Пути повышения качества литой заготовки для заклёпочной проволоки из сплава В65 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор В.Ю. Конкевич

УДК 669.715/01:621.771.25

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЛИТОЙ ЗАГОТОВКИ ДЛЯ ЗАКЛЕПОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ ИЗ СПЛАВА В65

С. Г. Бочвар, канд. техн. наук, В. В. Телешов, докт. техн. наук, Г.И. Эскин, докт. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail:info@oaovils.ru)

Обсуждаются результаты исследования структуры и свойств литых заготовок из сплава В65, полученных по серийной технологии и с применением внепечной комплексной обработки потока расплава. Показано, что применение такой обработки позволяет снизить содержание водорода и устранить разнозернистость по сечению слитка, в т. ч. и за счет получения недендритой структуры, что приводит к повышению технологической пластичности заготовок при горячей прокатке. Оценена структура и свойства образцов заклепочной проволоки диаметром 4 мм, произведенных из заготовок, полученных методом внепечного комплексного модифицирования.

Ключевые слова: заклепочная проволока, газостатирование, разнозернистость, кавитационная обработка, недендритное зерно, внепечное модифицирование потока расплава.

Ways of an Improvement in Quality of V65 Alloy Cast Billets Used for Rivet Wire Production. S.G. Bochvar, V.V. Teleshov, G.I.Eskin.

The results of investigations of a structure and properties of V65 alloy cast billets manufactured according to the conventional technology and with application of an out-of-furnace combined processing of melt flow are discussed. It is shown that the use of this processing allows one to reduce oxygen content and to avoid diversity in grain size through the thickness of an ingot due to, in particular, development of a nondendritic structure, that results in an improvement in ductility of the billets during hot rolling. A structure and properties of 4 mm dia rivet wire specimens produced via the technology with application of the out-of-furnace combined processing are evaluated.

Key words: rivet wire, HIPing, diversity in grain size, cavitation processing, nondendritic grains, out-of-furnace modification of melt flow.

Наибольший объем применяемого алюминиевого крепежа приходится на долю различных видов заклепок из сплавов системы А1-Си-М^, в основном из сплавов Д18 и В65. По данным работы [1], в самолете Ил-86 соединения с заклепками из алюминиевых сплавов составляют 80 % от общего количества крепежных точек. Общее количество заклепочных соединений в конструкции планера самолета достигает 1,2 млн. единиц [2].

Основными факторами, определяющими технологию клепки, являются свойства материала заклепок [3]. В частности, материал

должен обладать высокой пластичностью в состоянии постановки их в конструкцию для обеспечения необходимого качества соединения, выполняемого с большими степенями холодной деформации. В качестве основной характеристики прочности для заклепочной проволоки принято сопротивление срезу.

Опубликованные в [4] первые результаты изучения влияния параметров технологии на структуру и свойства проволоки из сплава В65 относятся к процессу, в котором для волочения используют промежуточную прессованную заготовку. Существенное увеличе-

ние производительности при выпуске проволоки достигается, если промежуточная заготовка изготовлена путем прокатки [3, 5].

ОАО ВИЛС является в настоящее время одним из основных производителей заклепочной проволоки авиационного назначения, при изготовлении которой применяют следующую последовательность операций: полунепрерывное литье слитков, гомогенизация слитков, горячее прессование или прокатка прутков диаметром до 8 мм, холодное волочение с промежуточными отжигами проволоки заданного диаметра, термическая обработка, сдаточные испытания [5]. Наибольший объем проволоки изготавливают из катаной заготовки диаметром ~10 мм, полученной прокаткой обточенных слитков с исходным диаметром 134 мм.

