автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Структура и механические свойства жидкоштампованных заготовок из алюминиевого сплава Д16

29.03.2011 № 11505 - 1 дсп

4840911»

Халнкова Гульнара Рашитовна

СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОШТАМПОВАННЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА Д16

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (Машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2011

1 2 МАЙ 2011

4845509

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте проблем сверхпластичности металлов РАН, Уфа

Научный руководитель: кандидат технических наук

Трифонов В. Г.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Астанин В. В.

кандидат технических наук Литвинов А. В.

Ведущая организация: ОАО «Агрегат», г. Сим,

Челябинская область

Защита состоится « 26 » мая 2011 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.080.02 при Учреждении Российской академии наук Институте проблем сверхпластичности металлов РАН (450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Ст. Халтурина, 39).

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по адресу: 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Ст. Халтурина, 39, ученому секретарю диссертационного совета.

Факс: + 7 (347) 282-37-59

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПСМ РАН

Автореферат разослан « (Х( »

2011 г.

Ученый секретарь диссертационного сопстя

доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие современного машиностроения, в первую очередь, обусловлено и связано с разработкой и использованием высокопроизводительных металл «сберегающих технологий, повышающих качество деталей. В связи с этим в последнее время возрос интерес к технологическим процессам литья, в которых металлы и сплавы кристаллизуются под давлением. Одним из таких процессов является жидкая штамповка, которая совмещает в одной операции литье и горячую объемную штамповку. При этом основной особенностью жидкой штамповки является приложение и действие давления па кристаллизующийся материал, начиная с температурной области расплава и заканчивая температурной областью сплава в полностью твердом состоянии.

Жидкой штамповке, главным образом, подвергаются литейные алюминиевые сплавы, преимущественно силумины, которые обладают высокой жидкотекучестыо и малой усадкой. Это позволяет изготавливать детали сложной формы с довольно высокими для литейных сплавов механическими свойствами. Для того чтобы дополнительно повысить уровень свойств необходимо применять сплавы, обладающие повышенной конструкционной прочностью. К таким сплавам относятся деформируемые термоупрочняемые алюминиевые сплавы, однако жидкотекучесть таких сплавов невысока. Решением проблемы может являться разработка новой технологической схемы изготовления деталей, основанной на способе жидкой штамповки. При этом превалирующий вклад в процесс будет вносить горячее деформирование закристаллизовавшейся твердой фазы. Такая технологическая схема может заключаться в непрерывном формообразовании в условиях жидко-твердого/твердого состояния.

Цель работы: на примере деформируемого алюминиевого сплава Д16 оценить потенциал повышения уровня механических свойств с учетом выявленных структурных изменений, происходящих в жидко-твердом и твердом состоянии, и разработать технологическую схему обработки на основе жидкой штамповки.

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1) Изучить влияние режимов жидкой штамповки (величины приложенного давления и температуры штамповой оснастки) на структуру и механические свойства сплава.

2) Исследовать механическое поведение и изменение структуры сплава, подвергнутого жидкой штамповке, при последующей горячей деформации в интервале температур 530...460 °С.

3) Предложить феноменологическую модель, описывающую формирование структуры сплава в условиях жидко-твердого/твердого состояния.

4) Разработать технологическую схему получения заготовок на основе жидкой штамповки.

5) Продемонстрировать практическую возможность применения разработанной технологической схемы на примере изготовления заготовок автомобильных колес.

Научная новизна.

1) Установлены закономерности структурных изменений алюминиевого сплава Д16 в зависимости от режимов жидкой штамповки. Показано, что при температурах штамповой оснастки 300...400 °С и при всех исследованных давлениях (105...705 МПа) после термической обработки на максимальную прочность на периферии заготовок наблюдается смешанная структура, состоящая из слоя мелких рекристаллизованных зерен, слоя крупных вытянутых зерен с развитой субструктурой внутри и дендритных кристаллов. Рекристаллизованная структура формируется в результате горячей деформации при температурах 520...500°С и степенях деформаций > 0,14 за счет усадки материала при кристаллизации.

