автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Влияние прессования с малой вытяжкой и увеличенной сдвиговой деформацией на структуру и свойства полуфабрикатов из алюминиевых и магниевых сплавов

На правах рукописи

Меркулова Светлана Михайловна

Влияние прессования с малой вытяжкой и увеличенной сдвиговой деформацией на структуру и свойства полуфабрикатов из алюминиевых и магниевых сплавов

Специальность 05.16.09 -Материаловедение (металлургия)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 НОЯ 2014 005556111

Москва - 2014

А

005556111

Научный руководитель: Научный консультант: Официальные оппоненты:

Работа выполнена в ОАО «Всероссийский Институт Легких Сплавов» (ОАО «ВИЛС»)

Щербель Рафаил Давидович

кандидат технических наук Бер Леонид Борисович доктор технических наук Добаткин Сергей Владимирович

доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией металловедения цветных и легких металлов Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова Российской академии наук Хохлатова Лариса Багратовна кандидат технических наук, доцент, начальник сектора лаборатории алюминиевых деформируемых сплавов Федерального государственного унитарногс предприятия «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» ГНЦ РФ

Открытое акционерное общество «Композит» Московская область, г. Королев Защита состоится «24» декабря 2014 г. в 14— часов в ОАО «ВИЛС» н заседании диссертационного совета Д 403.008.01 по адресу: 121596 г. Москвг ул. Горбунова, 2, ОАО «ВИЛС».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ВИЛС» и на сайт http:/Avww.oao vils.ru.

Автореферат разослан <<jjh> 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 403.008.01

доктор технических наук _Бережной В.Л. |

Ведущая организация:

Щг

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для улучшения конечных свойств изделий авиационного, космического и судостроительного назначения исходные литые заготовки подвергают достаточно сильной пластической деформации с целью получения мелкозернистой структуры с раздроблением крупных частиц интерметалл идов.

Производство таких прессованных полуфабрикатов с мелкозернистой структурой - достаточно сложная задача, не всегда решаемая традиционными способами прессования. Этим обосновано использование в современном промышленном производстве интенсивной пластической деформации (ИПД) с увеличенной сдвиговой компонентой. Изучению этой проблемы посвящено множество работ таких ученых, как: Сегал В. М., Валиев Р. 3., Добаткин С. В., Охрименко Я. М., Бережной В. Л., Рааб Г. И., Копылов В. И., Щербель Р. Д., Bridgman Р. ЗспЬпег А. и др. Разработано большое количество способов деформирования без изменения или с небольшими изменениями поперечного сечения (с малой вытяжкой) малогабаритных заготовок при многоцикловом равноканальном угловом прессовании (РКУП). Однако, все эти разработки почти не используются в промышленности из-за их экономической неэффективности, особенно для крупногабаритных полуфабрикатов. В этом случае необходимо применять прессовое оборудование большой мощности.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы - исследование закономерностей процесса получения прессованных крупногабаритных полуфабрикатов из алюминиевых и магниевых сплавов с мелкозернистой структурой и повышенными механическими свойствами за счет использования увеличенной (позитивной) сдвиговой деформации при прессовании в условиях малой вытяжки.

Указанная цель может быть достигнута при последовательном решении следующих задач:

- разработка новых технологических схем и способов получения в промышленных условиях крупногабаритных полуфабрикатов из алюминиевых и

магниевых сплавов с увеличенной сдвиговой деформацией в условиях малой вытяжки;

- получение за счет дополнительной сдвиговой деформации прутков диаметром более 70 мм из алюминиевого сплава 1561 с мелкозернистой структурой (с размером зерна < 10 мкм) и, как следствие, с повышенными прочностными и пластическими характеристиками;

- разработка способа производства крупногабаритных полос из сплава МА2-1пч в условиях малой вытяжки с дополнительной сдвиговой деформацией в зоне матрицы (применение входных конусов, калибрующих поясков с различными углами наклона к оси прессования, внутренних расширяющихся камер), обеспечивающего формирование однородной структуры по объему полосы и малую анизотропию свойств.

Научная новизна.

1. Впервые в промышленных условиях предложен и осуществлен способ деформирования полуфабрикатов из алюминиевых и магниевых сплавов, в том числе, крупногабаритных, с увеличенной сдвиговой компонентой в условиях прессования с малой вытяжкой (1<А,<6, где X - вытяжка). Накопленная интенсивность сдвиговой деформации (Г) равна 5 для алюминиевых и 3,6 для магниевых сплавов. В случае серийной технологии Г<0,05. Способ осуществляется прессованием через оригинальные многоугловые матрицы и требует меньших усилий, чем в случае прессования по серийной технологии. Полуфабрикаты, полученные предложенным способом, благодаря увеличенной сдвиговой деформации, по сравнению с полуфабрикатами, полученными по серийной технологии, имеют более фрагментированную структуру и, как следствие, улучшенный комплекс механических свойств.

2. С применением просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, металлографии в поляризованном свете показано, что в полученных указанным способом прутках диаметром более 70 мм из сплава 1561 формируется нерекристаллизованная (полигонизованная) волокнистая структура с поперечными размерами волокна (зерна) менее 10 мкм и субзерен

0,2-Ю,5 мкм при почти 100 % фрагментации зерен в периферийных областях и ~ 50 % фрагментации зерен в центральных областях прутка.

