Исследование тенденции к образованию горячих трещин в отливках из высокопрочных алюминиевых сплавов

Тенденцию к образованию горячих трещин (HTS) полутвердых реологических отливок из сплава Al-Zn-Mg-Cu оценивали полуколичественным методом оценки тенденции к образованию горячих трещин. Распределение отверстий в поперечном сечении. Результаты показывают, что при удельном давлении наддува 67–94 МПа склонность сплава к образованию горячих трещин сначала уменьшается, а затем увеличивается с ростом удельного давления наддува. При удельном давлении наддува 87 МПа коэффициент склонности к образованию горячих трещин наименьший: 15. При дальнейшем повышении до 94 МПа тенденция к образованию горячих трещин наиболее высока, а значение HTS составляет 27. Внутренняя полость образца оказывает наиболее сильное влияние на горячую трещину, которая является причиной возникновения горячей трещины. Межкристаллитное разделение, вызванное недостаточным затвердеванием и подачей сплава, является основной причиной образования пор. Увеличение удельного давления наддува может эффективно снизить пористость отливки, но слишком высокое удельное давление наддува создаст ударную силу на затвердевающую отливку, вызывая растрескивание отливок и усугубляя тенденцию к образованию горячих трещин.

Высокопрочные алюминиевые сплавы Al-Zn-Mg-Cu широко используются в аэрокосмической, транспортной и других областях благодаря своим превосходным свойствам. Растрескивание, часто приводящее к низкой урожайности, ограничивает область его применения. Технология реологического литья под давлением характеризуется однородной и мелкой структурой, почти сферической формой, трудным захватом воздуха при заполнении, небольшой усадкой при затвердевании и контролем подачи под высоким давлением и т. д. Таким образом, понимание механизма образования горячих трещин в процессе реологического литья под давлением сплава Al-Zn-Mg-Cu и корректировка параметров процесса для эффективного контроля образования дефектов, таких как горячие трещины и отверстия, являются ключом к реализации литья деталей из высокопрочного алюминиевого сплава и крупномасштабных применений. Самое необходимое. Образование дефектов горячих трещин тесно связано с отверстиями. При реологическом литье под давлением отверстия часто в основном возникают из-за усадочных полостей. Хотя большое количество исследователей провели ряд исследований механизма и факторов, влияющих на образование горячих трещин, имеется мало сообщений о тенденции к образованию горячих трещин в сплавах Al-Zn-Mg-Cu во время реологического литья под давлением. Данная тема направлена на изучение тенденции к образованию горячих трещин в реологических литьевых высокопрочных алюминиевых сплавах Al-Zn-Mg-Cu и использует полуколичественный метод оценки горячих трещин для анализа структуры разрушения и микроскопической морфологии образцов с горячими трещинами. Изучено влияние удельного давления наддува на тенденцию к образованию горячих трещин.

1 Испытательные материалы и методы

Материалом, использованным в этом испытании, является сплав Al-Zn-Mg-Cu, его химический состав показан в таблице 1.

Таблица 1 Химический состав сплава Al-Zn-Mg-Cu, использованного в эксперименте wb/%

В эксперименте сырье сплава Al-Zn-Mg-Cu плавили до 720 ℃ в печи сопротивления, выдерживали в течение 30 мин для устранения наследственности шихты, расплав непрерывно очищали газообразным аргоном в течение примерно 10 мин, а затем оставляли стоять после дегазации и удаления шлака. Затем суспензию в печи сопротивления переносили в печь электромагнитного перемешивания с регулируемой температурой EMS-05SM и снова вводили аргон в течение примерно 5 минут для дегазации. Когда расплав охлаждали до 640 ° C, немедленно начинали электромагнитное перемешивание. Мощность перемешивания была зафиксирована на уровне 3 кВт, а частота перемешивания была постоянной на уровне 20 Гц. Во время электромагнитного перемешивания температура металлической суспензии контролировалась с помощью термопары типа К во времени, и желаемая полутвердая суспензия была подготовлена для реологического литья под давлением, когда суспензия была охлаждена до 630 °C.

