CC BY
40
ИСПЫТАНИЯ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
УДК 669.715:620.19
DOI: 10.24412/0321-4664-2023-1-90-96
КОНТРОЛЬ НА ПЕРЕЖОГ ПОКОВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА АМг6
Павел Александрович Головкин, канд. техн. наук
АО «Плутон», Москва, Россия, e-mail: p.golovkin@pluton.msk.ru
Аннотация. На примере сплава АМг6 обозначены противоречия в требованиях действующих отраслевых документов, определяющих режимы ковки и горячей штамповки алюминиевых сплавов, и порядок проверки материала полученных заготовок на пережог. Показано, что при ковке и штамповке сплава по рекомендованным режимам с нагрева до температур, близких к верхнему пределу разрешенного интервала, материал получаемых заготовок может иметь признаки пережога и должен быть забракован.
Ключевые слова: отраслевые стандарты; температурный промежуток; ковка; штамповка; структура; пережог; брак материала; противоречие требований
Control on Overburning of AMg6 Aluminum Alloy Open Forgins. Cand. of Sci. (Eng.) Pavel A. Golovkin
Pluton JSC, Moscow, Russia, e-mail: p.golovkin@pluton.msk.ru
Abstract. Taking AMg6 alloy (Russian analogue of A 95546 and A 95556 alloys, USA) as an example, the article shows the contradiction between the requirements of existing industry documents that determine conditions of open forging and hot die forging of aluminum alloys, and the procedure to check over-burning of the produced billets. It was shown that in case of open forging and hot die forging according to the recommended conditions at heating temperatures close to the upper limit of the permitted temperature range, the produced billets can have signs of over-burning, and should be rejected.
Key words: industry standards; temperature range; open forging; die forging; structure; over-burning; material scrap; contradiction of requirements
Общие положения
На протяжении длительного времени одним из основных документов, определяющих технологические решения при ковке и штамповке заготовок из алюминиевых сплавов является ОСТ 92-1619 [1], регламентирующий, в частности, температурные интервалы нагрева заготовок и допустимые степени деформации при их осадке в торец и на плашку для различного применяемого оборудования. Также пункт 5 ОСТ 92-1619 [1] предписывает, что «заготовки, нагретые до максимально допустимой температуры, перед штамповкой не-
обходимо охладить до температуры верхнего предела температурного интервала пластической деформации», а «заготовки, нагретые выше максимально допустимой температуры, необходимо браковать».
Необходимо отметить, что ОСТ 92-1619 устанавливает максимально допустимую для сплава АМг6 температуру нагрева 450 °С, притом что температура плавления алюмини-дов магния Мд2А13 и Мд5А18 составляет 450 и 452 °С соответственно [2, 3]. Ковку на молотах и прессах допускается проводить с нагрева до температур 430-300 °С [1].
Конгруэнтное плавление этих соединений вызывает резкое падение пластических и прочностных свойств материала поковок, что может вызвать их разрушение с выделением по стенкам образующихся трещин указанных легкоплавких фаз [4]. При этом ОСТ 92-1619 прямо указывает: «в случае разрушения заготовок из сплава АМг6 допускается производить подсту-живание до температуры 350 °С» [1]. Это значит, что указанный документ содержит в себе противоречие, изначально допускающее ковку заготовок из сплава АМг6 при температурах, которые могут вызвать его пережог.
В соответствии с определением ОСТ 921017 [5], пережог есть оплавление границ зерен и структурных составляющих сплава при нагреве до температур, превышающих линию солидуса - может возникнуть при нагреве заготовок под деформацию, в процессе самой деформации и при нагреве под закалку или отжиг. Пережог даже при незначительно превышающей допустимую температуре, не изменяя показателей при испытании на растяжение, способствует образованию в деталях закалочных трещин, оказывает отрицательное влияние на сопротивляемость материала коррозии и снижает его работоспособность при циклических и динамических нагрузках.
Перед рассмотрением структур материала с возможными признаками пережога, следует оценить качественный материал. Пример качественной структуры поковки из сплава АМг6, полученной с нагрева до 320 °С, представлен на рис. 1.
