UA127569C2 - СПОСІБ ДЕФОРМАЦІЙНО-ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ СПЛАВІВ СИСТЕМИ Al-Si - Google Patents

Abstract

Винахід належить до галузі виробництва виробів з алюмінієвих сплавів, а саме стосується деформаційно-термічної обробки цих виробів. Спосіб деформаціно-термічної обробки сплавів системи Al-Si полягає у виконанні серії з 11-22 малих гарячих деформацій куванням, що починають при температурі 500-550 °C і завершують при 300-400 °C, з наступним після кожної деформації охолодженням до 50-100 °C і нагріванням під наступну деформацію, ступінь деформацій на кожному етапі зростає від 1-3 % - на початковому, до 9-14 % - на завершальному, при цьому сумарний результуючий ступінь гарячої деформації становить 40-70 %, після завершення серії гарячих деформацій виконують нагрівання виробу до 490-520 °C з охолодженням до кімнатної температури, після чого йде завершальна холодна деформація зі ступенем 10-20 %. Винахід забезпечує одночасне значне підвищення пластичності і твердості матеріалу у порівнянні з литим станом чи обробкою за іншим відомим режимом.

Description

Винахід належить до галузі виробництва виробів з алюмінієвих сплавів, а саме стосується деформаційно-термічної обробки цих виробів.

Сплави системи А/!-5і (силуміни) широко застосовані при виробництві ливарних виробів.

Важливим відомим недоліком таких сплавів є їх низька пластичність (відносне подовження зазвичай не перевищує 2-3 95). Це, з одного боку, ускладнює обробку виробів з таких сплавів шляхом пластичної деформації, з іншого боку, підвищує вірогідність крихкого руйнування при експлуатації цих виробів. Низька пластичність обумовлена насамперед голчастими кристалами кремнію і силіцидів у структурі цих сплавів. Ці кристали є крихкими, а також створюють мікроконцентратори механічних напружень, особливо під час руйнування цих кристалів в ході деформації, коли утворюються гострі кути у місцях їх зламу. Таким чином, можливо поліпшити пластичні характеристики таких сплавів і, опційно, їх твердість і міцність за рахунок впливу на морфологію кремнієвих включень. Підвищення пластичності, в свою чергу, створює умови для додаткового зміцнення даного матеріалу шляхом холодної пластичної деформації (наклепу).

Відомий спосіб впливу на структуру сплавів системи АІ-5і шляхом гарячої екструзії

ІЕппапсетепі ої Ше Меспапіса! Ргорепієб5 іп АІ-5і-Си-Бе-Му АїЙПоуз м/йп Магоив Ргосезвіпа

Рагатеїегв / Зи-Зеопуд АНп, Зпагієї Раїпап, даї-Мушпд Коо, Спапд-Нушп Ваєд, Спап-ОК деопод,

Нуоеєеп-Таєк, бооп-ЛК Нопа // Маїетіа!5. - 2018. - Мо 11. - Р. 2150-2162). Під впливом вказаного процесу включення кремнію і силіцидів (Аі5Ребі) подрібнювалися і набували рівноважної полігональної форми.

Недоліками названого методу є: відсутність значного зростання пластичності при зростанні міцності і твердості; текстурованість структури - включення зібрані у стрічки, спрямовані у напрямку екструзії, що веде до анізотропії властивостей; у подрібнених включеннях кремнію і силіцидів спостерігалися мікротріщини, що можуть стати причиною появи мікроконцентраторів напружень при подальшій пластичній деформації.

