Подходы к решению проблем неравномерности деформирования и многоцикловости при РКУП

УДК 669.715:621.79

ВЛИЯНИЕ ГАЗОСТАТИ РО ВАН И Я НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СЛИТКОВ АЛЮМИНИЕВОГО ЗАКЛЕПОЧНОГО СПЛАВА Д18*

С.П. Ходаков, В.В. Телешов, докт. техн. наук, В.В. Захаров, докт. техн. наук, А.П. Головлева

Изучено влияние газостатирования заготовок на их структуру и поведение при деформировании. Показано, что газостатирование приводит к устранению усадочной пористости, присутствующей в поверхностных объемах слитка и изготовленной из него заготовки под прокатку. Это позволяет повысить пластичность поверхностных объемов заготовки и обеспечить требуемую технологическую пластичность металла при горячей прокатке.

Ключевые слова: алюминиевый заклепочный сплав Д18, структура и механические свойства слитка, разрушение при прокатке, газостатирование.

The Effect of HIPing on Properties of D18 Rivet Aluminium Alloy Ingots. S.P. Khodakov, V.V. Teleshov, V.V. Zakharov, A.P. Golovliova.

The effect of HIPing of billets on their structure and behaviour during deformation has been investigated. It has been found that HIPing results in elimination of shrinkage porosity located in surface volumes of ingots and rolling billets cut from them. This allows one to improve plasticity of the surface volumes of the billets and ensure the desired ductility of metal during hot rolling.

Key words: D18 rivet aluminium alloy, structure and mechanical properties of an ingot, failure during rolling, HIPing.

Высокопроизводительная технология изготовления заклепочной проволоки включает использование для волочения катаной заготовки (катанки) диаметром около 10 мм [1-3]. Катанку получают прокаткой обточенной заготовки диаметром 120 мм из слитка диаметром 134 мм, отливаемого полунепрерывным методом в кристаллизатор скольжения. При серийном производстве катанки из слитков сплава Д18 иногда на первых проходах происходит разрушение заготовок отдельных плавок с образованием трещин на узких боковых сторонах катанки овального сечения. Из рис. 1 видно, что процесс разрушения приводит к образованию на боковой поверхности катанки вогнутостей, в некоторых из которых возникают поперечные трещины. На поперечном сечении катанки

через область вогнутости видно, что она появилась из-за образования внутренней

Рис. 1. Внешний вид трещин на одной боковой поверхности катанки сечением 80х132 мм из сплава Д18:

1 - плоскость разреза через вогнутость

* В работе принимали участие В.В. Волковицкий, В.А. Зенин, Л.Г. Климович, Н.П. Космачева.

полости (рис. 2). Разрушение катанки начинается, очевидно, на некотором расстоянии от поверхности заготовки с образованием полости, а затем возникающая трещина выходит на поверхность слитка, образуя протяженную поверхность разрушения.

Рис. 2. Внутренняя полость в катанке сечением 80х х132 мм из сплава Д18 в плоскости разреза 1 (см. рис. 1). Стрелка показывает область на поверхности катанки с трещинами

Фрактографическое исследование поверхности трещины в катанке на сканирующем электронном микроскопе КУКУ-2800Б показывает наличие на ней участков вязкого внутризеренного разрушения, имеющих ямочное строение с включениями избыточных фаз внутри ямок и гребнями деформированного твердого раствора вокруг включений, образующих собственно ямку (рис. 3, а). Вторым рас-

а

пространенным видом разрушения являются многочисленные относительно гладкие участки размером около 1 мм, состоящие из отдельных более мелких фрагментов (рис. 3, б). На них встречаются отдельные включения избыточных фаз, но нет гребней деформированного твердого раствора. Отсутствие следов пластической деформации и признаков разрушения при образовании двух поверхностей раздела позволяет считать, что гладкие участки образовались в результате раскрытия несплошностей, присутствующих в исходной заготовке.

Можно предположить, что несплошности в исходной заготовке способствуют ее разрушению при интенсивной горячей прокатке. Как известно, кардинальной мерой борьбы с несплошностями в литых сплавах является всестороннее сжатие при высокой температуре, осуществляемое, в частности, на промышленных газостатах [4].

