CC BY
20
_ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ _
Научный редактор раздела докт. техн. наук В.В. Захаров
УДК 669.715
DOI: 10.24412/0321-4664-2023-1-6-11
ВЛИЯНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОТЖИГА ПЕРЕД ЗАКАЛКОЙ НА СВОЙСТВА ПЛАКИРОВАННЫХ ЛИСТОВ ИЗ СПЛАВА АК4-1ч, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ПО ТЕХНОЛОГИИ ОАО «КУМЗ»
Александр Викторович Разинкин1, канд. техн. наук, Сергей Иванович Яковлев1, Татьяна Викторовна Мальцева1,2, канд. техн. наук, доцент
1ОАО «КУМЗ», Каменск-Уральский, Свердловская область, Россия 2УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия, e-mail: for_mtv01@mail.ru
Аннотация. Алюминиевые сплавы по-прежнему остаются одними из самых широко применяемых в авиастроении. Теплопрочный сплав АК4-1ч обладает оптимальным комплексом механических, коррозионных и технологических свойств, а также ресурсных характеристик и применяется в авиастроении как конструкционный материал в виде листов, плит, поковок и штамповок.
Приводятся результаты исследований различных режимов термической обработки плакированных листов из сплава АК4-1ч толщиной 1,0 мм, применяемых в промышленности. Полученные данные позволяют разработать стабильную технологию производства плакированных листов из сплава АК4-1ч в состоянии поставки T (Т1).
Ключевые слова: сплав АК4-1ч; система Al-Cu-Mg; плакированный лист; отжиг; закалка; старение; свойства
The Effect of Additional Annealing Before Quenching on the Properties of Clad Sheets from AK4-1ch Alloy Manufactured According to the Technology of Kamensk-Uralskiy Metallurgical Plant Stock Co. Cand. of Sci. (Eng.) Alexander V. Razinkin, Sergey I. Yakovlev, Cand. of Sci. (Eng.), Associate Professor Tatyana V. Maltseva
1JSC «KUMZ», Kamensk-Uralsky, Sverdlovsk region, Russia
2Educational Institution of Higher Education Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Yekaterinburg, Russia, e-mail: for_mtv01@mail.ru
Abstract. In the context of the development of new classes of materials, aluminum alloys remain ones of the most widely used in the aircraft industry. AK4-1ch alloy has an optimum combination of mechanical and corrosion properties, processing characteristics and long-term performances and it is used in the aircraft industry as the main structural material in the form of sheets, plates, open forgings and die forgings.
The results of studies of different conditions for heat treatment of 1.0 mm thick clad sheets made of industrial AK4-1ch alloy are presented. The data obtained make it possible to develop a stable technology for production of clad sheets from Ak4-1ch alloy in the delivery state T (T1).
Key words: AK4-1ch alloy; Al-Cu-Mg alloys; clad sheet; annealing; hardening aging; properties
Введение
В условиях развития новых классов материалов одними из самых широко применяемых в авиастроении служат алюминиевые сплавы. Жаропрочные деформируемые алюминиевые сплавы применяются в авиастроении благодаря своей легкости и комплексу необходимых эксплуатационных характеристик, таких как высокая прочность, сопротивление усталостному разрушению и коррозионным воздействиям. Для современной авиационной техники предусмотрена длительная эксплуатация (60 000 летных часов), при которой детали должны выдерживать циклические нагрузки, перепады температуры и атмосферное воздействие [1-3].
Алюминиевый сплав АК4-1ч по своему химическому составу близок к традиционным ду-ралюминам, содержит основные легирующие присадки меди и магния, а также специальные добавки железа и никеля. Они практически не растворяются в алюминии, приводя к небольшому увеличению прочности сплава, снижая его пластичность. Однако при повышенных температурах такая гетерогенность сплава АК4-1ч положительно сказывается на его механических характеристиках. Немаловажно также соотношение массовых долей железа и никеля в сплаве, поскольку его максимальные прочностные характеристики обнаруживаются при соотношении металлов 1:1 [1].
Материал и методика
Сплав АК4-1ч - основной жаропрочный сплав средней прочности, широко используемый в виде плит, листов, штамповок, поковок, профилей и применяемый в греющихся авиационных конструкциях, в том числе для изготовления деталей двигателей. Благодаря высоким значениям жаропрочности, длитель-
ной прочности и сопротивления ползучести, из сплава АК4-1ч изготавливают лопатки компрессоров, крыльчатки, диски и кольца турбореактивных и турбовинтовых двигателей, поршни двигателей и другие кованые детали, работающие при повышенных температурах. Кроме того, сплав очень технологичен [1-3].
Химический состав сплава приведен в табл. 1.
