The influence of the pressed hollow billet of brass 59Cu–3,5Mn–2,5Al–0,5Fe–0,4Ni stracture on the fracture mode of destruction with following hot stamping

Full Text

Введение. Создание разнообразных машин новых типов, организация их массового производства, стремление к увеличению надежности работы каждого агрегата стимулирует разработку новых и модифицирование ранее применявшихся материалов. В настоящее время во многих отраслях промышленности, в частности, в автомобилестроении, судостроении, машиностроении широко применяются латуни специального назначения. Эти сплавы помимо меди и цинка могут содержать в своем составе такие элементы, как кремний, марганец, железо, алюминий, никель, свинец и ряд других, что обеспечивает необходимый уровень не только механических, но и специальных свойств (износостойкость, коррозионностойкость и т.д.) за счет формирования многофазной структуры [1–3]. Типичным представителем таких латуней является сплав 59Cu−3,5Mn−2,5Al−0,5Fe−0,4Ni, из которого на Ревдинском заводе по обработке цветных металлов изготавливают трубы, являющиеся заготовкой блокирующих колец синхронизатора коробки передач отечественных автомобилей. Существенным недостатком сплава является склонность к растрескиванию как при хранении, так и при горячей штамповке колец. Отштампованные кольца могут растрескиваться насквозь, трещина может иметь длину примерно в половину высоты кольца или быть микроскопической, что обнаруживается при операции «прозвона» (по глухому звуку) на предприятии. Со всё возрастающим усложнением и ужесточением условий эксплуатации современной техники, в том числе и автомобилей, чрезвычайно актуальной стала проблема обеспечения достаточной надёжности всех деталей при дли 180 Влияние структуры прессованной трубной заготовки из латуни . . . тельной эксплуатации. Именно поэтому в последние годы большое значение придается изучению процесса разрушения и влияния различных структурных и технологических факторов на характеристики разрушения. Среди физических методов изучения связи состава и структуры сплавов с их механической прочностью особое место отводится исследованию поверхностей разрушения (изломов), поскольку излом наиболее четко отражает строение и свойства материала в локальном объеме, в котором протекает процесс разрушения. В ряде случаев эксплуатационных разрушений и повреждений только по излому можно сделать заключение о характере и причинах поломки или аварии [4]. Вместе с тем, несмотря на большое количество опубликованных в последние годы работ по проблеме разрушения, отсутствуют достаточно широкие исследования, полностью посвященные фрактографии, особенно цветных сплавов. Как правило, параллельно не рассматриваются особенности макро- и микростроения изломов, что затрудняет комплексное использование этой характеристики для оценки качества материала, установления причин повреждения. Цель данной работы — исследование влияния температуры нагрева перед горячей штамповкой колец на структурное состояние латуни 59Cu−3,5Mn− 2,5Al−0,5Fe−0,4Ni и на характер разрушения колец после горячей штамповки. Материалы и методы. Исследованы блокирующие кольца синхронизатора, изготовленные из (α+β)-латуни ЛМцАЖН, химический состав которой в соответствии с ТУ 184550-106-033-97 «Трубы прессованные латунные для колец синхронизатора» приведён в табл. 1. Технология изготовления блокирующих колец синхронизатора включает получение прессованных труб, которые являются заготовкой. Прессование литой заготовки проводят при 740 ± 20 ℃, далее — охлаждение труб на воздухе, обрезку заднего конца, правку, старение при 450 ℃ (3 часа), охлаждение на воздухе, подрезку заднего и переднего концов, зачистку заусенцев, продувку воздухом, протирку. Затем выполняют галтовку, обточку колец по внутренней поверхности, обезжиривание, горячую штамповку, обрубку облоя, прозвонку, термообработку. В ходе исследования были изучены разрушенные детали (кольца) после горячей штамповки при температурах 780 и 700 ℃ и снятия облоя. Характеристика исследованных образцов приведена в табл. 2. Макрофрактографические исследования поверхности трещин, образовавшихся в кольцах, проводили на бинокулярном микроскопе МБС-10 