2) Выявлены закономерности изменения механических свойств сплава Д16 в зависимости от режимов жидкой штамповки с последующей термообработкой на максимальную прочность. Отмечено, что увеличение давления (от 105 до 705 МПа) и температуры штамповой оснастки (от 200 до 400 °С) приводят к росту уровня прочностных характеристик сплава до значений, наблюдаемых в горячедеформированном состоянии.

3) Разработана феноменологическая модель, описывающая особенности формирования структуры сплава Д16 в условиях жидко-твердого/твердого состояния. Модель демонстрирует формирование рекристаллизованных зерен по границам дендритных кристаллов, происходящее в результате развития непрерывной динамической рекристаллизации в местах наибольшей локализации пластической деформации при зернограничном проскальзывании.

Практическая значимость.

1) Определены режимы жидкой штамповки (давление 420 МПа и температура штамповой оснастки 400 °С) с последующей термической обработкой на максимальную прочность, обеспечивающие высокий уровень прочностных свойств (<тв = 455 МПа, Сто,2 = 365 МПа) и удовлетворительную пластичность (5 = 5%) сплава Д16.

2) Разработана технологическая схема изготовления заготовок из сплава Д16 путем непрерывного формообразования в условиях жидко-твердого/твердого состояния, основанная на способе жидкой штамповки.

3) Продемонстрирована практическая возможность изготовления заготовок автомобильных колес согласно разработанной технологической схеме.

4) Разработаны технологические рекомендации «Изготовление заготовок автомобильных колес из алюминиевых сплавов методом жидкой штамповки».

На защиту выносятся:

1) Закономерности влияния режимов жидкой штамповки на формирование структуры и механические свойства алюминиевого сплава Д16.

2) Результаты исследования влияния высоких гомологических температур при горячей деформации на структурные изменения и механические свойства сплава Д16, подвергнутого жидкой штамповке.

3) Феноменологическая модель, описывающая структурные изменения, происходящие в сплаве Д16 в жидко-твердом/твердом состоянии.

4) Технологическая схема непрерывного формообразования заготовок в жидко-твердом/твердом состоянии, основанная на способе жидкой штамповки.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Планом НИР Учреждения Российской академии наук Института проблем сверхпластичности металлов РАН по теме: «Исследование влияния температурно-силовых параметров кристаллизации под высоким давлением на структуру, формируемую в условиях жидко-твердого перехода, и механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов» (№ гос. per. 01200703958).

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Международных семинарах «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов» - «ДСМСМС - 2005» и «ДСМСМС-2008» (18-22 апреля 2005г, 10-14 апреля 2008г, Екатеринбург), I и II открытых школах-конференциях стран СНГ «Ультрамелкозернистые и нанострукгурные материалы - 2008» (4-9 августа, 2008г, 11-15 октября, 20 Юг, Уфа), III международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» («DFMN - 2009») (12-15 октября 2009г., Москва), Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (27-28 октября 2009г., Уфа), 5-ом Всероссийском зимнем школе-семинаре аспирантов и молодых ученых (с международным участием) «Актуальные проблемы науки и техники» (17-20 февраля 2010г., Уфа), XI Международном школе-семинаре «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (ЭДС -2010) (Об - 10 сентября 2010г., Барнаул).

Вклад автора. Соискатель лично проводил исследования процессов структурообразования в сплаве Д16, оценивал их механические свойства после жидкой штамповки и горячей деформации, а также принимал непосредственное участие в интерпретации и обсуждении результатов экспериментов, подготовке и написании статей.

Достоверность результатов диссертационной работы обусловлена использованием взаимодополняющих методов исследования микроструктуры при достаточной статистической обработке. Оценка механических свойств сплава проведена в соответствии с ГОСТ 1497 - 84 и ГОСТ 9450 - 76.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 8 научно-технических публикациях, из них - 2 статьи в изданиях, включенных в перечень журналов, рекомендованных ВАК.

Структура и обьем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 115

страницах, содержит 48 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 145 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введешш обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы. Сформулированы ее цель, научная новизна и практическая значимость.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В первом разделе рассмотрены особенности и основные методы реализации кристаллизации металлов и сплавов под давлением, достоинства и недостатки. Отмечено, что наиболее экономически целесообразной технологической схемой среди методов кристаллизации под высоким давлением является жидкая штамповка.