3. В полученных таким образом полосах толщиной более 80 мм из сплава МА2-1пч сформирована частично рекристаллизованная (в основном, нерекристаллизованная (полигонизованная) структура, состоящая из отдельных субзёрен размером порядка нескольких микрон). Размер рекристаллизованного зерна составляет 20^70 мкм, что в два раза меньше, чем размер рекристаллизованного зерна (50-И00 мкм) в полуфабрикатах, полученных по традиционной технологии.

4. С помощью компьютерного моделирования с использованием программного комплекса «Т-FLEX® PARAMETRIC CAD» разработаны принципиально новый инструмент, отличающийся введением внутренних расширяющихся камер, и новые конструкции матриц, позволяющие усилить деформационную проработку металла и получить измельченную структуру.

Прессование по предлагаемому способу литых заготовок (диаметром 92 мм) из сплава 1561 на прутки диаметром 70 -н 85 мм (1,2 < X < 1,9) позволило уменьшить исходное литое зерно почти на два порядка (с 200^-250 мкм до 5-И0 мкм) и повысить временное сопротивление в прутках с 380 до 420 МПа при увеличении относительного удлинения с 17 до 22 %.

5. Предложены способы дополнительного увеличения сдвиговой деформации при производстве прутков из алюминиевых сплавов за счет истечения металла через разработанные матрицы со смещением оси прессования, путем введения винтовых участков, а также создания противодавления.

6. Предложена новая схема увеличения сдвиговой деформации при прессовании крупногабаритных полос из магниевых сплавов. Схема включает однократное последовательное прохождение заготовки через матрицу, в которой имеется 5^-6 деформирующих участков с различными углами наклона относительно оси прессования. Достигается измельчение структуры и рост относительного удлинения на 34 % по сравнению со значениями относительного удлинения полуфабрикатов, полученных по традиционной технологии.

Практическая значимость.

1. Разработана и опробована новая технологическая схема производства прутков и полос из алюминиевых и магниевых сплавов в условиях прессования с малыми вытяжками, включающая дополнительную сдвиговую деформацию в зоне матрицы. Новая схема позволила в алюминиевом сплаве 1561 повысить временное сопротивление и относительное удлинение на 10^-15 %, а в магниевом сплаве МА2-1пч - при сохранении высоких прочностных характеристик увеличить относительное удлинение с 13 до 18 %.

2. Использование предложенного способа аналитической оценки длин выходных и утяжинных участков прессованных полос позволило увеличить выход годного на 20 30 % по сравнению с промышленной технологией.

3. На горизонтальном гидравлическом прессе усилием 7,5 МН реализованы схемы прессования с дополнительной сдвиговой деформацией прутков из сплава 1561 с мелкозернистой структурой для применения в экраноплане «Лунь», судах на подводных крыльях типа «Комета», «Ирбис» и др. Получены два патента РФ №2385780 и №2386506.

Предложен и опробован метод определения необходимого количества циклов деформирования, позволяющих достичь оптимального соотношения прочности и пластичности в зависимости от требований, предъявляемых к конкретной продукции.

Осуществленная последовательно на нескольких участках деформация позволила в промышленных условиях на прутках из сплава 1561 одновременно повысить прочностные и технологические характеристики и при этом существенно снизить усилие прессования с 49 МН до 7,5 МН.

4. С помощью предложенной новой схемы прессования впервые в промышленных условиях на горизонтальных гидравлических прессах усилием 35 МН получены полосы сечением 185 х 80 мм из сплава МА2-1 пч с мелкозернистой структурой (~20мкм). Указанные полуфабрикаты переданы в ГКНПЦ им. М. В. Хруничева для использования в силовых конструкциях разгонного блока «БРИЗ-М» ракеты-носителя «Протон».

На защиту выносятся:

- условия формирования в массивных изделиях из алюминиевых и магниевых сплавов мелкозернистой структуры, достаточно равномерно распределенной по сечению. Благодаря этому указанные изделия имеют повышенный комплекс механических свойств;

- способы формирования мелкозернистой структуры в зависимости от последовательного изменения геометрии участков матрицы при условии малой вытяжки.

Апробация работы. Содержание диссертационной работы было изложено в сборнике научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Наука, образование, общество: проблемы и перспективы развития». - Тамбов. - 2013. - ч. 9. - С. 158-159; в статьях в журнале «Технология легких сплавов» - 2012. - № 4. - С. 103-109; 2013. - № 1. - С. 18-26. Работа выполнялась в соответствии со сводным планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ОАО «ВИЛС» по тематике: «Исследование температурно-деформационных параметров создания субмикроструктуры методом «простого сдвига»». По предварительным результатам были проведены патентные и конъюнктурные исследования, выпущены научно-технические отчеты, и получены патенты РФ № 2386506 «Устройство для прессования полуфабрикатов» и № 2385780 «Способ прессования полуфабрикатов».

Личный вклад соискателя. Соискатель принимал творческое участие в разработке технологических схем прессования с малыми вытяжками и функционально полезной сдвиговой деформацией на горизонтальных прессах; в конструировании соответствующего технологического инструмента и в осуществлении авторского надзора за его изготовлением; в проведении экспериментов в опытно-промышленных условиях, в изучении и сопоставительной оценке структуры и свойств полученных прутков и полос; в интерпретации и в обсуждении полученных результатов, в написании статей, а также в подготовке и подаче заявок на получение патентов РФ.

