.52%, а у сплава с 7% Cu ЗП = 0.35%. Этот способ снижения горячеломкости весьма перспективен, так как он не связан со значительным увеличением количества эвтектической или перитектической составляющей. Но, к сожалению, пока трудно предсказывать, какие элементы и в каком количестве необходимо вводить, чтобы расширить приграничную ликвационную зону в первичных кристаллах твёрдого раствора.

Все рассмотренные выше способы снижения горячеломкости основаны на сужении эффективного интервала кристаллизации и интервала хрупкости и повышении относительного удлинения в интервале хрупкости. Рассчитывать на снижение горячеломкости за счёт уменьшения термического коэффициента линейного сжатия не приходится, так как последний, как

Рис. 4 Тройная система с двойным соединением, образующимся по перитектической реакции.

правило, можно значительно уменьшить, лишь очень сильно изменив состав сплава.

1.2.2. Второй способ снижения горячеломкости – регулирование содержания основных компонентов в пределах допусков ГОСТа или технических условий. Здесь применимы те же приёмы, что и при разработке нового сплава, но рамки изменения химического состава строго ограничены. Однако и в тесных границах ГОСТа, регулируя содержание основных компонентов, можно значительно увеличить количество жидкой фазы и нижней части эффективного интервала кристаллизации, существенно снизить температуру начала линейной усадки или же поднять температуру солидуса.

Для каждого стандартного сплава, если при литье его наблюдается чистый брак по кристаллизационным трещинам, необходимо установить оптимальный в пределах допусков по ГОСТу состав, соответствующий минимуму горячеломкости. Этот путь снижения горячеломкости ещё недостаточно широко используется, и здесь имеются скрытые резервы уменьшения брака по усадочным трещинам в производстве слитков и фасонных отливок.

1.2.3. Третий путь снижения горячеломкости – регулирование содержания примесей в сплаве. Изменение содержания примесей может сильно повлиять на нижнюю границу интервала хрупкости и величину относительного удлинения в нём, практически не сказываясь на верхней границе интервала хрупкости и температуре начала линейной усадки.

Наиболее вредны легкоплавкие примеси, образующие по границам зёрен плёнки большой протяжённости, так как они резко расширяют температурный интервал хрупкости. Давно известен способ снижения горячеломкости удалением легкоплавких примесей из сплава. Если полностью избавиться от такой примеси не удаётся, то можно снизить содержание её до такого уровня, чтобы она находилась в виде изолированных включений, а не в виде плёнок. В последнем случае, хотя точка начала плавления сплава не повышается, нижняя граница интервала хрупкости может значительно подняться над солидусом. Когда и это осуществить не удаётся, можно прибегнуть к искусственному увеличению легкоплавкой примеси в сплаве. Этот способ снижения горячеломкости основан на том, что утолщение легкоплавких плёнок облегчает межзёренную деформацию и повышает относительное удлинение в нижней части интервала хрупкости.

Ослабление вредного влияния легкоплавкой примеси путём повышения её концентрации в сплаве – интересный способ. Но он сравнительно редко может быть использован из-за вредного действия этой примеси на эксплуатационные свойства сплава.

 1.2.4. Четвёртый путь снижения горячеломкости – введение в сплав малых технологических добавок. Под технологическими добавками понимают такие малые добавки, основной целью введения которых является снижение горячеломкости. Технологические добавки могут резко повысить нижнюю границу интервала хрупкости, значительно опустить верхнюю его границу и температуру начала линейной усадки, а также повысить относительное удлинение в интервале хрупкости.

С давних пор для снижения горячеломкости используется способ введения добавок, связывающих вредные примеси в более тугоплавкие соединения (например, введение магния для обезвреживания серы в никеле). При этом нижняя граница интервала хрупкости резко повышается, верхняя практически не изменяется и интервал хрупкости сильно сужается.

Другой хорошо известный способ снижения горячеломкости технологическими добавками состоит во введении модификаторов зерна. Измельчение зерна и особенно устранение столбчатой структуры снижают температуру начала линейной усадки и верхнюю границу интервала хрупкости и повышают относительное удлинение во всём интервале. Именно так действует небольшая добавка титана ко многим алюминиевым сплавам.

Модификаторы микроструктуры почти совсем не используются как технологические добавки, специально предназначенные для снижения горячеломкости. Вместе с тем этот способ борьбы с кристаллизационными трещинами представляют практическую ценность. Например, введение 0.1% Zr в алюминиево-магниевый сплав поднимает нижнюю границу интервала хрупкости и сужает этот интервал благодаря тому, что включения эвтектической жидкости получаются более дисперсными.

