CC BY
25
-Ф-
УДК 669.721'71' 5 ' '857;621.762.224
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ ЛИСТА ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 1151
Е.Ф. Волкова, докт. техн. наук (e-mail: [email protected]), В.А. Дуюнова, канд. техн. наук, Д.В. Капитаненко, А.В. Скугорев, канд. техн. наук(ФГУП «ВИАМ», г. Москва)
Представлены результаты исследования технологической пластичности (штам-пуемости) листа толщиной 2,0 мм из жаропрочного алюминиевого сплава 1151 после различных режимов термической обработки в сравнении со сплавом 1160. Определены оптимальные параметры изготовления деталей и узлов новых изделий при проведении операции холодной листовой штамповки сплава 1151.
Ключевые слова: жаропрочный алюминиевый сплав 1151, конструкционный сплав 1160, катаный лист, пластичность (штампуемость), гибка, вытяжка, отбор-товка, состояние после закалки (Т), состояние после отжига (М) и перезакаленное состояние.
Investigation of Ductility of 1151 High-Temperature Aluminium Alloy Sheets.
Ye.F. Volkova, V.A. Duyunova, D.V. Kapitonenko, A.V. Skugorev.
The results of studies on ductility (formability) of 1151 high-temperature aluminium alloy 2 mm thick sheets after different heat treatment modes in comparison with the results obtained on commercial 1160 alloy are presented. The optimal parameters for production of components and their combinations for new airframe structures by the use of cold sheet stamping of 1151 alloy sheets have been found.
Key words: 1151 high-temperature aluminium alloy, 1160 structural alloy, rolled sheet, ductility (formability), bending, deep drawing, flanging, as-quenched state (T), as-annealed state (M), as-requenched state.
Введение
Конструкционные и жаропрочные алюминиевые сплавы системы А1-Си-Мд успешно применяют в изделиях ракетно-космической, авиационной техники, работающих в условиях повышенных температур и нагрузок.
При разработке и эксплуатации ответственных по назначению изделий весьма важным является обеспечение надежности и высокой работоспособности. Повышение качества конструкций в немалой степени зависит от правильного выбора материала (сплава) полуфабриката, предназначенного для изготовления деталей и узлов конструкции [1-8].
Для серийных сплавов дюралевой группы (Д16-1160, Д16ч, 1163, Д19, АК4 и т. д.) достаточно полно исследованы процессы диффузии атомов фаз-упрочнителей в структуре при
20 °С и температурно-временных режимах искусственного старения,изучены их технологические возможности [5].
Сплав 1151 относится к сплавам нового типа - жаропрочным свариваемым сплавам системы А1-Си-Мд, композиция которых основана на эквиатомном содержании меди и магния в сплаве [3, 7]. Систематические исследования структуры, фазового состава и свойств сплава 1151, проведенные его автором Е.Ф. Чирковым, показали, что по сравнению с существующими дюралевыми сплавами сплав 1151 нового типа отличается рядом особенностей: значительной заторможенностью миграции вакансий (главного, определяющего фактора диффузии атомов), практическим отсутствием напряжений в кристаллической решетке пересыщенного а-твердого
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
раствора, наличием в качестве диффузионно-подвижной упрочняющей фазы только фазы в (А12СиМд) [3, 5, 7, 9-14]. Эти качества обеспечивают стабильность механических свойств при длительном вылеживании при комнатной температуре и в целом повышают надежность работы изделия, поскольку сплав не проявляет склонности к естественному старению. Отсутствие явно выраженного естественного старения у сплава 1151 также весьма позитивно для процессов металлургического и машиностроительного производств при сдаче готовой продукции и проведении листовой штамповки.
Для расширения применения сплава 1151 и его внедрения в опытно-конструкторских разработках новых изделий возникла необходимость дополнительного исследования технологической пластичности данного сплава при операциях листовой штамповки (гибки, вытяжке, отбортовке).
В связи с изложенным цель настоящей работы состояла в исследовании технологической пластичности (штампуемости) листа толщиной 2,0 мм из сплава 1151 после различных режимов термической обработки для оптимизации технологических параметров при изготовлении деталей и узлов новых изделий с использованием операций холодной лис-
товой штамповки; в сравнении уровня параметров листовой штампуемости сплава 1151 и широко применяемого конструкционного сплава Д16 (1160).
Материалы и методы исследования
В ОАО «СМК» при участии сотрудников ФГУП «ВИАМ» отработаны серийные технологические процессы литья, изготовления плоских крупногабаритных слитков из жаропрочного алюминиевого сплава 1151, их гомогенизация и последующая прокатка на листы с гарантируемым уровнем свойств.
