CC BY
123
Наумова Е.А.,
доцент,
кандидат технических наук
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана», кафедра материаловедения, е-mail: jan73@mail.ru Белов Н.А.,
профессор,
доктор технических наук,
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», кафедра технологии литейных процессов, е-mail: nikolay-belov@yandex.ru
Хомутов М.Г.,
аспирант,
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», кафедра технологии литейных процессов, е-mail: khomu tov@misis.ru
Никитин Б.К.,
Заведующий лаборатории Прокатки,
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана», кафедра материаловедения,
Громов А.В.,
Зав. лабораторией металлообработки,
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана», кафедра материаловедения,
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЛИТЕЙНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ AL-CA-MG-ZN
Введение.
В течение многих лет подходы к разработке деформируемых и литейных сплавов сильно различались. Лучшие деформируемые сплавы разработаны на основе легированных твердых растворов, а составы литейных сплавов выбирались ближе к эвтектической точке [1,2]. Среди алюминиевых литейных сплавов на основе эвтектики пока широко применяются только силумины (сплавы системы Al-Si (Al-Si-Mg, Al-Si-Cu и др.) на основе эвтектики (Al)+Si, где (Al) - твердый раствор на основе алюминия) [3].
В настоящее время активно ведутся исследования, направленные на разработку
более универсальных сплавов. Из них получают высококачественные отливки, которые затем можно деформировать с большими степенями обжатия. Например, авторами работы [4] были созданы сплавы на основе эвтектики (Al)+Al3Ni (Никалины - АЦ6Н4, АЦ7Мг3Н4 и др.), которые, обладая литейными свойствами не хуже, чем у силуминов, заметно превосходят их по прочности. А благодаря тому, что фаза Al3Ni в эвтектике значительно дисперснее кремниевой фазы в силуминах, способны воспринимать также и значительную пластическую деформацию.
=■ 3/2015
1
МИР современной науки
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ УСЛУГ, ИХ МЕСТО, ФУНКЦИИ И СТРУКТУРА НА ПРЕДПРИЯТИИ ИНДУСТРИИ ГОСТЕПРИИМСТВА И ТУРИЗМА
Исследуемый нами сплав системы Al-Zn-Mg-Ca (ему дали название Альцимак) на основе дисперсной эвтектики (Al)+Al4Са, дешевле никалинов, поскольку кальций дешевле никеля [5,6]. Однако необходимо провести сравнение этих сплавов по комплексу прочностных и технологических характеристик.
В этой работе была поставлена цель -исследовать возможности применения к сплаву с кальцием пластической деформации. Для этого решались две задачи:
- Оценить принципиальную возможность деформирования композиции Al9Zn4Ca3Mg (Al-9%Zn-4%Ca-3%Mg) в сравнении с известным эвтектическим литейным сплавом. Эталоном для сравнения служил никалин АЦ6Н0,5Ж .
- Подвергнуть реальный образец сплава системы Al-Zn-Ca-Mg прокатке по режимам, установленным в течение предварительных экспериментов.
В настоящее время, в условиях экономии средств на проведение научно-исследовательских работ, актуально использование моделирования различных процессов - физических, химических, механических, термических и т.п. Это позволяет экономить материалы и не задействовать дорогостоящее и малодоступное промышленное
оборудование на начальных этапах исследовательских работ. Так, для оценки деформируемости новой композиции мы использовали установку физического моделирования термомеханических
процессов Gleeble 3800, позволяющую при минимальных затратах времени и материальных ресурсов получить
информацию о поведении металла и изменении его механических свойств в процессе прокатки, ковки, экструзии, литья, сварки и др., что важно при разработке новых или корректировки уже существующих технологий [7].
