CC BY
31
УДК 621.73
001: 10.24412/0321-4664-2022-2-15-19
О ФАКТОРЕ КОЛИЧЕСТВЕННОГО СОДЕРЖАНИЯ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ ФАЗ В ПРИРОДЕ РАЗРУШЕНИЯ ПОКОВОК ИЗ СПЛАВА АМг6
Павел Александрович Головкин, канд. техн. наук
АО «Плутон», Москва, Россия, p.golovkin@pluton.msk.ru
Аннотация. В статье анализируется природа высокотемпературного разрушения поковок при горячей деформации сплава АМг6 и выявляется связь склонности к разрушению металлического материала и количественного содержания в нём интерме-таллидных фаз - показателя КСИФ. Показано, что повышенное значение КСИФ как бы сдвигает диаграмму состояния Al-Mg «влево» относительно паспортного химического состава сплавов и тем способствует разрушению материала поковок с характерным заполнением пространства трещин материалом эвтектического состава.
Ключевые слова: алюминиево-магниевый сплав, поковки, интерметаллидные фазы, трещинообразование, разрушение, эвтектика, химический состав, диаграмма состояния
About the Factor of Quantitative Content of Intermetallic Phases in the Nature of Destruction of AMg6 Alloy Open Forgings. Cand. of Sci. (Eng.) Pavel A. Golovkin
Pluton JSC, Moscow, Russia, p.golovkin@pluton.msk.ru
Abstract. The article analyzes the nature of high-temperature destruction of forgings during hot deformation of the AMg6 alloy and reveals the relationship between the tendency of metal to destroy and the quantitative content of intermetallic phases in the metal, i.e. the QCIP indicator. It is shown that an increased value of the QCIP pretends to shift the Al-Mg state diagram to the left relative to the certified chemical composition of the alloys, and thereby contributes to the a distinctive filling of the crack space with the material of the eutectic composition in case of destruction of the material of open forgings.
Keywords: aluminium-magnesium alloy, open forgings, intermetallic phases, cracking, destruction, eutectic, chemical composition, state diagram
Общие положения.
Особенности формирования интерметаллидных фаз в алюминиево-магниевых сплавах группы АМг
Особенностью классических алюминиевых сплавов группы АМг [1], не содержащих измельчающих их структуру редкоземельных металлов, является образование интерметаллидных фаз в областях локализованных деформаций [2], склонность к развитию меж-кристаллитной и расслаивающей коррозии материала заготовок [3]. Это предопределяется выделением некогерентных с твёрдым рас-
твором интерметаллидных фаз р и р' в виде соединений Мд2А13 и Мд5А18 соответственно [4, 5], хотя другие источники подразумевают под фазой р соединение Мд5А18 [6, 7].
Температура плавления р- и р'-фаз составляет соответственно 450 и 452 °С, в то время как чистого алюминия 672 °С [4, 5], плавятся они конгруэнтно, а значит, могут быть измельчены или расплавлены, но не удалены из металлического материала. Хотя известно [8], что для подавления развития коррозионных процессов температура деформации сплава АМг6 не должна превышать 380-400 °С, действующие
стандарты [9] недостаточно учитывают этот момент, оговаривая допустимый температурный интервал деформации в пределах 300-450 °С.
Формирующиеся в неравновесных условиях кристаллизации и при деформационных процессах фазы р и в' образуют с твёрдым раствором, содержащим более 1-2 % Мд, эвтектическую систему [4, 5], располагаясь по границам зёрен в виде оторочек и цепочек отдельных включений. Заметная дендридная ликвация дополнительно способствует образованию фазы в' в сплавах, содержащих более 3-4 % Мд [5].
Примеси Ре, Б1, Сг и Си образуют с твёрдым раствором интерметаллиды Мд231, А!Ре-Б1, А!Ре31Мп, Ре2Э1А!8, СиМд4А16, (СгРе)4814А!13, (РеМп)А|6 и др. [4, 5]. Их массовое содержание относительно невелико, но наряду с более распространёнными соединениями Мд2А!3 и Мд5А!8 они определяют качество металлического материала. Далее под интерметаллид-ными фазами будут подразумеваться фазы в и в', а их количественное содержание будет сокращённо обозначаться КСИФ.
