НЕТРАДИЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ И ЖЕЛЕЗНЫХ СПЛАВОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 621.785:[669.262.4:[669.13+669.713]]

НЕТРАДИЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ И ЖЕЛЕЗНЫХ СПЛАВОВ

В.К. АФАНАСЬЕВ, академик РАЕН, профессор, доктор техн. наук, С.В. ДОЛГОВА, аспирант, СибГИУ, г Новокузнецк Н.Б. ЛАВРОВА, доцент, СФУ, г. Красноярск В.Н. ТОЛСТОГУЗОВ, ведущий инженер ОАО «Полиметалл»,

г. Санкт-Петербург Д.М. ЧИБРЯКОВ, аспирант, КемТИПП, г. Кемерово

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

В работе представлены нетрадиционные способы термической обработки алюминиевых и железных сплавов, позволяющие получить значительный экономический эффект при сохранении механических свойств. Рассмотрены закономерности влияния среды обработки на микроструктуру, тепловое расширение, прочностные и пластические свойства. Установлена корреляция указанных характеристик с содержанием водорода в сплавах.

In job new ways ofthermal processing ofthe aluminum and iron alloys are presented, allowing receiving significant economic benefit at preservation of mechanical properties. Laws of influence of the environment of processing on a microstructure, thermal expansion, strength and plastic properties are considered. Correlation of the specified characteristics with the contents of hydrogen in alloys is installed.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, ЖЕЛЕЗНЫЕ СПЛАВЫ, СВОЙСТВА

Многовековая история термической обработки задолго до создания диаграмм состояния всегда предусматривала высокотемпературный нагрев и охлаждение с различной скоростью. В настоящее время для получения необходимого уровня физических, механических и химических свойств также созданы режимы термической обработки, где после высокотемпературного нагрева получают либо твердый раствор (истинная закалка), либо пересыщенный твердый раствор, который широко известен под названием «мартенсит». Учитывая большую трудоемкость и высокие расходы электроэнергии, требуются новые режимы термической обработки, основанные на нетрадиционном представлении о формировании свойств металлов и сплавов.

В 1961 году в стране вышел сборник статей [1], где опубликован механизм химического растрескивания У Эванса. Основой этого механизма является положение о том, что «приток кислорода к наружной поверхности способствует образованию пузырьков водорода внутри трещин». Другими словами, подведение кислорода к поверхности нагреваемой детали активизирует перераспределение водорода внутри металла. После появления этого механизма опубликовано большое количе-

ство трудов, где показано активное участие водорода в формировании свойств металлов и сплавов (статьи, монографии, труды международных конгрессов и конференций). Довольно часто отмечается, что водороду принадлежит ведущая роль в формировании свойств. Для создания нетрадиционных режимов термической обработки, основанных на представлениях У. Эванса, необходима доступная среда нагрева. Самым доступным веществом является окись водорода, известная под названием «вода» (Н20). При анализе патентной литературы можно увидеть, что нагреву в Н20 посвящены работы, в которых изучаются в основном поверхностные явления и пористость [2]. Авторы способа термообработки металлических деталей (А.с. №996473, кл.С21Д1/78, Б.И. №6, 1983) для регулирования свойств поверхностного слоя изделий помещали их в жидкость, затем нагревали до температуры начала пузырькового кипения жидкости на поверхности изделий, выдерживали при этих условиях (2... 30 ч), затем охлаждали (жидкости - бензол, этиловый спирт, толуол, вода и др.). Достигнутые изменения фиксировали путем измерения микротвердости (табл. 1).

По мнению авторов, в неравновесных условиях, в которых находится металл при кипении

Таблица 1

Влияние кипячения в Н20 на микротвердость стали У8

Характеристики тепловой обработки поверхности Микротвердость, МПа

Тепловой поток, Вт/м2 Продолжительно сть кипячения, ч До кипячения После кипячения

160900 27 989 747

242350 25 965 722

269300 25 960 690

жидкости, на его поверхности в твердом теле возникают диффузионные потоки различного рода дефектов, вызываемые, например, неоднородным полем сил, градиентом концентраций и т.д. Колебания температуры поверхности вызывают большие скорости деформации металла, что весьма влияет на скорость диффузии.

