КВАЛИМЕТРИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ПОДВЕРГНУТЫХ АЭРОТЕРМОАКУСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

КВАЛИМЕТРИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ПОДВЕРГНУТЫХ АЭРОТЕРМОАКУСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

Аннотация. В статье представлены результаты квалиметрической оценки алюминиевых сплавов после аэротермоакустической обработки в сравнении со стандартной термообработкой этих сплавов с использованием диаграммы Исикавы и Парето, а также функции желательности, паутины качества и корреляционного анализа.

Ключевые слова: аэротермоакустическая обработка, алюминиевые сплавы, диаграмма Исикавы, диаграмма Парето, функция желательности, паутина качества, диаграмма разброса

1. ВВЕДЕНИЕ

Аэротермоакустическая обработка

(АТАО) [1] относится к числу комбинированных средств воздействия на материалы. При ее проведении осуществляется воздействие температурных и акустических полей для формирования свойств материалов в нужном направлении как во всем объеме, так и в поверхностном слое материала.

Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию микроструктуры алюминиевых сплавов после аэротермоакусти-ческой обработки в сочетании со стандартной

Химический

термической обработкой (СТО) в разных комбинациях и квалиметрической оценке их характеристик после этой обработки.

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Материалы исследования

Материалами для исследования служили сплавы на основе алюминия: литейные сплавы АЛ9 и АЛА и деформируемые АК6, Д1 и Д16. Данные о химическом составе (согласно ГОСТ 4784-97 и ГОСТ 1583-93) и свойствах сплавов приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

состав в %

^лав Fe Si Mn М Mg Zn & тс

АК6 <0,7 0,7-1,2 0,4-0,8 основа 1,8-2,6 0,4-0,8 <0,3 <0,1 <0,1

Д1 0,7 0,2-0,8 0,4-0,8 основа 3,5-4,8 0,4-0,8 0,3 0,1 0,15

Д16 0,5 0,5 0,3-0,7 основа 3,8-4,9 1,2-1,8 0,25 0,1 0,15

АЛ9 <1,5 6-8 <0,5 основа <0,2 0,2-0,4 <0,3 - -

АЛА 1 10 основа 0,1

Таблица 2

Механические свойства при Т=20 °С_

Сплав ов, МПа ст, МПа 5, % кси, кДж / м2 Ж 10 -1, МПа

АК6 447 378 12.5 190 100

Д1 410 240 20

Д16 470 300 19 420

АЛ9 230 140 4 45 - 70

АЛА 180 80 7 50

2.2. Методика экспериментов 2.2.1. Аэротермоакустическая обработка образцов

Все виды технологических обработок -термическая, акусто-термическая и цикличе-

ская акусто-термическая обработки проводились на образцах в исходном (отожженном) состоянии. Режимы исследованных технологических обработок приведены в табл. 3.

Таблица 3

Режимы исследованных технологических обработок_

Сплав Обработка

№№ Режим

АЛ9 1 СТО: Н(535оС, 2 ч) + ЗВ(20оС) + ест.ст. 7 с

2 Н(535оС, 1 ч) +ЗАТ(ГГ-1, 3 м) + с(195оС, 1 ч)

3 Н(535оС, 1 ч) +ЗАТ(ГГ-1, 3 м) + ест.ст. 4 сут.

4 Н(535оС, 1 ч) +ЗАТ(ГГ-1) + ест.ст. 13 с.

5 Н(535оС, 1 ч) + ЗАТ(ГГ-1) + Н(250оС, 15 м) + АТ (ГГ-1) + ест.ст. 13 с.

6 Н(535оС, 1 ч) +ЗВ(50оС) + Н(250оС, 15 м)

7 Н(535оС, 1 ч) + ЗВ(50оС) + Н(250оС, 15 м) + АТ(ГГ-1) + ест.ст. 13 сут.

8 Н(535оС, 1 ч) + ЗВ(50оС) + Н(250оС, 15 м) + АТ(ГГ-1)

АЛА 1 СТО: Н+З+С (225оС, 90м)

2 Н(490оС, 45 м) + ЗАТ(ГГ-1, 3 м) + ест.ст. 4 сут.

3 Н+З+С (225оС) + АТ (ГГ-1)

Д1 1 СТО: Н(500оС, 30м)+ЗВ(20оС)+ест. старение

2 Н(495оС, 30м)+ЗВ(20оС)+ Н(200оС, 15м)+АТ(ГГ-1)

3 Н(495оС, 30м)+ЗВ(20оС)+ Н(200оС, 15м)+АТ(ГГ-1)+Н(200оС, 60м)

Д16 1 Н(495оС, 40м)+ЗВ(20оС)+ С(20оС, 96ч)

2 Н(495оС, 30м)+ЗВ(20оС)+ Н(200оС, 15м)+АТ(ГГ-1)+Н(200оС, 1ч)

АК6 1 СТО: Н(520оС, 30м)+ЗВ(20оС)+С(160 оС, 15 ч)

2 ЦАТ(ГГ-1)+Н(520 оС, 30м)+ЗВ(20оС)+ С(160 оС, 15 ч)

3 Н(520 оС, 3 0м)+ЗВ (20оС)+ С(160 оС, 15 ч)+АТ(ГГ-1)

Расшифровка сокращений, принятых в табл. 3:

СТО - стандартная термическая обработка; Н - нагрев; С - старение; ЗВ - закалка в воду; ест. ст. - естественное старение; ЗАТ -закалка с аэро-термо-акустической обработкой; АТ - аэро-термо-акустическая обработка; ЦАТ - циклическая аэро-термо-акустическая обработка; ГГ - газоструйный генератор.

2.2.2. Металлографические

исследования

Указанные алюминиевые сплавы металлографически исследовались после аэротермо-акустической обработки и для сравнения после стандартной термической обработки.

Исследования микроструктуры проводились на оптическом микроскопе №ор^^32 на металлографических шлифах после химического травления в смеси концентрированных плавиковой, соляной и азотной кислот.

Микротвердость определялась по методу Виккерса: замерялась на приборе ПМТ-3 при испытании вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды с углом 136° между гранями по методу восстановленного отпечатка при нагрузке 20 г. Для исследования изменения структуры алюминиевых сплавов от поверхности к центру снимались панорамы изменения микротвердости от поверхности шлифа к середине.