Одним из очень интересных способов снижения горячеломкости высокопрочных сплавов-растворов является введение таких технологических добавок, которые образуют по границам зёрен протяжённые прослойки неравновесной эвтектической или перитектической составляющей, причём при нагреве сплава под закалку или специальную гомогенизацию эта составляющая рассасывается. Последнее условие является важнейшим, так как в противном случае ухудшаются эксплуатационные свойства. Следовательно, почти всё количество эвтектики, образующееся при введении технологической добавки, должно быть неравновесным. Например, добавка 0.5% Ce к жаропрочному сплаву АЛ19 уменьшает показатель горячеломкости по кольцевой пробе с 75 до 10 % (диаметр стержня – 44 мм), не ухудшив механических свойств при 300° (неравновесная эвтектика в сплаве АЛ19 с добавкой церия в значительной мере рассосалась при ступенчатом нагреве под закалку до 525° в течение 9 часов и до 535° в течение 12 часов). Это малоизученное направление снижения горячеломкости высокопрочных сплавов может оказаться весьма перспективным.

Ещё одна возможность снизить горячеломкость введением технологических добавок состоит в утолщении жидких прослоек, а значит, и в повышении относительного удлинения внутри интервала хрупкости, не за счёт увеличения количества эвтектики, а в результате расширения приграничных ликвационных зон твёрдого раствора. В этом направлении пока ничего не сделано, хотя оно также может оказаться перспективным.

Путь использования малых технологических добавок является одним из наиболее важных, так как он в принципе позволяет сильно снизить горячеломкость, не ухудшая эксплуатационных свойств сплава.

Повышение газосодержания расплава может привести к снижения температуры начала линейной усадки, уменьшению темпа её нарастания при падении температуры в эффективном интервале кристаллизации и тем самым снизить горячеломкость. Было предложено вводить в алюминиевый расплав водород в таких количествах, чтобы заметно снизилась горячеломкость, а пористость увеличивалась бы незначительно. Хотя этот способ и был опробован в заводских условиях с положительным результатом, но вряд ли он может найти сколько-нибудь заметное промышленное применение, так как обычно стремятся полнее дегазировать расплав для повышения герметичности и механических свойств. Однако полезное действие газа на горячеломкость необходимо иметь в виду и, если изделие трудно получить без кристаллизационных трещин, то не следует производить полной дегазации, оставив в расплаве попавший в него естественным путём газ (при условии получения необходимых эксплуатационных свойств).

Для оценки горячеломкости сплавов не разработано общепризнанных проб. Иногда «новые» пробы полностью или почти полностью повторяют те, которые были предложены значительно раньше.

Литейные пробы на горячеломкость трудно разделять на классы, потому что их очень много. Однако среди всех существующих проб можно выделить три основные группы в соответствии с тем, что принимается за показатель горячеломкости или противоположную ей характеристику – сопротивляемость образованию трещин.

 1.3.1. В первой группе проб показателем горячеломкости является размер трещин при неизменной геометрии отливки. Так как жёсткость пробы постоянна, то размеры трещин могут характеризовать горячеломкость сплава.

Была разработана чрезвычайно простая кольцевая проба, которая в разных модификациях быстро завоевала популярность при исследовании цветных сплавов. Сплав заливается без специальной литниковой системы прямо в открытую полость формы – простейший кокиль со стальным стержнем. На поверхности кольцевой отливки измеряется суммарная длина трещин, являющаяся показателем горячеломкости. Впоследствии эта проба была ещё более упрощена тем, что стали измерять не суммарную длину трещин, а относительную длину основной трещины.

Как показали подробные исследования двойных и тройных систем на основе алюминия, проведённые в конце 40-х годов в Бирмингемском университете, кольцевая проба обладает довольно высокой чувствительностью к небольшим изменениям состава и хорошей воспроизводимостью результатов опытов. Кольцевая проба чрезвычайно проста, производительна, требует сравнительно небольшого расхода металла и позволяет в лабораторных условиях быстро наладить массовые исследования. На рисунке 5 показан кокиль для отливки кольцевой пробы. Для каждой серии сравниваемых сплавов диаметр стального стержня целесообразно подбирать в предварительных опытах так, чтобы наиболее горячеломкий сплав данной серии давал возможно более длинную трещину (но не длиннее, чем периметр радиального сечения кольца), а наименее горячеломкий сплав давал возможно более короткую трещину.

В пределах одной серии сравниваемых сплавов диаметр стального стержня кокиля должен быть постоянным (так же, как внешний диаметр и высота кольца). Тогда проба для всех сплавов этой серии обладает постоянной жёсткостью ( постоянной степенью локализации усадочных деформаций), и сплавы можно сравнивать по длине трещин на поверхности кольца. Необходимо подчеркнуть, что нельзя сравнивать по длине трещин сплавы из разных серий опытов, не учитывая диаметр стержня кокиля, так как при

Рис. 5 Кокиль для кольцевой пробы на горячеломкость

1 – съёмный стакан; 2 – стержень

разных диаметрах стержня кольцевые пробы обладают разной жёсткостью. Чем больше диаметр стержня, тем больше жёсткость пробы. Именно поэтому, приводя сведения о горячеломкости, необходимо указывать диаметр стального стержня, использованного при отливке кольцевой пробы. В большинстве случаев достаточно шести повторных опытов (заливок), чтобы надёжно определить показатель горячеломкости (суммарную длину всех трещин или относительную длину основной трещины). Длину трещины, которая бывает весьма извилиста, удобно измерять с помощью простого приспособления: укреплённое на конце рукоятки зубчатое колесо катится вдоль трещины и подсчитывает число полных его оборотов, а при неполном обороте – число зубьев, коснувшихся поверхности кольца.