Во втором разделе проанализировано влияние давления при кристаллизации на изменение диаграммы состояния сплавов. Сделан вывод о том, что изменением давления, как основным фактором, влияющим на скорость охлаждения расплава, можно регулировать структуру сплава.

В третьем разделе показано положительное влияние давления при кристаллизации на макро- и микроструктуру сплавов, что значительно повышает их эксплуатационные и технологические свойства. Однако остается невыясненным вопрос об эффективности упрочнения деформируемых алюминиевых сплавов, поскольку существующие литературные данные значительно различаются.

В четвертом разделе рассмотрены механизмы структурообразования алюминиевых сплавов при горячей деформации. Описаны основные режимы и факторы развития в них процессов полигонизации и(или) рекристаллизации. Проанализированы условия и природа непрерывной динамической рекристаллизации, обеспечивающие формирование в сплаве мелкозернистой структуры.

В заключении сформулированы частные задачи исследования.

ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве материала исследования был взят промышленный деформируемый алюминиевый сплав Д16, химический состав которого указан в таблице 1 и соответствует ГОСТ 4784 - 97.

Таблица 1 - Химический состав сплава Д16

Сплав Содержание химических элементов, вес. %

А1 Си м8 Мп 81 Ре Ъъ Т1

Д16 основа 4,80 1,22 0,76 0,30 0,29 0,13 0,06

Заготовки цилиндрической формы (диаметром 86 мм и высотой 60 мм) получали жидкой штамповкой. Расплав заливали в подогреваемую штамповую

оснастку, смонтированную на гидравлическом прессе ДГ 2436 усилием 4000 кН. Температура штамповой оснастки составляла 200, 300 и 400 °С и определяла скорость охлаждения расплава. Давление, приложенное к расплаву, варьировали от 10 до 705 МПа и поддерживали в течение 2,5 мин. За это время процессы кристаллизации полностью завершались.

Для описания процессов структурообразования в твердой фазе, происходящих во время жидкой штамповки и при последующей горячей деформации, проводили осадку образцов при температурах 530, 520, 500 и 460 °С на машине «Schenck RMC-100». В первом случае истинная степень деформации составила 0,14 и соответствовала величине усадки расплава при кристаллизации. Во втором - истинная степень деформации составила 0,35. Начальная скорость деформации - 2x103 с'1. При этом образцы вырезали по направлению приложения внешнего давления к кристаллизующемуся расплаву из центральной и периферийной частей жидкоштампованных заготовок, полученных при давлении 420 МПа и температуре штамповой оснастки 400 °С.

Впоследствии жидкоштампованные заготовки и горячедеформированные образцы подвергали термической обработке на максимальную прочность.

Металлографический анализ осуществляли на оптических микроскопах «Neophot - 32», «Nikon LI 50», «Axiovert -100 А» с системой анализа изображения «KS-3» и на растровом электронном микроскопе (РЭМ) «JEOL JXA - 6400». Относительная ошибка определения параметров микроструктуры не превышала 12 % при доверительной вероятности 75 %.

Изменение кристаллографической разориентировки зерен определяли с использованием РЭМ «JEOL JSM - 840», оснащенном приставкой фирмы «INCA Crystal». Для получения достоверных данных анализировали 5 полей на каждое состояние сплава.

Природу и состав частиц первичных интерметаллидных фаз определяли, используя цветную металлографию и энергодисперсионный анализ с применением РЭМ «JEOL JSM - 840», оснащенном приставкой фирмы «INCA Crystal» и программой «INCA Energy 350».

Тонкую структуру сплава наблюдали в просвечивающем электронном микроскопе «JEOL - 2000 EX».

Механические испытания на растяжение цилиндрических образцов, вырезанных из жидкоштампованных заготовок по направлению приложения давления, проводили при комнатной температуре согласно ГОСТ 1497-84 на универсальном динамометре «Instron- 1185».

Фрактографические исследования поверхности разрушения образцов проводили на РЭМ «JEOL JXA - 6400» и «JEOL JSM - 840».

Анализ деформационного рельефа, формирующегося на полированной поверхности осаженных образцов, в 2D изображении проводили на РЭМ «JEOL JXA - 6400» и в 3D - на сканирующем зондовом микроскопе «Ntegra Prima».