В настоящей работе провели сравнительное исследование структуры и свойств литых и газостатированных заготовок из сплава Д18 с целью уточнения причин их разрушения при прокатке. Для этого осуществили высокотемпературную газостатическую обработку (ВГО) заготовок из сплава Д18 в газостате КП379 ОАО ВИЛС. Использовали следующий режим обработки заготовок диаметром 120 мм и длиной 1 м: температура садки 505±15 °С, давление 60± 10 МПа (6± 1 кгс/мм2), длительность выдержки при рабо-

б

Рис. 3. Фрактограммы поверхности разрушения катанки:

а - скопления интерметаллидов на участке ямочного разрушения; б - вскрытая усадочная пористость с вершинами ветвей дендритов в области пор

чих температуре и давлении 2 ч. В экспериментах использовали гомогенизированные слитки сплава Д18 состава А1-2,в0Си-0,37М^-0,06Мп-0,20Ре-0,1081-0,02 Сг (% мас.), заготовки из которых разрушались при горячей прокатке.

Исследовали структуру и свойства исходных и газостатированных заготовок. Микроструктуру заготовок исследовали в оптическом микроскопе в центре по толщине и в приповерхностном объеме на поперечных шлифах, приготовленных полировкой алмазными пастами разной дисперсности.

Наблюдение нетравленых шлифов выявило в приповерхностных объемах серийных гомогенизированных заготовок наличие скоплений микропористости в виде участков с поперечным сечением около 0,5 мм (рис. 4).

шлифов и наблюдения структуры в поляризованном свете показали, что пористость в основном расположена по границам зерен (рис. 5). Это позволяет считать ее усадочной пористостью, возникающей на стыках денд-ритов в конце кристаллизации данного объема металла при недостаточном количестве расплава для компенсации усадки.

Рис. 4. Пористость на поперечных шлифах из приповерхностного объема серийной заготовки сплава Д18, х125. Алмазная полировка без травления

В центральных объемах заготовки пористость практически отсутствует. Объемная доля пор, замеренная точечным способом при увеличении 500 в приповерхностных объемах трех серийных гомогенизированных заготовок, составила 0,11, 0,13 и 0,22 % об. Общее количество точек при проведении этих замеров в 108-113 полях зрения составило от 31212 до 34391. Максимальная объемная доля пористости в одном поле зрения 0,35х0,35 мм (279 точек) составила 2,8 %.

Выявление зеренной структуры литого металла с помощью анодного оксидирования

Рис. 5. Зеренная структура приповерхностного объема серийной гомогенизированной заготовки в области пор до газостатирования, х80. Анодное оксидирование. Съемка в поляризованном свете. Стрелка показывает усадочную пористость по границам зерен

Для выявления микроструктуры заготовок использовали травление в 0,5 %-ном водном растворе ИР. На рис. 6 представлена их микроструктура в изученных объемах. В гомогенизированном состоянии в структуре должны присутствовать только включения нерастворимой железосодержащей .-фазы (Си2РеА17) [5, 6].

Для подтверждения этого провели анализ фазовых превращений при нагреве литого и гомогенизированного сплава методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Образцы массой около 500 мг нагревали в калориметре ЭБСШ в интервале температур от 20 до 620 °С со скоростью 5 °С/мин. Для литого негомогенизированного слитка использованного сплава заметен слабый эндотермический эффект при 541 °С от плавления небольшого количества легкоплавкой эвтектики с фазой СиА12 (рис. 7, а). У гомогенизированной заготовки этот эффект

* • • • .. * V < *  .

*

Л ~ Л'у V'' * * и,  • '

Ш * 1

• • Ф -Л '^т.ч... & " ;  V Г. -О &

* О

60В

б

Рис. 6. Микроструктура гомогенизированного слитка на расстоянии 20 мм от поверхности (а) и в центре по толщине (б), х250

туры приповерхностных и центральных объемов заготовки. В приповерхностном объеме на шлифе видно много включений, имеющих большую протяженность (см. рис. 6, а). В объеме они, вероятно, имеют чешуйчатую форму. В центральном объеме заготовки мелкие компактные включения расположены более равномерно и ближе друг к другу, они не образуют протяженных сечений, характерных для приповерхностного объема.

