автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Закономерности изменения структуры и свойств дисперсионнотвердеющих алюминиевых сплавов при комбинированной тепловой обработке и их применение к разработке экономных технологий

р Г Б од

1 з ЙНВ 1998

На правах рукописи МУРАТОВ Владимир Сергеевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ДИСПЕРСИОННОТВЕРДЕЮЩИХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКЕ И ИХ ПРИЛОЖЕНИЕ К РАЗРАБОТКЕ ЭКОНОМНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.02.01 — Материаловедение (машиностроение)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

САМАРА — 1997

Работа выполнена в Самарском государственном техническом университете

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Колачев Б. А.

доктор технических наук, профессор Золотаревский В. С.

доктор технических наук, профессор Гуслякова Г. П.

Ведущее предприятие ОАО «Международная авиационная корпорация», г. Самара.

Защита состоится « » 1998 г.,

н часов на заседании диссертационного совета Д 063.56.01 «МАТИ» — РоссийскогЬ государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского.

Адрес университета: 121552, г. Москва, ул. Оршанская, д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «МАТИ» — Российского государственного технологического университета.

Автореферат разослан « » г^&ксчОуиЯ 199 ? Г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук Н а д е ж и н А М.

ОБЩАЯ, ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы,- Создание новых приемов улучшения комплекса свойств сплавов и на их основе разработка экономных технологий являются проблемами, от решения которых зависит уровень научно-технического прогресса всего промышленного комплекса, и в первую очередь, в материаловедении и технологии обработки металлов. В полной мере это относится- и к сплавам на алюминиевой основе, широко используемых в авиации, ракетостроении, строительстве, водном и морском транспорте, при производстве товаров народного потребления.

Накопленный теоретический и экспериментальный материал в области металловедения и обработки алюминиевых сцлавов позволил разработать и внедрить в практику многочисленные технологические режимы, использующие собственно термическую обработку, различные варианты деформационно-термического воздействия, новые виды поверхностного упрочнения и легирования и др. Здесь следует учесть, что технология получения'полуфабрикатов (особенно с применением обработки давлением) из сплавовна основе алюминия многоэтапна и включает в себя получение литой заготовки, ее подготовительную термическую обработку, деформацию, окончательную термическую обработку. При этом каждая стадия оказывает- наследственное влияние на структуру и свойства полуфабрикатов.

Одним из важных резервов при разработке высокоэффективных технологий, особенно многоэтапных, является подход; основанный на таком формировании параметров предшествующей технологической обработки, при котором материал переводится в состояние, обеспечивающее активизацию необходимых структурных превращений на последующих этапах обработки. Исследования по реализации такого подхода к технологическому процессу производства полуфабрикатов из

алюминиевых сплавов до постановки настоящей работы носили фрагментарный характер, то есть рассматривались взаимосвязи отдельных этапов производства, например «литье— гомогенизация» или «условия прессования — термическая обработка» и т. д.

До настоящего времени не проведен систематический анализ существующих приемов повышения экономичности технологии получения полуфабрикатов, не вскрыты особенности действующих механизмов структурообразования при реализации активирующих температурных воздействий, отсутствует и научно-обоснованный подход к выбору параметров обработки и их значений.

В процессе работы над перечисленными выше проблемами удалось решить ряд актуальных задач металловедения и термической обработки, разработать теоретические основы и оптимальные режимы управления структурой и свойствами алюминиевых сплавов в процессе многоэтапных обработок и термоциклировапия литого и деформированного состояний, предложить и реализовать на этой основе комплекс прогрессивных экономных технологий, обеспечивающих улучшение свойств полуфабрикатов из алюминиевых сплавов.

В настоящее время разработки продолжаются в соответствии с программой Минобразования «Конверсия и высокие технологии. 1997—2000 г.г.», направление 03 и планом НИР СамГТУ.

Цель работы. Целью диссертационной работы является установление и исследование общих закономерностей формирования структуры и свойств дисперсиоинотвердеющих алюминиевых сплавов в процессе многооперационной комбинированной обработки с реализацией активирующих температурных воздействий на этапах кристаллизации заготовок, пластической деформации и термической обработки и. создание на этой основе экономных технологий, улучшающих комплекс свойств сплавов.

Для достижения указанной цели потребовалось: ; ■ '•

— обобщить и систематизировать имеющиеся в литературе сведения об особенностях формирования структуры и свойств алюминиевых сплавов при кристаллизации слитков и отливок, пластической деформации и термической обработке, в том 1;исле термоциклической, и на этой основе обосновать возможности совершенствования этих процессов с целью повышения их эффективности;

— с использованием современных методов исследования научить изменения структуры и свойств алюминиевых спла-

bob при варьировании основных параметров тепловых и деформационно-тепловых воздействий при кристаллизации, пластической деформации и термической обработке и развить современные представления о физических процессах и механизмах формирования структуры в условиях повышенной степени неравновесности структурных характеристик;

— разработать научные основы совершенствования многоэтапных технологий, позволяющие интенсифицировать необходимые структурные превращения и улучшать комплекс свойств полуфабрикатов;

— осуществить постановку и решение задач теплопроводности и термоупругости нагрева и охлаждения профилей сложной формы и на их основе оценить влияние различных конструктивных и технологических параметров охлаждения на поля температур, напряжений и деформаций при закалочном и последеформационном охлаждениях;

— выполнить расчет и оптимизацию литниковой системы при получении отливок сложной конфигурации в кокилях, разработка которой направлена на форсирование заливки и кристаллизации металла;

— разработать режимы литья заготовок, пластического формоизменения и термической обработки, повышающие эффективность технологической цепи изготовления полуфабрикатов из алюминиевых сплавов;

— разработать эффективные методы оценки сопротивления усталости алюминиевых сплавов для определения качества обработки полуфабрикатов, проведенной по новым режимам;

—на основе обобщенных критериев качества прессованных профилей осуществить выбор оптимальных схем технологического процесса их производства;

— освоить разработанные технологии и режимы в условиях промышленного производства.

В целом работа представляет собой теоретическое обобщение закономерностей формирования структуры и свойств алюминиевых сплавов в условиях многоэтапных комбинированных воздействий, на основе которого даны обоснованные технологические решения, направленные на повышение экономичности обработки и улучшение свойств сплавов, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

Научная новизна. В работе впервые на основе систематических и комплексных исследований установлены и уточнены закономерности формирования структуры и свойств

дисперсионнотвердеющих алюминиевых сплавов в ходе последовательной реализации стадий комбинированной тепловой обработки, включающей этапы литья, промежуточной термической обработки, пластического деформирования и окончательной термической обработки, с использованием новых активирующих температурных воздействий в виде регламентирование ускоренных кристаллизационного и пос-лекристаллизационного охлаждений и охлаждения с температур пластической деформации, а также с температур нагрева под термическую обработку, включая применение Сокращенных изотермических выдержек и термоциклиро-вания.

Установлено, что эффект влияния факторов обработки наследственно проявляется через ряд этапов воздействий, определяя термодинамические и кинетические закономерности структурных превращений.

Предложены физические механизмы, описывающие происходящие структурные изменения в условиях повышенной степени неравновесности структуры, формируемой при активирующих температурных воздействиях.

На основании установленных закономерностей предложен подход к совершенствованию многоэтапных технологических процессов обработки алюминиевых сплавов, заключающийся в таком направленном формировании степени неравновесности структуры по ходу обработки, которое активизирует необходимые структурные превращения и улучшает комплекс свойств.

Разработаны новые эффективные термические и деформационно-термические способы обработки алюминиевых сплавов, использующие указанный подход.

Осуществлена практическая их реализация при производстве отливок и деформированных полуфабрикатов и изделий из алюминиевых сплавов. Новизна разработанных в диссертации способов, режимов и устройств подтверждена 10 авторскими свидетельствами.

Практическая ценность. Практическую ценность работы представляют разработанные подходы к совершенствованию технологических процессов, конкретные технологии и.режимы обработки алюминиевых сплавов.

Разработаны научно-прикладные основы термических и термо-деформационных обработок сокращенной длительности и апробированы новые экономные технологии, позволяющие одновременно улучшать комплекс свойств изделий. 4

Предложенные новые технологические схемы обработки алюминиевых сплавов включают:

— использование сокращенного цикла пребывания отливки в форме и ускоренного охлаждения отливки после извлечения из формы;

— ускоренную термическую обработку слитков из алюминиевых сплавов перед пластической деформацией, предусматривающую замену длительной гомогенизации кратковременным нагревом с ускоренным охлаждением;

— реализацию ускоренного охлаждения заготовок с температуры окончания пластической деформации при прессовании или штамповке;

— варианты окончательной термической обработки (закалка и старение) с уменьшенной продолжительностью временных параметров;

— варианты деформационно-термической обработки с использованием, в ряде случаев, термоциклирования, обеспечивающие повышение уровня свойств;

— реализацию быстрого охлаждения сплава из расплавленного состояния с последующей пластической деформацией, так и без нее, что позволяет получать материал повышенной прочности, а также дает возможность отказаться от операций собственно термической обработки.

Приоритет разработок подтверждается авторскими свидетельствами (А. С. №№ 817088. 1039980, 1043181, 1216225, 1189886, 1421804, 1194897, 133916!, 1835432).

Разработан метод экспрессного определения усталостной прочности алюминиевых сплавов, основанный на оценке способности упрочняющих выделений сопротивляться растворению под действием циклической нагрузки на основе их поведения при тепловой обработке. Приоритет метода подтвержден А. С. № 1037126.

Высокая эффективность предложенных технологий и режимов, а также их реализация на большой группе сплавов, создают предпосылки для широкого их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях.

Результаты работы внедрены, внедряются или прошли апробацию на ряде промышленных предприятий, в том числе: АО АвтоВАЗ, Самарская металлургическая компания, АО Международная авиационная корпорация, ПО ЗИМ, Поволжский НИИМТД и др.

Экономический эффект составил около 41100 тыс. руб. в год в ценах разных лет (из них 180 тыс. руб. в ценах до 1992 года).

Часть результатов диссертационной работы может быть использована и используется при чтении лекций в высших учебных заведениях (Самарский государственный технический университет; курсы, связанные с металловедением и обработкой цветных сплавов). Направление исследований, выполненных в работе, легло в основу магистерской подготовки при кафедре «Материаловедение в машиностроеннии» СамГТУ.