Отливки были отлиты под давлением при различных соотношениях давлений, и было получено 20 образцов для оценки тенденции к образованию горячих трещин, как показано на рисунке 1. Образец состоит из 3 частей: зажимной секции, переходной секции и параллельной секции. Тенденция к образованию горячих трещин в отливках из сплава Al-Zn-Mg-Cu изучается методом полуколичественной оценки тенденции к образованию горячих трещин. Этот метод в основном учитывает два фактора: степень трещин, образующихся в результате горячих трещин, и количество полос горячих трещин. При этом каждый фактор делится на различные. Тенденция к образованию горячих трещин всесторонне оценивается по сортам, а метод расчета следующий:

Где HTS — коэффициент склонности к образованию горячих трещин; — фактор влияния степени термического растрескивания （=3, трещина;=2, полуразрушенный; =1, поверхностные микротрещины;=0, трещин нет); n — количество трещин.

Рис.1 Принципиальная схема литья под давлением и размер образца для оценки горячих трещин

После подготовки образцов к оценке склонности к образованию горячих трещин наблюдают степень и количество горячих трещин образцов под маломощным оптическим микроскопом и рисуют график зависимости между результатами. Микроструктуру образца наблюдали с помощью оптического микроскопа и сканирующего электронного микроскопа, оснащенного ЭДС. Для статистики пор образцы разрезали проволочной резкой вдоль оси образца, а эквивалентный диаметр и коэффициент формы пор статистически анализировали с помощью программного обеспечения Image J. Эквивалентный диаметр D, коэффициент формы F и пористость P определяются следующим образом:

В формуле A — средняя площадь одного отверстия, мкм2; P — средний периметр одного отверстия, мкм; SH — общая площадь отверстий в разрезе образца с горячими трещинами, мкм2; S — статистическая площадь поперечного сечения, мкм2.

2 Результаты испытаний и обсуждение

2.1 Склонность к образованию горячих трещин

Примечание: NHT — количество горячих трещин, а PHT — вероятность появления горячих трещин.

В таблице 2 показано распределение горячих трещин и статистические результаты реологических образцов литья под давлением сплава Al-Zn-Mg-Cu при различных соотношениях давлений. Видно, что при различных давлениях степени наддува термическое растрескивание образца происходит преимущественно в виде разрушения. Разрушение в основном происходило в переходной секции и параллельной секции образца, а в зажимной секции разрушения не наблюдалось. Разница в количестве трещин в двух областях при разных соотношениях давлений незначительна, а количество трещин в параллельном сечении несколько выше, чем в переходном сечении. Результаты выборки для оценки горячих трещин были статистически преобразованы в значение тенденции к горячим трещинам HTS, результаты показаны на рисунке 2. Видно, что с увеличением удельного давления наддува значение склонности к горячим трещинам HTS реологического образца для литья под давлением из сплава Al-Zn-Mg-Cu сначала уменьшается, а затем увеличивается. При удельном давлении наддува 87 МПа минимальный HTS составляет 15, а при увеличении удельного давления наддува до 94 МПа HTS составляет максимум 27, что имеет наиболее серьезную тенденцию к образованию горячих трещин.

Рис. 2. Связь между удельным давлением наддува и коэффициентом склонности к образованию горячих трещин

Рис.3 Типичные места распределения поведения разрушения образца

На рисунке 3 показана типичная область распространения, где возникают переломы. Площадь А - пересечение параллельного участка и переходного участка вдали от входа, площадь В - середина параллельного участка, а площадь С - пересечение параллельного участка и переходного участка вблизи входа. После статистики установлено, что при удельном давлении наддува более 81 МПа в области С будет большое количество трещин, а при удельном давлении наддува ниже 81 МПа трещины концентрируются в областях А и В.

2.2 Морфология перелома

Рис. 4 Типичные морфологии переломов образцов при различных соотношениях давлений:

（а）67 МПа;（б）74 МПа;（в）81 МПа;（г）87 МПа;（д）94 МПа

На рисунке 4 показана морфология горячего разрушения образцов сплава Al-Zn-Mg-Cu, полученных методом литья под давлением с различными коэффициентами наддува. Видно, что поверхность разрушения образцов имеет распределение дефектов усадочной полости, а плоскостность сечения невысока. С увеличением удельного давления наддува пора усадки постепенно расширяется наружу от центра образца, а размер поры усадки существенно изменяется. При удельном давлении менее 81 МПа в центральной области трещины имеются большие усадочные отверстия. В центральной области перелома пористость ткани уже не видна, а размер усадочной полости еще больше уменьшается. Кроме того, во всех областях кромок излома можно увидеть относительно плоские области поперечного сечения, а структура относительно однородная и плотная.

