CC BY
95
УДК [621.74+621.777] :669.716
ПРИМЕНЕНИЕ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ И ПРОКАТКИ-ПРЕССОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ AL-P3M И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ СВОЙСТВ
Сидельников A.C., Сидельников С.Б., Беляев C.B., Лопатина Е.С., Ворошилов Д.С.
ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск, Россия
В последнее время все большее применение находят совмещенные процессы литья и обработки металлов давлением. Одним из наиболее перспективных из них является процесс непрерывного литья и прокатки-прессования. Разработки этого научного направления ведутся учеными института цветных металлов и материаловедения Сибирского федерального университета уже несколько лет [1]. Однако сложность экспериментальной реализации процесса заливки металла во вращающиеся валки, влияние многих факторов на процессы кристаллизации и деформации металла не дают возможности определить параметры оборудования для реализации данной технологии в промышленных условиях.
Анализ научно-технической литературы [2-4] показал, что присутствие редкоземельных металлов (РЗМ) в алюминиевых сплавах ведет к следующим преимуществам: улучшается жаропрочность и термостойкость, увеличивается устойчивость к коррозии, повышается вязкость сплава и механические свойства. Таким образом, содержание РЗМ в сплавах алюминия в значительной мере влияет на механические и электрофизические характеристики металла, что обуславливает актуальность их исследований. Материалами для исследований послужили алюминиевые сплавы с различным содержанием РЗМ (от 0,5 до 7 %). В качестве методов исследований для получения изделий применялись методы совмещенного литья и прокатки-прессования (далее СЛИПП), а для определения их свойств - металлографические методы и статический метод испытания на растяжение.
Целью работы являлось изучение процесса непрерывного литья с использованием двухвалкового кристаллизатора и последующей деформацией металла в валках и матрице для получения изделий из сплавов системы А1-РЗМ и изучения их свойств при изменении химического состава сплавов и различных способах горячей и холодной обработки.
В соответствии с техническим решением [5] (патент РФ № 128529) процесс СЛИПП осуществляется следующим образом (рис. 1). Металл из печи-миксера заливается в закрытый калибр валков, образованный валком с выступом и валком с ручьем. Далее металл кристаллизуется в валках и выдавливается в виде пресс-изделия через матрицу, предварительно получив деформацию обжатия в минимальном зазоре валков.
Рис. 1. Схема процесса кристаллизации-деформации металла в валках
5
На первом этапе исследований анализировали структуру полуфабриката из сплава алюминия, полученного в момент остановки валков, перекрытых на выходе матрицей. Выявлено, что очаг кристаллизации-деформации состоит из следующих зон: 1 - кристаллизации; 2 - захвата металла валками; 3 - максимального обжатия при прокатке; 4 - зоны распрессов-ки; 5 - выдавливания; 6 - сформировавшегося прутка. Указанные зоны отчетливо выявились при макротравлении и видны на снимке макроструктуры (рис. 2).
Рис. 2. Макроструктура полуфабриката, полученного литьем в двухвалковый кристаллизатор, перекрытый матрицей: 1 - зона кристаллизации; 2 и 3 - зоны прокатки; 4 - зона распрессовки;
5 - зона выдавливания; 6 - зона сформировавшегося прутка
Структурные изменения, происходящие в получаемой заготовке на всех этапах непрерывного процесса литья и деформирования мелкокристаллического литого металла, полученного при кристаллизации в валковом узле, определяются сочетанием деформационных и предрекристаллизационных явлений, развивающихся одновременно и последовательно при горячей деформации. В зоне 1 видно литое строение металла с пористой структурой затвердевшего металла. В наиболее высокотемпературной зоне образца (зона 2) (непосредственно после окончания кристаллизации) деформация на относительно небольшие степени может вызывать динамическую рекристаллизацию, способствующую исключению деформационного упрочнения в зоне захвата и благоприятным условиям течения металла в зоне максимального обжатия при прокатке. Результатом такой горячей деформации является волокнистое строение металла, получаемого на выходе из зоны максимального обжатия (зона 3).
Волокнистое строение в этой зоне еще не является признаком деформированного не-рекристаллизованного металла. Температурные условия прокатки в зоне максимального обжатия не позволяют сохранить полностью нерекристаллизованную структуру. Это явление общеизвестно: металл на выходе из прокатных валков в большинстве случаев имеет деформированную, частично рекристаллизованную структуру. Причем, динамическая рекристаллизация развивается непосредственно при деформации, в связи с чем, отдельные рекристал-лизованные зерна могут приобретать волокнистое строение и повышенную плотность дислокаций при продолжении деформации заготовки. Волокнистое строение заготовки, наблюдаемое в зоне распрессовки (зона 4), может быть объяснено именно этими явлениями.
