CC BY
17
-Ф-
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
УДК 621.74.04
АСПЕКТЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОЛЬЦЕВЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
А.П. Петров, докт. техн. наук, Н.В. Еремеев, канд. техн. наук, В.В. Еремеев, канд. техн. наук, А.С. Стешин, аспирант (МАТИ-РГТУим. К.Э. Циолковского, e-mail: post@mati.ru)
Рассмотрены возможности получения крупногабаритных кольцевых полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых сплавов.
Разработаны технологические параметры центробежного литья и раскатки, обеспечивающие получение кольцевых полуфабрикатов с мелкодисперсной структурой и высоким уровнем механических характеристик.
Ключевые слова: центробежное литье, деформация, раскатка, заготовка, структура.
Aspects of a Technology for Production of Large-Size Aluminium Alloy Ring-Shaped Semiproducts. A.P. Petrov, V.V. Yeremeyev, N.V. Yeremeyev, A.S. Steshin.
Possibilities of production of large-size ring-shaped semiproducts in wrought aluminium alloys are discussed.
Technological parameters of centrifugal casting and expansion, which ensure production of ring-shaped semiproducts with a fine dispersed structure and a high level of mechanical properties, have been developed.
Key words: centrifugal casting, deformation, expansion, blank, structure.
В настоящее время для нужд космической и атомной техники необходимы крупногабаритные кольцевые изделия на основе алюминиевых сплавов (кольца, втулки, бандажи, трубы), которые получают:
- из прессованной полосы определенного размера, которую сворачивают в кольцо, сваривают и раскатывают. Недостатками этого способа являются, в первую очередь, низкая прочность сварного шва, а также высокая трудоемкость, особенно при мелкосерийном производстве;
- из слитка. После удаления поверхностных дефектов слитки разрезают на заготовки, которые нагревают в печи. Горячие заготовки осаживают на прессе и прошивают отверстие в центре. При последующей обработке разгоняют отверстие и придают точные размеры ободу по высоте .
Представленный технологический процесс изготовления кольцевого изделия довольно
трудоемок: помимо получения слитка, осадки и прошивки, необходимы многократные нагревы и подсадка заготовки.
Из вышеизложенного видно, что традиционные технологии обладают высокой трудоемкостью изготовления изделия, низким КИМ и соответственно значительной себестоимостью, а многократные нагревы приводят к снижению уровня механических и структурных параметров изделия.
Разработанная нами технология предполагает получение методом центробежного литья кольцевой отливки (рис. 1, а), гомогенизацию, механическую обработку (рис. 1, б) и дальнейшую деформационную обработку (раскатка, подсадка, прокатка, рис. 2) при температуре, выбранной исходя из оптимальной пластичности слитка.
В деформируемых алюминиевых сплавах избыточное количество эвтектических фаз, а также первичные кристаллы интерметалли-
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
<ЙЁг1|Щ|
-Ф-
Рис. 1. Кольцевая (а) и механически обработанная (б) отливка
дов, будь то алюминиды или иные соединения легирующих элементов, играют, как правило, отрицательную роль. Поэтому при традиционной технологии производства полуфабрикатов обычно ограничивают легирование такими концентрациями компонентов, которые не приводят к образованию первичных кристаллов в термообработанном состоянии.
Между тем повышение легирования при сохранении дисперсной структуры позволило бы в ряде случаев существенно улучшить
те или иные свойства сплавов [1, 2]. В этом отношении процессы, обеспечивающие повышение скорости охлаждения, расширяют возможности легирования по двум причинам. Во-первых, концентрация второго компонента, при которой образуются первичные кристаллы интерметаллидов, значительно возрастает; во-вторых, метод гранулирования позволяет отказаться от принципа неприменимости деформируемых сплавов с наличием первичных кристаллов второй фазы, поскольку последние резко измельчаются и перестают оказывать отрицательное влияние на пластичность сплава. Первичные алюминиды не только уменьшаются в размерах, но и меняют форму.