Согласно нормативным документам завода установлено предельное содержание железа 1,1-1,3 %, никеля 1,1-1,2 % в сплаве, который используется в производстве листов. При меньшем содержании железа и никеля уровень механических свойств, как правило, получается ниже требований стандарта или на предельных значениях по техническим условиям.
Из-за предъявляемых новых требований потребителей продукции (механические свойства, размер зерна, ограничения по химическому составу) возникает необходимость в разработке современных технических решений для создания технологии производства продукции.
Результаты исследования
В работе рассмотрен опыт завода по разработке стабильной технологии производства плакированных листов из сплава АК4-1ч в состоянии поставки Т (Т1).
Известно, что плакированные листы толщиной менее 1 мм включительно рекомендуется выдерживать при температуре закалки минимальное время, чтобы не допустить диффузии меди в плакирующий слой [4]. При нагреве под закалку плакированных листов медь и магний из сплава диффундируют в плакирующий слой, что может привести к снижению защитных антикоррозионных свойств плакирующего слоя и ухудшению внешнего вида листа. Поэтому длительность пребывания плакированных по-
Химический состав (% мас.) листов из сплава АК4-1чАТ (Al - основа) Таблица 1
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Ni
0,16 1,3 2,5 0,02 1,7 <0,01 0,06 0,05 1,2
По ГОСТ 4784-2019
0,10-0,25 0,9-1,30 1,9-2,7 - 1,3-1,8 - 0,01 0,04-0,10 0,9-1,2
луфабрикатов при температуре нагрева под закалку должна быть допустимо минимальной.
В литературе приведены данные о том, что термическая обработка по режиму: закалка после нагрева при 535 ± 5 °С и искусственное старение при 190 ± 5 °С до 10 ч, обеспечивает высокие механические свойства листов из сплава АК4-1 при комнатной и повышенных температурах [6, 7].
Цель работы - изучение влияния дополнительного отжига перед закалкой на свойства плакированных листов из сплава АК4-1ч, изготовленных по технологии Каменск-Уральского металлургического завода.
Для изготовления листов использовали серийные заготовки из сплава АК4-1ч размером 400^1320x4200 мм. Размеры готовой продукции 1,0x1200x3000 мм. Листы изготовлены согласно ТУ1-92-47-77 «Листы из алюминиевого сплава АК4-1ч с нормальной плакировкой».
Слитки под горячую прокатку нагревали на 450-460 °С в соответствии с требованиями нормативных документов. Горячую прокатку слитков проводили за один нагрев в рулон. Степень деформации 97 %, скорость прокатки от 60 до 220 м/мин. Толщина рулона после горячей прокатки 6,0 мм. Холодную пластическую деформацию проводили со средней скоростью по проходам 250 м/мин и суммарной степенью деформации 83 %, с промежуточным технологическим отжигом в середине цикла холодной прокатки при 380-400 °С и выдержкой 30 мин, охлаждение с печью до температуры 260 °С со скоростью не более 30 °С/ч.
В лабораторных условиях исследовали различные режимы термической обработки плакированных листов из сплава АК4-1ч толщиной 1 ,0 мм, применяемых в промышленности для производства листов согласно технологическим инструкциям и рекомендациям ВИАМ.
Принятая технология термической обработки листов - это комбинация следующих технологических операций: отжиг 420-430 °С с выдержкой 3 ч; закалка 530 ± 5 °С с выдержкой от 5 до 10 мин; искусственное старение 185-205 °С с выдержкой от 5 до 14 ч [4, 8].
Используемый в работе отжиг листов по указанному режиму перед закалкой приводит к увеличению размера зерна и дает возможность достигнуть соответствия требованиям технических условий [5].
После анализа всех результатов работы в лаборатории и литературных данных, учитывая заводской опыт производства плакированных листов, были рассмотрены два принципиальных режима термической обработки.
Режим I: отжиг 420-430 °С, 3 ч + закалка 530 °С, 10 мин + старение 185-195 °С, 14 ч.
Режим II: закалка 530 °С, 10 мин + старение 185-195 °С, 14 ч. Отжиг перед закалкой не проводили.
После закалки листы правили растяжением с деформацией не менее 1 % в соответствии с требованиями ТУ 1-92-77.
Режим отжига был подобран в результате опытных работ, проведенных ранее на заводе.
Образцы из листов сплава АК4-1ч размером 1x1200x3000 мм исследовали по следующей схеме:
- определение химического состава;
- исследование микроструктуры;
- определение размера зерна;
- определение толщины и качества плакирующего слоя;
- определение механических свойств в поперечном направлении;
- испытания листа на расслаивающую коррозию;
- испытания листа на межкристаллитную коррозию.
Химический состав определяли атомно-эмиссионным методом согласно ГОСТ 7727-81 «Сплавы алюминиевые. Методы спектрального анализа» при помощи спектрометра. Химический состав листа не выходит за пределы требований ГОСТ 4784-2019 для сплава марки АК4-1ч (см. табл. 1).