В качестве исследуемого материала использовали плакированный лист толщиной 2,0 мм из сплава 1151 и для сравнительного анализа полученных результатов - лист 2,0 мм из известного сплава 1160, изготовленные в заводских условиях по серийной технологии. Резали листы на заготовки для образцов на гильотинных ножницах ЯЬ 2500. Исходные свойства этих полуфабрикатов представлены в табл. 1.
Представляло интерес изучить особенности поведения сплава 1151 в тех состояниях, которые рекомендуются для практического применения, то есть в отожженном (М), закаленном (Т)и в состоянии после повторной закалки (перезакалки).
Таблица 1 Сравнительные свойства листов толщиной 2 мм из конструкционных сплавов 1151 и 1160 в различных состояниях с технологической плакировкой
Сплав Состояние Направление вырезки образца Механические свойства при 20 °С
ст02, МПа ств, МПа 8, %
1151А Т Продольное Поперечное 320-325 285-295 435 425-430 19,0-20,0 18,5-20,5
М Продольное Поперечное 105-110 105-110 245-250 240-245 16,5-20,5 16,0-19,0
Перезакаленное Продольное Поперечное 265-270 285 415-420 435 23,5 20,0-21,0
1160* *Свой М Т Перезакаленное и состаренное ства приведены по ОСТ1 90070- Поперечное 92 для плакирован 290 275 ного листа из с 145-235 440 425 плава 1160. 10 10 11
-Ф-
-Ф-
Испытание на одноосное растяжение образцов листа из сплава 1151 при температуре 20 °С проводили на сервогидравлической испытательной машине Zwick-Roell Z 100 в соответствии с ГОСТ 1497.
Технологическую пластичность листов определяли на гидравлическом прессе двойного действия Looe Shopper усилием 0,75 МН по ГОСТ 14019 и методикам ФГУП «ВИАМ».
Испытания образцов из сплава 1151 на изгиб (гибку) выполняли с использованием матрицы с углом 90° пуансонами с радиусами закруглений рабочих частей от 1,0 до 10,0 мм без применения технологической смазки.
По результатам испытаний определяли минимальный относительный радиус гибки (Rmin пуансона/S), при котором образец не разрушался, Rmin, а также рабочий радиус гибки Яраб.
На изогнутых образцах с радиусом гибки R, равным 2-5 толщины листа, оценивали угол пружинения листа.
Последний определяли как разность между углом гибки при испытании (90°) и углом образца после разгрузки а, который измеряли угломером с нониусом типа УТ.
Испытания образцов из сплава 1151 на вытяжку проводили в матрице диаметром 54,7 мм с радиусом закругления R = 10 мм цилиндрическим пуансоном диаметром 50 мм с радиусом закругления рабочей части 8 мм. При испытаниях в качестве технологической смазки использовали коллоидный графит.
Основной характеристикой деформации образца при вытяжке служит коэффициент вытяжки Квыт. По результатам испытаний листового материала на вытяжку определяли максимально допустимый коэффициент вытяжки K^^ , при котором не происходило разрушения образца, и рабочий коэффициент вытяжки K^.
вьи
Анизотропию листового материала при вытяжке оценивали по результатам измерения высоты вытянутого стакана в продольном, поперечном направлениях и под углом 45° к оси прокатки. Коэффициент анизотропии
листового материала при вытяжке определяли по формуле:
^аниз _ ДT ^ыт _ и , Hср
где ДT - максимальное отклонение высоты стакана, мм;
Иср - средняя высота стакана по результатам замеров в восьми точках, мм.
Испытания образцов из сплава 1151 с отверстиями диаметром от 32 до 43 мм на от-ботовку проводили в матрице диаметром 54,7 мм с радиусом закругления R _ 10 мм сферическим пуансоном диаметром 50 мм; в качестве технологической смазки использовали коллоидный графит.
Основной характеристикой деформации образца при отбортовке является коэффициент отбортовки ^^б, который определяли по формуле*:
D
отб
^тб _ d
dотв
где DоTб - диаметр отбортованного отверстия по средней линии, мм; dоTв - диаметр отверстия заготовки, мм.
По результатам испытаний листового материала на отбортовку определили максимально допустимый коэффициент отбортовки, при котором не происходило разрушения образца, и рабочий коэффициент отбортовки . Степень упругого пружинения материала при отбортовке определялась как уменьшение внутреннего диаметра отбортованного образца относительно диаметра пуансона.
