СПОСОБ ГОРЯЧЕГО ИЗОСТАТИЧЕСКОГО ПРЕССОВАНИЯ ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF HOT ISOSTATIC FORMING OF BILLETS FROM ALUMINIUM ALLOYS

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для улучшения качества отливок из алюминиевых сплавов эвтектического типа и сплавов типа твердого раствора за счет устранения в них усадочных пор и раковин.
В изделиях современного машиностроения широко используются литые детали из алюминиевых сплавов. Однако применение технологических процессов со сложной литниково-питающей системой и созданием направленной кристаллизации не обеспечивает получение отливок без раковин и пор усадочного происхождения. Причиной появления в отливках такого рода дефектов служит разница объемов жидкого и твердого сплава и дефицит жидкой фазы у фронта кристаллизации, особенно в отдельных массивных зонах отливки, сопредельных со сравнительно тонкими стенками. В сплавах эвтектического типа систем Al-Si-Mg и Al-Si-Cu-Mg усадочные поры и раковины соседствуют с равновесными и неравновесными эвтектиками. В сплавах типа твердого раствора систем Al-Cu и Al-Mg усадочные дефекты располагаются на стыке зерен твердого раствора, а также по соседству с неравновесными эвтектиками.
Наиболее эффективным средством борьбы с таким усадочными дефектами является горячее изостатическое прессование (ГИП) отливок. ГИП заключается во всестороннем сжатии отливок рабочей средой (газом или расплавом солей) при определенных значениях температуры, давления и времени выдержки в специальных агрегатах (газостатах). Устранение внутренних, т.е. не сообщающихся с поверхностью, раковин и пор происходит, главным образом, за счет пластической деформации материала отливки в районе расположения этих пустот. Под воздействием всестороннего сжатия материал отливки деформируется и постепенно «заполняет» пустоту, стенки поры или раковины сближаются, смыкаются и диффузионно сращиваются (свариваются). В полости внутренней усадочной поры или раковины присутствует или вакуум или под низким давлением водород, который был растворен в жидком алюминиевом сплаве. Этот водород не будет препятствовать «захлопыванию» поры или раковины, поскольку под воздействием температуры и давления он будет диффундировать в материал отливки, частично растворяясь в нем, и уходить в рабочую среду газостата. Температура газостатирования должна быть достаточной для приведения материала отливок в пластическое состояние без формоизменения отливок под собственным весом и без оплавления структурных составляющих сплава. Давление должно обеспечивать за достаточное время пластическую деформацию материала отливки в зоне расположения пустот и их устранение.
Температуру ГИП отливок прежде назначали равной или близкой температуре нагрева сплава под закалку /В.М. Уваров, Н.С. Постников, Ю.Д. Носков, А.А. Тихонов. Повышение качества и надежности отливок из алюминиевых сплавов горячим изостатическим прессованием. М. «Металлургия», «Литейное производство» 1978 №8 c.15-16/ //James T. Staley Jr., Mwat Tiryakioglu, John Campbell. The effect of hot isostatic pressing (HIP) on the fatgue life jf A206-T71 aluminum castings. Materials Science and Engineering A465 2007 p.136-145//.
Такой подход к выбору температуры газостатирования отливок является неправомерным, поскольку в структуре промышленных отливок из алюминиевых сплавов в зависимости от их химического состава и содержания допустимых примесей могут присутствовать равновесные и неравновесные эвтектики сложного состава с температурой плавления ниже температуры нагрева сплава под закалку (таблица 1). В состав промышленных отливок из алюминиевых сплавов могут входить допустимые примеси, например из сплава АК9ч - до 0,3% Cu, 0,3% Zn и 0,6-0,9% Fe, из сплава АМ4,5Кд - до 0,05% Mg, 0.2% Si, 0,15%Fe, из сплава АМг6лч - 0,05% Cu, 0,05% Si. 0,05% Fe. /ГОСТ 1583-93. Сплавы литейные алюминиевые. Технические условия/. Эти примеси с компонентами сплавов образуют интерметаллиды и могут участвовать в создании эвтектик сложного состава с температурой плавления на 5-15°С ниже, указанной в таблице 1.
