CC BY
13
-Ф-
УДК 669.715:621.777
ИЗМЕНЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ПРУТКОВ ИЗ СПЛАВА 1561 В ПРОЦЕССЕ ПРЕССОВАНИЯ С УВЕЛИЧЕННОЙ СДВИГОВОЙ КОМПОНЕНТОЙ*
С.М. Меркулова, Л. Б. Бер, докт. техн. наук, Т.Д. Ростова, канд. техн. наук (ОАО «ВИЛС», e-mail: info@oaovils.ru)
Показано, что при многоцикловом прессовании в условиях малой вытяжки в прутках 0 85 мм из алюминиевого сплава 1561 за счет увеличенной сдвиговой компоненты формируется нерекристаллизованная волокнистая структура с поперечными размерами волокна 5-10 мкм и размерами субзерен 0,2-0,5 мкм. Такая структура обеспечивает повышение ств на 10 % и 5 на 30 % по сравнению со значениями этих характеристик у прутков, полученных по серийной технологии (прямое прессование).
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, малая вытяжка, прессованные прутки, поперечный размер волокна.
Alteration in 1561 Alloy Bar Microstructure during Extrusion Process Carried out with an Increased Shear Component. S.M. Merkulova, L.B. Ber, T.D. Rostova.
The paper shows that in the case of multicycle extrusion under low extrusion ratio conditions, a nonrecrystallized fibrous structure with transverse grain size of 5-10 |am and subgrain size of 0.2-0.5 цт is developed due to an increased shear component. This structure ensures an improvement in UTS and El by 10 % and 30 % respectively in comparison with values of these properties offered by bars produced via the commercial production technology.
Key words: aluminium alloys, low extrusion ratio, extruded bars, transverse grain size.
Для повышения качества прессованных полуфабрикатов ответственного назначения из алюминиевых сплавов необходимо ликвидировать в них недостатки исходной литой структуры (пористость, дендритную неоднородность) и получить по всему сечению полуфабриката однородную нерекристаллизо-ванную или мелкозернистую рекристаллизо-ванную структуру.
Во многих работах эти задачи пытались решить как измельчением исходной литой структуры [1-3], так и воздействием на исходную литую заготовку интенсивной пластической деформацией (ИПД) [4, 5]. Если модифицирование слитков и металлургия гранул нашли практическое применение, то
* В работе принимал участие канд. техн. наук В.С. Левченко (НИТУ «МИСиС»).
методы деформирования литых заготовок с использованием многократного углового прессования практически не используются в промышленности из-за их экономической неэффективности.
В настоящее время решить проблему получения прессованных полуфабрикатов с глубокой «проработкой» литой структуры в существующих промышленных условиях возможно за счет повышения коэффициента вытяжки, что требует выплавки крупногабаритных слитков и использования мощных прессов. Как правило, предприятия не всегда имеют такие технические возможности.
Альтернативным способом изготовления в промышленных условиях прутков и полос из алюминиевых и магниевых сплавов является прессование с увеличенной сдвиговой компонентой деформации [6-8]. Р.Д. Щер-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Химический состав сплава 1561, % мас. Таблица 1
А1 Мд Мп гг гп Б1 Ре И Си Ве
Основа 6,4 0,9 0,06 0,07 0,23 0,2 0,02 0,01 0,002
белем были разработаны матрицы для многоциклового прессования, которые легко встраиваются в существующую промышленную технологическую оснастку [6, 7].
Несмотря на то, что такое прессование происходит в условиях малой вытяжки, с его помощью удается значительно проработать литую структуру, повысить ее однородность по сечению прутков и за счет этого улучшить комплекс их свойств [7, 9].
В статье приведены результаты исследования изменения структуры при многоцикловом прессовании литых заготовок 092 мм на прутки 085 мм из сплава 1561, применяющегося при изготовлении средненагруженных конструкций в судостроительной промышленности. Химический состав сплава представлен в табл.1.
Структуру и механические свойства прутков изучали в центральной и периферийной зонах сечения (рис. 1). Использовали методы световой микроскопии (СМ, микроскоп Нео-фот 21), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ, микроскоп иЕОЬ2000). Наличие рекристаллизации определяли с помощью рентгеновской съемки «на просвет» на установке УРС-2.0 в нефильтрованном МоКа-излучении (рентгеновский пучок перпендикулярен оси прессования). Микрошлифы изучали после травления в реактиве Келлера или в поляризованном свете после полировки и анодного оксидирования.