2.2.3. Методика построения

номограммы желательности

Если между несколькими параметрами оптимизации не обнаруживается связи, то можно их объединить в один обобщающий параметр при помощи функции желательности

[2-4].

Показатели желательности - безразмерные недискретные характеристики качества, изменяющиеся в пределах от нуля до единицы при любом диапазоне изменения размерных показателей качества хг-.

В основе построения обобщенной функции лежит идея преобразования натуральных значений частных параметров в безразмерную шкалу желательности. Вычисляют показатели желательности q с помощью вспомогательных показателей у (частных параметров оптимизации) по следующей формуле:

д = ехр

-1

У

1

- для 0<у<да (1).

Размерные значения х^ натуральных показателей качества пересчитывают в безразмерные вспомогательные показатели у по формуле:

у = а0 + ах .

(2)

е

Чтобы найти коэффициенты а0, а], необ- качества. В табл. 4 приведена градация каче-

ходимо иметь нормативные значения показа- ства в зависимости от значений показателей

телей желательности ц, значения безразмер- желательн°сти. ных показателей у, а также значения размерных показателей х^ для двух уровней градаций

Таблица 4

Значения показателей желательности q и соответствующих безразмерных _вспомогательных показателей у_

Градация качества Показатель желательности ц Вспомогательный показатель у

«Превосходно» > 0,9 > 10

«Отлично» >0,80 >4,50

«Хорошо» >0,63 >2,18

«Удовлетворительно» >0,37 >1,00

«Плохо» <0,37 <1,00

Значения частного параметра оптимизации переводятся в безразмерную шкалу желательности следующим образом. Нижнее или достигнутое значение частного параметра оптимизации ставится в соответствие с начальным значением желательности. Второй точкой может явиться значение частного параметра, которое соответствует наивысшей желательности с точки зрения технической возможности достижения максимального (минимального) результата.

Промежуточные значения частных же-лательностей можно установить, используя линейное преобразование представлений частных параметров оптимизации в условном масштабе {формула (2)}. Для определения коэффициентов ао, а] используются две ранее установленные точки. Подставив в уравнение (2) соответствующие значения у и х, получают систему из двух уравнений, совместное решение которых позволит определить величину коэффициентов ао, а]. После подстановки найденных коэффициентов в уравнение (2) можно определить любое значение у и значение функции желательности по величине именованного параметра оптимизации (табл. 5).

После перевода натуральных значений единичных показателей качества безразмерные находят значение комплексного показателя качества в виде обобщенной функции желательности, которая определяется по формуле:

Таблица 5 Значения функции желательности в

Числовые значения

у ц

0,00 0,00

0,50 0,14

0,77 0,28

1,00 0,37

1,50 0,51

2,00 0,61

2,50 0,67

3,00 0,72

3,50 0,75

4,00 0,78

4,50 0,80

5,00 0,82

По данным табл. 4 намечают зоны установленных качественных градаций, а в соответствии с данными табл. 5 строят непрерывный график функции желательности.

Для построения функции у используются базовые точки функции желательности (табл. 4) и граничные значения натурального показателя, определяемые стандартом или другим нормативно-техническим документом. Номограмма строится индивидуально для каждого из натуральных единичных показателей качества, учитываемых в комплексной оценке качества продукции.

V = Чьъ-Чт =

П (3),

г=1

где т - число частных желательностей; ц частная желательность.

2.2.4. Методика построения паутины качества

Дифференциальный метод оценки качества продукции осуществляется путем сопоставления показателей отдельных свойств оцениваемого образца с соответствующими пока-

т

зателями базового образца. При этом определяют, соответствует ли качество оцениваемого изделия качеству базового образца в целом, и какие показатели свойств оцениваемого изделия превосходят или не соответствуют показателям базового образца, а также, насколько отличаются друг от друга аналогичные показатели свойств. При этом все свойства объекта считаются равнозначными.

При данном методе рассчитывают отдельные относительные показатели уровня качества оцениваемой продукции по прямой формуле (4) и обратной (5):

О _ Р1баз/ п /Ргоц'

п = рт/ .

п /Р1баз'

(4)

(5)

где Qi - относительный показатель качества, оцениваемый по 7-му свойству; Р7оц -значение 7-го единичного показателя свойства оцениваемой продукции; Р7баз - значение 7-го показателя базового образца.

Прямая формула применяется для расчета относительного показателя качества в тех случаях, когда повышение качества продукции характеризуется уменьшением показателя (показатели массы, трудоемкости). Обратная формула применяется для расчета относительного показателя в тех случаях, когда повышение качества характеризуется увеличением показателя (прочность, дальность действия).

С помощью данного метода дают следующие безусловные оценки: уровень качества продукции выше или равен уровню базового образца, если все значения относительных показателей больше или равны единице и наоборот.

Для более точной и более информативной оценки технического уровня, характеризующего качество изделия, строят диаграмму сопоставления показателей качества (паутину качества) на которой наглядно видно по какому показателю следует принимать управленческие и технические решения.

Количественно величину итогового показателя качества, т.е. уровень качества (Ук) рассчитывают как определение среднего арифметического значения всех уровней учитываемых свойств (У7), сопоставляемых (оцениваемого и базового) образцов (объектов) по формуле:

1 п

Ук =1 .

п

(6)

I=1

2.2.5. Методика построения

диаграммы разброса

Диаграмма разброса - точечная диаграмма в виде графика, получаемого путем нанесения в определенном масштабе экспериментальных, полученных в результате наблюдений точек. Расположение точек показывает наличие и характер связи между двумя переменными.

По полученным экспериментальным точкам могут быть определены числовые характеристики связи между рассматриваемыми случайными величинами: коэффициент корреляции и коэффициенты регрессии [5].

Для оценки тесноты связи служит коэффициент корреляции, вычисляемый по формуле:

г =

-х - У)

- X У .^(у, - У )2

(7)

где х 7 и у7 - значение первого и второго параметра соответственно; X и у - среднее значение первого и второго параметра соответственно.

