Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние производства полуфабрикатов из алюминиево-кремниевых сплавов 11
1.1 Характеристика алюминиево-кремниевых сплавов и свойств полуфабрикатов из них 11
1.2 Анализ известных способов и технологических схем производства деформированных полуфабрикатов применительно к алюминиево-кремниевым сплавам 17
1.3 Способы химического модифицирования алюминиево-кремниевых сплавов 21
1.4 Способы физического модифицирования структуры литых заготовок из алюминиево-кремниевых сплавов 27
1.5 Выводы по обзору публикаций и постановка задач исследований 33
2 Методика, материалы, оборудование для исследований и испытаний 39
2.1 Методика проведения работы 39
2.2 Оборудование и методика проведения испытаний на растяжение 44
2.3 Оборудование и методика проведения испытаний на сжатие 50
2.4 Методика исследования структуры и измерения твердости 52
2.5 Применяемое для исследований оборудование и его характеристики 54
3 Изучение влияния химического состава на структуру сплавов системы Al-Si и их поведение при пластической деформации 55
3.1 Изучение влияния модифицирования и условий кристаллизации при полунепрерывном литье на структуру и свойства слитков из сплавов системы алюминий-кремний 56
3.2 Изучение структуры и свойств слитков полунепрерывного литья из сложнолегированных алюминиево-кремниевых сплавов 69
3.3 Исследование структурных изменений при нагреве сплавов различных систем легирования и влияние параметров отжига на свойства литых заготовок 81
3.4 Изучение закономерностей изменения пластических характеристик в области параметров обработки давлением 91
3.5 Исследование сопротивления деформации литых заготовок из алюминиево-кремниевых сплавов 95
4 Исследование закономерностей формирования структуры и свойств полуфабрикатов из алюминиево кремниевых сплавов 101
4.1 Экспериментальные исследования параметров прессования опытных сплавов и изучение влияния параметров экструдирования на изменение их структуры и свойств 101
4.2 Исследование влияния режимов холодной деформации и отжига опытных сплавов на их структуру и свойства 111
4.3 Изучение влияния параметров отжига на структуру и свойства полуфабрикатов из сложнолегированных алюминиево-кремниевых сплавов 120
4.4 Выводы и основные принципы проектирования технологических процессов производства холоднодеформированных полуфабрикатов из алюминиево - кремниевых сплавов 127
5 Анализ результатов исследовании и их практическое приложение 130
5.1 Аппроксимация результатов экспериментальных исследований и создание алгоритма проектирования технологических процессов 130
5.2 Разработка системы автоматизированного проектирования технологии производства полуфабрикатов из алюминия и его сплавов 135
5.3 Промышленное опробование процесса изготовления проволоки из сплава A1SH2 140
5.4 Разработка и опробование в опытно-промышленных условиях технологического процесса получения ленты из сплава AlSi7,5Mg0,45 145
5.5 Опытно-промышленное опробование технологического процесса изготовления труб из исследуемых сплавов и изучение их эксплуатационных характеристик 150
5.5.1 Получение труб из сплавов A1SH2 и AlSil2Ni 151
5.5.2 Получение труб из сложнолегированного алюминиевокремниевого сплава AISi 11 Cu0,5Mg0,6(Fe,Ni,Mn)0,8 155
5.5.3 Исследование эксплуатационных характеристик труб из опытных сплавов 158
Заключение 164
Список литературы 167
Приложение А
- Анализ известных способов и технологических схем производства деформированных полуфабрикатов применительно к алюминиево-кремниевым сплавам
- Оборудование и методика проведения испытаний на растяжение
- Изучение структуры и свойств слитков полунепрерывного литья из сложнолегированных алюминиево-кремниевых сплавов
- Исследование влияния режимов холодной деформации и отжига опытных сплавов на их структуру и свойства
Введение к работе
Существенное снижение стоимости полуфабрикатов из алюминиевых сплавов может быть достигнуто за счет использования в качестве шихты богатой кремнием лигатуры алюминий-кремний, получаемой экологически чистым углетермическим методом [1], применением кремний-содержащего оксидного сырья при электролизном получении алюминия [2] или другими способами, малоиспользуемыми в настоящее время. Разбавляя эту лигатуру алюминием можно получать алюминиевые сплавы, которые существенно дешевле аналогичных материалов, полученных путем сплавления кремния с электролизным алюминием. Низкая цена получаемого сплава обусловлена малой энергоемкостью углетермического процесса, исключением импорта бокситов и использованием в качестве сырья дешевых руд - недефицитных нефелинов, каолинов или бедных забалансовых бокситов, запасы которых практически неограниченны в любом регионе России.
Кроме этого, Россия является одним из крупнейших производителей алюминия и кремния, обладает значительными сырьевыми запасами для производства алюминиево-кремниевых сплавов не только из природных, но и из техногенных алюмосиликатов.