Найбільш близьким за технічною суттю і оодержуваним результатом є спосіб деформаційного впливу на структуру і властивості силумінів, запропонований у роботі

ІПрудников А.Н Воздействиє деформации на структуру и свойства силуминов / А.Н. Прудников,

М.В. Попова, В.А. Прудников // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. - 2017. - Мо 3, Том 21 - С. 11-17), що складається з наступної послідовності:

Зо гомогерезуючий відпал при 5000-10 "С протягом 2-х годин, гаряча деформація куванням при температурі від 510-550 С (початок кування) до 350-400 С (закінчення кування); опійний проміжний (міждеформаційний) відпал при 510-550 "С, кінцевий (постдеформаційний) відпал при 520:10 "С протягом двох годин. Даний спосіб приводить до утворення рівноважних полігональних включень кремнію, що досить рівномірно розподілені у структурі, дозволяє підвищити пластичність матеріалу до значень 6-4-16 95 (залежно від вмісту кремнію), підвищити міцність на 15-75 9о у порівнянні з литим станом, але лише для сплавів з високим вмістом кремнію (20-30 95), одночасне підвищення пластичності для яких є незначним.

Недоліками прототипу є відсутність зростання міцності для сплавів з більш низьким вмістом кремнію, зберігання гострих кутів у значній частині включень кремнію у структурі матеріалу, що не дає ще більше підвищити пластичність, досить великий розмір отриманих в результаті включень кремнію, необхідність досить тривалих попереднього і постдеформаційного відпалів, чутливість способу до домішок, що сприяють гарячоламкості (зниженню пластичності при високій температурі).

В основу винаходу, що заявляється, поставлена задача створення способу деформаційно- термічної обробки сплавів системи А/І-5і доевтектичного складу зі зниженим вмістом кремнію, що веде до подрібнення і гобуляризації включень кремнію, і одночасного підвищення пластичності і твердості матеріалу у порівнянні з прототипом.

Поставлена задача вирішується тим, що у способі деформаційно-термічної обробки сплавів системи АЇІ-5і, що включає гарячу пластичну деформацію куванням, що починається при температурі 500-550 "С і завершується при 300-400 "С, і веде до подрібнення і сфероїдизації включень кремнію, виконується серія з 11-22 малих гарячих деформацій куванням, з наступним після кожної деформації охолодженням до 50-100 "С і нагріванням під наступну деформацію, значення ступеня деформації, що виконується на кожному наступному етапі, зростає від 1-3 95 - на початковому, до 9-14 95 - на завершальному, при цьому сумарний результуючий ступінь гарячої деформації становить 40-70 9о, після завершення серії гарячих деформацій виконується нагрівання виробу до 490-520 "С з охолодженням до кімнатної температури, після чого йде завершальна холодна деформація зі ступенем 10-20 Фо.

Суть винаходу полягає в наступному: у способі деформаційно-термічної обробки сплавів системи АЇІ-5і, що включає гарячу пластичну деформацію куванням, що починається при бо температурі 500-550 "С і завершується при 300-400 "С, і веде до подрібнення і сфероїдизації включень кремнію, виконується серія з 11-22 малих гарячих деформацій куванням, з наступним після кожної деформації охолодженням до 50-100 "С і нагріванням під наступну деформацію, значення ступеня деформації, що виконується на кожному наступному етапі, наростає від 1-3 95 на початковому до 9-14 95 на завершальному, при цьому сумарна результуюча ступінь гарячої деформації становить 40-70 95, після завершення серії гарячих деформацій виконується нагрівання виробу до 490-520 "С з охолодженням до кімнатної температури, після чого йде завершальна холодна деформація зі ступенем 10-20 9о. Оптимальний ступінь гарячої деформації, що потрібно виконати на кожному наступному етапі, обчислюється за формулою: аа - А ет (1) де ап - ступінь деформації на етапі п; А, В - коефіцієнти, що залежать від кількості етапів деформації; п - номер поточного етапу деформації, починаючи з 1.

Коефіцієнти А і, В, відповідно, обчислюється за формулами:

А - 0 058.е м (2) з

А-1-09172:е М уз) де М - загальна кількість етапів гарячої деформації.

