CC BY
10
УДК 669.715:669.793
DOI: 10.24412/0321-4664-2022-4-44-47
К ВОПРОСУ О ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ МАССИВНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ СПЛАВА 01570, ИЗГОТАВЛИВАЕМЫХ ИЗ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СЛИТКОВ
Юрий Аркадьевич Филатов, докт. техн. наук
Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, info@oaovils.ru
Аннотация. Исследовано влияние дополнительных нагревов на твердость слитка сплава 01570 диаметром 805 мм, отгомогенизированного при 380 °С в течение 10 ч и имеющего в этом состоянии твердость 79 ед. НВ. Установлено, что после дополнительных нагревов при 400 и 440 °С твердость слитка повышается. Она достигает максимальных значений 93 ед. НВ после отжига при 400 °С в течение 10 ч и 87 ед. НВ после отжига при 440 °С в течение 5 ч. Проводили отжиг заготовок под образцы. Для повышения прочностных свойств массивных полуфабрикатов, изготавливаемых из крупногабаритных цилиндрических слитков сплавов 01570 и 1570С, предложен двухступенчатый (380 °С, 10 ч + 400 °С, 10 ч) режим гомогенизационного отжига таких слитков.
Ключевые слова: система Al-Mg-Sc, сплав 01570, крупногабаритный слиток, массивный полуфабрикат, прочностные свойства
Pertains to the Possibility of Increasing the Strength Properties of 01570 Alloy Massive Semi-Finished Products Made from Large-Sized Cylindrical Ingots. Dr. of
Sci. (Eng.) Yuri A. Filatov
All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, info@oaovils.ru
Abstract. The effect of additional heats up on the hardness of 0 805 mm ingot made from 01570 alloy was studied. After homogenization at 380 °C, 10 h the ingot had 79 HB hardness. It has been established that after additional heating the hardness of the ingots increases and reaches its maximum values of 93 and 87 HB after annealing at 400 °C, 10 h and at 440 °C, 5 h respectively. A two-stage (380 °C, 10 h + 400 °C, 10 h) mode of the homogenization annealing of such ingots was proposed to improve the strength properties of 01570 and 1570C alloy massive semiproducts made from such large-sized cylindrical ingots.
Key words: Al-Mg-Sc alloys, 01570 alloy, large-sized ingot, massive semi-finished product, strength properties
Введение
Деформируемый алюминиевый сплав 01570 системы А!-Мд-Бс был создан в конце 70-х гг прошедшего века [1]. В качестве основных компонентов сплав содержит в среднем (здесь и далее % мас.) 5,8 Мд-0,4 Мп-0,22 Бс-0,1 Zr [2, 3].
Благодаря сочетанию сравнительно высокой прочности в отожженном состоянии, хорошей свариваемости, высокой коррозионной стойкости и высокой технологичности в машиностроительном производстве, связанной с отсутствием необходимости в упрочняющей термической обработке полуфабрикатов, сплав
нашел применение в изделиях космической отрасли, заменив собой в ряде конструкций менее прочный сплав АМг6 [4, 5]. В изделиях космической техники применяют практически все виды деформированных полуфабрикатов из сплава 01570. Основное преимущество сплава 01570 перед сплавом АМг6 - более высокий (примерно в 1,5-2 раза) предел текучести деформированных полуфабрикатов в отожженном или горячедеформированном состоянии. Наиболее высокими прочностными свойствами обладают полуфабрикаты небольших сечений, получаемые с высокой степенью деформации из слитков небольших и средних размеров. Например, тонкие холоднокатаные листы из сплава 01570 имеют в отожженном состоянии предел текучести около 310 МПа [4]. Предел текучести массивных полуфабрикатов, в частности отожженных раскатных колец диаметром около 3 м и массой около 1 т, значительно ниже - около 235 МПа [5]. Ощутимое снижение массы конструкции космического аппарата с соответствующим повышением массы полезной нагрузки достигается при применении сплава 01570 в силовых деталях больших сечений, заготовками для которых служат массивные полуфабрикаты, изготавливаемые, как правило, из крупногабаритных цилиндрических слитков диаметром 600-800 мм.