Если г = 1 или г = - 1, то между случайными величинами Х и У существует линейная функциональная зависимость (У = с + ёХ). В этом случае говорят о полной корреляции. При г > 0 имеет место положительная корреляция (с увеличением х7 значения у7 имеют тенденцию к возрастанию), при г < 0 корреляция отрицательная. Визуальный анализ корреляционного поля помогает выявить не только наличие статистической зависимости (линейную или нелинейную) между исследуемыми признаками, но и ее тесноту и форму.

В практической деятельности, когда число коррелируемых пар признаков Х и У не велико (п меньше 30), то при оценке зависимости между показателями используют следующую градацию:

1) высокая степень взаимосвязи - значения коэффициента корреляции находятся в пределах от 0,7 до 0,99;

2) средняя степень взаимосвязи - значения коэффициента корреляции находятся в пределах от 0,5 до 0,69;

3) слабая степень взаимосвязи - значения коэффициента корреляции находятся от 0,2 до 0,49.

Для оценки линейной связи между показателями применяют коэффициент корреляции Пирсона, вычисляемый по формуле (7). При малом объеме выборки (п < 100) значение коэффициента необходимо корректировать по формуле:

г = г

1+

1 - г2 2(п - 3)

(8)

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 3.1 Воздействие аэротермоакустиче-ской обработки на алюминиевые сплавы

3.1.1. Поведение литейных алюминиевых сплавов

3.1.1.1. Сплав АЛ9

Сплав АЛ9 относится к многокомпонентным силуминам. Для повышения их механических свойств силумины легируют дополнительно. В частности, сплав АЛ9 - магнием. Магний (Mg) образует с кремнием ф) соединение Ме^. Оно обладает высокой твердостью и прочностью, а поэтому является упроч-нителем сплава АЛ9. Сплав содержит незначительное количество Ме - до 0,4%. Такое незначительное легирование магнием обуслов-

лено его малой растворимостью в твердом алюминии (А1) при температуре нагрева под закалку (500-5300С).

Сплав АЛ9 представляет собой доэвтек-тический силумин, структура которого состоит из первичных кристаллов мягкой пластической фазы - а- твердого раствора и мелкокристаллической эвтектики (а+Si). Несмотря на заметную и переменную растворимость, кремний не сообщает алюминию способность к упрочнению термической обработкой, что связано с неблагоприятным характером распада твердого раствора кремния в алюминии (А1). Введение Ме в сплав АЛ-9 делает его термически упрочняемым. Магний образует фазу Ме2й, которая является эффективным упрочнителем при термообработке, состоящей из закалки и искусственного старения. Если в тройной системе А1 -Si - Ме массовое отно-%Mg

шение

% а

- {1,73, то в сплаве содержится

избыток Si (в данном случае отношение < 0,1).

Сплав АЛ9 в исходном состоянии (рис.1) представляет собой литую дендритную структуру - а - твердый раствор кремния ф) в алюминии (А1) и эвтектики по границам этого твердого раствора. Упрочняющая фаза Mg2Si располагается внутри зерен твердого раствора.

В табл. 6 приведены размеры зерна а -фазы и микротвердость в исходном материале и после обработки.

а б в

Рис.1. Структура сплава АЛ9 в исходном состоянии в поперечном (а, б)

и продольном сечении (в)

Размеры зерна а - фазы и микротвердость

Таблица 6

Материал а фаза, цш Нц 20 ср, МПа

АЛ-9 (СТО) 51,4 111,5

АЛ-9 (АТАО) 49,5 157,9

Видно, что при практически одинаковом зерне а - фазы количество хрупкой эвтектики по границам зерен в исходном материале гораздо больше, чем в обработанном.

Эти скопления по границам зерен ох-рупчивают материал, и его прочностные свойства оказываются ниже, т.к. размер хрупких колоний кремния в эвтектике сплава АЛ9 (табл. 7) в исходном состоянии больше, чем

после АТАО. Это приводит к появлению микротрещин на хрупких включениях в исходном материале. Рис. 2 представляет структуры сплава после АТАО. Обработанный материал характеризуется равномерным распределением по зерну более дисперсных выделений Mg2Si и устранением обедненных выделениями граничных областей.

а б

Рис. 2. Структура сплава АЛ9 после АТАО в поперечном (а) и продольном (б) сечении

Таблица 7

Размер колоний кремния в эвтектике сплава АЛ9

Обработка Размер колоний Si, цт

продольный поперечный

СТО / = 19 ^тах / = 3 /ср. = 6,8 (тах 2 (тт = 0,5 (ср. = 1

АТАО 1тах 5 1тт 1 /ср. = 1,9 (тах 1,5 (тт = 0,5 (ср. = 0,5

В работе для оценки влияния АТАО на поверхностный слой материала были проведены измерения микротвердости с шагом 50 цт от поверхности образца к середине. Результаты этих исследований приведены на рис. 3.

Уровень микротвердости в исходном состоянии ниже, чем после АТАО (рис. 3), особенно в поверхностном слое.

На расстоянии 200 мкм от поверхности микротвердость Нц в исходном образце незначительно растет, а в обработанном - слабо падает, затем - небольшая площадка на расстоянии 200 мкм и колебания. Более высокая твердость в поверхностном слое образца после аэ-ротермоакустической обработки может быть связана с уменьшением остаточных напряже-

ний. При охлаждении после термообработки из-за температурного градиента по сечению и неравномерного охлаждения возникают остаточные потенциальные напряжения: отрицательные - на поверхности и положительные - в центре. Из-за переменной растворимости примесных элементов вещества в алюминиевых сплавах возникают значительные напряжения на границах между разными фазами сплава при ускоренных нагревах и охлаждениях. Рядом исследователей выяснились причины упрочняющего воздействия ТЦО на силумины. Было выявлено, что при ТЦО (530 ^ 3500С, п =20) в зернах кремния возникают значительные внутренние напряжения от -100 до +(20-50) МПа, которые вызывают микродеформации, обусловливающие изменение структуры и свойств.

Результаты всех экспериментов по сплаву АЛ9 суммированы на диаграмме (рис. 4). Как видно из представленных данных, наиболее оптимальным комплексом характеристик обладает сплав АЛ9, обработанный по режиму 3. При этом наблюдается минимальный размер зерна и повышенная микротвердость.