Степень достоверности результатов была гарантирована использованием современных методов и сочетанием взаимодополняющих исследовательских методик - просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, световой микроскопии, в т. ч. в поляризованном свете, количественной металлографии, химических методов анализа; механическими испытаниями, предусмотренных ГОСТ 24047-80, ГОСТ 1497-84 и ГОСТ 25503-97 и их статистической обработкой, удовлетворительной повторяемостью результатов экспериментов и согласованностью с результатами других авторов.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в двух статьях в изданиях, включенных в перечень журналов, рекомендованных ВАК, в материалах конференции и 2 патентах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы и 5-ти приложений. Работа изложена на 195 страницах (основная часть - 153 страницы), содержит 63 рисунка и 9 таблиц. Список литературы включает 137 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность проблемы получения полуфабрикатов с улучшенным уровнем свойств по сравнению с уровнем свойств полуфабрикатов, полученных по серийной технологии. Полуфабрикаты с улучшенным уровнем свойств предназначены для изделий авиационного, космического и судостроительного назначения. Определены направления исследований, дана общая характеристика работы, отмечены научная новизна и практическая значимость.

В 1 — ой главе рассмотрена история вопроса развития теории и практики ИПД в равноканальном инструменте (без изменения поперечного сечения полуфабрикатов). Выдвинута основная идея прессования с использованием в зоне специальных матриц функционально позитивной сдвиговой деформации в условиях малых вытяжек (1<А.<6) для получения массивных полуфабрикатов из алюминиевых и магниевых сплавов. В этом случае нелинейное истечение осуществляется при последовательных поперечно сдвигающих воздействиях

вглубь потока металла через матрицу, что создает условия для фрагментации и измельчения зеренной структуры.

Анализ научно-технической литературы свидетельствует, что исследования процессов ИПД, проводимые в настоящее время в России и за рубежом, в основном, осуществляются на прессах небольших усилий с использованием образцов малых сечений и в многоцикловом режиме (более 3Х-4Х). Для промышленного производства крупногабаритных полуфабрикатов с достаточно равномерно проработанной структурой по сечению такую технологию использовать не удается. Отсюда следует вывод о необходимости поиска новых способов интенсификации деформирования, которые позволили бы получать массивные полуфабрикаты в промышленных условиях с проработанной во всем объеме структурой и повышенными свойствами. При этом указанные способы деформирования должны быть приемлемы для использования на практике с точки зрения сохранения сплошности полуфабриката и достаточности имеющегося прессового оборудования. Сформулированы цель и задачи работы.

Во 2 — ой главе описаны используемые в работе методики расчета, позволяющие наиболее рационально конструировать прессовую оснастку, обозначены температурно-скоростные условия прессования.

Для прессования полуфабрикатов из алюминиевых и магниевых сплавов были рассчитаны и спроектированы с помощью программы автоматизированного проектирования «Т-FLEX® PARAMETRIC CAD» специальные матрицы с каналами, состоящими из нескольких участков, наклоненных под разными углами к оси прессования, с введением винтовых участков и внутренних расширяющихся камер.

Исследования проводили на двух промышленных сплавах: сплав 1561 состава Al-6,4%Mg-0,90%Mn-0,06%Zr - сплав используется в судостроительной промышленности для элементов несущих конструкций судов на подводных крыльях типа «Комета», «Ирбис» и экраноплана «Лунь»; и сплав МА2-1пч состава Mg-4,5%Al-0,24%Mn-0,95%Zn - сплав применяется для шпангоутов в

составных частях силовых конструкций разгонного блока «БРИЗ-М» ракеты-носителя «Протон».

Деформирование проводили на горизонтальных гидравлических прессах усилием 7,5 МН, 15 МН (фирмы «Hydraulik Duisburg»), 35 МН (фирмы «Southwark») и 49 МН (фирмы «Schloemann»).

Механические свойства определяли по ГОСТ 1497-84 на 3-^5 цилиндрических образцах при испытании на одноосное растяжение. Доверительный интервал определяли с вероятностью 95% (а = 0,05).

Исследование микроструктуры при увеличении до 1000 проводили на полированных и травленых шлифах на микроскопе Неофот-2. При больших увеличениях микроструктуру изучали в просвечивающем электронном микроскопе «JEOL-2000» при напряжении 130 кВ. Наличие рекристаллизации определяли с помощью рентгеновской съемки «на просвет» на установке УРС-2.0 в нефильтрованном МоКа-излучении (напряжение U= 30 кВ, сила тока 1 = 30 мА). Величину зерна (D3, мкм) определяли методом секущих (по измерению -300 зерен) в предположении, что зерна имеют сферическую форму, исходя из величины средней хорды (X) по формуле: D3 = 4/л • Хсрсдн.

В проектных разработках принимал творческое участие к.т.н. Р. И. Муратов, а в исследованиях микроструктуры - к.т.н. Т. Д. Ростова.

В 3 - ей главе приведены результаты исследования полученных полуфабрикатов из алюминиевого сплава 1561 для судостроительной техники с нерекристаллизованной (полигонизованной) структурой и повышенными механическими свойствами. Прессование в опытно-промышленных условиях проводили по двум технологическим схемам, основное отличие которых заключалось в форме и протяженности деформационно-калибровочной зоны инструмента. Диаметр прутков по схеме № 1 (рис. 1а) равен 70 мм (к = 1,84), а по схеме № 2 (рис. 16) - 85 мм (X = 1,25).

Результаты сравнения коэффициентов вытяжки и относительных деформаций для прутков, отпрессованных по опытной (после одного цикла) и серийной технологиям, приведены на рис. 2.

