PL224248B1 - Sposób wytwarzania elementów ze stopów metali nieżelaznych, zwłaszcza stopów aluminium - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania elementów ze stopów metali nieżelaznych, zwłaszcza stopów aluminium, mający zastosowanie do wytwarzania elementów kształtowych, zwłaszcza prętów.

W celu osiągnięcia wysokich własności wytrzymałościowych stopy o zmiennej rozpuszczalności w stanie stałym, a w szczególności uformowane z nich wyroby bądź półwyroby, poddawane są obróbce cieplnej składającej się z operacji przesycania i operacji starzenia, lub obróbce cieplnomechanicznej, w której skład wchodzą w kolejności: operacja przesycania, odkształcenie plastyczne i operacja starzenia.

Operacja przesycania polega na nagrzaniu stopu do temperatury z zakresu występowania roztworu stałego, wytrzymaniu go - czyli wyżarzaniu - przez czas konieczny do rozpuszczenia wydzieleń i szybkim schłodzeniu, w wyniku czego stop w temperaturze otoczenia uzyskuje strukturę jednofazową, która będąc termodynamicznie nietrwałą ulega przemianie podczas operacji starzenia. Operacja ta polega na nagrzaniu przesyconego stopu do temperatury poniżej rozpuszczalności granicznej i wyżarzaniu przez czas wymagany do wydzielenia z przesyconego roztworu stałego faz o wysokim stopniu dyspersji.

Zazwyczaj obróbkę cieplną przeprowadza się na elementach o wstępnie lub finalnie ukształtowanej geometrii, wskutek odlewania, obróbki skrawaniem czy obróbki plastycznej. Jeżeli obróbka plastyczna prowadzona jest w odpowiednio wysokiej temperaturze, gwarantującej uzyskanie przez stop struktury roztworu stałego, szybkie schłodzenie odkształconego elementu powoduje jego przesycenie. W szczególności, w przypadku wysokotemperaturowego wyciskania stopu, przesycanie może być dokonywane bezpośrednio na wybiegu prasy poprzez intensywne chłodzenie prasówki - najczęściej wodą. Jednofazowa struktura stopu, będąca następstwem operacji przesycania, zwiększa jego własności plastyczne i pozwala na prowadzenie intensywnej obróbki plastycznej stopu, aż do uzyskania wyrobu o finalnej geometrii, a w wyniku zastosowania kolejnego procesu starzenia, także o założonych własnościach mechanicznych.

W związku z tym, że będące elementem operacji przesycania wyżarzanie stopu w odpowiednio wysokiej temperaturze ma na celu rozpuszczenie faz i uzyskanie roztworu stałego, czas wyżarzania niezbędny dla pełnego zajścia aktywowanego cieplnie procesu dyfuzji składników stopowych wynosi zazwyczaj od 1 do kilku godzin. Nie różnicuje się warunków wyżarzania stopu w zależności od tego czy był lub nie był on poddany wstępnej obróbce plastycznej.

Zgodnie z dotychczas stosowanym sposobem wytwarzania elementów ze stopów aluminium, wsad o wymiarach 040 x 40 mm ze stopu 7075 poddano wyciskaniu na prasie hydraulicznej z prędkością 0,5 mm/s w temperaturze 450°C, do której nagrzano zarówno wsad jak i narzędzia robocze, przy czym wsad wyżarzono w tej temperaturze przez 2 godz. Uzyskany pręt o średnicy 12 mm natychmiast schłodzono wodą. Następnie pręt poddano operacji starzenia, wyżarzając go w temperaturze 150°C przez czas 3 godz. W efekcie pręt uzyskał twardość 160 HV.

Zgodnie z innym dotychczas stosowanym sposobem wytwarzania elementów ze stopów aluminium, w szczególności ze stopu 7075, wsad o wymiarach 040 x 40 mm poddano wyciskaniu na prasie hydraulicznej, wyposażonej w układ mechaniczny powodujący oscylacyjny obrót matrycy względem jej osi o kąt ± 8° z częstotliwością 5 Hz. Proces wyciskania prowadzono z prędkością 0,5 mm/s w temperaturze 20°C, bez wstępnego nagrzewania wsadu i narzędzi roboczych, uzyskując pręt o średnicy 12 mm, który natychmiast schłodzono w wodzie. Następnie pręt poddano operacji starzenia, wyżarzając go w temperaturze 150°C przez czas 3 godz. W efekcie pręt uzyskał twardość 137 HV.