I, ллкпл

Рис. 3. Изменение микротвердости сплава АЛ9 от поверхности к центру

образца в исходном состоянии (1) и после АТАО (2)

700 п 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

^„п 668

Микротвердость, МПа

Твердость, НВ Размер зерна, мкм

□ обработка 1

□ обработка 3

□ обработка 5

Рис.4. Гистограмма свойств сплава АЛ9

после АТАО по режимам 1, 3, 5

Отмеченное положительное влияние на структуру после обработки в звуковом поле может быть вызвано тем, что при помощи направленного потока мощных ультразвуковых бегущих волн можно произвести перераспределение механических макронапряжений, а также изменением энергетического запаса поверхности. Кроме того, влияние обработки также может быть вызвано аномальным ускорением диффузии при импульсном нагруже-нии металлов, причем в более плотной (ГЦК) решетке это влияние заметнее.

3.1.1.2. Сплав АЛА

Сплав АЛА отличается от сплава АЛ9 большим содержанием кремния и железа и меньшим - магния. Структура этого сплава также представляет собой светлые зерна а-твердого раствора А1, по границам которых

располагается эвтектика. При увеличении содержания Si и Бе образуется фаза в (А^Бе), выпадающая в форме игл или пластин - что и наблюдается на фотографиях структур. На рисунке 5 представлена структура сплава АЛА в состоянии поставки в продольном и поперечном направлениях. Направленность структуры отсутствует, но в продольном направлении присутствует больше эвтектики.

Сравнение структур после стандартной обработки и сложной технологической позволяет сделать вывод, что после стандартной обработки по границам зерен а-фазы располагается больше эвтектических скоплений, но размер их не настолько велик, чтобы ухудшить свойства. Этим можно объяснить более высокие механические характеристики (табл.8).

а б

Рис.5. Структура сплава АЛА в состоянии поставки в продольном (а) и поперечном (б) направлениях

Таблица 8

Характеристики сплава АЛА после СТО и АТАО__

№ обработки Обработка Микро-твердость, МПа Твердость, НВ Размер зерна, мкм

1 СТО: Н+З+С (225оС, 90м) НЦ min = 455 Иц max = 710 Нц ср = 583 61,2 min 6 max 20 ср. 12,4

2 Н(490оС, 45 м) + +ЗАТ(ГГ-1, 3 м) + + ест.ст. 4 сут. Нц mm = 344 Иц max = 561 Нц ср = 438 49,2 min 6 max 30 ср. 15,6

3 Н+З+С (250оС) + + АТ (ГГ-1) Нц mm = 455 Иц max = 710 Нц ср = 586 61,2 min 4 max 22 ср. 12,9

По микро- и макротвердости и размеру зерна а-фазы сплав АЛА после стандартной обработки практически не отличается от обработки 3. Обработка 2 по тем же параметрам оказалась хуже. По структуре видно, что в этом случае наблюдается ещё большее количество эвтектики по границам зерен, больше Р-фазы и больше межкристаллитных трещин, идущих по эвтектическим границам. Однако наличие трещин связано с исходной структурой, приобретенной материалом в процессе литья.

Экспериментальные результаты по сплаву АЛА обобщены на диаграмме (рис. 6). Как видно из представленных данных, наилучшим сочетание свойств обладает сплав АЛА, также обработанный по режиму 3. При этом достигаются наиболее высокие твердость и микротвердость и сравнимый с другими обработками размер зерна.

3.1.2. Поведение деформируемых алюминиевых сплавов при воздействии АТАО

3.1.2.1. Дюралюмины

Дюралюмины, всегда содержащие неизбежные примеси железа и кремния (десятые

доли процента), являются многокомпонентными сплавами с весьма сложным фазовым составом. Но учитывая, что примеси железа и кремния, а также марганца входят в твердый раствор или находятся в связанном состоянии в форме химических соединений AlMg2Mn, А1Ре81Мп или А1РеСи81 и существенно не влияют на ход фазовых превращений в сплавах, структуру этих сплавов можно описать, руководствуясь тройной диаграммой состояния системы A1-Cu-Mg.

По мере повышения содержания магния в дюралюминах и увеличения отношения Mg/Cu их фазовый состав меняется от а+9(А12Си) до а+S(A12CuMg). Для сплава Д1 это отношение составляет 0,08-0,21, а для сплава Д16 - 0,27-0,47.

В зависимости от фазового состава фазы 9 или S, либо они обе служат упрочняющими фазами при термообработке. Все дюралюмины интенсивно упрочняются после закалки при естественном старении. Время достижения максимальных прочностных характеристик зависит от соотношения Mg/Cu; чем больше это отношение, тем медленнее идет старение. Для сплавов Д1 и Д16 максимальная прочность достигается через 4 суток.

600 -I

550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

583

586

438

61,2 49,2 61,2

12,415,612,9

Микротвердость, Твердость, НВ Размер зерна, мкм Мпа

□ обработка 1

□ обработка 2 п обработка 3

Рис.6. Гистограмма характеристик сплава АЛА

после различных технологических обработок

3.1.2.1.1. Сплав Д1

Структура сплава Д1 представляет собой а-твердый раствор и дисперсные выделения упрочняющих фаз (9-фаза и 8-фаза). В табл. 9 представлены значения твердости, микротвердости и удельного количества выделений уп-

рочняюще фазы после СТО и трех режимов АТАО. Видно, что наибольшей макро- и микротвердостью обладает материал после стандартной термической обработки и после обработки 3.

Таблица 9

Характеристики сплава Д1 в исходном состоянии и после различных технологических

обработок

№ Режим обработки Количество включений на площади 2,8*106 цш Микро-твердость, МПа Макротвердость НВ

1 СТО: Н(500оС, 30м)+ ЗВ(20оС) +ест. старение 65 Нц min = 1123 Нц шах = 1421 Нц ср. = 1271 146

2 Н(495оС, 30м)+ЗВ(20оС)+ Н(200оС, 15м)+АТ(ГГ-1) 76 Нц min = 1008 Нц шах = 1259 Нц ср. = 1073 124

3 Н(495оС, 30м) + ЗВ(20оС)+ Н(200оС, 15м)+ АТ(ГГ-1) +Н(200оС, 60м) 100 Нц min = 1123 Нц шах = 1421 Нц ср. = 1228 146

Сравнение поверхностных и центральных слоев образца позволяет сделать вывод, что после АТАО - режим 3 в поверхностном слое наблюдается более состаренное состояние материала - на фоне а-твердого раствора большее количество дисперсных выделившихся фаз.

