CC BY
88
УДК 621.777:669.716
Н.Н. Загиров, С.Б. Сидельников, Е.С. Лопатина
ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СВАРОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ ИЗ СИЛУМИНА АК12, ИЗГОТОВЛЕННОЙ ИЗ ОТХОДОВ ПО РАЗНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ
В условиях рыночной экономики для многих отраслей промышленности основной проблемой, и одновременно задачей, продолжает оставаться создание конкурентоспособной металлопродукции. При этом заметная роль в обеспечении высокого уровня физико-механических свойств и приемлемой себестоимости металлоизделий отводится технологиям их производства. Современные тенденции их развития связаны с экономией материальных ресурсов путем наиболее полного и комплексного использования существующих источников сырья, изыскания новых нетрадиционных его видов и организацией на их базе малоотходных производств.
Одним из потенциальных объектов, который многие годы приковывает внимание работников металлообрабатывающих предприятий, остаются образующиеся в том или ином виде отходы производства, основным способом переработки которых всегда считался плавильный передел. Однако стоит отметить, что плавильный передел и связанные с ним заготовительно-транспортные операции, являясь эффективным средством переработки крупногабаритного лома и отходов, на существующем уровне развития процессов сбора, хранения, транспортирования отходов и собственно металлургических процессов, не всегда обеспечивают, по нашему мнению, достаточную эффективность переработки стружковых сыпучих отходов, особенно мелких фракций. Хотя, если учитывать объемы образующейся стружки, от переработки ее через переплав все равно в ближайшее время уйти не удастся. При анализе вариантов возвращения технологических отходов в производственный оборот неизбежно встает вопрос соотношения «цены-качества» производимой продукции. Причем первый фактор во многом является зависимым от второго, уровень которого определяется реализуемой схемой технологического процесса изготовления изделия конкретного типа-размера с заданными физико -механическими характеристиками.
В работе объектом исследований являлась тянутая сварочная проволока из сплава АК12, предназначенная для высокотемпературной пайки, сварки и газотермического напыления алюминия и его сплавов. Проволока по техническим условиям (ТУ 1-808-274-2003) поставляется в нагар-
тованном состоянии, с заданным уровнем механических свойств, и регламентированным химическим составом.
После анализа возможных вариантов была предложена обобщенная схема переработки отходов в сварочную проволоку в соответствии с рис. 1.
Рис. 1. Обобщенная схема возможных вариантов получения проволоки из отходов алюминиевого сплава АК12
Применение новых технологий совмещенной обработки [1] в этой схеме позволяет существенно снизить трудо- и энергоемкость процесса на стадии получения заготовки для последующего волочения и, кроме того, дает возможность эффективно обрабатывать такой малопластичный сплав, как сплав АК12. Такими операциями являются совмещенная прокатка-прессование (СПП) и совмещенное литье-прокатка-прессование (СЛИПП).
В связи с этим, в работе опробовано три варианта технологических схем, две из которых связаны с совмещенной обработкой, а одна с традиционной схемой горячего прессования. Цепочка операций для каждого из опробованных вариантов приведена на рис. 2. При этом после проведения основных операций производился отбор образцов для металлографических исследований и механических испытаний.
Рис. 2. Варианты технологических схем получения проволоки, опробованные в процессе исследований
Характеризуя первый вариант технологии, отметим, что эта схема весьма эффективна для получения слитка малых размеров с мелкозернистой структурой в электромагнитном кристаллизаторе [2]. Это обеспечивает повышенную пластичность литой заготовки и, как было установлено ранее, снижение энергосиловых характеристик процесса СПП при выдавливании прутковой заготовки. Вторая схема характеризуется дискретностью и разделением во времени основных технологических операций. Такая схема применяется при прессовании прутков из силуминов на гидравлических прессах. Третий вариант, в соответствии с которым произ-
водится кристаллизация-деформация расплава в валках и одновременное выдавливание прутка, наиболее выгоден с позиций непрерывности процесса и эффективности производства, так как позволяет реализовать процесс за один металлургический передел. Окончательной операцией получения проволоки являлось волочение, при этом для восстановления пластических свойств после холодной деформации применялись отжиги.
