Особенности структурообразования и свойства металла при высокоскоростной кристаллизации-деформации и модифицировании алюминиевых сплавов

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 
 
СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОСОБЕННОСТИ  СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ   
И  СВОЙСТВА  МЕТАЛЛА  ПРИ  ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ 
КРИСТАЛЛИЗАЦИИ-ДЕФОРМАЦИИ   
И  МОДИФИЦИРОВАНИИ  АЛЮМИНИЕВЫХ  СПЛАВОВ 
 
 
Коллективная монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2015 

 

УДК 669.715-17 
ББК  34.333/1 
О-754 
 
Авторы: 
С.Б. Сидельников, Е.С. Лопатина, Н.Н. Довженко, 
Т.Н. Дроздова, С.В. Беляев, В.Н. Баранов, 
И.Л. Константинов, А.С. Сидельников, В.М. Беспалов 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
М.В. Чукин, доктор технических наук, профессор первый проректор – проректор по научной и инновационной работе Магнитогорского 
государственного технического университета; 
А.Р. Фастыковкий, доктор технических наук, профессор Сибирского государственного индустриального университета  
 
 
О-754 
 
Особенности структурообразования и свойства металла 
при высокоскоростной кристаллизации-деформации и модифицировании алюминиевых сплавов : коллективная монография / С.Б. Сидельников, Е.С. Лопатина, Н.Н. Довженко [и др.]. – 
Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2015. – 180 с. 
ISBN 978-5-7638-3280-8 
 
В монографии изложены результаты изучения структуры и свойств литых и деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, полученных с помощью высокоскоростной кристаллизации-деформации металла 
по технологии совмещенного литья и прокатки-прессования. Приведены механизмы модифицирования и данные исследований модифицирующего эффекта лигатурных прутков из алюминия и его сплавов, полученных по этой 
технологии. 
Предназначена для научных сотрудников, аспирантов и инженернотехнических работников, специализирующихся в области металлургического производства длинномерных изделий из алюминиевых сплавов, а также 
может быть полезна студентам, обучающимся по направлению «Металлургия». 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК 669.715-17 
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 34.333/1 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-3280-8 
© Сибирский федеральный 

университет, 2015 

Посвящается светлой памяти  

Биронта Виталия Семеновича 

доктора технических наук, профессора 

 заведующего кафедрой «Металловедение и термическая 

обработка металлов» 

института цветных металлов и материаловедения 

Сибирского федерального университета 

 
В данной монографии приведены результаты исследований структуры и свойств полученных методом высокоскоростной кристаллизациидеформации длинномерных деформированных полуфабрикатов из алюминия и его сплавов, выполненных коллективом ученых института цветных 
металлов и материаловедения Сибирского федерального университета под 
руководством Виталия Семеновича Биронта. 
Известный ученый-металлург, лауреат Профессорской премии главы 
г. Красноярска, действительный член Международной академии наук 
высшей школы (МАН ВШ), председатель Красноярского научного центра 

Сибирского отделения МАН ВШ, эксперт научно-технической сферы Министерства промышленности, науки и технологий Российской Федерации, 
заслуженный работник высшей школы Российской Федерации.  
Виталий Семенович родился 29 января 1937 г. в г. Киеве. В период 
Великой Отечественной войны с отцом и матерью находился в эвакуации на 
Урале в г. Воткинске, г. Ижевске, жил и учился в школе в г. Нижнем Тагиле.  
С 1951 по 1955 г. учился в Молотовском авиационном техникуме 
(г. Пермь), по окончании которого получил распределение в г. Красноярск 
на завод «Сибтяжмаш». На заводе работал сменным мастером термического отделения инструментального цеха, старшим технологом и начальником 
технологического бюро термообработки и покрытий технического отдела, 
а затем начальником отдела главного металлурга.  
Без отрыва от производства в 1956 г. поступил во Всесоюзный заочный политехнический институт (г. Москва) на металлургический факультет и окончил его в 1961 г. Научной работой начал заниматься в период 
производственной деятельности на заводе «Сибтяжмаш», совмещая работу 
с обучением в заочной аспирантуре (1962–1966 гг.).  
В декабре 1968 г. был избран на должность старшего преподавателя 
Красноярского института цветных металлов (КИЦМ), а с 1969 г. – заведующим кафедрой «Металловедение и технологии металлов».  
Кандидатскую диссертацию защитил в 1968 г., а докторскую – в 1989 г., 
профессор с 1990 г. За период его работы кафедрой выпущено более 
2,5 тысяч высококвалифицированных инженеров, бакалавров и магистров.  
Под руководством B.C. Биронта аспирантами и соискателями защищено 10 кандидатских диссертаций. В 1978–1980 гг. был деканом факультета, а в 1980–1992 гг. проректором по научной работе КИЦМ. Общий 
трудовой стаж более 50 лет.  
Автор более 350 публикаций, в том числе 80 учебно-методических 
работ, 3 монографий, 30 патентов и авторских свидетельств. 
 
