Перспективы промышленного производства высокомагниевого алюминиевого деформируемого сплава

• ¹    Волжский филиал Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, г. Самара

• ²    Самарский государственный аэрокосмический университет

Проведено комплексное изучение свойств листовых полуфабрикатов из деформируемого высоко-магниевого сплава. Оценена перспективность его использования в машиностроении. Осуществлена опытно-промышленная выплавка литых заготовок в заводских условиях, исследованы их структура и свойства.

Опыт развитых в промышленном отношении стран показывает, что одним из эффективных путей решения задачи коренного улучшения экономических и экологических показателей современных автотранспортных средств (АТС) является снижение их веса.

Предпринятые во многих странах попытки решить эту проблему за счёт расширения применения пластмасс при изготовлении автомобильных кузовов и других несущих элементов конструкций не получили развития не только по причине высокой стоимости этих материалов, но главным образом из-за невозможности эффективно регенерировать и утилизировать пластмассовые детали вышедших из эксплуатации АТС.

В связи с этим сейчас в ряде ведущих фирм по производству АТС развёрнуты работы по замене сталей для вытяжки-формовки кузовов, облицовочных деталей и несущих профильных конструкций на алюминиевые полуфабрикаты. Так, алюминиевый кузов легкового автомобиля даёт экономию при идентичной прочности и жёсткости на 35-40%, а расход топлива уменьшается на 1,3-1,5 литра на 100 км пробега, при существенном улучшении динамических и экологических характеристик транспорта [1,2].

При этом внимание конструкторов АТС всегда привлекали высокопрочные сплавы системы алюминий-магний. Однако область использования деформируемых сплавов ограничивалась содержанием магния около 6% (сплав типа АМг6). Сплавы, более близкие к эвтектическому типу (10-11%магния) относи ли обычно к недеформируемым литейным сплавам [3]. Хотя они и характеризовались высокими прочностными свойствами, достаточной коррозионной стойкостью, но уровень их пластичности не позволял проводить интенсивные процессы пластического деформирования и получать листовые и профильные полуфабрикаты ддя последующего формоизменения в операциях холодной штамповки.

Анализ применяемых технологий выплавки алюминиевых сплавов и оценка качества отливок позволили найти новый подход получения литых заготовок с заданным уровнем свойств. В основе этого подхода лежит комплексная система регламентированного формирования структурно-фазового состояния сплава за счёт определённого порядка загрузки легирующих компонентов без образования нерастворимых окислов, микролегирования, интенсификации процессов вне-печной обработки и физико-химических способов воздействия на расплав в процессе затвердевания отливки [4].

В качестве деформируемого высокопрочного сплава в данной работе исследован опытный сплав системы алюминий-магний с содержанием магния около 10% и добавками циркония, титана, кобальта, бора и бериллия (сплав типа АМг10).

При этом решались две взаимосвязанные основные задачи: во-первых, комплексная оценка структуры, механических и технологических свойств пилотных небольших партий материалов; во-вторых, разработка промышленной технологии производства литых деформируемых заготовок под прокатку и прессование в условиях Самарского металлургического завода.

Основные параметры, выявленные при механических и технологических испытаниях опытных листовых заготовок сплава АМг10 в сравнении с рядом других листоштамповочных материалов приведены в табл. 1.

Анализ данных показывает, что механические и технологические характеристики АМг10 близки по свойствам к кузовным сталям типа 08Ю и 08ГСЮТ(Ф) и имеют уровень перспективных материалов ведущих фирм автостроителей. При этом удельная прочность АМг10 выше сталей примерно в 3 раза. Следует также отметить, что показатели механических и технологических свойств превосходят отечественные и зарубежные сплавы системы алюминий-магний.