Микроструктура продольного сечения листа из сплава АК4-1ч после обработки по режимам I и II соответствует деформированному, термообработанному состоянию (рис. 1).
Определение размера зерна. Количественный металлографический анализ структуры листов проводили по ГОСТ 21073-75. Листы толщиной 1,0 мм из сплава АК4-1ч в состоянии Т1 имеют достаточно однородную мелкозернистую рекристаллизованную микроструктуру со средним размером зерна 25 мкм. Качественного различия в структуре образцов, обработанных по режимам I и II, нет.
б
Рис. 1. Микроструктура продольного сечения
листа из сплава АК4-1чАТ, обработанного по режимам I (а) и II (б)
Определение толщины и качества плакированного слоя. В соответствии с требованиями ОСТ1 90047-72 «Определение толщины и качества плакировки на полуфабрикатах из алюминиевых сплавов» контролировали качество плакировки на наличие диффузии меди в плакирующий слой. Минимальная толщина плакирующего слоя у листов толщиной до 1,0 мм должна составлять не менее 0,02 мм (требование 4,0-6,5 %).
После обработки по режиму I толщина плакированного слоя 6,5 %, после обработки по режиму II - 6,2 %, что соответствует требованиям нормативной документации. Качество плакирующего слоя соответствует предъявляемым требованиям; «усики», показывающие зону
диффузии, идущие из середины листа в плакирующий слой, прерываются не дойдя до плакирующего слоя полуфабриката (см. рис. 1).
Механические свойства листов из сплава АК4-1ч толщиной 1,0 мм после закалки 530 °С (выдержка 10 мин) + старение 190-200 °С (выдержка 14 ч), с предварительным отжигом 425 °С (выдержка 3 ч) и без отжига приведены в табл. 2.
Разница в механических свойствах связана с влиянием отжига и со структурными изменениями, протекающими во время и после него.
Важным элементом в оценке коррозионного поведения сплава является определение видов коррозионного поражения. Эффективность определения нормативных коррозионных характеристик была подтверждена исследованиями образцов листов из сплава АК4-1ч толщиной 1,0 мм.
Испытания на расслаивающую коррозию проводили по ГОСТ 9.904-82 до полного удаления плакирующего слоя с обеих сторон. Критериями оценки стойкости сплава при РСК являются: характер изменения внешнего вида образца, площадь с отслоениями на каждой поверхности образца, суммарная длина торцов с трещинами.
РСК образцов из листов сплава АК4-1 толщиной 1,0 мм после закалки и старения составляет 4 балла, после предварительного отжига снижается сопротивление РСК и составляет 5 баллов. При этом сопротивление РСК должно определятся баллом не выше 5.
Внешний вид образцов из листа толщиной 1,0 мм сплава АК4-1ч после испытаний на РСК представлен на рис. 2.
Предварительный отжиг (рис. 2, б, г) привел к ухудшению внешнего вида образцов, увеличилась площадь с отслоениями на каждой поверхности.
Испытания на чувствительность к меж-кристаллитной коррозии образцов листов
Таблица 2
Механические свойства листов
из сплава АК4-1ч толщиной 1,0 мм
Режим обработки ав, МПа 0Р МПа 8, %
I 406 317 10,5
II 394 309 12,6
ТУ1-92-47 387 314 6
а б в г
Рис. 2. Внешний вид образцов из листа толщиной 1,0 мм из сплава АК4-1ч после испытаний на РСК:
а - режим I с удалением плакировки; б - режим II с удалением плакировки; в - режим I с плакировкой; г - режим II с плакировкой
из сплава АК4-1ч проводили по ГОСТ 9.021 (табл. 3).
Характерная микроструктура образцов (толщина листа 1,0 мм) испытаний на МКК приведена на рис. 3.
Коррозионное поражение при дополнительном воздействии температуры - предварительном отжиге, незначительно увеличивается, что соответствует литературным данным [9]. Но
в целом полученные экспериментальные данные по РСК и МКК показали, что их значения удовлетворяют критериям годности листа толщиной 1,0 мм из сплава АК4-1ч.
Таблица 3 Результаты испытания листа толщиной 1,0 мм на МКК
Вид образца Характер коррозии Глубина проникновения МКК, мм (тах) Распространение коррозии по краю шлифа, %
Режим I
С плакировкой Питтинг и МКК 0,052 Практически по всему краю шлифа
Без плакировки 0,298
Режим II
С плакировкой Питтинг и МКК 0,031 Практически по всему краю шлифа
Без плакировки 0,225
Рис. 3. Характерная микроструктура образцов листа толщиной 1,0 мм из сплава АК4-1ч:
а - режим II с плакировкой; б - режим II без удаления плакировки; в - режим I с плакировкой; г - режим I без удаления плакировки
Заключение
Сравнение двух режимов термической обработки листов толщиной 1,0 мм из сплава АК4-1ч показало, что микроструктура продольного сечения листа после обработки по указанным режимам соответствует деформированному, термообработанному состоянию; размер зерна одинаков; механические свойства выше нормативных значений и практически одинаковы.
