CC BY
27
УДК 669.04:669.715
DOI: 10.24412/0321-4664-2022-4-36-43
ОСОБЕННОСТИ ЗАКАЛКИ ПЛАКИРОВАННЫХ ЛЕНТ ИЗ СПЛАВА Д16 НА ЛИНИИ НЕПРЕРЫВНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОАО «КУМЗ»
Александр Викторович Разинкин, канд. техн. наук, Вадим Викторович Соколов, Александр Евгеньевич Жигалов, Татьяна Викторовна Мальцева, канд. техн. наук
ОАО «КУМЗ», Каменск-Уральский, Свердловская область, Россия, for_mtv01@mail.ru
Аннотация. В 2017 г. в новом прокатном комплексе ОАО «КУМЗ» была построена линия непрерывной термической обработки (НТО). Основные параметры закалки ленты на линии НТО - температура воздуха в секциях печи, продолжительность выдержки, скорость движения линии, давление подачи воды и усилие натяжения ленты в печи. Выбор параметров зависит от сплава, толщины и ширины ленты. Особенно важное значение имеет выбор скорости перемещения ленты в печи и закалочном устройстве. От нее зависят свойства ленты, ее плоскостность и производительность линии. Поэтому оптимальные продолжительности выдержки могут отличаться от требований нормативной документации. Целью статьи является определение особенностей закалки плакированных лент из сплава Д16ч в производственных условиях на линии НТО ОАО «КУМЗ».
Ключевые слова: сплав Д16ч, плакированная лента, селитровая ванна, линия непрерывной термической обработки, механические свойства, коррозия
Features of Hardening of Cladded Bands Made from D16 Allow on the Continuous Heat Treatment Line at OAO KUMZ. Cand. of Sci. (Eng.) Aleksandr V. Razinkin, Vadim V. Sokolov, Aleksandr Ye. Zhigalov, Cand. of Sci. (Eng.) Tatyana V. Maltseva
JSC «KUMZ», Kamensk-Uralsky, Sverdlovsk region, Russia, for_mtv01@mail.ru
Abstract. In 2017, a continuous heat treatment line (CHTL) was built in the new rolling complex at OJSC KUMZ. The main parameters of the band hardening on the CHTL are as follows: air temperature in the furnace sections, holding time, line speed, water supply pressure and band tension in the furnace. The choice of parameters depends on the alloy composition, thickness and width of the band. Of particular importance is the choice of the band speed in the furnace and hardening device. Properties of the band, its flatness and capacity of the line depend on this speed. Therefore, the optimal holding time may differ from the requirements of regulatory documentation. The purpose of the article is to determine the features of hardening of clad bands made of D16ch alloy under production conditions on the CHTL at KUMZ OJSC.
Key words: D16ch alloy, cladded band, saltpeter bath, continuous heat treatment line, mechanical properties, corrosion
Введение
В XXI веке широкое применение для термической обработки лент из алюминиевых сплавов находят линии непрерывной термооб-
работки (НТО). В составе линий многосекционная печь с системой струйного нагрева и бездефектной транспортировкой ленты во взвешенном состоянии, камера струйного водяного
или водовоздушного закалочного охлаждения, изгибо-растяжная машина и другие устройства, обеспечивающие непрерывность движения ленты. Преимущества линии по сравнению с листовой закалкой из селитровой ванны: высокая производительность, проведение в одном потоке закалки и правки ленты, улучшенные санитарно-гигиенические условия работы, повышение качества поверхности ленты [1].
В новом прокатном комплексе ОАО «КУМЗ» в 2017 г. была построена линия НТО, поставленная австрийской компанией Эбнер. Основная технологическая часть линии включает в себя воздушно-циркуляционную печь длиной 42 м, состоящую из 7 секций. В печи смонтирована система бездефектной транспортировки ленты на воздушной подушке, которая одновременно осуществляет равномерный по ширине струйный нагрев ленты. К печи примыкает камера водяного струйного охлаждения, в которой смонтированы 7 пар коллекторов с верхними и нижними соплами. На выходе из печи установлена воздушная тепловая завеса. За камерой водяного охлаждения расположены 6 секций воздушного охлаждения (для непрерывного отжига). Технологическая часть заканчивается изгибно-растяжной машиной, предназначенной для непрерывной правки ленты. Во входной части линии имеются разматыватель, лентостыковочная машина, моечная машина, центрирующие устройства и входной горизонтальный аккумулятор ленты. Выходная часть ленты также содержит горизонтальный аккумулятор, центрирующие устройства и моталку.