Сплав 01570 относится к термически неу-прочняемым алюминиевым сплавам, поскольку изготовленные из него деформированные полуфабрикаты не подвергают упрочняющей термической обработке - закалке и старению, тем не менее, как нами было экспериментально установлено, в нем происходят процессы дисперсионного твердения, сопровождающиеся заметным упрочняющим эффектом.
Данная серия экспериментов была выполнена по инициативе В.И. Елагина в самом начале исследований сплава 01570 в конце 70-х - начале 80-х гг. Необходимо было установить, насколько при легировании А1-Мд-сплавов переходным металлом скандием соблюдаются основные положения теории легирования деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами, сформулированные В.И. Елагиным в конце 60-х гг. В соответствии с этой теорией влияние переходных металлов на свойства деформируемых алюминиевых сплавов
определяется воздействием дисперсных частиц интерметаллидов переходных металлов - продуктов распада пересыщенных твердых растворов, образующихся при кристаллизации слитка. Эти частицы, во-первых, сами по себе приводят к повышению твердости и прочности, во-вторых, способствуя сохранению нерекристаллизован-ной структуры в деформированном полуфабрикате, создают эффект так называемого структурного упрочнения.
Было исследовано влияние нагревов на твердость и прочность слитков полунепрерывного литья сплава 01570. Определяли твердость НВ образцов, вырезанных из негомогенизирован-ного слитка диаметром 315 мм и подвергнутых нагревам в интервале от 300 до 500 °С с временем выдержки до 10 ч. Твердость исходного негомогенизированного слитка составляла 76 ед. НВ. Нагрев образцов выше 300 °С приводит к заметному повышению их твердости, а максимальное значение твердости 108 ед. НВ достигается после выдержки 1 ч при 350 °С, величина упрочняющего эффекта при этом составляет 32 ед. НВ или 42 %. Также установили, что в результате нагрева образцов, вырезанных из негомогенизированного слитка сплава 01570 диаметром 370 мм, до температур в интервале от 300 до 400 °С с выдержкой при температуре нагрева 10 ч, их предел текучести увеличился примерно в 1,4 раза (см. таблицу).
Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что при полунепрерывном литье слитков сплава 01570 диаметром 370 мм значитель-
Предел текучести ст02 слитка полунепрерывного литья сплава 01570 диаметром 370 мм в исходном негомогенизированном состоянии и после нагревов в интервале от 300 до 450 °С, (выдержка при температуре нагрева 10 ч, термообработка в темплетах, вырезанных из негомогенизированного слитка) [6]
Температура нагрева, °С а0,2, МПа
- 145
300 209
350 202
400 197
450 182
ная часть скандия и циркония фиксируется в пересыщенном твердом растворе, обеспечивая существенное упрочнение литого металла продуктами распада этого твердого раствора при гомогенизационном отжиге слитка (старение). Как видно из данных таблицы, для обеспечения прочности слитка сплава 01570 и изготовленного из него деформированного полуфабриката температура гомогенизации слитков средних размеров не должна превышать 400 °С.
Совершенно очевидно, что в крупногабаритных цилиндрических слитках сплава 01570 диаметром больше 370 мм процессы кристаллизации и образования пересыщенного твердого раствора скандия и циркония, а также его распада при гомогенизации проходят иначе, чем в слитках диаметром 315 и 370 мм. В частности, в слитках больших габаритов и большой массы возможно неполное протекание процесса распада твердого раствора. Однако данные о влиянии нагревов на прочностные свойства крупногабаритных негомогенизированных цилиндрических слитков сплава 01570 отсутствуют в связи с тем, что отрезка темплета от негомогенизирован-ного слитка больших габаритов не возможна по соображениям техники безопасности. В то же время, с точки зрения повышения прочностных свойств массивных полуфабрикатов, изготавливаемых из крупногабаритных цилиндрических слитков сплава 01570, наибольший интерес представляет возможность повышения твердости и прочности самого слитка.