Например, с использованием карботермического восстановления алюмосиликатов, открывается возможность масштабной утилизации горелых пород терриконов, хвостов обогатительных фабрик, золы бурых углей, содержащих 25 - 40 % А1203, 0,8 - 3% Fe203, до 40 - 45% Si02, запасы которых исчисляются [3] сотнями млн. т. Применение этого сырья для производства алюминиево-кремниевых сплавов не только целесообразно экономически, но имеет принципиальное значение в аспекте улучшения экологической обстановки.
Алюминиево-кремниевые сплавы, обладающие структурной стабильностью в достаточно широком диапазоне температур эксплуатации, при-
емлемым уровнем физико-механических и коррозионных характеристик, а так же, что немало важно, хорошей износостойкостью, могут представлять интерес для самых различных отраслей промышленности не только в виде литых, но и деформированных полуфабрикатов.
Например, сплавы, содержащие несколько процентов кремния, могут быть применены для производства жесткой упаковки (банок для напитков и консервов, аэрозольных баллонов, туб, крышек и т.п.), на изготовление которой в настоящее время используется каждая десятая тонна выпускаемого алюминия [4].
Другим направлением использования деформируемых алюминиево-кремниевых сплавов может стать применение их в теплообменных аппаратах. В настоящее время в большинстве конструкций теплообменных аппаратов в теплоэнергетике и других отраслях преобладает использование сплавов на основе меди. Замена медных сплавов на алюминиевые в теплоэнергетике (ТЭЦ и др.) почти в три раза снижает затраты на основные материалы (трубы), необходимые для изготовления этих аппаратов при обеспечении близких теплофизических характеристик устройств [5]. С учетом того, что на каждый миллион киловатт производимой электроэнергии требуется 600-700 тонн конденсаторных труб из медных сплавов, масштаб проблемы очевиден [6].
Одновременно алюминиевые теплообменники находят все более широкое применение в автомобильной промышленности. Но для внедрения современных технологий их сборки и пайки необходима сварочная проволока и листовые припои из алюминиево-кремниевых сплавов с низкой температурой плавления, которые не выпускаются отечественной промышленностью.
Кроме этого, применение алюминиево-кремниевых сплавов возможно и для изготовления другой номенклатуры полуфабрикатов. Однако, состав известных алюминиево-кремниевых сплавов и промышленно приемлемых технологий производства из них горяче- и особенно тонкостенных холод-
7 нодеформированных полуфабрикатов в настоящее время крайне ограничен и относится, как правило, к узко специализированным направлениям.
В связи с изложенным, целью данной работы является создание комплекса технологических и технических решений для модульной технологии производства холоднодеформированных полуфабрикатов из эвтектических силуминов, характеризующихся достаточным уровнем востребованных промышленностью специальных физико-механических свойств, на основе разработки способов повышения пластичности литых заготовок, исследования их реологических характеристик и оптимизации условий деформационной и термической обработки. Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
- Проведено исследование закономерностей формирования структуры
и механических свойств эвтектических силуминов систем Al-Si, Al-Si-Ni,
Al-Si-Cu-Mg-(nM - переходные металлы) и доэвтектического сплава А1-
Si-Mg при комплексном воздействии на расплав эффективных модифика
торов и интенсивного охлаждения в условиях полунепрерывного литья ци
линдрических заготовок;
Изучено влияние режимов отжига заготовок и температурно-скоростных параметров их деформации на изменение реологических характеристик опытных сплавов и выбраны на этой основе промышленно приемлемые технологические параметры формоизменения литых заготовок;
Выявлены закономерности формирования структуры и свойств силуминов при переработке литых заготовок в горяче- и холоднодеформи-рованные полуфабрикаты и разработаны на этой основе технологические режимы их производства;
Изучены структурные изменения при отжиге, закалке и старении холоднодеформированных полуфабрикатов из опытных алюминиево-кремниевых сплавов и разработаны режимы их термической обработки;
Создано программное обеспечение для автоматизации процесса проектирования технологии горячей и холодной обработки опытных алюми-ниево-кремниевых сплавов.
Разработаны опытно-промышленные технологии производства тонкостенных полуфабрикатов из алюминиево-кремниевых сплавов.
Проведены натурные эксплуатационные и технологические испытания полуфабрикатов в промышленных условиях потенциальных потребителей.
Научная новизна работы.
Показано, что формирование наиболее тонкодифференцированной структуры достигается в результате комплексного модифицирования титаном, бором, стронцием, бериллием, марганцем, определены оптимальные качественные и количественные сочетания компонентов и модифицирующих добавок.
Доказана возможность получения из исследуемых сплавов крупногабаритных литых заготовок с уровнем пластичности, обеспечивающим их горячее формоизменение с высокими степенями деформации.