 
 
 
 
 

Введение 

5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
В последнее время для производства длинномерных изделий из 
алюминиевых сплавов активно разрабатываются методы высокоскоростной кристаллизации-деформации металла. Для алюминия и его сплавов 
большее распространение получают совмещенные процессы отливки заготовок и последующей их обработки давлением, как правило, методом 
прокатки [1]. К таким процессам относят, например, получение листовой 
заготовки для производства тонкой ленты или фольги путем кристаллизации и обжатия металла в валках [2]. Иногда такие совмещенные процессы 
называют бесслитковой прокаткой, однако при этом деформации подвергается уже затвердевший металл, в то время как первоначально под бесслитковой прокаткой понимали деформацию металла при его кристаллизации. 
Современные разработки в области производства длинномерных деформированных полуфабрикатов в виде катанки, проволоки, прутков 
и профилей из алюминиевых сплавов направлены на совершенствование 
конструкций узлов оборудования и агрегатов в целом, повышение рентабельности производства и поиска новых энергосберегающих технологий, 
основанных на использовании совмещенно-комбинированной обработки 
металла [3]. Она заключается в применении непрерывного литья при заливке расплава металла в валки с одновременной его высокоскоростной 
кристаллизацией-деформацией в валках путем прокатки и выдавливания 
металла через матрицу в виде полуфабриката заданной формы и размеров. 
Этот метод получил название совмещенное литье и прокатка-прессование, 
сокращенно СЛИПП [3].  
По сравнению с технологией литья-прокатки для производства длинномерных полуфабрикатов (катанки) на литейно-прокатных агрегатах 
(ЛПА) [4], при СЛИПП значительно снижается трудоемкость производства, 
так как обработка металла осуществляется в одном узле за один технологический цикл. Отпадает необходимость в отдельном агрегате для получения 
слитка (литейной машине), снижается энергоемкость процесса, так как деформация металла будет осуществляться за счет активных сил трения, создаваемых валковым инструментом, выход годного составит 90–95 %. Кроме 
того, за счет смены прессового инструмента (матрицы) появляется возможность гибкого перехода от одного типоразмера к другому, а также получения изделий различной формы поперечного сечения (секторной, квадратной, шестигранной и т. п.) из высокопрочных и термостойких сплавов 
алюминия, что практически невозможно осуществить на ЛПА. Значительно уменьшается парк валкового инструмента и затраты на его замену, так 

Введение 

6 

как для производства катанки в настоящее время в составе ЛПА используется от 14 до 17 прокатных клетей.  
Однако переход на эти технологии сдерживается отсутствием данных научных исследований структурообразования и свойств литых и деформированных полуфабрикатов из алюминия и его сплавов, в том числе 
применимых для модифицирования. А так как в последнее время все 
больше внимания уделяется разработке новых сплавов алюминия с переходными и редкоземельными металлами (РЗМ), эта задача становится еще 
более актуальной. 
Данная работа выполнялась в рамках Постановления Правительства 
РФ № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства» 
в соответствии с договором Министерства образования и науки России 
№ 13.G25.31.0083 по теме «Разработка технологии получения алюминиевых сплавов с редкоземельными, переходными металлами и высокоэффективного оборудования для производства электротехнической катанки». 
Авторы выражают благодарность за участие в исследованиях и подготовку монографии аспирантам, научным сотрудникам и преподавателям института цветных металлов и материаловедения Сибирского федерального 
университета, а также сотрудникам ООО «РУСАЛ ИТЦ» Д.Н. Макарову, 
В.Ф. Фролову, Л.П. Трифоненкову, А.В. Сальникову и С.В. Солдатову.  
 