На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:

— теоретическое обобщение известных и собственных результатов исследований по анализу изменений структуры и свойств алюминиевых сплавов в ходе последовательной реализации стадий комбинированных тепловых воздействий, включающих этапы литья, пластического деформирования, промежуточной и окончательной термической обработки, то есть вопросы теории обработки алюминиевых сплавов, обеспечивающие совершенствование процессов промышленной технологии, управление качеством изделий и снижение расхода материальных ресурсов;

— основные закономерности влияния параметров многоэтапной комбинированной обработки на состояние алюминиевых сплавов с преимущественным влиянием активирующих температурных воздействий и учетом их наследственного проявления через ряд этапов обработки, представления о механизмах, описывающих происходящие структурные изменения в условиях повышенной степени неравновесности структурных характеристик;

— результаты совершенствования многоэтапных технологических процессов, предусматривающего назначение режимов обработки исходя из целесообразности управления степенью перавновесности структуры сплава на каждой стадии технологии, которое направлено на активизацию необходимых структурных превращений на последующих этапах;

— предложенные способы и экономные режимы тепловой обработки литых и деформированных изделий, позволяющие улучшать комплекс свойств сплавов; способ экспрессной оценки усталостной долговечности алюминиевых сплавов в состоянии после зонного и фазового старения;

— постановка и решение задач теплопроводности при термической обработке изделий сложной конфигурации в спрейерных устройствах (с последующим расчетом нолей напряжений и деформаций) и формировании литой заготовки в системе «кокиль с проточным охладителем—отливка».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:

Всесоюзных и международных конференциях по физике прочности и пластичности (г. Самара, 1979, 1983, 1986, 1989, 1992 и 1995 г.г.); VIII Всесоюзной конференции по усталости металлов (г.Москва, 1982г.); Всесоюзной конференции «Термоциклическая обработка металлических изделий» (г. Ленинград, 1982 г.); IV Всесоюзной конференции по текстурам и рекристаллизации в металлах и сплавах (г. Горький, 1983 г.); семинаре ««Термическая обработка стали и сплавов» (г. Киев, 1983 г.); X Всесоюзной научно-технической конференции по прессованию металлов и сплавов (г. Каменск-Уральский, 1985 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Новые материалы и упрочняющие технологии на основе прогрессивных методов термической и химико-термической обработки в автостроении» (г. Москва, 1986 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения» (г. Куйбышев, 1989 г.); научно-технической конференции «Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки деталей машин и инструмента» (г. Пенза, 1990 г.); зональной научно-технической конференции «Разработка технологических процессов литья, проектирования оснастки и анализ качества отливок с использованием ЭВМ (г. Ярославль, 1990 г.); II Всесоюзной научно-технической конференции с участием иностранных специалистов «Совершенствование металлургической технологии в машиностроении» (г. Волгоград, 1991 г.); IX Межотраслевой конференции «Опыт и перспективы применения композиционных материалов в машиностроении» (г. Самара, 1994 г.); Международной i а\'ч о-практическои конференции «Проблемы развитит автомобилестроения в России» (г. Тольятти, 1996, 1997 г.г.); симпозиуме «Синергетика, Структура и свойства материалов. Самоорганизующиеся технологии» (г. Москва, 1996 г.).

Публикагии. По материалам диссертации опубликовано 46 печатных работ (в том числе монография и учебное пособие), получено 10 авторских свидетельств.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы 265 наименований и приложения. Работа содержит 360 страниц, в том числе 190 страниц машинописного текста, 132 рисунка, 65 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Особенности формирования структуры и свойств сплавов на алюминиевой основе при варьировании технологических параметров обработки

Проанализированы имеющиеся в литературе сведения о влиянии режимов всех технологических этапов получения заготовок и изделий из алюминиевых сплавов на их структуру и свойства. Обоснованы возможности совершенствования технологических процессов с целью повышения их эффективности. Сформулированы теоретические предпосылки и направления поиска новых технологических разработок. Показано, что в случае многоэтапных комбинированных технологий, когда структура сплава формируется на каждом этапе процесса обработки, традиционный подход к созданию технологии, при котором каждый предшествующий этап формирует структуру, не закладывая ее активной роли по отношению к структурообразованию на последующих этапах, не дает эффективных решений. Необходимо на каждом предшествующем этапе формировать структуру, активизирующую необходимые структурные превращения на последующем этапе. В основе такого подхода следует использовать принцип движения к конечным требуемым структурному и фазовому состоянию сплава через промежуточные метастабильные состояния с максимально возможной степенью неравновесноетн. Наиболее эффективно регулировать степень неравновесности каждой структурной характеристики, определив оптимальное изменение степени неравновесности в ходе технологического процесса, позволяющее активизировать необходимые структурные превращения, сокращать длительность обработки и улучшать комплекс свойств изделий. Предложены критерии оценки степени неравновесности основных структурных характеристик алюминиевых сплавов. Определены комплексы факторов управления, формирующие состояние сплава на каждом этапе обработки.

Проанализированы теоретические оценки: влияния степени неравновесности структуры на скорость фазовых и структурных превращений; влияния измельчения структуры алюминиевых сплавов на длительность гомогенизации; количества дефектов кристаллической решетки, фиксируемого в сплавах при разных скоростях охлаждения; времени существования неравновесных вакансий в алюминиевых сплавах. 8

Методические вопросы работы

Проведено обоснование выбора марок исследованных сплавов и методов их обработки. Для исследования использованы деформируемые АМц, АМг2, АМг5, АМгб, 1915, Д1, Д16, В 95, В 96Ц-1, 1163, АК4-1, А Кб, АК8, В93 и литейное АЛ2, АЛ4, АЛ9, АК9, АК6М2, АКЮМ2Н, АК12М2 сплавы на алюминиевой основе. Основные исследования выполнены на термически упрочняемых дисперсионнотвердеющих сплрвах; в некоторых случаях, для сравнительных исследований, использованы термически неупрочняемые сплавы (АМц, АМг2, АМг5, АМгб, АЛ2).

Изложены сведения о выполненных в работе испытаниях: статических па растяжение, ударных, усталостных, для определения вязкости разрушения и циклической трещиностойко-сти, твердости, электросопротивления, межкристаллитной и расслаивающей коррозии. Изложены особенности микроскопических (световая и электронная микроскопия), рентгеновских и микрорентгепоспектральных исследований. Оговорены вопросы планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных.

Структура и свойства литых заготовок, кристаллизовавшихся в различных условиях и подвергнутых разным вариантам термической обработки

В развитии представлений о влиянии условий кристаллизации па формирование структуры и свойств алюминиевых сплавов проанализировано совместное воздействие режимов послекристаллизационного охлаждения и способа литья, скорости кристаллизации, типа литой заготовки, воздействий электромагнитного ноля и давления и др.

Показано, что традиционный подход, при котором влияние послекристаллизационного охлаждения как отдельный фактор не рассматривается и, как правило, анализируется случай, когда весь интервал кристаллизации и после кристаллизации сплав охлаждается в одной охлаждающей среде, ограничен. Значения структурных характеристик, особенности их дальнейшего изменения, уровень свойств во многом определяются соотношением скоростей охлаждения сплава в периодах преимущественной кристаллизации (1Л) и после ее завершения (Кг), абсолютными значениями скоростей охлаждения, температурой их смены.

Выделены интервалы скоростей охлаждения при кристаллизации и определены варианты послекристаллизационного

охлаждения, реализация которых приводит к различным закономерностям в формировании основных параметров микроструктуры сплавов.

Целесообразно различать три интервала скоростей охлаждения при кристаллизации: интервал сверхмалых скоростей — 10-3 — 10"' К/с (в работе реализован при кристаллизации в тонкостенных металлических формах, помещенных в печи с разной температурой), интервал обычных скоростей (кристаллизация в песчаной форме, кокилях, КС и ЭМК) — 10° — 102 К/с и интервал сверхбыстрых скоростей (быстрая кристаллизация со скоростью охлаждения —104 К/с).

Форсирование охлаждения в варианте 1Л^У2 приводит к формированию в сплаве структурного состояния с повышенной степенью неравновесности за счет измельчения размера зерна и дендритной ячейки, увеличения плотности дислокаций и концентрации вакансий. При этом увеличения количества неравновесных фаз кристаллизационного происхождения не наблюдается.

Иная ситуация имеет место в варианте У\фУч, когда форсируется скорость послекристаллизационного охлаждения У2. Если реализуется сочетание «1-й или 2-й интервал скоростей охлаждения при кристаллизации — последующее ускоренное охлаждение (например, замена охлаждения в форме на воздушное или водяное охлаждение)», то в сплаве увеличивается количество неравновесных фаз, располагающихся в виде непрерывной сетки по границам дендритных ячеек. Особенно интенсивно это происходит, если форсирование охлаждения начинается с температур, при которых в сплаве еще остается некоторое количество жидкой фазы.

Исходя из представлений о разделительной и выравнивающей диффузии, рассмотрены и предложены модели формирования различной степени дендритной ликвации при возможных вариантах У\ и У2 и их сочетания. В частности, при сравнении случая форсирования охлаждения при 1Л~ У 2 и случая У\ФУг (увеличение У2) показано, что во втором варианте при малых и умеренных 1Л выравнивающая диффузия в жидкой фазе протекает достаточно полно и жидкая фаза обогащается легирующими элементами. Последующее резкое ее охлаждение приводит к кристаллизации с большим количеством избыточных неравновесных фаз. Если же сплав ускоренно охлаждался сразу из однофазного жидкого состояния, то выравнивающая диффузия в жидкой фазе подавляется. Образующееся концентрационное уплотнение в расплаве перед фронтом кристаллизации приводит к образованию при каждой 10

температуре слоев твердого раствора, более богатого легирующими элементами, а насыщение этими элементами жидкой фазы уменьшается. Последнее приводит к образованию меньших количеств неравновесных фаз, чем в первом случае.

Условия кристаллизации, формируя термодинамически неустойчивое состояние сплава с определенной степенью ие-равновесности, определяют:

— кинетику процессов изменения структуры сплава при последующих тепловых воздействиях, направленных на снижение избытка энергии системы;

— степень неравновесности структуры, формирующейся при последующих тепловых воздействиях, уводящих систему от термодинамического равновесия.

К процессам первого типа относятся гомогенизационная обработка и старение, второго — закалка. Часто последующая обработка сплавов в литом состоянии представляет собой сочетание этих процессов.

Изучены особенности формирования структуры и свойств алюминиевых сплавов систем А!—М£, А1—81', А1——Си, А1—Си—М^ при термических воздействиях с учетом исходного состояния литого материала.

Анализу подвергнуто воздейтвпе на сплавы изотермической и термоциклической обработок. Реализация в работе ТЦО литых заготовок (цикл — нагрев до температуры закалки Т3, выдержка и охлаждение в воде) обосновывается следующим: в ходе термоциклировання достигается весьма эффективное изменение степени неравновесностн структуры, активизирующее необходимые структурные превращения, что позволяет ограничиваться минимальным числом циклов; из известных вариантов ТЦО алюминиевых сплавов данный вариант наиболее форсированный; при рассмотрении технологической схемы «термообработка литых заготовок — Деформация с ускоренным охлаждением — окончательная термообработка» следует учесть, что нагревам и ускоренным охлаждениям (по сути кратным термическим циклам) сплав подвергается в ходе всей обработки, поэтому в литом состоянии (если достигается достаточная деформируемость) можно ограничиться одним-двумя циклами (вместо длительного гомо-геннзационного отжига), а ряд структурных превращений завершать вплоть до финишной обработки (например, уменьшение ликвации). Более того, деформация, трансформируя литую структуру, уменьшает пути диффузии и повышает ее интенсивность, что ускоряет процессы формирования заданной структуры.

Показано, что по сравнению с изотермической обработкой циклическая закалка обеспечивает более интенсивное растворение избыточных фаз. Так, в сплаве Д16, после общего времени выдержки при температуре закалки Т3 при трех закалках т3обш — 1,5 ч (Т3 = 490—500°С) толщина выделений неравновесных фаз по границам дендритных ячеек составляет 0,9—1,2 мкм. При изотермической выдержке длительностью Тг = 3ч их толщина составила 1,2—1,6 мкм. Примерно одинаковая толщина выделений обеспечивается при тг = 8ч и т30бщ = 2,5ч (5 закалок). Интенсификация процесса растворения достигается при ТЦО с охлаждением в каждом цикле в воде. Реализация в рамках такого же температурно-временного режима ТЦО охлаждения на воздухе не приводит к заметному увеличению степени растворения по сравнению с изотермической обработкой.

Установлено также, что в ускоренно охлажденном после кристаллизации сплаве процесс растворения неравновесных фаз протекает более интенсивно. Несмотря на начальный больший размер уже после часовой изотермической выдержки или одного закалочного цикла толщина выделений неравновесных фаз по границам дендритных ячеек в ускоренно охлажденной части отливки становится меньше, чем в части отливки, охлажденной с меньшей скоростью.

Отмеченные закономерности изменения количества неравновесных избыточных фаз справедливы также и для промышленных слитков, отлитых в КС и ЭМК.