Горячая пластическая деформация протекает с участием конкурирующих условных механизмов - внутризёренного дефрагмента-ционного и межзёренного рекристаллизацион-ного [10, 11], последний из которых доминирует там, где велики сдвиговые деформации и деформационный разогрев. При этом самолокализация энергетически выгодной меж-зёренной деформации объясняет активную рекристаллизацию и формирование интерме-таллидных фаз по границам зёрен [3, 10].
Количественное содержание интерметаллидных фаз как фактор высокотемпературного разрушения поковок из сплава АМг6
В металлическом материале все границы можно подразделить на диффузионные и фазовые [12], и относительно распределения интерметаллидных соединений наибольший интерес представляет изучение фазовых границ. При получении энергии материал зерна стремится повысить свою упорядоченность, вытесняя вовне разного рода дефекты и примеси, тем и образуя границы как вариант поверхностей раздела [20].
Математическое моделирование осадки заготовок с определением расчётных значений накопленных деформаций и значений температур осуществлялось с использованием основанного на методе конечных элементов программного продукта ОРогт [13]. Расчётные значения температур в очаге деформации поковок, осаженных с нагрева до 420 и 320 °С, составили 460 и 370 °С соответственно. Выраженное преобладание межзёренной деформации при ковке с больших температур вызывает образование микроскопических не-сплошностей [14] и зон микрохимической неоднородности материала поковок [15] и таким образом непосредственно связано с областями локализованных сдвиговых деформаций.
Энергетическая выгодность межзёренной деформации локально увеличивает КСИФ в материале полуфабриката [16, 17]. Рекристаллизация, с одной стороны, и деформация, с другой, напрямую определяют активность формирования интерметаллических соединений, создавая зависимость от температуры и величины накопленной металлическим материалом деформации [18].
Вытесненные к микропустотам границ дефекты попадают в условия, где скорость диффузии много больше внутризёренной, поэтому даже при концентрациях примесей 0,1-1,0 % мас. эффект локального псевдоосмотического давления [12] достаточен для образования примесных кластеров. Этот фактор при нагреве заготовок из сплавов ряда АМг3...АМг6 выше 350 °С, предположительно, и ослабляет металлические связи отдельных зёрен и полигонов материала поковок.
Хорошие коррозионные характеристики [3, 16] и вакуумная плотность [17, 19] материала поковок достигаются при его деформации с нагрева не более 320 °С и удержании температуры в пределах 350-400 °С. Для стабилизации этих характеристик достаточно проведения отжига при 240-250 °С [16], в то время как удовлетворительная коррозионная стойкость полученных с нагрева до 380-400 °С поковок обеспечивается лишь после полного отжига [8], неминуемо приводящего к сильному росту зерна и полному разупрочнению материала заготовок.
Ковка заготовок из алюминиево-магниевых сплавов может вызвать их разрушение, что осо-
бенно характерно для сплава АМг6 [9]. Вид таких типичных трещин в осаженных с нагрева до 420 °С поковках представлен на рис. 1. Они образовались в зонах максимальных меридиональных растягивающих напряжений и расположены по плоскостям скольжения, близким к 45° относительно направления нагрузки, что свидетельствует об их формировании по механизму скольжения по плоскостям микрообъёмов материала с ослабленными металлическими связями.
На рис. 2 показан вид поперечного сечения повреждённой поковки в местах расположения трещин. Видно, что трещины от их вершин заполнены легкоплавкой фазой, состоящей из бинарных эвтектик А1-Мд, А1-Мд2А13 и А1-Мд5А18, а также тройной эвтектики А1-Мд5А18-Мд2Б1 и различных других [4, 5]. Формирование перечисленных эвтектик происходит в условиях локального повышенного КСИФ по границам зёрен и плоскостям скольжения - стенкам растущих трещин, как это показано на рис. 2. Это объяснимо, поскольку в вершине растущий трещины происходит мгновенный рост температуры, создавая условия для ускоренного формирования эвтектических соединений. Такой механизм раз-
рушения материала заготовок характерен для материала заготовок с повышенным значением КСИФ, и проведение их подстуживания до температуры не более 350 °С [9] обычно исключает дальнейшее разрушение поковок.
