СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОРЯЧЕКАТАНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СО СКАНДИЕМ
METHOD OF HOT-ROLLING OF SEMIS FROM ALUMINIUM ALLOYS WITH SCANDIUM

Изобретение относится к области деформируемых термически неупрочняемых алюминиевых сплавов со скандием, предназначенных для использования в качестве конструкционного материала в виде деформируемых полуфабрикатов в различных областях техники: судостроении, авиакосмической и нефтегазодобывающей промышленности, транспортном машиностроении и т.д.
Существует ряд деформируемых термически неупрочняемых алюминиевых сплавов, легированных магнием, марганцем, цирконием и другими переходными металлами, из которых наиболее прочными являются сплавы системы Al-Mg-Sc.
Основными механизмами упрочнения сплавов со скандием этой системы являются твердорастворный, дисперсионного твердения за счет скандиевой фазы и структурного упрочнения, которые определяются технологическим процессом производства полуфабрикатов, в который входит режим гомогенизации слитка, нагрев литой заготовки перед прокаткой и режимы пластической обработки.
Скандий наряду с другими легирующими элементами (Mg, Mn, Zr, Ti, Be и др.) в процессе плавления образует гомогенный расплав и после затвердевания слитка находится в пересыщенном твердом растворе, небольшая часть скандия, а также циркония и титана, при этом расходуется на модифицирование слитка. Прочность металла на этом этапе определяется твердорастворным механизмом упрочнения.
В процессе последующих нагревов слитка при гомогенизации и под прокатку происходит процесс высокотемпературного распада пересыщенного твердого раствора скандия в алюминии с образованием дисперсных выделений скандиевой фазы, прочность металла значительно увеличивается в результате дисперсного упрочнения. Наибольший упрочняющий эффект достигается при размере дисперсных выделений скандиевой фазы примерно в пределах от 8 до 60 мкм.
Однако длительный нагрев литой заготовки в интервале температур 350-420°C приводит к существенному разупрочнению сплава в литом состоянии и соответственно снижению прочностных свойств в деформированных полуфабрикатах вследствие необратимого процесса укрупнения дисперсных выделений скандиевой фазы-коагуляции дисперсных частиц.
Увеличение размера дисперсных частиц (коагуляции), с одной стороны, приводит к снижению прочностных свойств металла, а с другой - к возникновению эффекта «обратной» анизотропии механических свойств в катаных полуфабрикатах вследствие образования «полос сброса», если размер частиц превысил критический (1). Обратная анизотропия приводит к снижению механических свойств материала в продольном направлении и ударной вязкости при статических испытаниях и предела выносливости при усталостных испытаниях. При усталостных испытаниях прочность сплава в продольном направлении по сравнению с поперечным направлением снижается практически вдвое, теряя в этих условиях все свои преимущества.
Структурное упрочнение происходит в результате пластической деформации и получения нерекристаллизованной фрагментированной структуры листов и плит из алюминиевых сплавов со скандием.
Известен способ получения катаных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Sc, принятый нами за прототип (автореферат диссертации Филатова Ю.А. на соискание ученой степени доктора технических наук «Исследование и разработка новых высокопрочных свариваемых сплавов на основе системы Al-Mg-Sc и технологических параметров производства из них деформированных полуфабрикатов». ОАО «Всероссийский институт легких сплавов». Москва. 2000 г.), который заключается в гомогенизирующем отжиге слитков, полученных методом полунепрерывного литья, при температуре 350-380°C в течение до 24 часов, механической обработке слитков, нагреве литых заготовок под прокатку при температуре 380-410°C в течение до 16 часов и последующей горячей прокатке литых заготовок.
Недостатком этого способа является
- возникновение явления «обратной» анизотропии, сопровождающейся снижением работоспособности изделий при циклическом приложении нагрузки;
- недостаточно высокий уровень механических свойств алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Sc в катаных полуфабрикатах вследствие продолжительного нагрева при температурах выше 350°C.
Техническим результатом предложенного изобретения является создание способа изготовления горячекатаных полуфабрикатов, листов и плит, из алюминиевых сплавов со скандием, обеспечивающего отсутствие «обратной» анизотропии и регламентированно высокие механические свойства листов и плит в продольном и поперечном направлениях при статическом и циклическом приложении нагрузки, который достигается снижением температуры и продолжительности нагрева слитков при повышенной температуре в процессе изготовления горячекатаных полуфабрикатов.