Основные параметры закалки ленты на линии НТО - температура воздуха в секциях печи, продолжительность выдержки, скорость движения линии, давление подачи воды и усилие натяжения ленты в печи [1, 2]. Выбор па-
раметров зависит от сплава, толщины и ширины ленты. Система автоматического управления линии содержит математическую модель расчета продолжительности нагрева ленты с учетом создания давления воздуха на ленту для обеспечения ее взвешенного состояния. В процессе наладки и освоения линии были определены эти параметры для лент различных сплавов и размеров. Особенно важное значение имеет выбор скорости перемещения ленты в печи и закалочном устройстве. От нее зависят свойства ленты, ее плоскостность и производительность линии. Поэтому оптимальные продолжительности выдержки могут отличаться от требований нормативной документации (НД). Приведенные в НД величины выдержки при закалке не меняются уже более 60 лет и не учитывают прогресс в технологии производства алюминиевого проката, а также развитие термических устройств [1, 2].
Материал и методика
Исследовали плакированные ленты алюминиевого сплава Д16ч с технологической плакировкой «А» по ГОСТ 21631 толщиной 1,0; 1,5; 3,5 мм, изготовленные в производственных условиях нового прокатного комплекса ОАО «КУМЗ». Химический состав исследуемых листов приведен в табл. 1.
С учетом имеющегося опыта в области разработки алюминиевых деформируемых сплавов системы А1-Си-Мд и технологии изготовления полуфабрикатов из них, а также с учетом больших габаритов слитка [3-6] для снятия внутренних литейных напряжений проводили предварительный отжиг слитков при 400-420 °С в течение 4 ч и гомогенизацию при 450-470 °С с выдержкой 26 ч [7].
Таблица 1 Химический состав (% мас.) листов из сплава Д16чАТ (А1 - основа)
Толщина листа, мм Б1 Fe Си Мп Мд Zn Т1
1,0 0,07 0,17 4,60 0,60 1,60 0,03 0,06
1,5 0,05 0,21 4,70 0,60 1,60 0,02 0,06
3,5 0,05 0,21 4,70 0,60 1,60 0,02 0,06
ОСТ 1 90048-90 <0,2 <0,3 3,8-4,9 0,3-0,9 1,2-1,8 <0,1 <0,1
Крупногабаритные плоские слитки прокатывали на оборудовании нового прокатного комплекса ОАО «КУМЗ» для получения лент из сплава Д16ч шириной до 2000 мм, толщиной 1,0; 1,5 и 3,5 мм.
Предварительно, перед горячей прокаткой, в соответствии с состоянием поставки для защиты будущих листов от воздействия агрессивной коррозионной среды на обе широкие грани плоского слитка приваривали планшеты из сплава марки АЦпл для плакировки.
Горячую прокатку слитков проводили на че-тырехвалковом реверсивном стане Danieli 4600 со смоткой в рулоны.
Холодную прокатку рулонов осуществляли на шестивалковом нереверсивном стане Danieli 3000, при этом между проходами проводили промежуточный отжиг в соответствии с ПИ 1.2.6992007 для повышения пластичности, необходимой при дальнейшей деформации.
После холодной прокатки широких рулонов на конечную для достижения необходимого комплекса свойств толщину, проводили закалку лент из сплава Д16ч на линии НТО КУМЗа (рис. 1).
Непрерывную правку движущейся ленты осуществляли комбинированным способом на правильно-растяжной машине - правка знакопеременным изгибом и правка растяжением. Степень остаточной деформации составила 1 %. После правки проводили резку рулона на листы на линии резки.