Диаграмма состояния А1-Мд показывает, что эвтектика равновесного состава Мд5А18 имеет место в промежутке 35-36,2 % мас. Мд в алюминии и при температуре более 449 °С. Согласно диаграмме а-твёрдый раствор магния в алюминии при температуре 350 °С переходит в состав а-раствора + Мд5А18 лишь при содержании около 10 % Мд. Однако неравномерное распределение интерметаллидов Мд5А18 и других в материале поковок приводит к тому, что его поведение и локальный химический и фазовый составы существенно отличаются от «официального». Понятно, что чем больше сплав легирован магнием, тем сильнее проявляется этот эффект, среди серийных сплавов наиболее ярко - в поковках из сплава АМг6.
Так, при содержании в сплаве АМг6 5,86,8 % мас. Мд [1] разрушение поковок с выделением по стенкам трещин эвтектической жидкости часто имеет место уже при деформации
Рис. 1. Направленные по касательной к наибольшим меридиональным напряжениям трещины
в осаженных поковках из сплава АМг6, х3
Рис. 2. Эвтектический материал в трещинах поковки из сплава АМг6, х50
с нагрева до 400-450 °С, т. е. в области стабильного а-твёрдого раствора магния в алюминии согласно соответствующей диаграмме состояния [7]. Это значит, что повышенное содержание в- и в'-фаз напрямую влияет на температуру образования соединений эвтектического состава в материале поковок, как бы смещая приведённые на диаграмме состояния зависимости влево. В результате сплав может повести себя неожиданно с точки зрения соответствия его заявленным паспортным характеристикам. В частности, повышенное значение КСИФ является одной из причин разрушения поковок из сплава АМг6 при ковке с нагрева до температур более 400-450 °С. Простым и действенным способом ограничения КСИФ является обеспечение преобладания в материале поковок вну-тризёренного механизма деформации над меж-зёренным, чему посвящён ряд работ [10, 11].
Снижение температуры нагрева заготовок до 320 °С позволяет удержать температуру материала поковок в пределах 370-400 °С и тем ограничить КСИФ такими значениями, которые не вносят существенных изменений в баланс микрохимических и фазовых взаимодействий, описываемых диаграммой состояния А1-Мд. Таким образом объясняется польза подстужи-вания заготовок из сплава АМг6 во избежание их разрушения при ковке и обосновывается путь повышения качества и снижения дефектности материала получаемых поковок.
Выводы
1. Количественное содержание интерметал-лидных фаз является одним из комплексных критериев качества алюминиево-магниевых сплавов группы АМг, напрямую определяя коррозионную стойкость, вакуумную плотность и
стойкость к механическому разрушению при ковке заготовок, в частности, из сплава АМг6.
2. Доминирование межзёренно-рекристал-лизационного механизма в локализованных областях деформации существенно изменяет энергетический и микрохимический баланс материала поковок из сплавов группы АМг тем больше, чем выше температура и больше содержание магния в сплаве. При этом формируемые интерметаллидные соединения Мд2А!3, Мд5А18 и другие локально как бы смещают диаграмму состояния А!-Мд влево, вызывая на границах растущих зёрен формирование эвтектики на основе фазы Мд5А18.
3. Выделение интерметаллидных фаз по границам зёрен как предвестник процесса разрушения ослабляет металлические связи между ними и формирует условия для образования эвтектических соединений сложного состава, заполняющих возникающие трещины. При этом сами трещины расположены под углом, близким к 45° относительно направления наибольших напряжений, что свидетельствует об их развитии не только по границам зёрен, но и по плоскостям микрообъёмов материала с ослабленными металлическими связями.
4. Ограничение температуры заготовок из сплава АМг6 величиной 370-400 °С путём нагрева перед ковкой не более чем до 320 °С позволит регламентировать развитие межзё-ренного механизма деформации и сохранить преобладание внутризёренного её механизма. Это, в свою очередь, ограничит локальное повышение КСИФ, а также рост микрохимической и энергетической неоднородности на поверхностях раздела матрицы твёрдого раствора и возникающих интерметаллидных фаз. В результате предпосылки к разрушению материала поковок будут устранены.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 4784-2019 Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки. М.: Стандартин-форм, 2019. 31 с.