Для более глубокого изучения свойств и структуры литых и деформированных полуфабрикатов были проведены металлографические исследования, результаты которых представлены ниже.
Микроструктура литой заготовки, полученной по первому варианту технологии в электромагнитном кристаллизаторе (рис. 3), мелкодисперсная, представляет собой дендриты алюминиевого твердого раствора (светлый тон) и эвтектику 81+А1 (темный тон). Анализ микроструктуры литого прутка показывает, что эвтектика имеет тонкодифференцирован-ное строение, а частицы кремния в ней настолько дисперсные, что не различимы даже при больших увеличениях (см. рис. 3, а).
в г
Рис. 3. Микроструктуры полуфабрикатов из сплава АК12 по первому варианту технологии: а - слиток, диаметром 16 мм, полученный в ЭМК; б - пруток диаметром 7 мм, полученный методом СПП; в - проволока диаметром 1,8 мм; г - проволока диаметром 1,3 мм
Дальнейшая деформация методом совмещенной прокатки-прессования приводит к измельчению литой структуры, структурные составляющие которой равномерно распределены по сечению прутка (см. рис. 3, б). При этом наблюдается некоторая направленность структуры по ходу процесса выдавливания. Микроструктура проволоки различных диаметров (см. рис. 3, в, г) отличается еще более мелким строением и явно выраженной однородностью структуры.
Механические характеристики литых заготовок, полученных в ЭМК, находятся на уровне св = 270 - 290 МПа, 5 = 12 - 17 %, что обеспечивает устойчивую горячую деформацию при последующей обработке. Примерно тот же уровень свойств имеют горячепрессованные прутки, полученные совмещенной прокаткой-прессованием. Последующее волочение обеспечивает, в зависимости степени деформации, уровень прочностных свойств порядка св=150-200 МПа, а пластических 5 = 2 - 3 %, что вполне приемлемо для условий эксплуатации сварочной проволоки. Кроме того, путем применения отжига возможно повысить пластические характеристики и получить проволоку более тонких сечений.
На рис. 4 показан общий вид стружки и приведены микроструктуры полуфабрикатов на различных стадиях реализации второго варианта технологии.
Микроструктура (увеличение х420) брикета, полученного компак-тированием стружки из сплава АК12 при температуре 400 оС и давлении обработки 200 МПа (см. рис. 4, б), показывает, что составляющие его фрагменты упакованы почти без зазоров, но при этом находятся лишь в механическом сцеплении друг с другом. Физическая связь между ними практически отсутствует, что в конечном итоге определяет дефектность структуры материала. В самой структуре прослеживается эвтектика (а+81) и а-твердый раствор на базе алюминия.
После проведения горячей экструзии структура прутка (см. рис. 4, в) в продольном сечении становится строчечной: светлые, вытянутые в направлении истечения из матрицы участки алюминиевой фазы перемежаются с более темными областями, насыщенными кремнием. При этом концентрация, размер частиц кремния и порядок их распределения на фоне алюминиевой фазы (светлый фон) носят несколько неоднородный характер.
Волочение прутка с проведением промежуточного отжига на диаметре 5 мм приводит к тому, что в структуре проволоки (см. рис. 4, г), на фоне дальнейшего измельчения частиц кремния, строчечность в продольном направлении выражена уже в меньшей степени. Границы между отдельными стружками не проявляются, т.е. образуется однородный сплошной материал, представляющий собой равномерно распределен-
ную кремнистую фазу по телу а - твердого раствора алюми-ния.Результаты механических испытаний образцов показывают, что прочностные свойства горячепрессованных прутков, достигают уровня св = 160-180 МПа, а пластические свойства находятся в пределах 5 = 1014%. При волочении в интервале степеней деформации (относительных обжатий) до 80 % прочность проволоки на разных размерах может достигать значений св = 230-270 МПа, а с введением промежуточного отжига они снижаются до уровня св = 150-200 МПа. Пластические свойства характеризуются значениями 5 = 2-4 %, а после проведения отжига повышаются до уровня 5 = 8-10 %.