Рис.5 Принципиальная схема положения отбора проб участка термического разрушения образца

Рис.6 Морфология области ядра трещины реологического литого под давлением образца Al-Zn-Mg-Cu:

（а）67 МПа;（б）74 МПа;（в）81 МПа;（г）87 МПа;（д）94 МПа

Рис.7 Изображение частиц на поверхности излома при большом увеличении и результаты ЭДС

Изображение хвоста трещины с большим увеличением (a) и его результат EDS (b); изображение осадка с большим увеличением (c) и его результат EDS (d)

На рисунке 5 представлена принципиальная схема отбора проб диаметра трещины. Микроскопическое наблюдение микроструктуры центральной области, где диаметр трещины составляет около 0R, показано на рисунке 6. Первичные зерна α-Al относительно полны при различных коэффициентах наддува, что указывает на то, что горячее растрескивание является типичным хрупким краем в этой области. Характеристики разрушения кристаллов. При этом на трещине имеются частицы неправильной формы. После идентификации его можно разделить на два типа: кластерный сломанный кончик хвоста и листообразная осадочная ткань. На рисунке 7 показаны изображения двух нерегулярных частиц с большим увеличением и результаты их теста EDS. Из рисунка 7а видно, что хвост трещины в основном образуется на границе зерен, где встречаются несколько зерен. Теория успешного образования трещин предполагает, что зарождение трещин обычно происходит в области конвергенции жидкой фазы, где пересекаются зерна твердой фазы. Разделение граничных компонентов приводит к изменению двустороннего угла жидкой фазы в области конвергенции. Чем меньше двусторонний угол жидкости, тем легче образуется трещина. Из результатов испытаний EDS также видно, что сегрегация Zn, Mg и Cu в хвосте трещины очень серьезна, а массовая доля Zn даже достигает 18,78%. В сплаве Al-Zn-Mg-Cu тенденция к образованию горячих трещин практически такая же, как и у самого сплава. Содержание Zn пропорционально. Фигура 7с представляет собой вид с большим увеличением полосообразных осадков, которые образуются в результате агрегации нескольких полосообразных структур и редко распределяются по поверхности разрушения. Из анализа EDS видно, что содержание Fe в структуре осадков по-прежнему выше, чем в матрице (табл. 1). Элемент Fe может образовывать множество фаз в алюминиевых сплавах, таких как интерметаллические соединения, такие как Al6Fe, Al3Fe, Al7Cu2Fe и т. д. Эти фазы в основном существуют в виде нерастворимых или нерастворимых хрупких фаз. При содержании элемента Fe в алюминиевом сплаве более 0,3% образуется грубая игольчатая железосодержащая фаза, которая относительно хрупкая и сильно раскалывает матрицу, прочность связи с матрицей низкая, и она легко отслаивается.

На рисунке 8 показана микроструктура краевой области при диаметре излома около 1,0R, а на краю излома отливки под давлением при различных соотношениях давлений имеется большое количество углублений. Макроскопически разрушение реологического литого под давлением образца сплава Al-Zn-Mg-Cu характеризуется хрупким разрушением, а также может иметь место пластическая деформация в локальной области, которая проявляется в виде ямок. О форме разрушения можно судить как о микропоровом агрегатном разрушении, которое представляет собой пластичное разрушение. Проявляется макроскопическим хрупким микропористым разрушением. Этот тип разрушения обычно возникает, когда образец трещины высокопрочного материала растягивается при комнатной температуре, а ударная вязкость материала недостаточна при распространении трещины. Микроструктура небольшая и равномерно распределена. отверстие. На рисунке 9 представлена микроскопическая топография ямочки с большим увеличением, на которой наибольший диаметр ямочки может достигать более 28 мкм, а на дне ямочки можно увидеть трещины и осадки.

Рис.8 Морфология области края излома реологического литого под давлением образца Al-Zn-Mg-Cu:

（а）67 МПа;（б）74 МПа;（в）81 МПа;（г）87 МПа;（д）94 МПа

Рис. 9 Микроскопическая морфология ямочек

Горячая трещина представляет собой макроскопически хрупкое разрушение (рис. 4), но вблизи края разрушения образца появляются пластическая деформация и ямочки (рис. 8). Таким образом, разрушение реологического литья под давлением сплава Al-Zn-Mg-Cu делится на три этапа, как показано на рисунке 10: Этап I находится в центральной области образца, которая также является основным местом расположения источника трещины, демонстрируя характеристики хрупкого разрушения. На его формирование в основном влияет недостаточная подача в сердцевину образца, особенно при малом удельном давлении наддува, образуются большие усадочные полости, приводящие к образованию и расширению источников трещин; II стадия представляет собой сочетание хрупко-пластичных трещин, и эта область является переходной стадией разрушения; III стадия - стадия пластичного разрушения, эта область расположена близко к поверхности образца, зернистая структура мелкая и однородная, имеет лучшую прочность, поэтому на поверхности излома появляются ямочки. Эта стадия также является последней стадией разрушения, которая должна быть мгновенным разрушением при достижении критического значения. Прочность связи границ зерен является основным фактором, влияющим на распространение трещин, а осажденная богатая железом фаза ослабляет границы зерен, способствует распространению трещин и увеличивает вероятность образования горячих трещин.