Результаты всех экспериментов по сплаву Д1 суммированы на диаграмме (рис.7). Как видно из представленных данных, наиболее

оптимальным комплексом характеристик обладает сплав Д1, обработанный по режиму 3. При этом наблюдается наиболее высокая твердость, микротвердость, близкая к максимальному значению, и максимальное количество выделений на единице площади, что говорит о наиболее полном распаде твердого раствора (наиболее полном прохождении процессов старения).

Рис.7. Гистограмма характеристик сплава Д1 после различной технологической обработки

3.1.2.1.2. Сплав Д16

Структура сплава Д16 аналогична структуре сплава Д1 - на фоне а-твердого раствора присутствуют выделения тех же фаз, но плотность их расположения в Д16 меньше, чем в Д1. В табл. 10 представлены результаты измерения микро- и макротвердости и размера зерна сплава Д16 после СТО и АТАО. Как видно из представленных данных, наибольшей макро- и микротвердостью обладает сплав Д16 в состоянии СТО. Структура представляет собой

зерна а-твердого раствора с выделениями фаз. Зерна материала после СТО - довольно крупные, а после АТАО наблюдаются как крупные зерна, так и мелкие. Вероятно, этой разнозер-нистостью и можно объяснить пониженные значения твердости после АТАО. В поверхностных слоях материала после АТАО наблюдается более плотное выделение вторичных фаз, старение в этом случае прошло более интенсивно.

Таблица 10

Характеристики сплава Д16 после СТО и АТАО

№ Обработка Микро-твердость, МПа Твердость, НВ Размер зерна, мкм

1 Н(495оС, 40м)+ЗВ(20оС)+ С(20оС, 96ч) Нц mm = 1421 Нц max = 1617 Нц ср. = 1422 146 30 170 68

2 Н(495оС, 30м)+ЗВ(20оС)+ Н(200оС, 15м)+АТ(ГГ-1)+ Н(200оС, 1ч) Нц min = 1008 Нц max = 1259 Нц ср. = 1171 128 2 78 13,4

Обобщенные результаты всех экспериментов по сплаву Д16 собраны на диаграмме (рис. 8). Проведено сравнение стандартной термической и акусто-термической обработок. Как видно из представленных данных, минимальный размер зерна наблюдается после аку-сто-термической обработки. В то время как

твердость и микротвердость при этой обработке ниже, чем при стандартной.

Влияние внешнего воздействия - приложенных напряжений и деформаций - имеет существенное значение, т.к. во многих случаях диффузионным процессам сопутствует или предшествует пластическая деформация.

Рис.8. Гистограмма характеристик сплава Д16 после СТО и АТАО

Растягивающие напряжения и пластическая деформация увеличивают скорость самодиффузии и диффузии и понижают энергию активации процесса. Под влиянием пластической деформации меняется характер диффузионного потока, по мере увеличения деформации он из преимущественно зернограничного становится объемным. Изменение характера и кинетики процесса диффузии в значительной мере объясняется необратимыми структурными изменениями, созданием в кристалле под влиянием пластической деформации большого количества путей коротких циркуляций.

3.1.2.1.3. Деформируемый ковочный алюминиевый сплав АК6

Сплав АК6 относится к группе сплавов, которые значительно упрочняются в результате термической обработки - закалки и старения. Характерной особенностью сплавов данного типа являются их повышенные литейные качества из-за присутствия и хорошая способность к пластической деформации. Величина отношения Mg к оказывает существенное влияние на фазовый состав сплавов. При %Ме

отношении (1,73 фаза Mg2Si не образу-

ется, и в сплавах присутствуют фазы 9 (СиА12), W (Al4CuMg5Si4) и 81, в данной работе

%М§ % &

= 0,33 —1.14. Таким образом, упроч-

няющими фазами в сплаве АК-6 служат фазы 9 и W. Структура сплава представляет собой

алюминиевый твердый раствор и включения фаз: 9, W и 81.

Исходя из данных табл. 11 видно, что оптимальными свойствами из представленных образцов обладают те из них, которые обработаны по режиму №1 (АТАО-1) - максимальная микротвердость 10 = 330 Мпа, максимальное выделение упрочняющих фаз на единицу площади и максимальное уменьшение крупного зерна, т.к. этот материал имеет раз-нозернистость.

Микроструктура поверхности и центра обработанных образцов отличается. В поверхности образца, обработанного по режиму АТАО-1 материал более состаренный, чем в центре (больше выделившихся фаз). На шлифе, вырезанном из более тонкой части гага-ринского образца - в поверхностном слое видна мартенситоподобная фаза игольчатой формы. Вероятно, в процессе циклической акусто-термической обработки в матричной фазе в местах, обогащенных легирующими элементами, за счет повышения диффузии при этой обработке возникают внутренние напряжения, которые в сочетании с закалочными напряжениями приводят к выделению из пересыщенного твердого раствора интерметаллидов характерной для закаленного состояния формы, в поверхностном слое меньше направленность текстуры образца, т.е. происходит гомогенизация структуры.

Таблица 11

Количественные характеристики структуры сплава АК6__

Обработка материала Размер зерна, цш Число включений на площади 4,5.104мкм2 НД 10 ШШ МПа НД 10 шах МПа НД 10 ср МПа

мелкое крупное

АК-6 исходный 4,0-4,7 42,0-47,8 232-249 316-412 261-309

АК-6 АТАО-1 5,5-5,7 38,6-,52,6 132 216-269 344-412 285-330

АК-6 АТАО-2 4,9-5,1 50,2-73,6 103 232-249 376 275-281

АК-6 СТО 4,1-5,5 45,4-57,6 85 232 376 293-296

В поверхностном слое сплава АК6 после АТАО-2 происходит преимущественный рост кристаллов, наиболее благоприятно ориентированных по отношению к теплоотводу. Вероятно, в процессе обработки градиент температур в прилегающем слое материала увеличивается и, следовательно, увеличивается степень переохлаждения металла. В результате, из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти нормально ориентированные к поверхности столбчатые кристаллы. Кроме

того, сплав в поверхностном слое подвергся старению в большей степени, чем середина образца.