Деформування у запропонованому способі супроводжується одночасним багатократним значним зміненням температури виробу. Циклічність зміни температури сприяє більшому ступеню сфероїдизації включень кремнію і пришвидшенню цього процесу. Це обумовлюється наступним явищем: розчинність кремнію в алюмінії помітно змінюється від температури (при температурі нагріву під деформацію вона становить близько 1 95, а при кімнатній температурі - не більше 0,01 95). Таким чином, при нагріванні включення частково розчиняються, причому кутові ділянки розчиняються швидше. При охолодженні в ході деформації і деякий час після неї відбувається зворотне осадження кремнію з твердого розчину на поверхню включень, яке протікає вже відносно рівномірно по їх поверхні. Також сфероїдизації подрібнених в ході деформації включень сприяє їх коагуляція при підвищеній температурі.

Поступове нарощування ступеня деформації від невеликих (1-3 9о) значень на початкових етапах до 9-14 95 на завершальних дозволяє запобігти крихкому руйнуванню матеріалу під час обробки навіть у разі наявності домішок, що сприяють гарячоламкості (наприклад, мікродомішки

Ма), а також дозволяє обробляти таким методом сплави, додатково леговані такими

Зо елементами як Си, Мп, Ад, які додатково знижують пластичність металевої матриці матеріалу.

Оскільки сплав після етапу гарячої деформації з циклічним охолодженням/нагріванням набуває високої пластичності, стає можливим його додаткове зміцнення за рахунок завершальної холодної деформації.

Формули 1, 2, З є емпіричними, отриманими, виходячи з наступних експериментальних досліджень: досліджувалася мікроструктура і властивості матеріалу, після певної серії гарячих деформацій різного ступеня; для кожного зі зразків оцінювалися наступні показники: який ступінь деформації гарячої на даному етапі за умови пройденої серії попередніх веде до утворення мікротріщин у структурі металу та макротріщин (що видимі неозброєним оком), ступінь пластичності даного матеріалу у холодному стані. Запропоновані експонентні залежності справедливі насамперед для вказаного діапазону поетапних і сумарних деформації і не можуть бути без корегування екстрапольовані на більші ступені деформації, але справедливі і для менших.

Наведені приклади здійснення способу і порівняння отриманих за запропонованими параметрами характеристик з відхиленням від них і обробкою з прототипом.

Склад сплаву, що використовувався в ході випробувань, наведено в таблиці 1. Цей сплав є доевтектичним силуміном.

Таблиця 1

Склад матеріалу, мас. 95

У таблиці 2 наведено характеристики режимів обробки матеріалу, що використані при порівнянні. У таблиці З наведено порівняльні характеристики матеріалу (структури і досліджуваних властивостей), обробленого за вказаними режимами. Ступінь деформації розраховується як відношення різниці початкового і кінцевого перерізу зразка до початкового перерізу зразка. Слід зазначити, що сумарний результуючий ступінь деформації не дорівнює сумі ступенів деформації за етапами, а розраховується як відношення різниці перерізів зразка після останнього етапу деформації і його початкового перерізу до початкового перерізу. Так, наприклад, якщо початковий переріз зразка становив 225 мм", а після першого етапу деформації став 100 мм, то ступінь деформації на першому етапі становить приблизно 55,6 9».

Після другого етапу деформації переріз зразка, наприклад, склав 25 мм", тож ступінь деформації на другому етапі склав 75 95. При цьому в даному прикладі сумарний результуючий ступінь деформації склав (225-253225:0,889, тобто 88,9 95, що ніяк не дорівнює сумі ступенів деформації за етапами, тобто 55,64-75-130,6 Об.