Измерения микротвердости по Викерсу (HV) проводили согласно ГОСТ 9450-76 с помощью микротвердомера «Micromet 5101», оснащенном программой «Buehler Omnimet».

ГЛАВА 3 ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ЖИДКОЙ ШТАМПОВКИ

И ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

В данной главе рассмотрены закономерности структурных изменений, происходящих в сплаве, в зависимости от режимов жидкой штамповки: величины давления, приложенного к кристаллизующемуся расплаву, и температуры штамповой оснастки. Показано, что в сплаве при жидкой штамповке с последующей термообработкой на максимальную прочность формируется либо дендритная, либо смешанная структура. Продемонстрирована возможность повышения уровня прочности в сплаве до значений, наблюдаемых в горячедеформированном состоянии.

Макроструктура жидкошталтованных заготовок. Кристаллизация при минимальном давлении (ЮМПа), приложенном к кристаллизующемуся расплаву, приводит к формированию в заготовке усадочной раковины. Дополнительное увеличение давления (105 МПа и выше) приводит к тому, что жидкая фаза полностью заполняет образующиеся пустоты, формируя заготовку без усадочных дефектов. Однако в центральной части продольных макрошлифов, полученных при давлениях 105...705 МПа и температурах штамповой оснастки 200 и 300 °С, имеет место зональная ликвация.

Жидкоштампованные заготовки с отсутствием зональной ликвации кристаллизуются при давлениях 105...705 МПа и температуре штамповой оснастки 400 °С.

Макроструктура полученных жидкоштампованных заготовок характеризуется наличием двух зон кристаллизации: по краю - зона столбчатых дендритных кристаллов, в центральной части - зона равноосных дендритных кристаллов. Нагрев штамповой оснастки до 200 °С и выше не приводит к формированию мелкокристаллической зоны вблизи наружной поверхности заготовок, в отличие от макроструктуры, наблюдаемой в большинстве случаев кристаллизации отливок с высокими скоростями охлаждения.

Влияние режимов жидкой штамповки на изменение ширины зоны столбчатых кристаллов показано на рисунке 1 (а). С повышением температуры штамповой оснастки происходит увеличение ширины этой зоны, а затем ее уменьшение. Это связано с тем, что скорость роста кристаллов в направлении теплоотвода с увеличением температуры штамповой оснастки сначала возрастает в связи с ускорением процессов диффузии, затем снижается из-за уменьшения движущей силы процесса кристаллизации.

В зависимости от режимов жидкой штамповки с последующей термической обработкой в сплаве формируется либо дендритная, либо смешанная микроструктура.

Дендритная микроструктура. Увеличение давления, приложенного к расплаву, с 105 до 210 МПа резко уменьшает размер равноосных дендритных кристаллов (рис. 1 (б)). Это связано с ускоренными процессами охлаждения, во-первых, в результате устранения газовоздушного зазора между стенкой штамповой оснастки и заготовкой в процессе усадки и, во-вторых, с

воздействием дополнительного переохлаждения под действием приложенного давления к кристаллизующемуся расплаву.

200 400 600 800 Давление, МПа

s 3500

ж

\ 3000 в Í. о § 2500

| * 1500

I 1 1000

<J £

(а)

200 400 600 Давление, МПа

0 200 400 600 800

Давление, МПз (В)

Рисунок I - Влияние величины давления при жидкой штамповке и температуры штамповой оснастки на изменение ширины зоны столбчатых кристаллов (а), средний размер равноосных дендритных кристаллов (б) и объемную долю частиц интерметаллидных фаз (в)

При достижении давления 210 МПа дополнительное увеличение скорости охлаждения расплава оказывается невозможным из-за высокой скорости кристаллизации, поэтому средний размер равноосных кристаллов практически не меняется.

С повышением температуры штамповой оснастки средний размер дендритных кристаллов увеличивается, достигая максимума при 300 °С, а затем при 400 °С незначительно снижается

Исследование тонкой структуры показало наличие ячеек и субзерен. Границы ячеек представляют собой сложные скопления дислокаций, состоящие как из переплетающихся между собой дислокаций, так и дислокационных стенок. Внутри дислокационных ячеек наблюдаются одиночные дислокации.

