НАУКА, ТЕХНИКА, ПРОИЗВОДСТВО_
■■■■{¡^■^■■■■■¡^■■■■■■■■ШШм''-''
УДК 669.775.61:621.771
ПОВЫШЕНИЕ ПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗАЭВТЕКТИЧЕСКИХ СИЛУМИНОВЫХ ТРУДНОДЕФОРМИРУЕМЫХ СПЛАВОВ МЕТОДОМ ПОПЕРЕЧНО-ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ
© Е.И. Панов
ОАО "Цветметобработка"
Из многообразия алюминиевых конструкционных сплавов, используемых в различных областях машиностроения, в последнее время большое внимание привлекают сплавы системы Al-Si с содержанием кремния значительно выше эвтектического. Эти сплавы, как правило, содержат 18-25% Si и ряд легирующих элементов (Cu, Ni, Ti, Zn и др.).
Заэвтектические силумины можно рассматривать как естественные композиционные материалы, имеющие двухфазную структуру, состоящую из пластичной эвтектики, хрупких кристаллов кремния и фаз систем Al-Fe и Al-Ti размером < 100 мкм. Двухфазное строение таких силуминов обусловливает уникальный спектр их физических и механических свойств (табл. 1). Низкий коэффициент температурного линейного расширения, высокая коррозионная стойкость, отличная свариваемость, повышенный модуль упругости делают эти сплавы интересными для производства деталей поршневой группы (поршень-гильза), тормозных пар в авто- и авиастроении, труб для нефтегазового комплекса в условиях резкого перепада температур и в агрессивных средах.
Наличие в матричной структуре силуминов кристаллов кремния значительных размеров (120 мкм) снижает пластичность и затрудняет деформацию этих сплавов. Износостойкость заэвтектических силуминов обратно пропорциональна размерам кристаллов кремния (табл. 2). В случае уменьшения размеров первичных кристаллов кремния с 30-40 до 15-25 мкм в усталостная долговечность силумина (сплава 01390) повышается вдвое (температура 350 °С, нагрузка 350 МПа).
Для модифицирования структуры слитков и измельчения кристаллов кремния в расплав вводили фосфор: в виде железофосфорной лигатуры (ФФ25) в печь (до 0,015% Р) и в виде прутка (система Al-Fe-P) в
струю расплава, поступающего из промковша в кристаллизатор, при одновременной обработке ее ультразвуком. Известно, что фосфор является модификатором кристаллов кремния, а ультразвуковая обработка позволяет в значительной степени увеличить число центров модифицирования [2].
Достигаемое на стадии литья измельчение структуры (табл. 3) позволило повысить пластичность металла и применить традиционную технологию непрерывного литья слитков с последующей деформацией их методами штамповки и горячего прессования. Однако при этих способах горячей деформации ^практически не удается дополнительно, еще в большей степени, измельчить структуру слитка, достигнутую в процессе модифицирования и деформации металла при непрерывном литье. Для дальнейшего измельчения кристаллов кремния необходима другая, более усложненная схема пластической деформации - с циклическим характером прилагаемых усилий и таким многократным нагружением, при котором степень деформации каждого поперечного сечения слитка при прохождении через очаг деформации увеличивается [3].
Из всех известных способов обработки металлов давлением (прессование, ковка, штамповка, прокатка и др.) только поперечно-винтовая прокатка (ПВП) в наибольшей степени соответствует таким требованиям. В отличие от прессования, при котором и обрабатываемый металл (слиток) и деформирующий инструмент (матрица) находятся в стационарном состоянии, поперечно-винтовая прокатка предполагает деформацию цилиндрического слитка вращающимися рабочими валками, которые обеспечивают вращательное и поступательное движение заготовки. Калибр этих валков, образующий очаг деформации, создает предпосылки
Таблица 2. Влияние размеров первичных кристаллов в заэвтектических сплавах, содержащих 15-20% на износ пары трения силумин-чугун при абразивном износе
Таблица 1. Физико-механические свойства слитков и отожженных прессованных прутков из сплавов 01390, 01391
Характеристика Слитки Прессованные прутки
01390 I 01391 01390 01391
Плотность, г/см3 2,603 2,614 2,603 2,614
Коэффициент термического
расширения, 106/°С 17,0 17,0 17,0 17,0
Предел прочности, МПа 168,0 150,0 170,0 165,0
Предел текучести, МПа 110,0 90,0 90,0 90,0
Относительное удлинение, % 3,2 1,6 6,0 4,4
Относительное сужение, % 4,1 10,2 10,0 6,5
Ударная вязкость, МДж/м2 - - 53,0 51,0
Модуль упругости, ГПа 79,0 80,5 79,0 80,5
Твердость НВ 600,0 730,0 630,0 730,0
Размер кристаллов Si, мкм Величина износа, мг/ч
силумина чугуна
14,8 0,30 1,25
18,8 0,32 1,55
22,4 0,31 1,34
52,0 0,37 1,84
88,6 0,37 1,95
155,0 0,39 2,24
для многократного нагружен и я и деформирования каждого поперечного сечения заготовки с уве-личением суммарного обжатия при прохождении их вдоль очага деформации.
Для дальнейшего улучшения структуры заэвтекти-ческих силуминов был выбран метод ПВП на универсальном стане ПВП20-60 ВИЛСа [4]. Рабочая клеть такого стана может обеспечивать обработку заготовок поочередно как по двух-, так и трехвалковой схемам прокатки [5-7].
