Оптимизация режима упрочняющей термической обработки листов сплава АВ, легированного кальцием

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА УПРОЧНЯЮЩЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЛИСТОВ СПЛАВА АВ, ЛЕГИРОВАННОГО

КАЛЬЦИЕМ Гуреева Марина Алексеевна, к.т.н., доцент Московский государственный машиностроительный университет

«МАМИ»

Показано, что наиболее высокие значения прочности и условного предела текучести листов сплава АВ с микродобавками кальция достигаются после искусственного старения, выполняемого по режиму: температура нагрева 170 °С с выдержкой 10-14 часов. Листы сплава АВ, микролегированные кальцием, в состоянии Т (закалка и естественное старение) сохраняют высокую технологическую пластичность без ограничения длительности естественного старения.

Закалка - это термическая обработка, при которой главным процессом является формирование неравновесной структуры во время ускоренного охлаждения [1]. Закалка заключается в нагреве алюминиевого сплава до максимально высокой температуры, выдержке и последующем быстром охлаждении с целью получения пересыщенного твердого раствора, что обеспечивает возможность дальнейшего упрочнения старением [2].

Температура нагрева под закалку зависит от природы сплава и скорости растворения упрочняющих фаз. Ориентиром для ее выбора служит температура неравновесного солидуса (температура плавления наиболее легкоплавкой эвтектики), нагрев выше которой может вызвать пережог [3].

Выбор выдержки при температуре нагрева под закалку должен обеспечить растворение избыточных фаз. Поэтому температура закалки зависит от величины частиц и характера их распределения. Охлаждение при закалке следует проводить с такой скоростью, которая обеспечит отсутствие распада твердого раствора в процессе охлаждения [3].

Температура нагрева под закалку сплавов АВ составляет 520±10 °С при допустимом в ряде случаев нагреве выше 530 °С [3, 4]. В качестве нагревательной среды для проведения закалки листов из сплава АВ, легированного кальцием, используют селитровые ванны. Верхний предел нагрева в селитровых ваннах ограничивают 535-540 °С. Таким образом, температура нагрева под закалку листов из исследуемого сплава не должна превышать 530 °С.

В рамках данной работы проведены исследования механических свойств листов, закаленных после выдержки при температурах (525±5) °С и (515±5) °С. Установлено, что в листах, закаленных после выдержки при более высокой температуре, уровень прочностных свойств выше и стабильнее, чем при низкой температуре, при приблизительно равноценной пластичности (Табл. 1).

Таблица 1. Влияние температуры закалки на уровень механических свойств листов сплава АВ, легированного кальцием

Температура нагрева под закалку, °С Предел прочности оВ, МПа Относительный предел текучести 00,2, МПа Относительное удлинение 5, %

(515±5) 320-325 288-292 17-19

(525±5) 338-344 303-307 15-17

На технологические свойства листов при холодной деформации и качество поверхности получаемых деталей наиболее существенно влияет размер зерна, который для листов сплава АВ не должен превышать величины 80 мкм.

В связи с этим было проведено исследование по оценке влияния времени выдержки при закалке на средний размер зерна. Нагрев под закалку образцов из листов толщиной 1,0; 1,5; 2,0 и 3,0 мм проводили при температуре (525±5) °С с выдержками 10-40 мин (табл. 2).

Таблица 2. Влияние времени выдержки при нагреве под закалку на средний размер зерна в листах сплава АВ, легированного кальцием (темпера_ тура нагрева под закалку 525±5 °С)_

Время выдержки, мин. Средний размер зерна, мкм

Толщина листа, мм

1,0 1,5 2,0 3,0

10 20 25 40 58

15 20 27 41 65

20 21 27 42 67

30 22 28 44 67

40 22 28 44 68

50 24 30 45 68

Как следует из табл. 5.2 и результатов изучения микроструктуры (рис. 1), листы после закалки имеют мелкозернистую структуру, отличающуюся стабильностью. Средний размер зерна не меняется при увеличении выдержки при нагреве под закалку и находится в интервале 20-68 мкм.