Исследования сплава Д16 показали, что эвтектические избыточные образования помимо а, 5 и 0-фаз содержат также фазы сложного состава двух типов. Одна фаза обогащена Си, но не содержит Мп. Ее состав близок к фазе СиА12. в которой растворено около 1 % по массе Ре и (пропорция Рр:51 = 1:3). Вторая — обедненная медью фаза А1хСиуРег5ц Мп (примерный состав — АЬоСи^зРебЗ^Мпг,?). Важно отметить, что в процессе гомогенизации (Тг = 490°С, Тг = 10 ч) фаза первого типа не растворяется, хотя по составу близка к Э-фазе. По всей вероятности, эти участки появились в результате эпитаксиального роста в выделений на железо-кремнистых фазах. При таком росте часть элементов Ре и 51 перешло в твердый раствор на основе 0-фазы и повысила ее устойчивость

По мере увеличения числа циклов закалки (от 1 до 10) в фазе первого типа наблюдается уменьшение содержания Си и изменение стехиометрического коэффициента фазы СиА1* от 2 до 3,5. Аналогично снижаете« и содержание Бь В фазе 12

другого типа наблюдается увеличение содержания Си и некоторое снижение содержания Мп. В целом для этой фазы характерно относительное устойчивое стехиометрическое отношение А1:Мп = (17—14):1.

При ТЦО ускоряется распад пересыщенных твердых растворов переходных металлов, сформированных при охлаждении в ходе кристаллизации и после ее завершения. Анализ результатов показывает, что при ТЦО слитков из сплава Д16 за одно и то же время пребывания при температуре гомогенизирующей обработки формируется марганцовистая фаза большего размера, чем при изотермической выдержке (соответственно 0,13 и 0,07 мкм при Тзобщ = тг = 2,5 час). С точки зрения конечных свойств, получаемых из слитков пресс-изделий, укрупнение марганцовистой фазы нежелательно. Однако следует иметь в виду, что при ТЦО одинаковая степень растворения эвтектических выделений по сравнению с изотермической выдержкой обеспечивается при сокращенных т30бщ, причем сокращенных настолько, что формируется и более дисперсная марганцовистая фаза. Так одинаковая степень растворения эвтектики в сплаве Д16 достигается при т3общ = 2—2,5 ч и тг = 8—10 ч, а размер марганцовистой фазы в первом случае 0,09—0,13 мкм, а во втором — 0,17—0,28 мкм.

С помощью метода контактной адсорбционной микрорентгенографии установлено, что термоциклическая обработка (исследовано число закалочных циклов не более трех) уменьшает вторичную пористость. В зависимости от температурно-временных параметров термической обработки дислокации могут либо аннигилировать, если температура нагрева велика, либо постепенно накапливаться за счет полнгонизационных процессов. При этом местами преимущественного скопления дислокаций являются границы зерен, дендритных ячеек и первичные выделения. При формировании субзеренной структуры плотность дислокаций достигает р= (3—6)-1013м~2, в участках с рекристаллизованной матрицей р=(2—3)-10'2м~2. Показано, что образование и укрупнение субзерен в процессе термической обработки литых сплавов приводит к формированию измельченного зерна на большей части сечения слитка, не изменяется размер зерна лишь в приповерхностной зоне, где скорость кристаллизации и послекристаллизацпонного охлаждения была наибольшей.

Изменение структуры, протекающее при термической обработке литого материала, должно рассматриваться в разных аспектах, в зависимости от дальнейшего использования спла-

ва. Для деформируемых сплавов оценка сформированной структуры должна учитывать два момента:

— оценку структурных изменений с точки зрения деформируемости сплавов;

— оценку структуры, как наследуемой деформируемыми полуфабрикатами после трансформации при пластической деформации и участвующей в формировании конечных свойств.

Для литейных сплавов структурные изменения при термической обработке являются окончательными и завершают формирование предэксплуатационного состояния материала.

Проведена оценка деформируемости литых сплавов после термической обработки: гомогенизация, варианты гетероге-иизирующего отжига, ТЦО, ускоренная термическая обработка (одии-два цикла ТЦО). Деформируемость алюминиевых сплавов определяется размерами, формой и распределением избыточных и упрочняющих фаз, устойчивостью последних к растворению при горячей деформации, легироваииостыо твердого раствора. Указанные структурные параметры формируются не только при термообработке литого сплава, но и нагреве под деформацию, что учитывалось в исследованиях. Показано, что с точки зрения обеспечения высокой деформируемости сплава, ускоренная термическая обработка слитков оказывается предпочтительнее (усилие прессования сохраняется при повышенной скорости истечения металла).

При ускоренной термической обработке нагрев слитков (т = 35—40 мин) осуществляется в проходном индукторе, а охлаждение — окунанием в бак с проточной водой или в спрейе(зном устройстве. Следует отметить, что при охлаждении слитков в воде в сплаве фиксируется порышенная концентрация вакансий не только (а для слитков большого диаметра не столько) за счет ускоренного охлаждения, но и вследствии пластической деформации. Например, для слитков 0118 мм из сплава Д16 величина последней достигает--1,1% (радиальная компонента в наружных слоях), и если принять, что концентрация вакансий может быть определена Св~10^4е, то если е~Ю~2, то Св^Ю^6, что весьма большая величина.

Выполнены исследования особенностей изменения структуры и свойств ускоренно охлажденных после кристаллизации алюминиевых сплавов при закалке и старении в литом состоянии. Полученные результаты наглядно свидетельствуют о влиянии условий кристаллизации на кинетику процессов, протекающих при нагреве под закалку и при старении. И

Так сплав Д16 после кристаллизации в печи с температурой 520°С охлаждался по трем режимам: охлаждение с печыо, на воздухе и воде. Установлено, что избыток неравновесных эвтектических выделений при охлаждении в воде и высокая стабильность структуры, формирующейся при охлаждении с печыо, приводит к увеличению времени выдержки при закалке для формирования насыщенного легирующими элементами твердого раствора, по сравнению со случаем охлаждения на воздухе.

После искусственного старения (без собственно операции закалки) отливок (сплав АК6М2), охлажденных с температур конца кристаллизации с разной скоростью (на воздухе или в воде), прирост свойств по сравнению с литым состоянием различается незначительно (на 30—40 МПа).

Наиболее сильно проявлятся различие в условиях после-кристаллизационного охлаждения после закалки и старения (Тс = 190°С). Для трех вариантов охлаждения (по мере увеличения скорости охлаждения — на воздухе, в воде, в воде с ускоренным извлечением из формы) прирост о в для отливок из сплава АК6М2 составил 40, 70 и 115 МПа. Характерно, что одновременно увеличивается и пластичность сплава (6 с 2,0% до 3,2%). Изменяется и кинетика процесса старения. Процесс распада пересыщенного твердого раствора в ускрренно охлажденных после кристаллизации отливках осуществляется значительно быстрее. Так при ускоренном извлечении отливки из формы и охлаждении в воде прирост твердости в процессе старения протекает интенсивно с первых минут и через 60 мин достигает предельной величины. В то же время отливки, охлажденные на воздухе, выходили па предельную твердость лишь через 2 часа. Интенсификация процессов распада при реализации ускоренного послекристаллизационного охлаждения установлена и для сплавов АК9, АЛ9. Наиболее эффективно для сокращения длительности старения применение ускоренного охлаждения со скоростями >30° С/с.

Серьезные изменения в кинетику распада при старении вносит регулирование степени неравновесности структуры после закалки. Пониженные степень пересыщепности твердого раствора и концентрация вакансий приводят к появлению немонотонного характера изменения твердости, причем число стадий убывания и возрастания твердости определяется условиями охлаждения отливки при кристаллизации и после ее завершения.

Исследовано совместное влияние условий кристаллизации при литье под давлением (сплавы АКЮМ2Н и АК12М2) и

режимов термической обработки на кинетические особенности распада пересыщенных твердых растворов при старении. Замедленно протекают процессы распада при старении в участках отливки, в которых действовали напряжения гидростатического сжатия или имело место нарушение режима ламинарного течения расплава.

На отливках литья под давлением из сплава АК12М2 установлена такая же стадийность распада пересыщенного твердого раствора в структурах с разной степенью неравновесности после закалки, которая отмечалась ранее для отливок литья в кокиль из сплава АК6М2.

При анализе процессов формирования структуры и свойств быстрозатвердевших алюминиевых сплавов установлено замедление процессов распада при естественном старении (сплавы Д16, Д1, АД31).

Быстрая скорость охлаждения исключает образование предвыделений, на которых в дальнейшем могли бы быстро образовываться зоны ГП, и вследствие этого инкубационный период распада увеличивается. Кроме того, имеет место интенсивный сток избыточных вакансий, сформировавшихся при быстрой кристаллизации, на границы зерен, которые имеют очень большую протяженность в силу малого размера зерна. Пониженная концентрация вакансий приводит к замедленной доставке атомов легирующих элементов к местам образования упрочняющих зон. Большое абсолютное значение твердости быстрозатвердевших сплавов объясняется большей пересьнценностыо твердого раствора, однородностью процессов рапада и высокой степенью процессов дисперсности его продуктов. Эти же причины вызывают и достижение заметного упрочняющего эффекта в сплавах АМг2, АМг5, АМц.

Установлены особенности распада и при реализации старения быстрозатвердевших сплавов при повышенных температурах (190°С). Они заключаются, во-первых, в наличии стадии активного снижения твердости на начальном этапе выдержки, очевидно вызванное процессами возврата, протекающими при повышенной температуре в структуре, имеющей большую плотность дислокаций и вакансий; во-вторых, более раннем наступлении перестаривания сплава, по сравнению со сплавом, закаленным в твердом состоянии.

Формирование при электронно-лучевой обработке на поверхности изделия быстрозатвердевшего слоя и учет установленных закономерностей структурообразования позволяет повысить долговечность ~в 2 раза. 16

В заключении главы обсуждаются основные направления разработки экономных технологий, учитывающих особенности кристаллизации. Обобщается анализ изменения степени иеравковесности структурных характеристик, формирующихся на этапах литья и термической обработки литых сплавов.

Применение ускоренного послекристаллизационного охлаждения отливок приводит к преимуществам каЦ с точки зрения сокращения временных параметров термической обработки, так и уровня свойств изделий. Ускоренная термическая обработка слитков, заключающаяся в достаточно кратковременном нагреве и охлаждении в воде, может использоваться вместо длительного процесса гомогеиизационного отжига.

Влияние режимов предварительной термической обработки и деформации заготовок на формирование структуры и свойства термически упрочняемых полуфабрикатов

В лабораторных и промышленных условиях выполнена оценка влияния различных параметров деформирования алюминиевых сплавов на формирование структурного состояния и уровня свойств.

Показано, что варьирование условий последеформацнолпо-го охлаждения позволяет регулировать степень неравновеспо-сти структуры материала и влиять на процессы изменения микроструктуры, протекающие при последующей термической обработке, определяя уровень достигаемых свойств.

Предложены деформационные критерии формоизменения, позволяющие проводить достаточно надежную и простую количественную оценку условий пластического деформирования при прессовании изделий, особенно сложной формы. Это два критерия. Первый (г|) из них представляет отношение толщины полки профиля к диаметру контейнера, в котором проводилось прессование, второй (|) — относительное расстояние от конца полки. С уменьшением критерия г| увеличивается степень горячего наклепа металла, уменьшается стабильность полигональной структуры и повышается энергетический стимул к протеканию процессов рекристаллизации при последующем термическом воздействии. Это обусловлено как действием зональных напряжений в металле, возникающих при истечении, так и несколько большей степенью деформации. Изменение т] приводит и к различиям в текстуре. По мере возрастания критерия | (удаление от края полки) изменяется схема деформации металла: от удлинения в долевом и симметричного сужения в поперечном направлениях к несиммет-

ричному удлинению в долевом и поперечном по ширине направлениях и сужению по высоте (что характерно для прокатки). Это приводит к различию в текстуре и волокнистом строении сплава по ширине полки, что сказывается на уровне механических свойств. Установлено, что изделия, деформируемые по схеме деформации, близкой к прокатке, имеют повышенную склонность к развитию в их структуре процессов рекристаллизации. Это обусловлено отличиями в ориентировке субзерен, а также повышенной концентрацией вакансий по сравнению с материалом, деформированным по схеме с более выраженным всесторонним сжатием, что активирует структурные превращения.