Для успешной прокатки с большой деформацией исходная заготовка из гомогенизированного слитка должна обладать высокой пластичностью при температуре горячего деформирования, которая обеспечивается химическим составом сплава и качеством слитка, в частности его структурой. Недопустимыми считаются крупные дефекты: литейные трещины, неслитины, скопления интерметал-лидов, шлаковые и окисные включения и крупная пористость. Их присутствие в слитке может привести к раскрытию переднего конца заготовки на первых проходах при прокатке или к появлению трещин на боковых сторонах катанки. Дефекты слитка способствуют появлению поверхностных дефектов проволоки в виде плен, раковин, надрывов. Поверхностные и внутренние дефекты, не выходящие на поверхность проволоки, ухудшают расклепываемость при испытаниях на осадку, поскольку способствуют появлению трещин, снижая локальную пластичность проволоки [6]. Используемая технология литья слитков должна обеспечить отсутствие вышеуказанных дефектов. Однако даже в отсутствии крупных дефектов в слитках при прокатке могут появляться трещины на боковой поверхности катанки (рис. 1).

Проведенными в работах [7, 8] исследованиями микроструктуры полуфабрикатов установлено, что серийные слитки и изготовленные из них заготовки под прокатку отличают-

Рис. 1. Внешний вид трещины на боковой поверхности катанки сечением 80x132 мм из сплава Д18

ся более грубым строением поверхностных объемов, которые обладают увеличенным размером дендритной ячейки, содержат более протяженные включения нерастворимых фаз и имеют усадочную пористость. Эти особенности структуры слитка влияют на трещи-нообразование при деформировании и на разрушение при комнатной и повышенной температурах.

Поперечные темплеты, взятые из слитков сплавов В65 и Д18 и подвергнутые излому в продольной плоскости при комнатной температуре, имеют на участке поверхности разрушения, соответствующие поверхностному объему слитка, более грубый рельеф с наличием вторичных трещин, уходящих под поверхность разрушения [7, 8].

При испытаниях продольных разрывных образцов из центральных и поверхностных объемов серийного слитка сплава Д18 при температуре горячей прокатки 400 °С выявлена существенная разница пластических характеристик (как 8, так и у), которые в центральных объемах слитка значительно выше [8].

Образцы из поверхностных объемов серийных заготовок после испытаний при 400 °С имеют на своей поверхности многочисленные поперечные трещины (рис. 2). Разрушение образцов происходит со слабым развитием шейки и соответственно невысоким поперечным сужением. Образцы из центральных объемов разрушаются пластично со следами течения металла на поверхности

образца и при значительном сужении в месте образования шейки. Трещин на поверхности образца не наблюдали. Такой характер разрушения образцов при его распространении на случай разрушения заготовок при прокатке позволяет предположить, что и у заготовки из серийного слитка при горячей прокатке с большой вытяжкой могут появляться поверхностные трещины вследствие низкой пластичности поверхностных объемов, из-за их более грубой микроструктуры с наличием усадочной пористости в зоне, выходящей на поверхность заготовки.

Рис. 2. Внешний вид разрушенных образцов из серийной заготовки сплава Д18 после испытаний при 400 °С:

а - приповерхностный объем заготовки; б - центр сечения

Для уточнения влияния пористости на разрушение гомогенизированного металла провели высокотемпературную газостатическую обработку (ВГО) серийных заготовок из сплава Д18 в газостате КП379 ОАО ВИЛС [8]. Было установлено, что микроструктура основного объема слитка при газостатировании не претерпевает видимых изменений. Однако микропористость в периферийной области заготовки исчезает и металлографически не выявляется.

Внешний вид разрушенных разрывных образцов из газостатированной заготовки показан на рис. 3. При 400 °С поверхностные

Рис. 3. Внешний вид разрушенных образцов из газостатированной заготовки сплава Д18 после испытаний при 400 °С:

а - приповерхностный объем заготовки; б - центр сечения

и центральные образцы разрушаются пластично с образованием острой шейки и при значительном сужении. Поперечные трещины на образцах из поверхностных объемов заготовки, испытанных при 400 °С, отсутствуют.

Таким образом, главное отличие в разрушении при повышенных температурах образцов из серийных и газостатированных заготовок заключается в множественном характере разрушения образцов из поверхностных слоев серийных заготовок. При растяжении этих образцов до разрушения, особенно при высоких температурах, образуется много поперечных трещин. Это можно считать косвенным доказательством повышенной склонности поверхностных объемов серийных заготовок к разрушению при горячей прокатке. В процессе успешной горячей прокатки газостатированных заготовок установлено, что пористость служит главной причиной разрушения слитков при прокатке. Остальные факторы могут усугублять склонность поверхностных объемов слитков к растрескиванию, но не являются определяющими.