Цель настоящей работы - определить режим гомогенизационного отжига крупногабаритного цилиндрического слитка полунепрерывного литья сплава 01570, обеспечивающий его максимальное упрочнение продуктами распада пересыщенного твердого раствора скандия и циркония в алюминии, образовавшегося при кристаллизации слитка.
Материал и методы исследования
В качестве материала для исследования был взят слиток диаметром 805 мм сплава 01570 производства ОАО «КУМЗ» в состоянии после гомогенизации при 380 °С в течение 10 ч. Химический состав слитка по основным компонентам: 5,8 Мд-0,3 Мп-0,24 Бс- 0,12 Zr. Исследования проводили на заготовках под образцы, вырезанных из тем-
плета толщиной 40 мм данного слитка. Твердость НВ определяли в соответствии с ГОСТ 9012-59 [7] в исходном (гомогенизированном при 380 °С, 10 ч) состоянии и после дополнительных нагревов (отжигов) заготовок под образцы при температурах 400 и 440 °С с выдержками при каждой температуре в течение 5, 10, 20 и 50 ч. Условия испытания на твердость: диаметр шарика 5 мм, усилие 250 кг, время выдержки 30 с. Также определяли предел текучести ст0,2 образца, взятого от слитка в исходном состоянии, и образца, показавшего максимальное число твердости НВ после дополнительных нагревов.
Результаты и обсуждение
Твердость слитка в исходном (гомогенизированном при 380 °С) состоянии составляет 79 ед. НВ, а предел текучести ст0,2 = 168 МПа (здесь и далее среднее из трех измерений). Изменение твердости исследуемого слитка в результате последующих отжигов при вышеуказанных температурах и выдержках показано на рисунке.
Как видно из рисунка, после нагрева при 400 и 440 °С твердость исследуемого слитка увеличивается, достигая максимального значения 93 ед. НВ после отжига при 400 °С в течение 10 ч, при этом ст0,2 = 182 МПа. После отжига при 440 °С твердость слитка также увеличивается, но в меньшей степени. Полученные данные говорят о том, что в результате дополнительного нагрева образца, отобранного от данного слитка (отгомогенизированного при 380 °С
Число твердости НВ
с ) >
■-<
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 т,ч
Влияние времени выдержки т при отжиге при температурах 400 (о) и 440 (•) °С на твердость НВ слитка сплава 01570 диаметром
805 мм, отгомогенизированного при 380 °С в течение 10 ч, отжиг в заготовках под образцы
в течение 10 ч), при 400 °С в течение 10 ч произошло его упрочнение, причем упрочняющий эффект А НВ составляет 14 ед. НВ или -18 %, а Аст0,2 = 14 МПа или -8 %. Вероятной причиной этого явления служит дораспад пересыщенного твердого раствора скандия и циркония в металле слитка. Могут быть и другие объяснения, но факт заключается в том, что после отжига слитка по режиму 380 °С, 10 ч его твердость достигла 79 ед. НВ, а после дополнительного отжига в заготовках под образцы при 400 °С, 10 ч она увеличилась на 18 %, что предполагает возможность повышения твердости и прочности крупногабаритного цилиндрического слитка сплава 01570 и соответственно прочности изготовленного из него массивного полуфабриката за счет применения двухступенчатого (380 °С, 10 ч + 400 °С, 10 ч) гомогенизационного отжига таких слитков. Это положение следует опробовать в производственных условиях применительно к изготовлению массивных полуфабрикатов из сплава 01570 и близкого к нему по составу сплава 1570С.
Заключение
Исследовали влияние дополнительных нагревов (отжигов) при температурах 400 и 440 °С в течение различных выдержек на твердость НВ и предел текучести ст02 слитка полунепрерывного литья диаметром 805 мм сплава 01570, отгомогенизированного при 380 °С в течение 10 ч и имеющего в этом состоянии твердость 79 ед. НВ и ст0,2 = 168 МПа. Отжиг проводили в заготовках под образцы.
