Упрочнение литейных алюминиевых сплавов равноканальным угловым прессованием

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Упрочнение литейных алюминиевых сплавов равноканальным угловым прессованием

В настоящее время особое внимание уделяется получению высококачественных, высокопрочных материалов с комплексом повышенных физических характеристик. С этой точки зрения интерес представляют алюминиевые сплавы, которые в специализированных отраслях промышленности заметно выигрывают по сравнению со сталями, обеспечивая сочетание таких эксплуатационных характеристик, как высокая коррозионная стойкость, электропроводность, химическая устойчивость и стабильность этих характеристик. Высокопрочные алюминиевые сплавы наряду с малым весом обладают всем комплексом указанных характеристик, что и делает их выгодным конструкционным материалом.

Повышение механических характеристик для указанных металлов является весьма желательным даже в пределах 10-15 МПа.

Для исследования возможности упрочнения алюминиевого сплава системы Al-Si-Fe-Mn выбраны алюминиевые прутки из указанного сплава.

На основании анализа литературных источников выявлено, что одним из наиболее приемлемых способов упрочнения заготовок без существенного изменения их геометрических параметров является интенсивная пластическая деформация методом равноканального углового прессования (РКУП) [1-4].

Достаточную сложность при исследовании представляет сам состав выбранного сплава (таблица), т.к. присутствие в составе таких легирующих элементов, как Si и Fe, кроме существенного повышения прочности, вызывает резкое падение пластических характеристик. Кроме того, растворимость данных элементов при комнатной температуре является весьма малой, в результате чего в микроструктуре сплава данные элементы присутствуют в виде интерметаллидов, эвтектик и других химических соединений, выделяющихся в виде частиц различных форм и вызывающих охрупчивание металла.

Алюминиевые сплавы с таким содержанием кремния относят к силуминам и имеют достаточно широкое промышленное применение.

Химический состав сплава системы Al-Si-Fe-Mn

Для того чтобы максимально устранить влияние этих структурных составляющих на пластическое поведение сплава, было предпринято проведение термической обработки (отжиг, закалка, старение).

Проведение отжига сплава вызвало коагуляцию фаз и некоторое укрупнение их размеров. В результате устранения напряжений и залечивания дефектов, образовавшихся при изготовлении прутков, удалось повысить значение временного сопротивления, по сравнению с состоянием поставки, на 5%, и добиться значения 390 МПа.

Кроме того, алюминиевые прутки поставляются, как правило, после проведения закалки и искусственного или естественного старения на максимальную или немаксимальную прочность. Проведение же отжига приводит структуру металла к свежезакаленному состоянию и частичному растворению выпавших в процессе закалки и старения фаз.

Выпадение фаз при закалке может двояко сказываться на поведении алюминиевого сплава при пластической деформации и соответственно при испытании на растяжение. С одной стороны, выделение из б-твердого раствора тугоплавких (по сравнению с алюминием) частиц вызывает повышение пластичности основной матрицы. С другой стороны, выделение мельчайших частиц вторичных фаз по плоскостям скольжения вызывает торможение дислокаций и препятствует их дальнейшему движению, что в свою очередь, снижает пластичность.

На основании проведенных исследований выявлено, что наиболее рациональной термической обработкой, повышающей ресурс пластичности металла, является отжиг. Заготовки после указанной термической обработки при РКУП удается деформировать до трех циклов без образования макроскопических трещин. В то время как после закалки и старения образцы выдерживают не более двух циклов без образования макротрещин, приводящих к разрушению заготовки непосредственно при обработке. Кратковременный промежуточный отжиг при температуре возврата после каждого цикла РКУП также не дал существенных результатов.

Таким образом, с целью повышения ресурса пластичности литейного алюминиевого сплава системы Al-Si-Fe-Mn решено перед деформированием осуществлять отжиг металла, тем самым способствуя уменьшению структурных концентраторов напряжений.

Подготовленные термической обработкой образцы подвергали равноканальному угловому прессованию (рисунок) с кантовкой вокруг продольной оси на 180є для обеспечения знакопеременной деформации [5].

После проведения деформирования из заготовок вырезались стандартные образцы для испытания на растяжение с пятикратной рабочей длиной.

Схема инструмента для РКУП

Ввиду индивидуальных особенностей сплава скорость растяжения выбрана минимально возможной для используемого оборудования (крутильно-разрывная машина MI40KU) и равной 0,5 мм в минуту.

Как и предполагалось, высокой пластичностью сплав не обладает и разрушение наступало без существенной пластической деформации.

Волокнистость, приобретенная в результате первичного прессования при производстве прутков, обусловливает анизотропию свойств. Но учитывая, что при эксплуатации больший интерес представляют свойства прутков в направлении их оси, в поперечном направлении механические характеристики не исследовались.

В процессе многократного РКУП происходит исчерпание ресурса пластичности, и, как следствие, разрыхление металла. В результате чего разрушение при испытании на растяжение наступает в результате объединения многочисленных микропор и микротрещин в одну центральную трещину, после чего разрушение наступает практически мгновенно, без локализации деформации. Однако относительное остаточное удлинение достигает достаточно высокого значения для высокопрочных алюминиевых сплавов и составляет порядка 15-17% для образцов после двух циклов РКУП (для сплавов, имеющих в своем составе ? 4% Si, относительное остаточное удлинение не превышает 10%).

Временное сопротивление после двух циклов РКУП составляет 425-428 МПа, что на 16% превышает временное сопротивление алюминиевых прутков в состоянии поставки.

Проведение большего количества циклов РКУП не целесообразно ввиду существенного охрупчивания сплава и падения временного сопротивления. Это происходит вследствие того, что разрыхление металла настолько велико, что приложение растягивающих напряжений вызывает объединение микропор и микротрещин, не позволяя испытывать какую-либо значащую деформацию.

Кроме того, упрочнение заготовки до предела ресурса пластичности также является не технологичным, так как при дальнейшей работе изделий необходим достаточный запас прочности для исключения преждевременного разрушения.

В результате проведенных исследований выявлено, что методом равноканального углового прессования возможно повышение временного сопротивления таких типов алюминиевых сплавов, как силумины, несмотря на то, что они относятся к недеформируемым литейным сплавам. Предложенная технология упрочнения сплава системы Al-Si-Fe-Mn позволяет не только существенно увеличить временное сопротивление на 16% по сравнению с состоянием поставки алюминиевого сплава в виде прутков, но также обеспечить высокие для данного типа сплавов характеристики пластичности, относительное остаточное удлинение которого составляет порядка 15-17%. Такое сочетание механических характеристик для данного сплава является не только удовлетворительным, но и весьма желательным.

Список литературы

алюминиевый сплав промышленность прессование

1. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. М.: Академкнига, 2007. 398 с.

2. Рааб Г.И., Валиев Р.З. Равноканальное угловое прессование труднодеформируемых металлов // Кузнечно-штамповочное производство. 2001. №4. С. 23-27.

3. Валиев Р.З. Развитие равноканального углового прессования для получения ультрамелкозернистых металлов и сплавов // Металлы. 2004. №1. С. 15-21.

4. Сегал В.М. Развитие обработки материалов интенсивной сдвиговой деформацией // Металлы. 2004. №1. С. 5-14.

5. Инновационный патент РК №22896. Устройство для углового прессования / А.Б. Найзабеков, С.Н. Лежнев, В.А. Андреященко. Опубл. 15.09.2010.

Размещено на Allbest.ru