без увеличения и при двухкратном увеличении, микрофракторгафические — на растровом электронном микроскопе TESCAN VEGA II XMU (Чехия), оснащённом системами рентгеновского волнодисперсионного микроанализа INCA WAVE 700, энергодисперсионного микроанализа INCA ENERGY 450 с ADD-детектором фирмы OXFORD (Великобритания) и программным обеспечением INCA, позволяюТаблица 1 Химический состав латуни 59Cu−3,5Mn−2,5Al−0,5Fe−0,4Ni, мас. % Cu Mn Основные компоненты Al Fe Ni Si Pb 58,5–60,5 3,0–4,0 2,0–3,0 0,3–0,7 0,3–0,5 — — Zn Si Примеси, не более Sn Pb Ni Всего ост. 0,2 0,2 0,2 — 0,5 181 П у г а ч е в а Н. Б., Л е б е д ь А. В. Таблица 2 Температура нагрева перед горячей штамповкой и характеристика состояния исследованных колец № T, ℃ Наличие трещин 1 780 2 780 3 780 4 780 5 700 6 700 Трещина на всю высоту кольца посередине канавки зуба Забраковано по результатам «прозвона», при вырезке фрагмента образовалась трещина на всю высоту на противоположной от места приложения нагрузки стороне кольца Кольцо прошло операцию «прозвона», было сломано путём изгиба Кольцо не прошло операцию «прозвона», но трещин в процессе вырезки образцов не появилось, сломано путём изгиба Кольцо прошло операцию «прозвона», было сломано путём изгиба Кольцо не прошло операцию «прозвона», но трещин в процессе вырезки образцов не появилось, было сломано путём изгиба щими проводить локальный химический анализ состава материала поверхности. Эти исследования дают много ценных сведений о характерном строении и причинах возникновения различных металлургических дефектов в латунях. Применение здесь электронного микроскопа оказывается плодотворным, так как электронная фрактография, позволяющая приблизиться к пониманию микромеханизмов разрушения, является одним из звеньев связи позиций металловедения, металлофизики и механики материалов в обширной проблеме разрушения [4]. Оценку характера разрушения детали проводили в соответствии с РД 50-672-881 . Идентификацию микроструктуры осуществляли с помощью оптического металлографического микроскопа NEOPHOT-21. Количественную оценку структурных составляющих сплава выполняли с помощью программного комплекса Mаterials Workstation прибора LEICA VMHT AUTO, предназначенного для структурного анализатора материалов. Данный комплекс позволяет определять следующие количественные характеристики структуры [3]: объёмную долю каждой фазы; средний размер частиц; среднее расстояние между силицидами; коэффициент анизотропии частиц. Результаты и их обсуждение. Фазовый состав латуни 59Cu−3,5Mn− 2,5Al−0,5Fe−0,4Ni подробно изучен в работе [2]. Основу сплава составляет βфаза CuZn, по границам и в теле зерён которой возможно выделение мелких зерён α-твёрдого раствора на основе Cu, кроме того, в латуни присутствует некоторое количество силицидов (Fe, Mn)5 Si3 . Исследования структуры показали, что в сплаве деталей № 1 и № 2 α-фаза полностью отсутствует, что, конечно же, способствует растрескиванию по границам зёрен под действием сформировавшихся при штамповке внутренних остаточных напряжений. По химическому составу сплавы деталей № 1 и № 2 полностью соответствует марочному составу исследованной латуни: содержание свинца — 0,16 мас. %, кремния — 0,15 мас. %, алюминия — 2,3 мас. %. При таком содержании кремния количество силицидов не должно быть чрезмерно большим: определено, что количество силицидов в сплаве образца № 1 менее 3,5 об. %, а в образце № 2 — менее 4,5 %. Алюминий в количестве 2,3 мас. % может 1 РД 50-672-88. Расчёты и испытания на прочность. Классификация видов изломов металлов. Методические указания. М.: Изд-во стандартов, 1989. 