Рис.10 Принципиальная схема стадии разрушения реологического литья под давлением сплава Al-Zn-Mg-Cu

2.3 Пористость

Рис.11 Макроскопическая морфология поперечных сечений образцов реологического литья под давлением из сплава Al-Zn-Mg-Cu с различными коэффициентами наддува

На рисунке 11 показана типичная макроскопическая морфология образцов для оценки горячих трещин, полученных литьем под давлением из сплава Al-Zn-Mg-Cu, после резки при различных соотношениях давлений. При различных давлениях степени наддува в поперечном сечении образца имеются видимые отверстия. Количество и размер отверстий постепенно уменьшаются по мере приближения к впускному отверстию в целом, а с увеличением давления степени наддува - профиля дефектов с меньшим количеством пустот. В месте разрушения образца можно увидеть дефекты отверстий. При давлении 67 и 74 МПа в области излома видны большие отверстия, а трещина в изломе имеет форму буквы «V»; когда удельное давление наддува превышает 74 МПа, отверстие в изломе меньше, а трещина в изломе более прямая, поэтому можно предсказать, что отверстие является наиболее важным фактором, приводящим к термическому растрескиванию. Кроме того, можно видеть, что перелом в основном происходит в области параллельного сегмента, и хотя зажимной сегмент имеет отверстия большего размера, перелома не происходит. В основном это связано с меньшим диаметром параллельного сечения. Наличие дефектов отверстий приведет к уменьшению эффективной площади опоры усадочных напряжений и деформаций при затвердевании отливки, что с большей вероятностью приведет к образованию трещин.

На рисунке 12 показаны статистические результаты поперечной пористости образцов разрушения, полученных реологическим литьем под давлением из сплава Al-Zn-Mg-Cu, при различных соотношениях давлений. Пористость постепенно уменьшается по мере увеличения коэффициента усиления. При удельном давлении наддува 67 МПа пористость выше и составляет 7,6%. При удельном давлении наддува 94 МПа пористость составляет 2,2%, а пористость уменьшается примерно на 71,1%. Однако при сравнении значений HTS этих двух показателей можно увидеть, что значение HTS выше, чем 67 МПа, когда удельное давление наддува составляет 94 МПа, что указывает на то, что при определенном увеличении удельного давления пористость не является наиболее влиятельным фактором термического растрескивания. Значение HTS реологического образца литья под давлением из сплава Al-Zn-Mg-Cu является самым низким, когда удельное давление наддува составляет 87 МПа, что составляет 15, а пористость в это время составляет 2,6%, что отличается от значения, когда удельное давление наддува составляет 94 МПа. Пористость составляет всего лишь менее 0,4%, но значение HTS составляет 27, когда удельное давление наддува составляет 94 МПа, что на 80% выше, чем 87 МПа.

Рис.12 Статистика пористости реологических отливок из сплава Al-Zn-Mg-Cu при различных соотношениях давлений

На рис. 13 показана зависимость между количеством и коэффициентом формы отверстий в параллельном сечении и переходном сечении реологического литого под давлением образца разрушения сплава Al-Zn-Mg-Cu при различных соотношениях давлений и изменении эквивалентного диаметра. Из рисунка 13а видно, что количество отверстий уменьшается с увеличением эквивалентного диаметра в целом при различных давлениях коэффициента наддува, а количество отверстий больше, когда эквивалентный диаметр составляет менее 0,4 мм Сотни. Когда эквивалентный диаметр превышает 0,4 мм, количество отверстий резко уменьшается, все ниже 50, а количество отверстий демонстрирует общую тенденцию к снижению с увеличением эквивалентного диаметра. При том же эквивалентном диаметре отверстий количество отверстий постепенно уменьшается с увеличением коэффициента наддува. При эквивалентном диаметре отверстий менее 0,4 мм увеличение удельного давления наддува оказывает существенное влияние на уменьшение количества отверстий, а при его превышении 0,4 мм уменьшение количества отверстий замедляется. Из рис. 13б видно, что коэффициент формы отверстий при различных соотношениях давлений уменьшается с увеличением эквивалентного диаметра, а общий коэффициент формы изменяется весьма радикально. При эквивалентном диаметре более 0,6 мм коэффициенты формы пор литейных образцов, спрессованных с различными коэффициентами наддува, все ниже 0,5.