Рисунок 1 - Модели матриц в изометрии для прессования со сдвиговой деформацией с малыми вытяжками по схемам № 1 (а) и № 2 (б)

Опытная Серийная Опытная

технология технология технология

□ - Коэффициент вытяжки, X 0 - Относительная деформация, 8

Рисунок 2 - Изменение коэффициента вытяжки и относительной деформации для

серийной и опытной технологий: а - пруток а 70 мм; б - пруток 0 85 мм На рис. 3 показана зависимость изменения накопленной интенсивности

деформации сдвига ( Г ), эффективной вытяжки ( ) и доли

относительного объема со сформировавшимися фрагментами ( Н ) в прутках,

отпрессованных по опытной технологии, от количества циклов.

13 - Накопленная интенсивность

деформации сдвига, Г Г] - Эффективная вытяжка, X*

Ц - Доля объема со сформировавшимися

фрагментами, Н N - Количество циклов сдвиговой деформации

Рисунок 3 - Изменение накопленной интенсивности деформации сдвига, эффективной

вытяжки (а), доли относительного объема со сформировавшимися фрагментами (б) в зависимости от количества циклов при прессовании прутков по опытной технологии

Эти характеристики рассчитали по методике В. М. Сегала, Ф. 3. Утяшева и Г. И. Рааба. Рассчитанные параметры Г, X* и Н для прутков диаметрами 70 и 85 мм практически не различаются.

При расчете этих показателей были использованы формулы для:

- относительной деформацго £ = In X;

- накопленной интенсивности деформаций сдвига: Г = N • АГ,

где N - количество циклов, АГ = 2 ctg 0 - приращение интенсивности

деформации сдвига, 0 - половина угла между каналами;

- эффективной вытяжки: X* = ехр (N • г| • АГ ),

где ц - коэффициент схемы однородного деформированного состояния;

- доли объема со сформировавшимися фрагментами: Н = [1 - ехр "зг/2].

Наши расчеты показали, что фрагментация после двух-трех циклов

(Н > 98 %) почти завершается, и это дает достаточно высокие пластические характеристики, а значения эффективной вытяжки после трех-четырех циклов (X* ~ 7-И2) позволяют спрогнозировать и рост прочностных свойств. При этом, если по серийной технологии однократное прямое прессование прутков диаметрами 70-^85 мм ведут на прессе 49 МН с вытяжками 13-5-19 и с величиной относительной деформации £ = 2,5-КЗ, то опытная технология позволяет использовать пресс усилием 7,5 МН с вытяжкой не более 2. При этом, если приравнять значения расчетной эффективной вытяжки ( X* ) после четырех циклов и коэффициента вытяжки ( X ) при прессовании по серийной технологии, то по опытной технологии величина деформации в 1,5-К2 раза больше (накопленная интенсивность деформаций сдвига Г ~ 4,9), что приводит к необходимой проработке структуры для достижения более высоких свойств.

Используя диаграммы структурных состояний (ДСС) и диаграммы механизмов деформации (ДМД), можно, выбрав оптимальные температуры и скорости деформирования, получать полуфабрикаты с требуемым типом структуры. Определено, что исходя из ДСС, для сплава АМгб при скорости деформации 10"2-Н0~' с"1 возможно получить требуемую полигонизованную структуру в интервале температур 380-420 °С. На последующих циклах

температуру можно понизить до 200-250 "С. Как следует из ДМД, контролирующим механизмом, скорее всего, будет термически активированное скольжение дислокаций (ТАСД).

Были изготовлены новые инструментальные наладки для получения прутков на горизонтальном гидравлическом прессе усилием 7,5 МН. Температура нагрева заготовок для первого цикла прессования составляла 400 °С, для остальных циклов - 220 °С. Многоцикловое прямое прессование прутков проводили из контейнера диаметром 95 мм со смазкой (скорость истечения -1,7 мм/с), слиток за слитком, с поворотом заготовок на 180° вокруг горизонтальной оси (технологический маршрут «С») перед каждым последующим циклом.

В исходном состоянии наблюдается типовая макроструктура для круглых слитков полунепрерывного литья (рис. 4а).

Верх матрицы а Верх матрицы

б 20 мм в

Рисунок 4 - Макроструктуры слитка диаметром 92 мм из сплава 1561 ( а ) и прутков

диаметром 85 мм после одного цикла прессования ( б ) и после трех циклов прессования ( в)

Вблизи поверхности слитка имеется мелкозернистая зона дендритов разнообразной ориентации. Далее следуют зоны столбчатых кристаллов (дендритов) и центральная зона более крупных дендритов со средним размером зерна ~ 230 мкм. Субзерна совпадают с дендритными ячейками, имеющими

размер ~ 30 мкм рис. 5а, б. После одного цикла деформирования дендриты в поверхностной зоне прутка за счет сдвиговых процессов начинают дополнительно измельчаться, а центральная зона остается сравнительно крупнозернистой (рис. 46). После трех циклов прессования происходит дальнейшее измельчение дендритов в центральной части прутка (рис. 4в). Размер макрозерна выравнивается по сечению. В процессе деформации после трех циклов прессования в прутках формируется волокнистая микроструктура с поперечными размерами волокна (зерна) менее 10 мкм, что свидетельствует о значительности суммарного позитивного воздействия на металл (рис. 5е, рис. 6г).

