Влияние температуры деформации на структуру и свойства прессованных профилей сплава В-1341 системы Al–Mg–Si
Приведены результаты исследования влияния температуры деформации на структуру и механические свойства прессованных профилей сплава В-1341 системы Al–Mg–Si, дополнительно легированного малыми добавками кальция, при производстве в промышленных условиях металлургического завода ОАО «КУМЗ». Прессование проводили при низкой (300–350°С) и высокой (450–500°С) температурах. Приведены коррозионные свойства (склонность к межкристаллитной и расслаивающей коррозии) профилей после прессования при разных температурах. Проведено сравнение механических свойств после термической обработки в лабораторных и цеховых условиях.
Введение
Создание конкурентоспособных на мировом рынке изделий авиационной и космической техники и изделий двойного назначения нового поколения требует разработки и освоения промышленного производства новых материалов, в том числе алюминиевых деформируемых сплавов с требуемым комплексом механических, коррозионных и эксплуатационных свойств [1–5].
Сплавы системы Al–Mg–Si обладают высокой технологичностью при прессовании в сочетании с относительно высокой прочностью и высокой коррозионной стойкостью [6, 7] и свариваемости, благодаря чему интерес к ним для применения в авиа- и машиностроении растет год от года [8]. Однако на механические свойства прессованных профилей, помимо других факторов, сильно влияет конечный размер зерна. В частности, локальная рекристаллизация на периферии профиля, известная как крупнокристаллический ободок (ККО), уменьшает ресурсные характеристики (выносливость), а также коррозионную стойкость [9].
В исследованиях различных авторов показано, что причиной образования ККО могут служить как неоднородность химического состава и микрохимия периферийных зон профилей [10], связанные с внутрикристаллической ликвацией марганца (или хрома) [11], так и параметры деформации при прессовании [12], а также проводятся работы по детальному исследованию изменения микроструктуры периферийных зон прессованных полуфабрикатов сплавов системы Al–Mg–Si с целью установления закономерностей периферийной рекристаллизации, роста зерна и образования ККО [13].
При прессовании прямым методом (без смазки контейнера) структура и механические свойства изделий из ряда алюминиевых сплавов системы Al–Mg–Si могут быть неравномерными по сечению и длине. Это объясняется неравномерным истечением металла в результате влияния большой силы трения между поверхностями слитка и контейнера. Возникает смещение внутренней части слитка относительно наружных слоев и образуются два объема деформации – центральный и периферийный, значительно отличающиеся по характеру и степени деформации. В центральном объеме деформация происходит под действием всестороннего неравномерного сжатия и зерна вытягиваются без разрушения границ. Деформация в периферийном объеме неравномерная и имеет «турбулентный» характер. Физическая степень деформации очень высокая. Распространение зоны этого вида деформации по сечению изделия возрастает с увеличением степени деформации при прессовании: она может занимать все сечение или образовывать ободок, ширина которого уменьшается от пресс-остатка к выходному концу изделия. Ободок также сохраняется в штамповках, изготовленных из прессованной заготовки с ККО. Зона ККО в массивных прессованных изделиях имеет повышенную склонность к образованию трещин при закалке [13].
Сплав В-1341 системы Al–Mg–Si разработан ведущими специалистами-материаловедами ФГУП «ВИАМ» [14, 15]. Листы из него при средней прочности имеют высокую коррозионную стойкость и технологичность при холодном формообразовании, хорошо свариваются. Сплав дополнительно легирован модифицирующими добавками кальция, который измельчает зерно и снижает склонность к образованию горячих трещин, что отражено во многих работах по промышленному освоению и всесторонним исследованиям листов из этого сплава [16–19].
В работах многих авторов [20–23] установлено положительное влияние кальция на структуру, механические свойства, технологичность и свариваемость некоторых алюминиевых сплавов. По мнению других авторов механизм влияния кальция на свойства алюминиевых сплавов определяется системой легирования и является довольно сложным и малоизученным [24]. Но, несмотря на это, в последние годы наблюдается тенденция по введению кальция в качестве легирующего элемента в алюминиевые как деформируемые, так и литейные [25, 26], и магниевые сплавы, о чем свидетельствуют многочисленные работы [27–29].