Особые условия деформирования, соответствующие зоне выдавливания (зона 5), отвечают объемно-напряженному состоянию, свойственному процессам прессования. При таких
процессах в большинстве случаев сочетанием деформационных, рекристаллизационных и предрекристаллизационных явлений обеспечивается развитие процессов динамической по-лигонизации, результатом которой становится деформированная устойчивая субзеренная структура материала, предотвращающая развитие рекристаллизации в готовом прутке после окончания деформации и при последующем быстром нагреве до достаточно высоких температур. Конечная структура прутка (зона 6) соответствует волокнистому субзеренному строе-
Исследования по реализации процесса непрерывного литья и прокатки-прессования проводились на экспериментальной установке совмещенной обработки, смонтированной на базе прокатного стана ДУО 200, включающего: электродвигатель переменного тока, коробку передач, двухступенчатый редуктор, шестеренную и прокатную клети (последняя для удобства загрузки заготовки в калибр была повернута на угол 90° и установлена на опору) [1]. После получения прутков диаметром 9 мм методом СЛИПП (см. рис. 1) осуществляли холодное волочение прутка до диаметра 2 мм на цепном волочильном стане однократного действия.
Оценку механических свойств экспериментальных сплавов системы А1-РЗМ проводили на испытательной машине Walter + Bai AG LFM400 («Walter + Bai AG», Швейцария) методом статических испытаний на растяжение.
Микроструктура образцов прутков и проволоки из сплава А1 + 7,0 % РЗМ показана на рис. 3.
Рис. 3. Микроструктура деформированных полуфабрикатов из сплава А1 + 7,0 % РЗМ: а - пруток диаметром 9 мм, полученный методом СЛИПП при Т= 780 °С, скорости деформации ^ = 1,49 с"1 и вытяжке Ц = 6,8; б - проволока диаметром 2 мм, полученная из этого прутка
Результаты экспериментальных исследований энергосиловых затрат при реализации процесса СЛИПП, а именно - усилий, действующих на валки Рвал, и матрицу Рматр, для различных параметров литья (Г - температура заливки металла в валки) и деформации (вытяжка // и скорость деформации %) приведены в табл. 1.
Как видно из экспериментальных данных (см. табл. 1), силы на валках и матрице с ростом коэффициента вытяжки // увеличиваются, а с увеличением температуры расплава и скорости деформации - снижаются
Таблица 1
Энергосиловые параметры процесса СЛИПП для сплава А1 + 7,0 % РЗМ
Параметры Т= 750 °С Т= 780 °С
Скорость деформации Усилие, кН Вытяжка, ¡и
6,8 8 15,7 6,8 8 15,7
0,74 р 1 вал, 372,5 384,3 397,28 339,85 368,84 371,37
Рматр, 387,07 445,84 559,36 358,9 402,15 493,17
1,49 Рвал, 350,21 376,79 382,54 311,87 346,59 350,15
Р х матр, 377,6 425,65 539,11 339,51 368,36 469,46
Результаты исследований механических свойств для сплавов с различным содержанием РЗМ приведены на рис. 4. При степени деформации 0 % (условно) показаны значения исследуемых характеристик для прутков, являющихся заготовками для волочения.
После холодной деформации и получения проволоки диаметром 2 мм значения временного сопротивления разрыву для низколегированных сплавов (0,5-3,5 % РЗМ) достигают 180-210 МПа, а для высоколегированных сплавов (7 % РЗМ) - 275 МПа.
500 • 275 ■ 250 ■ 225 • 200 ! Г5 ■ 150 125 ■, 100 ■ 0
-♦~А1-0,5 »4 РЗМ —А1-1.0 °о РЗМ -*-А1-2,5 "о РЗМ -А1-3,5 "о РЗМ —»—А]-7,0 % РЗМ
а б
Рис. 4. Трафики зависимости временного сопротивления разрыву (я) и относительного удлинения (б) от степени деформации для сплавов А1-РЗМ
Пластические характеристики металла падают с ростом степени деформации. При этом значения относительного удлинения составляют 20-29 % для низколегированных сплавов и 9-10 % - для высоколегированных. При достижении степени деформации 8 = 90 % из-за упрочнения в результате холодной деформации значения 5 выравниваются для всех сплавов и составляют 1-5 %. Кроме того, замерялось электросопротивление полученных полуфабрикатов с помощью милливольтметра «Виток» в соответствии с ГОСТ 7229-76. Результаты измерений представлены в табл. 2.
и 13.
40 60 30
Степеш.^ефор-ищгае. %
40 60 80
Степень деформации!, %
Таблица 2
Значения электросопротивления (р, Ом-мм /м при 20 °С) для деформированных полуфабрикатов из сплавов системы А1-РЗМ
Вид Алюминиевый сплав с содержанием РЗМ, %
0,5 1,0 2,5 3,5 7,0
Пруток (заготовка) 0 9 мм 0,02791 0,02803 0,02813 0,02902 0,03125
Проволока 0 2 мм 0,02858 0,02958 0,03064 0,03118 0,03311
Анализ приведенных данных показал, что с увеличением содержания РЗМ и степени деформации, электросопротивление металла растет. Так, значения этого параметра для высоколегированных сплавов системы А1-РЗМ (7 % РЗМ) находятся в пределах 0,031252 2 0,03311 Оммм /м, а для низколегированных сплавов - в пределах 0,02791-0,03118 Оммм /м.