Смешанная микроструктура. Жидкая штамповка при давлениях 105...705 МПа и температурах штамповой оснастки 300 и 400 °С в сочетании с последующей термической обработкой приводят к формированию на периферии заготовок структуры, несвойственной для литого состояния, обычно получаемой при жидкой штамповке (рис. 2). Такая структура включает в себя слой мелких зерен (шириной 150...2300 мкм), который располагается на поверхности заготовок, и слой крупных вытянутых зерен с развитой субструктурой внутри, который находится между мелкозернистой структурой и зоной столбчатых дендритных кристаллов.

Рисунок 2 - Смешанная микроструктура на периферии жидкоштампованных заготовок

Наименьший средний размер мелких зерен ~ 13 мкм и наибольшая их объемная доля ~ 5 % наблюдаются при следующих режимах жидкой штамповки: давление 420 МПа и температура штамповой оснастки 400 °С.

Согласно ЕВ5П) анализу в участках с мелкозернистой структурой преобладают зерна с высокоугловыми границами, в которых присутствует большое количество дислокаций, связанных с протеканием деформации, имеющей место при усадке материала во время кристаллизации. Внутри крупных вытянутых зерен преобладают малоугловые границы.

Поскольку кристаллизация начинается с периферии заготовок, то и наибольшая степень деформации закристаллизовавшегося материала

наблюдается на периферии. Чем больше ширина затвердевшего слоя, тем степень деформации меньше. В центре заготовок деформация практически отсутствует. При больших давлениях, достаточных не только для получения формы при кристаллизации, но и для деформирования в твердом состоянии, в заготовке формируется структура в соответствии со степенью деформации. В кромке имеет место мелкозернистая рекристаллизованная структура, в центре остается дендритная, между ними - крупные вытянутые зерна.

Фазовый состав. Согласно оценке объемной доли (рис. 1 (в)) и удельной поверхности частиц интерметаллидных фаз (СиА12, СиМ§А12, Си2(Мп,Ре)4А17 и (Мг],Ре,Си)351А1,2), их количество в сплаве уменьшается с увеличением давления и с ростом температуры штамповой оснастки. Это может быть связано с тем, что с ростом давления при кристаллизации возрастает легированность твердого раствора, что, в свою очередь, приводит к снижению объема частиц интерметаллидных фаз.

Механические свойства. Механические свойства сплава после жидкой штамповки и последующей термообработки, измеренные при комнатной температуре, демонстрируют тенденцию к росту прочностных характеристик и относительного удлинения с увеличением температуры штамповой оснастки (рис. 3), приблизив их уровень к значениям, наблюдаемым в горячедеформированном состоянии. Повышение прочности сплава обусловлено, по всей видимости, увеличением легированности твердого раствора, а уменьшение объемной доли частиц интерметаллидных фаз приводит к росту относительного удлинения.

С ростом давления, приложенного к расплаву, значения прочностных характеристик сплава сначала возрастают вследствие уменьшения значений среднего размера равноосных дендритных кристаллов, а затем снижаются из-за уменьшения в сплаве объемной доли частиц интерметаллидных фаз.

О 200 400 еоо 800 Давление, МПа

7

У • - 1

> .

юж-

200°С

-т- зоо°с

-О- 400°С X штамповка (справочные данные)

0 200 400 600 800

Давление, МПа

0 200 400 600 800

Давление, МПа

Рисунок 3 - Влияние величины давления и температуры штамповой оснастки на изменения механических свойств сплава в жидкоштампованных заготовках при комнатной температуре

Изучение поверхности разрушения образцов свидетельствуют о более вязком изломе заготовок, закристаллизованных при давлениях 105 МПа и выше, в сравнении с заготовками, закристаллизованными при минимально изученном давлении - 10 МПа (рис. 4).

Рисунок 4 - Поверхность разрушения жидкоштампованных образцов, полученных при давлении 10 МПа и температуре 200 °С (а) и при давлении 420 МПа и температуре 400 °С (б)

Таким образом, на основании проведенных исследований определены режимы жидкой штамповки (давление 420 МПа и температура штамповой оснастки 400 °С) в сочетании с последующей термической обработкой на максимальную прочность, которые обеспечивают в сплаве следующий уровень механических свойств: ов = 455 МПа, а0.2 = 365 МПа и 5 = 5 %. Также при этих режимах в сплаве формируется смешанная структура, состоящая из мелких рекристаллизованных зерен со средним размером -13 мкм и крупных зерен с развитой субструктурой внутри.