При операции отбортовки коэффициент анизотропии листового материала определяли по результатам замеров внутреннего диаметра образца в продольном, поперечном направлениях и под углом 45° к оси прокатки листа. Коэффициент анизотропии лис-
* Здесь и далее приведены формулы расчета характеристик деформации по книге: Романовский В.П. Справочник по листовой штамповке. - Л.: Машиностроение, 1979. - 520 с.
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
тового материала при отбортовке определяли по формуле:
„аниз _ ^^отв котб _ ,
°отб
где А^отв - максимальное отклонение внутреннего диаметра отбортованного образца от среднего значения, мм; d0Jб - среднее значение диаметра отбортованного образца, мм.
Результаты исследований и их обсуждение
В табл. 1 представлены сравнительные результаты испытаний на растяжение при 20 °С образцов из алюминиевых жаропрочных сплавов 1151 и 1160 толщиной 2 мм в состоянии поставки (закаленное состояние Т), отожженном (М) и перезакаленном состояниях.
В состоянии поставки (Т) имеет место «прямая» анизотропия механических свойств листа из сплава 1151, то есть предел текучести материала в продольном направлении больше, чем в поперечном. Наиболее вероятно это связано с правкой растяжением после закалки листа, так как «прямая» анизотропия обусловлена деформацией растяжения в продольном направлении. Повторная закалка (перезакаленное состояние) возвращает «обратную» анизотропию механических свойств материала (предел текучести в поперечном направлении листа больше, чем в продольном), характерную для холоднокатаных листов [7, 15-17]. Из результатов сравнительных испытаний следует, что отжиг заметно снижает прочностные характеристики листов из сплавов 1151 и 1160. Уровень прочностных свойств сплавов при 20 °С практически одинаков; однако по значениям относительного удлинения 8 сплав 1151 имеет преимущества.
Сплавы 1151 и 1160 формально относятся к одной группе конструкционных материалов (дуралюмины), однако в силу особенностей фазового состава сплав 1151 обладает более высоким уровнем прочностных свойств при повышенных температурах. По жаропрочности сплав 1151 заметно превосходит сплав 1160 особенно при 150-175 °С (табл. 2).
Таблица 2 Сравнительные характеристики жаропрочности листов толщиной 1,5—3,0 мм из конструкционных сплавов 1151 и 1160(поперечное направление)
Сплав Состояние Характеристика Температура испытания, °С
125 150 175
1151 Т Предел ползучести 00,2/1000, МПа Предел длительной прочности 0/1000, МПа 260 325 200 290 140 195
1160 Т Предел ползучести 002/1000, МПа Предел длительной прочности 0/1000, МПа 294 118 235 69 172
Анализ данных табл. 2 свидетельствует о том, что для сплава 1151 основной показатель жаропрочности - предел ползучести (на базе 1000 ч) - при температурах испытания 150, 175 °С в состоянии Т на 41 и 50 % соответственно выше, чем у сплава 1160.
Однако особенности фазового состава сплава 1151, обеспечивающие его жаропрочность, могут вступить в некоторое противоречие со способностью этого сплава деформироваться при листовой штамповке.
Для алюминиевых сплавов основным показателем, характеризующим способность сплава деформироваться изгибом, служит минимальный радиус гибки Ят1П.
По результатам испытаний были определены как минимально допустимые Ят1П, так и рабочие Яраб относительные радиусы гибки, а также углы пружинения при радиусах гибки (2-5) в при изгибе листа из сплава 1151 в продольном и поперечном направлениях и листа из сплава 1160 в поперечном (минимальном) направлении (табл. 3). Характеристики пластичности материала в различных состояниях остаются практически на одном уровне и сильно зависят от качества поверхности листа (наличия рисок, царапин, отслоения алюминиевого покрытия).
-Ф-
Таблица 3
Характеристики технологической пластичности листа из сплава 1151 при изгибе
Сплав Состояние Направление R nmin Rраб Угол пружинения, град., при относительных радиусах гибки R/S
2 3 4 5
1151 Т Продольное Поперечное 1,5-2,0 S* 2,0-2,5 S 2,5-3,0 S 2,5-3,0 S -0,5 0 2,0 3,0 5,5 5,5 7,0 7,5
М Продольное Поперечное 0,8-1,0 S 1,0-1,5 S 1,5-2,0 S 2,0-2,5 S 0 0 1,0 0,5 2,0 2,0 2,5 2,5
Перезакаленное Продольное Поперечное 1,25-1,5S 1,5-2,0 S 1,5-2,0 S 2,0-2,5 S 0 0 2,0 3,0 5,0 5,5 7,0 7,5
1160 *S - М Т толщина лист Продольное 1, мм. 0,8-1,0 S 1,5-2,5 S 4-5 5-6
Результаты определения технологической пластичности листа из сплава 1151 толщиной 2 мм при гибке показали, что материал в состоянии поставки Т в продольном направлении имеет удовлетворительный уровень технологической пластичности, практически тот же, что и сплав 1160. В продольном направлении сплав 1151 в состояниях М и перезакаленном имеет хороший уровень технологической пластичности, а поперечном -удовлетворительный.