После стандартной термической обработки (СТО) - закалки и старения- направленной кристаллизации в поверхностном слое не наблюдается, лишь присутствует разнозерни-стость. Кроме того, при СТО наблюдаются микротрещины. Степень старения при СТО минимальная (табл. 11).

I., мкм

Рис. 9. Изменение микротвердости от поверхности к центру образцов сплава АК6, подвергнутых обработке АТАО-1 (1), АТАО-2 (2) и

стандартной термообработке СТО (3)

Для оценки изменения свойств материала от поверхности к центру образца была замерена микротвердость с шагом 50 мкм. Результаты замеров представлены на графике (рис. 9).

Из графика видно, что на расстоянии 200 мкм от поверхности, для всех 3-х обработок наблюдается одинаковый характер изменения микротвердости - рост примерно до одного уровня во всех трех случаях, далее - колебания и, начиная с расстояния 300 мкм от поверхности, микротвердость сплава АК6, обработанного по режиму АТАО-1, оказывается выше, чем в случае СТО и обработки АТАО-2.

3.2. Квалиметрическая оценка алюминиевых сплавов при аэротермоакустиче-ской обработке

3.2.1. Диаграмма Исикавы

Причинно-следственная диаграмма Иси-кавы - инструмент, который позволяет выявить наиболее существенные факторы (причины), влияющие на конечный результат (следствие). Диаграмма применяется, как правило, при анализе дефектов, приводящих к наибольшим потерям. Она позволяет выявить причины таких дефектов и сосредоточиться на

устранении их причин. При этом анализируются пять основных причинных факторов: человек, машина (оборудование), материал, метод работ (технология) и измерения. При анализе факторов выявляются вторичные, а может быть и третичные причины, приводящие к дефектам и подлежащие устранению. Поэтому для анализа дефектов и построения диаграммы необходимо определить максимальное число причин, которые могут иметь отношение к допущенным дефектам. Наиболее значимыми факторами являются:

1) химический состав алюминиевых сплавов;

2) температура АТО;

3) механические свойства полуфабрикатов;

4) опыт персонала;

5) характеристики акустического генератора;

6) квалификация персонала;

7) время акустического воздействия;

8) количество циклов АТО;

9) контроль температуры.

Необходимо направить усилия на изучение и улучшение вышеперечисленных факторов. На основании полученных данных можно построить диаграмму Парето для выявления наиболее значимых факторов, влияющих на качество АТАО.

3.2.2. Диаграмма Парето

Если причины и признаки определенной проблемы выявлены, то можно определить важность каждого из них, и таким образом узнать наиболее существенные элементы, которым нужно уделять особое внимание.

Диаграмма Парето (анализ Парето) названа в честь итальянского экономиста В. Па-рето, который в 1897 году, анализируя богатства Италии, вывел формулу показывающую, что доходы в обществе распределяются неравномерно. Эта же теория в 1907 году была проиллюстрирована на диаграмме американским экономистом М.С. Лоренцом. Оба ученых показали, что 80% проблемы на 20% зависит от причин, ее вызвавших. Доктор Д.М. Джуран использовал этот постулат для классификации проблем качества на немногочисленные, но существенно важные, и многочисленные не-

существенные, и назвал этот метод анализом Парето. Метод Парето позволяет выявлять основные факторы возникновения проблемы и расставлять приоритеты в их решении.

Для построения диаграммы Парето необходимо определить значимость факторов качества, определенных в диаграмме Исикавы. На основе относительных значений факторов, полученных на основании экспериментальных исследований параметров, влияющих на качество АТАО, можно построить диаграмму Па-рето и кумулятивную кривую Лоренца, которые приведены на рис. 10.

Из диаграммы Парето и проведенного АВС-анализа следует:

- факторы А-части - химический состав алюминиевых сплавов, механические свойства полуфабрикатов и характеристики акустического генератора - являются наиболее значимыми факторами, влияющими на качество АТАО;

- факторы В-части - температура АТАО, опыт персонала, время акустического воздействия - являются менее значимыми для качества АТАО факторами;

- факторы С-части - количество циклов АТАО, квалификация персонала и контроль температуры - являются малозначимыми факторами, влияние которых на качество АТАО незначительно.

3.2.3. Диаграмма желательности

Оценка качественных характеристик алюминиевого сплава, обработанного аэро-термоакустическим методом, в сравнении с качественными характеристиками алюминиевого сплава, полученными с помощью стандартных способов обработки, возможна с помощью функции желательности, методика построения которой была рассмотрена выше.

Из показателей качества сплава АЛ9 были выбраны микротвердость и размер зерна а -фазы. Исходная информация для построения номограммы желательности приведена в табл. 10.

Градации качества выбираются в соответствии с данными табл. 4.

Рис. 10. Диаграмма Парето

Таблица 12

№ образца Вид обработки Характеристики качества

Н 20 ср МПа Размеры зерна а - фазы, цш

1 СТО 111,5 51,4

2 АТАО 157,9 49,5

3 ГОСТ наилучшее 70 100

минимальное 45 150

Для перевода значений микротвердости в безразмерную шкалу решалась следующая система уравнений:

14,5 = а0 + 70 а1 I а0 = -5,3 11,0 = а0 + 45а, \а, = 0,14 '

Таким образом, подставив фактические данные микротвердости 111,5 МПа и 157,9 МПа в уравнения (1) и (2), можно получить:

у = а0 + ах = - 5,3 + 0,14111,5 = 10,31;

д = ехр

-1

У

= ехр

-1

40,311

= 0,91.

у = а0 + ах = - 5,3 + 0,14157,9 = 16,8;

д = ехр

-1

У

= ехр

-1

16,81

= 0,94.

Аналогично находятся значения показателей желательности и соответствующих безразмерных вспомогательных показателей по размеру зерна. Рассчитанные данные для построения номограммы желательности приведены в табл.13.