Для выбора схемы ПВП заэвтектических силумино-вых сплавов был впервые применен метод трехмерного конечно-элементного моделирования поперечно-винтовой прокатки сплошной заготовки [8, 9], выполнен сравнительный анализ ее напряженно-деформированного состояния при различных схемах прокатки (применительно к возможностям универсального стана ПВП20-60), выделен каждый вид напряжений (радиальные, осевые, окружные или тангенциальные, касательные), изучено влияние различных технологических факторов (усилий подпора и натяжения, углов подачи, степени деформации, температурно-скоростных параметров и др.) на характер изменения всех видов напряжений (как растягивающих, так и сжимающих) для указанных схем прокатки.
Результаты моделирования процессов поперечно-винтовой прокатки сплошной заготовки показали следующее: в отличие от двухвалковой трехвалковая схема ПВП обеспечивает большую суммарную пластическую деформацию [8, 9], в сочетании с усилием осевого подпора она приближается к схеме всестороннего сжатия [10], что, как известно, способствует повышению пластических свойств даже труднодеформируе-мых сплавов; радиальные растягивающие напряжения в 2-2,5 раза меньше, и действуют они не строго в осевой зоне заготовки, как при двухвалковой схеме, а смещены к поверхности заготовки [11].
Для установления и оптимизации технологических параметров прокатки исследовали реологические
* ' -I 60 "
I 50 --
а 40 --
з
| 30 --§ 20 -| 10 --
о --
-ю 0 5 15 25 35 45 55 65
Размеры кристаллов мкм
Рис. 1. Размеры кристаллов кремния в центре слитка диам. 114 мм (1) и прутках диам. 92-14 мм (2-6) после попе-речно-винтовой прокатки (£=32-80%)
свойства труднодеформируемого силуминового заэв-тектического сплава 01390 при растяжении [12].
Использовали стандартные образцы, вырезанные из гомогенизированных при 470 °С в течение 3 ч литых заготовок длиной 500 мм и диам. 114 мм. Скорость деформации (е) изменяли в диапазоне 0,005-0,3 с-1. Средний размер кристаллов кремния составлял -30 мкм. Результаты испытаний приведены в табл. 4. Они положены в основу при отработке технологического процесса поперечно-винтовой прокатки цилиндрических слитков диам. 100-114 мм заэвтектических си-луминовых сплавов 01390 и 01391 в прутки различного диаметра.
При прокатке слитков в прутки применяли рабочие валки с увеличенной длиной обжимного участка, равной или превышающей удвоенную длину калибрующего участка. Установлено, что трехвалковая схема ПВП, независимо от шихтовой основы сплава и предварительного комплексного модифицирования расплава, позволяет измельчить кристаллы первичного кремния до размеров, сопоставимых с размерами кристаллов в исходном слитке после комплексного модифицирования [11].
Исследовали структуру прутков, полученных ПВП, после отжига при 450 °С в течение 3 ч. Установлено, что в исходном слитке наибольшее количество (32%) первичных кристаллов кремния имеют размер -30 мкм, а после прокатки слитка на пруток диам. 92 мм (е=32%) максимальное число (36%) кристаллов имеют размер 25 мкм. При последующей ПВП слитка на пруток диам. 70 мм (е=61%) 63-64% кристаллов
т,ос Предел прочности, Предел текучести, Относительное Относительное
МПа МПа удлинение,% сужение, %
при скорости деформации, с" 1
0.005 0,03 0,3 0,005 0,03 0,3 0,005 0,03 0,3 0,005 0,03 0,3
20 185,5 174,5 - 143,5 152,0 - 4,6 3,2 7,3 4,1
300 80,5 97,0 105,5 67,0 68,0 74,0 12,2 12,4 6,0 18,7 15,0 7,4
350 48,5 74,0 81,5 36,0 51,0 56,0 16,0 19,6 17,2 29,6 26,1 20,1
400 31,0 55,5 60,5 26,5 36,0 39,5 17,6 32,6 27,6 37,1 36,0 30,6
450 21,0 43,0 47,5 18,0 31,0 35,0 28,0 32,0 22,4 47,5 34,3 27,0
500 20,0 28,5 38,0 - 24,5 30,5 24,5 38,2 32,2 52,0 50,2 43,2
Таблица 3. Измельчение кристаллов кремния силуминов при модифициро-
Сплав
Размер кристаллов мкм
средний
максимальный
01390
01391
(30-40)/(20-30) (30-40)/(20-30)
100/(40-50) 100/(60-80)
Примечание. В числителе и знаменателе - размер кристаллов кремния силуминов да и после модифицирования расплава соответственно.
Таблица 4. Результаты испытаний на растяжение образцов из гомогенизированного слитка сплава 01390
мярнч:.-,
.1311111
Рис. 2. Микроструктура слитка диам. 114 мм (1) и прутков сплава 01390 диам. 92 мм (2), 70 мм (3), 50 мм (4) и 14 мм (5) после поперечно-винтовой прокатки, х 100
имеют размер 15 мкм. Примерно такое же соотношение достигается и при последующей прокатке на пруток диам. 50 мм и менее (рис. 2). Таким образом, при ПВП со степенью деформации более 32% кристаллы первичного кремния измельчаются до 10-15 мкм, что обеспечивает необходимую для дальнейшей деформации пластичность силумина.
Микроструктура слитков и полученных после прокатки с различной степенью обжатия прутков различных диаметров приведена на рис. 2.
На пластические свойства силуминов при деформации положительное влияние оказывает также глобулярная форма большей части вторичных кристаллов кремния. Относительное удлинение отожженных прутков после ПВП повышается по сравнению с литым состоянием в 2-3 раза [4]. Установлено также, что в процессе ПВП прутков из заэвтектических силуминовых сплавов происходит ориентирование волокна изме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.