Введение к работе
Актуальность работы. Развитие современного машиностроения, в первую очередь, обусловлено и связано с разработкой и использованием высокопроизводительных металлосберегающнх технологий, повышающих качество деталей. D связи с этим в последнее время возрос интерес к технологическим процессам литья, в которых металлы и сплавы кристаллизуются под давлением. Одним из таких процессов является жидкая штамповка, которая совмещает в одной операции литье и горячую объемную штамповку. При этом основной особенностью жидкой штамповки является приложение и действие давления па кристаллизующийся материал, начиная с температурной области расплава и заканчивая температурной областью сплава в полностью твердом состоянии.
Жидкой штамповке, главным образом, подвергаются литейные алюминиевые сплавы, преимущественно силумины, которые обладают высокой жидкотекучестыо и малой усадкой. Это позволяет изготавливать детали сложной формы с довольно высокими для литейных сплавов механическими свойствами. Для того чтобы дополнительно повысить уровень свойств необходимо применять сплавы, обладающие повышенной конструкционной прочностью. К таким сплавам относятся деформируемые термоупрочняемые алюминиевые сплавы, однако жидкотекучесть таких сплавов невысока. Решением проблемы может являться разработка новой технологической схемы изготовления деталей, основанной на способе жидкой штамповки. При этом превалирующий вклад в процесс будет вносить горячее деформирование закристаллизовавшейся твердой фазы. Такая технологическая схема может заключаться в непрерывном формообразовании в условиях жидко-твердого/твердого состояния.
Цель работы: на примере деформируемого алюминиевого сплава Діб оценить потенциал повышения уровня механических свойств с учетом выявленных структурных изменений, происходящих в жидко-твердом и твердом состоянии, и разработать технологическую схему обработки на основе жидкой штамповки.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
-
Изучить влияние режимов жидкой штамповки (величины приложенного давления и температуры штамповой оснастки) на структуру и механические свойства сплава.
-
Исследовать механическое поведение и изменение структуры сплава, подвергнутого жидкой штамповке, при последующей горячей деформации в интервале температур 530...460 С.
-
Предложить феноменологическую модель, описывающую формирование структуры сплава в условиях жидко-твердого/твердого состояния.
-
Разработать технологическую схему получения заготовок на основе жидкой штамповки.
5) Продемонстрировать практическую возможность применения разработанной технологической схемы на примере изготовления заготовок автомобильных колес.
Научная новизна.
-
Установлены закономерности структурных изменений алюминиевого сплава Діб в зависимости от режимов жидкой штамповки. Показано, что при температурах штамповой оснастки 300...400 С и при всех исследованных давлениях (105...705 МПа) после термической обработки на максимальную прочность на периферии заготовок наблюдается смешанная структура, состоящая из слоя мелких рекристаллизованных зерен, слоя крупных вытянутых зерен с развитой субструктурой внутри и дендритных кристаллов. Рекристаллизованная структура формируется в результате горячей деформации при температурах 520...500 С и степенях деформации > 0,14 за счет усадки материала при кристаллизации.
-
Выявлены закономерности изменения механических свойств сплава Діб в зависимости от режимов жидкой штамповки с последующей термообработкой на максимальную прочность. Отмечено, что увеличение давления (от 105 до 705 МПа) и температуры штамповой оснастки (от 200 до 400 С) приводят к росту уровня прочностных характеристик сплава до значений, наблюдаемых в горячедеформированном состоянии.
-
Разработана феноменологическая модель, описывающая особенности формирования структуры сплава Діб в условиях жидко-твердого/твердого состояния. Модель демонстрирует формирование рекристаллизованных зерен по границам дендритных кристаллов, происходящее в результате развития непрерывной динамической рекристаллизации в местах наибольшей локализации пластической деформации при зернограничном проскальзывании.
Практическая значимость.
-
Определены режимы жидкой штамповки (давление 420 МПа и температура штамповой оснастки 400 С) с последующей термической обработкой на максимальную прочность, обеспечивающие высокий уровень прочностных свойств (ов = 455 МПа, ст0,2= 365 МПа) и удовлетворительную пластичность (5 = 5%) сплава Діб.
-
Разработана технологическая схема изготовления заготовок из сплава Діб путем непрерывного формообразования в условиях жидко-твердого/твердого состояния, основанная на способе жидкой штамповки.
-
Продемонстрирована практическая возможность изготовления заготовок автомобильных колес согласно разработанной технологической схеме.
-
Разработаны технологические рекомендации «Изготовление заготовок автомобильных колес из алюминиевых сплавов методом жидкой штамповки».
На защиту выносятся:
1) Закономерности влияния режимов жидкой штамповки на формирование структуры и механические свойства алюминиевого сплава Діб.
-
Результаты исследования влияния высоких гомологических температур при горячей деформации на структурные изменения и механические свойства сплава Діб, подвергнутого жидкой штамповке.
-
Феноменологическая модель, описывающая структурные изменения, происходящие в сплаве Діб в жидко-твердом/твердом состоянии.
-
Технологическая схема непрерывного формообразования заготовок в жидко-твердом/твердом состоянии, основанная на способе жидкой штамповки.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с Планом НИР Учреждения Российской академии наук Института проблем сверхпластичности металлов РАН по теме: «Исследование влияния температурно-силовых параметров кристаллизации под высоким давлением на структуру, формируемую в условиях жидко-твердого перехода, и механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов» (№ гос. per. 01200703958).
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Международных семинарах «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов» - «ДСМСМС - 2005» и «ДСМСМС-2008» (18-22 апреля 2005г, 10-14 апреля 2008г, Екатеринбург), I и II открытых школах-конференциях стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы - 2008» (4-9 августа, 2008г, 11-15 октября, 20 Юг, Уфа), III международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» («DFMN - 2009») (12-15 октября 2009г., Москва), Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (27-28 октября 2009г., Уфа), 5-ом Всероссийском зимнем школе-семинаре аспирантов и молодых ученых (с международным участием) «Актуальные проблемы науки и техники» (17-20 февраля 2010г., Уфа), XI Международном школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (ЭДС-2010) (Об- 10 сентября 2010г., Барнаул).
Вклад автора. Соискатель лично проводил исследования процессов структурообразования в сплаве Діб, оценивал их механические свойства после жидкой штамповки и горячей деформации, а также принимал непосредственное участие в интерпретации и обсуждении результатов экспериментов, подготовке и написании статей.
Достоверность результатов диссертационной работы обусловлена использованием взаимодополняющих методов исследования микроструктуры при достаточной статистической обработке. Оценка механических свойств сплава проведена в соответствии с ГОСТ 1497 - 84 и ГОСТ 9450 - 76.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 8 научно-технических публикациях, из них - 2 статьи в изданиях, включенных в перечень журналов, рекомендованных ВАК.
Структура и обьем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 115
страницах, содержит 48 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 145 наименований.
