CC BY
12
УДК 621.74
Канд. техн. наук О. Л. Скуйбща, д-р техн. наук I. П. Волчок Запор1зький нацюнальний техычний уыверситет, м. Запор1жжя
УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕС1В ТЕРМ1ЧНО1 ОБРОБКИ ВТОРИННОГО СИЛУМ1НУ АК8М3
До^джено вплив часових параметрiв термiчноi обробки на механiчнi властивостi сплаву АК8М3, отриманогорециклтгом лому та вiдходiв виробництва. Була встановлена можливкть суттевого покращення якостi вторинних силумiнiв при збiльшеннi часу витримки при гартуваннi та старiннi вiдповiдно до концентрацИ залiза у сплавi.
Ключовi слова: силумт, механiчнi властивостi, гартування, старiння.
Вступ
Вторинш алюмiнiевi сплави знаходять все ширше розповсюдження в машинобудуванш. Особливштю хiмiчного складу таких матерiалiв е тдвищений вм1ст залiза та iнших домiшок, яю утворюють iнтермегалiднi фази, що, в свою чергу, мають несприятливу форму та вщграють роль концентраторiв напружень у металi та iнiцiюють процес зародження трiщин. У результатi алюмiнiевi сплави, виготовленi шляхом рециклiнгу, ха-рактеризуються нижчою як1стю нiж аналоги, отримаш з первинно!сировини.
Термiчна обробка А1-Б1 сплавiв, як правило, поля-гае в гартуваннi та старшш. Керувати фазовим складом, морфолог1чними параметрами структури та, ввдпо-вiдно, механiчними й експлуатацiйними властивостя-ми можна, варiюючи температуру та час витримки при термiчнiй обробщ. Виходячи з того, що вмют терме-талiдних фаз у вторинних силумшах значно вищий, шж у первинних, мае рацш припущення, що стандартш режими гартування та старiння не е оптимальними для сплавiв, виготовлених з лому та вiдходiв виробництва.
Питанню особливостей термiчноi обробки алюмш-iевих сплавiв на основi вторинно! сировини в лiтературi уваги практично не придметься. Зустрiчаються лише окремi вiдомостi щодо впливу домшшв залiза на режими термiчноl обробки силумiнiв [1-4], проте детальш дослiдження, як1 б враховували взаемозв'язок вмюту залiза в сплавi, морфологш та хiмiчний склад штерме-талщв на його основi з параметрами гартування та ста-рiння ввдсутш.
Метою роботи е вивчення впливу домшки залiза та часових параметрiв термiчноi обробки на структуру та властивосп вторинного сплаву АК8М3. Об' ект дослвд-ження - процеси i механiзми утворення структури, пе-реб^ фазових перетворень, а також формування ме-ханiчних та експлуатацiйних властивостей вторинного сплаву тд впливом гартування та старшня. Предмет дослiдження - структурний стан, фазовi перетворення, мехатчт та експлуатацiйнi властивосп сплавуАК8М3.
Матерiали та методика досл1джень
Лабораторнi плавки проводили в в електричнш печi опору СНЗ-3. Плавлення та названия металу до тем-ператури 720 ± 10 °С зд1йснювали тд стандартним флюсом. У робот використовували силумiн АК8М3, виго-товлений з лому та вiдходiв виробництва (8,49... 8,51 % 81; 3,09.3,11 % Си; 0,99.1,0 % гп; 0,63.1,23 % Бе; 0,4 % N1; 0,32 % Мп; 0,08 % 0,09 % Т1, решта А1). Значний iнтервал вмiсгу залiза в сплавi обумовлений тим, що його добавки вводили в рiзних кшькостях, а кон-центрацiя шших елементiв залишалася на постiйному рiвнi. П1сля розплавлення та нагрiвання сплаву АК8М3 до температури 720±10 °С в нього вводили порошок залза.
Розробленi рафiнувально-модифiкувальнi комплек-си [5, 6] вводили в редкий метал за допомогою присто-сування, вщомого як «дзвоник», п1сля вилучення стандартного флюсу. Розливання сплаву проводили в мета-лев! форми п1сля витримки при температур! 720±10 °С протягом 5 хвилин.
Термiчну обробку здiйснювали зг1дно з рекомендациями ДСТУ 2839-94, використовуючи п1ч СШОЛ-1.1,6/ 12-М3-У4.2.
Теор1я та ан^з отриманих результата
Стандартна термiчна обробка сплаву АК8М3 за режимом Т6 передбачае гартування з температури 500 ± 10 °С, витримку 5.7 год, охолодження в вод! та старшня при температурi 180 ± 10 °С протягом 5.10 год. Оскшьки температура операцiй термiчноi обробки нормами ч1тко регламентована, а !х тривалiсть варiюеться в широких межах, при проведенш дослщ-жень вважали за доцшьне коригувати саме час витримки при гартуванш тГ та тСТ старшш, а температурш параметри прийняти постшними.