Установлено значительное влияние особенностей деформации при прессовании, описываемых критериями т^ и на уровень конечных свойств профилей. Как правило, к увеличению прочностных характеристик сплава приводит возрастание критерия т] и уменьшение Ускоренное последеформацион-иое охлаждение при типовых вариантах тепловой обработки слитков и финишной термической обработки пресс-изделий позволяет повысить уровень прочностных на 15—40МПа и усталостных (число циклов до разрешения М, до 2,5 раз) характеристик сплава Д16. Эффективность ускоренного охлаждения определяется особенностями деформационной обработки профилей и параметрами окончательной термической обработки. Установлено выравнивание свойств по ширине полок сложных профилей за счет увеличения их уровня в «.слабых» участках сечения. Получены многочисленные уравнения регрессии, связывающие основные механические свойства пресс-изделий, их коррозионную стойкость, электросопротивление сплава и факторы деформационно-термической обработки (критерии г) и I, скорость охлаждения после прессования, температура и длительность выдержки при закалке).

Установлено, что эффект увеличения прочностных свойств не менее ЮМПа при замене последеформационного воздушного охлаждения на водяное достигается при реализации скорости охлаждения выше ~ 10° С/с, что должно учитываться при использовании предлагаемого варианта технологии.

Анализ структурных изменений показывает, что ускоренное охлаждение после деформации приводит к замедлению развития процессов рекристаллизации и способствует сохранению полнгонизованной структуры в закаленном состоянии. Схема развития процессов, происходящих с деформированной структурой полуфабрикатов при температурных воздействиях, может быть представлена в виде: совершенствование

ячеистой или субзеренной структуры (I)-v групповая коалес-ценция субзерен (II) ->-образование участков, окруженных высокоугловой границей (зародышей рекристаллизации) (III) ->- миграция высокоугловых границ (собственно рекристаллизация) (IV). В замедленно охлажденных с температуры окончания деформации изделиях из сплавов системы AI—Си—Mg I-стадия протекает уже при последефор-мационном охлаждении и в горячепрессованном состоянии имеет место довольно совершенная субзеренная структура. При ускоренном охлаждении изделий имеет место малосовершенная субзеренно-ячеистая структура. Таким образом, процесс перехода к рекристаллизованной структуре в замедленно охлажденных изделиях начинается во времени раньше. Следует также учитывать следующее. Процесс полигонизации в процессе охлаждения сплава протекает при одновременном распаде твердого раствора и выделении частиц упрочняющих фаз. Это затрудняет переползание дислокаций (главный процесс полигонизации), во-первых, из-за параллельного процесса ухода атомов к образующимся частицам; во-вторых, из-за того, что частицы являются препятствием для переползания дислокаций. Вследствие этого формируется малое количество малоугловых границ и крупные субзерна. Такая структура требует довольно незначительного развития II процесса для перехода на III стадию. В ускоренно охлажденных изделиях процесс I начинается и протекает в ходе нагрева и выдержки при закалке, во время которых идет растворение возможно имеющегося небольшого количества выделений упрочняющих фаз. Указанные выше причины торможения переползания дислокаций отсутствуют. Вследствие этого образуется протяженная сетка малоугловых границ с небольшим размером субзерен. И для начала III стадии требуется время для протекания II стадии. Таким образом, ускоренное охлаждение замедляет процесс перехода сплава в рекристаллизованное состояние, способствует сохранению ячеисто-субзеренной структуры в прессованных термически обработанных полуфабрикатах. С этим связано достижение в результате ускоренного охлаждения более высоких механических свойств.

Ускоренное охлаждение с температур предшествующей обработки (в данном случае деформации) ускоряет процесс гомогенизации матрицы при закалочной изотермической выдержке. Это позволяет осуществлять закалку после коротких

выдержек, что, в свою очередь, дает дополнительную возможность сохранения нерекристаллизованиой структуры с повышенной плотностью дислокаций.

При реализации ускоренного охлаждения после деформации предотвращается образование крупных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора матрицы. Фиксируется повышенная концентрация точечных дефектов в матрице из-за закалки вакансий с температуры прессования и за счет дополнительной деформации. Ускоренное охлаждение приводит также к увеличению остаточных напряжений в материале, увеличивает плотность дислокаций, а также подавляет процессы аннигиляции дислокаций.

Большее количество дефектов кристаллического строения в матрице и отсутствие в исходной структуре перед нагревом под закалку крупных выделений, подлежащих растворению, приводят к более полному переходу легирующих элементов в твердый раствор, большую его пересыщенность. Поэтому при спинодальном распаде в процессе старения (не требующем формирования центров) скорость распада и соответственно плотность выделений будут выше для сплава, ускоренно охлажденного после прессования. Так для прутков 60X70 мм, полученных из гомогенизированных слитков сплава Д16 и подвергнутых закалке с Т3 = 500°С и т3 = 60мин, в первые четыре часа естественного старения скорость изменения твердости для случая ускоренного охлаждения составляет около 70МПа-ч-1, а для обычно охлажденных па воздухе — около ЗОМПа-ч-1. В дальнейшем скорость распада практически выравнивается, и окончательный уровень твердости ускоренно охлажденный пруток достигает к 48 ч, а обычно охлажденный — через 72 ч. При этом в первом случае окончательная твердость выше на —ЮОМПа.

В сравнительном плане, к случаю использования традиционной гомогенизации слитков, изучены закономерности изменения структуры и свойств сплавов при реализации схемы: ускоренная термическая обработка слитков—прессование-закалка—старение.

Установлено, что количество выделений марганцовистой фазы и их дисперсность в структуре пресс-изделий в случае ускоренной обработки слитков (кратковременный нагрев с охлаждением в воде) существенно выше. При этом в матрице наблюдается повышенная плотность дислокаций и формируется субструктура с меньшими размерами субзерен. 20

При рассмотрении в общем данных по механическим свойствам установлено, что замена гомогенизации на ускоренную термическую обработку приводит к повышению практически всех исследованных механических характеристик и их выравниванию по сечению сложных профилей. Величина прироста каждой характеристики определяется значениями факторов Тз, скорости охлаждения после деформации, и критериев т] и В частности, для эффективного повышения прочностных и усталостных характеристик сплава при реализации охлаждения водой на прессе целесообразно назначать сокращенные выдержки при закалке, особенно для малых значений г|.

Учитывая, что довольно широкая номенклатура изделий из алюминиевых сплавов изготавливается штамповкой с проведением последующей термообработки, проведены исследования по оценке влияния ускоренного охлаждения с температуры окончания штамповки на структуру, уровень и однородность свойств изделий.

Ускоренное последеформационное охлаждение в воде обеспечивает повышение скоростей протекания гомогенизации матрицы при закалочном нагреве и распада пересыщенного твердого раствора при последующем старении. В технологическом плане это позволяет сокращать т3 до 2 раз, а время старения с7—14до 2—3 ч (сплавы Д1 и АК6). При этом может быть достигнуто повышение прочностных и усталостных свойств при сохранении пластичности сплава. Коррозионные исследования показали, что штамповки, изготовленные по новой технологии, имеют балл по расслаивающей коррозии топ же величины, что и штамповки с типовой технологией изготовления. Стойкость же к коррозии под напряжением первых даже выше.

Проанализированы дополнительные возможности улучшения структуры и свойств изделий из алюминиевых сплавов реализацией ТЦО в деформированном состоянии. Исследованы прессованные, штампованные и прокатанные заготовки. Собственно ТЦО заключалась в проведении кратных закалок (не более трех) с последующим старением. Закономерности структурных изменений при ТЦО исследованы с учетом вида обработки слитков (типовая или ускоренная), условий деформации (критерии г) и |) и варианта последеформационного охлаждения.

Установлен ряд особенностей трансформации структуры пресс-изделий на стадии закалки при реализации ТЦО. По сравнению с типовой однократной закалкой более полно

протекают полигонизация и начальные стадии рекристаллизации. Вместе с тем, по сравнению с изотермической обработкой той же общей длительности, в структуре при ТЦО формируется меньший размер субзерен и повышенная плотность дислокаций (в участках, где рекристаллизация еще не наступила). Причем такая ситуация имеет место в случае использования и гомогенизированных и ускоренно обработанных слитков. Так, если при однократной закалке с т3= 180 мин в различных участках сечения профиля из сплава Д16 (гомогенизированный слиток) размер субзерен dc составляет 5—6 мкм, а р^ — = (0,1—0,8) ■ 1013 м^2, то после трехкратной закалки (с т3 = = 60 мин в каждом цикле) dc = 3—5 мкм, a p_L = (1,4 — 2,8)) • 1013 м~2. При проведении же однократной закалки (т3 = 60мин) получено dc = 4—5 мкм, = (2,2—3,6) • 1013 м-2.

Развитие процессов рекристаллизации в ускоренно охлажденных прфилях запаздывает.

При ТЦО обеспечивается более полный переход легирующих элементов в твердый раствор, что подтверждается данными по параметру кристаллической решетки, электросопротивлению и твердости сплавов.

Установлены особенности изменения структуры на стадии старения после ТЦО: ускорение процессов и степени распада как при комнатной, так и повышенной температурах (установлено для сплавов 1915, АК6, Д16, В95); повышенная устойчивость упрочняющих выделений к действию циклических нагрузок.

ТЦО прессованных профилей (сплав Д16, три закалочных цикла) из гомогенизированных слитков повышает б на 15— 30%, 'N, в 1,3—2 раза, o-i на ЗОМПа и уменьшает склонность к межкристаллнтной коррозии. Прочностные характеристики, величины Kic и KCU сохраняются на уровне типовой термообработки. ТЦО профилей из ускоренно термически обработанных слитков или ускоренно охлажденных после прессования позволяет дополнительно повысить и ов па 10—ЗОМПа.

Эффективность ТЦО достигается лишь при использовании в каждом цикле охлаждения в воде и назначении максимально возможной Т3. Получены многочисленные уравнения регрессии, связывающие свойства пресс-изделий, режимы ТЦО и параметры деформационной обработки.

Для листовых полуфабрикатов (основные исследования выполнены на сплаве 1163) оптимальный комплекс свойств конструктивной прочности (сочетание характеристик, получаемых при статических испытаниях и характеристик цикли-1>

ческой трещиностойкости) достигается при обработке по режиму ТЦО с двухкратной закалкой и естественным старением. Данный режим повышает пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений Kth и критический коэффициент интенсивности напряжений при плоском напряженном состоянии Кс, соответственно на 13% и 5%.

Для штампованных изделий, охлажденных после деформации водой, реализация двух-трех закалок позволяет при сокращенной длительности старения (с 8 ч до 3 ч, сплав АКб) обеспечить повышенный уровень и большую однородность относительного удлинения, усталостной долговечности и ударной вязкости. При этом прочностные свойства, стойкость к коррозии под напряжением, межкристаллитной и расслаивающей коррозии сохраняются на уровне типовой обработки. В случае штамповки изделий в несколько переходов, целесообразно рассматривать деформационный нагрев и ускоренное охлаждение в качестве циклов ТЦО, что является совмещенной деформационно-термической циклической обработкой.

В работе предложены некоторые специальные приемы термической и деформационно-термической обработок, иаправ ленные на улучшение свойств алюминиевых сплавов.

Весьма эффективно проведение перед термической обработкой пластической деформации кручением небольшой величины (уо,гл/7) (А. с. № 1039980). При сочетании такой деформации и ТЦО сплава Д16 усталостная долговечность на порядок превышает уровень, достигаемый при типовой обработке.