В табл. 4 представлены результаты оценки технологической пластичности листа из сплава 1151 при операциях вытяжки.
В результате проведенных испытаний было показано, что вытяжка деталей и элементов конструкции из листа сплава 1151 в закаленном состоянии Т не рекомендуется, поскольку материал в состоянии Т имеет очень низкую технологическую пластичность при вытяжке.
Технологическая пластичность листа из сплава 1151 в перезакаленном состоянии несколько выше, чем в состоянии Т, однако, остается сравнительно низкой (табл. 5). В отожженном состоянии М этот сплав отличается хорошим уровнем технологической пластичности при вытяжке и по значениям К"рыт находится практически на одном уровне с листом из сплава 1160 (см. табл. 5).
При вытяжке листа из сплава 1151 следует избегать образования гофр, возникающих вследствие недостаточного усилия прижима.
Исследование анизотропии листового материала при вытяжке показало, что лист из сплава 1151 проявляет минимальную анизотропию. В состоянии Т коэффициент анизотропии листа при вытяжке КаыТз = 0,015-0,025,
в состоянии М Ksbn-3 = 0,01-0,02, в перезака-
Таблица 4 Сравнительная технологическая пластичность сплавов 1151 и 1160 при вытяжке
Сплав Состояние Максимально допустимый коэффициент „max вытяжки K Рабочий коэффициент вытяжки выт
1151 Т М Перезакаленное 1,54-1,56 1,90-1,93 1,63-1,63 1,4-1,45 1,75-1,85 1,45-1,55
1160 М Свежезакаленное - 1,80-1,90 1,70-1,80
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Таблица 5 Технологическая пластичность и степень пружинения сплавов 1151 и 1160 при отбортовке
Сплав Состоя -ние Максимально допустимый коэффициент отбор- ТОВКИ Котб Рабочий коэффициент от-бортовки Кр Котб Степень упругого пружине-ния при отбор-товке, %
1151 Т М 1,25 1,35 1,15-1,2 1,25-1,3 1,6 1,0-1,2
1160 М 1,40 - 1,0-1,1
ленном состоянии
„аниз Квыт
0,01-0,015. Упру-
ном, поперечном направлениях и под углом 45° к оси прокатки листа. Коэффициент анизотропии листа из сплава 1151 в состояниях Т и М при отбортовке отверстия Кот^ _ 0.
гое пружинение материала после вытяжки отсутствует.
В табл. 5 приведены значения максимально допустимых О и рабочих К^б коэффициентов отбортовки при штамповке листа из сплава 1151 в состояниях Т и М, а также степень пружинения отбортованного образца по внутреннему диаметру после разгрузки. Как следует из анализа результатов табл. 5, листы из сплавов 1151 и 1160 в состоянии М демонстрируют практически один уровень характеристик технологической пластичности и степени упругого пружинения.
Однако сплав 1151 в состоянии Т при отбортовке характеризуется несколько пониженным уровнем технологической пластичности. Для отбортовки следует использовать сферический пуансон.
Качество поверхности отверстий образцов обеспечивалось механической (токарной) обработкой. Поверхность отверстия полученного пробивкой следует подвергать зачистке фрезерованием, опиловкой и другими способами на глубину 10-20 % от толщины листа до шероховатости поверхности кромок Иг не больше 20 мкм по ГОСТ 2789 с полным удалением заусенцев, надрывов и неровностей.
Измерение внутреннего диаметра отбортованных образцов без разрушения показало отсутствие различия диаметра в продоль-
Выводы
1. Сплав 1151 имеет несомненные преимущества перед сплавом 1160 по характеристикам жаропрочности в исследованном интервале температур: в состоянии Т основной показатель жаропрочности - предел ползучести (на базе 1000 ч) - у сплава 1151 при 150, 175 °С на 41 и 50 % соответственно выше, чем у сплава 1160.
2. Механические свойства сплавов 1151 и 1160 (лист 2,0 мм) при 20 °С в одинаковом состоянии практически идентичны, однако сплав 1151 демонстрирует более высокий запас пластичности (8 _ 16-23 %) по сравнению со сплавом 1160 (8 _ 10-11 %).