Различные кузнечные приемы позволяют получать как ориентированную (рис. 1, а), так и неориентированную (рис. 1, б) структуру поковок с низким содержанием интерметаллидных фаз. Такой материал обладает необходимой для изготовления ряда ответственных деталей герметичностью и вакуумной плотностью, а также хорошей коррозионной стойкостью [6-10].
Согласно ОСТ 92-1017 [5], получаемые горячей деформацией заготовки должны проходить проверку на пережог, однако эту проверку допускается производить и только после термической обработки-отжига. Пережог на любой стадии не допускается, при этом заготовки повторной проверке на пережог не подлежат и бракуются. Микрошлифы материала проверяют до травления на выявление пористости с помощью микроскопа при увеличении в 100 и более раз, после травления с увеличением до 200-500 раз [5].
Казалось бы, предусмотрены все меры для недопущения материала с признаками пережога в производство. Однако ОСТ 92-1019 [11] в пункте 1.4 для деталей любой группы контроля, т.е. для деталей любой степени ответственности, прописывает проведение проверки на пережог только для деталей из термически упрочняемых сплавов, к которым промышленные алюминие-во-магниевые сплавы не относятся [12].
При этом важно учесть, что для образования алюминидов Мд2А13 и Мд5А18 в сплавах А1-Мд достаточно содержания 1 % Мд, а если его больше 3-4 %, то вероятность их образования повышается [3] и зависит от температу-
ры и неравномерности деформации [13]. Это значит, что все классические промышленные сплавы системы А1-Мд могут содержать ин-терметаллидные фазы - показатель КСИФ (количественное содержание интерметаллид-ных фаз), способствующие развитию в материале ряда неблагоприятных явлений.
Так, например, рост количества интерме-таллидных фаз в материале заготовок из классических алюминиево-магниевых сплавов системы А1-Мд не только приводит к ухудшению его коррозионной стойкости [9, 10], но и может вызвать разрушение их еще при ковке [4].
Другой стандарт, ОСТ 1 90073-85 [14], в своих пунктах 3.16 и 5.11 также предусматривает, что материал не должен иметь признаков пережога, который контролируют вихретоковым и металлографическим методом. Однако, как и справочник [2], стандарт [14] предусматривает контроль на пережог только термически
Рис. 2. Структуры поковки из сплава с начальными признаками
упрочняемых сплавов (пункт 4.13 документа). Таким образом, существует опасность использования в производстве кованых и штампованных заготовок с признаками пережога.
В соответствии с ОСТ 92-1017 [5], начальная стадия пережога характеризуется наличием в сплаве одного или нескольких признаков. Среди них - пористость в виде единичных мелких пор, появление которых обусловлено в том числе растворением оплавленных фаз, а также эвтектические прослойки вокруг частиц А1-Мд- фазы.
Другие признаки - тонкие единичные участки оплавленных границ, видимые под микроскопом при увеличении 200 крат или более, вблизи строчечных скоплений интерметалли-дов, при этом оплавление на границах зерен будет выглядеть как цепочки «бус» с более заметным утолщением на стыках зерен.
На рис. 2 показана такая структура штампованных на гидравлическом прессе заготовок
АМг6, полученной с нагрева до 420 °С, пережога, х200 (а) и х400 (б)
из сплава АМг6 с нагрева до 420 °С, которую можно определить, как имеющую признаки начальной степени пережога. В частности, при увеличении 200, хорошо различимы микропустоты у тройных стыков зерен, сами стыки утолщены из-за скоплений интерметаллидов, как это и описывается в ОСТ 92-1017 [5]. Следует отметить, что в представленной на рис. 2 структуре в микропустотах у тройных стыков зерен при увеличении 200 хорошо видны не-растворившиеся частицы. При этом основная часть материала сохраняет свою сплошность, а цепочки интерметаллидных фаз еще прерывисты и не образуют сплошной сетки.
Далее, согласно определению ОСТ 921017 [5], пережог при температуре, существенно превышающей допустимую, отличается теми же признаками, но более выраженными: оплавленные участки по границам зерен мо-
гут иметь большую протяженность и толщину, особенно заметно утолщение эвтектических образований на стыках зерен - в виде «галочек» и треугольников, а размеры и количество пор увеличены.
