автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование и разработка алюминиевого сплава для сверхпластической формовки с повышенными скоростями деформации

Актуальность работы

Повышение эффективности производства и качества изделий из алюминиевых сплавов в условиях мелко- и среднесерийного производства может быть обеспечено сверхпластической формовкой (СПФ) листовых заготовок с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой. По сравнению с традиционными методами получения таких изделий многооперационной листовой штамповкой СПФ обладает рядом преимуществ, к числу которых относятся низкие капиталозатраты и трудоемкость изготовления изделий, высокий коэффициент использования металла, возможность получения сложнопрофильных изделий на маломощном прессовом оборудовании и простой, дешевой оснастке.

В последние два десятилетия детали из алюминиевых сплавов все более часто находят применение в автомобилестроении. Предполагается, что к 2006 г. доля алюминия превысит по объему применения в автомобилях объем деталей из пластмасс и выйдет на второе место после стали. Интерес к использованию алюминия в автомобилестроении обусловлен перспективами снижения веса и, соответственно, экономии топлива. Используя сверхпластичные листы, можно из них методом СПФ получать детали сложной формы с требуемым уровнем эксплуатационных свойств. Однако применение СПФ в производстве повышенных объемов серийно производимых моделей автомобилей сдерживается тем, что легкодоступные в настоящее время сверхпластичные алюминиевые сплавы обладают невысокими скоростями сверхпластической деформации (СПД). Из-за этого детали средней сложности требуют для формовки около 30 мин. Поэтому актуальна разработка недорогого алюминиевого сплава и технологии получения из него листов, обладающего повышенными скоростями сверхпластической деформации, т.к. повышение скорости формовки хотя бы в 2 - 3 раза во столько же раз повышает производительность СПФ и делает ее конкурентно способной в среднесерийном производстве.

В работе в качестве объекта исследования были выбраны сплавы системы А1-М£-Мп (магналии). Эти сплавы относятся к термически неупрочняемым среднепрочным свариваемым сплавам и обладают высокими коррозионными свойствами.

Научная новизна

Показано, что введение добавки хрома к магналиям с концентрацией магния от 2 до 9% М£ приводит к проявлению сверхпластичности у всех этих магналиев, при этом с увеличением содержания магния в этих сплавах в присутствии хрома улучшаются показатели сверхпластичности: смещается интервал проявления сверхпластичности в сторону больших скоростей деформации, увеличивается показатель ш, снижается напряжение течения и увеличивается удлинение. Изучение микроэлектронограмм позволило выявить в структуре сплава АМгбсп после гомогенизации фазы А16(Мп, Сг) и А^СггМ^з. Методом количественного анализа показано, что добавка хрома не влияет на форму и размеры вторичных выделений после литья и гомогенизации, а различия в структуре конечного листа обусловлены отличиями в процессе деления дисперсоидов в время горячей и холодной прокатки. Электронно-микроскопическими исследованиями показано, что во время горячей деформации сплава с хром-марганцевым алюминидом деление выделившихся при гомогенизации частиц происходит по механизму фрагментации и сфероидизации цементита в стали, путем образования перетяжек и перемычек, а при холодной прокатке алюминиды в этом сплаве (АМгбсп) диспергируются более интенсивно, чем в сплаве АМгб. Выявлено, что фрагментация и сфероидизация хром-марганцевых алюминидов при горячей прокатке и последующее их диспергирование при холодной прокатке приводит к измельчению дисперсоидов до 60 нм, эти частицы создают условия для формирования более мелкого зерна. Электронно-микроскопическим анализом установлено, что в системе А1 - - Сг алюминиды хрома при гомогенизации выделяются по периферии дендритной ячейки, в отличие от системы А1 - Сг, где алюминиды выделяются в центре дендритной ячейки в соответствии с перитектической диаграммой состояния. Высокие показатели сверхпластичности листа из сплава АМгбсп объясняются более мелким зерном, замедленным его ростом и протеканием динамической рекристаллизации во время сверхпластической деформации.

Практическая значимость работы

Предложен сверхпластичный сплав - магналий, состава А1 - 6,3-6,8% М§ - 0,5-0,8% Мп - 0,2-0,35% Сг - 0,1% И, с повышенными показателями сверхпластичности, который был условно назван АМгбсп. Установлено, что при скорости охлаждения слитков из сплава АМгбсп меньше 10 К/с выделяются грубые первичные кристаллы алюминидов марганца и хрома, что делает невозможным получение структуры с мелким зерном. Исследована и разработана технологическая схема и режимы получения сверхпластичных листов из сплава АМгбсп. Технология получения листа для СПФ включает в себя традиционные операции: гомогенизационный отжиг, горячую прокатку, холодную прокатку с промежуточным рекристаллизационным отжигом. Показано, что использование алюминия марки А7 вместо А99 не сильно снижает показатели сверхпластичности сплава АМгбсп. Экспериментально изучены показатели сверхпластичности сплава АМгбсп в широком интервале скоростей и температур деформации и построена сплайн - матричная модель этих показателей, использование которой в сочетании с методом конечных элементов для описания поведения оболочки деформируемого материала, позволила рассчитывать графики формовки (давление газа - время) осесимметричных деталей. Эта сплайн-матричная модель опробована на двух сплавах (титановом ВТ6 и алюминиевом АМгбсп) применительно к формовке опытных деталей, на примере которых показано, что разработанный подход позволяет предсказывать форму детали в любой момент времени формовки и ее разнотолщинность с точностью не хуже 10%. ь

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

выводы

1. Показано, что введение добавки хрома к магналиям с концентрацией магния от 2 до 9% М§ приводит к проявлению сверхпластичности у всех этих магналиев, при этом с увеличением содержания магния в этих сплавах и с повышением количества хрома от 0,1 до 0,3% улучшаются показатели сверхпластичности: смещается интервал проявления сверхпластичности в сторону больших скоростей деформации, увеличивается показатель ш, снижается напряжение течения и увеличивается удлинение.

