CC BY
17
_ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ _
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Е.Б. Качанов
УДК 669.715
001: 10.24412/0321-4664-2021-1-18-23
ВЫСОТНАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ МАССИВНЫХ ПРЕССОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Валерий Владимирович Захаров, докт. техн. наук, Виктор Владимирович Телешов, докт. техн. наук, Лариса Анатольевна Снегирева, канд. техн. наук
Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, [email protected]
Аннотация. Представлены результаты научно-технологической работы, направленной на разработку технологии получения прессованных массивных профилей из высокопрочного алюминиевого сплава на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с прочностью около 700 МПа и относительным удлинением в высотном направлении более 3 %. Для достижения поставленной цели была изменена структура профилей: уменьшена объемная доля избыточных фаз с 4 до 0,2 %, изменен тип зеренной структуры с полностью перекристаллизованной до сильно полигонизо-ванной, соответствующей началу рекристаллизации, и уменьшена интенсивность кристаллографической текстуры. В результате получены профили с высотной пластичностью 6-8 % и сохранением прочности в продольном направлении 700 МПа.
Ключевые слова: высокопрочный алюминиевый сплав, прессованные массивные профили, высотная пластичность
High Plasticity of Massive Extruded Semi-Finished Products Made from High-Strength Aluminum Alloys. Dr. of Sci. (Eng.) Valery V. Zakharov, Dr. of Sci. (Eng.) Victor V. Teleshov, Cand. of Sci. (Eng.) Larisa A. Snegireva.
All-Russia Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, [email protected]
Abstract. The results of scientific and technological work aimed at developing a technology for producing extruded massive shapes from Al-Zn-Mg-Cu high-strength alloy having the strength of about 700 MPa and elongation in the vertical direction of more than 3 % are presented. In order to achieve this goal, the structure of the profiles was changed as follows: the volume fraction of excess phases was reduced from 4 to 0.2 %, the type of the grain structure was changed from the completely recrystallized structure to the highly polygonized one, corresponding to the beginning of recrystallization, and the intensity of the crystallo-graphic texture was reduced. As a result, the shapes were obtained with a high plasticity of 6-8 % and their strength in the longitudinal direction was kept on the level of 700 MPa.
Key words: high-strength aluminum alloy, extruded massive shapes, high ductility
Введение
Проблема высотной пластичности деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов - это старая проблема, которой уже не один десяток лет, и особенно актуальна она для полуфабрикатов из высокопроч-
ных алюминиевых сплавов. Типичные значения высотной пластичности (относительного удлинения) для массивных прессованных изделий из алюминиевых сплавов с прочностью 600-700 МПа составляют 1-2 % [1-4]. При этом средние значения относительного удлинения в продольном направлении этих же по-
луфабрикатов колеблются в пределах 8-12 %. В табл. 1 представлены средние механические свойства массивного прессованного квадратного прутка из высокопрочного сплава В96Ц1 в состоянии Т1, полученного по отработанной промышленной технологии.
Среднее значение относительного удлинения в высотном направлении составляет 1,8 %, а в продольном 7 %. Потребителей полуфабрикатов часто не устраивает такая высокая анизотропия пластичности, и они ставят перед металлургами задачу существенно повысить высотную пластичность даже за счет уменьшения относительного удлинения в продольном направлении.
Перед авторами стояла задача получить массивные прессованные профили из опытного высокопрочного сплава системы Д!-2п-Мд-Си с высотным удлинением более 3 %, то есть типичные значения относительного удлинения с показателями должны составлять 4-6 %. В опытном сплаве уменьшено содержание «тяжелых» легирующих компонентов меди и цинка по сравнению со сплавом В96Ц1 и повышено содержание «легкого» магния. В результате плотность сплава снизилась с 2,9 до 2,8 г/см3 (почти на 4 %) при сохранении высокого уровня прочностных свойств.
Результаты экспериментов и их обсуждение1
Из опытного сплава были отлиты слитки диаметром 310 мм по принятой для сплавов Д!-2п-Мд-Си технологии, и после гомогени-зационного отжига отпрессован массивный профиль толщиной 63 мм. В табл. 2 представлены механические свойства закаленных и искусственно состаренных профилей.