Сформулированные в работе [7] основные требования к качеству слитков полунепрерывного литья диаметром 134 мм, допускающие интенсивную деформацию при прокатке без появления поверхностных трещин, включают полученное содержание водорода менее 0,25 см3/100 г металла и среднюю величину равноосного зерна менее 0,5 мм, что приводит к уменьшению водородной и усадочной пористости.

Улучшение качества слитка путем газоста-тирования является дорогой операцией и может применяться в исключительных случаях. Оптимизация серийной технологии также позволяет получить требуемую структуру слитка, особенно в случае физического воздействия на процесс кристаллизации. Известен способ значительного измельчения зерна в литом слитке, приводящий одновременно к дегазации металла - ультразвуковая (кави-тационная) обработка [9].

Получение литой заготовки с требуемыми показателями качества для изготовления заклепочной проволоки из сплава В65 может быть обеспечено путем воздействия на кри-

сталлизующийся металл кавитационной обработкой при введении в расплав модифицирующего прутка лигатуры системы А1-Т-Б.

Такая комплексная внепечная обработка расплава позволяет, вследствие разрушения при кавитационном воздействии агломератов зародышевых частиц типа ТБ2, ощутимо повысить эффективность измельчения зерна в слитке вплоть до формирования недендритной структуры [10].

В данной работе эту обработку применили к слиткам сплава В65, отливаемым в кристаллизатор диаметром 136 мм, с целью изучения эффективности ее влияния на структуру слитка и свойств готовой проволоки.

Для реализации указанной технологии методом непрерывного литья отливали слитки сплава В65 стандартного состава, содержащего 0,02-0,035 % И, в электрической печи емкостью 150 кг с предварительным рафинированием флюсом или с дополнительной продувкой аргоном в печи после очистки флюсом. Параметры литья соответствовали серийной технологии. Были опробованы следующие режимы модифицирования потока расплава в лотке по пути в кристаллизатор:

- только ультразвуковая кавитационная обработка (КО);

- только пруток стандартного состава А1-5 % П-1% Б;

- КО и пруток состава А1-1 % Т;

- КО и пруток состава А1-5 % Т-1 % Б.

Кавитационную обработку потока расплава осуществляли на частоте колебаний 17,5 кГц, мощность 4,5 кВт, амплитуда смещения излучателя 15-17 мкм. Применяли современный транзисторный ультразвуковой генератор УЗГ 5-22 с возможностью автоматической поддержки частоты и амплитуды в процессе обработки*.

Полученные слитки перед прокаткой гомогенизировали по стандартному режиму: 490 °С, 12 ч.

Дополнительная продувка аргоном позволила уменьшить содержание водорода в слитке с 0,20 до 0,13 см3/100 г. Применение комплексной внепечной обработки делает

* Литье и модифицирование проводили совместно с В.И. Ялфимовым и Н.Г. Байдиным.

возможным дальнейшее снижение содержания водорода в слитке на 15-20 % (табл. 1). Содержание водорода определяли по твердой пробе по ГОСТ Р 50965-96.

Таблица 1 Содержание водорода в слитках сплава В65 в зависимости от условий модифицирования

Условия рафинирования Условия модифицирования Н2, см3/100 г

Флюсом и продувка аргоном Без модифицирования Прутком А1-Т-Б КО Прутком А1-Т-Б+КО Прутком А1-Т+КО 0,13 0,13 0,11 0,10 0,11

Только флюсом Без модифицирования Прутком А1-Т-Б Прутком А1-Т-Б+КО Прутком А1-Т+КО 0,20 0,19 0,16 0,16

Исследованием зеренной структуры слитков** установлено (рис. 4 и табл. 2), что вне-печное комплексное модифицирование существенно изменяет характер микроструктуры слитка.