Оригинальный способ (А. с. № 1421804), заключающийся в проведении закалки и двухступенчатого старения, проводимого по режиму: первая ступень — 185—195°С, 6—10 ч; вторая — 320—350°С, 50—80 с с охлаждением в воде, обеспечивает сохранение достаточного уровня прочности пои работе изделий в условиях повышенной температуры. Так после 30 часов выдержки при температуре 250°С сплав Д16 имеет (Тв 400/245 и 370/225 МПа соответственно после предлагаемого и типового режимов (в числителе приведены данные испытаний при комнатной температуре, в знаменателе — при 250°С).

Установлено, что проведение горячей деформации после быстрой кристаллизации позволяет резко интенсифицировать и повысить степень распада пересыщенного твердого раствора. Причина этого — наличие дефектов кристаллического строения, наведенных в материале деформацией и связывающихся при данной температуре (400—450°С) в устойчивые

образования. Следует учитывать также, что при указанной температуре в ходе горячей деформации уже начинает идти распад, который приводит к образованию большого количества центров распада, на которых затем идет образование упрочняющих выделений зонного типа при последующем старении. Способ обработки (А. с. № 1835432) быстрозаггвер-девших алюминиевых сплавов, включающий их деформацию (не позднее чем через двое суток после быстрой кристаллизации) при 400—450°С со степенью не менее 5% и старение позволяет резко упрочнять материал (твердость сплава Д16 повышается на ~40%) без дополнительной операции закалки.

В заключении главы обсуждаются основные направления разработки энергоэкономных режимов деформационно-термической обработки алюминиевых сплавов, позоляющих не только сократить длительность технологических процессов, но и существенно улучшать уровень конечных свойств материала. Введение ускоренного охлаждения водой с температуры окончания деформации делает возможным использование сокращенных временных параметров закалочного нагрева и старения.

Анализ закономерностей изменения структуры и свойств сплавов в ходе всей цепи комбинированных тепловых воздействий показал, что наибольший эффект по сокращению технологического цикла и экономии затрат может быть достигнут при совместной реализации ускоренной термической обработки литых заготовок и ускоренной деформационно-термической обработки.

Предложена обобщенная схема изменения степени неравновесное™ структуры по ходу комбинированных воздействий, направленная на активизацию необходимых структурных превращений и повышение эффективности обработки.

Научно-прикладные аспекты работы.

Вопросы промышленной апробации и внедрения

Предложенные варианты тепловой обработки сплавов позволяют существенно повысить сопротивление усталости изделий. На основе исследований, направленных на выяснение механизма такого влияния, предложен экспрессный метод определения сопротивления усталости алюминиевых сплавов (А. с. № 1037126). Показано, что дисперсионноупрочняемые сплавы являются структурно-нестабильными при циклическом нагру-жении и уровень исходных свойств не может предопределить, в полной мере, способность изделий сопротивляться усталости. 24

Долговечность алюминиевых сплавов зависит от способности упрочняющих выделений противостоять растворению под действием переменных напряжений и повышенной температуры.

В качестве критерия оценки устойчивости упрочняющих выделений (а следовательно, и для оценки способности сплава сопротивляться разупрочнению) принята либо величина относительного снижения твердости при обработке на термический возврат (для зонносостаренных сплавов), либо при обработке на твердый раствор (для сплавов с фазовым старением). Предложенный способ успешно внедрен для оценки долговечности изделий из сплавов Д1, Д16, АК6, АК8 и В93, позволяет отказаться от затрат на изготовление сложных образцов, на дорогостоящее оборудование и усталостные испытания.

Решается вопрос о выборе оптимального режима обработки пресс-изделий, начиная с этапа подготовки слитков перед прессованием. В предыдущих главах, при обсуждении уравнений регрессии, критерием качества являлась одна выходная характеристика свойств, а в качестве ограничений выступали ограничения на параметры обработки и обыч"о односторонние ограничения на остальные характеристики.

В данной главе для оптимизации вида и режимов обработки используется функция желательности, причем в трех возможных наборах характеристик из множества ов, 00,2, ств-б, М-, КСи, глубина межкристаллитной коррозии, однородности свойств ав и N по сечению всего профиля или в конкретной зоне сечения. Выбор варианта оптимпзапни определяется требованиями, предъявляемыми к детали. Оптимизация ведется по совокупности свойств либо всего сечения, либо участков с минимальным или максимальным уровнем механических характеристик.

Результаты оптимизации показывают, что наиболее приемлемым вариантом обработки сложных профилей из сплава Д16 является обработка, включающая ускоренную термическую обработку слитков, прессование с ускоренным после-деформацнонным охлаждением, закалку с сокращенной т3 и естественное старение. С экономической точки зрения этот режим является и наиболее дешевым и технологически более мобильным. Тем не менее он обеспечивает (ппоанрлизнгов^-го свыше ста режимов обработки) оптимум по четырем из шести рассмотренных критериев качества, одновременно достигается достаточно высокий уровень и других критериев.

В отдельных случаях (два из рассмотренных шести критериев, когда анализируется вариант оптимизации по механическим свойствам в «сильном» участке сечения) оптимум достигается при использовании ТЦО.

Выполнен комплекс аналитических и экспериментальных исследований, проведены промышленные испытания применения системы заливки металла сверху с помощью литниковой системы специальной конструкции при получении отлив-кн «головка блока цилиндров» в условиях АвтоВАЗа. Заливка сверху позволяет уменьшить размеры прибыли и вес литой заготовки. При снижении массы прибыли исключаются многие дефекты, связанные с ее наличием: огрубление структуры, появление горячих трещин и т. д. Кроме того, снижается время пребывания отливки в форме, вследствие увеличения скорости кристаллизации. Последнее позволяет существенно повысить производительность работы кокильных машин.

При отработке литниковой системы, которая обеспечит заполняемость формы, разработана математическая модель системы «кокиль с проточным охладителем — отливка», которая учитывает: нелинейные эффекты теплообмена, наличие термического сопротивления на границе контакта отливка— кокиль, возможные фазовые переходы в проточном охладителе, а также теплоту кристаллизации отливки и цикличность теплообмена.

В результате решения задачи получены кривые охлаждения поверхности отливки и кокиля при заливке в холодный и горячий кокиль, определены длительность затвердевания для отливок с различной толщиной и необходимые площади питателя.

Изготовление опытной промышленной партии отливок подтвердило, что новая конструкция литниковой системы позволяет получать заготовки пониженного веса при повышении механических свойств отливок (ав выше на 15—60 МПа, НВ — на 20—¡00 МПа).

В работе предлагаются режимы обработки с ускоренным охлаждением с различных температур, а также неоднократное использование таких охлаждений при ТЦО. Выбор допустимых условий нагрева и охлаждения определяется в значительной мере особенностями геометрии изделий. Разнотол-щппность может являться причиной неодновременного протекания различных процессов в разных зонах профиля, и, как следствие, — повышение деформаций и разнородности свойств. Для соответствующего анализа поведения изделий и сплавов 26

в условиях форсированных тепловых воздействии необходимо знание теплового и напряженного состояния изделий различной конфигурации.

В основу математической постановки задачи теплопроводности положена термическая обработка в спрейерных устройствах. Для решения нелинейной краевой задачи использован метод конечных разностей, сводящий задачу к алгоритму прогонки.

В расчетах упруго-пластических деформаций и напряжений использован подход с применением мгновенного предела текучести с учетом этапа иагружения и разгрузки.

Расчеты показывают, что максимальный уровень напряжений при закалке изделий толщиной до 200 мм не превышает 220 МПа. Варьированием расхода охладителя можно эффективно управлять величиной максимальных напряжений лишь при расходе до 3 кг/(м2-с).

Максимального уровня напряжения достигают через 5 с после начала остывания, что составляет —2% от общей длительности остывания. В изделиях сложной конфигурации напряжения выше: при расходе охладителя 5 кг/(м2-с) в «тонкой» полке профиля получены растягивающие напряжения равные 230 МПа, в «массивной» полке — сжимающие — 70 МПа. При закалке изделий в воде возможна пластическая деформация — 0,4—1%.

В заключении главы приведены результаты внедрения предлагаемых в работе разработок на различных промышленных предприятиях. К таким разработкам, в частности, относятся: форсированные технологии получения и обработки отливок, слитков, прессованных изделий и штамповок, а также экспрессный способ оценки усталостной долговечности. Обсуждаются экономические преимущества новых технологических схем и перспективы дальнейшего использования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Обобщение выполненных теоретических и экспериментальных исследований позволило научно обосновать технологические решения, направленные на повышение экономичности многоэтапной комбинированной тепловой обработки и улучшение свойств дисперсионнотвердеющпх алюминиевых сплавов.

Установлены и уточнены закономерности формирования структуры и свойств сплавов, особенности механизмов струк-турообразования в ходе последовательной реализации этапов

литья, промежуточной термической обработки, пластического деформирования, окончательной термической обработки с использованием новых активирующих (за счет создания оптимальной степени неравновесности структуры) температурных воздействий в виде регламентирование ускоренных кристаллизационного и послекристаллизационного охлаждений и охлаждения с температур пластической деформации, а также с температур нагрева иод термическую обработку, включая термоциклирование.

2. Закономерности влияния условий кристаллизации и скорости послекристаллизационного охлаждения на процессы формирования структуры и свойств определяются соотношением скоростей охлаждения в интервале кристаллизации и после се завершения, абсолютными значениями скоростей охлаждения, особенностями заполнения формы расплавом и режимами термической обработки. Выделены три интервала скоростей охлаждения при кристаллизации (10~3 — Ю-1, 10°—102, 103—104 К/с), для каждого из которых выявлены свои закономерности влияния ускорения послекристаллизационного охлаждения и режимов термообработки на структуру и свойства сплавов. В частности, установлены режимы воздействий, приводящие к увеличению количества избыточных фаз кристаллизационного происхождения в виде прослоек по границам дендритных ячеек, а также режимы интенсифицирующие растворение избыточных фаз при последующих гомогенизирующих обработках.

3. Установлено повышение интенсивности и степени распада при искусственном старении сплавов, ускоренно охлаж-деных в послекристаллизационном интервале температур. В ряде случаев выявлен сложный немонотонный характер упрочнения литых алюминиевых сплавов при температурах старения 190—200°С, предложены возможные стадии распада.

В ускоренно охлажденных отливках (сплавы АЛ9, АК6М2, АК9) достигается повышение прочностных свойств (ов) на 10—ЮОМПа пластичности (б) на 1 — 1,5%, КСи на 0,2 — 0,ЗМДж/м2. При этом можно назначать в 1,5—2 раза сокращенное время выдержки при старении.

Разработана технология получения отливок в кокилях, использующая вариант заливки расплава сверху, предусматривающая уменьшение размеров литниковых каналов и прибыли и обеспечивающая повышение производительности литейных машин. 28

4. Выявлены особенности структуры и свойств алюминиевых сплавов, полученных методами высокоскоростной кристаллизации:

— в участках заготовок, отлитых под давлением, где действовали гидростатические напряжения сжатия или высока степень турбулентности потока расплава, скорость распада при старении закаленного сплава понижена;

— в быстрозатвердевших сплавах (скорость охлаждения расплава 103 — 104 К/с) формируется первновесное состояние, которое характеризуется: ультрамелкозернистой и высокодисперсной по выделениям структурой (размер зерна в 6—10 раз, а размер дендритной ячейки в 20—30 раз меньше, чем в промышленных слитках), повышенной однородностью распределения элементов в структуре, замедлением процесса распада пересыщенных твердых растворов при естественном старении, повышенной твердостью, ускорением наступления стадии перестаривания при фазовом старении;

— формирование поверхностного быстрозатвердевшего слоя при электронно-лучевой обработке позволяет повысить в 2 раза усталостную долговечность образцов;

— сочетание быстрой кристаллизации и пластической деформации при 400—450°С, проведенной сразу после кристаллизации, позволяет резко упрочнять сплавы (в сплаве Д16 микротвердость повышена на ~500 Л\Па) без дополнительной операции закалки.