Благодаря тому, что сплав В-1341 обладает высокой технологичностью при литье и обработке давлением, помимо листов возможно изготовление широкой номенклатуры полуфабрикатов – например прессованных профилей. В данной работе приведены результаты исследований влияния температуры деформации на структуру и свойства массивных прессованных профилей из сплава В-1341 при изготовлении на промышленном оборудовании одного из ведущих металлургических предприятий России – ОАО «КУМЗ», которое уделяет большое внимание освоению производства полуфабрикатов из новых и перспективных алюминиевых сплавов [30].
Работа выполнена в рамках реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» по комплексной научной проблеме 10.10. «Энергоэффективные, ресурсосберегающие и аддитивные технологии изготовления деформируемых полуфабрикатов и фасонных отливок из магниевых и алюминиевых сплавов» [31].
Материалы и методы
Исследования проведены на опытно-промышленных партиях прессованных профилей шифра НП10 из сплава В-1341 производства ОАО «КУМЗ» (рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид прессованного профиля шифра НП10 из сплава В-1341 (а) и схема его сечения (б)
Прессование профилей проведено при двух температурах из цилиндрических слитков Ø360 мм двух плавок (плавка №1 и №2), схожих по химическому составу, который удовлетворяет требованиям нормативной документации на сплав В-1341 (ОСТ1 90048и ТУ).
Режимы изготовления профилей:
– режим 1.1 – плавка №1, температура нагрева заготовок под прессование 450–500°С, температура нагрева контейнера 400–450°С;
– режим 1.2 – плавка №1, температура нагрева заготовок под прессование 300–350°С, температура нагрева контейнера 300–350°С;
– режим 2.1 – плавка №2, температура нагрева заготовок под прессование 450–500°С, температура нагрева контейнера 400–450°С;
– режим 2.2 – плавка №2, температура нагрева заготовок под прессование 300–350°С, температура нагрева контейнера 300–350°С.
Прессование проводили прямым методом на горизонтально-гидравлическом прессе усилием 5000 тс из контейнера Ø370 мм с использованием одноочковой матрицы с вытяжкой 9,4 со скоростью истечения металла 0,6–0,9 м/мин.
Исследования профилей плавки №1 проведены на 20 образцах для оценки разброса значений механических свойств при растяжении по сечению профиля (рис. 2); исследования профилей плавки №2 – на образцах, отобранных из двух зон по сечению (рис. 1): образец А – место отбора образцов по чертежу при оценке сдаточных характеристик, образец Б – дополнительный образец для оценки уровня прочностных свойств в «тонкой» части профиля.
Для оценки влияния температуры деформации на комплекс свойств от выходного и утяжинного концов профилей обеих плавок отобраны образцы для исследования структуры, механических (σв, σ0,2, δ) и коррозионных свойств (МКК, РСК) в состоянии полной термической обработки Т1 (закалка, правка растяжением со степенью остаточной деформации 3,0–3,5%, искусственное старение) в цеховых условиях.
Рис. 2. Схема отбора образцов из прессованного профиля шифра НП10 из сплава В‑1341 для испытания механических свойств при растяжении
Проведено также исследование механических свойств после термической обработки в лабораторных и цеховых условиях. Образцы отбирали из профилей плавки №1 с выходного конца.
Исследование структуры проведено в соответствии с МР21-31–85; механических свойств – по ГОСТ 1497; МКК – по ГОСТ 9.021 в рабочих емкостях при полном погружении образцов в раствор 1 в течение 24 ч при 30°С; РСК – по ГОСТ 9.904 в рабочих емкостях при полном погружении образцов в раствор 4 в течение 7 сут.
Результаты
В табл. 1 приведены результаты испытания механических свойств при растяжении профилей, термообработанных в лабораторных условиях (закалка и искусственное старение).
Таблица 1
Механические свойства профилей из сплава В-1341
(закалка и искусственное старение в лаборатории)
Режим изготовления | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % |
1.1 | 345–380 | 315–365 | 12,0–16,0 |
1.2 | 315–330 | 290–305 | 14,0–18,0 |
Требования по ТУ | 295 | 280 | 10,0 |
В табл. 2 приведены свойства профилей, закаленных и правленых в цеховых условиях, искусственное старение в лаборатории.
