Исследование сверхпластичности алюминиевых сплавов, содержащих эвтектическую составляющую

Область применения алюминиевых сплавов постоянно растёт особенно в авиастроении, машиностроение и строение железнодорожных вагонов. Промышленность стремится к облегчению конструкций без потери прочностных характеристик. Сверхпластическая деформация (СПД) позволяет получить тонкостенные изделия сложных форм с высоким качеством поверхности, уменьшить количество сварных швов или клепаных соединений в конструкции. Сверхпластическая формовка имеет ряд технологических преимуществ, а экономическая выгода применения сверхпластической формовки доказана в условиях серийного производства, но в условиях повышенных скоростей формовки. Существующие сегодня материалы с размером зерна около 10 мкм, позволяют реализовать скорости

СПД не выше 10 -4 с-1, в результате время, затрачиваемое на формовку одной детали, может достигать нескольких часов, что сдерживает использование данного метода в промышленности.

Повышение скорости деформации на один – два порядка, которое можно реализовать за счет уменьшения размера зерна до 1 – 5 мкм, позволило бы сократить время формовки одной детали до нескольких минут. Кроме того, микрозеренная структура в конечной продукции позволяет получить повышенный уровень механических свойств при комнатной температуре. Таким образом, актуальным является исследование сплавов различных систем с целью определения оптимального соотношения структурных параметров и разработки технологических схем обработки.

Сверхпластичность это состояние, которое материалы проявляют в определенных температурно-скоростных условиях деформирования [1]. Микрозеренная сверхпластичность обнаруживается у металлов и сплавов с очень мелкими равноосными кристаллами (размером меньше (10 – 15 мкм) при высоких гомологических температурах (больше 0,5Tпл.) и при сравнительно небольших скоростях деформации - (10–5 – 10–1) с–1.

В работе исследован сплав на основе алюминия, содержащие эвтектикообразующие элементы Fe, Mn, Ni, Si, дополнительно легированные Zn, Mg и Cu, с целью получения микрозеренной структуры методом рекристаллизации, управляемой частицами второй фазы. Предложена состав сплава и технология получения микрозеренной структуры. Для сплава с наименьшими размерами рекристаллизованных зерен определены показатели сверхпластичности и выбраны режим упрочняющей термической обработки.

Для дальнейших исследований при помощи программы Thermo–Calc был выбран ряд составов на основе систем Al – Fe – Mn – Ni. Также в сплавы добавили Cu, Mg и Zn для возможности термического упрочнения сплавов. В состав сплава также входит Si – эвтектикообразующий элемент для увеличения объемной доли частиц.

Плавку осуществляли в лабораторной электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях. После расплавления алюминия при температуре 750 С вводили лигатуры в следующей последовательности: Al – Fe, Al – Mn, Al – Cu, Al – Ni, Al – Si, Mg и Zn перед введением в расплав заворачивали в фольгу. Магний вводили при помощи колокольчика на дно расплава и выдерживали до полного растворения. Марганец оказывает существенное влияние на процесс рекристаллизации алюминиевых сплавов.

Марганец является антирекристаллизатором, что приводит к повышению температуры рекристаллизации.

Также на конечной стадии рекристаллизации марганец измельчает размер рекристаллизованного зерна [1, 2].

В сплавах, изготовленных с использованием технического алюминия, температура рекристаллизации изменяется так же, но максимум смещен в сторону меньшего содержания марганца. Это согласуется со снижением растворимости марганца в твердом растворе в присутствии примесей железа и кремния. Добавки железа и кремния резко измельчают зерно сплавов системы Al – Mn. Железо и кремний сильно снижают растворимость марганца в твердом растворе, а следовательно уменьшают внутридендритную ликвацию [3]. Также эти элементы ускоряют распад пересыщенного твердого раствора по марганцу при температурах, отвечающих температурам горячей деформации - (400 – 500) °C. Образующиеся дисперсные частицы марганцовистых фаз являются центрами рекристаллизации и способствуют образованию мелкозернистой структуры.

После полного растворения лигатур и удаления шлака с поверхности расплав разливали в медную водоохлаждаемую изложницу размерами ( 100 X 40 X 20 ) мм.

После литья в медную водоохлаждаемую изложницу сплавы обрабатывали по следующей технологической цепочке:

Гомогенизационный отжиг по режиму 460 0с – 8 часов;

Горячая деформация при 460 0с на 47 %;

Отжиг при температуре 520 0с – 12 часов;

Горячая деформация при 450 0с на 47 %;

Горячая деформация при 450 0с на 70 % (общая горячая деформация 83 %);

Гетерогенизационный отжиг при температуре 350 0с – охлаждение с печью;

холодная прокатка на 67 %. Затем сплавы подвергли рекристаллизационному отжигу при 0,95Тпл в течение 30 минут.

Рекристаллизационный отжиг является конечной термической обработкой сплавов, а очень высокая пластичность сплава дает возможность упрочнить его холодной деформацией. На основании экспериментальных данных, можно сделать следующие выводы:

Показано, что грубые частицы первично кристаллизующихся железомарганцовистых фаз измельчаются в процессе горячей деформации, а также фрагментируются и сфероидизируются при отжиге. Предложены сплавы и технологии получения из них листов с размером рекристаллизованного зерна около 5 мкм. Наилучшими показателями сверхпластичности                   обладает                   сплав

Al - 1 % Fe - 0,6 % Mn - 1 % Ni - 3,5 % Cu - 1,3 % Mg - 0,15 % Zr.

Установлен оптимальный режим упрочняющей термической обработки для сплава Al - 1 % Fe - 0,6 % Mn - 1 % Ni - 3,5 % Cu - 1,3 % Mg - 0,15 % Zr (старение при 210 °С в течение 3 часов), обеспечивающий предел текучести 280 МПа, предел прочности 400 МПа и относительное удлинение 14 %.