Рисунок 5 - Микроструктура литой заготовки диаметром 92 мм (а, б) и прутков

диаметром 85 мм из сплава 1561 (продольные образцы) после одного цикла прессования (в, г) и после трех циклов (д, е) Световая микроскопия, поляризованный свет

Рисунок 6 - Микроструктура прутков из сплава 1561 (поперечные образцы) после одного цикла прессования ( а, б) и после трех циклов ( в, г ). Центральная зона ( а, в ), периферийная зона ( б, г )

Исследования показали, что сдвиговая деформация развивается

неоднородно по сечению слитка. Так, если после одного цикла характер

микроструктуры мало отличается от микроструктуры литого материала (рис. 6а, б), то после трех циклов в центральной части прутков сдвиговые изменения формы и измельчение структуры во внутреннем объеме исходных зерен наблюдаются в ~ 40 % зерен, остальные 60 % - равноосные зерна (рис. 6в). В периферийных областях подобные изменения наблюдаются уже в ~ 90 % зерен (рис. 6г). На рис. 7 представлены результаты исследования микроструктуры, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).

Литая заготовка центр периферия

* ' V

7 Ж

^ * А. Ц

I I а и й 1-1 в 1-й г

0,2 мкм 0,2 мкм 0,2 мкм 0,2 мкм

Пруток, один цикл, центр Пруток, два цикла, периферия

1

0

' V,.. _

1 мкм

0,5 мкм

центр

0,2 мкм

Пруток три цикла

0,2 мкм

0,5 мкм

0,5 мкм

0,5 мкм

периферия

0,5 мкм

Рисунок 7 - Типовая микроструктура литой заготовки диаметром 92 мм и прутков

диаметром 85 мм из сплава 1561, ПЭМ В литой структуре (рис. 7а-г) наблюдается сравнительно низкая плотность

дислокаций 108 см"2). Внутри субзерен размером ~ 30 мкм наблюдается

начальная стадия фрагментации: появляются объемы, разделенные малоугловыми границами (субграницами). Субграницы представляют собой сетки и стенки дислокаций. Видны границы ячеек, наблюдаются субграницы кручения (сетки) (рис. 7в) и субграницы наклона (рис. 7г). Винтовые дислокации закреплены на частицах дисперсоидов (Мп-содержащих частиц).

После первого цикла деформирования (рис. 7д, е) плотность дислокаций в объеме прутков возрастает, дислокации располагаются неравномерно. Внутри субзерен, сформировавшихся после окончания кристаллизации, наблюдается дополнительная фрагментация. На рис. 7ж, з показано образование малоугловых границ наклона после двух циклов деформирования. На рис. 7и после трех циклов видна четкая картина образования субграниц. Плотность дислокаций при этом существенно возрастает, причем в периферийной зоне прутка (рис. 7л, м) эти процессы развиваются значительно интенсивнее, чем в центральной зоне прутка (рис. 7и, к), наблюдается характерная полигонизованная структура с размером субзерен 0,2 0,5 мкм.

Частицы А1бМп (рис. 7а-г), в литой заготовке в основном присутствуют в виде пластин размером 0,03x0,15 мкм. При прессовании с увеличением значений истинной деформации крупные частицы А16Мп, снижающие пластические свойства дробятся (рис. 7д-м).

Характер рентгенограмм образцов (рис. 8) после одного, двух и трех циклов деформирования свидетельствует об отсутствии рекристаллизации, т. е. в результате прессования формируется нерекристаллизованная (полигонизованная) структура. На это указывает прерывистость линий от характеристического спектра. На всех линиях имеются пики, вызванные текстурой. После нескольких циклов деформирования текстура более сильная, чем после одного цикла.

Значения временного сопротивления (а„) и относительного удлинения (6) для прутков из сплава 1561, отпрессованных по опытной технологии, приведены на рис. 9а, б . После трех циклов прессования в пересекающихся каналах по схеме № 1 (рис. 1а) величина ов достигает 420 МПа при повышении 5

до 19^-24 % (рис. 9а), а по схеме № 2 (рис. 16) - 365 Мпа (рис. 96) при аналогичных значениях 8 (по серийной технологии а „= 270 МПа, 8=17 %).

\

Рисунок 8 - Рентгенограммы образцов прессованных прутков диаметром 85 мм из сплава 1561: а - один цикл, центральная зона, поперечное направление; б - один цикл, периферийная зона, продольное направление; в - два цикла, центральная зона, поперечное направление; г - три цикла, периферийная зона, продольное направление

Также следует отметить, что в прутках диаметром 85 мм после двух циклов деформирования одновременно растут значения ав и 8 (рис. 9). Величина ов увеличилась на 10 МПа, хотя значение 8 оказалось несколько ниже и составило 18 %.

460

420

«

с 380

S 340

Г>

300

260

420

400

СЗ

С 380

360

£

о 340

320

300

2 3

количество циклов

количество циклов

количество циклов

Рисунок 9 - Механические свойства прутков из сплава 1561, отпрессованных:

а - по схеме № 1 - ■ -■- - поперечное направление, —♦--продольное направление,

-------свойства по ОСТ 1-92058-90;

б - по схеме №2 —»— - центр (поперечное направление), ------ - свойства по ОСТ 1-92058-90

Прессование проводили с поворотом заготовки на 180°. Это требует строгой ориентации заготовки в каждом цикле. Для такой ориентации была разработана конструкция инструмента для прессования прутков квадратного

сечения 84 х 84 мм с уменьшенным по сравнению со схемами №1 и №2 значением коэффициента вытяжки X Слиг= 1,024 (рис 10а). Для повышения накопленной интенсивности сдвиговой деформации была предложена матрица с винтовыми каналами (рис 106) (способ прессования, использующий винтовую матрицу, запатентован Бейгельзимером Я. Е. с соавторами). При прессовании через такую матрицу расчетные значения накопленной интенсивности сдвиговой деформации и эффективной вытяжки составят Г = 5.9, X* = 19.