Впервые исследованы закономерности изменения реологических свойств заготовок комплексно модифицированных эвтектических силуминов с тонкодифференцированной структурой.
Установлены закономерности изменения структуры и механических свойств комплексно модифицированных силуминов при пластической деформации с нагревом и в холодном состоянии и на этой основе разработаны параметры их пластической и термической обработки, обеспечивающие формирование повышенных эксплуатационных и технологических характеристик.
5. Впервые получены зависимости, описывающие изменение сопро
тивления деформации комплексно модифицированных силуминов в ши
роком диапазоне варьирования условий деформации.
9 Практическая значимость работы.
Предложен комплекс технологических решений, на базе которых разработаны технологии получения высокопластичных непрерывно литых заготовок из эвтектических силуминов и технологические схемы переработки их в тонкостенные полуфабрикаты с высокими эксплуатационными и технологическими характеристиками.
Разработаны технологические режимы производства тонкостенных холоднодеформированных полуфабрикатов из комплексно модифицированных алюминиево-кремниевых сплавов, обеспечивающие при заданных температурно-скоростных параметрах процессов регламентированную структуру и комплекс физико-механических характеристик, открывающий новые области их применения.
Созданы математические модели и алгоритмы проектирования на ЭВМ технологии производства прессованных полуфабрикатов из алюминиево-кремниевых сплавов, внедренные в учебный процесс на кафедре «Обработка металлов давлением» ГОУ ВПО «ГУЦМиЗ».
Диссертация состоит из введения и пяти глав. В первой главе изложен обзор методов повышения пластичности алюминиево-кремниевых сплавов и схем производства из них деформированных полуфабрикатов. Проведен анализ теоретических и экспериментальных исследований различных авторов, работы которых посвящены изучаемым вопросам. На основании проведенного литературного обзора сделаны выводы и сформулированы цель и задачи диссертационной работы. Во второй главе описаны применяемые методики исследования и оборудование, задействованное при проведении экспериментов. Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям модифицирования и условий кристаллизации алюминиево-кремниевых сплавов. Приведены полученные экспериментальные зависимости изменения реологических характеристик заготовок из алюминиево-кремниевых сплавов в области параметров обработки давлением. В четвертой главе приведены данные по экспериментальным исследованиям
10 поведения алюминиево-кремниевых сплавов при прессовании. Рассмотрено влияние параметров экструдирования и холодной деформации опытных сплавов на изменение их структуры и свойств. Приведены данные экспериментальных исследований влияния параметров отжига полуфабрикатов из алюминиево-кремниевых сплавов на их структуру и свойства. Пятая глава посвящена вопросам автоматизации процессов проектирования технологии и ее внедрения. Содержит данные расчетов аппроксимации зависимостей свойств алюминиево-кремниевых сплавов, полученных в ходе экспериментальных исследований, основные принципы создания системы автоматизированного проектирования технологии производства алюминиевых полуфабрикатов, в том числе и из алюминиево-кремниевых сплавов, внедренной в учебный процесс. Также в пятой главе представлены результаты по производству опытно-промышленных партий полуфабрикатов из новых алюминиево-кремниевых сплавов, основные результаты их промышленных испытаний в натуральных условиях эксплуатации.
Представленная работа выполнялась в рамках программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (раздел «Производственные технологии»), гранта № 03-01-96106 Российского фонда фундаментальных исследований, гранта № НШ-2212.2003.8 Президента РФ на поддержку молодых российских ученых и ведущих научных школ, краевых научно-технических программ комитета по науке и высшему образованию администрации Красноярского края «Создание мини-завода по производству длинномерных изделий (катанка и профильная продукция) из алюминиевых и медных сплавов», а также по договорам с ОАО «Красноярский металлургический завод» по совместной программе «Исследования по выбору состава алюминиевых сплавов и разработке технологий производства из них тонкостенных деформированных полуфабрикатов для различных отраслей техники».
Работа выполнена при научной консультации д.т.н., профессора Би-ронта B.C.
Анализ известных способов и технологических схем производства деформированных полуфабрикатов применительно к алюминиево-кремниевым сплавам
Для того, чтобы составить представление о направлениях и объемах исследований, проводимых в области деформации алюминиево-кремниевых сплавов, выполнен поиск патентной информации глубиной 20 лет. Поиск проведен по следующим источникам информации:
- Бюллетени - Открытия. Изобретения. Промышленные образцы и товарные знаки; - Бюллетени - Изобретения. Полезные модели; - Реферативная информация. Раздел «Металлургия»; - Реферативная информация. Изобретения стран мира. Полученные данные показали, что объем информации, запатентован ной за указанный период времени очень мал. Разработками способов про изводства деформированных полуфабрикатов занимались специалисты ведущих научно-исследовательских и учебных институтов СССР и затем РФ (ВИЛС, МИСиС, Гипроцветметобработка, ИМЕТ им. А.А. Байкова, МАТИ им. К.Э. Циолковского, Институт машиноведения им. А.А. Благонра-вова, Институт проблем механики, Сибирский металлургический институт им С. Орджоникидзе), а в более поздний период времени - Японии, США и ряда других стран.