Таблица 1
Температуры нагрева под закалку литейных алюминиевых сплавов, состав сложных равновесных и неравновесных эвтектик и их температуры плавления
Система сплава
Марка сплава
Температура, °С и время нагрева под закалку
Состав эвтектики<sup>1)</sup>
Температура плавления эвтектики<sup>1)</sup>, °С
Al-Si-Mg
AK9ч<sup>2)</sup>
535/до 6 ч<sup>2)</sup>
Al-Si
577
A356<sup>3)</sup>
538/до 10 ч<sup>3)</sup>
Al-Mg<sub>2</sub>Si-Si
555
Al-Si-Cu-Mg
АК5М2<sup>2)</sup>
525/до 5 ч<sup>2)</sup>
Al-CuAl<sub>2</sub>-Si
525
354<sup>3)</sup>
527/до 10 ч<sup>3)</sup>
Al-CuAl<sub>2</sub>-Cu<sub>2</sub>Mg<sub>8</sub>Si<sub>6</sub>Al<sub>5</sub>-Si
507
АМ4,5Кд<sup>2)</sup>
545/до 14 ч<sup>2)</sup>
Al-CuAl<sub>2</sub>
548
Al-Cu
142<sup>3)</sup>
516/до 6 ч<sup>3)</sup>
Al-CuAl<sub>2</sub>-CuMgAl<sub>2</sub>
507
Al-CuAl<sub>2</sub>-CuMgAl<sub>2</sub>-Mg<sub>2</sub>Si
500
АМг6лч<sup>2)</sup>
430/до 20 ч<sup>2)</sup>
Al-Mg<sub>5</sub>Al<sub>8</sub>
450
Al-Mg
АМг10ч<sup>2)</sup>
Al-Mg<sub>5</sub>Al<sub>8</sub>-Mg<sub>2</sub>Si
449
Al-Mg<sub>5</sub>Al<sub>8</sub>-Mg<sub>2</sub>Si-FeAl<sub>3</sub>
448
1) Л.Ф.Мондольфо. Структура и свойства алюминиевых сплавов. М.: «Металлургия». 1979.
2) ГОСТ 1583-93. Сплавы литейные алюминиевые. Технические условия.
3) Алюминий. Металловедение, обработка и применение алюминиевых сплавов. Перевод с английского под ред. А.Т.Туманова и др. М.: «Металлургия». 1972.
Скопления легкоплавких эвтектик сосредотачиваются в массивных частях отливки, куда они «оттесняются» фронтом кристаллизации и где они затвердевают в последнюю очередь. Газостатирование отливок при температуре нагрева под закалку неизбежно вызовет оплавление таких скоплений эвтектик. Это подтвердилось исследованиями каплеобразных образований на внутренней стенке крупногабаритных корпусных с массивными частями отливок из сплава АК9ч, подвергнутых ГИП при температуре нагрева под закалку этого сплава (535°C). /А.А. Тихонов, С.Ф. Маринин, В.Н. Бутрим, А.Г. Береснев, В.А. Дубровский, В.А. Переславцев. Опыт повышения качества и работоспособности отливок сложной конфигурации из сплава АК9ч. М. «Литейщик России». 2012. №2. с.24-26./
По патенту автора Kato Tatsuhiko (JP) EP 1300483 (А2), Method and apparatus/or reducing blow holes existing in a light alloy cast by HIP, and molten salt and a salt core used for the method, опубликованного 04.09.2003 г., газостатическое уплотнение отливок из легких сплавов производится при температуре на 5-100°С ниже температуры плавления легкоплавкой фазы в сплаве. В качестве рабочей среды при ГИП в патенте используется расплавленная соль. Однако этот патент не может быть использован для уплотнения отливок ответственного назначения из алюминиевых или магниевых сплавов. Реальные отливки, особенно крупногабаритные, кроме внутренних пор или раковин характеризуются наличием открытой поверхностной пористости, которая может простираться в отливку на довольно большую глубину (до 5-15 мм) и не может устраняться газостатированием. Расплавленная соль в процессе ГИП будет проникать в эту открытую пористость и оставаться там после завершения ГИП. Такие солевые включения в тело отливки будут снижать коррозионную стойкость литых деталей и ухудшать их товарный вид. Кроме того, затруднительно найти в литературе температуры плавления эвтектик алюминиевых сплавов, в образовании которых кроме компонентов сплава участвуют и допустимые примеси.