Дисперсные включения термически стабильных интерметаллидных фаз могут оказывать в зависимости от их свойств, дисперсности, характера распределения в матрице разностороннее влияние на свойства сплавов: во-первых, они оказывают непосредственное упрочняющее действие, являясь препят-
Рис. 2. Раскатанные кольцевые заготовки
-Ф-
-Ф-
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
ствием для движения дислокаций; во-вторых, упрочняющее действие, оказывая влияние на структуру матрицы (препятствуют прохождению процессов рекристаллизации, способствуют сохранению в деформированных полуфабрикатах нерекристаллизованной полигонизованной структуры, т. е. повышенной плотности дислокаций); в-третьих, дисперсные включения интерметаллидов воздействуют на кинетику распада твердых растворов меди, магния, цинка и кремния в алюминии и распределение продуктов распада и тем самым влияют, например, на коррозионную стойкость полуфабрикатов.
В настоящее время сформировалась большая база данных о способах, сочетающих процессы литья с наложением внешнего давления. В этом отношении представляют интерес методы центробежного литья [3, 4].
Центробежный способ отливки, создавая условия для повышенной скорости охлаждения, способствует получению плотной мелкозернистой структуры. В условиях центробежного литья весьма благоприятные условия для повышенной скорости сплава создаются также и вследствие интенсивного охлаждения свободной внутренней поверхности отливки и хорошего контакта между ее поверхностью и стенками формы. Вращательное движение жидкого расплава освобождает металл от газовых пузырей и различных неметаллических включений, увеличивая плотность и гомогенность строения отливки. Известно, что кристаллизация сплавов под высоким давлением приводит к значительному изменению структуры и сдвигу границ фазовых превращений. Движение частиц металла в период кристаллизации способствует образованию большого числа центров кристаллизации, что затрудняет рост кристаллов и препятствует образованию крупнокристаллической структуры. В работе [5] указывается, что структура центробежных алюминиевых отливок имеет различно направленную ориентировку и в основном мелкозернистая. В наружной зоне отливки обнаруживаются малоразвитые столбчатые кристаллы, в средней -равноосная мелкозернистая структура и во внутренней части отливки - более крупные равноосные кристаллы.
Экспериментальную часть работы проводили на деформируемом сплаве промышленной группы АМг6. Кольцевую заготовку получали методом центробежного литья. Для формирования мелкодисперсной структуры увеличивали скорость охлаждения сплава, подавая его непосредственно на холодную внутреннюю металлическую (сталь, чугун, медь) поверхность изложницы и создавая еще вихревое движение газа в изложнице ( аргон , воздух, и др .)
Но при подаче небольшого количества расплава на холодную поверхность изложницы в начальный момент литья может происходить «размазывание» его и очень быстрая кристаллизация. Последующие слои не свариваются с предыдущими - возникают неслитины, как следствие, приходится значительно увеличивать припуски на механическую обработку. Поэтому в первый момент нужно подать в изложницу расплав с максимально возможной скоростью в количестве 1-4 % от массы отливки, что даст возможность сформировать слой сплава 6-12 мм без неслитин, который надежно сваривается с предыдущими слоями расплава.
Для поддержания стабильных условий формирования структуры слоев постепенно снижали скорость литья, так как уменьшается радиус затвердевшей отливки и для формирования постоянного по толщине слоя требуется меньший объем расплава. Такой прием позволяет снизить уровень разнозе-ренности отливки.
Поскольку давление в жидкой части отливки непрерывно снижается (от максимального на внешнем радиусе до минимального на внутреннем), пропорционально увеличивали скорость вращения кристаллизатора.
Так, на примере для отливки из сплава АМг6 размером D х d х H = 1000 х 500 х 200 мм, массой 300 кг по известным в литературе графикам находили исходную скорость вращения п = 400 об/мин.
Начальный расход металла (2%/с): 2-350
100
7 кг/с; к концу литья (0,2 %/с):
0,2-350 ,
' 100— = 0,7 кг/с; определили время затвер-
-Ф-
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
-Ф-
Таблица 1 Маршрут раскатки кольцевого полуфабриката
Технологическая операция Толщина стенки кольца по проходам, мм Обжатия по проходам, % Суммарная деформация, %
Раскатка 1, подсадка при температуре 360-380 °С Нагрев до 420-440 °С, выдержка не менее 4 ч Прокатка 1 на РПС при температуре 380-420 °С в ступенчатом режиме Прокатка 2 на РПС при температуре 380-420 °С в ступенчатом режиме Отжиг при температуре 310-335 °С, выдержка 30 мин 250-200 200,0-184,0-165,6-149,0 149,0-128,5-102,0 8-10-10 14-20 20 25,5 68
девания отливки (10,3 мин); плавно увеличивали скорость вращения на 5 % от начальной 5-400
100
= 20 об/мин; к концу литья скорость
составила: 400 + 20 • 10,3 = 606 об/мин.