Рис. 1. Линия непрерывной термической обработки и внешний вид рулона
Широкие плакированные листы из сплава Д16ч толщиной 1,0; 1,5 и 3,5 мм исследовали после термической обработки на твердый раствор и естественного старения в течение 96 ч.
Для проведения качественного металлографического анализа и оценки микроструктуры листов по МР 21-31-85 были отобраны образцы, вырезанные в продольном (L) и поперечном (LT) направлениях от начала и конца рулона. Микрошлифы травили в реактиве Келлера в течение 30 с.
Коррозионную стойкость листов оценивали по склонности к двум видам коррозии [8] - расслаивающей (РСК) и межкристаллит-ной (МКК). Испытания на РСК проводили по ГОСТ 9.904-8, на МКК - по ГОСТ 9.021-74.
Механические свойства листов при растяжении исследовали на образцах, вырезанных из центральных и периферийных зон по длине и ширине листов, в продольном и поперечном направлениях. Механические испытания при растяжении плоских образцов проводили на испытательной машине Zwick Roell Z100 TEM при комнатной температуре в соответствии с ГОСТ 1497-84 (для листов толщиной 3,5 мм) и ГОСТ 11701-84 (для листов толщиной 1,0 и 1,5 мм).
Результаты работы
Селитровая ванна. Серийный режим термической обработки листов из сплава Д16, Д16ч заключается в нагреве под закалку в селитровой ванне в интервале 490-498 °С, температура начала отсчета длительности выдержки 485 °С, длительность выдержки от 5 до 10 мин. Эта технология используется на КУМЗе уже несколько десятилетий, поэтому результаты испытания и сдачи продукции после нее могут выступать в качестве эталона оценки.
Микроструктура листов из сплава Д16ч, изготовленных по серийной технологии, приведена на рис. 2. Величина зерна в основном металле составляет в среднем 20 мкм.
Рис. 2. Микроструктура листов из сплава Д16ч толщиной 1,0 мм, изготовленных по серийной технологии:
а - продольное направление; б - поперечное направление в поляризованном свете
Механические свойства в поперечном направлении листа из сплава Д16ч толщиной 1,0 мм после термической обработки на твердый раствор соответствуют ГОСТ 21631.
Контроль качества плакировки на наличие диффузии меди в плакирующий слой и контроль наличия местного нарушения плакирующего слоя проводили согласно требованиям ОСТ 1 90047-72 «Определение толщины и качества плакировки на полуфабрикатах из алюминиевых сплавов». Стандарт устанавливает метод определения качества плакировки и два вида диффузии меди в плакирующий слой: сквозная диффузия меди, распространяемая на всю толщину плакирующего слоя, и несквозная диффузия меди, затрагивающая часть толщины плакирующего слоя. Сквозная диффузия является недопустимой, так как резко снижает антикоррозионные свойства полуфабрикатов.
Толщина плакирующего слоя составляет 5,5 % у листов толщиной 1,0 мм, что соответствует требованиям ОСТ 1 90070-92 - минимальная толщина плакирующего слоя должна составлять от 0,040 до 0,065 мм (требование 4,0-6,5 %). Данные металлографического анализа по определению величины и качества плакирующего слоя листа толщиной 1,0 мм из сплава Д16ч приведены на рис. 3.
Зона диффузии меди в плакирующем слое выявляется при протравливании в этой зоне границ кристаллов. На рис. 3 зону диффузии видно по «усикам», идущим в плакирующий слой. Эти «усики» заканчиваются, не дойдя до наружной поверхности плакирующего слоя.
Линия НТО. Для отработки технологии термической обработки на твердый раствор на линии НТО (в рулоне) с последующим естественным старением плакированных листов, нарезанных из ленты из сплава Д16ч шириной до 2000 мм в диапазоне толщин от 0,5 до 1,2 мм, от 1,3 до 3,0 мм и от 3,1 до 5,0 мм, были выбраны для каждого диапазона толщин следующие режимы закалки (табл. 2).