2. Головкин П.А. Режимы горячей деформации и коррозионная стойкость сплавов систем А1-Мд и А1-Мд-Бс // Коррозия: материалы, защита. 2006. № 8. С. 13-17.
3. Головкин П.А. Влияние режимов горячей деформации на коррозионные свойства сплавов АМг3 и АМг6 // Коррозия: материалы, защита. 2005. № 7. С. 2-5.
4. 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.
5. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1979. 640 с.
6. Альтман М.Б., Лебедев А.А., Чухров М.В. Плавка и литьё лёгких сплавов. Изд. 2-е. М.: Металлургия, 1969. 680 с.
7. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справ. в 3-х т.: Т. 1 / Под общ. ред. Ляки-шева Н.П. М.: Машиностроение, 1996. 992 с.
8. Синявский В.С., Истомин В.В., Уланова В.В. Исследование термомеханической обработки сплавов
системы А!-Мд с целью повышения их коррозионной стойкости // Труды ВИАМ. Коррозионностойкие конструкционные сплавы. 1975. Вып. 7. С. 93-103.
9. ОСТ 92-1619-87. Заготовки штампованные из алюминиевых сплавов. Типовой технологический процесс горячей объемной штамповки. М.: ЦНИИТМаш, 1987. 44 с.
10. Головкин П.А. Управление деформированной структурой алюминиево-магниевых сплавов // Технология металлов. 2005. № 11. С. 10-16.
11. 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. 001: 10.36652/1813-1336-2021-17-5-207-214
12. Бокштейн Б.С., Капецкий Ч.В., Швиндлер-ман Л.С. Термодинамика и кинетика границ зёрен в металлах. М.: Металлургия, 1986. 224 с.
13. Стебунов С.А., Биба Н.В. ОРогт - программа, созданная для технологов // Кузнечно-штамповоч-ное производство. 2004. № 9. С. 38-43.
14. Мурзов А.И., Позднеев В.Г. Механизм и условия образования несплошностей при пластическом формоизменении алюминиевых сплавов // Труды ВИАМ. Алюминиевые сплавы и специальные сплавы. 1970. Вып. 5. С. 86-102.
15. Чапкова Ю.В. Оценка влияния размеров зон Гинье-Престона на упрочнение алюминиевого сплава // Известия ТГУ. Технические науки. 2004. № 11. С. 138-141.
16. Амбарцумян С.М., Кондратьева Н.Б. и др. Коррозионная стойкость свариваемых алюминиевых сплавов системы А1-Мд // Труды ВИАМ. Алюминиевые сплавы. Свариваемые сплавы. Вып. 6. М.: Металлургия, 1969. С. 27-36.
17. Головкин П.А. Повышение качества корпусов микросборок электронных СВЧ-приборов с использованием ковочных операций // Технология машиностроения. 2020. № 9. С. 5-7.
18. Головкин П.А. Феноменология качества материала поковок из сплавов группы АМг // Тезисы докл. меж-дунар. конф. «ХЬУ! Академические чтения по космонавтике (Королёвские чтения)». Секция 11 «Наукоёмкие технологии в ракетно-космической технике». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана (НИУ), 25-28.01.2022.
19. Головкин П.А. Повышение качества корпусов микросборок управлением структуры их материала // Тезисы докл. междунар. научн.-практ. конф. «Наука, инновации и технологии: от идей к внедрению». Секция 5 «Прогрессивные технологии и процессы в машиностроении». Комсомольск-на-Амуре: КнАГУ. 07-11. 01. 2022.
REFERENCES
1. GOST 4784-2019 Alyuminiy i splavy alyuminiyevyye deformiruyemyye. Marki. M.: Standartinform, 2019. 31 s.
2. Golovkin P.A. Rezhimy goryachey deformatsii i korro-zionnaya stoykost' splavov sistem Al-Mg i Al-Mg-Sc // Korroziya: materialy, zashchita. 2006. № 8. S. 13-17.
3. Golovkin P.A. Vliyaniye rezhimov goryachey defor-matsii na korrozionnyye svoystva splavov AMg3 i AMg6 // Korroziya: materialy, zashchita. 2005. № 7. S. 2-5.