На рис. 1 представлена макроструктура литой заготовки и прессованных прутков после одного и трех циклов деформирования.
Структурные исследования литой заготовки показали, что средний размер дендритов в центральной зоне равен - 230 мкм, причем субзерна совпадают с дендритными ячейками, имеющими размер - 30 мкм [8].
После одного цикла деформирования денд-риты в поверхностной зоне прутка за счет сдвиговых процессов начинают вытягиваться и
измельчаться (рис. 2, а). Структура в центральной зоне практически не претерпевает изменений, зерна остаются равноосными (рис. 2, б). В периферийных зонах зерна вытягиваются под углом - 25-30° к оси прутка (рис. 2, а).
Низ прутка
Низ прутка
Рис. 1. Макроструктура литой заготовки092мм из сплава 1561, (а, поперечное сечение) и прессованных прутков 0185 мм, продольное сечение, после одного (б) и трех (в) циклов деформирования: 1 - место вырезки образца вблизи периферийной части прутка; 2 - место вырезки образца в центральной части прутка
в
-Ф-
-Ф-
Рис. 2. Микроструктура поперечных образцов прутков085мм из сплава 1561 в зависимости от места вырезки образцов после одного (а, б) и трех (в, г) циклов деформирования:
1, 2 - места вырезки образцов обозначены на рис. 1. СМ, поляризованный свет
V ✓ -
Е5С
* # / / • 4
. . /V *
Рис. 3. Микроструктура литой заготовки <092мм из сплава 1561 (периферийная зона, а, б) и прутков 085 мм после одного цикла (периферийная зона, в, г) и трех циклов деформирования в центральной (д) и периферийной зонах (е). ПЭМ
После трех циклов прессования (рис. 2, в, г) в центральной зоне прутка происходит измельчение зеренной структуры. Число зерен, претерпевших сдвиговую деформацию, увеличивается до 40%, остальные 60% - равноосные зерна (рис. 2, г). В периферийной зоне прутка таких зерен гораздо больше - до 90 % (рис. 2, в). Зерна расположены под углом -30-40° коси прутка. По всему сечению прутка формируется волокнистая зеренная структура с поперечными размерами волокна (зерна) 5-10 мкм, что свидетельствует о сильном деформационном воздействии на металл (большой «проработке»).
На рис.3 представлены результаты исследования микроструктуры литой заготовки и прессованных прутков, полученные методом ПЭМ. В исходном объеме литой заготовки наблюдаются частицы Д115(Ре, Мп)2в1з со средним размером 0,03 х 0,15 мкм (рис. 3, а, б). На них закреплены винтовые дислокации. В процессе кристаллизации начинается фрагментация, формируются объемы, разделенные субграницами кручения и наклона, представляющими собой сетки и стенки дислокаций, скалярная плотность дислокаций составляет -1012 м-2.
После первого цикла деформирования (рис. 3, в, г) скалярная плотность дислокаций возрастает до 1014-1015 м-2. Дислокации располагаются неравномерно. Внутри субзерен, сформировавшихся после окончания кристаллизации, наблюдается дополнительная фрагментация.
Микроструктура прутка после трех циклов деформирования представлена на рис. 3, д, е. Субграницы становятся более совершенными, при этом существенно
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
возрастает плотность дислокаций. В периферийной зоне прутка эти процессы развиваются значительно интенсивнее, чем в центральной зоне; наблюдается характерная полигонизованная структура с размерами субзерен 0,2-0,5 мкм [7].
Характер рентгенограмм образцов после деформирования (рис.4) свидетельствует об отсутствии рекристаллизации, т. е. в ре-
Рис. 4. Рентгенограммы образцов прессованны прутков0885мм из сплава 1561:
а - один цикл, центральная зона; б - то же, периферийная зона; в - два цикла, центральная зона; г - три цикла, периферийная зона
Таблица 2 Механические свойства литой заготовки и прутков из сплава 1561 в продольном направлении
Состояние материала ств, МПа ст02, МПа 8, %
Литое Один цикл деформирования Три цикла деформирования Серийная технология 273-279 362-370 395-428 370-390 139-151 160-172 220-278 190-215 4,0-7,0 23,3-24,3 21,1-26,6 15,8-18,0
зультате прессования формируется нерекрис-таллизованная (полигонизованная) структура. На это указывает отсутствие рефлексов и прерывистость линий от характеристического спектра. На всех линиях имеются пики, вызванные текстурой, которая с увеличением числа циклов деформирования проявляется более явно.