Таблица 2
Механические свойства профилей из сплава В-1341
(цеховая закалка, искусственное старение в лаборатории)
Режим изготовления | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % |
1.1 | 355* 370–395 | 345* 350–375 | 8,5* 11,0–14,0 |
1.2 | 325–335 | 295–310 | 10,5–15,0 |
Требования по ТУ | 295 | 280 | 10,0 |
* Образец №1 не удовлетворяет требованиям ТУ по значениям δ. | |||
В табл. 3 приведены свойства прессованных профилей из сплава В-1341, термообработанных в цеховых условиях.
Таблица 3
Механические свойства профилей из сплава В-1341
(термообработка в цехе)
Режим изготовления | Место отбора образцов | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % |
1.1 | Выход | 340–375 | 330–365 | 10,5–13,0 |
Утяжина | 285* 325–380 | 280* 320–370 | 9,0* 10,5–14,0 | |
1.2 | Выход | 310–325 | 300–315 | 10,0–15,0 |
Утяжина | 320–325 | 305–315 | 11,0–15,0 | |
2.1 | Выход | 375–380 | 355–370 | 10,5–11,0 |
Утяжина | 380–385 | 360–365 | 11,5–14,5 | |
2.2 | Выход | 315–330 | 310–315 | 12,0–15,0 |
Утяжина | 315–320 | 305–310 | 13,0–13,5 | |
Требования по ТУ | – | 295 | 280 | 10,0 |
* Четыре образца (№1, 11, 19, 20) не удовлетворяют требованиям ТУ по значениям σв, из них два – по σ0,2 и один – по δ. | ||||
На рис. 3–5 приведена макро- и микроструктура профилей после прессования при различных температурах.
Рис. 3. Макроструктура профиля шифра НП10 из сплава В-1341 (плавка №1) после прессования при высокой (а, б) и низкой (в, г) температуре – утяжинный (а, в) и выходной (б, г) конец
Рис. 4. Макроструктура профиля шифра НП10 из сплава В-1341 (плавка №2) после прессования при высокой (а, б) и низкой (в, г) температуре – утяжинный (а, в) и выходной (б, г) конец
Рис. 5. Микроструктура периферийной и центральной зон профиля шифра НП10 из сплава
В-1341-Т1 – выходной (а) и утяжинный(б) конец
Таблица 4
Коррозионные свойства профилей из сплава В-1341-Т1
Режим изготовления | Место отбора образцов | РСК, балл | МКК, мм |
1.1 | Выход | 3 | Отсутствует |
Утяжина | |||
1.2 | Выход | ||
Утяжина | |||
2.1 | Выход | 3–4 | 0,09 |
Утяжина | 0,14 | ||
2.2 | Выход | 2–3 | 0,07 |
Утяжина | 3 | 0,11 |
В табл. 4 приведены результаты испытаний прессованных профилей на склонность к расслаивающей (РСК) и межкристаллитной (МКК) коррозии.
Обсуждение и заключения
Термическая обработка в лабораторных условиях образцов плавки №1 позволяет получить на профилях, изготовленных при низкой и высокой температуре, уровень прочностных характеристик, удовлетворяющий требованиям ТУ.
Уровень механических свойств прессованных профилей шифра НП10 из сплава В-1341, термообработанных в лаборатории (табл. 1) и закаленных в цехе (табл. 2), позволяет сделать вывод, что при исследованиях по подбору режимов термической обработки можно руководствоваться данными, полученными в лабораторных условиях. При этом стоит отметить и принимать во внимание тот факт, что после полной термообработки в лаборатории уровень значений предела прочности и условного предела текучести несколько ниже, чем после закалки и правки в цеховых условиях и искусственного старения в лаборатории. Это объясняется отсутствием операции правки растяжением между закалкой и искусственным старением при проведении термической обработки в лаборатории.
После проведения в цехе полной термической обработки всех партий профилей уровень прочностных характеристик удовлетворяет требованиям ТУ (табл. 3). При прессовании при высокой температуре (450–500°С) свойства профилей выше, чем при низкой (400–350°С). Однако в профилях партии 1.1 существует разброс значений механических свойств по сечению – на четырех образцах (№1, 11, 19, 20), расположенных в «углах» профиля в зоне максимального трения между заготовкой и оснасткой при прессовании, наблюдается отклонение по значениям свойств (ниже уровня по ТУ). Аналогичная картина, но в меньшем объеме (отклонение по значению относительного удлинения) выявлена при проведении искусственного старения образцов в лабораторных условиях (табл. 2).