ГЛАВА 4 ВЛИЯНИЕ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ

НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВА В ЖИДКОШТАМПОВАННЫХ ЗАГОТОВКАХ

В этой главе рассмотрено влияние горячей деформации на структурные изменения сплава с исходной дендритной и смешанной структурой. Предложены схемы формирования смешанной структуры в условиях жидко-твердого/твердого состояния. Показано, что горячая деформация жидкоштампованных заготовок приводит к снижению микротвердости сплава на 10. ..12 %.

Механическое поведение. Кривые истинное напряжение - истинная степень деформации (5-е) сплава с дендритной структурой изменяются с разупрочнением, что типично для механизма дислокационного скольжения. Кривые деформации 5-е сплава со смешанной структурой изменяются с меньшим разупрочнением (при температуре 460 °С) и без разупрочнения (при температурах 500 и 520 °С). Значения напряжения течения ниже, чем напряжения течения сплава с дендритной структурой. Коэффициент скоростной чувствительности при температуре 520 °С увеличивается с 0,12 до

0,24 с ростом скорости деформации от 4,9 х 10"4 с"1 до 1,5x10"2 с'. Такое поведение сплава характерно при действии механизма зернограничного проскальзывания (ЗГП).

Изменения при горячей деформации в сплаве с дендритной структурой. При температуре деформации 520 °С в сплаве по границам дендритных кристаллов имеют место области с мелкозернистой структурой. При температурах 530, 500 и 460 °С в дендритных кристаллах формируется (суб)зеренная структура.

Мелкозернистая структура формируется по механизму непрерывной динамической рекристаллизации в результате локализации пластического течения в приграничных областях дендритных кристаллов. Такая локализация деформации происходит в результате ЗГП, что было подтверждено смещением и поворотом рисок, а также наличием «ступенек» по их границам при исследовании рельефа поверхности деформированных образцов.

Изменения при горячей деформации в сплаве со смешанной структурой. В сплаве со смешанной структурой в результате деформации при 520 и 500 °С процессы динамической рекристаллизации протекают более активно в сравнении со сплавом с дендритной структурой. Наиболее активное формирование новых зерен наблюдается при температуре 500 °С. В этом случае их объем увеличивается в 2...2,5 раза при достижении истинной степени деформации 0,35 (рис. 5). Такое формирование структуры обусловлено интенсивным развитием ЗГП, которое имеет место в мелкозернистой области.

При температуре деформации 460 °С формирование новых рекристаллизованных зерен не обнаружено. В сплаве имеет место полигонизация.

■ к ? "

,

• V

' \ :

-V

50 ш

Рисунок 5 - Панорамный снимок жидкоштампованной заготовки с исходной смешанной структурой после горячей деформации при температуре 500 СС

Структурные изменения, происходящие в условиях жидко-твердого/твердого состояния. Схемы, описывающие формирование смешанной структуры в условиях жидко-твердого/твердого состояния представлены на рисунке 6.

Под действием внешнего давления со стороны прессующего пуансона происходит деформирование закристаллизовавшихся слоев заготовки. При малых скоростях охлаждения расплава деформирование дендритных

кристаллов идет одновременно с фронтом кристаллизации от периферии к центру заготовки.

1,'С

■ : : 530 "С 020 С

расплав

|сн.|(»!1 ншо (фист.г.ш

HfiBi.it'

рскрисга.1. и< *о»а ниме К'рна

500 "С

460 "С

ПИ

,, расстояние от края отливки

дендритный кристалл

[^-полигокизованныи кристалл рскрис**и1поми™нс

О -рекристалльлзованное зерно н-рнд

Рисунок 6 - Схемы структурных изменений, происходящих в условиях жидко-твердого/твердого состояния

В процессе деформации в интервале температур 520...500 °С по границам закристаллизовавшихся дендритных кристаллов происходит локализация пластического течения в результате ЗГП. Локализация деформации в приграничных областях ведет к образованию новых малоугловых границ раздела, разбивая участки дендритного кристалла на мелкие разориентированные области. Постепенное увеличение степени деформации при кристаллизации увеличивает их разориентации, приводя, в конечном итоге, к формированию новых рекристаллизованных зерен по механизму «непрерывной» динамической рекристаллизации.