Таблица 13

Значения показателей желательности и соответствующих безразмерных вспомогательных показателей сплава АЛ9

Обработка Оценка изменения показателей качества

Микротвердость Размер зерна

у ч У ч

СТО 10,31 0,91 7,902 0,89

АТАО 16,8 0,94 8,035 0,91

Обобщенная функция желательности для сплава АЛ9 после СТО:

В = т1д1д2-~д„

1/1

П 4 = 089.

г=1

Обобщенная функция желательности для сплава АЛ9 после АТАО:

В = ЧЬЪ-Чт =

П^ = 091.

г=1

Сводные данные по единичным и комплексным показателям желательности для сплава АЛ9 приведены в табл. 14.

Таблица 14

Единичные и комплексные показатели желательности сплава АЛ9

т

Режим Единичные показатели желательности Комплексный показатель желательности

Микротвердость Размер зерна

СТО 0,91 (превосходно) 0,87 (отлично) 0,89

АТАО 0,94 (превосходно) 0,89 (отлично) 0,91

По данным показателям можно построить номограмму желательности. По номограмме и обобщенному показателю желательности можно сделать вывод, что наилучшим сочетанием характеристик обладают сплавы АЛ9 после АТАО, т.к. значение обобщенной функции желательности имеет максимальное значение 0,91, что говорит о преимуществе исследуемой обработки перед стандартной термической обработкой.

Аналогичная оценка была проведена для других алюминиевых сплавов. На рис.11 приведена номограмма желательности для сплава Д1. Из номограммы желательности сплава Д1 следует:

1) по показателю желательности Твердость (НВ):

• при СТО уровень желательности «отличный»;

• после АТАО-2 уровень желательности - «хороший»;

• в результате АТАО-3 уровень желательности - «отличный»;

2) После каждой обработки (СТО -АТО-2 - АТО-3) количество выделений на

единицу площади растет, причем по сравнению с СТО количество выделений после АТАО-3 возросло почти в 2 раза.

3.2.4. Паутина качества

Из характеристик, выявленных при металлографическом исследовании и исследовании прочностных свойств, можно сформировать таблицы сравнения этих значений для сплавов АЛ9 и АК6 (табл. 15 и 16). Относительные показатели рассчитаны по формулам (4) и (5). На их основе строятся паутины качества, и проводится сравнение полученных характеристик с помощью дифференциального метода.

Из паутины качества (рис. 12) видно, что площадь многоугольника, занимаемая стандартным видом обработки, значительно меньше площади многоугольника, занимаемой аэ-ротермоакустическим видом обработки, что свидетельствует об улучшении качества сплава при переходе к АТАО.

Рис.11. Номограмма желательности сплава Д1

Таблица 15

Сравнение характеристик сплава АЛ9 после СТО и АТАО

Материал Обработка Н 20ср, МПа Размер зерна а - Размер колоний Наличие

фазы, мкм 81, мкм трещин

Размерные ха- СТО 111,5 51,4 6,8 Есть

рактеристики АТАО 157,9 49,5 1,9 нет

Относительные СТО 1 1 1 1

показатели АТАО 1,42 1,04 3,58 2

Наличие трещин

4 Н 20ср, МПа

еле СТО После АТАО

Размер колоний мкм

Рис. 12. Паутина качества - сравнения характеристик сплава АЛ9 после СТО и АТАО

Рис. 13. Паутина качества сравнения

относительных показателей качества сплава АК6

Таблица 16

Сравнение характеристик сплава АК6

Материал Обработка Н 20ср, МПа Размер Количество включений на площади 4,5.104, мкм2 Наличие

зерна, мкм микротрещин

Размерные харак- СТО 309 47,8 85 Есть

теристики АТАО-1 330 38,6 132 нет

АТАО-2 281 73,6 103 нет

Относительные СТО 1 1 1 1

показатели АТАО-1 1,07 1,24 1,55 2

АТАО-2 0,9 0,65 1,21 2

Н 20ср, МПа

Наличие трещин

После СТО После АТАО-1 После АТАО-2

Из рис. 13 видно, что площадь многоугольника, занимаемая АТАО-1 больше площади многоугольника, занимаемой СТО и АТАО-2, что подтверждает целесообразность данной обработки при упрочнении алюминиевого сплава АК6.

Из построенных паутин качества можно сделать вывод о положительном влиянии аэро-термоакустической обработки на увеличение характеристик качества алюминиевых сплавов. В данных сплавах после АТАО наблюдается увеличение микротвердости и количества выделений упрочняющих фаз, также происходит уменьшение размера зерна, размера колоний и исключение микротрещин после исследуемого вида технологической обработки.

3.2.5. Проведение корреляционного анализа по диаграмме разброса

Для оценки тесноты взаимосвязи между микротвердостью (прочностными характеристиками) и размером зерна в работе проведен корреляционный анализ. На основе данных показателей качества сплава АЛ9 из таблицы 6 построено поле корреляции для пары данных «микротвердость - размер зерна».

Тесноту линейной корреляционной связи можно оценить с помощью коэффициента корреляции, вычисляемого по формуле (7). Результаты вычислений представлены в табл. 17.

Рис. 14. Диаграмма разброса показателей И=(й) для сплава АЛ9

Таблица 17

Данные для определения коэффициента корреляции_

х У хг - X (хг - X)2 Уг - У (уг - у;2 (хг - х) • (Уг - У)

51,4 111,5 -7,65 58,52 1,2 1,44 -9,18

57,1 96,1 -1,95 3,8 -14,2 201,64 27,69

49,5 157,9 -9,55 91,2 47,6 2265,76 -454,58

78,2 75,7 19,15 366,72 -34,6 1197,16 -662,59

X =59,05 у =110,3 £=520,24 Е=3666 2 (х - х) • (Уг - У) = =1098,66

После подстановки результатов вычислений в формулу (7), получится:

-1098,66 пя

г = .-—. =-0,8.

■43666 • V520,24

Ввиду оценки корреляции по выборке малого объема (N=4 меньше 100) необходима поправка по формуле (8):

г1 = -0,8

1 +

1 - (-0,8 )2 2(4 - 3)

= -0,94

Полученное значение коэффициента корреляции находится в пределах от 0,7 до 0,99, что говорит о наличии высокой степени взаимосвязи между парой «микротвердость -размер зерна». Т.к. г < 0 корреляция отрицательная. Таким образом, обработанный сплав АЛ9 подчиняется известной зависимости Хол-ла-Петча

-1/2

на.

