CC BY
8
ЛИТЬЕ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
УДК 621.777
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПРУТКОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА L168 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЯМОГО ПРЕССОВАНИЯ НА ГАРАНТИРОВАННОМ УРОВНЕ ИХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
В.Р. Каргин, докт. техн. наук, А.Ю. Дерябин, аспирант (ФГАОУ ВО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева». Национальный исследовательский университет,
e-mail: Andrey.Deryabin@alcoa.com)
Проведен промышленный эксперимент по проверке вариантов изготовления прессованных крупногабаритных прутков из высокопрочного алюминиевого сплава L168 системы Al-Cu-Mg-Si-Mn. Рассмотрено влияние химического состава, метода прессования и коэффициента вытяжки на формирование уровня механических свойств.
Ключевые слова: крупногабаритные прутки, алюминиевый сплав L168, макроструктура, прямое и обратное прессование, коэффициент вытяжки, уровень механических свойств.
„ Experimental Check of the Possibility of Large-Size L168 High-Strength Alu- „
^cv minium Alloy Bar Production via Direct Extrusion with a Guaranteed Bar Mechanical
Property Level. V.P. Kargin, A.Yu. Deryabin.
Industrial experiment concerning check of variants of extruded large-size L168 Al-Cu-Mg-Si-Mn system High-strength aluminium alloy bar production has been carried out. The effect of chemical composition, extrusion technique and extrusion ratio on attainment of a mechanical property level is discussed.
Key words: large-size bars, L168 aluminium alloy, macrostructure, direct and indirect extrusion, extrusion ratio, mechanical property level.
ЗАО «Алкоа СМЗ» имеет многолетний опыт производства горячепрессованных изделий из различных алюминиевых сплавов.
Производство крупногабаритных горя-чепрессованных прутков из алюминиевых сплавов с гарантированным уровнем механических свойств для внутреннего рынка и экспортных поставок является одним из перспективных направлений.
Крупногабаритные прутки 0 100-300 мм из высокопрочного алюминиевого сплава 1_168 востребованы зарубежной авиационной промышленностью в соответствии с британскими стандартами ВБИ68 [1] и ВБ5Ь100 [2] и применяются для высоконагруженных де-
талей самолета. К пруткам, производимым по этим стандартам, предъявляются повышенные требования к структуре и уровню механических свойств. Структура прутков должна быть однородной и достаточно мелкозернистой, с требуемым уровнем равномерности по сечению и длине. Не допускается крупное зерно по периметру прутков. Требуемый уровень механических свойств приведен в табл. 1.
В данной работе с целью выбора наиболее приемлемой технологии горячего прессования прутков из сплошной литой заготовки через традиционную плоскую матрицу без смазки контейнера и матрицы проведено исследование влияния масштаба деформиро-
вания (прессы усилием 120 и 200 МН), химического состава, метода прессования (прямой и обратный) и вытяжки на механические свойства крупногабаритных высокопрочных прутков 0 177,8 мм из сплава L168.
Оценку распределения механических свойств в объеме прутка проводили путем испытаний на растяжение на универсальной машине ZWICK Z-250 стандартных образцов, вырезанных в продольном направлении и расположенных в сечении на переферии прутка на расстоянии 1/4R, 1/2R и в центре, где R - радиус прутка.
Исследованием сплава L168 показано (табл. 2): увеличение содержания в сплаве меди до 4,4 % обеспечило рост прочностных
Таблица 1
Требования к механическим свойствам
прутков из сплава L168
в соответствии с BSL168
Диаметр, мм ств, МПа, min ^0 2, МПа, min 8, %, min
100 < D m 150 465 420 7
150 < D m 200 435 390 7
Таблица 2
Основные химические элементы
(min-max, %) в сплаве L168
Si Fe Cu Mn Mg
0,5-0,9 0,5* 3,9-5,0 0,4-1,2 0,2-0,8
*max.
Таблица 3
Механические свойства прутков при прямом и обратном прессовании
Место отбора темп-летов ств, МПа ст02, МПа 8, %
Прямое Обратное Прямое Обратное Прямое Обратное
1/4R 1/2R Центр 517,3 473.6 468.7 506,6 472,5 469,2 475.1 420.2 419,8 469,0 423,9 423,3 8,6 8,0 7,8 8,5 7,9 7,3
характеристик ств и ст0,2 в среднем на 30 МПа; увеличение содержания кремния до 0,7 % повысило литейные свойства при изготовлении крупногабаритных слитков и снизило склонность их к трещинообразованию; увеличение содержания марганца до 0,7 % и соответственно дисперсных включений марганцевой фазы Т(А112Мп2Си) повысило температуру первичной рекристаллизации, затруднило рост зерен при вторичной рекристаллизации и, следовательно, обеспечило повышение прочностных свойств.
Влияние метода прессования изучали на примере прессования прутка 0 177,8 мм с прямым и обратным истечением из контейнера 0 500 мм на прессе 120 МН. При прессовании с обратным истечением отмечено снижение давления на 1,6 МПа. Уровень механических свойств как в периферийных, так и в центральных слоях горячепрессованных прутков при прямом прессовании мало отличался от уровня механических свойств при обратном прессовании (табл. 3).