Однако если формирование свойств обусловлено перераспределением водорода внутри металла под действием кислорода окружающей среды (механизм У Эванса), то в связи с высочайшей скоростью диффузии водорода изменения при кипячении должны протекать по всему сечению изделия. Это обстоятельство чрезвычайно важно для разработки промышленных способов термической обработки изделий разнообразного сечения.

Как правило, высокотемпературные нагревы под закалку предусматривают большие энергетические затраты. Для снижения энергетических затрат при сохранении уровня механических свойств нами разработан способ термической обработки промышленных алюминиевых сплавов.

Известно, что назначение высокотемпературного нагрева алюминиевых сплавов, содержащих значительное количество легирующих элементов, - получение гомогенной структуры за счет максимально возможного растворения промежуточных фаз в твердом растворе сплава. В результате того, что в алюминиевых сплавах содержатся легирующие элементы в количествах, значительно превышающих предел их растворимости в алюминии при обычных условиях, в них присутствует очень много промежуточных фаз, весьма устойчивых к разложению при нагреве. В связи с этим для получения гомогенной структуры таких сплавов на практике при их обработке по режиму Т4 (нагрев, выдержка и закалка) требуются значительной продолжительности выдержки (~10-20 ч), что обусловливает

большую длительность процесса и увеличивает энергетические затраты.

Предварительная обработка сплавов в кипящей воде приводит к снижению устойчивости промежуточной фазы в высоколегированных алюминиевых сплавах типа АК9, АМ5, АМгбЛ, что при последующем нагреве их под закалу по режиму Т4 приводит к более быстрому получению гомогенной структуры и достижению необходимых механических свойств.

П р и м е р. Испытания проводили на литейных промышленных сплавах АМгбЛ, АМ5, АК9. Приготовление сплавов осуществляли в алундовом тигле в закрытой лабораторной печи сопротивления. Для их приготовления использовали алюминий марки А7 и технически чистые металлы и лигатуры. Заливку осуществляли в нагретый до 100 °С металлический кокиль. Из полученных слитков вытачивали образцы, которые подвергали кипячению в воде в течение 1,5-2 ч и последующему нагреву при 430.. .545 °С в течение 3 ч с закалкой в воду.

После проведения термической обработки испытывали механические свойства сплавов в соответствии с ГОСТ 1583-93.

Для получения сравнительных данных разработанного и известного способов проводили испытания по известной технологии. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Из табличных данных видно, что эффективность разработанного способа выше, чем известного. При такой обработке значительно сокращается время нагрева всех сплавов при температуре закалки. Так, для сплава АМгбЛ оно уменьшается в 4 раза, для сплаваАМ5 - в 3,3 раза, для АК9 - в 1,3 раза. Это позволяет значительно снизить расход электроэнергии, так как для нагрева сплавов на более низкие температуры требуется значительно меньше энергии, чем при нагреве

Таблица 2

Механические свойства алюминиевых сплавов, обработанных известным и разработанным способами

Сплав Способ обработки Время кипячения в воде, ч Температура нагрева, °С Время нагрева, ч Механические свойства

св, МПа 5, %

АМгбЛ Известный - 430 12 250 12,5

Разработанный 2 430 3 260 14,0

АМ5 Известный - 545 10 290 17,0

Разработанный 1,8 545 3 280 18,0

АК9 Известный - 535 4 210 9,0

Разработанный 1,5 535 3 210 11,0

на высокие температуры за одно и то же время. Для сплавов АМгбЛ, АМ5 это очевидно. Общее время термической обработки сплава АК9 на 0,5 ч больше времени обработки по известному способу, но затраты энергии меньше. Разработанный способ обработки Энергия, необходимая для нагрева воды и деталей при 100 °С:

Ж = Лг(тН20СН20 + тдет Смет ) = =80(1003х234,2+800x891,7)=75804800 Дж =21 кВт/ч.