Таблиця 2

Характеристика порівняних способів деформаційно-термічної обробки доевтектичного сплаву системи АЇ-5і

Відпал при 500-10 "С протягом 2-х годин, двоетапна гаряча деформація куванням при температурі від 550 "С (почато 4 кування) до 350 "С (закінчення кування) з сумарним ступенем За прототипом деформації 6090 з проміжним відпалом при 510-55070 протягом 60 хвилин, кінцевий відпал при 520:210 "С протягом двох годин

Серія з 11-и гарячих деформацій куванням при температурах Неоптимальний режим. від 510-550С до 350-400 "С зі нарощуваними ступенями Без додаткової заключної 2 деформації від 5 95 на першому етапі до 12 95 на заключному ії холодної деформації; сумарним ступенем деформації 70 956, охолодження до 50- нарощування ступенів 100 С після кожної деформації, нагрівання до 500" зідеформації не відповідає охолодженням на повітрі до кімнатної температури запропонованій формулі

Серія з 6б-и гарячих деформацій куванням при температура від 510-550 "С до 350-400 С зі нарощуваними ступенями деформації від 1 95 на першому етапі до 12 95 на заключному ії Неоптимальний режим.

З |сумарним ступенем деформації 25 956, охолодження до 50- Замала сумарна 100 С після кожної деформації, нагрівання до 500" зідеформація охолодженням на повітрі до кімнатної температури, заключна холодна деформація 5 95

Серія з 15-и гарячих деформацій куванням при температура від 420-480 с до 250-350". зі нарощуваними ступенями), оптимальний режим. деформації від 1 95 на першому етапі до 12 95 на заключному і

Як Замала температури 4 |сумарним ступенем деформації 50 95, охолодження до 50- ; . ; о . . і й о нагрівання і закінчення 100 С після кожної деформації, нагрівання до 500" з кування охолодженням на повітрі до кімнатної температури, заключна холодна деформація 16 95

Серія з 15-и гарячих деформацій куванням при температура від 540-570 "С до 450-480 С зі нарощуваними ступенями деформації від 1 95 на першому етапі до 12 95 на заключному ії Неоптимальний режим. 5 |сумарним ступенем деформації 60 9о, охолодження до 50-| Завелика температура 100 С після кожної деформації, нагрівання до 500" з|нагрівання охолодженням на повітрі до кімнатної температури, заключна холодна деформація 17 95

Серія з 15-и нагрівань 510-550 "С протягом 15-20 хвилин з Неоптимальний режим. охолодженням до 50-100 "С після кожного без деформації Циклічний відпал без деформації "уекенд нич де севновнь термічної або деформаційно-термічної обробки

Серія з 22-і гарячих деформацій куванням при температурах Верхнє граничне значення від 510-550 С до 350-400 С зі нарощуваними ступенями) ступеня сумарної деформації від З 95 на першому етапі до 12 95 на заключному ії деформації під ча

Таблиця 2

Характеристика порівняних способів деформаційно-термічної обробки доевтектичного сплаву системи АЇ-5і сумарним ступенем деформації 70 956, охолодження до 50- гарячого та холодного 100 С після кожної деформації, нагрівання до 500 "С з|етапів охолодженням на повітрі до кімнатної температури, заключна холодна деформація 20 95

Серія з 11-и гарячих деформацій куванням при температура від 510-550 С до 350-400 С зі нарощуваними ступенями| Нижнє граничне значення деформації від 1 95 на першому етапі до 9 95 на заключному і| ступеня сумарної |сумарним ступенем деформації 40 96, охолодження до 50- деформації під ча 100 С після кожної деформації, нагрівання до 500 "С з|гарячого та холодного охолодженням на повітрі до кімнатної температури, заключна) етапів холодна деформація 10 95

Серія з 15-и гарячих деформацій куванням при температура від 510-550 "С до 350-400 С зі нарощуваними ступенями деформації від 1 95 на першому етапі до 12 95 на заключному і 11 |сумарним ступенем деформації 60 956, охолодження до 50- Оптимальний режим 100 С після кожної деформації, нагрівання до 500" з охолодженням на повітрі до кімнатної температури, заключна холодна деформація 15 95