Основные работы направлены на исследование физико-механических характеристик штамповок, толстостенных труб, а также режимов их термической обработки.
Анализ материалов проведенного патентно-информационного поиска свидетельствует о том, что наибольшее внимание исследователей привлекают три технологические схемы производства полуфабрикатов из алю-миниево-кремниевых сплавов.
Первая схема включает полунепрерывное литье слитка с различными методами физического воздействия на расплав перед или во время кристаллизации, отжиг и горячее прессование полуфабрикатов, их термическую обработку. Эти способом предлагают получать, в основном толстостенные трубы из заэвтектических силуминов. Эта схема может быть усложнена введением повторной операции горячей деформации прессованных заготовок, как это сделано, например, при изготовлении штампованных заготовок поршней из сплава АК12Д [18]. При еще более усложненном варианте в качестве исходной заготовки предлагается использование брикетов из быстрозакристаллизованных частиц (гранул), но при этом технология существенно усложняется и требуется дорогостоящее специализированное оборудование [19].
Вторая схема предполагает получение слитка прямоугольного или круглого поперечного сечения методом полунепрерывного литья, его отжиг, горячую деформацию, промежуточную термическую обработку, холодную деформацию и окончательную термическую обработку. По этой схеме предпринимаются попытки получения полуфабрикатов из сплавов сотносительно небольшим содержанием кремния [20]. Однако при решении проблемы повышения пластических свойств литых заготовок по этой схеме возможно получение тонколистового проката, холоднодеформирован-ных тонкостенных труб и сварочной проволоки.
В качестве разновидности второй схемы авторами [21,22] для получения листов предлагается горячая поперечно-винтовая прокатка непрерывно литой заготовки и последующие горячая и холодная прокатки с промежуточными отжигами и термической обработкой катаных полуфабрикатов.
Многие предприятия в мире для изготовления труб используют непрерывную экструзию вращением - это третий и весьма экономичный вариант получения полуфабрикатов [23]. Для этого применяются машины с колесом диаметром около 300 мм (12 дюймов). Изготавливаемые трубы обычно используют для производства холодильных установок и в автомобильной промышленности. Некоторые трубы используют как заготовки для последующего волочения, однако, информация по обработке алюми-ниево-кремниевых сплавов по этой технологической схеме отсутствует.
Особенности выполнения отдельных операций рассмотренных технологических процессов и их параметры приведены на рисунке 1.1. Анализируя различные варианты осуществления технологических процессов для получения тонкостенных полуфабрикатов можно придти к выводу о том, что без существенных капитальных затрат на действующем оборудовании многих отечественных металлургических предприятий может быть реализована первая из рассмотренных технологических схем. Однако для этого необходимо разработать технологический процесс получения заготовок, обладающих в исходном состоянии высоким уровнем пластичности, при котором возможна реализация всех стадий технологического процесса без разрушения материала. Немаловажным при этом является и величина сопротивления деформации сплавов, определяющая возможность использования имеющегося оборудования и габариты получаемых полуфабрикатов.
В связи с этим рассмотрим известные подходы воздействия на структуру литых заготовок из алюминиево-кремниевых сплавов, с помощью которых возможна реализация поставленных задач по достижению требуемых реологических характеристик рассматриваемой группы сплавов.
Обзор известных публикаций [24-45] показывает, что на разных этапах развития технологии производства литых заготовок из алюминиево-кремниевых сплавов предпринимались активные попытки применения большого количества микродобавок различных элементов, оказывающих влияние на морфологию и размеры основных составляющих структуры алюминиево-кремниевых сплавов.
Так для обработки алюминиево-кремниевых сплавов с содержанием кремния 5-13% в работах [24,25] предлагается обработка расплава флюсом, содержащим в масс. %: КС1 20-40, NaF 8-12, графит 0,5-5 и К2С03 остальное. За счет вовлечения в расплав из этого флюса Na и К в количестве до 0,1 % достигается эффект модифицирования эвтектики. Однако использование натрия или калия в качестве модификатора связано с большими практическими трудностями, так как они легко испаряются из сплава и окисляются во время выдержки расплава и в процессе получения отливок.
В работе [26] кроме выше указанных компонентов в состав флюса предлагается ввести ВаСЬ и ВаСОз. За счет введения бария в расплав достигается увеличение эффекта модифицирования эвтектики путем исключения вредного влияния переливов расплава при реализации технологических процессов.