За 1,5 ч кипячения затраты энергии составят: 21 х 1,5 = 31,5 кВт/ч.

При дальнейшем нагреве в печи в течение 3 ч расход электроэнергии составит:

1,16х10"3х|х РНА^ = = 1,16х10~3х1 х 600 х 515 =358,4 кВт/ч,

где Д^м - разность конечной и начальной температур нагрева, °С; тНг0, - масса воды и деталей соответственно, СН20, Смет - теплоемкость воды и металла соответственно, Дж/кгград; а = 1,0.0,5; РН - производительность печи за 3 ч работы, кг/ч.

Общие затраты на нагрев: 358,4 + 31,5 = = 390 кВт/ч.

Известный способ обработки:

Ж=1,16хЮ"3х]хРяДг^ =

= 1,16х10"3х1 х800х 515=478кВт/ч,

где РН - производительность печи за 4 ч работы, кг/ч.

Следовательно, при обработке сплава АК9 по разработанному способу экономится 88 кВт/ч электроэнергии за одну садку металла.

Таким образом, использование разработанного способа позволяет в 1,3-4 раза сократить время нагрева сплавов под закалку, в несколько раз снизить расход электроэнергии, что позволит повысить производительность труда в 2 раза за счет увеличения выпуска продукции.

Разработанный способ сформулирован следующим образом.

Способ термической обработки алюминиевых сплавов, включающий нагрев до 430.545 °С, выдержку и закалку в воду, отличающийся тем, что с целью снижения энергетических затрат при сохранении уровня механических свойств сплавов нагрев проводят в две стадии, при этом первую стадию осуществляют путем кипячения в воде в течение 1,5-2 ч [3].

Помимо сокращения времени термической обработки и сохранения механических свойств кипячение в водных растворах некоторых сплавов может изменить другие их свойства. Например, для снижения коэффициента линейного расширения и повышения коррозионной стойкости разработан способ термической обработки, в основе которого лежат соображения об участии водорода в формировании этих свойств [4].

Наиболее близким к нему по технической сущности является способ циклической термической обработки алюминиевых сплавов, включающий нагрев при 490 °С в течение 1,5 ч и отпуск при 100 °С в кипящей воде в течение 10 мин (1 цикл) [2]. Однако существенного влияния на коэффициент линейного расширения данный способ не оказывает. Кроме того, коррозионная стойкость сплавов после такой обработки сравнительно невысока.

Целью изобретения является снижение значений коэффициента линейного расширения алюминиевых сплавов и повышение коррозионной стойкости. Поставленная цель достигается тем,

Таблица 3

Влияние кипячения в водном растворе перманганата калия (КМпО4) на коэффициент линейного расширения и коррозионную стойкость сплавов А1 - 5%Си, А1 - 10%Си, АМг10

Сплав При- Способ обработки Время кипяч., Коэффициент линейного расширения ах10 6, град -1, температура испыт., °С Скорость коррозии,