Таблиця З

Порівняння характеристик зразків сплаву системи АЇ-51і, оброблених за різними режимами деформаційно-термічної обробки

Ступінь Технологічна

Середній розмі витягну- пластичність (ступінь

Мо п/п редній розмір ж тості Твердість матеріалу, НМ осаджування при включень кремнію, мкм . се . включень кімнатній температурі до кремнію появи тріщин), Уо 28,3ж5,9/ 10,020,6/ 16,3:0,9/ 15,4-1,3/ 9,0--1,0/ 22,9ж1,6/ 17,5:-0,9/ 18,7-1,1/ 4,5:0,3/ 7,15-11,6/ 4,2:30,2/ " - вказано два розміри у вигляді: поздовжній/поперечний

З наведених у таблицях 2 і З даних і результатів видно, що найбільш оптимальне поєднання високої твердості і пластичності досягається при режимі 11. Граничні режими 9 і 10 також дозволяють отримати добре поєднання цих характеристик, але за режимом 11 досягається більший рівень пластичності. Режим 10 (нижнє граничне значення) призводить до нижчих значень як твердості, так і пластичності. Твердість за режимом 9 буде максимальною, але пластичність навіть нижче, ніж при режимі 10. Тим не менш, режими 9-11 демонструють отримання і більших значень пластичності, і більших значень твердості, ніж у литому та відпаленому станах (режими 6-8). Інші розглянуті режими деформаційно-термічної обробки (1-5) дозволяють іноді отримати навіть більшу пластичність (режими 2 і 5), але твердіть буде невисокою (на рівні відпаленого металу), або досить високу твердість (режим 4), але при значенні показника пластичності лише небагато більше, ніж для литого металу. Обробка за прототипом веде до значного зростання пластичності (хоча за оптимальним режимом значення її можуть бути дещо більшими) твердість матеріалу лишається невеликою. Характерною перевагою рекомендованого режиму є отримання дрібних включень кремнію з високим рівнем сферичності. У разі застосування запропонованого способу до доевтектичних сплавів (7-12 95

Зі) матеріал має досить високу пластичність і не потребує тривалого постдеформаційного відпалу. Фактично, серія нагрівань під деформацію працює як відпал суміщений із деформацією. Про це свідчить, наприклад, те що твердість матеріалу після деформаційно- термічної обробки без кінцевої холодної деформації дорівнює (на рівні статистичної похибки) такій для відпаленого литого матеріалу. Матеріал для отримання комплексу властивостей не потребує додаткового легування елементами, таким як Си, що підвищують його вартість і знижують корозійну стійкість. Досягається поєднання високих, як для даного класу сплавів, показників твердості і пластичності матеріалу, утворення дрібних, сферичних і рівномірно розподілених в об'ємі включень кремнію, що дозволяє використовувати одержаний матеріалу для виготовлення виробів, що потребують малої питомої ваги, підвищеної корозійної стійкості, зносостійкості і працюють в умовах середнього рівня навантажень, в тому числі циклічного і ударного характеру, як-то: поршні, циліндри, клапани, запірна арматура, а також мало навантажені осі і штифти.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб деформаційно-термічної обробки сплавів системи АІ-5і, що включає гарячу пластичну деформацію куванням, що починають при температурі 500-550 "С і завершують при 300-400 "С, з подрібненням і сфероїдизацією включень кремнію, який відрізняється тим, що виконують серію з 11-22 малих гарячих деформацій куванням, з наступним після кожної деформації охолодженням до 50-100"С і нагріванням під наступну деформацію, значення ступеня деформації, що виконують на кожному наступному етапі, зростає від 1-3 95 - на початковому, до 9-14 96 - на завершальному, при цьому сумарний результуючий ступінь гарячої деформації становить 40-70 95, після завершення серії гарячих деформацій виконують нагрівання виробу до 490-520 70 з охолодженням до кімнатної температури, після чого йде завершальна холодна деформація зі ступенем 10-20 Фо.