Получение алюминиевого сплава АМГ10 c ультрамелкозернистой структурой прокаткой по ARB-методу

Сегодня во многих отраслях наблюдается интенсивное развитие исследований в области “нанотехнологий”. В металлургическом производстве это является реакцией на состояние, близкое к исчерпыванию возможностей создания требуемых свойств у сплавов традиционными методами. Еще великий русский металлург Д.К. Чернов указывал, что в литом металле можно получить свойства деформированного металла, если создать при затвердевании ультрамелкозернистую структуру [1]. Таким образом, минимизация зерна – это путь к возможной отмене всех процессов обработки металлов давлением вообще.

Уменьшение размеров частиц, составляющих объект, придает ему в целом новые свойства. Это вызвано: во-первых, влиянием развитых границ, т.к. приграничные условия отличаются от внутризе-ренных; а во-вторых, отсутствием внутри зерна условий, которые проявляются в большом объеме. Поэтому наноразмеры зерен способны придать при сохраняющемся химическом составе существенно новые качества тому же самому сплаву.

В настоящее время еще не изучен действительный тонкий механизм указанного влияния. Но некоторые проявления в виде отдельных аномально высоких свойств обнаруживаются [2-3]. Поэтому предсказания Д.К. Чернова сбываются и проявляются в виде развития нового мощного направления – создания объемных нанострукту-рированных кристаллических материалов.

Fedor Grechnikov, Corresponding Member of RAS, Doctor of Technics, Professor, Vice-Rector for Academic Affairs.

Получение металлических наноматериалов в виде заготовок с объемом, достаточным для производства изделий, может быть осуществлено тремя путями: компактированием порошков с нанораз-мерными частицами, интенсивной пластической деформацией и специальными способами литья [4].

Наиболее привлекательным способом получения объемных нанокристаллических материалов является интенсивная пластическая деформация, которая заключается в многократном деформировании обрабатываемых материалов в условиях близких к простому сдвигу. Основными методами, с помощью которых достигаются большие деформации, приводящие к заметному измельчению зерна без разрушения образца, являются проглаживание поверхности твердым индентором, кручение под высоким давлением, равноканальное угловое прессование, всесторонняя ковка, “винтовое” прессование и т.д. [5].

С одной стороны, вышеперечисленные методы интенсивной пластической деформации позволяют наряду с уменьшением среднего размера зерна получать массивные образцы с практически беспористой структурой, что невозможно достичь компактированием высокодисперсных порошков. С другой – их основным недостатком является низкая производительность, что сдерживает промышленное производство изделий с достоинствами свойств, присущих наноструктуре.

Поэтому в последние годы широкое применение приобрели высокоэффективные способы получения ультрамелкозернистых материалов на основе процессов прокатки и прессования [6-7], в том числе ассиметричная прокатка и прокатка по ARB-методу (accumulative roll bonding) [8]. В последнем подходе используется близкая по своей сути технологическая схема многоцикловой пакетной прокатки, что позволяет использовать традиционные вы- сокопроизводительные станы горячей и холодной прокатки практически без их доработки.

ПРОКАТКА ПО ARB-МЕТОДУ

На рис. 1 представлена схема прокатки по ARB-методу. Два листа с очищенной и обезжиренной поверхностью складываются пакетом, который после предварительного нагрева (до температур ниже температур рекристаллизации) прокатывается с разовым обжатием не менее 50% для обеспечения соединение (сваривания) отдельных слоев. Затем полученная полоса, состоящая из двух сваренных слоев, режется на две части, соединяемые стороны которых очищают, складывают в пакет, нагревают и снова прокатывают. Процесс повторяют вплоть до достижения заданного числа циклов прокатки.

Рис. 1. Схема прокатки по ARB-методу

При прокатке по ARB-методу с равными обжатиями за каждый цикл толщину t_n отдельного слоя после n циклов можно рассчитать по формуле [9]:

tn = tnV , где t0 – исходная толщина отдельного слоя; M = tk H – коэффициент обжатия пакета за цикл; tн и tк – толщина пакета до и после прокатки соответственно.

