Введение к работе
Актуальность темы.- Создание новых приемов улучшения комплекса свойств сплавов и на их основе разработка экономных технологий являются проблемами, от решения которых зависит уровень научно-технического прогресса всего промышленного комплекса, и в первую очередь, в материаловедении и технологии обработки металлов. В полной мере это относится- и к сплавам на алюминиевой основе, широко используемых в авиации, ракетостроении, строительстве, водном и морском транспорте, при производстве товаров народного потребления.
Накопленный теоретический и экспериментальный материал в области металловедения и обработки алюминиевых сцлавов позволил разработать и внедрить в практику многочисленные технологические режимы, использующие собственно термическую обработку, различные варианты деформационно-термического воздействия, новые виды поверхностного упрочнения и легирования и др. Здесь следует учесть, что технология получения'полуфабрикатов (особенно с применением обработки давлением) из сплавовна основе алюминия многоэтапна и включает в себя получение литой заготовки, ее подготовительную термическую обработку, деформацию, окончательную термическую обработку. При этом каждая стадия оказывает- наследственное влияние на структуру и свойства полуфабрикатов.
Одним из важных резервов при разработке высокоэффективных технологий, особенно многоэтапных, является подход; основанный на таком формировании параметров предшествующей технологической обработки, при котором материал переводится в состояние, обеспечивающее активизацию необходимых структурных превращений на последующих этапах обработки. Исследования по реализации такого подхода к технологическому процессу производства полуфабрикатов из
алюминиевых сплавов до постановки настоящей работы носили фрагментарный характер, то есть рассматривались взаимосвязи отдельных этапов производства, например «литье— гомогенизация» или «условия прессования — термическая обработка» и т. д.
До настоящего времени не проведен систематический анализ существующих приемов повышения экономичности технологии получения полуфабрикатов, не вскрыты особенности действующих механизмов структурообразовапия при реализации активирующих температурных воздействий, отсутствует и научно-обоснованный подход к выбору параметров обработки и их значений.
В процессе работы над перечисленными выше проблемами удалось решить ряд актуальных задач металловедения и термической обработки, разработать теоретические основы и оптимальные режимы управления структурой и свойствами алюминиевых сплавов в процессе многоэтапных обработок и термоциклировапия литого и деформированного состояний, предложить и реализовать на этой основе комплекс прогрессивных экономных технологий, обеспечивающих улучшение свойств полуфабрикатов из алюминиевых сплавов.
В настоящее время разработки продолжаются в соответствии с программой Минобразования «Конверсия и высокие технологии. 1997—2000 г.г.», направление 03 и планом НИР СамГТУ.
Цель работы. Целью диссертационной работы является установление и исследование общих закономерностей формирования структуры и свойств дисперсиоинотвердеющих алюминиевых сплавов в процессе многооперациопной комбинированной обработки с реализацией активирующих температурных воздействий на этапах кристаллизации заготовок, пластической деформации и термической обработки и. создание, на этой основе экономных технологий, улучшающих комплекс свойств сплавов.
Для достижения указанной цели потребовалось: > ' '.' '
обобщить и систематизировать имеющиеся в литературе сведения об особенностях формирования структуры и свойств алюминиевых сплавов при кристаллизации слитков и отливок, пластической деформации и термической обработке, в том 1;исле термоциклической, и на этой основе обосновать возможности совершенствования этих процессов с целью повышения их эффективности;
с использованием современных методов исследования научить изменения структуры и свойств алюминиевых спла-
bob при варьировании основных параметров тепловых и деформационно-тепловых воздействий при кристаллизации, пластической деформации и термической обработке и развить современные представления о физических процессах и механизмах формирования структуры в условиях повышенной степени неравновесности структурных характеристик;
разработать научные основы совершенствования многоэтапных технологий, позволяющие интенсифицировать необходимые структурные превращения и улучшать комплекс свойств полуфабрикатов;
осуществить постановку и решение задач теплопроводности и термоупругостн нагрева и охлаждения профилей сложной формы и на их основе оценить влияние различных конструктивных и технологических параметров охлаждения на поля температур, напряжений и деформаций при закалочном и последеформационном охлаждениях;
выполнить расчет и оптимизацию литниковой системы при получении отливок сложной конфигурации в кокилях, разработка которой направлена на форсирование заливки и кристаллизации металла;
разработать режимы литья заготовок, пластического формоизменения и термической обработки, повышающие эффективность технологической цепи изготовления полуфабрикатов из алюминиевых сплавов;
разработать эффективные методы оценки сопротивления усталости алюминиевых сплавов для определения качества обработки полуфабрикатов, проведенной по новым режимам;
—на основе обобщенных критериев качества прессованных профилей осуществить выбор оптимальных схем технологического процесса их производства;
— освоить разработанные технологии и режимы в усло
виях промышленного производства.