Установили, что максимальные значения НВ и ст02, равные 93 ед. и 182 МПа, соответственно, имеют место после отжига заготовок при 400 °С в течение 10 ч. С учетом полученных результатов предложен двухступенчатый режим гомогенизации (380 °С, 10 ч + 400 °С, 10 ч) крупногабаритных цилиндрических слитков сплава 01570 и близкого к нему по составу сплава 1570С, предназначенных для изготовления массивных полуфабрикатов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Филатов Ю.А. Работы ВИЛСа по деформируемым алюминиевым сплавам системы Al-Mg-Sc. История создания, структура, свойства, опыт применения, проблемы и перспективы // Технология легких сплавов. 2017. № 3. С. 7-25.
2. ГОСТ 4784-2019. Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки. Введ. 01.09.2019. М.: Стандартинформ, 2019.
3. Пат. 2081934 РФ. Деформируемый термически неу-прочняемый сплав на основе алюминия / Елагин В.И., Захаров В.В., Филатов Ю.А., Торопова Л.С., Добро-жинская Р.И., Андреев Г.Н,, Золоторевский Ю.С., Чижиков В.В. Опубл. 20.06.97. Бюл. № 17.
4. Маркачев Н.А., Ковтун В.А., Буханова Н.М., Лавочкина Л.Л. Опыт создания сварных герметических конструкций из алюминиевого сплава 01570 // Технология легких сплавов. 1997. № 5. С. 14-18.
5. Величко И.И., Додин Г.В., Метелев Б.К., Сотников Н.И., Калабухов В.Д. Особенности сплавов 01570 и 01421 со скандием и опыт их применения // Там же. С. 19-23.
6. Филатов Ю.А. Сплавы системы Al-Mg-Sc как особая группа деформируемых алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 2014. № 2. С. 34-41.
7. ГОСТ 9012-59. Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю. Введ. 04.02.1959. М.: Изд-во стандартов (Переиздание, январь, 1993).
REFERENCES
1. Filatov Yu.A. Raboty VILSa po deformiruyemym alyuminiyevym splavam sistemy Al-Mg-Sc. Istoriya sozdaniya, struktura, svoystva, opyt primeneniya, problemy i perspektivy // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2017. № 3. S. 7-25.
2. GOST 4784-2019. Alyuminiy i splavy alyuminiyevyye deformiruyemyye. Marki. Vved. 01.09.2019. M.: Standartinform, 2019.
3. Pat. 2081934 RF. Deformiruyemyy termicheski neu-prochnyayemyy splav na osnove alyuminiya / Yela-gin V.I., Zakharov V.V., Filatov Yu.A., Toropova L.S., Dobrozhinskaya R.I., Andreyev G.N,, Zolotorevskiy Yu.S., Chizhikov V.V. Opubl. 20.06.97. Byul. № 17.
4. Markachev N.A., Kovtun V.A., Bukhanova N.M., Lavochkina L.L. Opyt sozdaniya svarnykh ger-
meticheskikh konstruktsiy iz alyuminiyevogo splava 01570 // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 1997. № 5. S. 14-18.
5. Velichko I.I., Dodin G.V., Metelev B.K., Sot-nikov N.I., Kalabukhov V.D. Osobennosti splavov 01570 i 01421 so skandiyem i opyt ikh primeneniya // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 1997. № 5. S. 19-23.
6. Filatov Yu.A. Splavy sistemy Al-Mg-Sc kak osobaya gruppa deformiruyemykh alyuminiyevykh splavov // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2014. № 2. S. 34-41.
7. GOST 9012-59. Metally. Metod izmereniya tverdosti po Brinellyu. Vved. 04.02.1959. M.: Izdatelstvo stan-dartov (Pereizdaniye, yanvar', 1993).