Для улучшения технологичности при холодном формообразовании необходимо, чтобы в листах не протекали процессы собирательной рекристаллизации и роста зерен. Структура должна оставаться мелкозернистая, прошедшая первичную рекристаллизацию. Проведенные исследования степени рекристаллизации листов после закалки показали, что в структуре листов прошли процессы первичной рекристаллизации (рис. 2).

Рис. 1. Микроструктура листов сплава АВ, легированного кальцием,

после закалки: а - толщиной 1,0 мм, выдержка 10 мин.; б - толщиной 3,0 мм, выдержка 40 мин.

Рис. 2. Рентгенограмма листов после закалки с температуры 525±5 °С.

Проведены электронномикроскопические исследования структуры и фазового состава образцов из листов сплава АВ, легированного кальцием (рис. 3). Исследование с применением светлопольных методик показало, что в структуре присутствуют дисперсоиды округлой формы, которые в ходе распада твердого раствора при старении являются дополнительными местами для гетерогенного зарождения неравновесных фаз.

С помощью темнопольных методик установлено, что во всех исследованных состояниях наблюдается интенсивный распад твердого раствора с образованием Q1'(Al5Cu2Mg8Si6)-фазы и Р'(М£281)-фаз. Темнопольные изображения частиц Q1' и Р'-фаз совместно наблюдаются при соблюдении дифракционных условий g = 2/3[220] вблизи оси зоны <100>, в этом случае на снимках видны системы характерных для Q1'-фазы стержнеобразных выделений, а также частицы расположенные «в торец».

Разделить изображения Ql' и в'-фаз представляется достаточно сложным, однако можно предположить, что области со сверхдисперсными торцевыми частицами на темнопольных изображениях при g = 2/3[220] являются частицами в'-фазы. Кроме того, известно, что гетерогенное зарождение на дислокациях характерно только для Ql'-фазы.

Рис. 3. Темнопольное изображение и в'-фаз

Были выполнены исследования текстуры, по результатам которых построена функция распределения ориентировок ФРО по данным рентгеновской съемки срединной части листа после термической обработки, при которой плоскостью съемки являлась плоскость в направлении нормали к плоскости прокатки (плоскость НН).

Установлено, что срединные слои исследованного листа характеризуется достаточно слабой текстурой (максимальная ориентационная плотность Р = 2,8). Основной текстурный компонент {001}<130> относится к рекри-сталлизационному типу. Помимо этого, на ФРО присутствуют очень слабые, хаотически распределенные контуры, указывающие на присутствие в сплаве произвольно ориентированных рекристаллизованных зерен.

Установлены закономерности влияния времени выдержки при нагреве под закалку на уровень механических свойств листов. Закалку листов толщиной ,0 и 1,5 мм проводили после выдержки при температуре 525 °С в течение 10, 15, 20 и 30 мин., листов толщиной 2,0 и 3,0 мм - 15, 20, 30 и 40 мин. Испытания образцов проводили в состоянии полной термической обработки (Т1), искусственное старение - при температуре 175 °С в течение 14 ч. Для оценки анизотропии свойств испытания проводили в долевом, поперечном направлении и под углом 45° к оси прокатки (табл. 3).

Из полученных результатов видно, что наибольший уровень прочностных свойств во всех направлениях на листах толщиной 1,0 - 3,0 мм достигается после выдержки при закалке от 20 мин. При этом наименьшая анизотропия и наиболее стабильные свойства в долевом и поперечном направлениях наблюдаются у листов толщиной 1,0, 1,5, 2,0 и 3,0 мм, закаленных после выдержки 20 мин. Поэтому нет необходимости нагрева под закалку листов с выдержками более 20 мин., т.к. уровень механических свойств не изменяется существенно.