Нагрев в печи характеризуется высокой однородностью распределения температур (по испытаниям TUS ± 2 град.), а погрешность измерения, благодаря применяемым термопарам, значительно уменьшилась в сравнении с существующей технологией закалки в селитровых ваннах [8]. Это позволило повысить температуру нагрева ленты в НТО при
Рис. 3. Микроструктура поверхностного слоя листа толщиной 1,0 мм из сплава Д16ч после обработки по серийной технологии
Таблица 2 Режимы закалки плакированных листов из сплава Д16ч на линии НТО
Толщина листа, мм Скорость движения полосы, м/мин Длительность выдержки, с Давление воды на рабочих валках, бар Степень остаточной деформации, %
факт НД
1,0 5,4 360 600 1,5 1,0
1,5 3,3 600 600 1,5 1,0
3,5 4,2 600 1500 3 1,0
обработке на твердый раствор и температуру начала выдержки, тем самым уменьшить продолжительность выдержки по сравнению с нормативными значениями. Время нагрева в печи НТО определяется по математической модели достаточно точно [1, 2]. Длительность выдержки регламентируется скоростью движения ленты, от которой зависят не только свойства, но в итоге и качество поверхности.
Для всех выбранных режимов температура задания печи составляла 497 °С, а температура начала отсчета выдержки 493 °С.
Для оценки влияния выбранных режимов на структуру, механические и коррозионные свойства и плоскостность листов из сплава Д16чАТ производства ОАО «КУМЗ» проведены соответствующие испытания.
Анализ макроструктуры (рис. 4) листов из сплава Д16чАТ всех толщин показал, что структура однородная, мелкозернистая, не
Рис. 4. Типичная макроструктура ленты из сплава Д16чАТ, обработанной на линии НТО
имеет трещин, расслоений и других дефектов металлургического происхождения.
Микроструктурный анализ (рис. 5) листов из сплава Д16чАТ показал, что структура однородная по длине рулона, при этом в продольном и поперечном сечениях в поверхностных зонах структура листов всех толщин более мелкозернистая по сравнению с центральными слоями. Для листов всех толщин по всему сечению наблюдаются железосодержащие интерметаллиды разной дисперсности, характерные для сплава Д16ч. Границы зерен тонкие, без признаков пережога.
Количественный металлографический анализ структуры листов из сплава Д16чАТ проводили по ГОСТ 21073-75.
Определение среднего размера зерна выполняли в ОАО «КУМЗ» и НИЦ «Курчатовский институт» - ВИАМ на металлографическом комплексе фирмы Leica при увеличении 200 методом секущих. Подготовку изображений к количественному анализу и их математическую обработку выполняли при помощи компьютерной программы Image Expert Pro 3x.
Результаты определения величины зерна в образцах листов из сплава Д16ч представлены в табл. 3.
Таблица 3
Величина зерна в образцах листов из сплава Д16ч
Толщина Зона вырезки Средний
листа, мм диаметр, мкм
После обработки на линии НТО
1,0 Начало рулона 35,0
Конец рулона 38,0
1,5 Начало рулона 34,0
Конец рулона 37,0
3,5 Начало рулона 26,0
Конец рулона 30,0
После серийной обработки (закалка в селитровых ваннах)
1,0 20,0
ОСТ 1 90070-92 <100
Рис. 5. Микроструктура лент толщиной 1,0; 1,5 и 3,5 мм из сплава Д16чАТ, обработанных на линии НТО (продольное направление):
а, б - начало и конец рулона соответственно
Количественный металлографический ана- размер зерна меньше 100 мкм, это соответству-лиз структуры листов из сплава Д16ч, получен- ет требованиям ОСТ 1 90070-92. Разница в разных как по серийной технологии, так и после мере зерна определяется, в том числе, преды-обработки на линии НТО, показал, что средний дущей историей деформации, поэтому в дан-
ном случае оценкой служит только соответствие требованиям НД, в частности ОСТ 1 90070-92.
Механические свойства листов из сплава Д16ч толщиной 1,0; 1,5; 3,5 мм представлены в табл. 4.
Из табл. 4 видно, что листы из сплава Д16чАТ всех указанных толщин по уровню механических свойств удовлетворяют требованиям НД.
