СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОДУКТА-ПЛИТЫ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА С НИЗКИМИ УРОВНЯМИ ОСТАТОЧНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
PRODUCTION OF BOARD FROM ALUMINIUM ALLOY WITH HIGH RESIDUAL STRAIN

2420-178261RU/045
Область изобретения
Изобретение относится к способу изготовления продукта-плиты большой толщины из деформируемого алюминиевого сплава с пониженным уровнем остаточного напряжения.
Предпосылки изобретения
Как будет понятно ниже, при отсутствии иных указаний, все обозначения алюминиевых сплавов относятся к обозначениям Алюминиевой ассоциации, приведенным в Aluminium Standards and Data and the Registration Records, опубликованным Алюминиевой ассоциацией в 2008 г.
Если не указано иное, в любом описании составов сплавов или предпочтительных составов сплавов все процентные величины указаны в весовых процентах.
Дисперсионно-твердеющие деформируемые алюминиевые сплавы используют, среди прочего, для авиационно-космических назначений благодаря их сочетанию прочности, коррозионной стойкости и свойств стойкости к повреждениям. Плиты из такой продукции обычно получают способом, включающим литье, формовку посредством прокатки и/или ковки, термообработку на твердый раствор, закалку термообработанного на твердый раствор продукта и старение закаленного продукта. После процесса закалки также остается высокое остаточное напряжение, которое не может быть снято термически с сохранением благоприятных механических свойств продукта из сплава. Поэтому напряжения снимают или по меньшей мере уменьшают, применяя равномерную пластическую деформацию, которая в случае прокатанной плиты включает одноосное растягивание в направлении прокатки и при применении в промышленном масштабе обычно составляет от примерно 1,5% до 3%, с последующим старением, что, следовательно, дает обозначение состояния Тх51.
В альтернативном способе прокатанную плиту сжимают в операции ковки, обычно при перекрывании шагов, с последующим старением, что, следовательно, дает обозначение состояния Тх52. Такая операция ковки сжатием толстых плит или блоков раскрыта, например, в патентном документе WO-2004/053180-А2.
Статья “Relief of Residual Stresses in a High-Strength Aluminum Alloy by Cold Working” авторов Y. Altschuler и др., опубликованная в “Mechanical Relaxation of Residual Stresses”, ASTM STP 993, L. Mordfin, Ed., American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1988, pp.19-29, касается снятия остаточных напряжений, возникающих в результате быстрой закалки алюминия 7075 в виде листа 31,8 мм. Было установлено, что снятие механического напряжения при растяжении следует считать более предпочтительным, чем при сжатии.
В патентах США №№ 6159315 и 6406567 раскрыты способы снятия напряжений в термообработанных на твердый раствор и закаленных плитах из алюминиевого сплава, которые включают в себя сочетание снимающего напряжения холодного механического растягивания и снимающего напряжения холодного сжатия, при этом холодное растягивание осуществляют в направлении длины, а холодное сжатие осуществляют в направлении толщины.
В патенте США № 6569542 раскрыт конструктивный элемент, выполненный из сплава серии 2ххх, имеющий толщину по меньшей мере 10 мм и подвергнутый термообработке на твердый раствор, закалке, постоянному растяжению до постоянной деформации более 1,5% посредством растягивания и старению.
В патенте США № 6077363 раскрыт листовой продукт из AlCuMg, имеющий пониженную степень прогиба после обработки резанием, при этом листовой продукт был подвергнут закалке и растягиванию.