Локализация пластического течения при ЗГП на границе раздела между мелкозернистой и крупнозернистой структурами активизирует процессы рекристаллизации, в результате которой граница раздела интенсивно перемещается в сторону участка с крупнозернистой структурой.

Влияние горячей деформации на микротвердость. Исследованы образцы, вырезанные из центральной и периферийной частей жидкоштампованной заготовки, осаженные при температуре 520 °С на истинную степень деформации 0,35. Показано, что микротвердость сплава в образцах после горячей деформации ниже, чем в жидко штампованном состоянии. Микротвердость сплава в центральной части заготовки снижается с П 5 до 104 НУ, на периферии - с 130... 137 до 120 НУ. Причина снижения

микротвердости заключается в растворении первичных частиц интерметаллидных фаз в процессе горячей деформации.

Таким образом, в сплаве с исходной дендритной структурой динамическая рекристаллизация и формирование смешанной структуры протекают при температуре деформации 520 °С. В сплаве с исходной смешанной структурой динамическая рекристаллизация и формирование новых мелких зерен происходят при температурах 520 и 500 °С.

ГЛАВА 5 ИЗГОТОВЛЕНИЕ АВТОМОБИЛЬНОГО КОЛЕСА

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПОСОБА ЖИДКОЙ ШТАМПОВКИ

В этой главе показана практическая возможность изготовления заготовок автомобильных колес по разработанной технологической схеме.

Технологическая схема. На основании проведенных структурных исследований и анализа механических свойств предложена технологическая схема изготовления заготовок из сплава Д16, которая основывается на способе жидкой штамповки и заключается в непрерывном формообразовании в условиях жидко-твердом/твердом состояния (рис. 7).

Согласно предложенной технологической схеме разработаны технологические рекомендации «Изготовление заготовок автомобильных колес из алюминиевых сплавов методом жидкой штамповки» и продемонстрирована практическая возможность изготовления заготовок автомобильных колес из сплава Д16 размером 12 дюймов с отсутствием усадочных раковин и зональной ликвации.

Рисунок 7 - Технологическая схема непрерывного формообразования заготовок в жидко-твердом/твердом состоянии

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Изменение температуры штамповой оснастки при всех исследованных давлениях при кристаллизации с по следующей термической обработкой

позволяют получить в жидкоштампованных заготовках сплава Д16 либо дендритную (при 200 °С) либо смешанную структуру (при 300...400 °С). Смешанная структура состоит из крупных дендритных кристаллов, слоя мелких рекристаллизованных зерен, формируемых на поверхности заготовок, и слоя крупных зерен с развитой субструктурой внутри, расположенного между дендритными кристаллами и мелкими рекристаплизованными зернами. Наименьший средний размер рекристаллизованных зерен ~ 13 мкм и наибольшая их объемная доля ~ 5 % наблюдаются при следующих режимах жидкой штамповки: давление 420 МПа и температура штамповой оснастки 400 °С.

2. Увеличение давления с 105 до 705 МПа при жидкой штамповке и повышение температуры штамповой оснастки с 200 до 400 °С приводят к двукратному уменьшению объемной доли частиц интерметаллидных фаз (CuAI2, CuMgAU, Cu2(Mn)Fe)4A!7 и (Mn,Fe,Cu)3SiAli2) и более однородному их распределению.

3. Увеличение температуры штамповой оснастки от 200 до 400 °С при жидкой штамповке приводит к росту прочностных свойств сплава Д16, обусловленному, по всей видимости, увеличением легированности твердого раствора, и к увеличению пластичности за счет уменьшения объемной доли частиц интерметаллидных фаз. С ростом давления, прикладываемого к расплаву, от 105 до 705 МПа значения прочностных характеристик сплава Д16 сначала увеличиваются из-за резкого уменьшения среднего размера равноосных дендритных кристаллов, затем снижаются из-за уменьшения объемной доли частиц интерметаллидных фаз. Жидкая штамповка при давлении 420 МПа и температуре штамповой оснастки 400 °С в сочетании с термообработкой на максимальную прочность позволяют обеспечить сочетание высоких прочностных свойств (св = 455 МПа, с0.2= 365 МПа) и удовлетворительную пластичность (5 = 5%) сплава.