Рис.13 Кривые изменения числа пор, коэффициента формы и эквивалентного диаметра образцов реологического литья под давлением из сплава Al-Zn-Mg-Cu при различных соотношениях давлений: (а) изменение числа; (б) изменение коэффициента формы

Основным влияющим фактором является источник трещины, дефект отверстия. При полутвердом реологическом литье под давлением отверстие часто возникает из-за недостаточной подачи затвердевания. На начальном этапе затвердевания сплава первичные зерна продолжают расти и образуют твердофазный скелет, который перекрывается друг с другом. Однако под действием усадки на поздней стадии затвердевания между зернами происходит межзеренное разделение под действием усадочной деформации (см. рисунок 14а). На начальном этапе разделения непрерывная подача жидкого металла не приведет к возникновению трещин, но по мере затвердевания твердая фракция сплава постепенно увеличивается, а жидкий металл непрерывно уменьшается, так что межкристаллитное разделение не может быть подано, образуя таким образом источник трещин. Это явление особенно заметно, когда удельное давление наддува недостаточно. Удельное давление наддува не может способствовать эффективной компенсации межкристаллитного пространства жидким металлом, что приводит к образованию рыхлых усадочных полостей. Межзеренное разделение из-за недостаточной подачи обычно происходит на пересечении нескольких зерен, а часть оставшегося жидкого сплава между зернами будет существовать в виде межзеренных мостиков (рис. 14б). Если в процессе затвердевания приложить определенное напряжение, межкристаллитный мостик деформируется. Когда напряжение превышает прочность связи межзеренного мостика, структура мостика будет разрушена, а межзеренное разделение на пересечении границ соседних зерен будет соединено между собой. Образуются большие пустоты, приводящие к образованию трещин и их распространению вдоль границ зерен, как показано на хвосте трещины на рис. 7а.

Рис.14 Микроструктура микроструктуры отливки сплава Al-Zn-Mg-Cu в месте усадочной полости

(а) Межзеренное разделение; (б) Межзеренный мостик

Увеличение удельного давления наддува может эффективно компенсировать усадку в конце затвердевания, уменьшить образование дефектов отверстий и улучшить общую плотность отливки. Продолжая увеличивать удельное давление наддува, эффект снижения пористости отливки уменьшается. При повышении давления расплавленному металлу будет придаваться ударная сила. Если степень наддува слишком велика, это может привести к растрескиванию затвердевающей ткани и усилить тенденцию к образованию горячих трещин. Диаметр площади параллельного сечения меньше, отверстие уменьшает эффективную площадь опорного напряжения, и в этой области более вероятно возникновение термического растрескивания. Область вблизи затвора, как правило, имеет более длительное время затвердевания и лучший эффект подачи, поэтому отверстий меньше, но в то же время из-за плохих структурных свойств не полностью затвердевшей конструкции чрезмерное удельное давление усилителя с большей вероятностью вызовет область вблизи затвора. Напряжение превышает критическое значение и трескается, увеличивая склонность к образованию горячих трещин.

3 Выводы

(1) Тенденция к образованию горячих трещин в реологических отливках из сплава Al-Zn-Mg-Cu сначала уменьшается, а затем увеличивается с увеличением удельного давления наддува. При удельном давлении наддува 87 МПа отливка имеет наименьшую склонность к термическому растрескиванию. Значение тенденции к трещинам 15.

(2) Дефект внутреннего отверстия отливки оказывает наиболее критическое влияние на степень склонности к образованию горячих трещин и является основной причиной образования трещин. Пористость обусловлена главным образом недостаточной подачей. Когда удельное давление наддува составляет 67-94 МПа, увеличение удельного давления наддува может эффективно снизить пористость.

(3) Процесс разрушения при горячем растрескивании отливок из сплава Al-Zn-Mg-Cu в основном состоит из трех стадий: стадия I - центральное хрупкое разрушение; стадия II - переходная стадия хрупко-пластичного сочетания; стадия III - краевое пластичное разрушение образца.