Структура и свойства литейного сплава АК7, подвергнутого термомеханическому упрочнению

Для упрочнения стареющих алюминиевых деформируемых сплавов может быть использована термическая и термомеханическая обработки [1–7], в результате которых может быть достигнуто как увеличение прочностных характеристик, так и повышение пластичности и ударной вязкости этих сплавов [8–10]. Вместе с тем в промышленности находят широкое применение литейные алюминиевые сплавы. В связи с особенностями структуры изделия из литейных сплавов характеризуются пониженным уровнем прочностных характеристик, пластичности, повышенной склонностью к хрупкому разрушению и при этом обычная термическая обработка недостаточно эффективна для устранения этих недостатков [11–13].

В этой связи представлялось важным выяснить возможность улучшения свойств литейного сплава АК7 применением различных режимов термомеханической обработки.

Материалом исследования служил литейный алюминиевый сплав АК7, состав которого приведен в табл. 1.

Исследованный сплав выплавлялся в промышленной индукционной печи емкостью 400 кг и был поставлен в виде пластин размерами 40 х 15 х 400 мм. Пластины разрезались на заготовки размерами 15 х 15 х 120 мм для проведения термической и термомеханической обработок. Нагрев образцов под закалку осуществляли по режиму: нагрев при температуре (535 ± 5) °С с выдержкой 5 ч и после-

Таблица 1

Сплав	Al	Si	Cu	Mn	Mg	Ti	Zn	Fe
АК7	Ост.	7,22	0,04	0,10	0,49	0,06	0,10	0,43

Химический состав литейного алюминиевого сплава АК7 (масс. %)

дующим немедленным охлаждением в воде комнатной температуры.

Предварительно с целью оценки возможности деформирования сплава были проведены эксперименты на пластометре [14, 15]. Для этого из литых и закаленных пластин изготовляли цилиндрические образцы размером h 0 x d 0 = 12 x 8 мм.

Исследования были проведены для следующих условий деформации:

– относительная степень деформации ε = 10, 25, 50 %, которая пересчитывалась в логарифмическую степень деформации

ε = ln h0/h1, где h0 – высота образца до деформации; h1 – высота образца после деформации;

– температура испытаний t = 10, 100, 535 °С;

– средняя скорость деформации

U c = 1–2 c^–1.

Уровень исследованных термомеханических параметров на пластометре был выбран с учетом применения последующих режимов термомеханической обработки с целью улучшения свойств литейного сплава АК 7:

закалка (535 °С - 5 ч ^ вода) + старение по режимам: 150 °С – 3 ч; 150 °С – 5 ч; 170 °С – 4 ч; 200 °С – 4 ч;

деформация предварительно закаленного сплава при 20 °С со степенью 30 % + старение 170 °С – 2 ч;

деформация при 150 °С со степенью 15 % + старение: 150 °С – 4 ч; 170 °С – 2 ч;

деформация	при	150 °С	со	степенью
30 % + старение:	170 °С	– 2 ч;
деформация	при	200 °С	со	степенью
15 % + старение:	150 °С	– 4 ч;
деформация	при	535 °С	со	степенью
15 % + старение:	150 °С	– 5 ч;
деформация	при	535 °С	со	степенью
30 % + старение	150 °С	– 5 ч;
деформация	при	535 °С	со	степенью
30 % + старение	170 °С	– 3 ч.

При исследовании на кулачковом пластометре (ЮУрГУ), который позволяет моделировать законы изменения степени и скорости деформации вдоль очага деформации при продольной прокатке, были получены кривые упрочнения сплава АК7 в литом и закаленном состоянии (рис. 1, 2).

Оценка пластичности сплава осуществлялась обжатием цилиндрических образцов ( h 0 x d 0 = 16 x 10 мм) на пластометре до появления первой макротрещины на боковой поверхности образцов. Показателем пластичности служит критическая степень деформации:

ε р = ln h 0 / h p , (1) где h 0 , h p – начальная высота образца и высота образца в момент появления первой макротрещины на его образующей соответственно.

Кривые упрочнения имеют ярко выраженный максимум только для литого состояния сплава: ε 1 i = 0,075 при 100 °С (см. рис. 1, кривая 2) и ε 1i = 0,1 при 20 °С (см. рис. 1, кривая 1). Для закаленного состояния (см. рис. 1. кривые 4 и 5) кривые упрочнения имеют воз-

Рис. 1. Кривые упрочнения сплава АК7 при ε = 10 %: кривые 1, 2, 3 – литое состояние; кривые 4, 5, 6 – закаленное состояние; кривые 1, 4 –

20 °С; кривые 2, 5 – 100 °С; кривые 3, 6 – 535 °С

Рис. 2. Кривые упрочнения сплава АК7 в закаленном состоянии: кривая 1 – 20 °С; кривая 2 – 100 °С; кривая 3 – 535 °С

растающий характер для всех исследованных температур. При этом сопротивление деформации при 100 °С в литом исходном состоянии сплава выше, чем в закаленном состоянии (см. рис. 1, кривые 2 и 5). Влияние температуры деформации неоднозначно для различного состояния сплава. Если для закаленного состояния при 20 °С сопротивление деформации (см. рис. 2, кривая 1) больше, чем при 100 °С, то для литого состояния в начале кривой до ε 1 i = 0,2 прослеживается обратная закономерность (рис. 3).