Выше 12 % увеличивать скорость не рекомендуется в связи с заметным развитием ликвационных процессов. При своего рода «ускорении» скорости на 12 %/мин в конце
литья п = 400 + 1 2 '400 • 10,3 = 894 об/мин.
100
Полученные методом центробежного литья кольцевые отливки обладают мелкозернистой изотропной структурой, необходимой при раскатке. Отливку гомогенизируют, обтачивают и подвергают раскатке и подсадке при температуре, исходя из оптимальной пластичности сплава. На следующем этапе при необходимости в зависимости от сплава проводят отжиг с целью снятия наклепа. Затем заготовку подвергают двухступенчатой прокатке при температуре оптимальной пластичности и обжатии 5-10 % при каждом обороте (проходе) и суммарной деформации 15-25 % на первой ступени и при обжатии 15-20 % при каждом обороте (проходе) и суммарной деформации 65-70 % на второй ступени. Литая гомогенизированная, а тем более деформированная структура большинства алюминиевых сплавов допускает высокие обжатия, которые уменьшают неравномерность деформации, способствуют получению горячекатаных полос с равномерной структурой и стабильными свойствами, обеспечивают высокую производитель-
ность. Однако в первых проходах из-за возможного появления трещин на боковых кромках вследствие интенсивного уширения назначали небольшие обжатия (в пределах 5-10 %). В дальнейшем обжатия равномерно увеличивали, доводя до 15-20 % при суммарной степени деформации 50-60 % и более.
Маршрут раскатки кольцевого полуфабриката из отливки, полученной методом центробежного литья сплава АМг6 размерами О х б х Н = 1000 х 500 х 200 мм представлен в табл. 1. Отливка гомогенизированная, обточенная.
Таким образом, комплекс структурных и механических характеристик, полученных на уровне литой кольцевой заготовки, обеспечивает ее раскатку в широком интервале деформаций и в результате позволяет получать кольцевые изделия с повышенными механическими свойствами, мелкодисперсной структурой и низкой анизотропией свойств (табл. 2, рис. 3).
Таблица 2
Механические свойства образцов из раскатных колец сплава АМг6 (после отжига)
Место вырезки образца ств, МПа ст02, МПа 8, %
Долевое 371 213 10,7
Долевое 378 202 10,7
Поперечное 354 201 11,7
Поперечное 352 194 11,0
"Ф
-Ф-
ЮБИЛЕИ КАФЕДР МАТИ
-Ф
в
Рис. 3. Макро- (а, б) и микроструктура (в) образца (после отжига)
Заключение
Предлагаемый технологический процесс позволяет получать крупногабаритные кольцевые заготовки методом центробежного литья из деформируемых алюминиевых сплавов с мелкозернистой изотропной структурой (зерна) и заданными размерами. Процесс раскатки заготовок не требует конструктив-
ных изменений традиционного оборудования, позволяет снизить количество операций на всех этапах изготовления полуфабриката и обеспечивает высокий уровень механических свойств материала.
По результатам работы получено положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2012112660(019066) от 03.04.2012 г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Добаткин В.И., Елагин В.И., Федоров В.М.
Быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы. - М.: ВИЛС, 1995. - 341 с.
2. Северденко В.П., Шепельский Н.В., Жил-кин В.З. Обработка давлением гранул алюминиевых сплавов. - М.: Металлургия, 1980. - 260 с.
3. Байков А.И., Филиппов Б.П. Центоробежное литье. - М.: Машгиз, 1947.
4. Константинов Л.С. Теория и практика центробежного литья. - М.: Машгиз. 1949.
5. Лямин П.Е. // Литейное дело. 1938. № 12.