2. Электронно-микроскопическим анализом гомогенизированных слитков и изучением микроэлектронограмм показано, что хром не образует в сплавах системы А1-М£-Мп каких-либо новых дисперсоидов, ответственных за формирование структуры сверхпластичного состояния, выявлены только известные дисперсоиды - А1б(Мп, Сг) и А118Сг2Г^3. Установлено также, что в системе А1 - - Сг алюминиды хрома выделяются по периферии дендритной ячейки, в отличие от системы А1 - Сг, где алюминиды выделяются в центре дендритной ячейки в соответствии с перитектической диаграммой состояния.

3. Электронно-микроскопическим анализом с использованием количественных оценок показано, что добавка хрома не влияет на форму и размеры вторичных выделений после литья и гомогенизации, а различия в структуре конечных листов сплавов без хрома и с хромом обусловлены отличиями в процессах измельчения дисперсоидов.

4. Выявлено, что во время горячей деформации сплава с хром-марганцевым алюминидом деление выделившихся при гомогенизации частиц происходит по механизму фрагментации и сфероидизации цементита в стали, путем образования перетяжек и перемычек, а при холодной прокатке алюминиды в этом сплаве (А1-6,8%1^-0,7%Мп-0,3%Сг) диспергируются более интенсивно, чем в сплаве АМгб.

5. Выбран состав, исследована и оптимизирована технология получения сверхпластичных листов из сплава А1-6,8% М§-0,7% Мп-0,3% Сг-0,1 %Тл, включающая в себя: гомогенизационный отжиг при 480 °С, 6ч., горячую прокатку при 430 °С с обжатием 50%, холодную прокатку с обжатиями по 70% и промежуточным рекристаллизационным отжигом при 510 °С, ЗОмин.

6. Установлено, что при скорости охлаждения слитков из сплава АМгбсп меньше 10 К/с выделяются грубые первичные кристаллы алюминида марганца и хрома, что делает невозможным получение структуры с мелким зерном.

7. Показано, что сплав имеет перед началом СПД рекристаллизованную структуру с размером зерна 4-5 мкм и обладает высокими показателями сверхпластичности в интервале температур 500. 535 °С и скоростей деформации 10~4 - 10"2 с"1. Высокие показатели сверхпластичности листа из сплава АМгбсп объясняются более мелким зерном, замедленным его ростом и протеканием динамической рекристаллизации во время сверхпластической деформации.

8. Построена сплайн - матричная модель показателей сверхпластичности, разработанная экспериментами с титановым сплавом ВТ6 и т проверенная для алюминиевого сплава АМгбсп применительно к формовке модельных деталей, на примере которых показано, что в совокупности выбранный подход, сочетающий метод конечных элементов (программа БРЬЕИ фирмы КОММЕК) и сплайн -матричную модель свойств сверхпластичного материала, позволяет рассчитывать графики формовки (давление газа - время) и предсказывать форму осесимметричной детали в любой момент времени формовки и ее разнотолщинность с точностью не хуже 10%.

1. И.И. Новиков, В.К. Портной. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном. М.: Металлургия, 1981, с. 168.

2. М.В. Грабский. Структурная сверхпластичность металлов. Пер. с польск. М.: Металлургия, 1975, с. 270.

3. J.W. Edington. Physical metallurgy of superplasticity. Met. Tech. 1976, №3, p.138-153.

4. A.K. Ghosh, C.H. Hamilton. Influence of material parameters and microstructura of superplastic forming. Met. Trans. 1982, V.13A, №5, p.733-743.

5. T.G. Langdon. Mechanical properties of superplastic material. Met. Trans. 1982, V.13A, №5, p.689-701.

6. O.D. Sherby, J. Wadsworth. Superplasticity and superplastic forming processes. Mat. Science and Tech., 1985, v.l, №10, p. 925-936.

7. H. Пейтон, К. Гамильтон. Сверхпластическая формовка конструкционных сплавов. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1985, с. 143-164.

8. М. В. Грабский. Структурная сверхпластичность металлов. Пер. с польск. М.: Металлургия, 1975, с.57-58.

9. М.Х. Рабинович, О.А. Кайбышев, В.Г. Трифонов. Сверхпластичность сплава В96Ц. МиТОМ, 1978, №3, с. 55-56.

10. В.К. Портной. Роль оптимизации гетерогенности в подготовке ультрамелкозернистой структуры сверхпластичных сплавов. Изв. Вузов. Цветная металлургия, 1985, №1,с. 93-107.

11. Дж. Мартин, Р. Доэрти. Стабильность микроструктуры металлических систем: Пер. с англ.- М.: Атомиздат, 1978, с. 280.

12. И.И. Новиков, В.К. Портной. Особенности сверхпластической деформации некоторых алюминиевых сплавов. Известия Вузов. Цветная Металлургия 2001, №4, стр.4-11.

13. О.А. Кайбышев. Сверхпластичность промышленных сплавов, М.: Металлургия, 1984, с.263.

14. T.G. Langdon. An evolution of the strain contributed by grain boundary sliding in superplasticity. Mater. Sci. Eng. 1994, A 174, p.225-230.

15. C.E. Pearson. J. Inst. Met., 1934,v. 54, p 111-123.

16. И.И. Новиков. Дефекты кристаллического строения металлов. М.: Металлургия, 1975, с. 280.17.