В целом работа представляет собой теоретическое обобщение закономерностей формирования структуры и свойств алюминиевых сплавов в условиях многоэтапных комбинированных воздействий, на основе которого даны обоснованные технологические решения, направленные на повышение экономичности обработки и улучшение свойств сплавов, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.
Научная новизна. В работе впервые на основе систематических и комплексных исследований установлены и уточнены закономерности формирования структуры и свойств
дисперсионнотвердеющих алюминиевых сплавов в ходе последовательной реализации стадий комбинированной тепловой обработки, включающей этапы литья, промежуточной термической обработки, пластического деформирования и окончательной термической обработки, с использованием новых активирующих температурных воздействий в виде регламентирование ускоренных кристаллизационного и пос-лекристаллизационного охлаждений и охлаждения с температур пластической деформации, а также с температур нагрева под термическую обработку, включая применение Сокращенных изотермических выдержек и термоциклиро-вания.
Установлено, что эффект влияния факторов обработки наследственно проявляется через ряд этапов воздействий, определяя термодинамические и кинетические закономерности структурных превращений.
Предложены физические механизмы, описывающие происходящие структурные изменения в условиях повышенной степени неравновесности структуры, формируемой при активирующих температурных воздействиях.
На основании установленных закономерностей предложен подход к совершенствованию многоэтапных технологических процессов обработки алюминиевых сплавов, заключающийся в таком направленном формировании степени неравновесности структуры по ходу обработки, которое активизирует необходимые структурные превращения и улучшает комплекс свойств.
Разработаны новые эффективные термические и деформационно-термические способы обработки алюминиевых сплавов, использующие указанный подход.
Осуществлена практическая их реализация при производстве отливок и деформированных полуфабрикатов и изделий из алюминиевых сплавов. Новизна разработанных в диссертации способов, режимов и устройств подтверждена 10 авторскими свидетельствами.
Практическая ценность. Практическую ценность работы представляют разработанные подходы к совершенствованию технологических процессов, конкретные технологии и.режимы обработки алюминиевых сплавов.
Разработаны научно-прикладные основы термических и термо-деформационных обработок сокращенной длительности и айробированы новые экономные технологии, позволяющие одновременно улучшать комплекс свойств изделий. 4
Предложенные новые технологические схемы обработки алюминиевых сплавов включают:
использование сокращенного цикла пребывания отливки в форме и ускоренного охлаждения отливки после извлечения из формы;
ускоренную термическую обработку слитков из алюминиевых сплавов перед пластической деформацией, предусматривающую замену длительной гомогенизации кратковременным нагревом с ускоренным охлаждением;
реализацию ускоренного охлаждения заготовок с температуры окончания пластической деформации при прессовании или штамповке;
варианты окончательной термической обработки (закалка н старение) с уменьшенной продолжительностью временных параметров;
варианты деформационно-термической обработки с использованием, в ряде случаев, термоциклирования, обеспечивающие повышение уровня свойств;
реализацию быстрого охлаждения сплава из расплавленного состояния с последующей пластической деформацией, так и без нее, что позволяет получать материал повышенной прочности, а также дает возможность отказаться от операций собственно термической обработки.
Приоритет разработок подтверждается авторскими свидетельствами (А. С. №№ 817088, 1039980, 1043181, 1216225, 1189886, 1421804, 1194897, 133916!, 1835432).
Разработан метод экспрессного определения усталостной прочности алюминиевых сплавов, основанный на оценке способности упрочняющих выделений сопротивляться растворению под действием циклической нагрузки на основе их поведения при тепловой обработке. Приоритет метода подтвержден А. С. № 1037126.
Высокая эффективность предложенных технологий и режимов, а также их реализация на большой группе сплавов, создают предпосылки для широкого их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях.