Таким образом, в результате проведенного исследования оптимизирован режим нагрева под закалку после выдержки при температуре 525 °С в течение 20 мин, обеспечивающий получение в листах рекристаллизованной мелкозернистой структуры, наиболее высокую прочность при сохранении высокой пластичности и отсутствие анизотропии.

Таблица 3. Зависимость механических свойств листов сплава АВ, легиро-_ванного кальцием, от времени выдержки при закалке_

Время выдержки при закалке, мин Направление Предел Относительный Относительное

вырезки образцов прочности сВ, МПа предел текучести с0,2, МПа удлинение 5, %

Лист толщиной 1,0 мм

Д 310-315 275-284 15,1-17,5

10 П 305-310 275-280 16,1-17,4

45° 300-305 270-280 17,0-19,0

Д 328-332 295-300 15,0-18,5

15 П 325-328 285-300 17,5-19,0

45° 320-325 285-290 17,0-19,5

Д 330-335 295-300 16,0-17,4

20 П 330-335 295-300 15,0-17,5

45° 320-325 285-295 13,0-17,0

Д 335-338 305-308 15,5-17,5

30 П 325-330 300-305 15,5-17,0

45° 325-330 285-290 15,5-17,5

Лист толщиной 1,5 мм

Д 310-315 285-290 17,5-19,0

10 П 310-315 285-288 17,5-18,5

45° 300-305 275-280 17,5-20,0

Д 335-338 298-304 17,0-18,0

15 П 328-332 290-300 17,0-18,0

45° 325-330 285-295 19,0-20,0

Д 330-338 300-305 16,5-20,0

20 П 330-335 295-305 17,5-20,0

45° 325-330 290-295 14,0-20,0

Д 330-340 300-310 18,5-20,0

30 П 325-330 300-305 17,5-20,0

45° 325-330 295-305 17,5-18,5

Лист толщиной 2,0 мм

Д 320-330 285-290 15,0-15,5

15 П 320-330 285-295 16,5-17,5

45° 315-320 270-280 15,5-18,0

Д 330-335 295-300 17,0-18,5

20 П 330-335 295-298 15,5-17,0

45° 330-335 298-305 18,0-18,5

Д 330-340 300-305 16,5-19,5

30 П 330-335 295-300 16,5-18,5

45° 325-330 298-302 17,5-18,5

Д 335-340 303-310 17,0-17,5

40 П 330-335 300-305 16,5-17,5

45° 325-330 295-305 18,5-19,0

Лист толщиной 3,0 мм

15 Д 320-330 285-290 15,0-15,5

П 320-330 285-295 16,5-17,5

45° 315-320 270-280 15,5-18,0

20 Д 330-335 295-300 17,0-18,5

П 330-335 295-298 15,5-17,0

45° 330-335 298-305 18,0-18,5

30 Д 330-340 300-305 16,5-19,5

П 330-335 295-300 16,5-18,5

45° 325-330 298-302 17,5-18,5

40 Д 335-340 303-310 17,0-17,5

П 328-335 300-305 16,5-17,0

45° 325-330 295-305 18,5-19,5

Для разработки режима искусственного старения были определены температурные интервалы фазовых превращений при нагреве листов в закаленном и естественно состаренном состоянии методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).

Анализ кривых ДСК, что при температурах 58 и 141 °С происходит выделение метастабильных фаз, при 241 °С выделяется стабильная упрочняющая фаза М^Бь Такая высокая температура выделения упрочняющей фазы связана с тем, что нагрев при ДСК происходит при гораздо меньших скоростях, чем нагрев при искусственном старении, в процессе протекания которого температурная область выделения упрочняющей фазы будет сдвигаться в сторону меньших значений. При температурах 491-539 °С происходит растворение упрочняющей фазы.

Исследования кинетики искусственного старения при температурах 155, 165 и 175 °С позволили сделать вывод, что нагрев при температуре 175 °С обеспечивает максимальный уровень предела прочности и условного предела текучести (рис. 4).

