Введение к работе
Сверхпластическая формовка (СПФ) листовых заготовок может обеспечить повышение качества и эффективности производства изделий в условиях мелко- и среднесерийного производства. Основа сверхпластичности - структура с размером зерна менее 10 мкм. Наиболее распространенные методы позволяют получить зерно не менее 9-10 мкм, поэтому реализуемые скорости сверхпластической деформации (СПД) не превышают 5x10" с" . Сверхпластическая формовка даже не очень сложных деталей с такой скоростью требует значительного времени при формовке, а для среднесерийного производства, например, автомобильных деталей, требуется, по крайней мере, на порядок больше скорость. В этой связи представляет интерес получение более мелкозернистой структуры сплавов, которая обеспечит большие скорости формования.
Рекристаллизационный отжиг деформированного металла - наиболее эффективный способ управления размером зерна разных сплавов. Известно, что кроме степени деформации, температуры и скорости нагрева на размер рекристаллизованного зерна влияют частицы избыточных фаз. Методы, используемые для формирования микрозеренной структуры в алюминиевых сплавах, основаны на создании гетерогенной структуры с частицами избыточных фаз, которые способны изменять дислокационную структуру, формирующуюся при холодной деформации и влиять на кинетику рекристаллизации сплавов - на зарождение новых зерен и их рост.
Из литературных данных известно, что микрозеренная структура в алюминиевых сплавах формируется при наличии добавок различных переходных металлов, таких как хром, цирконий, марганец, скандий. Частицы фаз таких металлов, за счет значительной дисперсности (менее 0,1 мкм), сдерживают миграцию границ зерен и повышают показатели СПД. Скандий и цирконий в больших количествах могут тормозить рекристаллизацию вплоть до подсолидусных температур, как, например, в сплаве типа Supral 100, содержащем 0,4 - 0,5 % Zr или сплаве 1570 со скандием. Рекристаллизованное зерно в таких сплавах формируется на начальных стадиях сверхпластической деформации, что обеспечивает повышенные удлинения и скорости деформации. Положительное влияние скандия на показатели сверхпластичности в большинстве сплавов неоспоримо, но скандий значительно удорожает сплавы. Актуальным для исследования остается изучение влияния циркония, хрома и марганца на зеренную структуру и показатели сверхпластичности в сплавах.
Среди прочих сплавов для сверхпластической деформации, можно отметить сплавы систем А1 - Са - Zn и А1 - Са - Si, с большой долей эвтектической составляющей, которые обладают высокими показателями сверхпластичности. Влияние частиц фаз эвтектического, кристаллизационного происхождения на процессы рекристаллизации изучены слабо. В зависимости от размера и объемной доли, частицы могут увеличивать количество зародышей и также
сдерживать рост уже сформировавшихся зерен, в результате чего, уменьшать размер рекристаллизованного зерна. В выбранных системах эвтектического типа Al-Mg-Si, Al-Ni, Al-Ni-Ce и Al-Cu-Ce можно варьировать объемную долю частиц, эвтектического происхождения, изменяя процентное содержание легирующих элементов и их размер, благодаря изменению технологических параметров.
Цель работы
Целью данной работы являлось выявление закономерностей влияния частиц различной дисперсности на рекристаллизацию, использование их как инструмента для формирования мелкозернистой структуры и получения сверхпластичности с повышенными скоростями деформации в алюминиевых сплавах.
Для достижения этой цели были поставлены задачи изучить:
Влияние частиц фаз эвтектического происхождения на процессы рекристаллизации, размер зерна и показатели сверхпластичности.
Влияние переходных элементов - циркония, хрома, марганца в сплавах твердых растворах и сплавах с эвтектической составляющей на структуру и показатели сверхпластичности.
Возможность применения гетерогенизационного отжига для получения микрозе-ренной структуры в сплавах матричного типа систем Al-Zn-Mg и Al-Mg-Si, и в сплавах с эвтектической составляющей.
Исследование влияния технологических факторов производства листов выбранных сплавов на их структуру и показатели сверхпластичности и разработка оптимальной технологии получения листов с повышенными показателями сверхпластичности.
Научная новизна
В сплавах разных систем эвтектического типа на основе алюминия, исследовано влияние изменения объемной доли частиц разного размера на разупрочнение при 0,6-0,8Тпл и на размер рекристаллизованного зерна холоднокатаных листов после отжига при 0,95Тпл. Показано, что мелкие частицы эвтектических фаз, средним размером 0,3 - 0,7 мкм при увеличении их объемной доли либо не влияют, либо снижают степень и скорость разупрочнения, т.е. тормозят процессы рекристаллизации. В сплавах с размерами частиц эвтектических фаз от 1-2 мкм увеличение объемной доли до 18 - 21% активирует разупрочнение, что объяснено увеличением количества крупных частиц, инициирующих зарождение новых зерен при рекристаллизации.
Установлено, что в эмпирическом уравнении, подобном линейному уравнению Зинера-Смита, описывающем зависимость размера зерна от соотношения размера частиц к их объемной доле, коэффициент угла наклона к < 1 в случае, если достаточно крупные частицы формируют зародыши рекристаллизации и тормозят рост зерен, и к > 1, если частицы только сдерживают миграцию границ зерен.
Все частицы со средним размером более 0,7 мкм способствуют зародышеобразованию при нагреве после холодной деформации, однако в сплавах эвтектического типа с объемной долей частиц 10-20% для получения наиболее мелкозернистой структуры средний размер частиц не должен превышать 1-2 мкм, так как при дальнейшем увеличении размеров частиц при той же объемной доле уменьшается количество частиц, вблизи которых формируются зародыши.
Практическая значимость работы
Разработана и защищена Ноу-Хау № 285-013-2008 технология получения сверхпластичного листа сплава системы Al-Zn-Mg-Cu-Ni-Zr, включающая традиционные операции получения листа - гомогенизационный отжиг, горячую деформацию, смягчающий отжиг и холодную прокатку. Показано, что применение алюминия марки А7 вместо А99 не снижает показатели сверхпластичности этого сплава, а скорость охлаждения при кристаллизации необходимая для получения наилучших свойств находится на уровне скоростей охлаждения при полунепрерывном литье слитков в промышленных условиях.
Разработан слоистый материал на алюминиевой основе (Ноу-Хау № 286-013-2008) и технология его получения, представляющий собой сверхпластичный сплав системы Al-Zn-Mg-Cu-Ni-Zr плакированный другим сверхпластичным сплавом системы Al-Mg-Si. Показано, что этот материал пригоден для формовки сложных изделий со скоростями деформации близкими к
io-V1.
Апробация работы
Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на:
На VIII Международной научно-технической уральской школе - семинаре металловедов - молодых ученых, Екатеринбург, 26-30 ноября 2007г.
На IV-ой Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур. ПРОСТ-2008», Москва, МИСиС, 8-Ю апреля 2008г.
На VIII Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи, НТТМ-2008, Москва, ВВЦ, 25-28 июня, 2008г (решением экспертного совета работа награждена медалью НТТМ «За успехи в научно-техническом творчестве»)
Результаты диссертационной работы отражены в 7 публикациях (в том числе 4 в журналах входящих в перечень ВАК). По результатам работы получено два Ноу-Хау (№ 285-013-2008 и № 286-013-2008 от «30» июня 2008 г.)
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 6 глав, 11 выводов, библиографического списка из 164 источников. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 31 таблицу и 71 рисунок.