Учтено, что для реализации технологии обратного прессования необходим более дорогостоящий инструмент, чем в случае прямого прессования.
Для определения влияния коэффициента вытяжки X проведены опытные работы по прессованию прутка 0 177,8 мм из контейнеров 0 500 мм на прессе 120 МН и 0 650 мм на прессе 200 МН с коэффициентом вытяжки 7,9 и 13,0 соответственно. Характер изменения давления плунжера в главном цилиндре при прессовании представлен на рис. 1.
о =2
О
§ н
«к
<D CS
О Я
W О
О о
о о
у' 4-ч
/ ^S.
1 /
1
1/ ^ ______/
1
2
/
^—
-
Длина отпрессованного прутка, м
Рис. 1. Кривая изменения давления прессования по ходу процесса:
1 - контейнер 0 650 мм; 2 - контейнер 0 500 мм
Таблица 4
Механические свойства прутков, отпрессованных из контейнеров 0500 и 650 мм
Место отбора темпле-тов МПа ст0,2> МПа 8, %
0500 0650 0500 0650 0500 0650
1/4R 1/2Я Центр 517,3 473.6 468.7 497,7 476,3 468,3 475.1 420.2 419,8 459,8 429,6 423,3 8,6 8,0 7,8 6,4 7,3 6,6
устойчиво обеспечить мелкозернистую структуру (рис. 2) с достаточной степенью равномерности по всей длине прутка, что по данным работы [4] также обеспечивает требуемую стабильность механических свойств.
Так, для прутков, изготовленных прямым прессованием с коэффициентом вытяжки 7,9, проведена оценка стабильности уровня типовых механических свойств с помощью программ МтИаЬ (рис. 3). Для интегральной оценки стабильности механических свойств серийных полуфабрикатов использован сово-
Рис. 2. Макроструктура прутков, полученных при горячем прессовании
Уровень механических свойств, зависимый также от влияния диаметра контейнеров, представлен в табл. 4.
Полученные результаты, показывают, что при увеличении вытяжки в 1,65 раза возрастает усилие прессования в 1,9 раза. При этом средние значения предела прочности и предела текучести на 1/2R увеличиваются соответственно на 2,7 и 9,4 МПа, а удлинение снижается на 0,7 %*.
Установлено, что горячее прессование при температуре слитка 410-460 °С и скорости прессования 0,1-0,2 м/мин позволило
* Примечание научного редактора. Следует иметь в виду, что на эти результаты особенно в периферийной зоне прутков оказывает факультативное влияние масштабный фактор деформирования (например, ^ 40 % часть хода пресса 200 МН проходит в нештатном режиме, при недостатке его мощности, см. рис. 1).
435,0 442,5 450,0 457,5 465,0 472,5 480,0 487,5 Предел прочности, МПа
-Ф-
390,0 397,5 405,0 412,5 420,0 427,5 Предел текучести, МПа
-г-1-г-1—1—1——■—т-
7,2 7,6 8,0 8,4 8,8 9,2 Удлинение, %
Рис. 3. Интегральная оценка стабильности уровня типовы>к механических свойств прутков из сплава М68
-Ф-
купный параметр качества (Ррк), который определен на основе ГОСТ Р 50799.44-2001 [5].
Интегральные значения критериев оценки предела прочности Ррк = 2,16, предела текучести Ррк = 2,01, удлинения Ррк = 0,87 указывают на то, что процесс прямого горячего прессования является достаточно стабильным и управляемым и приемлем для производства крупногабаритных прутков именно из специального, высокопрочного алюминиевого сплава 1_168 (благодаря его химическому составу).
Выводы
1. На основе результатов опытно-промышленных экспериментов в условиях пря-
мого и обратного прессования освоено производство крупногабаритных горячепрессо-ванных алюминиевых прутков 0 100-300 мм из высокопрочного сплава 1_168 с достаточным уровнем механических свойств, превышающим уровень Британского стандарта.
2. Показано, что прямое прессование с пониженными вытяжками X < 8 позволяет получить структуру, достаточно мелкозернистую и равномерную по всей длине, чтобы повысить качество отпрессованных прутков, а также снизить энергозатраты за счет меньшей стоимости прессового инструмента, чем в случае обратного прессования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ББ 1_168:1978. Спецификация на прутки и прессованные профили сплава алюминий-медь-магний-кремний-марганец, подвергнутые термообработке на твердый раствор и искусственному старению, диаметром или меньшим размером поперечного сечения не более 200 мм (Си 4,4, Мд 0,5, Б1 0,7, Мп 0,8). 1978. - 5 с.
2. ВБ51_-100:2011. Алюминий и алюминиевые сплавы деформируемые авиационно-космического на-
значения. Методика контроля, испытания и приемки. 2011. - 106 с.
3. Гун Г.Я., Яковлев Б.А. Прессование алюминиевых сплавов: математическое моделирование и оптимизация. - М.: Металлургия, 1974. - 335 с.
4. ГОСТ Р 50799.44-2001. Статистические методы. Показатели возможностей процессов. Основные методы расчета. - М.: Госстандарт России, 2001. - 20 с.
-Ф-
-Ф-