При этом суммарное относительное обжатие £ n отдельного слоя за n циклов составит:

£ = 1 - tn = 1 - Mn

n          t0               ,

Тогда, используя выражение для интенсивности деформаций [10] с учетом плоского деформированного состояния при прокатке и условия несжимаемости, получим формулу для определения накопленной интенсивности деформаций за n циклов:

en

2t 21

—Z=ln — = —f=n ln —

V3   tо   V3 M ’

Таким образом, при прокатке пакета, составленного из двух полос исходной толщиной t о = 0,5 мм (начальная толщина пакета t_H = 1 мм), с обжатием 50% за цикл (конечная толщина пакета t_k = 0,5 мм, коэффициент обжатия M = 0, 5 ) после 5 циклов толщина отдельного слоя составит 1 5 = 1/64 мм = 15,625 мкм, суммарное обжатие - £ 5 = 96,875% и накопленная деформация - 6 5 = 4 . В случае 10 циклов прокатки по ARB-методу толщина отдельного слоя составит t 10 = 1/ 2048 мм = 0,488 мкм, суммарное обжатие - ^ ю = 99,902% и накопленная деформация - е ю = 8 и т.д. (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость толщины отдельного слоя t n , суммарного обжатия £ _— и накопленной интенсивности деформаций e_n от числа циклов n прокатки по ARB-методу ( 1 0 = 0,5 мм, ц = 0,5 )

Как видно из приведенных расчетов (рис. 2) при прокатке по ARB-методу могут быть достигнуты высокие значения деформаций (> 6-8), что является непременным условием формирования сильно фрагментированной и разориентирован-ной (ультрамелкозернистой) структуры [11].

При этом можно подобрать такое количество слоев пакета и величину его обжатия за цикл (например, 2 слоя – обжатие 50%, 3 слоя – обжатие 66,7% и т.д.), при которых прокатка по ARB-методу может проводиться практически неограниченное число циклов. Однако, на практике с увеличением числа циклов длина и ширина полосы будут постоянно уменьшаться из-за необходимости проводить обрезку растрескавшихся кромок.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследование проводилось на литейном алюминиевом сплаве системы Al-Mg – АМг10, повышенной коррозионной стойкости. Химический состав сплава приведен в табл. 1. Необходимо отметить, что относительно высокое содержание магния в сплаве способствует улучшению свариваемости отдельных слоев в процессе прокатки по ARB-методу.

Таблица 1. Химический состав сплава АМг10 по ГОСТ 1583-93 (в %) [12]

Al	Mg	Fe	Si	Mn	Ti	Cu	Zr	Be	Zn	Прим еси
осн.	9,5 10,5	до 0,2	до 0,2	до 0,1	0,050,15	до 0,15	0,050,2	0,050,15	до 0,1	всего 0,5

Рис. 3. Схема эксперимента

На рис. 3 приведено описание последовательности операций. На первом этапе образцы размером 100х100х7 мм отливались в специально изготовленной оснастке по методу жидкостного прессования [4] с одновременным акустическим воздействием от слабых импульсных токов частотой 500 кГц [13], который уже на стадии литья обеспечивает мелкозернистую структуру со средним размером зерен около 50-70 мкм (рис. 4, а). Затем поверхность отливок механически обрабатывалась с целью удаления загрязнений (толщина после фрезерования составила 6,2 мм).

Подготовленные образцы (100х30х6,2 мм) прокатывались за несколько проходов на лабораторном прокатном стане К220/75-300 (рис. 4)

со скоростью 1,5 м/мин на конечную толщину 0,51 мм. Режимы прокатки приведены в табл. 2. Перед отжигом (270-300°°С, 1,5-2 часа) производилась обрезка кромки прокатанной ленты с целью удаления трещин. Отжиг и нагрев проводились в печи сопротивления МП-2У.