Средняя толщина плакирующего слоя соответствует требованиям ОСТ 1 90070-92 и составляет от 58 мкм для листов толщиной 1,0 мм до 133 мкм для листов толщиной 3,5 мм. Диффузии меди в плакирующий слой нет.
Проведенные испытания на РСК образцов листов из сплава Д16ч толщиной от 1,0 до 3,5 мм показали следующие результаты: после обработки по серийной технологии - 5 %, после обработки на линии НТО - 4 %.
Результаты испытаний на склонность к МКК образцов листов из сплава Д16ч приведены в табл. 5.
Результаты коррозионных испытаний показывают, что глубина МКК не превышает установленной нормы [9-11].
Характерная микроструктура образцов (толщина листа 1,0 мм) как после обработки по серийной технологии, так и на линии НТО, после испытаний на МКК приведена на рис. 6.
Таблица 5 Результаты испытания листов из сплава Д16ч на межкристаллитную коррозию
Толщина листа, мм/ зона вырезки Характер коррозии Глубина проникновения МКК, мм (тах) Распространение коррозии по краю шлифа, %
После серийной обработки (закалка в селитровых ваннах)
1,0 Питтинг и МКК 0,113 90
После обработки на линии НТО
1,0 / начало рулона 0,200 72
1,0 / конец рулона 0,230 75
1,5 / начало рулона Питтинг 0,210 60
1,5 / конец рулона и МКК 0,235 60
3,5 / начало рулона 0,245 60
3,5 / конец рулона 0,143 30
Таблица 4 Механические свойства листов из сплава Д16чАТ в поперечном направлении
Толщина листа, мм ав, МПа а0,2, МПа 85, %
После серийной обработки (закалка в селитровых ваннах)
1.0 420 300 16,5
После обработки на линии НТО
1.0 410 300 16,5
1.5 410 300 17,0
3.5 440 300 16,0
ОСТ 1 90070-92
0,5-1,2 1,3-3,0 > 405 > 270 > 13,0
3,1-5,0 > 425 > 275 > 11,0
100 мкм
Рис. 6. Характерная микроструктура образцов листа из сплава Д16ч после испытаний на МКК
Таким образом, анализ результатов испытаний листов из сплава Д16чАТ толщиной от 1,0 до 3,5 мм, проведенных ОАО «КУМЗ», показал, что после обработки на линии НТО все исследуемые партии отвечают требованиям нормативной документации по структуре и механическим свойствам.
Выводы
В результате проделанной работы в производственных условиях ОАО «КУМЗ» можно отметить следующее:
1. Повышена температура нагрева под закалку до 497 °С.
2. Повышена температура начала выдержки до 493 °С.
3. Уменьшена продолжительность выдержки при термической обработке на твердый раствор.
4. После закалки на линии НТО и естественного старения по режиму Т ленты шириной 2000 мм и более из сплава Д16ч удовлетворяют всем предъявляемым требованиям ОСТ 1 90070-92.
5. Выход годного с линии НТО на 10-12 % выше при прочих равных условиях производ-
ства (запуск аналогичной продукции из одинакового слитка), чем при серийно используемой технологии производства - через селитровые ванны.
Таким образом, преимущества и возможности при закалке на линии НТО делают ее конкурентоспособной по сравнению с традиционной обработкой широких листов, позволяют получить более высокое качество поверхности, чем при существующей серийной технологии, равномерную структуру и необходимый уровень свойств, одинаковый по ширине и длине листов, соответствующий требованиям отраслевых стандартов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Цукров С.Л. Развитие линий непрерывной термической обработки лент из алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 2018. № 4. С. 85-91.
2. Цукров С.Л. Развитие технологии закалки полуфабрикатов из алюминиевых сплавов / В кн.: Перспективные технологии легких и специальных сплавов. М.: Физматлит, 2006. С. 323-338.
3. Каблов Е.Н. Материалы нового поколения и цифровые технологии их переработки // Вестник Российской академии наук. 2020. Т. 90. № 4. С. 331-334. DOI: 10.31857/S0869587320040052.