Продольные свойства профиля достаточно высокие как прочностные, так и пластические. Образцы разрушаются после заметной пластической деформации при небольшой разнице между пределом прочности и пределом текучести. Поверхность разрушения наклонена к оси образца под углом 45°. Высотные свойства низкие. Предел текучести нельзя было определить из-за отсутствия пластического течения металла. Удлинение близко к нулю. Поверхность разрушения состоит из отдельных площадок, вытянутых в направлении прессования.
Исследование структуры слитков и профилей показало следующее. Зеренная структура закаленных профилей полностью нерекри-сталлизованная, исходные литые зерна вытянуты в направлении прессования и разбиты на многочисленные субзерна. Объемная доля избыточных фаз, также вытянутых в направлении прессования, составляет 4 %. С помощью приставки к сканирующему электронному микроскопу эти фазы были идентифицированы, как фазы Д! (2п, Мд, Си), Д! (Ре, Б1, Си) и Д1ТЮе (рис. 1). Используя дифференциальную сканирующую калориметрию, определили критическую температуру, соответствующую началу оплавления - 484 °С (рис. 2).
Базируясь на результатах исследования структуры, было принято решение целенаправленно изменить структуру закаленных профилей для повышения высотных свойств, в следующем порядке:
1, Уменьшение объемной доли избыточных фаз, вытянутых в направлении прессования и снижающих высотную пластичность.
2, Изменение зеренной структуры с полностью перекристаллизованной (полигонизованной) на структуру, соответствующую началу рекристаллизации.
1В работе принимали участие коллективы литейной лабораторий № 1, НТБ производства легких сплавов, сектора МФИ испытательного центра.
Таблица 1
Средние значения механических свойств прессованного квадратного прутка из сплава В96Ц1 Т1
Направление вырезки образцов ав, МПа а0,2, МПа 8, % V, %
Продольное 660 630 7,0 19
Высотное 555 545 1,8 4,5
Таблица 2
Средние фактические механические
свойства массивного профиля
из опытного сплава А!-2п-Мд-Си
в закаленном и искусственно
состаренном состоянии
Направление
вырезки ав, МПа а 02 МПа 8, %
образцов
Продольное 720 710 7,2
Высотное 355 - 0
Рис. 1. Идентификация избыточных фаз в слитках из опытного сплава А!-2п-Мд-Си
3, Уменьшение интенсивности кристаллографической структуры, получение смешанной текстуры.
С целью уменьшения объемной доли избыточных фаз, прежде всего, было снижено содер-
жание цинка на 1 %, так как большая часть избыточных фаз в закаленных профилях - фаза А1 (2п, Мд, Си), содержащая большое количество этого элемента. Было снижено также допустимое количество примесей железа и кремния. Для более полного растворения избыточных фаз изменили режим гомогенизации, для чего использовали высокотемпературную двухступенчатую гомогенизацию с температурой второй ступени, близкой к температуре начала оплавления - 470 °С. Температуру нагрева под обработку на твердый раствор повысили до 475 °С. В результате осуществления комплекса вышеназванных мероприятий объемная доля избыточных фаз в закаленных профилях снизилась с 4 до 0,2 %.
Для изменения типа зеренной структуры закаленных профилей и перехода к частично рекристаллизованной структуре (структуре, соответствующей началу рекристаллизации) варьировали температурно-скоростные условия прессования. С целью обоснованного выбора условий прессования была построена диаграмма структурного состояния опытного сплава с использованием установки Gleeble 3800. На рис. 3 представлена диаграмма структурного состояния опытного сплава, на которой имеются три области различных структурных состояний, в том числе обширная область смешанной структуры. Область захватывает ши-
мкВ
Д 3"Д0 | ТГ--Г---— ■
»
Г 7 -
/ ■
' _ ■ —1 л ■ м
и 1М (ч га а» ж IX 4м ш К |Ц их
Профиль в состоянии Т1
Т, "С
Рис. 2. Кривые дифференциальной сканирующей калориметрии гомогенизированного слитка и прессованного профиля из опытного сплава А!-2п-Мд-Си
t,° с
400
350
300
250 О
1 / /
у
4>
Ч>-
Ч>
НУ
С
Ч>
200 С—
Ю-3 Ю-2
-о-
ш
Ю"1
Ч)
-4У
НУ
-о-1
Ч)
Ч)
-о 10
8, С
Рис. 3. Диаграмма структурных состояний опытного сплава Al-Zn-Mg -Cu после обработки на твердый раствор и закалки в воде:
I - область нерекристаллизованной структуры; II - область рекристаллизованной структуры; III - область смешанной структуры
Рис. 4. Структура закаленного профиля с нерекристаллизованной в основном структурой. Зарождение новых рекристаллизованных зерен около частиц избыточных фаз, х200
Рис. 5. Рентгенограммы образцов, взятых из профилей, отпрессованных без подпрессовки (а) и с подпрессовкой (б)
рокий температурно-скоростной диапазон деформации. Однако в реальных условиях прессования на горизонтальных прессах усилием 50 и 80 МН даже при снижении температуры нагрева до 250-270 °С не удалось получить смешанной (рекристаллизованная + нерекри-сталлизованная) структуры. Структура фактически была нерекристаллизованная, хорошо полигонизованная и соответствовала самой начальной стадии рекристаллизации (рис. 4).