21 c. 182 Влияние структуры прессованной трубной заготовки из латуни . . . стабилизировать β-фазу и препятствовать выделению при охлаждении из βобласти α-твёрдого раствора. Исследования обеих поверхностей трещины в детали № 1 показали, что по рельефу они не отличаются, но на одной из них присутствуют неметаллические включения. Макрофрактография поверхностей разрушения представлена на рис. 1. Неметаллические включения, обнаруженные на поверхности разрушения образца № 1, были идентифицированы как шлаковые на основе оксида SiO2 или сажистые на основе углерода. По макрогеометрии поверхности разрушения изломы можно считать неоднородными, характеризующимися наличием зон, отличающихся по макрорельефу, то есть можно различить участки с шероховатой матовой поверхностью и участки со сглаженной блестящей поверхностью. При небольшом увеличении (64-крат.) на поверхности можно различить зоны волокнистого излома с матовой шероховатой поверхностью разрушения с признаками пластической деформации в виде утяжек и зоны камневидного излома с грубозернистым строением и трещинами по границам зёрен (рис. 2). При рассмотрении на микроуровне (с увеличениями более 200 крат.) на участках камневидного излома (см. рис. 2 область А) на поверхности фасеток наблюдаются ямки. Это так называемый «сотовый рельеф» — микрорельеф поверхности разрушения в виде мелких плоских ямок, наблюдаемый при разрушении перегретых сплавов. Наличие такого рельефа свидетельствует о малой доле локальной пластической деформации при разрушении. В соответствии с п. 2.4 РД 50-672-88 по микрорельефу изломов было выделено три типа разрушения: участки хрупкого, квазихрупкого и вязкого изломов. Участки хрупкого излома характеризуются наличием фасеток внутризёренного и межзёренного скола и ручьистым узором, который наблюдается а б Рис. 1. Фракрофракторгафия поверхностей растрытой трещины на детали после горячей штамповки на ОАО «АВТОВАЗ» 183 П у г а ч е в а Н. Б., Л е б е д ь А. В. только вблизи зернограничных трещин, что свидетельствует о весьма охрупченном состоянии границ зёрен исследуемого сплава. Вязкий излом с множественными трещинами проявляется главным образом в зоне максимальной пластической деформации детали при горячей штамповке (см. рис. 1, участок E). Трещины на поверхности разрушения являются, скорее всего, результатом больших пластических деформаций при горячей штамповке, в результате которой образуется большое количество микропор, объединяющихся в направлении максимально действующих напряжений с образованием микротрещин. Присутствие трещин по границам зёрен по всей поверхности разрушения облегчает образование магистральной трещины и процесс разрушения. Неметаллические включения, обРис. 2. Зоны камневидного (область A) и волокнистого излома на поверхности раскры- наруженные на поверхности разрутой трещины образца № 1 шения образца № 1, нельзя считать причиной растрескивания детали, так как трещин вблизи них нет (см. рис. 3). На данном рисунке показано, что множественные сажистые включения сосредоточены в теле зерна, а трещины развиваются по границам зёрен, не только вблизи поверхности, но и по всему объему детали. При исследовании поверхности разрушения детали № 2 было выяснено, что в целом рельеф поверхности схож с рельефом поверхности детали № 1. Однако были обнаружены участки нафталинистого излома, характерного для перегретых дефорРис. 3. Углеродосодержащие и шлаковые мированных сплавов и связанного с на основе оксида SiO2 включения (указаны внутризёренным хрупким разрушестрелками), трещины по границам зёрен и со- нием по определенным кристаллотовый рельеф на поверхностях фасеток меж- графическим плоскостям (см. РД 50зёренного разрушения (образца № 1) 672-88). При рассмотрении на микроуровне выявлены фасетки межзёренного скола и квазискола, на которых можно увидеть плоские поверхности. Силициды видны на плоских поверхностях, но трещин рядом с ними не обнаружено, что свидетельствует об ис184 Влияние структуры прессованной трубной заготовки из латуни . . . ключении охрупчивающего влияния силицидов в данном сплаве [2]. Рельеф поверхности разрушения колец № 3 и № 4, отштампованных при 780 ℃, отличается от рельефа поверхности раскрытых трещин колец № 1 и № 2. При 25-кратном увеличении поверхность разрушения образца № 4 можно охарактеризовать как матовую, волокнистую, шероховатую. При микроскопических исследованиях с увеличением более 200 крат. хорошо различим участок волокнистого (вязкого) излома с множественными трещинами, который относится к зоне максимальной пластической деформации детали при горячей штамповке (см. рис. 4). На поверхности разрушения, обнаружены участки с элементами хрупкого разрушения, такие как фасетки внутризёренного скола, рубцы, складки, ступеньки, образующиеся