Для получения количественных характеристик структуры использовали линейный метод количественной металлографии [7, 8]. При увеличении 485 определяли средний размер й дендритной ячейки в слитке при произвольной ориентации секущих как отношение L/N, где N - число дендритных ячеек на секущей длиной L. Определяли параметры распределения включений избыточных фаз в структуре полуфабрикатов: суммарное объемное количество включений V, % об., средний размер включений т, мкм, среднее расстояние между центрами включений 1, мкм, удельную поверхность включений Б, мм2/мм3. Результаты измерений приведены в табл. 1.

Полученные характеристики подтверждают качественное изменение структуры, види-

549 590

500 550 600

400 450 500 550 600

г, °С

t, °С

а б

Рис. 7. Кривые ДСК образцов из литого слитка сплава Д18 до гомогенизации

отсутствует (рис. 7, б). В обоих случаях наблюдается эндотермический эффект плавления при 607 °С, подтверждающий существование более тугоплавкой избыточной фазы.

По расположению включений этой фазы на рис. 6 видна существенная разница струк-

Таблица 1

Параметры микроструктуры гомогенизированного слитка

Зона по диаметру слитка (заготовки) й, мкм V, % об. т, мкм 1, мкм Б, мм2/мм3

Поверхность 57 1,6 2,2 132 30

Центр 35 1,4 1,6 113 35

мое на рис. 6. В центральном объеме заготовки уменьшается величина дендритной ячейки и изменяются связанные с ней параметры дисперсности выделений т и Б. Среднее расстояние между центрами включений 1 также уменьшается. Объемное количество избыточной .-фазы в центральном и приповерхностном объемах близкое.

Такой характер изменения микроструктуры характерен для слитков полунепрерывного литья, отливаемых в кристаллизатор скольжения, и связан со снижением скорости охлаждения приповерхностного объема слитка, когда вследствие усадки слитка охлаждение металла в кристаллизаторе происходит через воздушный зазор между поверхностью кристаллизатора и затвердевшей поверхностью слитка, пока слиток не выйдет из кристаллизатора и не попадет под непосредственное охлаждение струей воды [9].

Таким образом, серийные слитки и изготовленные из них заготовки под прокатку отличаются более грубым строением приповерхностных объемов, имеющих увеличенный размер дендритной ячейки, более протяженные включения нерастворимых фаз и усадочную пористость.

Описанные изменения структуры слитка по его объему отражаются на характере разрушения при изломе поперечных темпле-тов при комнатной температуре. Темплеты ломали изгибом на лабораторной испытательной машине в диаметральной плоскости по надрезам глубиной 10 мм.

Как видно на рис. 8, в приповерхностных областях слитка на глубине до 30 мм поверх-

Рис. 8. Продольный излом гомогенизированных заготовок диаметром 122 мм сплава Д18, х1,5. Стрелка указывает поверхность заготовки

ность разрушения более грубая, чем в центре, с наличием вторичных трещин, уходящих под поверхность разрушения. Фрактограм-мы, полученные на СЭМ, показывают присутствие в этой области большого количества участков разрушения по скоплениям округлых образований, являющихся, вероятно, вершинами свободно растущих ветвей денд-ритов, выходящих в объемы усадочной пористости слитка (рис. 9). Они часто расположены на поверхности вторичных трещин. При сопоставлении рис. 9, б и 3, б видно соответствие строения этих участков на поверхности разрушения катанки при температуре прокатки и на поверхности разрушения слитка при комнатной температуре. Однако у катанки по-

б

Рис. 9. Фрактограммы поверхности разрушения темплета в приповерхностном объеме гомогенизированной заготовки:

а - общий вид; б - участок разрушения по усадочной пористости

верхность этих участков более сглажена, что может быть следствием общей пластической деформации заготовки при повышенной температуре. Размер вершин ветвей дендритов на рис. 9, б около 50 мкм, что соответствует величине дендритной ячейки в табл. 1.