Экспериментальные методики
Сплавы Al9Zn4Ca3Mg (Al-9%Zn-4%Ca-3%Mg), Al10Zn3,5Ca3Mg (Al-10%Zn-3,5%Ca-3%Mg) и АЦ6Н0,5Ж (Al-6%Zn-0,5%Ni-0,5%Fe) готовили на основе алюминия А99. Легирующие элементы вводили в виде: лигатур Al-18%Ca, Al-20%Ni, Zn и Mg в чистом виде (Mg заворачивали в алюминиевую фольгу). Разливку осуществляли в графитовую форму при температуре расплава 730-740°С, получая плоские отливки с размерами 15х30х180 мм (скорость охлаждения при кристаллизации около 10 °С/с).
Термообработку отливок проводили в муфельных электрических печах SNOL 8,2/1100 с точностью поддержания температуры около 5°С.
Микроструктуру литых,
термообработанных и деформированных образцов изучали на оптическом микроскопе Olympus GX51 (ОМ) и сканирующем электронном микроскопе TESCAN VEGA 3 (СЭМ). Для приготовления шлифов применяли как механическую, так и электролитическую полировку.
Испытания проводили на модуле Hydrawedge II (Рис.1) комплекса физического моделирования
термомеханических процессов Gleeble System 3800.
Рис. 1 - Модуль для испытания на плоское деформационное сжатие Hydrawedge II [7].
Образец для испытания
изготавливается в виде прямоугольной призмы со сторонами 20х15х10 мм. Для уменьшения поверхностных сил трения на образцы наносили графитовую смазку и затем зажимали их между плоскими бойками прямоугольной формы (Рис.2). Для контроля температуры к образцам приваривали термопару.
Перед деформацией образцы нагревали до температуры испытания со скоростью 5°^с в низком вакууме (13,3 • 10-1 Па) путем прямого пропускания тока и выдерживали в течение одной минуты, затем деформировали на 75% и охлаждали потоком сжатого воздуха (скорость охлаждения 30°С/с).
Рис.2- Схемы испытания (а) и образца после деформации (б) [7].
б
а
После завершения испытания или моделирования результаты автоматически загружались в программу Origin, встроенную в каждую систему Gleeble 3800. Программа Origin может быть настроена таким образом, чтобы загружать данные каждого испытания и мгновенно отображать любое количество диаграмм, обеспечивая тем самым быстрый и удобный анализ каждого проведенного
испытания. Программа строит цветные графики и таблицы. Для построения истинных кривых деформации,
рассчитывали поправку на трение между образцами и бойками, а также на боковое расширение [8,9]. После расчета поправок строили графики зависимости истинного напряжения от истинной деформации при одноосном плоском сжатии.
Горячую прокатку осуществляли на лабораторном стане 260.Тип стана Дуо, реверсивный, максимальная ширина проката 250мм, скорость прокатки 0,2 м/с.
Предел прочности и относительное удлинение прокатанных образцов определяли по ГОСТ 1497-84 на универсальной испытательной машине FP100/1.
Результаты и их обсуждение.
В работах [4,6] установлено, что для хорошей деформируемости сплавов эвтектического типа, после литья их надо отжечь при температурах 450-600°С в течение 3-х часов с целью получения структуры с равномерно распределенными дисперсными включениями
интерметаллидов в алюминиевом твердом растворе. В сплаве Al9Zn4Ca3Mg этим интерметаллидом является фаза Al4Ca, а в сплаве АЦ6Н0,5Ж - Л13№. Поэтому все экспериментальные сплавы отжигали по режиму 450°С,3 час.+540°С,3 час:, согласно рекомендациям авторов работ [4,6]. Микроструктура сплавов в литом состоянии и перед пластической деформацией представлена на рисунке 3. В литой структуре по границам дендритов алюминиевого твердого раствора располагается эвтектика (Л1)+ Al4Ca, где фаза Al4Ca имеет вид сплошного жесткого каркаса на фоне (Л1) (Рис.За). После термической обработки
фрагментированные округлые частицы фазы Al4Ca располагаются в рамках
эвтектических колоний по границам дендритов твердого раствора на основе алюминия (Л1) (Рис.Зб).
Испытаниям на модуле Hydrawedge II подвергали сплавы Al9Zn4Ca3Mg и АЦ6Н0,5Ж при температурах 400 и 450°С и со скоростями 0,1; 0,3 и 1,0 с-1.
