Research of technological process of heat treatment of details of the alloy AК7Ч for reduction of time of production of finished goods

Full Text

В мировой промышленности алюминиевые сплавы характеризуются наибольшим объемом производства среди цветных металлов и уступают только стали. Практически нет ни одной отрасли, в которой не использовались бы алюминиевые сплавы. Алюминий и алюминиевые сплавы - первые конструкционные металлы, которые использованы в самолетостроении. Свое значение в самолетостроении алюминий сохраняет и сейчас - до 75 % массы современного самолета составляют детали на его основе [1]. Наибольшее распространение получил сплав АК7ч (АЛ9). Он применяется для изготовления авиационных подвесок, а также тонкостенных отливок сложной формы. Данный сплав имеет ряд особенностей: повышенную жидкотекучесть, обеспечивающую получение тонкостенных и сложных по конфигурации отливок; сравнительно невысокую линейную усадку; пониженную склонность к образованию горячих трещин [2]. Достоинством сплавов на основе системы Al-Si является повышенная коррозионная стойкость во влажной и морской атмосферах. Недостатки этих сплавов - повышенная газовая пористость и пониженная жаропрочность. Технология литья сплава АК7ч более сложна и требует применения операций модифицирования. Получаемые отливки плотны, герметичны, имеют концентрированную усадочную раковину [3]. Детали подвергаются термической обработке: закалка + естественное старение. Цель закалки - получить в сплаве предельно неравновесное фазовое состояние (пересыщенный твердый раствор с максимальным содержанием легирующих элементов). Такое состояние обеспечивает, с одной стороны, непосредственное повышение (по сравнению с равновесным состоянием) твердости и прочности, а с другой стороны, возможность дальнейшего упрочнения при последующем старении. Старение представляет собой выдержку закаленного сплава при некоторых (относительно низких) температурах, при которых начинается распад пересыщенного твердого раствора или в твердом растворе происходят структурные изменения, являющиеся подготовкой к распаду. Цель старения - дополнительное повышение прочности закаленных сплавов. Выдержку закаленных алюминиевых сплавов в естественных условиях (при температуре окружающей среды), которая приводит к определенным изменениям структуры и свойств (прочность, как правило, повышается), называют естественным старением. Свойства алюминиевых сплавов в свежезакаленном состоянии могут значительно отличаться от их свойств спустя определенное время после закалки (в результате естественного старения) [4]. Марка АК7ч распространена в производстве не только в России, но и в зарубежных странах. По западной классификации марка АК7ч входит в систему 4ххх (сплавы, где главный легирующий элемент - Si). В табл. 1 представлены точные и ближайшие зарубежные аналоги материала АК7ч. Таблица Зарубежные аналоги материала АК7ч США Германия Япония Франция Англия Китай Inter - DIN,WNr JIS AFNOR BS GB ISO 323 356.0 A03560 G-AlSi7Mg AC4C A-S7G AS7G03 LM25 HZL101 ZAlSi7Mg ZL101 ZL11 AlSi7Mg AlSi7Mg(FE) Вопросы технологии термической обработки данного материала также поднимаются в зарубежной литературе. В 2010 г. проведено исследование влияния температуры закалки на фазу кремния в микроструктуре сплава А356, который является аналогом сплава АК7ч. Выяснено, что оптимальной температурой закалки для сфероидизации кремния является температура 535 °С с выдержкой 4 ч [5]. В свою очередь, в данной работе детали и образцы также проходили закалку при похожем режиме (закалка при температуре 535 °С с выдержкой 5 часов). В зарубежной литературе большое внимание уделялось процессам искусственного старения данных сплавов, их влиянию на микроструктуру, механическим свойствам, рассматривались различные температуры и выдержки при обработке образцов [6-9]. На производстве при изготовлении деталей из данного сплава возник вопрос сокращения времени изготовления деталей. Режим термической обработки для деталей указан в