4. Разработана феноменологическая модель, описывающая особенности структурообразования в сплаве Д16, происходящего в жидко-твердом/твердом состоянии, когда в процессе жидкой штамповки превалирует горячая деформация. Модель поясняет формирование рекристаллизованных зерен по границам дендритных кристаллов, которое происходит в результате непрерывной динамической рекристаллизации при температурах 520...500 °С и степенях деформации > 0,14.

5. Предложена технологическая схема непрерывного формообразования заготовок из сплава Д16 в условиях жидко-твердого/твердого состояния, основанная на способе жидкой штамповки. Для формирования в сплаве мелкозернистой рекристаллизованной структуры рекомендовано совмещение в одной операции кристаллизации под давлением (давлении 420 МПа, температура штамповой оснастки 400 °С) и горячей деформации (температура 520...500 °С, степень деформации > 0,14).

6. Разработаны технологические рекомендации «Изготовление заготовок автомобильных колес из алюминиевых сплавов методом жидкой штамповки. ТР. 42 ИНЕБ -11». Продемонстрирована практическая возможность

изготовления заготовок автомобильных колес из сплава Д16 в условиях непрерывного формообразования в жидко-твердом/твердом состоянии.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Трифонов В.Г., Халикова Г.Р. Влияние различных условий жидкой штамповки на формирование структуры и механические свойства алюминиевого сплава Д16. Материалы III Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» //Томск, 2006. С. 218-222.

2. Халикова Г.Р., Трифонов В.Г. Влияние формирующейся при кристаллизации под высоким давлением структуры на прочностные характеристики деформируемых алюминиевых сплавов Д16 и В9бц // Перспективные материалы. 2009. Вып. 7. С.332 - 337.

3. Трифонов В.Г., Халикова Г.Р. Особенности формирования структуры в алюминиевом сплаве Д16 после различных условий жидкой штамповки // Материаловедение. 2009. № 7. С. 37-43.

4. Халикова Г.Р., Трифонов В.Г. Влияние параметров кристаллизации под высоким давлением на состав фаз в деформируемом алюминиевом сплаве Д16. Сб. науч. трудов «Межрегиональной научно-технической конференции памяти профессора Валеева К.А. «Актуальные проблемы естественных и технических наук» // Уфа: Изд-во «РИЦ БашГУ», 2009. С. 124 - 128.

5. Саитова Э.Н., Халикова Г.Р., Маркушев М.В., Трифонов В.Г. Особенности структуры алюминиевого сплава Д16, полученного жидкой штамповкой и последующей горячей деформацией. Сб. трудов «Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция» // Уфа: Изд-во «Уфимск. гос. аваиц. техн. ун-т», 2009. Том 2. С. 209 - 2 i 1.

6. Халикова Г.Р. Влияние условий непрерывного формообразования в жидко-твердом/твердом состоянии на механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов, востребованных в автомобильной промышленности. Сб. трудов «Пятого Всероссийского зимнего школы-семинара аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники». Машиностроение, электроника, приборостроение» // Уфа: Изд-во «Уфимск. гос. аваиц. техн. унта, 2010. Том 4. С. 322-325.

7. Халикова Г.Р., Саитова Э.Н., Трифонов В.Г., Маркушев М.В. Структурные изменения при горячей деформации алюминиевого сплава Д16, закристаллизованного под высоким давлением // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2010. Том 7. № 3. С. 53 - 56..

8. Трифонов В.Г., Халикова Г.Р. Технологические рекомендации. Изготовление заготовок автомобильных колес из алюминиевый сплавов // Уфа, 2011. Инв. № ТР. 42 ИНЕБ- П. 12 с.

Халикова Гульнара Рашитовна

СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОШТАМПОВАННЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА Д1 б

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (Машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 06.04.2011 г. Формат 60*80 1/16. Бумага офсетная. Печать оперативная. Гарнитура Times New Roman. Тираж 100 экз. Заказ № 70.

ООО «Издательский Дом «Чурагул» Г. Уфа, пр. Октября, 144/3, ком. 131 тел.: 8 - 927 - 32 - 48 - 360