Дослiдження проводили в1дпов1дно до рототабель-ного плану багатофакторного експерименту другого порядку 23 (табл. 1).
© О. Л. Скуйбща, I. П. Волчок, 2015
50
Таблиця 1 - Матриця планування експерименту другого порядку 23
1нтервали варшвання та р1вт факторгв Фактори, як! вивчаються
Х1 Х2 Х3
(Бе, %) (тГ, год) (тСТ, год)
Нульовий ргвень: Х0 = 0 0,85 6,0 7,0
1нтервал 0,2 3,0 4,2 2,8
варшвання 0,14 2,0 2,8 4,2
Нижнш ргвень: Х=-1,0 0,65 3,0 2,8
Верхнш ргвень: Х=+1,0 1,05 9,0 11,2
З!рков! точки 0,51 1,0 0 0
1,19 11,0 14,0 14,0
Як незалежш змiннi приймали вмiст затза в сплавi Бе, час витримки пiд гартування тГ та час витримки
при старiннi тСТ . Функцiями вiдклику виступали так! показники механiчних властивостей, як твердеть НВ, границя мщносп при випробуванш на розтяг а В та
ввдносне подовження 5 , осюльки за цими характеристиками зпдно з ДСТУ 2839-94 повинна ощнюватись якють виливюв.
За допомогою методу регресшного аналiзу резуль-талв випробування мехатчних властивостей отримали систему р!внянь другого порядку з коефщентами ко-реляци в межах 0,89.. .0,96:
НВ = 140,477 - 3,811Бе + 3,997 тГ + + 3,99 тСТ + 0,813Бе т Г + 2,313Бе ТСТ + + 0,188 тГтСТ - 13,915Бе2 - 3,66 т2Г - 5,428 тСТ; (1)
а Р = 271,154 - 2,427Бе + 18,652 тГ +
В у у у Г
10,305 тСТ + 2,201Бе тГ + 6,62Бе тСТ + + 1,949 тГтСТ - 16,437Бе2 - 18,294 т2Г - 9,559 тСТ ; (2)
5 = 1,562 - 0,169Бе + 0,035 тГ -- 0,09 тСТ + 0,014Бе тГ + 0,016Бе тСТ + 0,004 т Г тСТ - 0,064Бе2 - 0,069 т2Г - 0,053 тСТ, (3)
де Бе - масова частка залiза, %; тГ - час витримки тд
гартування, год; тСТ - час витримки при старшт, год.
Для полегшення !нтерпретацп аналггичних р!внянь були побудованi графiчнi залежносп, як1 дозволяють простежити як вплив кожного дослвджуваного фактора окремо, так i !х взаемозв'язок (рис. 1 та рис. 2). Результата приведено для нульового р!вня варшвання при по-стшному часi витримки при гартуванш та старiннi. Бу-дували залежносп механ1чних властивостей ввд часових параметрiв терм!чно! обробки на вах дослiджуваних р!внях варшвання вмюту залiза.
Хвд кривих залежносп твердосп сплаву в!д часу витримки при гартуванш визначаеться тим, що на почат-кових етапах процесу провiдна роль належить дисперс-шному змiцненню частинками надлишкових фаз, а на завершальних переважае твердорозчинне змщнення. Зростання твердосп з! збiльшенням вмюту залiза пов'я-зано з наявтстю в структур! бшьшо! кшькосп зал!зовм-юних !нтерметалщв, твердють яких вища за твердють основного металу приблизно в 7 раз!в (7500.. .8500 МПа пор!вняно !з 1100.. .1200 МПа ввдповвдно).
Рис 1. Залежнють мехашчних властивостей силумшу АК8М3 вщ часу витримки при гартуванш (тСТ = 7 год)
Максимальне значення границ! мщносп на розтяг властиве зразкам, як1 м!стять зал!зо на р!вш 0,85 %, що пов'язано !з протшанням процеав дисперсшного зм!цнення. При оптимальтй концентрацп зал!за !нтер-металвдш фази вид!ляються в пор!вняно невеликш юлькосп, характеризуються сприятливою морфолопею ! р!вном!рним розподшом за перетином щтфа, проте !х к1льк1сть та розм!ри достатш для перешкоджання руху
1607-6885 Новi маmерiали i технологи в металургп та машинобудувант №2, 2015
51
дислокацш та опоpy мaтеpiaлy pyйиyвaиню. Подальше збшьшення юлькост зaлiзa викликae сyттeве меxaиiчне поpyшения сyцiльностi мaтpицi внаслшок некогеpент-ностi до не1' частинок зaлiзовмiсниx фаз i концешру-ванш нaпpyжень навколо ниx пpи пластичнш дефоp-мaцiï та pyйнyвaннi.