Результаты исследования кинетики искусственного старения листов из сплава АВ, легированного кальцием, позволяют сделать вывод, что максимальным уровнем механических свойств листы обладают после искусственного старения с временем выдержки в интервале 10-14 ч.

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Время выдержки, ч

а

cR

предел прочности предел текучести удлинение

200

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Время выдержки, ч

б

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Время выдержки, ч

в

Рис. 4. Кинетические кривые искусственного старения листов из сплава АВ, легированного кальцием, при температуре 155

Наиболее высокой технологической пластичностью листы из сплава АВ обладают в свежезакаленном состоянии, но и после естественного старения без ограничения срока способность листов к листовой штамповке также достаточно высока. Листы могут поставляться в состоянии Н (без термической обработки), в этом случае закалку проводят на машинострои-

тельном и изготавливают детали методами холодной деформации из материала, обладающего наиболее высокими пластическими свойствами.

Однако не всегда имеется возможность проведения операции закалки. В этом случае листы поставляют в состоянии Т (закалка и естественное старение). При этом высокая технологическая пластичность сохраняется без ограничения срока естественного старения.

Проведено исследование кинетики естественного старения листов толщиной 2,0 мм (табл. 4).

Таблица 4. Кинетика естественного старения листов толщиной 2,0 мм из _сплава АВ, легированного 0,18% кальция_

Длительность естественного старения Предел прочности ов, МПа Относительный предел текучести о0,2, МПа Относительное удлинение 5, % Минимальный радиус гиба,

Сразу после закалки 180-200 60-65 24,5-26,0 (0,8-1,2>Б

6 часов 240-245 90-100 28,0-30,5 (1,1-1,2)^

33 часа 255-260 100-103 25,0-28,5 (1,0-1,3)^

2 суток 255-260 115-120 29,5-31,0 (1,1-1,2)^

4 суток 260-265 110-120 29,5-30,5 (1,1-1,2)^

7 суток 260-265 110-120 30,0-31,0 (1,3-1,6>Б

12 суток 265-270 120-125 30,0-31,5 (1,3-1,6>Б

16 суток 268-275 128-135 29,5-32,0 (1,3-1,6>Б

1 месяц 268-275 128-135 30,0-32,0 (1,3-1,6>Б

2 месяца 268-275 125-130 28,0-30,0 (1,1-1,2)^

3 месяца 268-275 122-126 30,0-30,5 (1,0-1,2>Б

4 месяца 268-275 125-130 29,0-31,5 (1,3-1,6>Б

6 месяцев 270-275 120-130 28,0-28,5 (1,4-1,6>Б

8 месяцев 280-290 135-140 28,5-29,5 (1,1-1,3)^

Б - толщина листа, мм

Полученные результаты испытаний показывают, что наиболее интенсивно естественное старение протекает в первые 6 ч после закалки, в этот промежуток времени происходит наибольший прирост предела прочности и относительного предела текучести. Поэтому изготовление деталей листовой штамповкой с глубокими степенями вытяжки рекомендовано проводить в свежезакаленном состоянии материала. Начиная с 1 суток и вплоть до 8 месяцев, процесс естественного старения замедляется и практически останавливается, прирост по пределу прочности и относительному пределу текучести за этот отрезок времени составляет не более 30 МПа. Исследования минимального радиуса гиба образцов после естественного старения подтверждают данные, полученные при испытании механических свойств при статическом растяжении. Листы в свежезакаленном состоянии обладают наилучшей технологической пластичностью при гибке (0,8-1,2)-Б, где

Б - толщина листа. После естественного старения в течение 1 месяца у листов сохраняется удовлетворительная технологическая пластичность при гибке (1,3-1,6)^.

Выполнена оценка технологической пластичности и возможности осуществления операции гибки листов толщиной 2,0 мм в состоянии полной термической обработки (Т1) и после 1 года естественного старения. Установлено, что в состоянии Т (1 год естественного старения) листы из исследуемого сплава АВ обладают высокой технологической пластичностью с возможностью гибки с минимальным радиусом (1,3-1,6)^, в Т1 - удовлетворительной, Ятт = (1,5-1,8) Б.