В ряде работ [27,28] для модифицирования доэвтектических и эвтектических сплавов предлагается использование редкоземельных металлов (РЗМ) или их смеси - мишметалла (ММ). По данным [29] наиболее эффективна смесь элементов неодима с лантаном, которая увеличивает максимальную прочность при растяжении в 3,5 раза. ВИАМом применение иттрия в качестве модификатора, повышающего прочностные и пластические характеристика сплава АК12 на 20%, внесено в технологические рекомендации по производству отливок авиационного назначения [30].
Наряду с применением щелочноземельных элементов достаточно широкое использование в практике литейного производства нашли тяжелые металлы - сурьма, олово, свинец [31,32], которые рекомендуют, в основном для модифицирования заэвтектических сплавов.
Длительное время единственно надежным модификатором заэвтектических силуминов считали фосфор, вводимый либо в чистом виде, либо в виде соединений и смесей [33]. Для модифицирования сплавов красным фосфором, таблетки, спрессованные из мелкодисперсного порошка красного фосфора, заворачивают в алюминиевую фольгу и вводят под уровень расплава в колокольчике.Указывается, что применение фосфора для модифицирования заэвтектических силуминов связано с опасностью выброса
Оборудование и методика проведения испытаний на растяжение
Для выполнения исследований по приготовлению алюминиево-кремниевых сплавов, литью заготовок из них и производству горяче- и холоднодеформированных полуфабрикатов использовали комплекс оборудования, включающий следующие основные единицы:1. ндукционная тигельная печь ИМТ-0,4.2. Миксер сопротивления САК-0,8.3. Горизонтальные гидравлические прессы усилием 8, 16 и 35 МН.4. Станы холодной прокатки ХПТ-25.5. Волочильное оборудование ВСТ-5, ВМ-550, ВМ6/350.6. Электрические печи гомогенизации с объемом садки 25т. Индукционная печь ИМТ-0,4 (рисунок 2.1 а), основнымдостоинством которой является наилучшее соотношение между зеркалом ванны и массой металла, содержит тигель 1 из огнеупорного материала, который охвачен индуктором 2. Тигель 1 с индуктором 2 установлены в каркасе 3. Каркас 3 оснащен механизмом наклона 4 - двумя гидроцилиндрами. Керамическая емкость 5 в виде желоба с одной торцевой стенкой жестко соединена с тиглем 1 и помещена в металлический кожух 6. Конусообразное отверстие 7 в керамической емкости 5 закрывается конусной пробкой 8, которая соединена с механизмом ее перемещения 9. Производительность индукционных тигельных печей в 2 - 3 раза выше пламенных и в 5 - 6 раз выше электрических печей сопротивления. КПД индукционной печи равен 0,85, что свидетельствует об экономичности данного типа печей. Техническая характеристика печи приведена в таблице 2.2.
Литье слитков осуществляли полунепрерывным способом в кристаллизатор скольжения при температуре металла в миксере Тл =740-780С, со скоростью литья 100-125 мм/мин. Подаваемый расплав подвергали фильтрации с целью предотвращения попадания в слиток окислов и крупных включений через двухслойную стеклосетку с размерами ячеек 1,0x1,0 и 0,6x0,6 мм в первом и втором слое соответственно. В процессе литья слитков использовалась смазка (касторовое масло + АЬОз). Давление воды, подаваемой на стенки кристаллизатора и непосредственно на слиток соответствовало 5 МПа.
Для производства горячедеформированных полуфабрикатов использовались горизонтальные гидравлические прессы усилием 8, 16, 20 и 35 МН, характеристики некоторых из них приведены в таблице 2.4.
В процессе выполнения работы слитки доставляли к рольгангу стола загрузки в специальных поддонах и перегружали на стол задачи, толкателем подавали в индуктор печи. Нагретые слитки выталкивались на механизм загрузки пресса и передавались на ось прессования, а готовая продукция выдавалась на передний стол и далее по поперечному транспортеру подавалась на стол резки.
Для получения опытной продукции холодной прокаткой выполняли ряд технологических операций, зависящих от состояния поставки подката и предъявляемых технических требований. При этом, в цикл технологической цепочки холодной прокатки входили следующие операции: термическая обработка, прокатка, поперечная резка, правка, контроль качества, взвешивание и упаковка готовой продукции.
В качестве опытных образцов получили холоднодеформированные трубы и ленту, направленные затем на проверку эксплуатационных характеристик.следующие виды основного технологического оборудования:лабораторный стан ДУО 150 - для исследования технологичностисплавов системы Al-Si-Mg;промышленный стан ХПТ-25 - для обработки трубных заготовок. Технические характеристики стана ХПТ- 25 приведены в таблице 2.5.
Для снятия остаточных напряжений после обработки давлением и выравнивания свойств по длине полуфабрикатов проводилась разупрочняющая термообработка в лабораторных и промышленных печах, Основные требования к методике испытания на растяжение оговорены в стандартах: на испытания при комнатной температуре (ГОСТ 1497-84), при повышенных - до 1473К (ГОСТ 9651-61) и пониженных -от 173 до 273К (ГОСТ 11150-65) температурах. В них сформулированыопределения характеристик, оцениваемых в результате испытания, даны типовые формы и размеры образцов, основные требования к испытательному оборудованию, методика проведения испытания и подсчета результатов.