Кавитационная обработка потока расплава без введения модификатора приводит к более равномерному измельчению зерна по сечению слитка.

Для определения среднего размера зерна

находили среднюю хорду Х методом секущих

ср

при измерении ~300 зерен и пересчитывали на средний диаметр зерна Оз в объеме с предположением его сферической формы и

определяли по формуле 03 - — Хср [11].

Воздействие кавитационной обработки и введение модификатора типа А1-Т (добавление в состав сплава 0,02 % Т) измельчают зерно в два раза и одновременно устраняют разнозернистость по сечению, но не изменяют дендритного строения зерна.

В тоже время модифицирование с помощью прутка системы А1-Т1-Б в зоне кавитации с введением в состав сплава дополни-

** Микроструктурные исследования проводили совместно с Т.А. Мухиной и Л.Г. Карсановой.

Рис. 4. Микроструктура слитков сплава В65 по сечению, отлитых по различным режимам модифицирования:

а - без модифицирования; б - с комплексным модифицированием прутком А1 - Т; в - с комплексным модифицированием прутком А1-И-В. Световая микроскопия, поляризованный свет

Таблица 2

Измельчение зерна в слитках диаметром 134 мм сплава В65 в зависимости от условий модифицирования

Условия модифицирования Область исследования Число зерен на 1 см2 Средний диаметр зерна Dз мкм

Без модифицирования 1/2 радиуса Центр 602 983 460 360

КО 1/2 радиуса Центр 1206 882 325 380

Прутком А1-0,02 % П+КО 1/2 радиуса Центр 2973 3492 207 190

Прутком А1-0,01 % Т1-0,002 % В 1/2 радиуса Центр 26757 18054 69 81

Прутком А1-0,01 % Т1-0,002 % В+КО 1/2 радиуса Центр 42112 57668 55 47

Прутком А1-0,005 % Т1-0,001 % В+КО 1/2 радиуса Центр 17224 16450 86 88

тельно (0,005-0,01) % Т и (0,001-0,002) % В создает принципиально новый эффект модифицирования - в слитке формируется предельно измельченная недендритная структура (рис. 4, в), тогда как дополнительное введение <0,01 % Т (<0,002 % В) без кавита-ционной обработки приводит к простому измельчению дендритного зерна: в центре слит-

ка размер зерна составляет 110 мкм, а на периферии 155 мкм [7].

Изучение характера распределения эвтектики в структуре слитка (рис. 5) показало, что также существует различие в морфологии эвтектических прослоек. В слитках с недендритной структурой вся эвтектика образует почти непрерывные прослойки по границам

зерен (рис. 5, а). Изолированные эвтектические включения встречаются изредка.

При дендритной структуре картина принципиально иная (рис. 5, б). Эвтектические прослойки по границам дендритных ячеек прерывистые, и в сечении шлифа выявляется большое количество округлых сечений эвтектики.

Такое морфологическое отличие в форме выделений эвтектики в структуре объясняется различной последовательностью кристаллизации эвтектики в сравниваемых способах литья слитков. В случае дендритной кристаллизации крупных зерен выделение эвтектики сначала происходит в отдельных изолированных объемах между ветвями дендритов с образованием прерывистых эвтектических прослоек, а затем какое-то количество эвтектики кристаллизуется на межзеренной поверхности. В случае недендритной кристаллизации эвтектика сразу выделяется на межзе-ренной поверхности, образуя сплошную прослойку.

При одинаковом объеме недендритного зерна и объеме одной дендритной ячейки (в случае дендритной кристаллизации) распределение одинакового объемного количества эвтектики по всей поверхности недендритных зерен приводит к получению меньшей толщины колоний эвтектики, чем на поверхности ветвей дендритов. Соответственно за счет меньшей толщины эвтектических колоний, полученных при недендритной кристаллизации, возможно сократить продолжительность гомогенизации.