мер ч 50 100 150 200 250 мг/м2-ч

1 Литой - 21,17 23,04 24,02 24,39 26,16 0,053

2 Кипячение в воде 5 22,89 22,31 22,49 22,83 24,24 0,051

3 Кипячение в 0,05 % р-ре КМпО4 5 19,57 21,66 21,63 22,16 22,73 0,048

А1 - 5 %Си 4 Кипячение в 0,1 % р-ре КМпО4 15 19,48 21,01 21,20 21,94 21,98 0,049

5 Кипячение в 0,08 % р-ре КМпО4 10 19,61 21,56 21,83 22,16 22,73 0,049

6 Кипячение в 0,02 % р-ре КМпО4 16 19,63 21,59 21,89 22,20 22,78 0,049

7 Кипячение в 0,18 % р-ре КМпО4 4 22,89 22,31 22,49 22,83 24,24 0,048

8 Литой - 20,58 22,31 23,21 23,96 23,85 0,049

А1 -10 %Си 9 Кипячение в воде 15 20,06 21,98 22,84 23,37 24,69 0,045

10 Кипячение в 0,1 % р-ре КМпО4 15 19,57 20,07 21,23 20,26 20,09 0,041

11 Литой - 21,80 23,04 24,02 24,39 26,71 0,052

АМг10 12 Кипячение в воде 10 22,14 23,84 24,02 22,43 24,70 0,053

13 Кипячение в 0,1 % р-ре КМпО4 10 20,87 22,67 22,84 21,08 22,68 0,052

что в способе обработки алюминиевых сплавов, включающем кипячение, сплавы подвергают кипячению в водном растворе перманганата калия (КМпО4), при этом концентрация раствора составляет 0,05.0,1 %, а время кипячения 5.15 ч.

П р и м е р. Испытания проводили на литых сплавах А1 - 5 %Си, А1 - 10 %Си и АМг10. Для их приготовления использовали алюминий марки А7 и технически чистые металлы. Выплавляли сплавы по известной технологии. Из полученных слитков вырезали образцы для дилатометрических испытаний и кипятили в водном растворе перман-ганата калия. Измерения коэффициента линейного расширения проводили на оптическом дифференциальном дилатометре системы «Шевенар».

Для получения сравнительных данных разработанного и известного способов проводили кипячение в воде.

Для определения коррозионной стойкости проводили испытания при комнатной температуре в 3%-ном водном растворе №С1 с добавкой 0,1% Н2О2. Длительность испытаний 380 ч. Результаты испытаний приведены в табл. 3.

Из табличных данных видно, что применение разработанного способа позволяет по сравнению с прототипом (кипячение в воде) снизить коэффициент линейного расширения в интервале 50. 250 °С для сплава А1 - 5 %Си на 2,0.15 %, для сплава А1 - 10 %Си - на 2,4.14,0 %, для сплава АМг10 - на 1,7.6,0 %. Коррозионная стойкость сплавов при этом увеличивается в среднем ~ на 10.12 %.

Из табличных данных также видно (см. примеры 6 и 7), что при осуществлении способа с параметрами, выходящими за граничные значения, положительный эффект не достигается.

Разработанный способ обработки может быть использован для снижения коэффициента линейного расширения сплавов, что позволит применить данные сплавы в областях, в которых их использование было затруднено из-за высоких значений коэффициента линейного расширения, в частности, в приборной технике.

Этот способ сформулирован следующим образом.

ТЕХНОЛОГИЯ 1000'

900

<D

s и

<D

4 «

s н о а а о о

(D О И

и

(D

5

(D

а m

D

fr

а

Рис. 1. Влияние времени кипячения в Н2О на временное сопротивление разрыву:

—-О— железо 008 ЖР; ■ ф сталь 60; ■ А сталь У8

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

0х Ю -а

н о о и

н

ä ч С

Г /

Y V

у--— S

ч- 1—

10 15 20 25 I, ч

Рис. 2. Влияние времени кипячения в НО на пластичность

- железо 008 ЖР;

■ сталь 60;

Способ обработки алюминиевых сплавов, включающий кипячение, отличается тем, что с целью снижения коэффициента линейного расширения и повышения коррозионной стойкости кипячение осуществляют в 0,05.0,1 %-ном водном растворе перманганата калия в течение 5.15 ч.

Также проводилось изучение влияния кипячения в ^О на свойства высокочистого железа 008ЖР, сталей 60 и У8. Определение их механических свойств показало, что кипячение незначительно влияет на показатели прочности (рис. 1), но на пластичность действует сильнее (рис. 2). Относительное удлинение железа монотонно увеличивается: для стали 60 - до 15 ч кипячения, а для стали У8 повышения пластичности не наблюдается вовсе.

При изучении микроструктуры было установлено, что кипячение уменьшает общую трави-мость шлифов и несколько увеличивает размер

зерен. На рис. 3 в качестве примера приведен пример микроструктуры стали 60 до и после кипячения, однако такие структурные изменения не являются сильно заметными и определяющими прочность стали.