На технологичность листов при изготовлении из них деталей методами холодной деформации, в том числе с глубокими степенями вытяжки, помимо факторов, описанных выше, большое влияние оказывает анизотропия материала. Для оценки изотропности листов толщиной 1,5 мм были проведены испытания механических свойств на образцах, ориентированных под различными углами к направлению оси прокатки. Заготовки испытывали в состоянии Т (закалка и естественное старение) и Т1 (закалка и искусственное старение) (табл. 5 и 6).

Таблица 5. Механические свойства листов сплава АВ в зависимости _ от направления вырезки образца _

Направление вы- Предел прочно- Относительный Относительное

резки образцов сти оВ, МПа предел текучести 00,2, МПа удлинение 5, %

Д 250-255 185-190 28,0-28,5

15° 255-260 185-190 29,0-30,5

30° 250-260 180-185 31,0-31,5

45° 250-255 180-195 28,5-30,5

60° 250-255 175-185 28,5-31,0

75° 250-255 170-180 28,0-30,0

П 255-260 175-180 27,5-28,5

Таблица 6. Механические свойства листов сплава АВ-Т1 в зависимости от _направления вырезки образца_

Направление вырезки образцов Предел прочности оВ, МПа Относительный предел текучести о0,2, МПа Относительное удлинение 5, %

Д 330-335 305-310 13,5-17,5

15° 335-340 300-305 13,0-15,0

30° 335-340 300-310 12,0-15,0

45° 330-335 305-315 14,0-16,0

60° 335-340 300-310 13,0-15,0

75° 335-340 305-310 14,0-15,0

П 330-340 300-305 13.5-17,0

Результаты проведенных испытаний позволяют констатировать, что в листах как в состоянии Т, так и в Т1, отсутствует анизотропия механических свойств, что говорит об изотропности материала, деформация во время холодной листовой штамповки будет распределяться во всех направлениях равномерно.

Результаты выполненных исследований позволяют заключить следующее:

1. Наименьшая анизотропия и наиболее стабильные свойства в долевом и поперечном направлениях наблюдаются у листов толщиной 1,0- 3,0 мм, закаленных с температуры (525±5) °С после выдержки 20 мин.

2. Наиболее высокие значения прочности и условного предела текучести листов сплава АВ, легированного кальцием, достигаются после искусственного старения, выполняемого по режиму: температура нагрева 170 °С с выдержкой 10-14 часов.

3. Листы исследуемого сплава в свежезакаленном состоянии обладают наилучшей технологичностью при гибке (0,8-1,2) S, где S - толщина листа. После естественного старения в течение 1 месяца у листов сохраняется удовлетворительная технологическая пластичность при гибке (1,3-1,6)-S.

4. У листов толщиной из сплава АВ, легированного кальцием, как в состоянии Т, так и в Т1, отсутствует анизотропия механических свойств, что говорит о наличии выраженной изотропности материала.

5. Для термической обработки в промышленных условиях листов сплава АВ, легированного кальцием, может быть рекомендован режим термической обработки - закалка в воду с температуры (525±5) °С после выдержки 20 мин. с последующим искусственным старением 170 °С с выдержкой 1014 ч.

Список литературы

1. Новиков И.И., Золоторевский В.С. и др. Металловедение: Учебник. В 2-х т. М.: МИСиС. 2009. Т. II. 528 с.

2. Колобнев И.Ф. Термическая обработка алюминиевых сплавов. М.: Металлургиз-дат. 1961. - 413 с.

3. Гуреева М.А., Грушко О.Е., Овчинников В.В, Шамрай В.Ф. Повышение штампуе-мости листов из сплава системы Al-Mg-Si, применяемых для холодной штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. 2007. №4. С. 20-27.

4. Овчинников В.В., Гуреева М.А. Современные материалы для сварных конструкций. М.: Издательский центр «Академия». 2013. 304 с.