Другим важным, возможно, ключевым мероприятием, направленным на повышение высотной пластичности, стал переход на прессование с предварительной распрессовкой. Заготовки диаметром 290 мм после высокотемпературной двухступенчатой гомогенизации прессовали из контейнера диаметром 360 мм. Процесс деформации заготовок проходил в две стадии. Сначала заготовку распрессо-вывали в контейнере пресса до диаметра контейнера (54 % деформации). Затем начинался собственно процесс прессования с прямым истечением металла с вытяжкой 24,5. Это позволило уменьшить интенсивность текстуры и добавить новую текстурную компоненту (рис. 5). Изменение характера текстуры внесло свой положительный вклад в уменьшение анизотропии механических свойств.
Под обработку на твердый раствор профили нагревали в вертикальной закалочной печи в садках из 5-7 профилей. Для полного растворения избыточных фаз температуру нагрева в закалочной печи поддерживали в пределах 467-475 °С. После закалки профили правили растяжением и искусственно старили на максимальную прочность по режиму 120 °С в течение 16 ч.
Механические свойства профилей, изготовленных из опытного сплава уточненного
состава по описанной выше технологии, представлены в табл. 3.
В высотном направлении относительное удлинение составило 6,8 и 8 % при прочности 600 МПа, в продольном направлении - 8,4 и 8,8 % при значительно более высокой прочности. Анизотропия относительного удлинения значительно уменьшилась.
На рис. 6 представлены кривые растяже-
Таблица 3
Средние механические свойства прессованных профилей из опытного сплава А!-2п-Мд-Си уточненного состава, полученных по усовершенствованной технологии
Условный номер профиля Направление вырезки образцов МПа МПа 8, %
1 Продольное 700 670 8,8
Высотное 600 510 8,0
2 Продольное 690 650 8,4
Высотное 600 510 6,8
ния разрывных образцов в продольном и в высотном направлениях. Величина зоны пластического течения (горизонтальные участки кривых) у продольных и высотных образцов практически одинаковые.
I
с
1
Осмотр изломов разорванных высотных образцов показал, что разрушение межкристал-литное, происходит под действием нормальных напряжений, относительное сужение небольшое (около 10 %). Почти вся деформация равномерно распределяется по рабочей части образца. На поверхности рабочей части видны следы пластической деформации.
Одним из обязательных условий для достижения большой высотной пластичности является поддержание высокой чистоты металла по неметаллическим примесям. При несоблюдении этого требования на границах зерен образуются дефекты в виде микрорасслоений, появляются включения окисных плен, формируется вторичная водородная пористость (рис. 7). Высотные свойства при этом катастрофически падают (табл. 4).
Владимир Иванович Добаткин еще в 60-е годы минувшего столетия писал, что проблема высотных свойств идентична проблеме чистоты металла. В настоящее время, когда все метал-
а б
Рис. 6. Кривые растяжения разрывных образцов из прессованного профиля в продольном (а) и высотном (б) направлениях
Фактические механические свойства профиля из опытного сплава, пораженного вторичной водородной пористостью Таблица 4
Номер Продольное направление Номер Высотное направление
образца 0в, МПа 00,2, МПа 8, % образца 0в, МПа 00,2, МПа 8, %
1 660 620 8,0 1 560 495 4,0
2 700 670 11,0 2 570 495 4,8
3 670 630 6,8 3 550 490 3,2
4 670 640 8,0 4 560 490 6,8
5 650 610 8,0 5 495 470 0,8
6 660 630 6,4 6 570 495 4,4
Рис. 7. Поверхность излома высотного разрывного образца профиля со вторичной водородной пористостью, § = 0,4 %
лургические заводы используют при литье слитков установки внепечного рафинирования, эта проблема не так актуальна. При исследовании разорванных высотных образцов была установлена прямая зависимость между снижением высотной пластичности и пораженностью сплава вторичной водородной пористостью. Содержание водорода по твердой пробе для сплавов Д!-2п-Мд-Си не должно превышать 0,20 см3/100 г металла. В противном случае возможно об-
разование вторичной водородной пористости и падение высотной пластичности.