Методом вакуумной экстракции определено количество водорода в сырых и термообрабо-танных образцах. Результаты определения представлены на рис. 4. Здесь видно, что увеличение содержания углерода увеличивает количество водорода в железе. Кипячение до определенного времени повышает количество водорода в железе и стали, а затем снижает. Наибольшее количество водорода для железа наблюдается после 20 ч кипячения, для стали 60 - 15 ч, а для У 8 - 10 ч. Более того, с повышением содержания углерода в железе увеличивается максимум по содержанию водорода, а в стали У8 - он наибольший.

а б

Рис. 3. Влияние кипячения (т = 30 ч) на микроструктуру стали 60: а - до кипячения; б - после кипячения (*110)

u

О О

й ч о а о

4 о и

<Ц

5

ä

*

а

<Ц

о

и

/ \

/ \

/

V /

К,

/

— н И HN ч> 3—о

О 5 10 15 20 25 т, ч

Рис. 4. Влияние кипячения в Н2О на содержание водорода

Э— железо 008 ЖР; ф сталь 60; А сталь У8

Результаты определениия коэффициента линейного расширения приведены в табл. 4. Здесь можно заметить, что кипячение не вносит катаклизмов в расширение железа и стали, что важно для случаев приборной техники.

Таким образом, на примере алюминиевых и железных сплавов показано, что на основании представлений об участии водорода в формировании свойств металлических сплавов имеется возможность практических разработок нетрадиционных режимов термической обработки, применение которых позволит получить экономический эффект.

Работа выполнена при поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (20092010 годы)» по теме 957.

Т а б л и ц а 4

Влияние времени кипячения в Н2О на линейное расширение железа 008ЖР и стали

Время кипячения, ч Коэффициент линейного расширения ах10 -6, град -1, температура испытания, °С

50 100 150 200 250 300 350 400 450

Железо 008ЖР

0 8,75 10,05 11,51 12,75 14,25 14,55 15,10 15,51 15,90

20 10,25 10,80 11,85 12,80 13,55 14,25 14,75 15,15 15,35

30 10,40 11,45 12,05 12,55 13,05 13,63 14,25 14,45 14,85

Сталь 60

0 9,80 10,50 10,55 11,50 12,80 13,75 14,70 15,95 17,00

15 10,20 11,05 11,55 12,30 13,25 14,10 14,35 15,35 15,60

30 7,90 9,38 10,80 11,95 13,95 14,75 15,20 15,95 16,75

Сталь У8

0 8,10 9,40 10,10 10,70 12,45 13,75 13,95 14,45 14,70

15 9,45 10,20 10,65 11,35 13,15 13,75 13,95 14,55 14,95

30 8,30 9,55 10,55 11,35 13,85 14,58 14,85 15,60 15,95

Список литературы

1. Эванс У. О механизме химического растрескивания // Коррозионное растрескивание : сборник. -М., 1961. - С. 149 - 153.

2. Павловский В.А., Паскаль Ю.И., Савицкий С.В. Исследование аномалий пористости в некоторых алюминиевых сплавах // Известия ВУЗов. Физика. -1968. - № 12. - С. 55.

3. А.с. 1198977, С22¥1/04. Способ термической обработки алюминиевых сплавов / В.К. Афанасьев, Л.З. Еловикова, П.И. Позднякова. - № заявки 3684854/22-02; опубл. 04.01.84.

4. Патент РФ № 2007487. Способ обработки алюминиевых сплавов / В.В. Ушакова, М.В. Попова, С.С. Шараев, Н.Е. Тимохина. - Заявл. 5.05.91; опубл. 15.02.94. Бюл. № 3.

Контактная информация для переписки: Афанасьев В.К. - 654007, Новокузнецк, Сибирский государственный индустриальный университет, ул. Кирова, 42; е-таП^.а!:апа8еу@пук2.ки2Ьа88.пе1