5. Предложенные варианты ТЦО, включающие кратные закалочные циклы, интенсифицируя физико-химические процессы, вызывают существенное внутреннее преобразование структуры литых сплавов, выражающееся в проявлении интенсивного (по сравнению с изотермической обработкой) растворения избыточных фаз кристаллизационного происхождения, формировании дисперсных частиц интерметаллидов переходных металлов, уменьшении пористости и измельчении зериа, в проявлении тенденций к аннигиляции или накоплению дислокаций в зависимости от температурно-временных параметров, изменении состава фаз. ТЦО даже в высокоэкономичных вариантах (число циклов один или два) формирует предде-формацнонную структуру, обеспечивающую достаточную деформируемость литых заготовок: при сравнении с традиционно гомогенизированными реализуются те же усилия прессования и повышенные скорости истечения, а длительность обработки сокращается до 1—2 часов.

При этом ускоренная термическая обработка слитков позволяет повысить (прессованные профили из сплава Д16) ав

на 15—20 МП а, б на 25—30%,'М, от 25—45% до 3—4 раз, 0-1 на 15 МПа при снижении склонности к межкристаллитнон и расслаивающей коррозии и сохранении значения Кк: и КСи.

6. Разработаны деформационные критерии т) и оценивающие влияние геометрии пресс-изделий па закономерности формирования структуры и свойств на промежуточных и финишной стадиях обработки.

Установлена положительная роль интенсификации после-дс-фсрмациошюго охлаждения с температур окончания деформации (замп;а воздушного охлаждения в штабелях .но охлаждение в воде) в схеме предварительной термомеханической обработки. Ускоренное охлаждение способствует сохранению в изделиях нерекристаллизованпой структуры. При этом выявлено: изменение кинетических особенностей процесса растворения — выделения упрочняющих фаз в процессе закалочного нагрева, интенсификация гомогенизации матрицы в процессе закалочной выдержки, ускорение и увеличение степени распада при зонном и фазовом старении закаленных сплавов.

Наиболее эффективно применение ускоренного последе-формационного охлаждения при прессовании изделий из ускоренно термически обработанных слитков. Для прессованных профилей (сплав Д16), получаемых из гомогенизированных слитков, удается при ускоренном охлаждении после прессования повысить сгв и со,2 на 15—40 МПа, N до 2,5 раз при сохранении 6, КСи, Клс и сопротивлении коррозии.

Реализация ускоренного охлаждения при получении изделий из ускоренно термически обработанных слитков увеличивает прирост сто,г и а в до 40—60 МПа, б повышается на 20— 25% при выравнивании свойств по сечению сложных профилей.

Ускоренное охлаждение после деформации повышает в штамповках из сплава Д1 'сго.г и >сгв на 35—40 МПа, б на 25%, а из сплава АК6 позволяет применять сокращенные режимы закалки и старения (времена выдержки сокращаются на 30% и с 7—14 ч до 2—3 ч соответственно) при обеспечении гсобхе-димого уровня характеристик сгв, 00,2 и б и повышении усталостной долговечности и сопротивления коррозии.

7. ТЦО сплавов в деформированном состоянии изменяет их структуру по сравнению с типовой обработкой, обеспечивая активизацию полигонизационпых и рекрнсталлизационных (на начальной стадии) процессов, создание повышенной пересыщенности твердых растворов после окончательного закалочного охлаждения, что интенсифицирует последующий

распад при зонном и фазовом crape ии (сплавы Д16, 1915, АК6, В95), формирование высокое абпльных упрочняющих зон и частиц фаз с высокой однородностью распределения в матрице (сплавы Д16, Д1, АК6, В93).

ТЦО прессованных профилен (сплав Д16) из гомогенизированных слитков повышает б на 15—30%, N в 1,3—3 раза, о-1на30МПа и уменьшает склонность к МКК. Прочность, величина Kic и KCU сохраняются на уровне, получаемом при типовой обработке. ТЦО профилей, отпрессованных из ускоренно термически обработанных слитков или ускоренно охлажденных после прессования, позволяет дополнительно повысить и (Тв на 10—30 МПа.

ТЦО повышает характеристики циклической трещпностоп-кости (Kt/j, Кс, (Тс"сттс) листовых полуфабрикатов (сплав 1163); пластичность и усталостную долговечность штампованных изделий (сплав АК6).

Сочетание ТЦО с предварительной деформацией кручения позволяет повысить усталостную долговечность ~в 10 раз (сплавы В95 и Д16), а применение принципов ТЦО на стадии старения приводит к сохранению прочностных свойств сплавов (Д16, АК.4-1) при воздействии повышенных температур.

8. Получены решения и выполнены расчеты:

— по оценке изменения температуры поверхности отливки и кокиля в процессе кристаллизации, длительности затвердевания и параметров литниковой системы специальной конструкции. позволяющей, осуществляя заливку сверху, форсировать процесс получения отливок с пониженным расходом металла;

— по оценке влияния режимов охлаждения и геометрии изделий на кинетику изменения полей температур, напряжений и деформаций, что позволяет определять рамки технологической возможности увеличения скоростей охлаждения изделий сложной конфигурации после деформации н при ТЦО.

9. Многофакторпая оптимизация всех исследованных режимов обработки прессованных полуфабрикатов по обобщенным критериям качества, составленным из характеристик основных свойств, показала, что обработка, включающая ускоренную термическую обработку слитков, прессование с ускоренным охлаждением на столе пресса и однократную закалку с сокращенным временем выдержки, обеспечивает

высокую однородность свойств по сечспню профилей и максимизирует свойства в зоне с минимальным их уровнем. Этот вариант и наиболее экономичен.

Для дополнительной оценки качества прессованных и штампованных изделий, обработанных но разным вариантам, разработан экспрессный метод определения сопротивления усталости алюминиевых сплавов, основанный на оценке устойчивости зон и частиц упрочняющих фаз при термическом возврате и обработке на твердый раствор.

10. Теоретические и прикладные результаты работы внедрены, внедряются или прошли апробирование па ряде предприятий: АО «САМЕКО», АО «Международная авиационная . корпорация», АО «АвтоВАЗ», ПО «Завод им. Масленникова», Поволжский НИИМТД и др. Общий годовой экономический эффект от внедрения разработок — 41100 тыс. рублей (в ценах разных лет).

Основное содержание диссертации опубликовано в 56 работах, в том числе:

1. Муратов В. С. Особенности формирования структуры и свойств алюминиевых сплавов при форсированных режимах термической н деформационной обработок. — Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 1995, — 184 с.

2. Муратов В. С., Кенис М. С. Прогрессивные режимы термической обработки цветных металлов. Учсбн. пособ. — Куйбышев: Куйбышев, по-л1пехп. пп-т, 1990. — 79 с.

3. Муратов В. С., Рыжов А. Ф. Влияние ускоренного охлаждения после прессования на структуру и свойства термически упрочненного сила, ва Д16/'Тез. докл. IX Всесоюз. конф. по физике прочности и пластичности. — Куйбышев, 1979. — с. 164.

4. Кенис М. С., Муратов Ва С., Непрокина С. В., Тро1шина Л. В. Влияние пластической деформации кручением перед закалкой на структуру п механические свойства сплава В95//Теорпя расчета и конструирования деформирующего н формообразующего инструмента: Сб. науч. тр. — Куйбышев: Изд-но КуАИ, 1979. — с. 70—75.

5. Кенис М. С., Муратов В. С. Исследование влияния режима охлаждения после прессования на структуру и свойства закаленного сплава Д16,//Теория расчета п конструирования деформирующего и формообразующего инструмента: Сб. науч. тр. — Куйбышев: Йзд-во КуАИ, 1981.— с. 168—177.

6. Мурато в В. С., Кенис М. С. Повышение надежности конструкций из алюминиевых сплавов методами термомсханнческой обработки/ 'Тез. докл. Всссоюзи. конф.: «Повышение долговечности и надежности машин и приборов»..— Куйбышев, 1981. — с. 193.

7. Муратов В. С., Трошина Л., В. Влияние циклических закалок литого сплава Д16 и условий деформации на структуру н свойства пресс-изделии/ /Материалы к конф. «Термоцнклнческая обработка металлических изделий». — Ленинград: Наука, 1982. — с. 153—154.

32

8. Муратов В. С., Кенис М. С. Оценка долговечности сплавов на алюминиевой основе по характеру изменения твердости при возврате/,/Тез. докл. VIII Всесоюзн. конф. по усталости металлов. — М., 1982. — с. 77—78.

9. Муратов В. С., Кенис М. С. Особенности применения термической циклической обработки алюминиевых сплавов с разной деформационной обработкой//Тез. докл. X Всесоюзн. конф. по прочности и пластичности металлов и сплавов,— Куйбышев, 1983. — с. 55.

10. Муратов В. С., Кенис М. С., Гордань Г. Н. Исследование из менения состава фаз в сплаве Д16 при гомогенизации и циклических закалках//Тез. докл. X Всесоюзн. конф. по прочности и пластичности металлов п сплавов. — Куйбышев.— 1983. — с. 29—30.

11. Муратов В. С., Трошина Л. В., Кенис М. С. Полнгонизациошю-рекристаллизационные процессы в литых и деформированных изделиях из алюминиевых сплавов при термической циклической обработке//Тез. докл. IV Всесоюзн. конф. по текстурам и рекристаллизации в металлах и сплавах. — Горький. — 1983. — е. 166—167.

12. Муратов В.. С. Однородность свойств прессованных профилей сложной конфигурации из алюминиевых еплавов/Дехпология легких сплавов. — 1983. — № 7.-е. 47—54.

13. Кенис М. С., Муратов В. С., Якубович Е. А. Повышение пластичности алюминиевых сплавов методом циклической закалки перед прес-сованисм//Тез. докл. X Всесоюзн. научно-техн. конф. «Интенсификация производства прессованных изделий на основе совершенствования и автоматизации технологических процессов и оборудования».— Каменск-Уральский, 1985. — с. 124.

14. Кенис М. С., Муратов В. С., Якубович Е. А. Выбор вариантов обработки прессованных изделий па основе многокритериальной опенки качества//Тез. докл. X Всесоюзн. науч.-техн. конф. «Интенсификация производства прессованных изделий на оспоче совершенствования и автоматизации технологических процессов и оборудования». — Каменск-Уральский, 1985, — с. 38.

15. Кенис М. С.. Муратов В. С. Термоцнклнческая обработка пресс-изделий из сплава Д16//Цветные металлы. — 1985. — №4. — с. 89—91.

16. Муратов В. С. Прогнозирование сопротивления усталости алюминиевого сплава Д16//Цветные металлы.— 1985. — № 9. — с. 83—85.

17. Киселев А. В., Муратов В. С. Сопротивление распространению треитип алюминиевых сплазоп с различной деформаи юн ю-термнческои обработкой/Дез. доил. ХШ Всесоюзн. конф. по физике прочности и пластичности металлов и сплавов. — Куйбышев, 1986. — с. 183—184.

18. Муратов В. С. Термическая обработка алюминиевых сплавг.в, \лучшаюшая комплекс механических и коррозионных свойств//Тез. докл. Всесоюзн. конф. «Новые материалы и упрочняющие технологии па основе прогрессивных методов тсрипческоп н химико-термической обработки в автостроении». — Д'г, 1986. — с. 89.

19. Кенис М. С., Муратов В. С. Оптимизация режимов изготовления сложных профилей из алюминиевых сплавов/Дехнологня легких сплавов,— 1986. — № 9. - с. 39-43.