Сформировавшаяся нерекристаллизован-ная структура с повышенной плотностью дислокаций обеспечивает рост механических свойств прутков по сравнению со свойствами прутков, полученных по стандартной технологии прямого прессования. В табл.2 представлены свойства литой заготовки и прутков после трех циклов деформирования в сравнении со свойствами прутков, изготовленных по серийной технологии.
Заключение
С применением просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, металлографии в поляризованном свете показано, что в прутках 085 мм из сплава 1561, отпрессованных через многоугловую матрицу, за счет увеличенной сдвиговой компоненты деформации в условиях малой вытяжки была сформирована нерекристал-лизованная волокнистая структура с поперечными размерами волокна (зерна) 5-10 мкм и размерами субзерен 0,2-0,5 мкм при 90% фрагментации в периферийных областях прутка и 50 % фрагментации в центральных. При этом значение ств в среднем повышается до 420 МПа при увеличении среднего значения 8 до 22 %. В случае прямого прессования по традиционной технологии возникает не-рекристаллизованная структура с поперечным размером волокна более 10 мкм, что обусловливает меньшие значения механических характеристик (ств = 380 МПа, 8 = 17 %).
Заметное повышение показателя 8 уже после одного цикла деформирования дает возможность на последующих циклах снизить температуру нагрева и давление прессования. Применение опытной технологии позволило уменьшить усилие прессования в 6 раз по сравнению с усилием прессования по серийной технологии.
-Ф-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Добаткин В.И. Закономерности структурообра-зования при быстрой кристаллизации сплавов // Доклад на научной сессии Отделения физикохи-мии и технологии неорганических материалов. -М.: ВИЛС, 1984. - 26 с.
2. Добаткин В.И., Белоцерковец В.В., Бочвар С.Г. Влияние изотермических выдержек в твердо-жидкой области на структуру алюминиевых сплавов // Металлы. 1994. № 6. С. 32-39.
3. Добаткин В.И., Эскин Г.И. Субдендритная структура слитков и гранул из легких сплавов // В кн.: Металлургия легких сплавов. - М.: Металлургия, 1983. С.66-72.
4. Сегал В.М., Ганаго О.А., Павлик Д.А. Обработка литых образцов простым сдвигом // КШП. 1980. № 2. С. 7-9.
5. Добаткин С.В., Захаров В.В., Ростова Т.Д. идр. Формирование нано- и субмикрокристаллической структуры в алюминиевом сплаве Д16 в ходе интенсивной пластической деформации // Технология легких сплавов. 2006. № 1-2. С. 62-66.
6. Shtcherbel R., Muratov R., Korjavina E., Kuch-kin V., Rycin V. Features of Extrusion of Al and Mg
Alloys for Production of Billets with Improved Strength, Plastic and Technologial properties I/ 8th International Aluminium Extrusion Technology Seminar & Exposition. 2004. Orlando. Floride. USA.
7. Щербель Р.Д., Меркулова С.М. Получение ультрамелкозернистой структуры в прутках из алюминиевого сплава 1561 при прессовании со сдвигом II Технология легких сплавов. 2013. № 1. С.18-26.
8. Щербель Р.Д., Меркулова С.М. Исследование возможности формирования равномерных по длине механических свойств крупногабаритных полос из сплава МА2-1 пч при прессовании с малыми вытяжками II Технология легких сплавов. 2012. № 4. С. 103-109.
9. Меркулова С.М. Влияние прессования с малой вытяжкой и увеличенной сдвиговой деформацией на структуру и свойства полуфабрикатов из алюминиевых и магниевых сплавов: автореф. дис. на соиск. ученой степени канд. техн. наук/ ОАО «Всероссийский институт легких сплавов». -Москва, 2014. - 28 с.
-Ф-
-Ф-