производственной инструкции, где выдержка при естественном старении составляет 48 часов, что является нерентабельным для производства. Для решения вопроса оптимизации процесса производства необходимо изучить влияние термической обработки данного сплава: влияние режимов старения на микроструктуру и механические свойства отливок. Целью данного исследования является изучение процесса термической обработки деталей из данного сплава для сокращения времени изготовления готовой продукции с сохранением микроструктуры и механических свойств соответственно нормативно-технической документации. Материалы и методики Для изготовления тонкостенных отливок сложный формы, в том числе авиационных подвесок, используется алюминиевый литой сплав марки АК7ч. Химический состав данного алюминиевого сплава по ГОСТ 1583-93 «Сплавы алюминиевые литейные» указан в табл. 2. Таблица Химический состав алюминиевого литейного сплава АК7ч по ГОСТ 1583-93 Fe Si Mn Al Cu Pb Be Mg Zn Sn Примеси - До 1,5 6-8 До 0,5 89,6- 93,8 До 0,2 До 0,05 До 0,1 0,2-0,4 До 0,3 До 0,01 Всего 2 Ti+Zr<0,15 В исследовании рассматривались 4 плавки образцов. Химический состав каждой из плавок указан в табл. 3. Таблица 3 Химический состав плавок эксперимента № плавки Fe Si Mn Cu Mg Zn 2 0,3 7,5 0,05 0,06 0,29 0,05 3 0,3 7,7 0,03 0,04 0,3 0,04 4 0,13 6,9 0,04 0,04 0,2 0,04 6 0,3 6,6 0,03 0,11 0,3 0,07 Изначальные данные по параметрам и режимам технологии производства деталей из алюминиевого сплава АК7ч взяты из технологического процесса предприятия. Литье отливок производиться в кокиль. Для измельчения структуры эвтектики и размеров кристаллов кремния расплав подвергают модифицированию, то есть в жидкий расплав вводят NaCl (1/3) в количестве 2 % от массы жидкого сплава. После модифицирования отливаются экспресс-пробы на спектральный анализ материала. Спектральный анализ производят на спектрометре МФС-8. После подтверждения соответствия химического состава нормативно-технической документации производят отливку деталей и образцов на механические испытания. Далее детали и образцы-свидетели загружают в печь для проведения термической обработки в виде закалки, после закалки детали и образцы выдерживают 48 ч, за это время происходит процесс естественного старения, время выдержки которого описано в производственной инструкции и занесено в технологический процесс. По окончании цикла термической обработки из образцов-свидетелей на слесарно-токарных станках вырезаются цилиндрические образцы на растяжение (предел прочности и относительное удлинение), а также образец на контроль микроструктуры (отсутствие пережога). Образец на пережог проходит процесс шлифовки и полировки на пробоподготовительном оборудовании металлографической лаборатории. Для выявления микроструктуры он травится в реактиве HF+HNO3+HCl+H2O. Микроструктура шлифа смотрится с помощью анализатора фрагментов микроструктуры твердых тел Siams 700. Механические свойства проверяются на двух образцах от плавки на разрывной машине ИР 5047-50. Результаты Процесс закалили деталей и образцов-свидетелей проводился при температуре 535±5 °С с выдержкой 4-5 ч, охлаждение происходило в воде. Естественное старение происходило при комнатной температуре с выдержкой 48 ч. В ходе эксперимента для выявления влияния времени выдержки при естественном старении на микроструктуру и механические свойства производился отбор проб на механические испытания без выдержки и с выдержкой 12, 24, 48 ч, а также проверена микроструктура на разрывных образцах со старением и без старения, на деталях со старением и без старения. Механические свойства образцов указаны в табл. 4. Таблица 4 Механические свойства отливок после закали и естественного старения с различным временем выдержки № плавки Время выдержки, ч Предел прочности σВ, кгс/мм2 Относительное удлинение δ, % 2 Без старения 26 12 3 12 25 14 4 24 24 13 6 48 25 14 На рис. 1, 2 показаны микроструктуры разрывных образцов со старением и без старения, а также шлифов, вырезанных из деталей со старением и без