4. Фридляндер И.Н. Алюминиевые сплавы в летательных аппаратах в период 1970-2015 гг. // Технология легких сплавов. 2002. № 4. С. 12-17.
5. Фридляндер И.Н. Алюминиевые деформируемые конструкционные сплавы. М.: Металлургия, 1979. 208 с.
6. Белецкий В.М., Кривов Г.А. Алюминиевые сплавы (состав, свойства, технология, применение):
справ. / Под общ. ред. И.Н. Фридляндера. Киев: Коминтех, 2005. С. 99-100.
7. ТР 50-31-70. Гомогенизация слитков алюминиевых сплавов. М.: ВИЛС, 1970. 24 с.
8. Цукров С.Л., Исякаев К.Т. О результатах закалки листов из сплава 1163 на линии непрерывной тер-мообработки//Технология легких сплавов. 2020. № 1. С. 35-38.
9. Колобнев Н.И., Бер Л.Б., Цукров С.Л. Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов / Под научн. ред. Каблова Е.Н. М.: НП «АПРАЛ», 2020. 552 с.
10. Хохлатова Л.Б., Колобнев Н.И., Антипов В.В., Каримова С.А., Рудаков А.Г., Оглодков М.С. Влияние коррозионной среды на скорость роста трещины усталости в алюминиевых сплавах // Авиационные материалы и технологии. 2011. № 1. С. 16-20.
11. Каримова С.А. Коррозия - главный враг авиации // Наука и жизнь. 2007. № 6. С. 34.
REFERENCES
1. Tsukrov S.L. Razvitiye liniy nepreryvnoy termiches-koy obrabotki lent iz alyuminiyevykh splavov // Tekh-nologiya lyogkikh splavov. 2018. № 4. S. 85-91.
2. Tsukrov S.L. Razvitiye tekhnologii zakalki polufab-rikatov iz alyuminiyevykh splavov / V kn.: Perspe-ktivnyye tekhnologii legkikh i spetsial'nykh splavov. M.: Fizmatlit, 2006. S. 323-338.
3. Kablov Ye.N. Materialy novogo pokoleniya i tsi-frovyye tekhnologii ikh pererabotki // Vestnik Rossiy-skoy akademii nauk. 2020. T. 90. № 4. S. 331-334. DOI: 10.31857/S0869587320040052.
4. Fridlyander I.N. Alyuminiyevyye splavy v letatel'nykh apparatakh v period 1970-2015 gg. // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2002. № 4. S. 12-17.
5. Fridlyander I.N. Alyuminiyevyye deformiruyemyye konstruktsionnyye splavy. M.: Metallurgiya, 1979. 208 s.
6. Beletskiy V.M., Krivov G.A. Alyuminiyevyye splavy (sostav, svoystva, tekhnologiya, primeneniye): sprav.
/ Pod obshch. red. I.N. Fridlyandera. Kiyev: Komin-tekh, 2005. S. 99-100.
7. TR 50-31-70. Gomogenizatsiya slitkov alyuminiyevykh splavov. M.: VILS, 1970. 24 s.
8. Tsukrov S.L., Isyakayev K.T. O rezul'tatakh zakalki listov iz splava 1163 na linii nepreryvnoy termoob-rabotki//Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2020. № 1. S. 35-38.
9. Kolobnev N.I., Ber L.B., Tsukrov S.L. Termiches-kaya obrabotka deformiruyemykh alyuminiyevykh splavov / Pod nauchn. red. Kablova Ye.N.M.: NP «APRAL», 2020. 552 s.
10. Khokhlatova L.B., Kolobnev N.I., Antipov V.V., Karimova S.A., Rudakov A.G., Oglodkov M.S. Vliyaniye korrozionnoy sredy na skorost' rosta tresh-chiny ustalosti v alyuminiyevykh splavakh // Aviatsi-onnyye materialy i tekhnologii. 2011. № 1. S. 16-20.
11. Karimova S.A. Korroziya - glavnyy vrag aviatsii // Nauka i zhizn'. 2007. № 6. S. 34.