Характер кривых упрочнения (см. рис. 1–3) при температуре деформации 535 °C практически одинаков для всех степеней деформации и практически не зависит от исходного состояния сплава.

Сравнение сопротивления деформации литого и закаленного состояния сплавов пока- зывает, что закалка приводит к росту сопротивления деформации только при температуре испытаний 20 °С и ε1i = 0,6 (см. рис. 3, кривая 1), а при ε1i = 0,1 и температуре 100 °С наоборот – закаленный сплав имеет меньшее сопротивление деформации. В остальных случаях исходное состояние сплава не оказывает существенного влияния на величину сопротивления деформации.

По результатам исследования пластичности сплава АК7 установлено, что сплав можно деформировать со степенями до 30–35 % без нарушения сплошности во всем исследованном интервале температур как в литом, так и закаленном состояниях. Это позволяет использовать термомеханическую обработку для упрочнения сплава.

Пластическая деформация при термомеханической обработке осуществлялась про-

Логарифмическая степень деформации

Рис. 3. Кривые упрочнения сплава АК7 в литом состоянии: кривая 1 – 20 °С; кривая 2 – 100 °С; кривая 3 – 535 °С

каткой заготовок (размером 14 х 14 х 150 мм) на двухвалковом прокатном стане со скоростью деформации 1 с^–1 при температурах от комнатной до температуры гомогенизации сплава со степенями деформации 15 и 30 %.

Закаленные заготовки под прокатку нагревали до температуры деформирования в масляной или селитровой ванне в течение времени, достаточного для полного прогрева заготовок по их сечению. Прокатка при 535 °С осуществлялась сразу после гомогенизации. Холодная деформация осуществлялась на закаленных заготовках. Из прокатанных заготовок изготавливали стандартные образцы для определения механических характеристик.

Установлено, что упрочнение сплава сложным образом зависит от температуры и степени пластической деформации (рис. 4). Как и следовало ожидать, холодная прокатка способствует повышению твердости сплава.

Этот эффект тем больше, чем выше степень обжатия. Прирост прочности, обеспечиваемый прокаткой при 100–150 °С с малыми степенями деформации (15 %), заметно больше, чем в случае аналогичной холодной деформации. Увеличение степени деформации до 30 % при этих температурах в отличие от холодного наклепа незначительно увеличивает твердость.

Пластическая деформация в интервале 200–250 °С хотя и приводит к уменьшению эффекта упрочнения, однако и в этом случае твердость деформированных образцов заметно выше, чем недеформированных. Отметим, что при указанных температурах деформация со степенью 15 % обеспечивает несколько большее упрочнение, чем с обжатием 30 %, что можно объяснить интенсификацией распада пересыщенного a -твердого раствора в этом температурном интервале с увеличением

Рис. 4. Зависимость твердости (а) и физического уширения β линии (422) α1 (б) сплава АК7 от температуры и степени деформации: 1 – ε = 0 %;

2 – ε = 15 %; 3 – ε = 30 %

степени деформации и переходом от зонной стадии к выделению метастабильной β′ -фазы и стабильной β -фазы [5, 6].

Деформация при 500 и 535 °С приводит к заметно меньшему упрочнению сплава, чем при холодном и теплом наклепе (20–200 °С). При этом величина упрочнения слабо зависит от степени деформации.

Как показали рентгеноструктурные исследования, с увеличением степени холодной пластической деформации от 15 до 30 % наблюдается увеличение физического уширения линии (422) α1 с 7,8 · 10^–3 до 8,6 · 10^–3 рад (см. рис. 3, б) Дополнительно были проведены исследования удельного электросопротивления. Был отмечен рост этого параметра с 0,0469 до 0,0475 мкОм·м с увеличением степени холодной пластической деформации от 15 до 30 %. Рост удельного электросопротивления обусловлен не только наклепом матрицы, но и развитием зонной стадии распада пересыщенного твердого раствора во время деформирования.

С повышением температуры прокатки до 100 °С процессы распада твердого раствора протекают более интенсивно. Об этом свидетельствуют как дальнейший рост удельного электросопротивления (до 0,0495 мкОм·м), так и уменьшение параметра решетки α -твердого раствора образцов сплава (с 4,0495 Å при холодной деформации до 4,0485 Å, деформированных при 100 °С с обжатием 30 %).