20. Муратов В. С. Прогрессивные режимы термической обработки алюминиевых сплавов//Обработка и применение новых конструкционных материалов; Сб. науч. тр" — Куйбышев: Изд-во КуАИ, 1987. —'с. 31—35.

21. Муратов В. С., Кенис М. С., Клепачевская С. Ю. Исследование влияния кратности закалок на свойства сложных профилей из сплава Д16//Технология легких сплавов. — 1988. — № 6. — с. 23—28.

22. Кенис М. С., Муратов В. С., Трошина Л. В. Напряженно-дс-

формированное состояние полого цилиндра при сирейсрной закалке//Проб-лемы прочности. — 1988. — № 10. — с. 28—33.

23. Кенис М. С., Муратов В. С., Чечушкин П. Г., Филатов А. М.

Высокопроизводительная технология кокильного лптья//Лптейнос производство. — 1988. — КЬ 11. — с. 14—1524. Муратов В. С. Особенности структуры и свойств быстрозатвсрдев-ишх чешуек как исходного материала для гранулированных сплавов алю-мшшя//Т'сз. докл. Всесоюзн. конф- «Физика прочности и пластичности металлов и сплавов». — Куйбышев, 1989. — с. 73.

25. Муратов В. С. Форсированная технология деформационно-термической обработки алюминиевых сплавов/,'Тез. докл. п^учпо-техн. конф. «Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки деталей машин и инструмента». — Пенза. 1990. — с. 25.

26. О влиянии скорости охаждения алюминиевых отливок на их свойства после термообработки 'Чечушкин П. Г-, Кенис М. С., Мура-тоз В. С., Дани П. Л. Тез. зональной паучпо-техн. конф. «Разработка технологических процессов лпгья. проектирование оснастки и анализ качества огливок с использованием ЭВМ». — Ярославль, 1990. — с- 88.

27. Муратов В. С., Киселев А. В. Выбор режимов термоциклнрова-ния листов из сплава 1163 для улучшения свойств конструктивной проч-постп/УАвнашюнпая промышленность. — 1990. — № 6. — с. 31—33.

28 Кенис М. С. Муратов В. С., Чечушкин П. Г. Управление структурой и свойствами кокильных отлнвок//Лнтсйное производство. — 1991.— № 3. — с. 12—13.

29. Кенис М. С., Муратов В. С., Чечушкин П. Г. Ресурсосберегающая технология получения отливок из алюминиевых сплавов в кокилях, обеспечивающая повышение свойств//Тез. докл. II Всесоюзн. научно-техп. конф. с участием иностр. спец. «Совершенствование металлургической технологии в машиностроении». — Волгоград, 1991. — с. 272—273.

30. Муратов В. С. Разработка новых энергочкономных технологических схем получения деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов/'Тез. докл. II Всесоюзн. научно-техп. конф. е участием иностр. спец. «Совершенствование металлургической технологии в машиностроении». — Волгоград, 1991. — с. 274—276.

31. Муратов В. С. Формирование быстро-затвердевшего поверхностного слоя и усталостная долговечность алюминиевых сплавов//Тсз. докл. XIII Междупар. конф. «Физика прочности и пластичности металлов и сплавов». — Самара, 1992- — 340 с.

32. Кенис М. С., Муратов В. С., Чечушкин П. Г. Особенности структуры и свойств отливок из алюминиевых сплавов '/Литейное производство. — 1993. — № 8. — с- 11 — 13.

33.. Муратов В. С. Особенности дисперсного и дисперсионного упрочнения гранулированных алюминиевых сплавов//Тез- докл. IX Межотрасл. конф. «Опыт и перспективы применения композиционных материалов в машиностроении». — Самара, 1994. — с. 29.

34. Муратов В. С. Непрерывное управление степенью неравновссности структуры алюминиевых сплавов, обеспечивающее улучшение свойств в многоэтапных технологических процессах//Тез. докл. XIV Междупар. конф. по физике прочности и пластичности материалов. — Самара, 1995. — с. 392—393.

35- Муратов В. С. Теоретические основы разработки экономичных технологических процессов получения изделий из алюминиевых сплапоп. — Самара: Самар. гос. техн. vu-t. — 1995. — 15 с. — Деп. в ВИНИТИ 22.11.95' № 3091-В95.

36. Перспективы организации производства детален нз алюминиевых сплавов для автомобилей ВАЗ/Амосов А. П\ Кшиякни А. М„ Мигаче-ва Л. А., Муратов В. С./Тез. докл. междунар, конф, «Проблемы развития автомобнлегтроеиия в России». — Тольятти, 1997. — с. 80—81.

37. Муратов В. С., Амосов А. П. Производство деталей из алюминиевых сплавов для автомобилей на предприятиях зэрокоемнчеекого про-филя//Тез. докл. Всероссийской конф. «Конверсия оборонно-промышленного комплекса. Двойные технологии». — Самара, 1997. — с. 150—151.

38. Муратов В. С., Клепачевская С. Ю. Влияние режимов термической обработки на деформируемость алюминиевых сплавов//Изпестия ВУЗов. Цветная металлургия. — 1996. — № 3. — с. 41—45.

39- Муратов В. С. Особенности формирования структуры и свойств Снетрозатвсрдевших алюминиевых сплавов//Металлоаеденне и термическая обработка металлов. — 1997. — № 5. — с. 31—34.

40. А. с. № 817088 СССР, МКИ С 22F 1 04- Способ термической обработки алюминиевых сплавов/Трахтспберг Б. Ф., Kenne М. С., Трошнна Л. В., Муратов В. С., Якубович Е. А. — № 2773972. Заявл. 01.06.1979; Опубл. 30.03.1981. Бюл. Л» 12.

41. А. с. № 1043181 СССР, МКИ С 22F 1/04. Способ обработки алюминиевых сплавов/Кеннс М. С.. Муратов В. С,. Трахтепберг Б, Ф„ Трошнна Л. В. — № 3393367. Заявл. 17'02.1982. Опубл. 23.09.83. Бюл. №35

42. А. с. № 1039980 СССР. МКИ С 22F 1/04. Способ обработки изделий из алюминиевых сплавов/Муратов В, С., Kenne М. С„ Трошнна Л В. — № 3435468. Заявл. 14.05.1982; Опубл. 07.09.83. Бюл. № 33.

43. А. с. № 1037126 СССР, МКИ С 22F 1/04. Способ оценки усталостной прочности материала,'Муратов В. С.. Кеннс М. С.. — Л"» 3438Ö3. Заявл. 14.05.1982; Опубл. 23.08.83. Бюл. № 31.

44. А. с. Л"» 1198497 СССР, МКИ С 21Д 1 '673. Штамп для закалки нз-делин/Кепис М. С., Муратов В. С., Брук М. Б., Куклин О. С., Хопи-па И. С. — № 33726059. Заявл. 09.04.1984; Опубл. 30.11.85 Бюл. JV» 44

45. А. с. № 1189886 СССР, МКИ С 21 Д i /62. Устройство для водо-воздушного охлаждения изделий Брук М, Б„ Куклин О, С,, Keime М. С., Мураточ В. С., Трошнна Л. В., Якушкнп Г. И. —. № № 3687368 Заяпч' 06.01.1984; Опубл. 07.11.85. Бюл. Л» 4.

46. А. с. Л'з 1216225 СССР, МКИ С 21 D 8/00. Устройство для термической обработки длинномерных тделии Муратов В. С, Kenne М С — № 3680551. Заявл. 27.12.1983; Опубл. 07.03 86. Бюл. № 9

47. А. с. № 1421804 СССР, МКИ С 22 Fl 04. Способ термической обработки алюминиевых сплавов/Муратов В. С., Фрндлянтср И II Kenne М. С., Колобпев И. И., Дани П. Л. — № 425283. Заяпл. 26.03 1987; Опубл. 07.09.88. Бюл. № 33.

48. А. с. № 1339161 СССР, МКИ С 22 F 1/04. Способ термической обработки алюминиевых сплавов Аннскпна В. И., Гольдбухт Г. Е., Ивашкевич А. Г., Kenne М. С„ Лешниер Л. Н„ Муратов В. С., 'Сирота Я. М,— № 3971749. Заявл. 05.11.85; Опубл. 24.02.87. Бюл. № 35.

49. А. с. № 1835432 СССР. МКИ С 22 F 1 04. Способ обработки алюминиевых сплавоз/Муратои В. С., Кеннс М. С. — № 4906433, Заявл. 30.01.1991; Опубл. 23.08.93. Гмол. А» 31.

"у * I ^ /

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

МУРАТОВ Владимир Сергеевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ДИСПЕРСИОННОТВЕРДЕЮЩИХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКЕ И ИХ ПРИЛОЖЕНИЕ К РАЗРАБОТКЕ ЭКОНОМНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

!

а

„ - «I а К, 'Ргк.е^Ж

" ............л -.-..у"'"' .// ' г.

&С*8ЮЯвь* V1--* I ' -'Материаловедение

;; % 4 (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Самара -1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЛАВОВ НА АЛЮМИНИЕВОЙ ОСНОВЕ ПРИ ВАРЬИРОВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБРАБОТКИ 9

1.1. Формирование структуры и свойств литых заготовок в ходе кристаллизации и термической обработки 9

1.2. Структурообразование сплавов в процессе пластической

деформации и последующих термических воздействий 15

1.3. Особенности термоциклической обработки алюминиевых сплавов 21

1.4. Теоретические предпосылки и направления поиска новых технологических разработок 24

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ РАБОТЫ 41

2.1. Выбор сплавов и методов их обработки 41

2.2.Методы исследования структуры й свойств 43

2.3. Вопросы планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных 45

3. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК, КРИСТАЛЛИЗОВАВШИХСЯ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ И ПОДВЕРГНУТЫХ

РАЗНЫМ ВАРИАНТАМ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 47

3.1. Особенности структуры и свойств в литом состоянии 47

3.2. Формирование структуры и свойств при типовой и термоциклической обработках 63

3.3. Влияние высокоскоростной кристаллизации на структуру и

свойства сплавов 104

3.3.1. Особенности формирования свойств отливок, получаемых

литьем в кокиль. 104

3.3.2. Особенности формирования структуры и свойств при литье

под давлением 106

3.3.3. Формирование структуры и свойств быстрозатвердевших

сплавов 111

3.4. Об основных направлениях разработки экономных технологий,

учитывающих особенности кристаллизации

3

132

4. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ И ДЕФОРМАЦИИ ЗАГОТОВОК НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ТЕРМИЧЕСКИ УПРОЧНЯЕМЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ 135

4.1. Оценка влияния параметров деформации на формирование

структуры и свойств 135

4.2. Влияние особенностей термической обработки слитков и последующей деформации на структуру и свойства прессованных

изделий 153

4.3. Влияние скорости охлаждения после штамповки на структуру

и свойства изделий из сплавов Д1 и АК6 196

4.4. Формирование структуры и свойств прессованных изделий

при термоциклической обработке 204

4.4.1. Термоциклическая обработка профилей, отпрессованных из гомогенизированных слитков 204

4.4.2. Термоциклическая обработка профилей, отпрессованных

из ускоренно термически обработанных слитков 225

4.4.3. Влияние ТЦО профилей на микроструктуру и физические

параметры 236

4.5. Применение термоциклической обработки к листовым полуфабрикатам 245

4.6. Формирование структуры и свойств штампованных изделий при термоциклической обработке 248

4.7. Специальные приемы термической и деформационно-термической обработки, направленные на улучшение свойств 251

4.7.1. Влияние пластической деформации кручением перед термической обработкой на структуру и механические свойства сплавов

В95 и Д16 251

4.7.2. Обработка, обеспечивающая сохранение прочностных свойств

сплавов при воздействии повышенных температур 257

4.7.3. Влияние деформации на структуру и свойства быстрозатвердев-

ших сплавов 260

4.8. Об основных направлениях разработки энергоэкономных режимов

деформационно-термической обработки алюминиевых сплавов 264

5. НАУЧНО-ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ РАБОТЫ. ВОПРОСЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ АПРОБАЦИИ И ВНЕДРЕНИЯ 270

5.1. Экспрессный метод определения сопротивления усталости алюминиевых сплавов 270

5.2. Выбор оптимального режима обработки пресс-изделий 283

5.3. Совершенствование технологии получения отливок в кокиле 290

5.3.1. Расчет и оптимизация литниковой системы при получении

отливки "головка блока цилиндров" 292

5.3.2. Результаты промышленной апробации технологии получения

отливок головки блока цилиндров моделей 21011 и 2108 301

5.4. Тепловое и напряженное состояние изделий сложной конфигурации при термической обработке 308

5.4.1. Температурное поле сложного профиля при охлаждении в

спрейерном устройстве 311

5.4.2. Поле напряжений и деформаций сложных профилей при

закалке (упруго-пластический расчет) 320

5.5. Опытно-промышленные испытания, внедрение и перспективы использования результатов 329 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 332 ПРИЛОЖЕНИЕ 337 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 339

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Создание новых приемов улучшения комплекса войств сплавов и на их основе разработка экономичных технологий являются проблемами, от решения которых зависит уровень научно-технического прогресса всего |ромышленного комплекса и, в первую очередь, в материаловедении и технологии >бработки металлов. В полной мере это относится и к сплавам на алюминиевой >снове, широко используемых в авиации, ракетостроении, строительстве, водном и /юрском транспорте, при производстве товаров народного потребления.