при соединении двух микроповерхностей разрушения, расположенных на разных уровнях. Рельеф поверхности образца № 4 отличался от образца № 3 наличием зоны камневидного излома с гру- Рис. 4. Участок волокнистого (вязкого) избозернистым строением, которое ха- лома с множественными трещинами (образец № 4) рактерно для перегретых сплавов. Зёрна имеют металлический блеск и представляются как бы оплавленными. При рассмотрении на микроуровне выявлются фасетки межзёренного разрушения. Зёрна имеют металлический блеск и представляются как бы оплавленными. При рассмотрении на микроуровне выявляются фасетки межзёренного разрушения. На поверхности разрушения образцов № 3 и № 4 обнаружены углеродосодержащие и шлаковые включения. Данные включения не повлияли на прочность детали в целом, о чем говорит тот факт, что деталь № 4 не была забракована в ходе операции «прозвона». Также были видны силициды на плоских поверхностях, рядом с которыми не было микротрещин, что свидетельствует об отсутствии охрупчивающего влияния силицидов в данном сплаве. Механизм влияния частиц силицидов на процессы разрушения легированных латуней подробно изучен в работе [2]: частицы размерами до 10 мкм не могут вызвать развития трещин, а являются очагом зарождения микропустот, которые на поверхности разрушения проявляются в виде ямок вязкого разрушения. На поверхности разрушения образцов № 5 и № 6, отштампованных при более низкой температуре, участков камневидного излома не обнаружено. На поверхности разрушения детали № 6 обнаружено больше трещин, чем на поверхности разрушения детали № 5, что является их основным отличием. Рельеф поверхности характеризуется наличием участков волокнистого, волокнисто-полосчатого излома, характеризующегося наличием слоистости, 185 П у г а ч е в а Н. Б., Л е б е д ь А. В. которая связана со структурной неоднородностью деформированного материала (см. РД 50-672-88). На поверхности разрушения обнаружены включения, аналогичные включениям на поверхности разрушения деталей № 1–4, что подтверждает отсутствие влияния этих частиц на процесс разрушения. Исследования структуры показали, что в сплаве деталей отштампованных по штатному (образцы № 3 и № 4) и опытному (образцы № 5 и № 6) режимам, α-фаза отсутствует. Тем не менее следует отметить, что из партии в 100 колец, отштампованных по штатному и опытному режимам, в брак по трещинам отошло 21 % деталей при нагреве деталей перед штамповкой до 780 ℃ и 3 % деталей при нагреве деталей перед штамповкой до 700 ℃. Полученные данные еще раз подтверждают тот факт, что температура нагрева заготовок перед штамповкой является завышенной. Выводы. 1. В настоящей работе показана наиболее высокая перспективность опытного режима штамповки (при температуре 700 ℃) по сравнению со штатным режимом (при 780 ℃). 2. Причиной межзёренного растрескивания колец после горячей штамповки является полное отсутствие пластичной α-фазы, способной релаксировать внутренние остаточные напряжения. 3. Наличие частиц силицидов или графитовых включений в поверхностных слоях не является причиной разрушения колец, о чем свидетельствует их присутствие во всех исследованных кольцах примерно в одинаковом количестве. 4. Для повышения стойкости исследованного сплава к перегреву следует рассмотреть такие технологические приемы как снижение содержания свинца — легкоплавкой примеси, имеющей склонность к ликвации при нагреве, добавление свежих ломов, не участвующих в процессе изготовления труб с целью исключения появления новых нежелательных факторов и ужесточение требования к шихтовым материалам для снижения суммарного содержания вредных примесей, способствующих ослаблению границ зёрен.

About the authors

Nataliya B Pugacheva

Institute of Engineering Science, Ural Branch of RAS

Email: nat@imash.uran.ru
(Dr. Sci. (Techn.)), Leading Research Scientist, Laboratory of Material Micromechanics 34, Komsomolskaya st., Ekaterinburg, 620049, Russia

Anna V Lebed’

Institute of Engineering Science, Ural Branch of RAS

Email: annalebed5@rambler.ru
Postgraduate Student, Laboratory of Material Micromechanics 34, Komsomolskaya st., Ekaterinburg, 620049, Russia

References

Supplementary files