Алюминиевая листовая продукция или продукция в виде плит небольшой толщины (толщиной менее примерно 20 мм) может быть растянута или выправлена роликами для улучшения плоскостности металла, и это может также приводить к небольшому снижению остаточного напряжения. Правка роликами состоит в пропускании листового продукта между двумя или более рядами параллельных роликов, расположенных поочередно под и над листом, причем ролики заходят один за другой. В этом случае листовой продукт поочередно прогибают в одном направлении, а затем в другом направлении для получения пластической деформации. Для продуктов большей толщины (толщиной более примерно 20 мм) не существует промышленных машин, способных принять такого рода продукты без отрицательного влияния на технологические свойства продукта-плиты. Кроме того, деформация посредством правки роликами является недостаточно контролируемой для достижения воспроизводимых характеристик при релаксации остаточного напряжения после закалки, которая легче с растяжной машиной, чем с роликоправильной машиной, по меньшей мере в случае листовой продукции большей толщины.
При традиционном растягивании в промышленном масштабе продуктов-плит (толщиной примерно 20 мм или более) концы зажимают между двумя зажимами, а затем применяют постоянное регулируемое удлинение. Растяжная машина включает неподвижную головку с зажимами и подвижную головку, снабженную другими зажимами. Если поперечное сечение продукта-плиты велико (например, очень толстое или очень широкое, или и то, и другое), мощность растяжной машины и, в частности, зажимное усилие зажимов, может оказаться недостаточной(ым) для достижения желаемой степени растягивания.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является разработка способа изготовления продукта-плиты из дисперсионно-твердеющего алюминиевого сплава с толщиной 80 мм или более, имеющего пониженный уровень остаточного напряжения.
Эта и другие цели, и дополнительные преимущества достигаются или обеспечиваются настоящим изобретением, относящимся к способу изготовления плиты из алюминиевого сплава, имеющей пониженный уровень остаточного напряжения, включающему следующие стадии:
а) обеспечение термообработанной на твердый раствор и закаленной плиты из алюминиевого сплава с толщиной по меньшей мере 80 мм,
b) снятие напряжения в упомянутой плите холодной прокаткой плиты до достижения обжатия в направлении толщины плиты-продукта вплоть до 8%, при этом происходит по существу равномерная по толщине деформация, уменьшающая внутренние напряжения, возникающие в результате операции закалки. Прокатка представляет собой непрерывный процесс деформации для уменьшения толщины продукта-плиты.
Продукт-плиту из алюминиевого сплава толщиной более 80 мм получают литьем, прокаткой (симметричной, ассиметричной или их сочетанием) и/или ковкой, термообработкой на твердый раствор, закалкой и старением, при этом после закалки продукт-плиту подвергают холодной прокатке согласно настоящему изобретению для уменьшения уровня остаточного напряжения в продукте.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Настоящее изобретение предусматривает способ изготовления плиты из алюминиевого сплава, имеющей пониженный уровень остаточного напряжения, включающий:
а) обеспечение термообработанной на твердый раствор и закаленной плиты из алюминиевого сплава с толщиной по меньшей мере 80 мм, а предпочтительно по меньшей мере 125 мм,
b) снятие напряжения в упомянутой плите холодной прокаткой плиты до достижения обжатия в направлении толщины продукта-плиты в диапазоне вплоть до 8%, предпочтительно - в диапазоне от 0,3% до 8%, более предпочтительно - в диапазоне от 0,5% до 6%, а еще более предпочтительно - в диапазоне от 0,5% до 3%.
Было установлено, что профили остаточных напряжений по толщине значительно снижались в результате деформации по толщине при операции холодной прокатки. Снижение уровней остаточного напряжения было в таком же диапазоне, который был бы достигнут при операции растягивания. Для достижения подобного эффекта способ по изобретению может быть применен к продуктам-плитам намного большего поперечного сечения, чем можно обработать при обычной операции растягивания. Кроме того, поскольку операция прокатки представляет собой непрерывную операцию, отсутствуют ограничения по длине продукта-плиты помимо накладываемых размерами первоначального слитка под прокатку. Следовательно, способом по настоящему изобретению напряжение может быть снято в продуктах-плитах с длиной более 40 метров.