В макроструктуре профилей, отпрессованных при высокой температуре, обеих плавок можно наблюдать крупнокристаллический ободок как с выходного так и с утяжинного концов (рис. 3, а, б и рис. 4, а, б), который может являться одной из причин отклонений по уровню значений механических свойств на партии 1.1. Макроструктура профилей, отпрессованных при низкой температуре, с обоих концов однородная мелкозернистая по всему сечению, дефектов в виде плен, неметаллических включений и пористости не обнаружено (рис. 3, в, г и рис. 4, в, г).
Микроструктура профилей всех исследуемых партий представляет собой тонкую волокнистую субзеренную структуру на периферии и более крупнозернистую в центре (рис. 5).
Таким образом, можно сделать вывод, что прессование при низкой температуре (300–350°С) позволяет получить на профилях из сплава В-1341 мелкозернистую равноосную структуру и стабильный по длине профиля уровень прочностных характеристик, удовлетворяющий требованиям ТУ. Прессование при высокой температуре (450–500°С) также позволяет получить профили с уровнем механических свойств выше, чем при низкой температуре, однако возможны отклонения по значениям механических свойств. На периферии по сечению появляются довольно большие зоны с крупнокристаллической структурой, которая может привести к снижению ресурсных характеристик и коррозионной стойкости при эксплуатации в конструкции. Результаты исследования склонности к МКК и РСК это подтверждают (табл. 4).
Экономический эффект прессования при более низкой температуре очевиден – снижение времени и энергозатрат на нагрев заготовок и оснастки перед прессованием и, как следствие, увеличение производительности оборудования, снижение расхода электроэнергии и стоимости единицы продукции.
Благодарности
Авторы статьи выражают благодарность специалистам ОАО «КУМЗ» И.П. Бурляевой, Б.В. Овсянникову и Е.Г. Булгаковой, которые внесли неоценимый вклад в проведенную работу.
- Фридляндер И.Н. Воспоминания о создании авиакосмической и атомной техники из алюминиевых сплавов. М.: Наука, 2005. 277 с.
- Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ткаченко Е.А., Вахромов Р.О. Алюминиевые деформируемые сплавы // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 167–182.
- Каблов Е.Н. Материалы для изделия «Буран» – инновационные решения формирования шестого технологического уклада // Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 3–9.
- Каблов Е.Н. Материалы для авиакосмической техники // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2007. №5. С. 7–27.
- Доспехи для «Бурана». Материалы и технологии ВИАМ для МКС «Энергия–Буран» / под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: Наука и жизнь, 2013. С. 12.
- Махсидов В.В., Колобнев Н.И., Каримова С.А., Сбитнева С.В. Взаимосвязь структуры и коррозионной стойкости в сплаве 1370 системы Al–Mg–Si–Cu–Zn // Авиационные материалы и технологии. 2012. №1. С. 8–13.
- Hirsch J. Virtual fabrication of aluminium products. Microstructural modeling in Industrial Alumi-nium Production. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Weinheim, 2006.
- Колобнев Н.И., Бер Л.Б., Хохлатова Л.Б., Рябов Д.К. Структура, свойства и применение сплавов системы Al–Mg–Si–(Cu) // МиТОМ. 2011. №9. С. 40–45.
- Očenášek V., Sedláček P. The effect of surface recrystallized layers on properties of extrusions and forgings form high strength aluminium alloys // 20-th International Conference on Metallurgy and Materials. Brno, 2011. P. 853–860.
- Byrol Y. The effect of processing and Mn content on the T5 and T6 properties of AA6082 Profiles // Journal of Material Processing Technology. 2006. No. 173. P. 84–91.
- Арчакова З.Н., Балахонцев Г.А. и др. Алюминиевые сплавы. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: справочник. М.: Металлургия, 1974. 432 с.