С увеличением степени деформации до значений 95-98 % электросопротивление увеличивается не так интенсивно, в среднем оно возрастает в 1,02-1,05 раза. Поэтому для снижения этого показателя, если нет особых требований к прочностным характеристикам, рекомендуется провести термообработку (отжиг).
Проведенные исследования позволили получить следующие результаты:
- экспериментально определить температурные и скоростные режимы заливки металла в валки и его обработки с помощью операций прокатки и прессования;
- оценить уровень механических и электрофизических свойств новых алюминиевых сплавов системы AI-РЗМ;
- определить энергосиловые параметры процесса СЛИЛИ и рекомендовать их для проектирования нового оборудования.
При этом установлены закономерности изменения прочностных и пластических свойств металла в зависимости от химического состава этих сплавов и степени деформации. Полученные данные позволяют прогнозировать свойства новых алюминиевых сплавов с редкоземельными металлами с учетом полученных закономерностей их изменения, а также использовать их для расчета энергосиловых параметров при проектировании нового оборудования.
В настоящее время результаты исследований используются при промышленном внедрении технологии совмещенной обработки для получения катанки на Иркутском алюминиевом заводе.
Список литературы
1. Сидельников С.Б., Довженко H.H., Загиров H.H. Комбинированные и совмещенные методы обработки цветных металлов и сплавов. М.: МАКС Пресс, 2005. 344 с.
2. Сплавы редкоземельных металлов / В.М. Савицкий, В.Ф. Терехова, И.В. Буров и др. Издательство АН СССР, 1962.
3. Горбунов Ю.А. Основные характеристики и перспективы развития сплавов алюминия с высокой дисперсностью фаз легирующих элементов // Цветные металлы-2013: сб. науч. статей. Красноярск: Версо, 2013. С. 585-590.
4. Исследование структуры металла и оценка свойств опытных образцов из сплава системы А1-РЗМ, полученных совмещенными методами литья и обработки давлением / С.Б. Сидельников, H.H. Довженко, Д.С. Ворошилов, Л.П. Трифоненков, Е.С. Лопатина, В.Н. Баранов, Р.И. Галиев // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2011. № 2 (34). С. 23-28.
5. Патент РФ 128529. Установка для непрерывного литья, прокатки и прессования цветных металлов и сплавов. Опубл. 27.05.2013. Бюл. № 15.
References
1. Sidelnikov S.B., Dovzhenko N.N., Zagirov N.N. Combined methods of treatments of non-ferrous metals and alloys: a monograph. M.: MAKS Press, 2005. 344 p.
2. Alloys of rare-earth metals / V.M. Savitskiy, V.F. Terekhova, I.V. Burov and others. Publishing house AN USSR, 1962.
3. Gorbunov Y.A. The main characteristics and prospects of development of aluminum alloys with high dispersion phase of alloying elements. Non-ferrous metals-2013: Scientific articles collection. Krasnoyarsk: Verso, 2013. Pp. 585-590.
4. Study of the metal structure and evaluation properties of test samples from alloy system A1 - REM, obtained using methods of casting and metal forming / S B. Sidelnikov, N.N. Dovzhenko, D.S. Voroshilov, L.P. Trifonenkov, E.S. Lopatina, V.N. Baranov, R.I. Galiev // Vestnik of Nosov Magnitogorsk state technical university. 2011. № 2 (34). Pp. 23-28.
5. Patent RF № 128529. Installment for continuous casting, rolling and extruding of non-ferrous metals and alloys. Publ. 27.05.2013. Bui. № 15.
УДК 621.771
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОКАТКИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЛИСТА Ti-Ni
Чукин М.В.1, Песин A.M.1, Полякова М.А.1, Пивоварова К.Г.1, Торбус И.2, Рыдз Д.2
1 ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный технический
университет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск, Россия
2
Ченстоховский технический университет, г. Ченстохова, Польша
Потребности современной техники и перспективы ее развития диктуют необходимость создания материалов с самыми разнообразными свойствами, которым во многих случаях не удовлетворяют отдельные металлы и сплавы. Создание композиций путем объединения нескольких компонентов в единую структуру позволяет получить совершенно новый композиционный материал со свойствами, отличными от его составляющих.
В настоящей работе выполнено исследование по определению основных закономерностей совместной пластической деформации биметалла титан-никель (Ti-Ni), полученного сваркой взрывом.
Биметалл Ti-Ni применяется для изготовления мембран, используемых при электролизе. Минимальная толщина биметалла, получаемого сваркой взрывом, составляет 2,0 мм (по 1,0 мм № и Ti). Толщина готовой мембраны не должна превышать 1,0 мм, поэтому для ее достижения используется процесс асимметричного деформирования. После асимметричной прокатки толщина слоев биметалла должна быть одинаковой.
В процессе пластического формоизменения каждый из слоев биметалла будет деформироваться по-разному, испытывая при этом разное упрочнение. Наличие трех кинематических зон (отставания, опережения и смешанной) вызывает необходимость описывать течение слоев металла в каждой из них.
Для решения этой проблемы было проведено обширное конечно-элементное моделирование асимметричной прокатки с помощью программных комплексов DEFORM-3D и FORGE. Предварительно с помощью пакета AutoCAD 2010 были созданы геометрические