Технический результат достигается тем, что изготовление горячекатаных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов со скандием, включающее получение слитков методом полунепрерывного литья, отжиг слитков, механическую обработку слитков, нагрев литых заготовок под прокатку и горячую прокатку литых заготовок, согласно изобретению включает отжиг слитков при температуре 270-300°С продолжительностью до 14 часов, нагрев литых заготовок под прокатку проводят по двухступенчатому режиму - на первой ступени при температуре 270-300°C продолжительностью до 14 часов и на второй при 360-400°C продолжительностью до 6 часов, при этом продолжительность нагрева литых заготовок под прокатку не должна превышать 16 часов, а затем горячую прокатку ведут с суммарной относительной деформацией не менее 50%.
Отжиг слитков при температуре 270-300°C продолжительностью до 10 часов достаточен для снятия остаточных напряжений, возникающих в слитке при его охлаждении в процессе полунепрерывного литья. Это предотвращает появление трещин и позволяет проводить механическую обработку слитков перед прокаткой для удаления с поверхности дефектов литейного происхождения.
При отжиге при температуре 270-300°C практически не происходит коагуляции выделившихся из твердого раствора дисперсных частиц скандиевой фазы и соответственно снижения механических свойств.
Повышение температуры отжига слитков свыше 300°C, как отмечалось ранее, приводит к коагуляции дисперсных частиц скандиевой фазы и снижению механических свойств.
Снижение температуры отжига до температуры менее 270°C значительно увеличивает продолжительность отжига для снятия остаточных термических напряжений и процесс становится экономически невыгоден.
Двухступенчатый нагрев литых заготовок под прокатку при температуре 270-300°C на первом этапе и при температуре 360-400°C на втором позволяет основную часть нагрева слитков проводить при более низкой температуре, когда отсутствует коагуляция (укрупнение) частиц скандиевой фазы, и сократить время пребывания литых заготовок при более высокой температуре, когда происходят процессы коагуляции дисперсных частиц.
Продолжительность нагрева на каждой ступени зависит от сечения литых заготовок и сокращается с уменьшением сечения заготовок.
Увеличение общей продолжительности нагрева литых заготовок перед прокаткой свыше 16 часов приводит к коагуляции дисперсных частиц и снижению механических свойств катаных полуфабрикатов.
Таким образом, предложенный способ изготовления горячекатаных полуфабрикатов предупреждает коагуляцию дисперсных частиц скандиевой фазы и сохраняет размеры частиц менее критического размера, что позволяет повысить механические свойства полуфабрикатов и избежать эффекта «обратной анизотропии» и вследствие этого резкого снижения свойств при циклическом приложении нагрузки.
Прокатка слитков с относительной деформацией менее 50% не обеспечивает структурного упрочнения металла, зерна слабо вытянуты, фрагментация структуры отсутствует, свойства полуфабрикатов недостаточно высокие.
Пример.
С использованием технического алюминия A85, магния МГ90, двойных лигатур алюминий-марганец, алюминий-бериллий, алюминий-цирконий, алюминий-скандий, алюминий-хром и алюминий-титан в электропечи готовили расплав и методом полунепрерывного литья отливали плоские слитки сечением 65×240 мм из алюминиевого сплава следующего состава, мас.%: 6,3 Mg-0,64 Mn-0,l5 Cr-0,15 Zr-0,16 Sc-0,026 Ti, остальное - алюминий.
В соответствии с предложенным способом слитки для снятия остаточных напряжений отжигались в шахтной электропечи с принудительной вентиляцией воздуха при температурах 270 и 300°C в течение 10 часов, с охлаждением на воздухе, после разрезки слитков на заготовки шириной по 300 и 200 мм, заготовки механически обрабатывались. Боковые поверхности заготовок фрезеровались на глубину 5,0 мм, а на малых гранях заготовок фрезеровали замок Петрова.