По принятому за прототип патенту USA 3,496,624 D.Kerr, R.Lemon, E.Stonebrook, CASTING, опубликованному 24.02.1970 г., уплотнение отливок из алюминия и алюминиевых сплавов производится газом (гелием) в автоклаве при температуре от 600 до 900F (от 333 до 482°С), давлении от 3000 до 20000 p.s.i. (примерно от 21 до 138 МПа) продолжительностью до 2 часов. Газостатическому прессованию подвергались отливки цилиндрической формы размером ⌀6×8 дюймов (⌀152×203 мм) из сплава 354 (масс.%: Al+9Si+0,5Mg+1,8Cu) и в виде поршня дизельного двигателя 05,5х6,5 дюймов (⌀140×165 мм) из сплава 142 (масс.%: Al+4,5Cu+l,5Mg+2Ni). После газостатирования отливки проходят термическую обработку на твердый раствор с последующим старением. Данное изобретение характеризуется следующими недостатками:
1. В примере использования патента показаны результаты исследования влияния газостатирования на устранение усадочных пор и механические свойства отливок довольно небольших габаритов и простой конфигурации. В подобных отливках легкоплавкие эвтектики или отсутствуют или находятся в небольшом количестве. В структуре крупных отливок, особенно с наличием массивных частей, габаритом более 500 мм из сплавов эвтектического типа систем Al-Si-Mg и Al-Si-Cu-Mg будут присутствовать, независимо от природы сплава, скопления эвтектик, в том числе и неравновесного типа, с температурой плавления, приведенной в таблице 1. Газостатирование при температурах, указанных в патенте, не вызовет оплавления таких эвтектик. Однако последующая термическая обработка по принятым режимам отливок из сплавов данных систем, например сплавов марок АК9ч, А356, АК5М2, 354 и др., будет сопровождаться оплавлением эвтектических образований. Поскольку термическая обработка подобных сплавов осуществляется при атмосферном давлении, сплавившиеся эвтектики остаются в теле отливки. При охлаждении отливок в процессе закалки сплавившиеся эвтектические скопления кристаллизуются и в теле отливки возникают вторичные усадочные поры. Кроме того, в литой структуре сплавов данных систем всегда имеются первичные фазы типа Mg2Si и других интерметаллидов, которые будут затруднять пластическую деформацию материала отливок при газостатировании.
2
2. В литой структуре отливок из алюминиевых сплавов типа твердого раствора системы Al-Cu, таких как АМ4,5Кд и 142, существуют первичные фазы типа CuAl, которые располагаются в грубой форме, главным образом, по границам зерен твердого раствора и характеризуются большой твердостью и хрупкостью. Вместе с тем, в условиях довольно быстрой кристаллизации промышленных отливок по границам зерен могут находиться прослойки некоторого количества неравновесной эвтектики. /А. Оно. Затвердевание металлов. М. «Металлургия». 1980/. Нагрев при ГИП отливок из таких сплавов, в частности сплава 142, будет способствовать некоторому растворению первичных фаз в матрице твердого раствора. Однако, за короткое время газостатирования (до 2 часов) не обеспечивается полного растворения частиц этих фаз, а их высокая твердость и хрупкость будут тормозить пластическую деформацию при устранении усадочных дефектов. Полное растворение частиц первичных фаз и неравновесной эвтектики осуществляется при длительном нагреве под закалку (6-14 часов). Подобное обстоятельство присуще и для сплавов типа твердого раствора системы Al-Mg, в литой структуре которых присутствуют довольно твердые и хрупкие первичные фазы типа Mg5Alg.
Таким образом, газостатирование отливок из алюминиевых сплавов по данному патенту, хотя и не приводит к оплавлению легкоплавких эвтектик, однако реализуется при неблагоприятных для пластической деформации структурном состоянии материала отливок.
3. В качестве рабочей среды при ГИП применяется дорогой газ гелий.
Решаемой задачей предлагаемого изобретения является создание способа горячего изостатического прессования отливок из алюминиевых сплавов, как эвтектического типа, так и типа твердого раствора, обеспечивающего устранение внутренних усадочных пор и раковин и не допускающего оплавления включений легкоплавких эвтектик сложного состава.
Ожидаемый технический результат заключается в улучшении качества и увеличении показателей механических свойств отливок из алюминиевых сплавов.
Для решения поставленной задачи в способе горячего изостатического прессования в газовой рабочей среде отливок из алюминиевых сплавов перед газостатированием отливки подвергаются стандартной термической обработке на твердый раствор без последующего старения, причем температура нагрева при газостатировании на 30-100°С ниже температуры нагрева сплава под закалку по стандартной термической обработке, давлении 90-160 МПа и времени выдержки в течение 1-3 часов. В качестве рабочей среды используется аргон или азот (инертные газы по отношению к алюминиевым сплавам).