В данной работе для определения механических свойств сплавов использовалась машина для высокотемпературных испытаний Р-5, которая включает в себя:- нагревательное устройство с удлинительными штангами для крепления образцов;- термоэлектрические преобразователи;- регулирующие винты.
Машина, применяемая для испытаний на растяжение, снабжалась двумя захватами с шаровыми шарнирными приспособлениями для центровки образцов. Чтобы не допустить дополнительного изгиба образца от перекоса, в захватах устанавливают вкладыши со сферической опорной поверхностью.
Каждый образец перед испытанием маркировали, измеряли и размечали. Маркировка наносилась вне пределов рабочей длины образца. Начальная расчетная длина образца С0 в пределах рабочей длины
Изучение структуры и свойств слитков полунепрерывного литья из сложнолегированных алюминиево-кремниевых сплавов
Многолетний опыт разработки и применения в конструкциях литейных алюминиево-кремниевых сплавов [7, 8] показал, что наиболее часто для создания прочных и теплостойких сплавов используется принцип комплексного легирования, когда в сплав одновременно вводятся практически нерастворимые в алюминии легирующие элементы, например, такие как Fe, Mn, Сг, Zr, Ni, Со или другие элементы и традиционно используемые металлы, такие как Mg, Си ИЛИ Zn.
Введение этих элементов приводит к образованию в алюминиево-кремниевых сплавах следующих основных фаз: Mg2Si, MgsAl, Mg5Al8, NiAl3, Al5Cu2Mg8Si6, FeMg3Si6Al8, CuFeAl7, Fe2SiAl8, FeSiAl5 и других фаз, обеспечивающих получение требуемого комплекса физико-механических свойств в литом состоянии, но одновременно исключающих возможность пластического формоизменения отливок. Общей чертой большинства известных сложно легированных литейных сплавов является их низкая пластичность, не позволяющая изготавливать полуфабрикаты из них методами обработки давлением.
Положительные результаты исследований, полученные при комплексном модифицировании и полунепрерывном литье заготовок из двойных алюминиево-кремниевых сплавов, позволяют предположить возможность благотворных структурных изменений и в сплавах более сложных систем легирования. С учетом направлений практической реализации результатов данной работы для проведения исследований на данном этапе выбраны сплавы AlSillNi, AlSi7,5MgO,45, AlSil lCuO,4MgO,2(Fe,Ni,Mn)l,5 и AlSillCuO,5 Mg 0,6(Fe,Ni,Mn)0,8.
С целью раздельной оценки вклада кремния и никеля в формирование структуры и свойств заготовок при полунепрерывном литье первоначально изучены структура и свойства сплавов тройной системы Al-Ni-Fe при изменении содержания никеля от 1 до 4%. При приготовлении этих сплавов лигатуры Ali-B, Al-Sr и А1-Ве не использовались.
Опытные сплавы отливались в слитки длиной 1900 мм на машине полунепрерывного литья, затем подвергались механической обработке до размеров 215x700 мм, 147x60x370 мм и 147x45x370 мм . Химические составы опытных сплавов приведены в таблице 3.6.
Исследования показали, что сплошные цилиндрические слитки из сплава системы AI-Ni-Fe, диаметром 215мм имеют недостаточно однородную по сечению макроструктуру. В приповерхностной зоне наблюдается некоторое укрупнение зерна по сравнению с центральной. Еще более неоднородная структура наблюдается на полых слитках размером 147x45 мм данного сплава, что обусловлено четкими зонами ввода металла (более матовыми после травления в растворе щелочи) с размытыми границами, по периметру которых наблюдается укрупнение зерен.
В литом состоянии микроструктура слитков из сплавов представляет собой зерна а-твердого раствора, окаймленные выделениями эвтектики Al+FeAb+NiAl3 и нерастворимой тройной фазой, которую по данным работы [7] можно идентифицировать как фазу FeNiAlg. В центральной зоне слитков наблюдается более тонкое строение структуры с размером дендритных ячеек от 20 до 35 мкм (рисунок 3.5 а). В периферийных зонах слитков за счет увеличения дендритного параметра до 40-85 мкм и утолщения эвтектических прослоек по границам дендритных ячеек отмечено значительное огрубление структуры (рисунок 3.5 б).
В структуре периферийных зон отдельных слитков (как сплошных, так и полых) отмечены зоны с вырожденной эвтектикой в виде перистых игольчатых кристаллов нерастворимой фазы NiAl3, что, по-видимому, обусловлено условиями охлаждения и кристаллизации периферийных зон слитков.