Результаты работы внедрены, внедряются или прошли апробацию на ряде промышленных предприятий, в том числе: АО АвтоВАЗ, Самарская металлургическая компания, АО Международная авиационная корпорация, ПО ЗИМ, Поволжский НИИМТД и др.
Экономический эффект составил около 41100 тыс. руб. в год в ценах разных лет (из них 180 тыс. руб. в ценах до 1992 года).
Часть результатов диссертационной работы может быть использована и используется при чтении лекций в высших учебных заведениях (Самарский государственный технический университет; курсы, связанные с металловедением и обработкой цветных сплавов). Направление исследований, выполненных в работе, легло в основу магистерской подготовки при кафедре «Материаловедение в машиностроении!!» СамГТУ.
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:
теоретическое обобщение известных и собственных результатов исследований по анализу изменений структуры и свойств алюминиевых сплавов в ходе последовательной реализации стадий комбинированных тепловых воздействий, включающих этапы литья, пластического деформирования, промежуточной и окончательной термической обработки, то есть вопросы теории обработки алюминиевых сплавов, обеспечивающие совершенствование процессов промышленной технологии, управление качеством изделий и снижение расхода материальных ресурсов;
основные закономерности влияния параметров многоэтапной комбинированной обработки на состояние алюминиевых сплавов с преимущественным влиянием активирующих температурных воздействий и учетом их наследственного проявления через ряд этапов обработки, представления о механизмах, описывающих происходящие структурные изменения в условиях повышенной степени неравновесности структурных характеристик;
результаты совершенствования многоэтапных технологических процессов, предусматривающего назначение режимов обработки исходя из целесообразности управления степенью неравновесности структуры сплава на каждой стадии технологии, которое направлено на активизацию необходимых структурных превращений на последующих этапах;
предложенные способы и экономные режимы тепловой обработки литых и деформированных изделий, позволяющие улучшать комплекс свойств сплавов; способ экспрессной оценки усталостной долговечности алюминиевых сплавов в состоянии после зонного и фазового старения;
постановка и решение задач теплопроводности при термической обработке изделий сложной конфигурации в спрейерных устройствах (с последующим расчетом полей напряжений и деформаций) и формировании литой заготовки в системе «кокиль с проточным охладителем—отливка».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:
Всесоюзных и международных конференциях по физике прочности и пластичности (г. Самара, 1979, 1983, 1986, 1989, 1992 и 1995 г.г.); VIII Всесоюзной конференции по усталости металлов (г.Москва, 1982г.); Всесоюзной конференции «Термоциклическая обработка металлических изделий» (г. Ленинград, 1982 г.); IV Всесоюзной конференции по текстурам и рекристаллизации в металлах и сплавах (г. Горький, 1983 г.); семинаре ««Термическая обработка стали и сплавов» (г. Киев, 1983 г.); X Всесоюзной научно-технической конференции по прессованию металлов и сплацов (г. Каменск-Уральский, 1985 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Новые материалы и упрочняющие технологии на основе прогрессивных методов термической и химико-термической обработки в автостроении» (г. Москва, 1986 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения» (г. Куйбышев, 1989 г.); научно-технической конференции «Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки деталей машин и инструмента» (г. Пенза, 1990 г.); зональной научно-технической конференции «Разработка технологических процессов литья, проектирования оснастки и анализ качества отливок с использованием ЭВМ (г. Ярославль, 1990 г.); II Всесоюзной научно-технической конференции с участием иностранных специалистов «Совершенствование металлургической технологии в машиностроении» (г. Волгоград, 1991 г.); IX Межотраслевой конференции «Опыт и перспективы применения композиционных материалов в машиностроении» (г. Самара, 1994 г.); Международной і а\'ч о-практическои конференции «Проблемы рпзвитт автомобилестроения в России» (г. Тольятти, 1996, 1997 г.г.); симпозиуме «Синергетика, Структура и свойства материалов. Самоорганизующиеся технологии» (г. Москва, 1996 г.).
Публикагии. По материалам диссертации опубликовано 46 печатных работ (в том числе монография и учебное пособие), получено 10 авторских свидетельств.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы 265 наименований и приложения. Работа содержит 360 страниц, в том числе 190 страниц машинописного текста, 132 рисунка, 65 таблиц.