4. Belyayev A.I., Bochvar O.S., Buynov N.N. i dr. Metall-ovedeniye alyuminiya i yego splavov: Sprav. / Pod red. Fridlyandera I.N. M.: Metallurgiya, 1983. 280 s.
5. Mondol'fo L.F. Struktura i svoystva alyuminiyevykh splavov / Per. s angl. M.: Metallurgiya, 1979. 640 s.
6. Al'tman M.B., Lebedev A.A., Chukhrov M.V. Plav-ka i lit'yo logkikh splavov. Izd. 2-ye. M.: Metallurgiya, 1969. 680 s.
7. Diagrammy sostoyaniya dvoynykh metallicheskikh sistem: Sprav. v 3-kh t.: T. 1 / Pod obshch. red. Lyaki-sheva N.P. M.: Mashinostroyeniye, 1996. 992 s.
8. Sinyavskiy V.S., Istomin V.V., Ulanova V.V. Issle-dovaniye termomekhanicheskoy obrabotki splavov sistemy Al-Mg s tsel'yu povysheniya ikh korrozion-noy stoykosti // Trudy ViaM. Korrozionnostoykiye konstruktsionnyye splavy. 1975. Vyp. 7. S. 93-103.
9. OST 92-1619-87. Zagotovki shtampovannyye iz alyu-miniyevykh splavov. Tipovoy tekhnologicheskiy protsess goryachey ob»yemnoy shtampovki. M.: TSNlITMash, 1987. 44 s.
10. Golovkin P.A. Upravleniye deformirovannoy struk-turoy alyuminiyevo-magniyevykh splavov // Tekh-nologiya metallov. 2005. № 11. S. 10-16.
11. Galkin V.I., Golovkin P.A. O vliyanii mekhanizmov deformatsii na strukturu i svoystva metallicheskogo materiala // Uprochnyayushchiye tekhnologii i pokryt-iya. 2021. № 5. S. 207-214. DOI: 10.36652/18131336-2021-17-5-207-214
12. Bokshteyn B.S., Kapetskiy Ch.V., Shvindlerman L.S.
Termodinamika i kinetika granits zoren v metallakh. M.: Metallurgiya, 1986. 224 s.
13. Stebunov S.A., Biba N.V. QForm - programma, soz-dannaya dlya tekhnologov // Kuznechno-shtampovo-chnoye proizvodstvo. 2004. № 9. S. 38-43.
14. Murzov A.I., Pozdneyev V.G. Mekhanizm i usloviya obrazovaniya nesploshnostey pri plasticheskom for-moizmenenii alyuminiyevykh splavov // Trudy VIAM. Alyuminiyevyye splavy i spetsial'nyye splavy. 1970. Vyp. 5. S. 86-102.
15. Chapkova Yu.V. Otsenka vliyaniya razmerov zon Gin'ye-Prestona na uprochneniye alyuminiyevogo splava // Izvestiya TGU. Tekhnicheskiye nauki. 2004. № 11. S. 138-141.
16. Ambartsumyan S.M., Kondrat'yeva N.B. i dr. Kor-rozionnaya stoykost' svarivayemykh alyuminiyevykh splavov sistemy Al-Mg // Trudy VIAM. Alyuminiyevyye splavy. Svarivayemyye splavy. Vyp. 6. M.: Metallurgiya, 1969. S. 27-36.
17. Golovkin P.A. Povysheniye kachestva korpusov mi-krosborok elektronnykh SVCH-priborov s ispol'zo-vaniyem kovochnykh operatsiy // Tekhnologiya mashi-nostroyeniya. 2020. № 9. S. 5-7.
18. 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.: MGTU im. N.E. Baumana (NIU), 2528.01.2022.
19. Golovkin P.A. Povysheniye kachestva korpusov mikrosborok upravleniyem struktury ikh materiala // Tezisy dokl. mezhdunar. nauchn.-prakt. konf. «Nau-ka, innovatsii i tekhnologii: ot idey k vnedreniyu». Sektsiya 5 «Progressivnyye tekhnologii i protsessy v mashinostroyenii». Komsomol'sk-na-Amure: KnAGU. 07-11. 01. 2022.