старения. б) а) б) а б Рис. 1. Микроструктура разрывного образца: а - без старения; б - со старением, увеличение х100 б) а) Рис. 2. Микроструктура детали: а - со старением; б - без старения, увеличение ×100 Обсуждение результатов В настоящее время процесс изготовления деталей из сплава АК7ч широко рассматривается в основном в зарубежной литературе. Особое внимание уделяется процессам закалки и искусственного старения. Исследуются температуры и время выдержки на сфероидизацию кремниевых включений, механические свойства (предел прочности и удлинение), твердость. В ходе анализа иностранной литературы выяснено, что в настоящее время приоритетным режимом термической обработки аналогов сплава АК7ч является режим закалка + искусственное старение. Температуры закалки варьируются от 550 °С с выдержкой 1 ч до 535 °С с выдержкой 4 ч [5]. Температуры искусственного старения исследуются в диапазоне 155-200 °С [9]. Одним из важных моментов получения качественной микроструктуры деталей является процесс модифицирования сплава. После модифицирования структура состоит из мелкодисперсной эвтектики и мелкозернистых кристаллов кремния. Измельчение структуры объясняется тем, что силицид натрия Na2Si обволакивает пленкой кристаллы кремния и затрудняет их рост. Добавление магния в сплав дает дополнительную упрочняющую фазу - Mg2Si. Данный эксперимент поставлен для сокращения времени изготовления деталей, так как выдержка при естественном старении составляет 48 ч по производственной инструкции, что является экономически невыгодным для производственного предприятия. Старение свойственно многим алюминиевым сплавам. Оно происходит в том случае, если вводимые в алюминий элементы образуют между собой или с алюминием интерметаллическое соединение, то есть химическое соединение двух или большего числа металлов, растворимое в алюминии при температуре закалки и стремящееся выделиться из твердого раствора при понижении температуры. При наличии в химическом составе достаточного количества таких легирующих элементов, как медь, магний образует соединение с медью СuАl2 и тройное соединение с медью и магнием Аl2СuMg, что характерно для алюминиевых сплавов системы Al-Cu. Оба эти соединения растворяются в алюминии при температуре закалки; при комнатной температуре растворимость их резко падает, и сплавы с этими фазами сильно упрочняются в результате процесса старения [4]. Из табл. 3 видно, что данные плавки имеют низкое процентное содержание меди и магния и наибольшее упрочнение вызывает фаза Mg2Si, а фазы, способствующие упрочнению при естественном старении, отсутствуют. Для подтверждения теоретической информации отобранные плавки подвергались закалке и различным по времени выдержкам при комнатной температуре. Плавка № 2 естественно не состаривалась, механические свойства и микроструктура достигались сразу после того, как деталь приобретала комнатную температуру после закалки. Плавки № 3, 4, 6 выдерживались при комнатной температуре по 12, 24 и 48 ч соответственно. В ходе эксперимента выяснена зависимость механических свойств от времени выдержи деталей при естественном старении. Как видно из табл. 4, при увеличении времени выдержки предел прочности и относительное удлинение практически не меняются, неидентичность значений можно отнести к разнице химического состава в плавках. На рис. 1 и 2 рассмотрена микроструктура образцов без естественного старения и с естественным старением. Из рисунков видно, что естественное старение не влияет на дисперсность зерна и распределение кремния. Заключение Из полученных данных можно сделать вывод: выдержка деталей в течение 2 суток необязательна, соответственно процесс изготовления деталей возможно сократить и производить дальнейшие операции сразу после охлаждения деталей до комнатной температуры, что экономически выгодно для производства.

About the authors

Ekaterina M Fomicheva

Samara State Technical University

Email: rouge@mail.ru
Postgraduate Student. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files