 
 

Высокоскоростная кристаллизация-деформация и модифицирование алюминиевых сплавов 

7 

Глава 1 
ОСОБЕННОСТИ  ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ  
КРИСТАЛЛИЗАЦИИ-ДЕФОРМАЦИИ  И  МОДИФИЦИРОВАНИЯ  
АЛЮМИНИЕВЫХ  СПЛАВОВ 
 
 
1.1. Анализ возможных схем получения  
длинномерных изделий из алюминиевых сплавов  
с применением методов высокоскоростной  
кристаллизации-деформации металла 
 
Схемы литья-прокатки являются в настоящее время основными для 
производства длинномерных заготовок с небольшой площадью поперечного сечения с целью формирования мелкозернистой структуры отливки за 
счет высоких скоростей кристаллизации и последующей деформации металла в валках. В них используются валковые (роторные) кристаллизаторы 
и многоклетьевые прокатные станы, позволяющие получать продукцию 
в виде катанки требуемого качества и с высокой производительностью. 
Эти схемы имеют неоспоримые технико-экономические преимущества, так 
как по сравнению с традиционными технологиями снижается количество 
последующих операций обработки металла. Ниже в п. 1.5 представлен 
анализ промышленных технологий и оборудования для реализации этих 
схем, а также рассмотрены тенденции их развития. 
При литье в валковые кристаллизаторы металл заливается в калибр 
вращающихся валков, затвердевает в нем и подвергается деформации между валками. Валковые установки с водоохлаждаемыми валками различаются способами подачи металла в валки: сбоку, сверху и снизу. Для получения листового проката расплавленный металл подводится в зону затвердевания по каналу-желобу и под действием металлостатического давления 
поступает в зазор между валками, которые охлаждаются водой, циркулирующей по их внутренним каналам. Попадая в распределительную коробку, металл равномерно распределяется по всей длине насадки и валков, 
а при соприкосновении с поверхностью валков затвердевает и подвергается горячей деформации [2].  
Для получения непрерывнолитых заготовок круглой, прямоугольной, 
квадратной и другой формы валки выполняются калиброванными, а размеры и форма заготовки определяются полостью, образованной двумя валками при их совмещении друг с другом. Однако в таком случае, особенно 
при больших размерах калибра, организовать процесс непрерывного литья достаточно сложно, так как расплавленный металл при несоблюдении 

Глава 1 

8 

технологических ограничений может не успеть закристаллизоваться в валках. Такие кристаллизаторы целесообразно применять для совмещенных 
процессов обработки металла, когда калибр валков на их выходе перекрыт 
прессовым инструментом – матрицей (рис. 1.1). Для получения прессизделий возможна обработка предварительно сформированной литой заготовки в твердом состоянии (рис. 1.1, а) и обработка металла в твердожидком состоянии (рис. 1.1, б). В связи с тем, что в этом случае одновременно 
происходит высокоскоростная кристаллизация-деформация металла в валках и его выдавливание через матрицу, данный метод был назван методом 
совмещенного литья и прокатки-прессования [3]. 
 