Аналогичные исследования структуры провели на газостатированных заготовках. Было установлено, что зеренная структура слитка и морфология включений избыточных фаз при газостатировании не претерпевают видимых изменений. Однако микропористость в приповерхностном объеме заготовки исчезает и металлографически не выявляется.

В продольных изломах темпле-тов газостатированных заготовок отсутствуют участки разрушения по усадочной пористости, и на поверхности разрушения темплетов в приповерхностном объеме заготовки глубокие вторичные трещины отсутствуют (рис. 10, а). Разрушение носит вязкий характер с образованием ямок, в основании которых расположены включения ин-терметаллидов, как правило, с внутренними трещинами (рис. 10, б).

Для подтверждения устранения пористости и повышения плотности металла определили его плотность методом гидростатического взвешивания. Использовали про-

дольные цилиндрические образцы диаметром 10 и длиной 30 мм, изготовленные из приповерхностного и центрального объемов трех исходных и трех газостатированных заготовок. Полученные значения плотности металла приведены в табл. 2. Приняли, что средние значения из трех измерений для разных заготовок характеризуют состояние металла до и после газостатирования.

Для серийной заготовки центральные объемы слитка в среднем имеют более высокую плотность, чем плотность поверхностных. Разница плотности поверхностных и центральных объемов составляет 0,0014 г/см3.

Таблица 2

Плотность заготовок до и после газостатирования

Заготовка Зона по диаметру Номер заготовки Плотность р, г/см3 р, г/см3, среднее

1 2,7477

Периферия 2 3 2,7522 2,7498 2,7499

Серийная 1 2,7501

Центр 2 3 2,7503 2,7534 2,7513

4 2,7538

Периферия 5 2,7595 2,7573

Газостатированная 6 2,7587

4 2,7533

Центр 5 6 2,7532 2,7557 2,7541

Рис. 10. Фрактограммы поверхности разрушения темплета из газостатированной заготовки в приповерхностном объеме:

а - общий вид; б - фрагмент участка разрушения

У газостатированных заготовок выросли средние значения плотности поверхностных и центральных объемов относительно исходных заготовок. Это увеличение плотности поверхностных объемов заготовки произошло на 0,0074 г/см3 или на 0,269 % от плотности периферийных объемов серийной заготовки. Соответствующее увеличение плотности центральных объемов произошло на 0,0028 г/см3 или на 0,102 %.

Если принять, что в периферийных объемах газостатированных заготовок с плотностью 2,7573 г/см3 пористость отсутствует, то из условий пропорциональности объемная доля пор в периферийных объемах серийных заготовок составляет в среднем 0,268 %. Эта величина сопоставима с металлографически полученным значением объемной доли пор (0,11-0,22 % об., среднее значение 0,15 %).

Для выявления возможного влияния структуры на механические свойства заготовки в литом и газостатированном состояниях определили ее механические свойства на растяжение при разных температурах испытания, включая температуру горячей прокатки. Для этого из трех различных заготовок в каждом состоянии взяли темплеты толщиной 75 мм и из них изготовили продольные разрывные образцы с диаметром рабочей части 5 мм и расчетной длиной 25 мм типа 1 по ГОСТ 9651-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах» с резьбовыми головками. Об-

разцы взяли из двух зон по толщине слитка (центр и поверхность). От одной заготовки изготавливали 8 образцов. Механические испытания на растяжение проводили при 20, 200, 300, 400 °С. При каждой температуре испытывали три образца из приповерхностных и три образца из центральных объемов разных заготовок в двух состояниях с определением временного сопротивления, предела текучести, относительного удлинения и относительного сужения.

Влияние температуры испытания на механические свойства металла в двух зонах по толщине заготовки в серийном и в газостатированном состояниях показано на рис. 11. Основной особенностью представленных зависимостей является получение более низких значений временного сопротивления и пластичности образцов из приповерхностных объемов серийной заготовки. Фактические значения свойств заготовок при температуре горячей прокатки 400 °С приведены в табл. 3.