Затем лента разрезалась на полосы (100х25х0,51 мм), поверхность которых очищалась от окисной пленки металлической щеткой и обезжиривалась ацетоном. После этого формировался пакет из двух слоев, который после предварительного нагрева (150-170°°С) прокатывался с обжатием 50%. Выполнено 10 циклов прокатки по ARB-методу, обжатия и деформации приведены в табл. 2.

Технические характеристики

Диаметр опорных валков      220 мм

Диаметр рабочих валков       75 мм

Длина бочки валка           300 мм

Материал валков        86CrMoV7 (9ХФ)

Допустимое усилие прокати!   560 кН

Скорость прокатки          0-20 м/мин

Минимальная толщина проката 100 мкм Привод опорных валков

Электромеханическое нажимное устройство Система измерения усилия прокатки

Рис. 4. Лабораторный прокатный стан К220/75-300

Таблица 2. Режимы прокатки образцов

№	Операция	Проход, мм	Относительно обжатие Е , %		Интенсивность деформаций e
			Разовое	Суммарное	Разовая	Суммарная
0	Отливка	6,2	-	-	-	-
1	Холодная прокатка (6 проходов)	6,2 ^ 5,35	13,7%	13,7%	0,17	0,17
2		5,35 ^ 4,48	16,6%	27,7%	0,21	0,37
3		4,48 ^ 3,58	20,1%	42,2%	0,25	0,64
4		3,58 ^ 2,49	30,4%	59,8%	0,42	1,05
5		2,49 ^ 1,51	39,4%	75,6%	0,58	1,63
6		1,51 ^ 0,51	66,2%	91,8%	1,26	2,89
7	Отжиг	-	-	-	-	-
8	Прокатка по ARB-методу (10 циклов)	1,0 ^ 0,5	50%	95,97%	0,80	3,71
9				97,98%		4,50
10				98,99%		5,31
11				99,50%		6,11
12				99,75%		6,91
13				99,87%		7,71
14				99,94%		8,51
15				99,97%		9,31
16				99,98%		10,12
17				99,99%		10,91

Металлографические исследования литых образцов проводились на металлографическом микроскопе МИМ-8м при общем увеличении 200 крат. Исследование изменения микроструктуры в процессе прокатки проводилось на просвечивающем электронном микроскопе ЭМВ-100Б при ускоряющем напряжении 75 кВ с увеличением до 30’000 крат. Образцы для анализа предварительно шлифовались, полировались и электрополирова-лись на стандартном оборудовании.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изменение микроструктуры алюминиевого сплава АМг10 в процессе холодной прокатки приведено на рис. 5. Структура литого образца характеризуется равномерным распределением фазы Al 3 Mg 2 в матрице а -твердого раствора (рис. 5, а). Как уже было отмечено величина зерна составляет 50-70 мкм.

После холодной прокатки с суммарным относительным обжатием 91,8% наблюдается сильное дробление фазы Al3Mg2 и высокая плотность линий скольжения, проходящих в направлении прокатки (рис. 5, б). В целом размеры структурных блоков составляют порядка 2-3 мкм.

Структура после прокатки по ARB-методу (суммарное относительное обжатие 99,99%) представляется блочной с высокой плотностью дислокаций на границах блоков, т.е. наблюдается так называемая дислокационная ячеистая структура (рис. 5, в). Размер блоков составляет примерно 200-500 нм.

а)

б)

в)

Рис. 5. Структура сплава АМг10 после кристаллизации (а), холодной прокатки (б) и прокатки по ARB-методу (в)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из приведенных результатов исследований видно, что при прокатке алюминиевого сплава АМг10 по ARB-методу формируется сильно фрагментированная ультрамелкозернистая структура с размером блоков около 200-500 нм. При этом для обеспечения достигнутого результата необходимо, чтобы величина накопленной интенсивности деформаций составляла порядка 9-10.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках реализации программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-20013 годы”, государственный контракт №11.519.11.3019.