Значение величины физического уширения линии (422) α1 образцов, подвергнутых деформации со степенями 15 % при 150 °С, выше, чем холоднодеформированных с этой же степенью. Это связано с увеличением плотности дефектов кристаллического строения вследствие интенсификации процессов распада при повышении температуры деформирования.

Деформация со степенью 30 % при температурах 200 и 250 °С приводит к снижению удельного электросопротивления, и оно становится меньше, чем для закаленного сплава (с 0,0464 до 0,0449 и 0,0431 мкОм·м для деформированных при 200 и 250 °С соответственно). Интервал температур от 250 до 450 °С является неприемлемым для осуществления термомеханической обработки вследствие незначительного упрочнения, а главное, в связи с малой устойчивостью пересыщенного α -твердого раствора, которая еще в большей степени уменьшается под воздействием пластической деформации [ 4, 12, 13 ] .

Деформирование при температуре 500 °С практически не приводит к упрочнению сплава по сравнению с закаленным состоянием (твердость повышается на 1–2 НВ).

Деформация при температуре гомогенизации 535 °С со степенями 15 и 30 % обеспечивает незначительное повышение твердости сплава по сравнению с закалкой, и оно существенно меньше, чем при холодном и теплом наклепе. Деформированные при этой температуре образцы имеют несколько более высокие значения удельного электросопротивления, чем недеформированные. В данном случае упрочнение сплава определяется в основном степенью наклепа матрицы, который, судя по физическому уширению, невелик. Как показали микроструктурные и рентгеноструктурные исследования, выбранные условия деформации позволяют полностью подавить рекристаллизацию сплава, что и обеспечивает получение дополнительного упрочнения. Таким образом, сплав АК7 может быть упрочнен деформацией при температурах, когда распад твердого раствора в основном ограничивается зонной стадией, либо при температуре гомогенизации (535 °С), при которой распад твердого раствора исключен, а режим обработки обеспечивает подавление процессов рекристаллизации.

Механические свойства исследуемого литейного алюминиевого сплава АК7 после некоторых режимов обработки приведены в табл. 2. Установлено, что в состаренном состоянии наибольший и примерно одинаковый прирост прочностных характеристик по сравнению с недеформированным состоянием (обработкой по стандартному режиму, рекомендованному для сплава АК7 – Т5) обеспечивает деформация при 20 и 150 °С с обжатием 30 %. Пределы текучести и прочности сплава после исследованных режимов НТМО повышаются на 22 и 18 % соответственно. Такое упрочнение сопровождается снижением относительного удлинения ( δ ) при статическом нагружении. При этом важно подчеркнуть, что при использовании теплой деформации формируется более благоприятное соотношение между прочностными характеристиками и пластичностью, чем при холодном наклепе.

ВТМО хотя и значительно слабее, чем НТМО, повышает прочностные свойства, однако заметно увеличивает пластичность ( δ ), характеризующую в определенной степени

Таблица 2

Механические свойства алюминиевого сплава АЛ9 после различных видов обработок

Исходное состояние и режим обработки oB, МПа 00,2, МПа 5, % Литое состояние 160 115 3,0 Закалка (535 °С - 5 ч ^ вода) + 185 130 4,9 старение: 150 °С – 3 ч 200 160 3,8 150 °С – 5 ч 235 165 3,4 170 °С – 4 ч 245 180 3,2 200 °С – 4 ч 225 165 4,0 Деформация при 20 °С cо степенью 30 % + старение 170 °С – 2 ч 280 215 2,2 Деформация при 150 °С со степенью 15 % + старение: 150 °С – 4 ч 270 210 2,6 170 °С – 2 ч 265 205 2,7 деформация со степенью 30 % + старение: 170 °С – 2 ч 285 215 2,5 Деформация при 200 °С со степенью 15 % + старение: 150 °С – 4 ч 250 190 3,0 Деформация при 535 °С со степенью 15 % + старение: 150 °С – 5 ч 250 195 5,7 деформация со степенью 30 % + старение 150 °С – 5 ч 265 205 5,2 170 °С – 3 ч 270 210 4,9 склонность сплава к хрупкому разрушению [5]. Фрактографические исследования показывают, что в изломах образцов сплава, подвергнутого ВТМО, заметно уменьшается доля интеркристаллитной составляющей. Следует отметить, что горячая пластическая деформация уменьшает также и пористость отливки.

Выводы

Таким образом, комплекс свойств литейного сплава АК7 может быть улучшен применением термомеханической обработки. При этом низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) существенно повышает прочностные свойства сплава АК7 при заметном снижении пластичности. Теплая деформация предпочтительнее, чем холодная, так как обеспечивает лучший комплекс механических свойств. Отметим также, что при использовании НТМО заметно сокращается продолжительность старения сплава. В отличие от НТМО, высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) приводит к заметно меньшему упрочнению сплава, однако обеспечивает повышение пластичности и, как следствие, уменьшение склонности сплава к хрупкому разрушению.