Рис. 11. Влияние температуры испытаний на механические свойства серийных (о, ) и газостатированных (2, !) заготовок в приповерхностных (о, 2 ) и центральных ( , !) объемах

Таблица 3 Результаты испытаний серийных заготовок при 400 °С

Тип заготовки Зона по диаметру слитка о , МПа в7 а0.2- МПа б, % ,, %

Серийная Поверхность 25-27 26 18-23 20 42,4-51,2 46,8 64,1-76,7 70,4

Центр 24-28 26 20-22 21 64,0-80,0 72,0 96,1-97,8 96,9

Газостатированная П р и м е ч а н и е. Поверхность 25-30 28 22-28 24 44,8-73,2 55,7 92,8-96,8 94,6

Центр В знаменателе 25-29 28 - среднее знач 21-27 23 ение характеристи 74,0-95,2 84,7 ки 96,0-99,6 97,7

Полученные данные показывают, что для серийных заготовок предел текучести материала вблизи поверхности и в центре одинаков при всех температурах испытания. Однако пластические характеристики (как 5, так и ,) в центральных объемах слитка значительно выше. Повышенные значения удлинения образцов из центральных объемов при низких температурах испытания приводят к увеличению фиксируемой величины временного сопротивления вследствие деформационного упрочнения.

После газостатирования свойства приповерхностных и центральных объемов заготовки сближаются за счет существенного увеличения пластических характеристик и временного сопротивления приповерхностных образцов. Свойства центральных объемов заготовки после газостатирования принципиально не изменяются. Хотя газостатирование положительно влияет на пластичность приповерхностных объемов заготовки, но она не достигает значений 5 и , центральных объемов.

Получение различных механических свойств коррелирует с внешним видом разрушенных образцов.

Образцы из приповерхностных объемов серийных заготовок после испытаний при температуре горячей прокатки 400 °С имеют на своей поверхности многочисленные поперечные трещины (рис. 12, в). Разрушение

Рис. 12. Внешний вид разрушенных образцов из серийной заготовки после испытаний при комнатной температуре (а, б) и при 400 °С (в, г):

а, в - приповерхностный объем заготовки; б, г - центр сечения

образцов происходит со слабым развитием шейки и соответственно невысоким поперечным сужением. Образцы из центральных объемов разрушаются пластично со следами течения металла на поверхности образца и значительном сужении в месте образования шейки. Трещины на поверхности образца не наблюдаются.

Прокатка катанки (см. рис. 1) площадью поперечного сечения 90 см2 из заготовки диаметром 122 мм и площадью 116,8 см2 происходит с вытяжкой 1,3, т. е. с относительным удлинением 30 %. По аналогии с поведением разрывного образца, у которого при близком удлинении появляются поверхностные трещины, у заготовки из серийного слитка при горячей прокатке с такой вытяжкой также могут появляться поверхностные трещины при низкой пластичности приповерхностных объемов из-за их более грубой микроструктуры с наличием усадочной пористости в зоне, выходящей на поверхность заготовки.

Внешний вид разрушенных разрывных образцов из газостатированных заготовок представлен на рис. 13. При 400 °С приповерхностные и центральные образцы из газостатированных заготовок разрушаются пластично с образованием острой шейки и значительным сужением. Поперечные трещины при этом не образуются.

Таким образом, главное отличие в разрушении при повышенных температурах образ-

Рис. 13. Внешний вид разрушенных образцов из газостатированной заготовки после испытаний при комнатной температуре (а, б) и при 400 °С (в, г):

а, в - приповерхностный объем заготовки; б, г - центр сечения

цов из серийных и газостатированных заготовок заключается в множественном разрушении образцов из приповерхностных слоев серийных заготовок. При растяжении этих образцов до разрушения, особенно при высоких температурах, образуется много поперечных трещин. Проведенные испытания можно считать косвенным доказательством повышенной склонности приповерхностных объемов серийных заготовок к разрушению при горячей прокатке.