Предлагаемые решения защищены патентами РФ: № 2385780 - на способ прессования полуфабрикатов и № 2386506 - на устройство для прессования полуфабрикатов. . „ ц л < {.

Рисунок 10 - Модель матрицы для прессования прутков квадратного сечения в изометрии (а) и схема матрицы с винтовыми участками (б): 1 - входной участок; 2 -5- 5 - винтовые участки; 6 - выходной участок

В результате прессования литых заготовок из сплава 1561 по опытной

технологии с увеличенной сдвиговой деформацией в условиях малой вытяжки

показано следующее:

- реализация предложенной схемы осуществляется последовательно в

нескольких очагах деформации соответственно количеству зон пересечения

каналов матрицы, что уменьшает количество циклов прессования, необходимое

для улучшения проработки материала и формирования полигонизованной

структуры с субзерном размером 0,2-0,5 мкм;

- отсутствие «мертвых зон» в углах пересечения каналов позволяет

повысить степень однородности распределения деформации по сечению

заготовки;

- уже после одного цикла прессования заметно повышается пластичность, что дает возможность на последующих циклах снизить температуру нагрева и давление прессования;

- разработанная оснастка пригодна для использования на существующих горизонтальных гидравлических прессах.

В 4 - ой главе приводятся результаты исследования крупногабаритных полос размером 185x80 мм из сплава МА2-1пч, отпрессованных с малыми вытяжками через специальную матрицу, обеспечивающую нарастание позитивной сдвиговой деформации по сечению полосы с получением достаточно однородной структуры и высоких механических свойств. Предложена методика расчета повышения выхода годного за счет уменьшения протяженности участков полосы с выходного и утяжинного концов, отрезаемых в отходы.

В настоящее время при производстве таких полос применяют мощные прессы, например, прессы усилием 78 МН. Прямое прессование ведется без смазки с коэффициентами вытяжки А. > 13, что приводит к большому сопротивлению деформации в обжимающей части пластической зоны и, как следствие, к неравномерности течения и структурной неоднородности в поперечном сечении полосы.

Для получения полос размером 185x80 мм со структурой, достаточно проработанной во всем объеме, и с высокими механическими свойствами было предложено снизить коэффициент вытяжки в два раза за счет перехода на пресс усилием 35 МН (с контейнера диаметром 500 мм на 350 мм) и применить специальную матрицу с увеличенной сдвиговой деформацией. На основании ДСС был выбран температурный интервал прессования в области высокой пластичности (360^420 °С), в котором можно ожидать формирование в прессованной полосе частично рекристаллизованной структуры.

В конструкцию канала матрицы были введены следующие элементы: 1 - не сопрягающиеся друг с другом входные конусы, 2 - расширяющиеся зоны, 3 - калибрующие пояски с углами сдвига, переменными по сечению канала. Для уточнения величины угла входного конуса для пресса усилием 49 МН

первоначально была изготовлена экспериментальная матрица с размером канала 140x70 мм и углом входного конуса, равным 10° по всему периметру (к ~ 10).

Прессование проводили без смазки, температуру нагрева заготовок варьировали через каждые 10 °С в интервале 360-410 °С. Скорость истечения полос составляла ~ 1 ()-15 мм/с. Внешний вид и типовая макроструктура полос представлены на рис. 11. Отмечены хорошая проработка металла, отсутствие значительной разнозернистости по сечению, высокое качество поверхности. По сравнению с требованиями ОСТ 1-92123-88 ав, в среднем, увеличилось на 15 %, 5 выросло в 2,5 раза, а предел текучести на сжатие а.02 повысился на 20 %.

Щ- !

Рисунок 11 - Внешний вид полос 140 х 70 мм из сплава МА2-1пч (а) и типовая макроструктура (б)

Влияние на свойства полуфабрикатов поперечных сдвиговых деформаций, создаваемых за счет наличия в матрице расширяющегося и сжимающихся участков, изучали при прессовании прутков диаметром 25 мм (рис. 12а).

Определили, что в этом случае накопленная интенсивность деформаций сдвига Г была равна 1,85, а коэффициент вытяжки в камере ^ = 1,22. Было рассчитано напряжение в сужающейся части (48 МПа). Это напряжение оказалось больше а0,2 сплава МА2-1пч при заданной температуре прессования (36 МПа). Исходя из этого, было высказано предположение о том, что камера должна быть полностью заполнена металлом. Были вычислены усилия среза (Рсрез = 1,37 тс) и выдавливания (Рв = 1,79 тс). Поскольку Рсрез < Рв, был сделан вывод, что мертвые зоны в камере не образуются. Это было экспериментально подтверждено при прессовании на прессе усилием 15 МН без смазки при Тпресс= 350 °С со скоростью истечения 15 мм/с (рис. 126, в). Исследование макроструктуры долевого сечения запрессованной в камере части прутка

(рис. 12в) показало, что после отделения прессостатка следы утяжины отсутствуют.