Макроструктура полого слитка, размером 162x60 мм с содержанием никеля до 3,78%, также неоднородна. В центре наблюдается зона ввода струи металла с чёткими границами. Глубина неоднородности с внешней стороны темплета - 5- 15 мм, с внутренней - 5 мм. Средний размер зерна по сечению слитка неодинаков и колеблется от 110 мкм (8200 штук на площади в 1см2) с наружной стороны и в средней зоне, до 140мкм (5100 штук на площади в 1см2) - с внутренней поверхности. В структуре темплета присутствует ликвационный слой, глубина обогащенной зонысоставляет с внутренней стороны - 2-2,8 мм. С наружной стороны ликва-ционный слой тоньше, глубина его меньше и составляет 0,1-0,63 мм. Микроисследование показало, что структура неоднородная, наблюдается огрубление структуры от наружной поверхности слитка к внутренней (рисунок 3.6).
Анализ микроструктуры слитка в литом состоянии свидетельствует о том, что с повышением содержания никеля в сплаве до 3,78% структура претерпела значительные изменения: заметно увеличились размер и объёмная доля перистой железо-никелевой фазы FeNiAl9 и эвтектики. При испытаниях образцов данных сплавов получены следующие средние значения механических свойств:
Исходя из полученных результатов, можно предположить, что при легировании алюминиево-кремниевых сплавов никелем, в условиях охлаждения, характерных полунепрерывному литью слитков, концентрация последнего, вероятно, не должна превышать 1 - 1,5%, так как при более высоких концентрациях никеля повышение прочностных характеристик незначительно, однако пластичность уменьшается существенно.
Приготовление расплава для литья слитков из сплава AlSilINi диаметром 160 мм производилось с использованием лигатуры А1-20%Мп. Расчетная концентрация марганца принималась равной 0,1%, что по данным [7,8] достаточно для изменения морфологии железистой фазы. Химический состав сплава по результатам спектрального анализа проб от расплава приведен в таблице 2.1.
Литье слитков осуществлялось при температуре металла в лотке 730 -740С, скорость литья слитков составляла 115 мм/мин.Результаты исследований структуры слитков сплава AlSillNi показали, что как и при литье слитков диаметром 100 мм из сплава AlSil2 при отсутствии в сплаве стронция макроструктура неравномерная, имеется зона трефа. С одной стороны темплета на глубину 7-10мм структура имеет тонкое строение, а далее на глубину до 15-20 мм - она достаточно грубая. При отсутствии марганца в микроструктуре сплава обнаружены скопления интерметаллидных составляющих, в том числе и фазы AlFeSi, в зоне с грубым дендритным строением (рисунок 3.7 а). В центральной зоне наблюдается грубая эвтектика Al-Si (рисунок 3.7 б).В слитках с содержанием стронция 0,03% и марганца 0,11% происходит значительное диспергирование эвтектики и повышение однородности структуры по сечению заготовки (рисунок 3.7 в). Связано это с дополнительным эффектом модифицирования, создающимся при образовании в сплаве четырех компонентного химического соединения типа AlFeSiМп.
Исследование влияния режимов холодной деформации и отжига опытных сплавов на их структуру и свойства
Изменение основных характеристик металлов и сплавов при холодной обработке давлением определяется повышением плотности дислокаций, которая в свою очередь зависит от степени холодной деформации. Свойства холоднодеформированного металла резко отличаются от свойств металла горячедеформированного. При холодной деформации из-за наклепа изменяются механические свойства материала: временное сопротивление разрыву и твердость повышаются, а относительное удлинение уменьшается. Структура холоднодеформированных металлов, как правило, характеризуется волокнистостью зерен, вытянутых в направлении преимущественной деформации [89,90].
Способность металла упрочняться при холодной деформации позволяет изготавливать изделия различной степени жесткости (твердости). Эти свойства достигаются определенной степенью деформации или отжигом. Также холодная деформация, по сравнению с горячей, позволяет получать изделия с более точными размерами, чистой и гладкой поверхностью.
При проведении работы заготовки получали прессованием, подвергали их отжигу и последующей холодной прокатке или волочению на различных видах оборудования. Для этого использовались сплавы следующих систем: Al-Si, Al-Si-Ni, Al-Si-Mg, Al-Si-Cu-Mg.
Прессованные прутковые заготовки из сплава AlSil2, не смотря на достаточно высокий уровень пластических характеристик, перед проведением экспериментов по холодной деформации подвергали отжигу для снятия остаточных напряжений деформационного характера.