 
а 
б 
 
Рис. 1.1. Схемы кристаллизации-деформации металла: а – в твердом состоянии; 
б – в твердожидком состоянии; 1– печь-миксер; 2 – кристаллизатор; 3 – валки; 
4 – матрица; 5 – пресс-изделие 
 
В научно-технической и патентной литературе приводится достаточно много различных видов установок для получения длинномерных изделий из алюминиевых сплавов этим методом. Остановимся на нескольких 
из них, которые в полной мере могут быть применены в производстве.  
Одной из первых для реализации совмещенно-комбинированных 
процессов обработки металла была предложена конструкция устройства 
для бесслитковой прокатки-прессования (рис. 1.2) [5]. В этом случае расплав заливается непосредственно в валки-кристаллизаторы установки, 
кристаллизуется в виде заготовки прямоугольной формы, подвергается деформации при помощи тех же валков, а затем выдавливается через калибрующее отверстие матрицы. 
Отличительной чертой данного устройства является то, что оно 
снабжено установленной соосно матрице длинномерной иглой с механиз
1 

3 

4 
5 

1 

2 

3 

5 
4 

Высокоскоростная кристаллизация-деформация и модифицирование алюминиевых сплавов 

9 

мом ее отвода, жестко закрепленной фиксатором и расположенной в обойме с каналами для подачи смазки, размещенными по периметру иглы, 
и выступами для запирания каналов. При этом в валках выполнены водоохлаждаемые полости. 
 

 
а 
б 
 
Рис. 1.2. Устройство для бесслитковой прокатки-прессования сплошных (а) и полых (б) пресс-изделий: 1 – печь-миксер; 2 – расплав; 3 – валок с ручьем; 4 – валок с выступом; 5 – водоохлаждаемые полости; 6 – матрица; 7 – игла; 8 – обойма; 
9 – фиксатор; 10 – винт; 11 – державка; 12 – каналы для подачи смазки; 13, 14 – 
пружины; 15 – закристаллизовавшийся металл; 16 – пресс-изделие 
 
Устройство (рис. 1.3) в соответствии с техническим решением [6] позволяет расширить технологические возможности за счет увеличения выхода годного, сокращения металлургических циклов обработки, снижения 
трудо- и энергоемкости процесса, а также повышения качества прессизделий за счет улучшения механических свойств. 
Установка для непрерывного литья, прокатки и прессования металла 
(см. рис. 1.3) включает печь-миксер 1 с регулятором 2 подачи расплава 
в калибр валков, валок 3 с ручьем и валок 4 с выступом, расположенные 
в станине 5, имеющие полости 6 для охлаждения и образующие закрытый 
калибр, перекрытый на выходе матрицей 7 с клиновидными полостями для 
охлаждения 8. Для поджима матрицы к валкам служит клиновой механизм 9, 
снабженный направляющими роликами 10. За ними расположена моталка 11, 

1 
7 

4 

6 

2 5 3 

Глава 1 

10 

которая обеспечивает смотку готового пресс-изделия в бухту. Устройство 
работает следующим образом. Металл, расплавленный с помощью печимиксера 1, захватывается валками 3 и 4. В процессе работы регулятор 2 дозирует количество металла, подаваемого в калибр валков, уменьшая или 
увеличивая поток расплава. При этом на поверхностях водоохлаждаемых 
валков 3, 4 начинается кристаллизация металла. Далее закристаллизовавшийся в виде заготовки металл обжимается в закрытом калибре, распрессовывается перед матрицей 7 и выдавливается в калибрующее отверстие 
матрицы с образованием пресс-изделия заданной формы и размеров. Выходной конец движущегося пресс-изделия попадает в направляющие ролики 10, которые изменяют его направление движения на 90° и передают на 
моталку 11, где производится смотка в бухту. 
 

 
 
Рис. 1.3. Устройство для непрерывного литья, прокатки и прессования с применением двухвалкового кристаллизатора: 1 – печь-миксер; 2 – регулятор; 3 – валок 
с ручьем; 4 – валок с выступом; 5 – станина; 6 – полости для охлаждения валков; 
7 – матрица; 8 – клиновидные полости; 9 – клиновой механизм; 10 – направляющие ролики; 11 – моталка 
 
Расположение валков в вертикальной плоскости позволяет упростить 
схему обработки металла, так как расплав в данном случае заполняет калибр под собственным весом. При этом роль кристаллизатора выполняют