Istota wynalazku, którym jest sposób wytwarzania elementów ze stopów metali nieżelaznych z zastosowaniem obróbki plastycznej i obróbki cieplnej, zwłaszcza stopów aluminium, polega na tym, że wsad poddaje się co najmniej 60% plastycznemu odkształceniu poprzez wyciskanie ze stopniem przerobu przekraczającym wartość 2, w temperaturze poniżej zakresu występowania roztworu stałego, po czym otrzymany element poddaje się procesowi przesycania poprzez nagrzanie go do temperatury występowania roztworu stałego, przetrzymanie w tej temperaturze przez okres 2-25 min, korzystnie 5 min, a następnie schłodzenie wodą do temperatury otoczenia, po czym poddaje się go procesowi starzenia.

Korzystnym jest, gdy obróbka plastyczna dokonywana jest poprzez wyciskanie z oscylacyjnymi obrotami matrycy względem jej osi o kąt z zakresu ± (4-25)° z częstotliwością z zakresu (1-15) Hz.

PL 224 248 B1

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskuje się efekt techniczny i użytkowy, którym jest skrócenie czasu wyżarzania stopów w operacji przesycania przy równoczesnym podwyższeniu jego własności wytrzymałościowych. Im wyższe odkształcenie, nadane przed obróbką cieplną lub cieplno-mechaniczną, tym krótszy czas wyżarzania, przy czym minimalna wartość odkształcenia winna wynosić 60%. Najkorzystniejsze efekty uzyskuje się jeśli wstępne odkształcenie stopu prowadzone jest w warunkach zmiennej drogi odkształcania, realizowanej poprzez zmianę schematu obciążenia, co w procesie wyciskania uzyskuje się dodatkowo stosując oscylacyjne obroty matrycy względem jej osi o kąt z zakresu ± (4-25)° z częstotliwością z zakresu (1-15) Hz.

Skrócenie czasu wyżarzania w operacji przesycania sposobem wg wynalazku jest możliwe z powodu generowania podczas wstępnego odkształcania stopu ponad-równowagowej koncentracji defektów punktowych, korzystnie w warunkach zmiany drogi odkształcenia. Z jednej strony defekty te, wraz z atomami pierwiastków stopowych, tworzą w temperaturze poniżej temperatury występowania roztworu stałego stosunkowo stabilne cieplnie i mechanicznie nanowymiarowe klastery, które utrudniają przebieg dyfuzji, a więc i skuteczność operacji starzenia. Z drugiej jednak strony, jeżeli operacja starzenia zostanie poprzedzona klasyczną operacją przesycania, w tym krótkotrwałym wyżarzaniem w temperaturze z zakresu występowania roztworu stałego, ma miejsce destabilizacja klasterów i uwolnienie defektów punktowych, które znacząco przyspieszają wydzielanie faz. Stąd im wyższa temperatura wyżarzania w operacji przesycania, tym krótszy czas wyżarzania.

Sposób wg wynalazku powoduje wzrost własności wytrzymałościowych wyrobów oraz wydajności procesów technologicznych obejmujących obróbkę cieplną i cieplno-mechaniczną jest energooszczędny i proekologiczny.

Przykład wykonania

Wsad ze stopu aluminium 7075 o wymiarach 040 x 40 mm poddano wyciskaniu na prasie hydraulicznej, wyposażonej w układ mechaniczny powodujący oscylacyjny obrót matrycy względem jej osi o kąt ± 8° z częstością 5 Hz. Proces wyciskania prowadzono z prędkością 0,5 mm/s w temperaturze 20°C, bez wstępnego nagrzewania wsadu i narzędzi roboczych, uzyskując pręt o średnicy 12 mm, który po schłodzeniu na powietrzu poddano operacji przesycania obejmującej: 2-minutowe nagrzewanie do temperatury 470°C, przetrzymywanie w tej temperaturze przez czas 5 minut i schłodzenie wodą. Następnie pręt poddano operacji starzenia, wyżarzając go w temperaturze 150°C przez czas 3 godz. W efekcie pręt uzyskał twardość 192 HV.

Claims (2)

1. Sposób wytwarzania elementów ze stopów metali nieżelaznych z zastosowaniem obróbki plastycznej i obróbki cieplnej, zwłaszcza stopów aluminium, znamienny tym, że wsad poddaje się obróbce plastycznej z co najmniej 60% odkształceniem poprzez wyciskanie ze stopniem przerobu przekraczającym wartość 2, w temperaturze poniżej zakresu występowania roztworu stałego, a otrzymany element poddaje się procesowi przesycania poprzez nagrzanie go do temperatury występowania roztworu stałego, przetrzymanie w tej temperaturze przez okres 2-25 min, korzystnie 5 min, a następnie schłodzenie wodą do temperatury otoczenia, po czym poddaje się go procesowi starzenia.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obróbka plastyczna dokonywana jest poprzez wyciskanie z oscylacyjnymi obrotami matrycy względem jej osi o kąt z zakresu ± (4-25)° z częstotliwością z zakresu (1-15) Hz.