При нагреве отливок под закалку произойдет растворение в матрице сплава первичных фаз и неравновесных эвтектик. Это повысит пластичность сплавов и обеспечит лучшие условия осуществления пластической деформации материала отливок в зонах расположения внутренних пор и раковин и, следовательно, облегчит процесс «захлопывания» этих дефектов. Такой способ ГИП отливок из алюминиевых сплавов позволит устранить не только первичные усадочные поры и раковины, но и вторичные поры, которые могут образоваться в результате оплавления при нагреве под закалку включений эвтектик сложного состава. Отливки после газостатирования по такому способу подвергаются стандартной термической обработке.
Практическая проверка предлагаемого изобретения проводилась путем испытания механических свойств и оценкой пористости на образцах, вырезанных из тела отливок. Газостатированию подвергались отливки в литом состоянии и отливки, прошедшие предварительную стандартную термическую обработку на твердый раствор (закалка без старения).
В качестве газовой рабочей среды использовался аргон.
Исследовались отливки в песчаную форму типа «корпус» из сплава АК9ч (масс.%: Al+9,5Si+0,22Mg+0,3Mn+0,4Fe+0,2Cu), типа «кронштейн» из сплава АМ4,5Кд (масс.%: Al+4,9Cu+0,2Ti+0,17Cd+0,55Mn+0,13Fe) и типа «фитинг» из сплава АМг6лч (масс.%: Al+6,8Mg+0,15Zr+0,12Ti+0,08Be+0,05Si+0,05Fe).
Часть отливок газостатировалась в литом состоянии, а другая часть после термической обработке на твердый раствор по стандартным режимам /ГОСТ 1583-93 «Сплавы алюминиевые литейные. Технические требования/:
- отливки из сплава АК9ч - нагрев под закалку при Т=535±5°С, время выдержки 6 часов, закалка в воде;
- отливки из сплава АМ4,5Кд - нагрев под закалку при Т=545±3°С, время выдержки 12 часов, закалка в воде;
- отливки из сплава АМг6лч - нагрев под закалку при Т=430±10°С, время выдержки 20 часов, закалка в воде.
Отливки в литом состоянии и отливки, прошедшие предварительную термическую обработку, подвергались одновременному ГИП в среде аргона по следующим режимам:
- отливки из сплава АК9ч - Т=490±5°С, Р=130±10 МПа, время 2,5 часа;
- отливки из сплава АМ4,5Кд - Т=490±5°С, Р=140±10 МПа, время 1,5 часа;
- отливки из сплава АМг6лч - Т=390±5°С, Р=100±10 МПа, время 3,0 часа.
Все отливки после газостатирования термически обрабатывались по стандартным режимам: отливки из сплава АК9ч - по Т6, отливки из сплава АМ4,5Кд - по Т6, отливки из сплава АМг6лч - по Т4.
Результаты испытания механических свойств на вырезанных образцах из отливок, обработанных ГИП по предлагаемому способу и по способу прототипа, представлены в таблице 2.
Таблица 2
Марка сплава
Показатели свойств
Предлагаемый способ ГИП
Способ ГИП по прототипу
σ<sub>в</sub>, МПа
δ<sub>5</sub>, %
σ<sub>в</sub>, МПа
δ<sub>5</sub>, %
АК9ч
209-238
2,8-4,0
198-213
1,6-2,4
АМ4,5Кд
483-502
8,6-11,3
475-492
7,3-9,3
АМг6лч
307-318
22,4-24,6
295-310
20,8-21,7
Металлографическими исследованиями было установлено, что до газостатирования в отливках (в литом и в закаленном состояниях) из сплава АК9ч присутствовали отдельные усадочные раковины размером от 3 до 8 мм, в отливках из сплавов АМ4,5Кд и АМг6лч находились рассеянные раковины размером от 0,5 до 3 мм. После газостатирования по предлагаемому способу в отливках из этих сплавов не выявлено остаточных пор и следов оплавления эвтектик, а по способу прототипа в отливках остались поры размером 0,002-0,007 мм без следов оплавления эвтектик.
Таким образом, применение предлагаемого способа горячего изостатического прессования отливок из алюминиевых сплавов эвтектического типа и типа твердого раствора способствует устранению усадочных пор и раковин, увеличению показателей механических свойств материала отливок и не вызывает оплавления эвтектик сложного состава.