По результатам испытаний строили зависимости напряжение течения -степень деформации (рис.4,5). При всех условиях сплав Al9Zn4Ca3Mg хорошо деформировался. Повышение температуры деформации (Рис.4) и понижение ее скорости (Рис.5) приводит к уменьшению напряжения течения для обоих сплавов. Несколько завышенные значения напряжения течения у Альцимака по сравнению с Никалином можно объяснить более высоким содержанием в его структуре интерметаллидов
эвтектического происхождения. В структуре сплава АЦ6Н0,5Ж около 5% фазы ЛЬМ, в то время как в сплаве Al9Zn4Ca3Mg содержится порядка 15% фазы Al4Ca. На рисунке 6 представлена структура сплава Al9Zn4Ca3Mg вне зоны деформации и в зоне деформации. Если после отжига сферические частицы фазы Al4Ca расположены в рамках исходных эвтектических колоний, то после деформации они перераспределяются внутри алюминиевой матрицы и выстраиваются в направлении течения металла, не препятствуя деформированию.
Рис. 3 - Микроструктура сплава Al9Zn4Ca3Mg а) ОМ, литой, х1000; б) после отжига 450°С+540°С: СЭМ, х4000;в) АЦ6Н0,5Ж, литой, СЭМ, х700; г) Al10Zn3,5Ca3Mg после отжига 450°С+540°С, ОМ, х1000
б
Рис. 4. Зависимость напряжение течения — степень деформации сплавов Al9Zn4Ca3Mg (а) и АЦ6Н0,5Ж (б) при скорости деформации 0,1 с'1 и разных
температурах.
Рис. 5 - Зависимость напряжение течения — степень деформации сплава Al9Zn4Ca3Mg при 400 °С и разных скоростях деформации
.........' --Л.
I I Ь э > &
3":' •-т^ЯгЯШ:--. К-
ЭЕМ НУ: 20.0 ку №0:14-54 тт |_| УЕвДЗ ТЕвСДН
ЭЕМ МАО: 667 х Оаге(т/<1/у): 06/03/14
а б
Рис. 6. Микроструктура сплава Al9Zn4Ca3Mg, СЭМ: а) вне зоны деформации;
б) в зоне деформации.
Таким образом, наиболее мягкими условиями деформации (когда напряжение течения наименьшее и не возникает трещин при деформировании) сплава с большой объемной долей эвтектики можно считать температуру 450°С и скорость деформации в'=0.1 с-1.
Предварительные испытания на установке физического моделирования термомеханических процессов Gleeble 3800 показали принципиальную возможность деформирования сплавов системы А1^п-Са-М^. С учетом полученных результатов был изготовлен сплав Al-10%Zn-3,5%Ca-3%Mg с уточненным химическим составом. В нем было снижено содержание кальция для уменьшения доли эвтектической составляющей и увеличено содержание цинка для усиления эффекта дисперсионного твердения в процессе упрочняющей термической обработки -закалки и искусственного старения. Его также отжигали по режиму 450°С,3
час.+540°С,3 час: (Рис.Зг). В структуре этого сплава частицы фазы А14Са немного крупнее и более равномерно распределены в алюминиевой матрице по сравнению со сплавом Al9Zn4Ca3Mg после
термообработки по такому же режиму.
Плоские отливки с размерами 10х15х180мм. деформировали при температуре 450°С. Степень деформации при проходах составляла от 10 до 50% (задаваемое расстояние между валками от 13,2 до 2,4 мм, соответственно). Толщина образца экспериментального сплава после прокатки - 3,22 мм. Максимальная общая деформация составила 78,5%.
Микроструктура образца после прокатки в продольном направлении представлена на рисунке 7. Частицы фазы А14Са равномерно распределены в твердом растворе на основе алюминия (А1).
Значения твердости до и после прокатки - 123НВ и 112НВ соответственно.