Кристаллизационная трещина в принципе может развиваться в длину как в интервале кристаллизации, так и при температуре ниже солидуса. Поэтому естественен вопрос, какова уверенность в том, что на кольцевой пробе измеряется длина трещин чисто кристаллизационного происхождения. Фрактологический анализ многочисленных кольцевых проб из самых разнообразных цветных сплавов наглядно показал, что в подавляющем большинстве случаев на всей своей длине трещины на поверхности кольца имели кристаллизационное происхождение. Кроме того, данные о запасе пластичности в твёрдо-жидком состоянии и результаты измерения длины трещин на кольцевых пробах, как правило, очень хорошо согласуются. Следовательно, за редкими исключениями, (например, сплавы с очень высокой хрупкостью в твёрдом состоянии), на кольцевых пробах измеряется длина именно кристаллизационных трещин. Это не значит, что все получаемые с помощью кольцевой пробы сплавы не склонны к образованию холодных трещин. Рассматриваемая кольцевая проба обладает сравнительно небольшой жёсткостью, и поэтому холодные трещины на ней при изучении цветных сплавов появляются крайне редко. Само образование радиальной кристаллизационной трещины приводит к разрядке усадочных напряжений в кольце и этим уменьшает вероятность образования холодной трещины в нём. В то же время при непрерывном литье, когда в охлаждаемом водой слитке возникают очень большие термические напряжения, в кокильных отливках сложной конфигурации и при сварке, когда наблюдается сильная концентрация усадочных напряжений, типичные холодные трещины могут появиться и у тех сплавов, у которых, согласно кольцевой пробе, проявляется только горячеломкость.

Относительная длина основной трещины на кольцевых пробах изменяется при изменении состава сплава примерно так же, как суммарная длина всех трещин. Одновременно с развитием трещины в длину происходит её раскрытие, увеличение ширины. Длина и средняя ширина изменяются с составом качественно одинаково. Поэтому площадь трещины на поверхности кольца (произведение её длины на среднюю ширину) изменяется с составом качественно так же, как и длина трещины. Но измерение площади трещины существенно повышает трудоёмкость работы с кольцевой пробой. Для большинства исследований вполне достаточна чувствительность кольцевой пробы с измерением длины трещин. На поверхности отливки измеряется длина макротрещины, которая может объединять многочисленные межкристаллитные микротрещины. Чем больше последних, тем длиннее измеряемая трещина. Поэтому длина макротрещины в определённой мере отражает сопротивляемость сплава появлению очагов разрушения. Вполне очевидно, что длина макротрещины отражает также сопротивляемость сплава её развитию. Следовательно, принятая кольцевая проба даёт комплексный показатель горячеломкости, характеризующий как сопротивляемость сплава образованию, так и развитию кристаллизационных трещин. С практической точки зрения эта комплексность весьма ценна, так как для производственника важен не только факт наличия трещин, но и их размеры: короткие и неглубокие трещины можно заварить, и отливка не бракуется. К пробам, в которых показателем горячеломкости служат размеры, иногда относятся как к примитивным и противопоставляют их более сложным и будто бы более научно обоснованным методам оценки горячеломкости, например, по критическому напряжению. В действительности же кольцевая и подобная ей пробы, отличаясь исключительной простотой, не уступают, а часто и превосходят по чувствительности многие более сложные методы оценки горячеломкости, в том числе и метод определения критической нагрузки. Достоверность данных, полученных более сложными методами, часто проверяют по совпадению с результатами определения размеров трещин на более простых кольцевых пробах.

Применение кольцевой пробы позволило многим исследователям накопить обширный экспериментальный материал о зависимости горячеломкости цветных сплавов от состава и структуры, причём полученные данные прекрасно согласуются с производственным опытом, а также с результатами подсчёта условного запаса пластичности в твёрдо-жидком состоянии. Недостатком кольцевой пробы является малая её жёсткость, не позволяющая исследовать литейные сплавы со сравнительно небольшой горячеломкостью, например, большинство силуминов. Недостатком всех проб с постоянной жёсткостью является узость диапазона определяемой горячеломкости. Если проба недостаточно жёсткая, то она не позволяет различить по величине горячеломкости малогорячеломкие сплавы, так как они вообще не дадут трещин. Если же проба слишком жёсткая, то она не позволяет классифицировать сплавы с высокой горячеломкостью, так как в этом случае трещины приводят к полному разрыву по всему сечению отливок. Поэтому при работе, например, с кольцевой пробой необходимо для данной сплавов подбирать диаметр стержня, т.е. ширину кольцевой отливки при постоянном внешнем её диаметре, так, чтобы проба могла «различать» по величине горячеломкости все эти сплавы. Последнее условие вообще невозможно выполнить, если в исследуемую группу входят сплавы с очень высокой и очень низкой горячеломкостью. Тогда приходится сравниваемые сплавы разделять на две подгруппы и применять к ним пробу с повышенной и пониженной жёсткостью.