Второй этап работы включал выплавку опытно-промышленной партии слитков в производственных условиях Самарского ме таллургического завода и исследование свойств, структуры и технологической способности слитков деформироваться при горячей обработке давлением. Плавка осуществлялась в печи ёмкостью 3 т, в состав шихты входили: алюминий марки АХ7 - 2,5т, лигатура Al-Zr - 0, 45т, первичный магний -0,315т. Температура плавки составляла 720О. Рафинирование производилось карналито-вым флюсом. Расплав модифицировали как в печи, так и в процессе литья лигатурой Al-Ti-B из расчёта 0,02%. Отливка круглых слитков диаметром 530 мм осуществлялась методом полунепрерывного литья в электромагнитный кристаллизатор по технологическим параметрам серийной технологии литья слитков из АМг6. Слитки гомогенизировали при температуре 480-4900 с выдержкой 17 часов. После гомогенизации от двух из четырёх слитков (№1 и 4) были отобраны темпле-ты для следующих исследований:

• -    изучение макро- и микроструктуры в раз-

• Таблица 1. Сравнительная характеристика механических и технологических свойств сплавов, предназначенных для холодной штамповки

  и S н cd 1 5	Основные механические свойства					Технологические свойства
  	я я V Н cd & я 2 & с	V S cd с F	$ 5 is? Я Ь , и S О Я jp о g И я £ с и	2 v Т s Сц Я О " S я ф « cd Он	н Я Q * м Я V Р £	cd ° я Я ® з У О 5 Я   5 Я >4 Я ^ Я Си	. я я § 2 Я s g С с	. >я Я я о я у Й н S к § §
  Амг10Т4	385405	195210	36,0-38,0	28,029,0	14,8 15,5	9,4-9,6	0,33	0,420,44
  АМгбМ	340350	170180	20,0-22,0	16,018,0	13,013,5	9,1-9,2	0,31	0,410,42
  сталь 08ГСЮТ(Ф)	390400	не менее 290	не менее 30,0	23,024,0	5,0 5,1	10,8 10,9	0,35	0,510,53
  сталь 08Ю(ОСВ)	250350	Не менее 195	Не менее 36,0	25,026,0	До 4,5	10,911,0	0,33	0,510,52
  сплав 844-0 (фирма Sidal)	310320	180185	22,0-23,0	-	12,012,3	9,2-9,3	0,32	0,420,43
  сплав ббб-Т4 (фирма Sidal)	310320	160170	28,0-29,0	-	11,011,5	8,9-9,2	0,29	0,350,37
  Перспективные параметры Al-сплавов японских автостроителей	290300	190200	35,0-39,0	-	13,5 13,8	9,0-10,0	До 0,34	-
  Требуемые на перспективу параметры фирмы Audi	360400	195220	32-40	-	13,8 15,4	9,0-10,0	До 0,35	-

Таблица 2. Механические свойства литого АМг10 при различных температурах нагрева

Температу pa испытания, OC Слиток 1 Слиток 4 У0,2, МПа Ув, МПа Д5, % 0, % У 0,2, МПа Ув, МПа Д5, % 0, % 350 79 83 57,0 44,9 72 77 60,5 52,4 375 61 63 75,6 53,8 58 61 70,0 53,9 400 46 48 93,0 70,0 42 45 73,3 58,0 425 35 37 93,5 70,4 42 45 83,3 58,0 450 28 30 98,6 72,5 27 29 92,0 66,2 475 21 23 93,3 67,5 20 21 74,1 61,8 личных зонах сечения слитка;

• -    исследование ликвации, пористости и газосодержания;

• -    определение прочностных и пластических свойств при различных температурах нагрева.

Анализ результатов исследований показывает, что слитки АМг10 имеют мелкозернистую структуру, причём для периферийных зон характерно дендритное строение, для остальных - субдендритное. В микроструктуре наблюдаются дисперсные выделения интер-металлидов Al3Zr. Для всех слитков характерна некоторая пористость и ликвация по магнию, которая не превышает 1%. Содержание водорода в литых заготовках колеблется в пределах 0,31-0,45 см3/100г массы.

Температурные испытания (табл.2) позволили выявить технологическую пластичность и прочностные характеристики литых заготовок.

В интервале максимальной пластичности 425-450оС удлинение достигает 83-98%, а величина сужения 60-70%, что характеризует сплав АМг10 как весьма пластичный, который по уровню пластичности не уступает стандартному сплаву АМг6.

Комплекс изученных свойств и достаточно высокая технологичность на различных этапах металлургического производства позволяет оценить сплав АМг10 как один из перспективных материалов для автомобилестроителей и других производителей транспортной техники.