При испытании продольных разрывных образцов при температуре горячей прокатки 400 °С выявлено, что в слитках с дендритной структурой относительное удлинение составляет ~75 % при временном сопротивлении 320 МПа, а в слитках с недендритной структурой ~90 % при сохранении прочности на том

же уровне. Внешний вид разрушенных образцов из слитков с недендритной структурой показан на рис. 6. В центре и на периферии слитка образцы разрушаются пластично, аналогично разрушению образцов после газо-статирования.

Слитки с дендритной и недендритной структурой были прокатаны при 400 °С на пруток диаметром 8 мм без

Рис. 6. Внешний вид разрушенных образцов из слитка с недендритной структурой сплава В65 после испытаний при 400 °С:

а - периферия слитка; б - центр слитка

образования трещин на поверхности катанки, а затем подвергнуты волочению на проволоку диаметром 4 мм.

Свойства проволоки определяли при комнатной температуре после термообработки по режиму: закалка 530 °С, 45 мин, в воде+ста-рение 75 °С, 24 ч, воздух. Испытанием проволоки из слитков, полученных с применением комплексного модифицирования, установлен высокий уровень прочностных свойств при сохранении пластичности. Так, временное сопротивление составило (415±6) МПа,

тут •. -

1 г • ,

* ■ ' -Щ__\ >

1 ---Л

23 КУ „да X ига КУК Ч-Ш№ ^М^ ^

Рис. 5. Характер распределения эвтектики в слитках сплава В65. Растровая электронная микроскопия:

а - слиток с недендритной структурой; б - слиток с дендритной структурой

относительное удлинение (24±2,5) %, а сопротивление срезу (262±0,5) МПа. Свойства проволоки без комплексного модифицирования: ав=(388±8) МПа, 5=(24± 1) %, тср= (252±1,5) МПа.

Заключение

Приведенные выше результаты свидетельствуют о том, что применение комплексной внепечной обработки расплава позволяет снизить содержание водорода и повысить плотность слитков, предельно измельчить структуру литого металла, улучшить технологическую пластичность заготовок при горячей прокатке и обеспечить получение требуемых свойств проволоки.

ШИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белянин П.Н. Производство широкофюзеляжных самолетов. - М.: Машиностроение, 1979. - 360 с.

2. Кривов Г.А. Прогрессивные технологии выполнения заклепочных и болтовых соединений в современном агрегатно-сборочном производстве/^ кн.: Приоритеты авиационных технологий. В 2-х кн./Научн. ред. А.Г. Братухин. - М.: Изд-во МАИ, 2004. Кн. 2. Гл. 18. С. 827-843.

3. Колобнев Н.И., Шилова Е.И. Структура и свойства проволоки для крепежных деталей//В кн.: Арчакова З.Н. и др. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: Справ.

изд. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1984. Гл. XXII. С. 370-388.

4. Шилова Е.И. Алюминиевый сплав В65 для зак-лепок//В кн.: Алюминиевые и магниевые сплавы. - М.: Оборонгиз. 1959. С. 113-143.

5. Ерманок М.З., Ватрушин Л.С. Волочение легких сплавов. - М.: ВИЛС. 1999. - 216 с.

6. Шеенков В.А. Дефекты проволоки//В кн.: Арчакова З.Н. и др. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: Справ. изд. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1984. Гл. XXIII. С. 388-392.

7. Телешов В.В., Ходаков С.П., Захаров В.В. и др. Влияние технологии литья и термической обработки на структуру и свойства слитков сплава В65//Технология легких сплавов. 2007. № 4. С. 21-30.

8. Ходаков С.П., Телешов В.В., Захаров В.В. и др. Влияние газостатирования на структуру и свойства слитков алюминиевого заклепочного сплава Д18//Технология легких сплавов. 2009. № 2. С. 81-90.

9. Эскин Г.И. Ультразвуковая обработка расплавленного алюминия. Изд. 2-ое, перераб. и доп.

- М.: Металлургия, 1988. - 232 с.

10. Бочвар С.Г., Эскин Г.И. Акустическая кавитация

- эффективный способ предельного измельчения зеренной структуры алюминиевых сплавов при внепечном модифицировании расплава// Технология легких сплавов. 2012. № 1. С. 9-17.

11. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Металлургия. 1970. - 376 с.