Контроль материала на отсутствие этой разновидности пережога проводится при увеличении более 350. Пример структуры с таким пережогом показан на рис. 3. В данном случае материал буквально насыщен порами по границам зерен, а образующие почти непрерывную сетку цепочки интерметаллидных фаз и эвтектических межзеренных прослоек у тройных стыков зерен объединяются в описанные ОСТ 92-1017 [5] «галочки» и треугольники. При этом оплавление на границах зерен выглядит как цепочки «бус» с более заметным утолщением на стыках зерен, что соответствует также начальным проявлениям пережога [5]. В данном
б
Рис. 3. Структуры поковки, полученной с нагрева до 420 °С, с выраженными признаками пережога в области локализованных деформаций материала, х200 (а) и х400 (б)
Рис. 4. Пример сильного пережога поковки из сплава АМг6. Шлиф без травления, х200
случае имеет место некоторая переходная степень пораженности металлического материала пережогом.
И наконец, ОСТ 92-1017 [5] описывает третью, еще большую степень пережога, которая отличается протяженными толстыми эвтектическими прослойками по границам зерен и крупными порами, видимыми на микрошлифах до травления, имеющими различную глубину, круглую или овальную форму и неровные края. Для выявления признаков такого пережога достаточно уже стократного увеличения [5]. Пример такой структуры представлен на рис. 4.
Все это значит, что действующие ОСТ 921619 [1], ОСТ 92-1019 [11] и ОСТ 1 90073-85 [14], по сути, допускают возможность изготовления кованых и штампованных заготовок из сплавов системы А1-Мд с признаками пережога согласно определениям ОСТ 92-1017 [5].
При этом указанные выше документы одновременно прямо запрещают использование в производстве заготовок, материал которых содержит хотя бы начальные признаки пережога. Это также значит, что, согласно классификации ОСТ 92-1019 (пункт 1.4) [11], из непроходящих проверку на пережог могут быть изготовлены не только детали, работающие при малых нагрузках (группа контроля 3), но и при средних статических и динамических нагрузках или под давлением (группа контроля 2), и детали, работающие при высоких статических и динамических нагрузках или под давлением (группа контроля 1), а также детали, к которым предъявляются повышенные требования по герметичности (группа контроля 1а).
Пережог, который может возникнуть во время деформации по согласованным нормативными документами режимам, приведет к ухудшению коррозионной стойкости, герметичности и вакуумной плотности металлического материала. Все это несет опасность выхода из строя узлов и целых изделий новой техники, в конструкции которых могут быть использованы детали, материал которых может показать потерю герметичности либо вакуумной плотности.
С учетом сложности заблаговременного обнаружения опасности пережога поковок из алюминиево-магниевых сплавов в условиях описанного противоречия в требованиях действующих отраслевых стандартов в виде средства оценки качества материала можно предложить показатель количественного содержания в нем интерметаллидных фаз -КСИФ [15]. Исследования показывают [6-10, 16], что чем больше интерметаллидных соединений образуется в процессе горячей обработки заготовок из алюминиевых сплавов системы А1-Мд, т.е. чем выше КСИФ, тем выше повреждаемость их материала, и наоборот.
Этот численный показатель, отражающий процентное содержание в материале интерметаллидных соединений, в том числе алюми-нидов Мд2А13 и Мд5А18, позволяет оценить возможность сплава соответствовать заданным требованиям в части герметичности, вакуумной плотности и сопротивляемости коррозионным повреждениям [15]. В свою очередь, разработаны простые и действенные технологические приемы, направленные на ограничение в материале заготовок количественного
содержания интерметаллидных фаз, основанные на преобладании внутризеренного механизма горячей пластической деформации и ограничении ее межзеренно-рекристаллиза-ционного механизма [17]. В итоге открывается возможность прогнозирования опасности пережога материала заготовок при их горячей деформации по показателю КСИФ.
Выводы
1. Практика показывает, что поковки и штамповки из сплава АМг6, полученные с нагрева до значений, близких к верхнему пределу рекомендуемого ОСТ 92-1619 температурного промежутка, могут содержать признаки начальной или даже средней степени пережога, определяемые ОСТ 92-1017.
2. Отсутствие в действующих ОСТ 92-1019 и ОСТ 1 90073 требований к проверке на пережог материала поковок и штамповок из термически неупрочняемых алюминиевых сплавов приводит к возможности попадания в производство заготовок с пережогом самых ответственных групп контроля.