Загальний вигляд гpaфiчниx залежностей пластич-ност вiд чaсy витримки пpи гapтyвaннi пов'язаний з подpiбнениям та дифеpенцiювaнням частинок евтек-тичного кpемнiю, а також pозчиненням нaдлишковиx фаз. Певне зниження плaстичностi пpотягом т^ивалох' витримки пpи темпеpaтypi гapтyвaния можна поясни-ти коaгyляцieю та огpyбiниям кpемнieвоï евтектики, а також значним змщненням твеpдого pозчинy. Макси-мaльнi значення вiдносного видовження вiдповiдaють вмiстy в сплаы 0,51.0,65 мас. % Fe, шшмальт - 1,19 мас. % Fe, що yзгоджyeться з лiтеpaтypними даними щодо негативного впливу цього елемента на плас-тичнiсть силуштв.
Збiльшения твеpдостi пpи стapiннi обyмовлюeться пpоцесaми диспеpсiйного твеpдiння, а подальше ïï змен-шення - знемщненням твеpдого pозчинy, тобто на пев-ниx етaпax стapiния один з видiв змiцнения пеpевaжae над шшим, що i визнaчae загальний вигляд гpaфiчниx залежностей. Пpиpiст твеpдостi для зpaзкiв, як1 мiстягь домiшкy зaлiзa в високиx концентpaцiяx, вiдбyвaeться упов№нено.
Збiльшения гpaницi мiцностi на pозтяг сплаву пpи стapiннi вiдбyвaeться внаслшок видiления з твеpдого pозчинy дpiбнодиспеpсниx, когеpентниx або частково когеpеитниx до ма^ищ частинок iнтеpметaлiдниx фаз. Втpaтa когеpентностi на меж1 подiлy мiж мaтpицею та iигеpметaлiдaми, а також сутгеве ослаблення впливу твеp-доpозчинного змшнення викликають знемшнення мате-piaлy пpи подальшому збiльшеннi часу ви^имки пpи стapiннi. Для сплaвiв, яш мiстять 0,51. 0,65 мас. % Fe, оптимальною ^и стapiннi e витpимкa пpотягом 7.S год, а для сплашв, якi мiстягь 1,05.1,19 мас. % Fe -10.11 год.
Певне збшьшення пластичносп силyмiнy ÂKSM3 пpи стapiннi можна пояснити видiлениям спочатку ко-геpентниx та частково когеpентниx частинок змщню-вaльниx фаз. Вищi значення вiдносного видовження влaстивi сплавам з низьким вмктом зaлiзa (Fe = = 0,51.0,65 мас. %), бо його шдвищення ускладнк^ пластичний плин в мaтеpiaлi та пpизводить до о^т-чування внaслiдок iснyвaния великоï кiлькостi концен-тpaтоpiв нaпpyжень у виглядi зaлiзовмiсниx iнтеpме-галщв.
На кpивиx залежносп меxaиiчниx властивостей си-лyмiнy ÂKSM3 ввд часу витpимки пpи гapтyвaннi та стapiннi спостеpiгaeться змiщення оптимушв твеpдостi, мiциосгi та пластичност щ>и збiльшеннi юлькост заль за. Подаш на pис. 3 зaлежиостi, яш було побудовано за даними prna 1 та pис. 2, свшчать пpо необxiднiсть збiльшення часу вигpимки пpи гapтyвaинi та стapiннi зi збiльшенням концентpaцiï зaлiзa в сплаы.
Рис. 2. Залежнють меxaиiчииx властивостей силумшу
ÂKSM3 вiд часу витpимки npn стapiииi ( Тг = 6 год)
За ДСТУ 2S39-94, стaндapтний pежим Т6 пеpедбa-чae шиpокий дiaпaзон часу витpимки ^и теpмiчнiй об-pобцi: тг = 5.7 год та тСТ = 5.10 год. Вшповшно до ^юведенж дослщжень, пpи концешрацп зaлiзa близь-ко 0,5 мас. % найб№шу ефективнiсть мae викоpистaн-ня веpxньоï меж1 pеглaментовaного стaндapтом часу ви^имки пpи гapтyвaннi. Зi збiльшениям вмюту зaлiзa в сплaвi до 1,2 мас. % виникae погреба у збшьшенш часу витримки до S год, що пов'язано з гальмуванням пеpебiгy дифyзiйниx пpоцесiв зaлiзовмiсними iнтеpме-талвдами.