Рис. 4. Вид стружки (а) и микроструктуры (б - г) полуфабрикатов из сплава АК12, полученных по второму варианту технологии: фрагмент заготовки после горячего брикетирования (б); пруток диаметром 8 мм после горячей экструзии (в); проволока диаметром 2 мм (г)
Третий вариант технологии позволил изучить микроструктуру образцов, полученных при кристаллизации расплава в валках, прокатке в закрытом ящичном калибре, распрессовке перед матрицей и выдавлива-
нии прутка диаметром от 5 до 9 мм в непрерывном режиме [3]. На рис. 5 приведены микроструктуры полуфабрикатов, полученных по данной технологии.
Микроструктура прутка, полученного после операции совмещенного литья-прокатки-прессования, неоднородная, мелкодисперсная, вытянутая в направлении деформирования (см. рис. 5, а). Можно наблюдать как светлые участки а-твердого раствора, так и темные, представляющие собой скопление частиц кремния и участки. Кроме того, имеются участки, в которых частицы кремния равномерно распределены в твердом растворе. Последующие этапы деформации приводят к измельчению частиц кремния и уменьшению неоднородности их распределения (см. рис. 5, б), причем с увеличением степени деформации это проявляется более отчетливо (см. рис. 5, в, г).
Рис. 5. Микроструктуры полуфабрикатов из сплава АК 12, полученных
по третьему варианту технологии: а - пруток диаметром 5 мм, полученный СЛИПП; б - промежуточный полуфабрикат диаметром 3,6 мм; в, г - проволока диаметром 1,8 мм и 1,3 мм, соответственно
Свойства проволоки, полученной по данной технологии в отожженном состоянии, достигают значений св = 170-180 МПа, 5 = 17-19 %.
Результаты проведенных исследований структуры и свойств полуфабрикатов из сплава АК12, полученных различными способами, позволили сделать вывод, что все рассмотренные технологии обеспечивают получение проволоки заданного диаметра с необходимым уровнем механических свойств. Наиболее мелкой и однородной структурой обладает проволока, полученная по первой технологии, поэтому горячая обработка литой заготовки из ЭМК методом совмещенной прокатки-прессования и последующее волочение обеспечивает получение проволоки с высоким уровнем механических свойств и мелкозернистой структурой, что дает возможность применения многократных деформаций без применения отжига.
Для проверки эксплуатационных характеристик опытных партий сварочной проволоки, изготовленной по приведенным выше технологиям, на ОАО «Информационные спутниковые системы» (г. Железногорск) провели испытания при пайке специальных конструкций из алюминиевых сплавов. В соответствии с полученным заключением от предприятия установлено, что качество пайки при визуальном контроле хорошее, а представленная для испытаний припойная проволока, изготовленная по различным технологиям, соответствует ТУ 1-808-274-2003, и рекомендуется для промышленного применения.
Библиографический список
1. Сидельников, С.Б. Комбинированные и совмещенные методы обработки цветных металлов и сплавов: монография. [Текст] / С.Б. Сидельников, Н.Н. Довженко, Н.Н. Загиров // М.:МАКС Пресс, 2005.- 344 с.
2. Сидельников, С.Б. Разработка новой технологии комбинированной обработки силуминов. [Текст] / С.Б. Сидельников, Н.Н. Довженко, Ю.А. Горбунов, Д.Ю. Горбунов, Е.С. Лопатина, Р.Е.Соколов Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева, 2006, выпуск 5(12). С. 233-235.
3. Патент №73245 РФ. Устройство для непрерывного литья, прокатки и прессования цветных металлов и сплавов [Текст] / Сидельников С.Б., Довженко Н.Н., Лопатина Е.С., Соколов Р.Е., Виноградов О.О. Пещанский А.С., Беляев С.В. Опубл. 20.05.2008, Бюл. № 14.