Заключение
Уточнен химический состав алюминиевого сплава пониженной плотности и разработана технология получения массивных прессованных профилей с повышенной высотной пластичностью [5]. Относительное удлинение профилей в высотном направлении после термической обработки на максимальную прочность составляет 6-8 %, почти не уступая по величине относительному удлинению в продольном направлении.
Для повышения высотной пластичности профилей за счет оптимизации химического состава сплава (в рамках марки сплава), использования высокотемпературной гомогенизации, обработки на твердый раствор при подсолидусных температурах объемная доля избыточных фаз была уменьшена почти до нуля. Изменение условий прессования (пониженные температуры прессования, прессование с предварительной подпрессовкой) дало возможность получать закаленные профили с зеренной структурой на начальной стадии рекристаллизации и с рассеянной «серой» текстурой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Захаров В.В., Елагин В.И., Ростова Т.Д., Самарина М.В. Пути развития и совершенствования высокопрочных сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu // Технология легких сплавов. 2008. № 4. С. 7-14.
2. Сенаторова О.Г., Антипов В.В., Бронз А.В., Сомов А.В., Серебренникова Н.Ю. Высокопрочные и сверхпрочные сплавы традиционной системы Al-Zn-Mg-Cu, их роль в технике и возможности развития // Технология легких сплавов. 2016. № 2. С. 43-49.
3. Арчакова З.Н. и др. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Справ. изд. - 2-е изд. - М.: Металлургия, 1984. - 408 с.
4. Телешов В.В., Петров А.Д. Выявление структурных факторов, определяющих снижение пластичности полуфабикатов из деформируемых алюминиевых сплавов // Цветные металлы. 1989. № 4. С. 77-80.
5. Пат. 2733233 Российская Федерация, С1 МПК С22Р 1/053. Способ изготовления прессованных профилей из высокопрочных деформируемых алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu с добавками переходных металлов / Захаров В.В., Телешов В.В., Снегирева Л.А. и др.; патентообладатели ОАО «ВИЛС», АО «НИМИ им. В.В. Бахирева»; заявл. 13.08.2019; опубл. 30.09.2020. Бюл. № 28.
REFERENCES
1. Zakharov V.V., Yelagin V.l., Rostova T.D., Sama-rina M.V. Puti razvitiya i sovershenstvovaniya vyso-koprochnykh splavov sistemy Al-Zn-Mg-Cu // Tekh-nologiya lyogkikh splavov. 2008. № 4. S. 7-14.
2. Senatorova O.G., Antipov V.V., Bronz A.V., So-mov A.V., Serebrennikova N.Yu. Vysokoprochnyye i sverkhprochnyye splavy traditsionnoy sistemy Al-Zn-Mg-Cu, ikh rol v tekhnike i vozmozhnosti razvitiya // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2016. № 2. S. 43-49.
3. Archakova Z.N. i dr. Struktura i svoystva polufabrikatov iz alyuminiyevykh splavov. Sprav. izd. - 2-ye izd. - M.: Metallurgiya, 1984. - 408 s.
4. Teleshov V.V., Petrov A.D. Vyyavleniye strukturnykh faktorov, opredelyayushchikh snizheniye plastichnosti polufabikatov iz deformiruyemykh alyuminiyevykh splavov // Tsvetnyye metally. 1989. № 4. S. 77-80.
5. Pat. 2733233 Rossiyskaya Federatsiya, S1 MPK S22F 1/053. Sposob izgotovleniya pressovan-nykh profiley iz vysokoprochnykh deformiruyemykh alyuminiyevykh splavov sistemy Al-Zn-Mg-Cu s dobavkami perekhodnykh metallov / Zakharov V.V., Teleshov V.V., Snegireva L.A. i dr.; patentoobladateli OAO «VILS», AO «NIMI im. V.V. Bakhireva»; zayavl. 13.08.2019; opubl. 30.09.2020. Byul. № 28.
