Закономерности улучшения структуры и свойств слитков и деформированных полуфабрикатов из магниевых сплавов при применении ультразвуковой обработки расплава в процессе кристаллизации

Грубозернистая литая структура магниевых сплавов вызывает пониженную пластичность слитков и деформированных полуфабрикатов. В последние годы наряду с известными металлургическими и физическими методами измельчения литой структуры магниевых сплавов применяют ультразвуковое воздействие на расплав при кристаллизации слитков в процессе непрерывного литья.

В настоящей работе рассматривается влияние ультразвуковой обработки в процессе кристаллизации слитков магниевых сплавов на структуру и свойства слитков и изготавливаемых из них деформированных полуфабрикатов.

Обработку ультразвуком осуществляли в жидких ваннах плоского слитка размером 165х550 мм сплава МА2-1 и круглого слитка диаметром 118—270 мм сплава МА2-1 и сплавов, содержащих неодим и иттрий. Введение ультразвука в расплав сопровождается активным протеканием ультразвуковой кавитации, что приводит к повышению температуры расплава в лунке на 10—20° С, изменению глубины и формы лунки.

При кристаллизации в обычных условиях (без обработки ультразвуком) лунка плоского слитка приближается по форме к конусу, при обработке жидкой ванны слитка ультразвуком лунка по форме приближается к долевому сечению цилиндра (рис. 1). В лунке слитка без ультразвуковой обработки наблюдали неравномерное распределение температур, т. е. в середине жидкой ванны имеются участки с более низкой температурой, чем у фронта кристаллизации, что приводило к объемно-последовательной кристаллизации слитка.

При обработке расплава ультразвуком переохлаждение в жидкой ванне кристаллизующегося слитка снимается и температура в жидкой ванне непрерывно понижается к фронту кристаллизации, что обеспечивает последовательный характер кристаллизации. Как известно, новышение температуры расплава при кристаллизации должно привести к огрублению структуры слитка. Однако обработка расплава ультразвуком наряду с повышением температуры расплава приводит к увеличению количества реализуемых зародышей кристаллов перед фронтом кристаллизации, результатом чего является значительное измельчение зерна, дендритной ячейки и Интерметаллидов. Причем измельчение зерна происходит в такой степени, что оно по размеру может приближаться к дендритной ячейке. Изучение зависимости измельчения зерна в слитках сплавов под воздействием ультразвука показывает, что пороговые значения мощности ультразвука, вызывающие значительное измельчение зерна, связаны с переходом в режим развитой кавитации. При значениях амплитуды колебаний излучателя, намного превышающих порог кавитации расплавленного магния и его сплавов, формируется структура слитка, в которой размер зерна близок к размеру дендритной ячейки и составляет приблизительно 100 мкм.

На рис. 2 представлена структура слитка диаметром 171 мм сплава системы Mg—Nd—J с измельченной в результате ультразвуковой обработки дендритной ячейкой и с измененной формой интерметаллидных соединений.

Изменение за счет ультразвуковой обработки кристаллизующегося расплава структуры слитка сопровождается повышенной пластичностью, дегазирующим эффектом, что положительно сказывается в производстве деформированных полуфабрикатов, так как повышенная пластичность слитков наследуется деформированными полуфабрикатами. На рис. 3 представлены статистические кривые пластичности катаных плит сплава МА2-1пч и хорошо видно, что ультразвуковое воздействие уменьшает разброс величин пластичности и сдвигает минимальные, средние и максимальные значения свойств к более высокому уровню.

Структура деформированного металла, полученного из обработанного ультразвуком слитка, более равномерная, направленность на листах, обусловленная образованием полос сосредоточенной деформации, исчезает. Полосы сосредоточенной деформации, образованные под углом 45° к направлению прокатки, снижают пластичность магниевых полуфабрикатов в долевом направлении. Ультразвуковая обработка приводит к получению равномерной рекристаллизованной структуры и повышению пластичности в долевом направлении на 3—5%.

Наследственное влияние ультразвуковой обработки расплава при кристаллизации настолько устойчиво, что проявляется и при последующей сварке полуфабрикатов. При испытании на машине ЛТП-3-5 обнаружен сдвиг нижней границы температурного интервала хрупкости к более высоким температурам у металла, прошедшего ультразвуковую обработку, а также повышение прочности и пластичности в этом интервале.

При объяснении полученного эффекта были сделаны некоторые предположения. Измерение величины коэффициента линейного расширения в интервале температур 20—400° С (см. табл.) показало, что в полуфабрикатах, полученных из металла, прошедшего ультразвуковую обработку, в интервале хрупкости 300—400° С коэффициент линейного расширения ниже на ~4*10в6 1/град по сравнению с коэффициентом линейного расширения полуфабрикатов, не подвергавшихся ультразвуковому воздействию.

Поскольку в сплаве MA2-1 легкоплавкая тройная эвтектика может образоваться при 338,5° С, можно предположить, что повышение коэффициента линейного расширения в интервале 300—400° С у металла без УЗ обработки связано с образованием жидкой фазы, которая из-за большего удельного объема несколько раздвигает кристаллиты.

Ультразвуковая обработка сдвигает появление жидкой фазы и нижнюю границу температурного интервала хрупкости к более высоким температурам, что и приводит к уменьшению величины напряжений в сварных швах и величины трещинообразования при сварке.

Опробование металла, прошедшего при кристаллизации ультразвуковую обработку в ответственных сварных изделиях, показало их абсолютную герметичность и пониженный брак по горячим трещинам.