Для исследования влияния холодной деформации на свойства сплава AISi 12 осуществляли волочение прессованных бухт 09 мм на стане ВМ-550. На образцах, отобранных в процессе волочения после каждого техно логического передела, была проведена оценка влияния холодной деформации на структуру и механические свойства. Из полученных данных следует, что прутковая заготовка обладает высокой деформируемостью и допускает обработку с единичными вытяжками (А) порядка 1,20 - 1,46 до суммарной вытяжки Xi=3,5 - 4,0. При этом можно предположить, что прочностные характеристики сплава AlSil2 до отжига и после него изменяются с ростом степени холодной деформации по единой кривой (рисунок 4.3).
Аналогичные исследования проведены и при получении труб из сплава AlSil2. Холодную прокатку труб проводили на стане ХПТ2-25 (таблица 4.6).
Полученные результаты испытания образцов по оценке влияния суммарной степени деформации на механические свойства после различных переделов (таблица 4.6) показали хорошую технологичность сплава. Суммарная степень логарифмической деформации, достигнутая при получении тонкостенных труб, достигает 1,83.заготовки незначительно влияет на прочностные характеристики сплава, однако относительное удлинение при этом возрастает более чем на 5% и характеризует высокие возможности сплава при холодной деформации. Сравнивая результаты, по упрочнению различных полуфабрикатов из сплава A1SH2 (таблица 4.6) можно отметить, что они укладываются на единую кривую упрочнения независимо от способа деформации.
Поверхность труб после прокатки была чистая, без каких-либо дефектов. Так как вытяжка на волочении незначительная, то холоднокатаные трубы не подвергали промежуточному отжигу. Волочение холоднокатаных труб 0 22 0,89 мм на размер 0 19 1 мм производили без предварительного отжига.
Прокатку заготовок из опытного сплава AlSil INi производили на стане ХПТ-1 по маршруту 034 3 3300 мм - 016 1 мм за один проход. С одной прессованной трубы длиной 3300 мм получали три холоднокатаных трубы 016 1 7100 мм, которые затем отправляли на правку. Трубы подвергли отжигу по серийному режиму: Т=380-420С, t=l час.
В результате исследований получили следующие механические свойства труб 016 1 мм в холоднодеформированном состоянии: ав=253,5 МПа, а0.2=217МПа, бю=4,3 %; в отожженном состоянии: ав=136,5 МПа,о0.2=79,5 МПа, 8ю=30,7%. Проведение окончательной термической обработки позволило снизить на 80% прочностные характеристики труб и повысить пластичность более чем в 7 раз.
Прокатку прессованных полос сечением 3x40 мм из сплава AlSi7,5MgO,45 проводили на лабораторном стане ДУО-150 с различной степенью обжатия за проход. Результаты, полученные при механических испытаниях холоднокатаных полос приведены в таблице 4.7.
Из данных, приведенных в таблице 4.7, видно, что дробность деформации при прокатке практически не влияет на уровень механических характеристик проката (рисунок 4.4). Поэтому при проектировании процесса прокатки величина единичных обжатий может назначаться исходя из силовых возможностей оборудования и плоскостности проката.
При проведении экспериментов на полосах сечением 3x40 мм выяснилось, что при единичном обжатии е=30% наблюдается разрушение кро мок после второго прохода, когда суммарная логарифмическая степень деформации составила 0,92. В остальных случаях разрушения материала не наблюдалось, причем, разупрочняющей термообработки заготовок не проводилось. Исходя из этого, величина рекомендуемой деформации составляет 20% (или СпХ=0,22) за проход. Влияние суммарной деформации на свойства проката более наглядно показано на рисунке 4.4.
Более высокая интенсивность упрочнения сплава AlSi7,5MgO,45 по сравнению со сплавом AlSil2 объясняется, вероятно, отсутствием легирования первого таким элементом, как Mg, который присутствуют в сплаве AlSi7,5MgO,45. Магний с кремнием образуют твердое соединение Mg2Si, которое имеет низкую растворимость в сс-твердом растворе и располагается преимущественно по границам зерен, являясь основной составляющей эвтектики, препятствуя перемещению дислокаций из одного зерна в другое. Дислокации в этом случае вынуждены обходить, с образованием петель, или переползать через него. В этом случае перемещение дислокаций, а следовательно деформация идет с воздействием значительно больших усилий. Также в результате этого происходит более быстрое упрочнение.
Полученную прессованием трубную заготовку из сплава AlSillCuO,4Mg0,2(Fe,Ni,Mn)l,5 обрабатывали различными способами ОМД с различными температурными и временными режимами отжига. Механические свойства прессованных трубных заготовок приведены в таблице 4.8.
Несмотря на достаточно высокий уровень относительного удлинения на трубных заготовках размером 038x3 мм из сплава AlSillCuO,4MgO,2(Fe,Ni,Mn)l,5 (таблица 4.8), отожженных по режимам 1 и 2, провести холодную прокатку на них не удалось вследствие активного возникновения и развития трещин. Положительные результаты достигнуты только после проведения ступенчатой термообработки по режиму 3, в результате чего относительное удлинение трубных заготовок было повышено более чем на 30%.