Этот установленный факт противоречит, например, включенной сюда по ссылке статье “Residual Stress Alterations via Cold Rolling and Stretching of an Aluminum Alloy” автора W.E. Nickola, опубликованной в “Mechanical Relaxation of Residual Stresses”, ASTM STP 993, L. Mordfin, Ed., American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 1988, pp.7-18, в которой было показано, что термообработанный на твердый раствор, закаленный холодной водой продукт, который был прокатан вхолодную при 11,5%-м обжатии, приводит к существенному повышению уровня остаточного напряжения. Эти напряжения были лишь уменьшены после 1,25%-ного холодного растяжения. Это позволяет специалисту сделать вывод о том, что холодная прокатка продуктов из алюминиевого сплава в состоянии после закалки существенно повышала бы уровень остаточного напряжения в продукте.
В одном варианте осуществления изобретения холодную прокатку для уменьшения остаточного напряжения осуществляют после термообработки на твердый раствор и закалки и перед любой дальнейшей операцией искусственного старения. Холодная прокатка после закалки и до старения является благоприятной, поскольку требуемые усилия прокатки могут поддерживаться на самом низком практическом уровне.
В одном варианте осуществления способ изготовления продукта-плиты включает в себя термообработку на твердый раствор и закалку с последующими одним или более циклами искусственного старения и последующим охлаждением, а после этого закаленный и состаренный продукт-плиту подвергают холодной прокатке в соответствии с изобретением для снижения уровня остаточного напряжения.
-1
-1
-1
-1
-1
Наилучшие свойства достигаются, когда операцию холодной прокатки согласно настоящему изобретению осуществляют при относительно низкой скорости деформации, составляющей менее 0,10 сек. В более предпочтительном варианте осуществления скорость деформации составляет менее примерно 0,05 сек, а еще более предпочтительно - менее примерно 0,03 сек. Предпочтительный нижний предел составляет по меньшей мере примерно 0,006 сек, а более предпочтительно - по меньшей мере 0,010 сек.
-1
-1
-1
-1
Обычная 1%-ная дрессировка при холодной прокатке, имеющего большую толщину, например, 300 мм, материала обеспечивает скорость деформации, составляющую примерно от 0,002 сек до 0,003 сек, но также приводит к повышенным уровням остаточного напряжения. При традиционной операции холодной прокатки продукта-тонкой плиты для уменьшения толщины за один проход с 10 мм до 9 мм скорость деформации составляет примерно 1,2 сек, в то время как холодная прокатка рулонного материала толщиной, например, примерно 3 мм приводит к скорости деформации, обычно составляющей примерно 0,5 сек.
На некоторых алюминиевых сплавах появляются поверхностные следы, возникающие в результате локального течения после легкой деформации, известные в данной области техники как линии Чернова-Людерса. Преимущество способа согласно настоящему изобретению заключается в том, что не происходит образования таких линий Чернова-Людерса по мере того, как продукты-плиты из сплава подвергают операции прокатки.
Операцию холодной прокатки в соответствии с настоящим изобретением для уменьшения уровня остаточного напряжения в продукте-плите после закалки следует осуществлять при той температуре, при которой происходит деформационное упрочнение. Это означает, что температура продукта-плиты предпочтительно составляет менее примерно 200°С, предпочтительно - менее примерно 90°С, а более предпочтительно - менее примерно 60°С, так что она идеально осуществляется в обычных промышленных условиях при температуре окружающей среды. Для целей настоящего изобретения нет необходимости или потребности проводить операцию холодной прокатки при отрицательных температурах, т.е. существенно ниже 0°С. Криогенная обработка для снятия напряжения в продукте представляет собой иной процесс, нацеленный на другие продукты и обычно осуществляемый после того, как завершена вся основная обработка резанием. Криогенная обработка считается не входящей в объем настоящего изобретения.