а б
Рис.7. Микроструктура сплава Al-10%Zn-3,5%Ca-3%Mg после прокатки (продольное
направление), ОМ: а) х200; б) х1000
Прочностные характеристики проката закалка 500°С,3 час. и искусственное
исследовали на образцах, вырезанных в старение при 170°С,3 час. (режим Т6)
продольном и поперечном направлениях (Таблица 1). после термической обработки по режиму:
Таблица 1.
Направление После прокатки После закалки После закалки и иск. старения (Т6)
ов, МПа 6.% ов, МПа 6.% ов, МПа 6.%
Долевое 361 13,1 584 3,2
Поперечное 353 9,0 395 2,5 465 1,85
После прокатки и термической обработки по режиму Т6 прочность экспериментального сплава находится на уровне высокопрочных деформируемых сплавов типа В95 (ов=470-490МПа, 5=2-4%) [11]. А поскольку высокая объемная доля эвтектики предполагает хорошую технологичность также и при литье, можно назвать экспериментальный сплав А1-10%Zn-3,5%Ca-3%Mg в технологическом смысле универсальным высокопрочным алюминиевым сплавом нового типа.
Выводы.
1. Проведены испытания сплава Al-4%Ca-9%Zn-3%Mg (Альцимак) методом одноосного сжатия на модуле Hydrawedge II комплекса
физического моделирования
термомеханических процессов Gleeble System 3800 при температурах 400 и 450°С со скоростями 0,1; 0,3 и 1,0 с-1. Установлено, что сплав пригоден для деформационной обработки и практически не уступает в технологичности высокопрочному никалину. Для последующих испытаний термопластических технологических процессов можно рекомендовать температуру
T=400°C при скорости деформации s'=0.1 с-1 или температуру T=450°C при скорости деформации s'=0.2-0,3 с-1, когда сплав Al-4%Ca-9%Zn-
3%Mg деформируется без разрушения и зарождения трещин.
2. Проведена прокатка сплава А1-10%Zn-3,5%Ca-3%Mg на
лабораторном стане 260 при температуре 450°С и скорости деформации в'=0.2 с-1 . Установлено, что сплав
выдерживает суммарную
деформацию более 70%.
3. Установлено, что после прокатки и термической обработки по режиму Т6 прочность экспериментального сплава A1-10%Zn-3,5%Ca-3%Mg составляет 465-584МПа, что соответствует высокопрочным деформируемым алюминиевым сплавам.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белов Н.А., Золоторевский В.С. Курс лекций Алюминиевые сплавы: металловедение, применение, стандарты. - 120 с.
2. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А., Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. Учебник для ВУЗов - 3-е изд., перераб. и доп. -М. «МИСИС», 2001.-416с.
3. Белов Н.А., Савченко С.В., Белов В.Д.. Атлас микроструктур промышленных силуминов- М.: Издательский Дом МИСиС, 2009, 204 с.
4. Белов Н.А., Золоторевский В.С. Литейные сплавы на основе алюминиево-никелевой эвтектики (никалины) как возможная альтернатива силуминам, Цветные металлы, 2003, №2. - С.99-105.
5. Свойства элементов: Справ.изд. Кн. 1/ Под ред. Дрица М.Е.- 2 изд, М.: Металлургия, ГУП журнал «Цветные металлы» 1997, 432 с.
6. Н.А.Белов «Высокопрочный сплав на основе алюминия с добавкой кальция». Патент РФ № 2478132, публ. 27.03.2013, бюл.№9.
7. Система Gleeble 3800 . Режим доступа: http://gleebleru.gleeble.com/index.php/ 2012-05-22-13-54-47/gleeble-3800.html (дата обращения 05.12.2014).
8. Deiter G.E., Kuhn H.A., and Semiatin S.L., Handbook of workability and Process Design, - Р. 61-67.
9. Silk N. J. and van der Winden M.R. Materials Science and Technology, Vol. 15, March 1999. - 295 p.
10.Белов Н.А. Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов - М.: Издательский Дом МИСиС, 2010, 511 с.
11.Плиты из алюминия и алюминиевых сплавов ГОСТ 17232-99