Исследовали структуру образцов, испытанных при 400 °С. Вблизи поверхности разрушения с помощью алмазной полировки приготовили продольный шлиф по оси образца и для выявления структуры травили его в 0,5 %-ной ИР. Полученная структура образца из серийной заготовки на расстоянии 15 мм от излома показана на рис. 14. В

расстоянии 15 мм от излома еще сохраняется их исходное расположение (рис. 15).

Рис. 14. Микроструктура в продольной плоскости испытанного при 400 °С разрывного образца из приповерхностного объема серийной заготовки, х125

объеме образца наблюдаются многочисленные пустоты, видимые также и на поверхности испытанного образца (см. рис. 12, в). Пустоты ориентированы поперек оси образца.

В приповерхностном образце из газостати-рованной заготовки пустоты вплоть до области разрушения отсутствуют при высокой пластичности образца (,=94,2 %). При этом в области шейки с высокой локальной деформацией включения интерметаллидов вытягиваются в направлении деформирования образца, а на

Рис. 15. Микроструктура в продольной плоскости испытанного при 400 °С разрывного образца из приповерхностного объема газостатированной заготовки. Алмазная полировка. Травление в 0,5 %-ной ИР, х250:

а - структура рядом с шейкой; б - структура на расстоянии 15 мм от шейки

Более грубая микроструктура приповерхностного объема с протяженными интерме-таллидами сохраняется и после газостатиро-вания, что может быть причиной меньшей пластичности приповерхностных разрывных образцов, наблюдаемой в табл. 3.

Заключение

Таким образом, результаты исследования микроструктуры, фрактографического ана-

лиза изломов слитков и прямого определения плотности металла до и после газостати-рования показывают, что единственным выявленным изменением структуры при газо-статировании является устранение усадочной пористости, присутствующей в приповерхностных областях слитка в количестве около 0,15 % об.

Проведенная успешная горячая прокатка газостатированных заготовок свидетельствует о том, что пористость, вероятно, является главной причиной разрушения слитков при прокатке. Остальные факторы могут усугублять склонность приповерхностных объемов

слитков к растрескиванию, но не служат определяющими. На это указывает заводской опыт горячей прокатки серийных негомогенизиро-ванных слитков полунепрерывного литья с минимальной усадочной пористостью. Однако более высокое изменение доли пористости, рассчитываемой исходя из изменения плотности материала относительно объемной доли усадочной пористости, оцениваемой металлографически, позволяет предположить о вероятном существовании и других мест уплотнения металла, не выявляемых при микроструктурном анализе, возможно субмикроскопической пористости по границам зерен.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белянин П.Н. Производство широкофюзеляжных самолетов. - М.: Машиностроение, 1979 - 360 с.

2. Кривов Г.А. Прогрессивные технологии выполнения заклепочных и болтовых соединений в современном агрегатно-сборочном производстве/^ кн.: Приоритеты авиационных технологий. В 2-х кн. Научн. ред. А.Г. Братухин. - М.: Изд-во МАИ, 2004. Кн. 2. Гл. 18. С. 827-843.

3. Арчакова З.Н. и др. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: Справ. изд. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1984. - 408 с.//Глава ХХ11. Колобнев Н.И., Шилова Е.И. Структура и свойства проволоки для крепежных деталей. С. 370-388.

4. Гарибов Г.С. Смотр мировых достижений горячего изостатического прессования//Техноло-гия легких сплавов. 2002. № 5-6. С. 45-46.

5. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов/Пер. с англ. - М.: Металлургия, 1979. - 640 с.

6. Захаров А.М. Промышленные сплавы цветных металлов. Фазовый состав и структурные составляющие. - М.: Металлургия, 1980. -256 с.

7. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. 3-е изд. - М.: Металлургия, 1970. - 376 с.

8. Золоторевский В.С., Телешов В.В., Адлер Ю.П.

и др. Выбор оптимального времени гомогенизации по структурным характеристикам литого сплава//Изв. вузов. Цветная металлургия. 1966. № 6. С. 116-120.

9. Ливанов В.А. Металлургические основы непрерывного литья//В кн.: Труды первой технологической конференции металлургических заводов НКАП. - М.: Оборонгиз, 1945. С. 5-58.