ну = ну + ка

где ^о и k -постоянные, d - размер зерНа основе данных показателей качества

сплава АК6 из таблицы 11 построено поле корреляции для пары данных «микротвердость - размер зерна» (рис.15). Данные для определения коэффициента корреляции сплава АК6 представлены в табл. 18.

Результаты вычислений коэффициента корреляции по формуле (8):

г =

- 50875

43165,48 • V833,88

= -0,31.

Ввиду оценки корреляции по выборке малого объема (N=8 меньше 100) необходима поправка по формуле (9):

г1 = -0,31

1 +

1 - (-0 ,31)2 2(8 - 3)

= -0,34

Полученное значение коэффициента корреляции находится в пределах от 0,2 до 0,49, что говорит о слабой степени взаимосвязи между парой «микротвердость - размер зерна». Т.к. г < 0 корреляция отрицательная. Таким образом, у сплава АК6 явная зависимость H=f(d) отсутствует, соотношение Хол-ла-Петча не выполняется.

Рис.15. Диаграмма разброса показателей H=(d) для сплава АК6

Таблица 18

Данные для определения коэффициента кор

еляции

х У X - x (Xi - X)2 У - У (Уг - У/ (xi - x) ■ (Уг - У)

47,8 309 -3,16 9,99 17,75 315,06 -56,09

38,6 330 -12,36 152,77 38,75 1501,56 -478,95

42 261 -8,96 80,28 -30,25 915,06 271,04

52,6 285 1,64 2,69 -6,25 39,06 -10,25

50,2 275 -0,76 0,58 -16,25 264,06 12,35

73,6 281 22,64 512,57 -10,25 105,06 -232,06

57,6 293 6,64 44,09 1,75 3,06 11,62

45,4 296 -5,56 30,91 4,75 22,56 -26,41

x = 50,96 y =291,25 E=833,88 E=3165,48 ^(Xi -X) ■ (Уг -y) =-508,75

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сравнение свойств и структуры алюминиевых сплавов в исходном состоянии и после различных режимов термической и аэро-термо-акустической обработок позволяет сделать вывод, что улучшение свойств связано с гомогенизацией структуры, вызванной более полным протеканием процессов старения, а также процессами предвыделения вторичных фаз.

Квалиметрическая оценка, проведенная с помощью статистических методов: диаграммы Исикавы, Парето, функции желательности, паутины качества (дифференциальный метод) и корреляционного анализа показала преимущество аэротермоакустической обработки алюминиевых сплавов над стандартной термической обработкой этих материалов.

Список литературы

1. Атрошенко С.А. Влияние аэротермоаку-стической обработки на характеристики быстрорежущих сталей. Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2018. Т.16. №4. С. 50-56

2. Kwang-Jae Kim, Dennis K.J. Lin. Simultaneous optimization of mechanical properties of steel by maximizing exponential desirability functions. Applied Statistics, Vol. 49, №3, 2000 - P. 311 - 325.

3. Charles Ribardo, Theodore T. Allen. An alternative desirability function for achieving "Six Sigma" quality, Qual. Reliab. Engng. Int., 19, 2003 - P. 227 - 240.

4. Harrington E.C. The desirability function. Industrial Quality Control 1965; (April): pp. 494-498.

5. Харченко М.А. Корреляционный анализ: Учеб. пособие. - Воронеж.: Монография, 2008. - 30 с.

THE INFORMATION ABOUT THE A UTHORS

QUALIMETRIC EVALUATION OF ALUMINUM ALLOYS SUBJECTED TO AEROTHERMOACOUSTIC TREATMENT Atroshenko S.A., DSci, (Eng.), professor,

St.-Petersburg State Economic University. E-mail: satroshe@mail.ru. Nikolaeva E.M., student,

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Abstract. The article presents the results of the qualimetric assessment of aluminum alloys after aerothermoacoustic treatment in comparison with the standard heat treatment of these alloys using the Ishikawa and Pareto diagrams, as well as the desirability function, quality web and correlation analysis. Keywords: aerothermoacoustic treatment, aluminum alloys, Ishikawa chart, Pareto chart, desirability function, quality web, scatter chart

УДК 658.562.4

Понурко И.В., Покрамович Л.Е., Головина А.А.

РАЗРАБОТКА ДОКУМЕНТА «РУКОВОДСТВО ПО КАЧЕСТВУ» С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЦЕССНОГО ПОДХОДА

В ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ

ч_/

Аннотация. Руководство по качеству - это концептуальный главный документ, содержание которого дает представление об организации. Испытательная лаборатория (ИЛ) является подразделением отдела технического контроля качества продукции (ОТК КП) ООО «Уралпротект». Разработка руководства по качеству обеспечит процессный подход системы менеджмента (СМ) ИЛ ООО «Уралпротект».

Ключевые слова: Руководство по качеству, испытательная лаборатория, процессный подход, система менеджмента, отдел технического контроля качества продукции.

ООО «Уралпротект» является крупным производителем полиэфирных эмалей, полиэфирных грунтовок и эмалей обратной стороны для защиты металла и металлопроката.

ОТК КП ООО «Уралпротект» занимается контролем качества лакокрасочной продукции, который является одним из этапов жизненного цикла продукции и выполняется для всех партий без исключения.

В испытательную лабораторию (ИЛ) ОТК КП предоставляются пробы для проверки соответствия требованиям нормативной документации и заказчика: цвета, блеска, физико-механических показателей и химических свойств лакокрасочного материала, которые исследуется согласно стандартным методам

испытаний и методикам, разработанным в ИЛ на основе технических показателей, приведенных в табл. 1.

Руководство по качеству - это документ, устанавливающий требования к системе менеджмента качества организации [1-3].

Процессный подход - последовательные и прогнозируемые результаты, которые достигаются более эффективно и результативно, когда деятельность осознается и управляется как взаимосвязанные процессы, которые функционируют как согласованная система [3].

Целью настоящей работы является разработка Руководства по качеству для подтверждения компетентности ИЛ ОТК ООО «Урал-протект».