- Sweet E.D., Caraher S.K., Danilova N.V., Zhang X. Effect of Extrusion Parameters on Coarse Grain Surface Layer in 6xxx-Series Extrusions // Proceedings of the 8th International Aluminum Extrusion Technology Seminar. V. 1. Orlando, 2004. P. 115–126.
- Sherstnev P., Zamani A. Modeling of static and geometric dynamic recrystallization during hot extrusion of Al–Mg–Si alloy // Materials Science Forum. 2014. V. 794–796. P. 728–733.
- Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Колобнев Н.И., Ткаченко Е.А. И.Н. Фридляндер и его сплавы // Цветные металлы. 2013. №9. С. 28–29.
- История авиационного материаловедения. ВИАМ – 80 лет: годы и люди / под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ, 2012. С. 152.
- Грушко О.Е., Овчинников В.В., Алексеев В.В., Гуреева М.А., Шамрай В.Ф., Клочков Г.Г. Структура, способность к выдавке и свариваемость листов из сплавов системы Al–Mg–Si // МиТОМ. 2007. №7 (625). С. 15–22.
- Ovsyannikov B.V., Grushko O.E., Klochkov G.G., Varchenya P.A., Bulgakova E.G., Popov V.I. Industrial development of hi-tech alloy B-1341 of Al–Mg–Si system alloyed by calcium // Proceedings of the 11 ICAA. 2008. V. 1. P. 222–228.
- Klochkov G.G., Grushko O.E., Ovchinnikov V.V., Shamray V.F., Girsh R.I. The structure, formability and weldability of B-1341 Al–Mg–Si alloy sheets // Ibid. P. 241–247.
- Клочков Г.Г., Грушко О.Е., Попов В.И., Овчинников В.В., Шамрай В.Ф. Структура, технологические свойства и свариваемость листов из сплава В-1341 системы Al–Mg–Si // Авиационные материалы и технологии. 2011. №1. С. 3–8.
- Курдюмов А.В., Инкин С.В., Чулков В.С., Шадрин Г.Г. Металлические примеси в алюминиевых сплавах. М.: Металлургия, 1988. 143 с.
- Грушко О.Е., Иванова Л.А., Инкин С.В. и др. Влияние примесных элементов на технологическую пластичность алюминиево-литиевых сплавов // Технология легких сплавов. 1992. №1. С. 53–56.
- Грушко О.Е., Шевелёва Л.М. Примеси щелочных и щелочно-земельных металлов в алюминиево-литиевом сплаве 1420 // Цветные металлы. 1994. №4. С. 48–52.
- Hyung-Won Park, In-Sang Jeong, Yeong-Hwa Kim, Su-Gun Lim. Effect of Ca addition on microstructure of semi-solid Al–Zn–Mg al alloys during reheating // Proceedings of the 12 ICAA. 2010. P. 1726–1729.
- Trond Furu, Nadia Telioui, Carl Behrens, Jochen Hasenclever, Paul Schaffer. Trace elements in aluminium alloys: their origin and impact on processability and product properties // Ibid. P. 282–289.
- Дриц А.М., Рохлин Л.Л., Добаткина Т.В., Никитина Н.И., Тарытина И.Е. Исследование влияния дополнительного легирования на окисляемость при нагреве сплавов алюминия с магнием // Цветные металлы. 2011. №6. С. 67–71.
- Стригавкова Е., Вайс В., Михна С. Исследование структуры и жидкотекучести сплава системы Al–Si–Mg с различным содержанием кальция // Металлург. 2012. №9. С. 84–88.
- Рохлин Л.Л., Добаткина Т.В., Никитина Н.И., Тарытина И.Е. Свойства магниевых сплавов, легированных кальцием // Металлургия машиностроения. 2008. №2. С. 31–35.
- Рохлин Л.Л. и др. Магниевые сплавы, легированные кальцием // МиТОМ. 2009. №4. С. 14–19.
- Белов В.Д., Колтыгин А.В., Белов Н.А., Плисецкая И.В. Инновации в области литейных магниевых сплавов // Металлург. 2010. №5. С. 67–70.
- Скорняков В.И., Антипов В.В., Семовских С.В. Развитие металлургического производства Каменск-Уральского металлургического завода для полуфабрикатов из новых алюминиевых сплавов // Цветные металлы. 2013. №9. С. 30–33.
- Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-3-33.