В предпочтительном варианте осуществления операцию холодной прокатки в соответствии с настоящим изобретением для снижения уровня остаточного напряжения осуществляют по схеме прокатки, включающей один или более проходов прокатки с общей минимальной пластической деформацией в направлении толщины, составляющей по меньшей мере 0,3%, а предпочтительно - по меньшей мере 0,5%.
В предпочтительном варианте осуществления схему холодной прокатки осуществляют так, что деформация привносится в единственной операции прокатки, а не в многостадийной операции холодной прокатки.
После операции холодной прокатки для снижения уровня остаточного напряжения можно подвергнуть продукт-плиту дальнейшей холодной обработке для улучшения плоскостности плиты. Однако операцию растяжения или операцию сжатия предпочтительно не осуществляют.
Хотя растяжная машина имеет существенные ограничения по обработке продуктов-плит большого поперечного сечения, теперь также появилась возможность снизить уровень остаточного напряжения в продуктах-плитах с увеличенной площадью поперечного сечения, например, с шириной примерно 1200 мм или более. В соответствии с настоящим изобретением продукт-плита может иметь ширину 1200 мм или более и даже примерно 1500 мм или более. Однако специалисту будет очевидно, что способом согласно настоящему изобретению могут быть обработаны плиты обычных размеров.
Алюминиевый продукт-плита имеет толщину 80 мм или более, предпочтительно примерно 125 мм или более, а предпочтительно примерно 175 мм или более. В соответствии с изобретением было установлено, что продукт-плита меньшей толщины, например, 15 мм или 50 мм, при подвергании холодной прокатке после закалки приводит к повышению уровня остаточного напряжения. Верхний предел толщины плиты в принципе ограничен только усилием прокатного стана. В практическом смысле это означает, что верхний предел толщины составляет примерно 800 мм, более типично примерно 600 мм, и как правило примерно 400 мм.
В одном варианте осуществления дисперсионно-твердеющий алюминиевый сплав выбирают из группы, состоящей из сплавов серии 2ххх, 6ххх или 7ххх.
Некоторые конкретные примеры продуктов из сплавов, выгодно обработанных способом согласно настоящему изобретению, имеют химический состав в пределах АА7010, АА7136, АА7040, АА7140, АА7049, АА7050, АА7075, АА7081, АА7181 или АА7085, плюс их модификации. Сплавы серии 6ххх включают, помимо прочих, АА6061, АА6082 и АА6013, а также модификации сплавов серии 6ххх, содержащие целенаправленные добавки Zn и/или Li. Сплавы серии 2ххх включают, помимо прочих, АА2014, АА2017, АА2024, АА2124, АА2219, а также модификации сплавов серии 2ххх, содержащие целенаправленные добавки Zn и/или Ag и/или Li.
Еще один аспект изобретения относится к способу применения продукта-плиты, полученного способом согласно настоящему изобретению, для изготовления обработанных резанием конструктивных деталей, для изготовления литейных форм для литья под давлением, таких как формы для литья пластмассы или резины, а также конструктивных элементов для конструкций планера, таких как лонжероны, элементы балок перекрытий и стрингеры крыльев.
Далее изобретение будет пояснено следующими неограничивающими примерами.
Пример 1
Все плиты из алюминиевого сплава серии АА6061 имели одинаковые размеры и были отлиты по одинаковой методике. Их подвергали стандартной последовательности превращений в продукты большой толщины («толстого калибра»), т.е. подогреванию после гомогенизации, горячей прокатке до толщины 152 мм, термообработке на твердый раствор и закалке. Затем плиты в состоянии после закалки обрабатывали несколькими различными способами, чтобы исследовать влияние дальнейшей обработки на уровень остаточных напряжений в материале плиты. Холодная прокатка в соответствии с изобретением была осуществлена на 160-дюймовом прокатном стане. Испытания были проведены при следующих условиях:
1. Состояние после закалки;
2. Состояние после закалки с последующим холодным растяжением на 2%, которое является частью обычного маршрута обработки Тх51 для данного вида изделий из сплавов;
-1
3. Состояние после закалки с последующим обжатием в холодном состоянии согласно изобретению с использованием скорости деформации примерно 0,016 сек и уменьшением толщины холодной прокаткой на 3% за два прохода;
-1
4. Состояние после закалки с последующим обжатием в холодном состоянии согласно изобретению с использованием скорости деформации примерно 0,016 сек и уменьшением толщины холодной прокаткой на 8% за пять проходов.