Сравнение механических свойств прутков в продольном направлении, полученных по опытной и серийной технологии показало, что в опытных прутках 5 =20 %, что на 25 % выше, чем в серийных прутках (6 =16 %) при сохранении

0В на уровне 300 МПа.

ш

Рисунок 12 - Схема матрицы с расширяющейся камерой для прессования прутков диаметром 25 мм ( а ), матрица в разрезе ( б ) и макроструктура продольной части прутка, запрессованной в камере ( в ): 1 - входной участок, 2-КЗ - расширяющаяся камера, 4 - участок с подпором, 5 - участок с калибрующим пояском

Поэтому при проектировании специальной конструкции матрицы для прессования полос 185x80 мм были учтены полученные положительные результаты по влиянию расширяющихся участков и входного конуса на структуру и, как следствие, на механические свойства. Матрица была выполнена разъемной, состоящей из двух частей. Первая часть предназначена для осуществления некоторого противодавления выходу металла из обжимающей части пластической зоны. Положительное влияние расширяющихся зон и переменных углов использовано во второй части, которая создает дополнительные позитивные сдвиговые деформации.

Габаритные размеры рабочего канала определяются с учетом усадки полосы по сечению на 1 % и коэффициентов линейного расширения магния и алюминия. Компьютерное изображение разработанной матрицы в изометрии представлено на рис. 13а, в тоновой заливке - на рис. 136, а матрица, выполненная в металле, -на рис. 1 Зв.

При прессовании через матрицу, примененную в промышленной технологии (X = 13,3): £ = 2,56, Г = 0,05, X* = 1,03, тогда как через опытную матрицу (А. = 6,4): £ = 1,85, Г = 3,6, X* = 7,63.

Для повышения выхода годного была предложена методика сравнительно простой аналитической оценки вероятных длин отрезаемых концов, основывающаяся на гипотезе о связи объема металла, геометрически ограниченного линиями течения, направленными под определенным углом, с объемом выходного и утяжинного концов полосы. Расчет длины

Рисунок 13 - Виды матрицы для прессования с увеличенной сдвиговой деформацией и

малыми вытяжками полос 185x80 мм: а - в изометрии, б - в тоновой заливке, в - в металле

слабодеформированного выходного участка заключался в приравнивании объема выходного конца к объему очага пластической деформации с принятием положения о сохранении секундных объемов (рис. 14а). Расчет длины утяжинного конца заключался в приравнивании площади прямоугольного канала к площади круглого. Для нахождения объема утяжинного конца был построен сегмент (А) (рис. 146), объем которого соответствует объему утяжинного конца.

Определено, что длины участков составляют: с выходного конца ~ 320 мм и с утяжинного ~ 400 мм (согласно принятому техническому регламенту для полосы 185x80 мм длина отрезаемых концов составляет 1000-^1300 мм). В результате применения матрицы с переменными углами и по результатам аналитической оценки длин концов выход годного повысился с 62 % до 82 %.

Прямое прессование проводили без смазки со скоростью истечения из специальной матрицы 12-^14,5 мм/с. Исследование макроструктуры полос показало хорошую деформационную проработку металла (при Тпресс. = 380 °С) по всему объему полосы.

Рисунок 14 - Расчет объемов выходного ( а ) и утяжинного ( б ) концов при прессовании полосы 185 х 80 мм По результатам рентгеновской съёмки определено (рис. 15), что полосы

имеют частично рекристаллизованную структуру. На рентгенограммах видны

текстурные максимумы, которые более ярко выражены в полосах,

отпрессованных по опытной технологии. В случае промышленной технологии

имеются протяжённые рефлексы от непрерывного спектра, а в случае опытной -

такие рефлексы очень малы. Это означает, что размер рекристаллизованных

зёрен в случае промышленной технологии заметно выше. На рис. 15г видно, что

линии от характеристического излучения на рентгенограмме состоят из

отдельных рефлексов. Это означает, что те области материала, которые

принадлежат к нерекристаллизованной структуре, состоят из отдельных субзёрен

(являются участками с полигонизованной структурой).

а б в г

Рисунок 15 - Результаты исследования в продольном направлении структуры полос, отпрессованных по промышленной (а,б) и опытной (в,г) технологиям. Рентгенограммы образцов, вырезанных из центра полосы, (а,в) и из периферии (б,г)

В микроструктуре прессованных образцов обоих типов наблюдаются более тёмные и более светлые участки (рис. 16, 17).

г: >;

а б I-1 в г

100 мкм

Рисунок 16 - Микроструктура образцов полосы, отпрессованной по промышленной технологии, вырезанных в продольном направлении: из центра (а, б) и из периферии (в, г)

а б

100 мкм

Рисунок 17 - Микроструктура образцов полосы, отпрессованной по опытной

технологии, вырезанных в продольном направлении: из центра (а, б) и из периферии (в, г)

Более тёмные участки относятся к областям с нерекристаллизованной структурой. Эти области состоят из отдельных субзёрен размером порядка нескольких микрон. Светлые рекристаллизованные участки полос, отпрессованных по промышленной технологии, состоят из зёрен размером 50+100 мкм. В случае опытной технологии рекристаллизованные зёрна имеют размеры 20+70 мкм. Результаты исследования микроструктуры и рентгеновские данные хорошо согласуются между собой. Сравнение микроструктуры полос показывает, что после прессования по опытной технологии структура более однородная по сечению и состоит из более тонких волокон. Механические свойства полос в продольном направлении представлены в табл. 1.