Стapiния вiдбyвaeться пpи нижчиx за гapтyвaния темпеpaтypax, внaслiдок чого залежшсть часу вифим-ки ^и стapiннi вш вмiстy зaлiзa у сплaвi виpaженa яск-paвiше, оскшьки пpоцес оптимiзaцiï стpyктypи в цьому випадку e тpивaлiшим. Вiдомо, що пластичшсть си-лyмiнiв пpи Grap^m зменшyeться, тому пpaктичний iнтеpес викликae лише загальний вигляд гpaфiчноï залежносп ввдносного видовження вш часу витринки пpи стapiннi та концешрацп домiшки зaлiзa в сплaвi, а не кон^етт числовi значення. Вшповшно до pис. 3, для
0,51 0,65 0,55 1,« 1,19
Ке, мас. Чй - - НВ -овр ----б
Рис. 3. Залежнють часу витримки при гартуванш та старшш, який забезпечуе максимальний р1вень мехашчних властивостей, вщ вмюту зал1за
силумЫв, що мютять зал!зо у кшькосп 0,5 мас. %, вико-ристання нижньо! меж1 стандартного часу витримки при стар!нш е недостатньо ефективним. При так1й кон-центраци зал!за оптимальним е =7 год. На кожт 0,1 мас. % Бе при його вмюп в сплав! бшьше 0,5 мас. % необидно додатково передбачити 0,5 год витримки при старшш.
Висновки
Результати роботи засввдчили необхвдшсть коригу-вати часов! параметри режим!в терм!чно! обробки си-
лумiнiв, отриманих шляхом рециклшгу, залежно вiд BMiCTy найшидлившо! домiшки - залiза, що пов'язано 3i значною к1льк1стю залiзовмiсних iнтерметалiдiв в CTpyKTypi, ix несприятливою морфолопею та великими pозмipами, а, вщповщно, i бiльш тривалим часом для проходження дифyзiйних пpоцесiв.
Список лтератури
1. Золотаревский В. С. Металловедение литейных алюминиевых сплавов / В. С. Золотаревский, Н. А. Белов. -М. : МИСИС, 2005. - 376 с.
2. Ali Reza Eivani. Modeling of Microstructural Evolution During Homogenization and Simulation of Transient State Recrystallization leading to Peripheral Coarse Grain Structure in Extruded Al-4.5-Zn-1Mg Alloy : (doctoral thesis) [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http:// discover.tudelft. nl:8888/recordview/
view?recordId=aleph%3A000362070&language=en.
3. Influence of heat treatment on the precipitation of the intermetallic phases in commercial AlMnlFeSi alloy : 11th Intrnational Scientific Conference «Achievments in Mechanical & Materials Science» [Електронний ресурс] / M. Warmuzek, G. Mrowka, J. Sieniawski. - Режим доступу: http://www.journalamme.org/papers_amme02/ 11127.pdf.
4. Шепелева Л. В. Модиф^вання порошком штриду титану та теpмiчна обробка багатокомпонентних доевтек-тичних силумтв : автореф. дис. на здобуття наук. сту-пеня канд. техн. наук : спец. 05.16.01 «Металознавство та теpмiчна обробка металiв» / Л. В. Шепелева. - К., 1993. - 19 с.
5. Пат 44463 Украша, МПК (2009) С22В 1/00 С22В 9/00. Флюс для оброблення алюмшевих сплавiв / Волчок I. П., Мгаев О. А., Островська А. С., Скуйбща О. Л. ; влас-ник Запоpiзьк. нац. техн. ун-т. - № u200902450 ; заявл. 19. 03. 2009; опубл. 12. 10. 2009, Бюл. №19.
6. Пат 42653 Украша, МПК (2009) С22С 1/00. Модифжа-тор алюмтевих сплавiв / Волчок I. П., Мгаев О. А., Островська А. С., Скуйбща О. Л. ; власник Запоpiзьк. нац. техн. ун-т. - № u200902454; заявл. 19. 03. 2009; опубл. 10. 07. 2009, Бюл. №13.
Одержано 01.12.2015
Скуйбида Е.Л., Волчок И.П. Усовершенствование процессов термической обработки вторичного силумина АК8М3
Исследовано влияние временных параметров термической обработки на механические свойства сплава АК8М3, полученного рециклингом лома и отходов производства. Была установлена возможность существенного улучшения качества вторичных силуминов при увеличении времени выдержки при закалке и старении согласно концентрации железа в сплаве.
Ключевые слова: силумин, механические свойства, закалка, старение.
Skuibeda E., Volchok L Improving the processes of heat treatment of secondary silumin AK8V3
Influence of temporal parameters of heat treatment on mechanical properties of the alloy АК8М3, obtainedfrom scrape and waste was investigated. The possibility of significant improvement of quality of secondary silumins by increasing the time of quenching and aging according to iron concentration in the alloy was revealed.
Key words: silumin, mechanical properties, quenching, aging.
ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2015
53