Уровень остаточного напряжения на середине толщины (s/2) был измерен в соответствии с BMS 7-323, и результаты этого представлены в таблице 1.
Таблица 1Уровень остаточного напряжения в зависимости от операции деформации холодной прокаткой после закалки.
Процедура холодной прокатки
Остаточное напряжение [МПа]
Состояние после закалки
+61
Состояние после закалки + 2% растяжение
-2
Состояние после закалки + 3% холодная прокатка
-78
Состояние после закалки + 8% холодная прокатка
-91
Из этих результатов можно видеть, что продукт-плита в состоянии после закалки имеет высокое остаточное напряжение, в то время как остаточное напряжение растянутого продукта составляет около нуля, как и ожидалось. Остаточное напряжение холоднокатаных продуктов повышается с повышением степени холодной прокатки. Это означает, что при относительно низкой степени холодной прокатки при низкой скорости деформации может быть получен профиль остаточного напряжения, близко соответствующий этому профилю у растянутого продукта.
Пример 2
-1
В дальнейшей серии испытаний промышленного масштаба 360-миллиметровые плиты были получены вплоть до состояния после закалки аналогичным образом, как и в примере 1, после чего продукты-плиты в состоянии после закалки подвергали холодной прокатке в соответствии с изобретением, используя скорость деформации примерно 0,015 сек, при этом было применено переменное обжатие при холодной прокатке (все за один проход прокатки).
Уровень остаточного напряжения на середине толщины (s/2) был измерен в соответствии с BMS 7-323, и результаты этого представлены в таблице 2.
Результаты данной серии экспериментов показывают, что имеется сильное влияние степени холодной прокатки на уровень остаточного напряжения на середине толщины продукта-плиты толстого калибра. При слишком сильном обжатии при холодной прокатке уровень остаточного напряжения резко повышается. То, что высокий уровень обжатия при холодной прокатке является причиной высоких уровней остаточного напряжения, известно специалисту, например, из процитированной выше статьи “Residual Stress Alterations via Cold Rolling and Stretching of an Aluminum Alloy” автора W.E Nickola, опубликованной в 1988 г. Однако в соответствии с настоящим изобретением было установлено, что при намного более низких уровнях обжатия при холодной прокатке получена благоприятная низкая величина остаточного напряжения, уровни которого сравнимы с теми, которые были бы достигнуты при холодном растяжении толстого продукта-плиты, или лучше их. Это может устранить потребность в снятии напряжения посредством растяжения, что, в частности, выгодно для широких и/или толстых продуктов, поскольку возможности растяжных машин ограничены определенными размерами продуктов-плит.
Таблица 2Уровень остаточного напряжения в зависимости от деформации при холодной прокатке.
Степень холодной прокатки (%)
Остаточное напряжение (МПа)
0,0%
+39
1,1%
+5
1,5%
+10
2,3%
-21
4,0%
-35
Подобная тенденция в развитии уровня остаточного напряжения на середине толщины была обнаружена в материале 360-миллиметровой плиты из сплава АА2219.
Данные эксперименты промышленного масштабы были осуществлены на материале плиты из сплава АА6061 для иллюстрации принципа настоящего изобретения и проверены на материале АА2219; однако специалисту сразу же будет понятно, что такой же эффект может быть получен в других алюминиевых сплавах, таких как сплавы серий 7ххх и 2ххх.
Изобретение не ограничивается описанными выше вариантами осуществления, которые могут широко варьироваться в рамках объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.