Испытания на расслаивающую коррозию показали, что предварительный отжиг привел к ухудшению внешнего вида образцов, увеличилась площадь с отслоениями на каждой исследуемой поверхности.
Испытания на межкристаллитную коррозию показали незначительное увеличение коррозионного воздействия после отжига, закалки и старения.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
- предварительный отжиг при температуре 420-430 °С, с выдержкой 3 ч перед закалкой и искусственным старением может проводиться только для получения требуемых характеристик неплоскостности листов, для снижения в них внутренних напряжений, в остальных случаях проведение отжига нецелесообразно;
- разработанная в ОАО «КУМЗ» технология изготовления плакированных листов из сплава Ак4-1ч без промежуточной термической обработки (отжига) перед операцией закалки рекомендуется для использования.
Более подробно изучение влияния предварительного отжига перед закалкой и искусственным старением на изменение структуры и других свойств сплава АК4-1ч - тема для дальнейшего исследования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каблов Е.Н. Материалы для авиакосмической техники // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2007. № 5. С. 7-27.
2. Каблов Е.Н. Авиационное материаловедение в XXI веке. Перспективы и задачи // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2007. № 1. С. 2-10.
3. Каблов Е.Н. Авиакосмическое материаловедение // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. № 3. С. 2-14.
4. Колобнев И.Ф. Термическая обработка алюминиевых сплавов. М.: Металлургиздат, 1963. 414 с.
5. Филлипов М.А., Бараз В.Р., Гервасьев М.А. Методология выбора металлических сплавов и упрочняющих технологий в машиностроении: учебное пособие в 2 т. Т. II. Цветные металлы и сплавы. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2013. 236 с.
6. Фридляндер И.Н., Добромыслов А.В., Ткачен-ко Е.А., Сенаторова О.Г. Перспективные высокопрочные материалы на алюминиевой основе // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 7. С. 17-23.
7. Алиева С.Г., Альтман М.Б., Амбарцумян С.М. и др. Промышленные алюминиевые сплавы. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1984. 528 с.
8. Селиванов А.А., Антипов К.В., Асташкин А.И., Овсянников Б.В. Оптимизация режимов искусственного старения кованых и катаных полуфабрикатов из жаропрочного алюминиевого сплава АК4-1ч // Труды ВИАМ. 2018. № 4. http://viam-works.ru/
9. Синявский В.С., Вальков В.Д., Калинин В.Д. Коррозия и защита алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1986. С. 36.
REFERENCES
1. Kablov E.N. Materialy dlya aviakosmicheskoj texniki // Vse materialy. Entsiklopedicheskiy spravochnic.
2007. № 5. S. 7-27.
2. Kablov E.N. Aviatsionnoe materialovedenie v XXI veke. Perspektivy' i zadachi // Vse materialy. Entsiklopedicheskiy spravochnic. 2007. № 1. S. 2-10.
3. Kablov E.N. Aviakosmicheskoe materialovedenie // Vse materialy. Entsiklopedicheskiy spravochnic.
2008. № 3. S. 2-14.
4. Kolobnev I.F. Termicheskaya obrabotka alyumi-nievykh splavov. M.: Metallurgizdat, 1963. 414 s.
5. Fillipov M.A., Baraz V.R., Gervas'ev M.A. Metodolo-giya vybora metallicheskix splavov i uprochnyayushix texnologij v mashinostroenii: uchebnoe posobie v 2 t. Т. II. Tsvetnye metally I splavy. Ekaterinburg: Izdatelstvo Uralskogo universiteta, 2013. 236 s.
6. Fridlyander I.N., Dobromyslov A.V., Tkachen-ko E.A., Senatorova O.G. Perspektivnye vysoko-prochnye materialy na alyuminievoj osnove // Metall-ovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2005. № 7. S. 17-23.
7. Alieva S.G., Altman M.B., Ambarczumyan S.M. i dr. Promyshlennye alyuminievye splavy. 2-e izdannie, pererab. i dop. M.: Metallurgiya, 1984. 528 s.
8. Selivanov A.A., Antipov K.V., Astashkin A.I., Ovsy-annikov B.V. Optimizatsiya rezhimov iskusstven-nogo stareniya kovanykh i katanykh polufabrikatov iz zharoprochnogo alyuminievogo splava AK4-1ch // Trudy VIAM. 2018. № 4. http://viam-works.ru/
9. Sinyavskij V.S., Val'kov V.D., Kalinin V.D. Korroziya i zas^^Mta alyuminievykh splavov. M.: Metallurgiya, 1986. S. 36.