Перед прокаткой заготовки нагревались в электрической печи по двухступенчатому режиму, на первой ступени при температуре 270 и 300°C в течение 10 и 13 часов соответственно и на второй при температуре 360 и 400°C в течение 6 и 3 часов, при этом продолжительность двухступенчатого нагрева составила 16 часов.
По запредельному варианту слитки отжигались при температурах 270 и 300°C в течение 12 часов, литые заготовки перед прокаткой нагревались при температурах - 270 и 300°C в течение 14 часов на первом этапе и при температуре 360 и 400°C в течение 8 часов па втором, суммарная продолжительность двухступенчатого нагрева составила 22 часа.
Прокатка заготовок производилась поперек оси слитка на реверсивном стане ДУО600 на толщину 6 мм с суммарной относительной деформацией 89% и на толщину 28 мм с суммарной относительной деформацией 49% (запредельный вариант).
Были изготовлены листы толщиной 6 мм, шириной 300 мм, длиной 1700 мм и толщиной 28 мм, шириной 200 мм и длиной 400 мм.
В соответствии с прототипом слитки, полученные методом полунепрерывного литья указанного выше химсостава, подвергались гомогенизирующему отжигу в шахтной электропечи с принудительной вентиляцией воздуха при температуре 380°C в течение 24 часов с последующим охлаждением на воздухе. После разрезки слитков на заготовки и их механической обработки заготовки нагревались в электропечи при температуре 400C в течение 12 часов, прокатка заготовок производилась по режиму, аналогичному в предлагаемом способе на толщину 6 мм.
Из полученных листов вырезались пятикратные образцы вдоль и поперек направления прокатки для испытания на растяжение при статических и циклических нагрузках.
Результаты механических испытаний образцов, вырезанных из листов, полученных по предлагаемому способу и по прототипу, приведены в таблице 1.
N
Как видно из приведенных данных у горячекатаных листов, изготовленных по предлагаемому способу, отсутствует обратная анизотропия, предел ограниченной выносливости (σ) практически не зависит от направления вырезки образцов, а прочностные свойства значительно выше, чем у прототипа.
Таблица 1
Механические свойства горячекатаных листов, изготовленных по предлагаемому способу и прототипу
Варианты
Параметры способа
έ, %
Направление вырезки образцов
Механические свойства
Отжиг
Нагрев под прокатку
слитков
1 ступень
2 ступень
σ<sub>в</sub> МПа
σ<sub>02в</sub> МПа
δ, %
σ<sub>N1</sub> МПа<sup>Х</sup>
Ђ, °C
τ, ч
Ђ, °C
τ, ч
Ђ, °C
τ, ч
Предлагаемый способ
270
10
270
10
360
6
89
Вдоль
495
376
18.6
23,8
Поперек
490
372
18
22,4
300
10
300
13
400
3
89
Вдоль
478
351
19,3
24,6
Поперек
470
348
19
23,2
Запредельный способ
300
10
300
12
400
3
49
Вдоль
436
308
21,1
16,6
Поперек
432
306
20,2
15.8
300
12
300
14
400
6
89
Вдоль
446
308
16
14,4
Поперек
450
312
18
24,2
Прототип
380
24
-
-
400
12
89
Вдоль
442
302
15,0
14,0
Поперек
440
305
19,2
23,0
Примечание
1) в таблице приведены средние значения результатов испытаний 3-х образцов на точку.
2<sup>х</sup>) база при усталостных испытаниях N=6×10<sup>5</sup> циклов, коэффициент асимметрии цикла 0,25, частота нагружения 10 Гц.
Технико-экономический эффект от использования изобретения по сравнению с прототипом заключается в повышении надежности и работоспособности за счет получения гарантированно более высоких механических свойств листов и плит из алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Sc при статическом и циклическом приложении нагрузки в продольном и поперечном направлениях относительно направления прокатки в результате контроля процессов выделения и коагуляции дисперсных частиц скандиевой фазы и устранения явления «обратной» анизотропии механических свойств, в расширении областей применения сплавов со скандием, в том числе в конструкциях ответственного назначения.
Источники информации
1. В.В.Захаров, Т.Д.Ростова «К вопросу об анизотропии листов из алюминиевых сплавов, легированных скандием». Технология легких сплавов. 1998, №4.