3. Технологическая пластичность листа толщиной 2,0 мм из сплава 1151 в состоянии М при операциях гибки,вытяжки,отбортовки вполне сопоставима с технологической пластичностью листа из сплава 1160 в том же состоянии.
4. При выполнении операции вытяжки лист из сплава 1151 проявляет минимальную анизотропию: в состоянии Т коэффициент анизотропии листа при вытяжке К^ы^3 _ 0,015-0,025,
в состоянии М _ 0,01-0,02, в перезакаленном состоянии Каыиз _ 0,01-0,015.
5. Определены значения основных показателей характеристик штампуемости сплава 1151 в состояниях, рекомендованных для поставки материала: закаленном, отожженном и перезакаленном.
6. Установлено, что в состоянии М технологическая пластичность листа жаропрочного алюминиевого сплава 1151 сопоставима с технологической пластичностью известного конструкционного сплава 1160. Сплав 1151 пригоден при изготовлении деталей и узлов новых изделий с использованием таких операций холодной листовой штамповки, как гибка, вытяжка, отбортовка.
-Ф-
-Ф-
-Ф-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. № Б. С. 7-17.
2. Каблов Е.Н. Авиакосмическое материаловедение // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. № 3. С. 2-14.
3. Чирков Е.Ф., Кононова Л.А., Шмелева В.С. Влияние эквиатомного содержания Си и Мд на процессы старения жаропрочного свариваемого конструкционного сплава 1151 (А1-Си-Мд) // Труды ВИАМ. 2013. № 2. Ст. 03 (viam-works.ru).
4. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ткаченко Е.А., Вахромов Р.О. Алюминиевые деформируемые сплавы // Авиационные материалы и технологии. 2012. № Б. С. 167-182.
5. Корнышева И.С., Волкова Е.Ф., Гончаренко Е.С. и др. Перспективы применения магниевых и литейных алюминиевых сплавов // Авиационные материалы и технологии. 2012. № Б. С. 212-222.
6. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Вершков А.К. Редкие металлы и редкоземельные элементы -материалы современных и высоких технологий будущего // Труды ВИАМ. 2013. № 2. Ст. 01 ^ат-works.ru).
7. Каблов Е.Н. Химия в авиационном материаловедении // Российский химический журнал. 2010. Т. ЫУ. № 1. С. 3-4.
8. Авиационные материалы: справ. Авиационные материалы. Т. 4. Алюминиевые и бериллиевые сплавы. Ч. 1. Кн. 1. / Под общ. ред. Е.Н. Каблова. -М.: ВИАМ, 2008. С. 139-154.
9. Телешов В.В., Андреев Д.А. Влияние химического состава на структуру, механические свойства и характеристики трещиностойкости прес-
сованных сплавов системы Al-Cu-Mg-Ag-Xi в состоянии Т1 // Технология легких сплавов. 2013. № 4. С. 20-29.
10. Чирков Е. Ф. Темп разупрочнения при нагревах -критерий оценки жаропрочности конструкционных сплавов систем Al-Cu-Mg и Al-Cu // Труды ВИАМ. 2013. № 2. Ст. 02 (viam-works.ru).
11. Чирков Е.Ф. О природе воздействия Cu и Mg на эволюцию структуры и жаропрочности алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg // Технология легких сплавов. 2002. № 4. С. 64-68.
12. Chirkov E.F., Fridlyander I.N., Cherkassov V.V. Universal Structural Weldable Aluminium Alloy 1151 with Improved Corrosion Resistens for Operation at Elevated and Cryogenic Temperature // Proc. ICAA-6. V. 3. Toyohashi. 1998. P. 2041.
13. Chirkov E.F. Fundaments of Developing Compositions for Weldable Wrought Aluminium Alloys with Enhanced Heat Resistance // Proc. ICAA-9. Australia. 2005.
14. Оспенникова О.Г., Бубнов М.В., Капитанен-
ко Д.В. Компьютерное моделирование процессов обработки металлов давлением // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 141-147.
15. Григорьева Н.А., Данейко О.И., Ковалевская Т.А. Закономерности пластической деформации сплавов на основе алюминия, содержащих когерентные и некогерентные частицы // В сб.: Тезисы докл. II Московских чтений по проблемам прочности материалов. - Черноголовка. 2011. С. 45.
16. Халикова Г.Р., Трифонов В.Г. Структура и механические свойства жидкоштампованного алюминиевого сплава Д16 // Письма о материалах. 2011.Т. 1. С.138-142.