Накопленный теоретический и экспериментальный материал в области метал-юведения и обработки алюминиевых сплавов позволили разработать и внедрить в практику многочисленные технологические режимы, использующие собственно термическую обработку, различные варианты деформационно-термического воздей-:твия, новые виды поверхностного упрочнения и легирования и др.

Большой вклад в теорию и практику обработки сплавов на алюминиевой осно-зе внесли Воронов С.М., Бочвар A.A., Петров Д.А., Ливанов В.А., Добаткин И.В., Бе-пов А.Ф., Колобнев И.Ф., Альтман М.Б., Фриндляндер И.Н., Елагин В.И., Новиков И.И., Золотаревский B.C., Буханова A.A., Дриц М.Е., Мальцев М.В., Вайнблат Ю.М., Захаров Е.Д., Ерманок М.З., Захаров В.В., Колачев Б.А., Смагоринский М.Е., Габиду-лин P.M., Воздвиженский В.М. и др.ученые. Здесь следует учесть, что технология получения полуфабрикатов (особенно с применением обработки давлением) из сплавов на основе алюминия многоэтапна и включает в себя получение литой заготовки, ее подготовительную термическую обработку, деформацию, окончательную термическую обработку. При этом каждая стадия оказывает наследственное влияние на структуру и свойства полуфабрикатов.

Одним из важных резервов при разработке высокоэффективных форсированных технологий, особенно многоэтапных, является подход, основанный на таком формировании параметров предшествующей технологической обработки, при котором материал переводится в состояние, обеспечивающее активизацию необходимых структурных превращений на последующих этапах обработки. Исследования по реализации такого подхода к технологическому процессу производства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов до постановки настоящей работы носили фрагментарный характер, то есть рассматривались взаимосвязи отдельных этапов производства, например, "литье - гомогенизация" или "условия прессования - термическая обработка" и т.д.

До настоящего времени не проведен систематический анализ существующих риемов повышения экономичности технологии получения полуфабрикатов, не скрыты особенности действующих механизмов структурообразования при реализа-ии активирующих температурных воздействий отсутствует и научно-обоснованный одход к выбору параметров обработки и их значений.

В процессе работы над перечисленными выше проблемами удалось решить >яд актуальных задач металловедения и термической обработки, разработать тео->етические основы и оптимальные режимы управления структурой и свойствами тюминиевых сплавов в процессе многоэтапных обработок и термоциклирования 1итого и деформированного состояний, предложить и реализовать на этой основе омплекс прогрессивных экономных технологий, обеспечивающих улучшение ¡войств полуфабрикатов из алюминиевых сплавов.

Работа выполнена и продолжает выполняться в соответсвии с программами Авиационная технология" (программа МВ РСФСР и МАП, направление 06.02), Конверсия и высокие технологии. 1997-2000 г.г."( программа Минобразования, направление 03), плана НИР Самарского государственного технического университе--а(СамГТУ).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является установление и исследование общих закономерностей формирования структуры и свойств диспер-:ионнотвердеющих алюминиевых сплавов в процессе многооперационной комбини-эованной обработки с реализацией активирующих температурных воздействий на этапах кристаллизации заготовок, пластической деформации и термической обра-эотки и создание на этой основе экономных технологий, улучшающих комплекс свойств сплавов.

В целом работа представляет собой теоретическое обобщение закономерностей формирования структуры и свойств алюминиевых сплавов в условиях многоэтапных комбинированных воздействий, на основе которого даны обоснованные технологические решения, направленные на повышение экономности обработки и улучшение свойств сплавов, и внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе впервые на основе систематических и комплексных исследований установлены и уточнены закономерности формирования структуры и свойств дисперсионнотвердеющи* алюминиевых сплавов в ходе последовательной реализации стадий комбинированной тепловой обработки, включающей этапы литья, промежуточной термической обработки, пластического де-

формирования и окончательной термической обработки, с использованием новых активирующих температурных воздействий в виде регламентированно ускоренных кристаллизационного и послекристаллизационного охлаждений и охлаждения с температур пластической деформации, а также с температур нагрева под термическую обработку, включая применение сокращенных изотермических выдержек и термо-циклирования. При этом установлены закономерности изменения структуры и свойств при различных вариантах сочетаний указанных приемов обработки.

Установлено, что эффект влияния факторов обработки наследственно проявляется через ряд этапов воздействий, определяя термодинамические и кинетические закономерности структурных превращений.Предложены физические механизмы, описывающие происходящие структурные изменения в условиях повышенной степени неравновесности структуры,формируемой при активирующих температурных воздействиях.

На основании установленных закономерностей предложен подход к совершенствованию многоэтапных технологических процессов обработки алюминиевых сплавов, заключающийся в таком направленном формировании степени неравновесности структуры по ходу обработки, которое активизирует необходимые структурные превращения и улучшает комплекс свойств.

Разработаны новые эффективные термические и деформационно-термические способы обработки алюминиевых сплавов, использующие указанный подход.

Осуществлена практическая их реализация при производстве отливок и деформированных полуфабрикатов и изделий из алюминиевых сплавов. Новизна разработанных в диссертации способов и режимов подтверждена 8 авторскими свидетельствами.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Практическую ценность работы представляют разработанные подходы к совершенствованию технологических процессов, конкретные технологии и режимы обработки алюминиевых сплавов.

Разработаны научно-прикладные основы термических и термодеформационных обработок, сокращенной длительности, созданы и апробированы новые экономные технологии, позволяющие одновременно улучшать комплекс свойств изделий.

Предложенные новые технологические схемы обработки алюминиевых сплавов включают:

- использование сокращенного цикла пребывания отливки в форме и ускоренного охлаждения отливки после извлечения из формы;

- ускоренную термическую обработку слитков из алюминиевых сплавов перед пластической деформацией, предусматривающую замену длительной гомогенизации кратковременным нагревом с ускоренным охлаждением;

- реализацию ускоренного охлаждения заготовок с температуры окончания пластической деформации при прессовании или штамповке;

- варианты окончательной термической обработки (закалка и старение ) с уменьшенной продолжительностью временных параметров;

- варианты деформационно-термической обработки с использованием, в ряде случаев, термоцикпирования, обеспечивающие повышение уровня свойств;

- реализацию быстрого охлаждения сплава из расплавленного состояния, как с последующей платической деформацией, так и без нее, что позволяет получать материал повышенной прочности, а также дает взможность отказаться от операций собственно термической обработки.

Приоритет разработок подтверждается авторскими свидетельствами (A.C. №№ 817088, 1039980, 1043181, 1216225, 1189886, 1421804, 1194897, 1339161, 1835432).

Разработан метод экспрессного определения усталостной прочности алюминиевых сплавов, основанный на оценке способности упрочняющих выделений сопротивляться растворению под действием циклической нагрузки. Приоритет метода подтвержден A.C. № 1037126.

Высокая эффективность предложенных технологий и режимов, а также их реализация на широкой номенклатуре сплавов, создает предпосылки для широкого их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях.

Результаты работы внедрены и внедряются или прошли апробацию на ряде предприятий, в том числе: АО АвтоВАЗ, Самарская металлургическая компания, АО "Международная авиационная корпорация", ПО ЗИМ, Поволжский НИИМТД и др.

Экономический эффект составил около 41100 тыс.руб. Из них 180 тыс.руб. в ценах до 1992 года.

Часть результатов диссертационной работы может быть использована и используется при чтении лекций в высших учебных заведениях (СамГТУ: курсы, связанные с металловедением и обработкой цветных сплавов). Направление исследований, выполненных в работе, легло в основу магистерской подготовки при кафедре "Материаловедение в машиностроении" СамГТУ.

¡.ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЛАВОВ НА АЛЮМИНИЕВОЙ ОСНОВЕ ПРИ ВАРЬИРОВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ОБРАБОТКИ

1.1. Особенности формирования структуры и свойств литых заготовок в ходе кристаллизации и термической обработки

Анализ технологических этапов получения слитков и отливок ( от подготовки шихты до окончательной обработки деталей ) показал, что каждый из них важен в формировании структуры сплава и уровня его свойств. С одной стороны , это требует высокого уровня организации технологического процесса, а с другой , дает воз -можность эффективно управлять формированием структуры и свойств материала.

Недопустимость загрязненности шихтовых материалов , которая " наследуется " отливками , требует тщательной очистки и просушки шихты , периодического освежения ее первичными металлами при многократной переплавке возвратов . Как показано в / 1 / , даже структура шихты оказывает влияние на структуру и свойства отливок . Например, максимальный уровень механических свойств сплава ВАЛ 8 достигается при наличии в шихте 50 % возврата в виде термообработаиного кокильного переплава ( отливки, прибыли, выпоры).

Важное значение имеет обработка расплава, исключающая попадание в него поверхностных окисных пленок , насыщение газами и продуктами взаимодействия с футеровкой печи .К такой обработке относятся : обработка поверхности расплава специальными солями ( например, препарат МХЗ ) , периодическое удаление шлака, обработка дегазирующими таблетками металла в ковше, продувка расплава инертными газами и др.

Важнейшим фактором, определяющим структуру и свойства литых заготовок является тепловой режим их затвердевания . Анализ экспериментальных данных / 2 / показал, что предел допустимых температур перегрева расплава для большинства алюминиевых сплавов составляет А Тпер ~ ( 0,1 - 0,6 ) ТПл • Выдержка расплава 30 минут при температуре 760 °С снижает свойства отливок до уровня ниже технических условий , что связывается с попаданием окисных пленок в отливку и уменьшением числа центров кристаллизации и огрублением структуры. Вместе с тем, перегрев с подстуживанием улучшает структуру и механические свойства сплава АЛ9/3/.

Тепловые условия кристаллизации определяются также размерами отливки и прибыли / 4 /. Чрезмерно массивная прибыль приводит к уменьшению скорости кристаллизации в прилегающих к ней участках отливки , что огрубляет микроструктуру.

При литье в кокиль необходимо / 2 / обеспечивать благоприятное сочетание скорости охлаждения и непрерывности питания всех участков кристаллизующейся отливки. Оптимальная конструкция отливки и кокиля , схема заливки расплава позволяет реализовывать последовательно-направленное затвердевание металла, что избавляет от дефектов типа раковин, рыхлот, трещин, крупных образований из неметаллических включений и д