3. Имеются противоречия в действующих ОСТ 92-1619, с одной стороны, и ОСТ 92-1019, ОСТ 1 90073, с другой. Это значит, что для получения кованых и штампованных заготовок без признаков пережога, определяемых ОСТ 92-1017, необходимо использование показателя, открывающего возможность заблаговременно предвидеть эту опасность. В качестве такого показателя может быть предложено количественное содержание интерметаллидных фаз в металлическом материале.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ОСТ 92-1619-87. Заготовки штампованные из алюминиевых сплавов. Типовой технологический процесс горячей объемной штамповки. М.: ВИАМ, ОНТИ, 1985. 44 с.
2. Беляев А.И., Бочвар О.С., Буйнов Н.Н. и др. Металловедение алюминия и его сплавов. Справ. / Под ред. Фридляндера И.Н. М.: Металлургия, 1983. 280 с.
3. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1979. 640 с.
4. Головкин П.А. О факторе количественного содержания интерметаллидных фаз в природе разрушения поковок из сплава АМг6 // Технология легких сплавов. 2022. № 2. С. 15-19.
5. ОСТ 92-1017-79. Сплавы алюминиевые деформируемые. Методика металлографического контроля на пережог. М.: ВИАМ, ОНТИ, 1979. 25 с.
6. Головкин П.А. Повышение качества осесимме-тричных штампованных поковок из сплава АМг6 для герметичных сварных конструкций ответственного назначения // Технология машиностроения. 2007. N 3. С. 19-24.
7. Головкин П.А. Повышение качества корпусов микросборок электронных СВЧ-приборов с использованием ковочных операций // Технология машиностроения. 2020. № 9. С. 5-7.
8. Головкин П.А. Повышение качества корпусов микросборок из сплавов группы АМг управлением количественного содержания в их материале интерметаллических соединений // Металлообработка. 2022. № 1 (127). С. 43-50.
9. Головкин П.А. Влияние режимов горячей деформации на коррозионные свойства сплавов АМг3 и АМг6 // Коррозия: материалы, защита. 2005. № 7. С. 2-5.
10. Петров А.П., Головкин П.А. Режимы горячей деформации и технологичность сплавов систем А1-Мд и А!-Мд-Бс / В кн.: Перспективные технологии легких и специальных сплавов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. С. 213-221.
11. ОСТ 92-1019-81. Детали из алюминиевых и магниевых сплавов. Технические требования. М.: ВИАМ, ОНТИ, 1981. 67 с.
12. Авиационные материалы. Деформируемые алюминиевые сплавы и сплавы на основе бериллия: Справ. Т. 4. Ч. 1 / Под ред. Кишкиной С.И., Фридляндера И.Н. М.: ВИАМ, ОНТИ, 1982.
13. Головкин П.А. Управление деформированной структурой алюминиево-магниевых сплавов // Технология металлов. 2005. № 11. С. 10-16.
14. ОСТ 1 90073-85. Штамповки и поковки из алюминиевых сплавов. Технические условия. М.: МАП, 1981. 50 с.
15. Головкин П.А. Феноменология качества материала поковок из сплавов группы АМг / Тезисы докл. междунар. конф. «XLVI Академические чтения по космонавтике (Королевские чтения)». Секция 11 «Наукоемкие технологии в ракетно-космической технике». М.: ФГБОУВО МГТУ им. Н.Э. Баумана (НИУ). 2022. Т. 2. С. 383-386.
16. Головкин П.А. Влияние количественного содержания интерметаллидных фаз на коррозионную стойкость материала листов и плит из сплава АМг6 / Машиностроение: инновационные аспекты развития. Материалы международной научно-практической конференции. СПб. НИЦ МС. 2022. № 5. С. 57-61.
17. Галкин В.И., Головкин П.А. О влиянии механизмов деформации на структуру и свойства металлического материала // Упрочняющие технологии и покрытия. 2021. № 5. С. 207-214.
REFERENCES
1. OST 92-1619-87. Zagotovki shtampovannyye iz alyuminiyevykh splavov. Tipovoy tekhnologicheskiy protsess goryachey ob»yomnoy shtampovki. M.: VIAM, ONTI, 1985. 44 s.