Величина 8 в результате прессования по опытной технологии оказалось на 34 % выше по сравнению с величиной 5 после прессования по промышленной технологии за счет более мелкой зёренной структуры. При этом важно, что при прессовании по опытной технологии применен в два раза меньший коэффициент

вытяжки. Проверка распределения свойств опытных полос в поперечном сечении показала, что анизотропия механических характеристик не превышает 3 %, что связано с достаточной однородностью структуры.

Таблица 1 - Механические свойства полос 185x80 мм из сплава МА2-1пч

Технология Временное сопротивление, о в, МПа Предел текучести, о о,2, МПа Предел текучести на сжатие, а _о,2, МПа Относительное удлинение 6,%

Опытная 281 216 111 17,7

Промышленная 279 212 112 13,2

ОСТ 1-92123-88 245 145 90 6,0

В заключение следует отметить, что проведенные работы позволили за счет применения опытной технологии использовать для прямого прессования крупногабаритных полуфабрикатов повышенного качества с X = 6,4 горизонтальный гидравлический пресс усилием 35 МН вместо более энергоемкого прямого прессования с X > 13 на прессе усилием 78 МН.

ВЫВОДЫ

1. Предложен и опробован способ получения прессованных изделий из алюминиевых и магниевых сплавов, в т. ч. крупногабаритных, позволяющий получить полуфабрикаты с фрагментированной структурой и повышенным комплексом механических свойств. Способ заключается в прессовании с увеличенной (позитивной) сдвиговой компонентой деформации в условиях малой вытяжки.

2. С применением просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, металлографии в поляризованном свете показано, что в полученных указанным способом прутках диаметром более 70 мм из сплава 1561 формируется нерекристаллизованная (полигонизованная) волокнистая структура с поперечными размерами волокна (зерна) менее 10 мкм и субзерен 0,2-Ю,5 мкм при почти 100 % фрагментации в периферийных областях прутка и ~ 50 % фрагментации в центральных областях прутка. При этом по сравнению с серийной технологией временное сопротивление повышается с 380 до 420 МПа при увеличении относительного удлинения с 17 до 22 %.

3. В прессованных полосах из сплава МА2-1пч за счет введения в технологический процесс дополнительных сдвиговых деформаций сформирована, в основном, нерекристаллизованная (полигонизованная) структура с размером зерна в рекристаллизованных объемах ~ 20 мкм, что в два раза меньше, чем размер зерна, полученный по традиционной технологии, при этом временное сопротивление сохранилось на уровне 280 МПа, а относительное удлинение повысилось с 13 до 18 %.

4. Предложен и осуществлен метод определения необходимого количества циклов деформирования, позволяющих достичь оптимального соотношения прочности и пластичности в зависимости от требований, предъявляемых к конкретной продукции. Метод основан на определении доли структуры, которая прошла фрагментацию.

5. Технические решения, предложенные в диссертации, подтверждены патентами РФ № 2386506 «Устройство для прессования полуфабрикатов» и № 2385780 «Способ прессования полуфабрикатов».

6. Предложена новая схема прессования крупногабаритных полос из магниевых сплавов. Схема включает однократное последовательное прохождение заготовки через матрицу, в которой имеется 5^6 деформирующих камер с различными углами по длине рабочего канала матрицы, что позволяет измельчить структуру и при сохранении значений временного сопротивления обеспечить рост относительного удлинения на 34 %.

1. Прессование по предложенной технологии позволило использовать прессы значительно меньшего усилия (35 МН, контейнер диаметром 350 мм, вместо пресса усилием 78 МН, контейнер диаметром 500 мм) с одновременными повышением качества деформируемых полуфабрикатов из сплава МА2-1пч и увеличением выхода годного с 62 до 82 %.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях: 1. Щербель, Р.Д. Исследования возможности формирования равномерных по длине механических свойств крупногабаритных полос из сплава МА2-1пч при

прессовании с малыми вытяжками / Р.Д. Щербель, С.М. Меркулова // ТЛС. -2012.-№4,-С. 103-109.

2. Щербель, Р.Д. Получение ультрамелкозернистой структуры в прутках из алюминиевого сплава 1561 при прессовании со сдвигом / Р.Д. Щербель, С.М.Меркулова// ТЛС. - 2013. - №1. - С. 18-26.

3. Щербель, Р.Д. Прессование со сдвигом с малыми вытяжками прутков из алюминиевого сплава 1561 с использованием режима дробного деформирования / Р.Д. Щербель, С.М. Меркулова // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Наука, образование, общество: проблемы и перспективы развития». - Тамбов. - 2013. - ч. 9. -С. 158-159.

4. Патент РФ № 2385780. Способ прессования полуфабрикатов / Щербель Р.Д., Муратов Р.И., Меркулова С.М. - Заявлено 14.02.2008. - Опубл. 10.04.2010. -Бюл. № 10.

5. Патент РФ № 2386506. Устройство для прессования полуфабрикатов / Щербель Р.Д., Муратов Р.И., Меркулова С.М. - Заявлено 14.02.2008. - Опубл. 20.04.2010. - Бюл. № 11.

Формат 60 х 90 %6 Тираж 100 экз. Объем 1,5 пл. Заказ 4370 Печать офсетная Отпечатано с готовых оригинал-макетов в типографии Издательского Дома МИСиС, 119049, Москва, Ленинский пр-т, 4 Тел. (499) 236-76-17, тел./факс (499) 236-76-35