2. Belyayev A.I., Bochvar O.S., Buynov N.N. i dr. Metallovedeniye alyuminiya i yego splavov. Sprav. / Pod red. Fridlyandera I.N. M.: Metallurgiya, 1983. 280 s.
3. Mondol'fo L.F. Struktura i svoystva alyuminiyevykh splavov / Per. s angl. M.: Metallurgiya, 1979. 640 s.
4. Golovkin P.A. O faktore kolichestvennogo soder-zhaniya intermetallidnykh faz v prirode razrusheniya pokovok iz splava AMg6 // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2022. № 2. S. 15-19.
5. OST 92-1017-79. Splavy alyuminiyevyye deformiruy-emyye. Metodika metallograficheskogo kontrolya na perezhog. M.: VIAM, ONTI, 1979. 25 s.
6. Golovkin P.A. Povysheniye kachestva osesimmet-richnykh shtampovannykh pokovok iz splava AMg6 dlya germetichnykh svarnykh konstruktsiy otvetst-vennogo naznacheniya // Tekhnologiya mashino-stroyeniya. 2007. N 3. S. 19-24.
7. Golovkin P.A. Povysheniye kachestva korpusov mikrosborok elektronnykh SVCH-priborov s ispol'-zovaniyem kovochnykh operatsiy // Tekhnologiya mashinostroyeniya. 2020. № 9. S. 5-7.
8. Golovkin P.A. Povysheniye kachestva korpusov mikrosborok iz splavov gruppy AMg upravleniyem koli-chestvennogo soderzhaniya v ikh materiale interme-tallicheskikh soyedineniy // Metalloobrabotka. 2022. № 1 (127). S. 43-50.
9. Golovkin P.A. Vliyaniye rezhimov goryachey defor-matsii na korrozionnyye svoystva splavov AMg3 i AMg6 // Korroziya: materialy, zashchita. 2005. № 7. S. 2-5.
10. Petrov A.P., Golovkin P.A. Rezhimy goryachey de-formatsii i tekhnologichnost' splavov sistem Al-Mg i Al-Mg-Sc / V kn.: Perspektivnyye tekhnologii log-kikh i spetsial'nykh splavov. M.: FIZMATLIT, 2006. S. 213-221.
11. OST 92-1019-81. Detali iz alyuminiyevykh i mag-niyevykh splavov. Tekhnicheskiye trebovaniya. M.: VIAM, ONTI, 1981. 67 s.
12. Aviatsionnyye materialy. Deformiruyemyye alyuminiyevyye splavy i splavy na osnove berilliya: Sprav. T. 4. Ch. 1 / Pod red. Kishkinoy S.I., Fridlyandera I.N. M.: VIAM, ONTI, 1982.
13. Golovkin P.A. Upravleniye deformirovannoy struk-turoy alyuminiyevo-magniyevykh splavov // Tekhnologiya metallov. 2005. № 11. S. 10-16.
14. OST 1 90073-85. Shtampovki i pokovki iz alyumi-niyevykh splavov. Tekhnicheskiye usloviya. M.: MAP, 1981. 50 s.
15. Golovkin P.A. Fenomenologiya kachestva materiala pokovok iz splavov gruppy AMg / Tezisy dokl. mezh-dunar. konf. «XLVI Akademicheskiye chteniya po kosmonavtike (Korolovskiye chteniya)». Sektsiya 11 «Naukoyomkiye tekhnologii v raketno-kosmicheskoy tekhnike». M.: FGBOUVO MGTU im. N.E. Baumana (NIU). 2022. T. 2. S. 383-386.
16. Golovkin P.A. Vliyaniye kolichestvennogo soder-zhaniya intermetallidnykh faz na korrozionnuyu stoykost' materiala listov i plit iz splava AMg6 / Mashi-nostroyeniye: innovatsionnyye aspekty razvitiya. Ma-terialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy kon-ferentsii. S.-Pb. NITS MS. 2022. № 5. S. 57-61.
17. Galkin V.I., Golovkin P.A. O vliyanii mekhanizmov deformatsii na strukturu i svoystva metallicheskogo materiala // Uprochnyayushchiye tekhnologii i pokry-tiya. 2021. № 5. S. 207-214.
