SELECTING AN ALLOY OF SYSTEM MG-ZN-ZR AND OPTIMIZING BLANK FABRICATION FOR FORGING

Full Text

Деформируемые магниевые сплавы применяют в различных отраслях промышленности, в частности в самолетостроении, а также в конструкции автомобилей. Это связано с постоянными требованиями снижения веса, которые ведут к снижению расхода топлива и загрязнения окружающей среды. Однако магниевые сплавы обладают пониженными пластичностью и деформируемостью, и получение деформируемых изделий из них является проблемой. Данная работа является продолжением исследования литой структуры сплава системы Mg-Zn-Zr, в которой оптимизирована литая структура сплава ZK60А перед горячей деформацией [1]. Цель данной работы - обоснование возможности замены отечественного сплава МА14 на зарубежный ZK60A (система Mg-Zn-Zr) и поиск оптимальной технологии получения заготовок (галет) для изготовления крупногабаритных штамповок. В связи с этим перед настоящей работой были поставлены следующие задачи: - получить заготовки (галеты) из двух сплавов по различным технологиям, учитывающим исходное состояние и степени деформации; - выполнить искусственное старение в одной садке; - изучить механические свойства; - исследовать микроструктуру. Работа выполнена на образцах магниевых сплавов МА14 и ZK60A в лабораториях кафедры «Металловедение и термическая обработка металлов» Института цветных металлов и материаловедения СФУ. Испыта Химический состав сплава М ние механических свойств и опробование режимов деформации проведено в производственных условиях. Деформируемые сплавы МА14 (отечественный) и ZK60A (зарубежный) относятся к системе Mg-Zn-Zr. Сплав МА14 в Российской Федерации начали применять в середине ХХ в. Его изготавливают по ГОСТ 14957-76. Первая публикация по сплаву ZK60A (Mg - 6 % Zn - 0,7 % Zr) появилась в 1946 г. [2]. В работах S. Bhan, Г. И. Морозовой, Е. Ф. Волковой и других приведены некоторые результаты исследований сплавов системы Mg-Zn-Zr [3-5]. В данной работе изучены полуфабрикаты сплава МА14 (табл. 1) и круглые слитки сплава ZK60A (табл. 2). Слитки режут на заготовки и после гомогенизации подвергают горячей объемной штамповке и искусственному старению. После определения механических свойств и структуры штамповки отправляют заказчику. Технология изготовления штамповки в открытом штампе предусматривает операцию изготовления заготовок (галет). В данной работе исследованы 15 осаженных в «торец» заготовок с разной степенью деформации. Исходные заготовки были разбиты на 5 групп (табл. 3). Редуцирование - процесс вытяжки круглой заготовки, заключающийся в уменьшении поперечного сечения путем всестороннего бокового обжатия. Давление в рабочем цилиндре пресса составляет 200, 100, 50 атмосфер соответственно, или 20, 10, 5 МПа. Таблица 1 (, % (масс.) по ГОСТ 14957-76 Основные компоненты Примеси, не более Мg Zn Zr А1 Cu Ni Si Be Fe Мп Прочие примеси Основа 5,0-6,0 0,3-0,9 0,05 0,05 0,005 0,05 0,002 0,03 0,1 0,3 Таблица 2 Химический состав сплава ZK60A, % (масс.) по ASTM В296 Основные компоненты Примеси, не более Mg Zn Zr A1 Cu Ni Si Fe Mn Прочие примеси Основа 5,18 0,58 - 0,0019 0,000 56 0,001 1 0,002 1 0,013 - 118 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева В каждой группе взяли по 3 заготовки, отличающиеся степенью деформации (табл. 4): 1) 0 290-310 мм; 2) 0 360-400 мм; 3) 0 505-590 мм. Так как при деформации происходило увеличение диаметра, то рассчитывали коэффициент осадки 1 по формуле 1 = FVFb (1) где F1 - площадь образца до деформации; F2 - площадь образца после деформации. Механические свойства галет приведены на рис. 1-4. Испытания проводили на трех образцах в радиальном (долевом) и хордовом (поперечном по ширине) направлениях. Сравнительный анализ механических Технология г свойств образцов, отобранных в долевом (из центральной зоны заготовки) и широтном (из периферийных зон) направлениях показал, что наиболее стабильные свойства имеют образцы в широтном направлении. Это предполагает наследственную структуру исходной заготовки и значительную анизотропию свойств в центральной зоне заготовок с различной степенью деформации. Поэтому показателями качества заготовок являлись характеристики временного сопротивления (св), условного предела текучести (с02) и относительного удлинения (5), полученные для образцов в хордовом направлении, что можно объяснить более высокой степенью проработки периферийных зон галет и подтвердить сравнительным анализом микроструктуры центра и периферии. Таблица 3 учения галет Группа Марка сплава Получение галет Усилие пресса, атмосфер (МПа) Маркировка на галетах 1 МА14 прессованный пруток 0 240 мм 100 (10) 7, 8, 9 2 литая заготовка 0 260 мм без дополнительной гомогенизации перед деформацией 200 (20) 1-2, 2-2, 3-2 3 ZK60A литая заготовка 0 260 мм после дополнительной гомогенизации перед деформацией 100 (10) 4, 5, 6 4 литая заготовка после редуцирования 0 220 мм с температурой деформации 330 °С (маркировка на галетах Р1, Р2, Р3) 50 (5) Р1, Р2, Р3 5 литая заготовка после редуцирования 0 220 мм с температурой деформации 270 °С 50 (5) Р4, Р5, Р6 Таблица 4 Значение коэффициента осадки Маркировка на галетах 4 5 6 7 8 9 1-1 1-2 3-2 Р1 Р2 Р3 Р4 Р5 Р6 Конечный диаметр, мм 310 370 590 290 360 520 310 400 560 290 350 505 310 350 505 Начальный диаметр, мм 260 240 260 220 Коэффициент осадки, 1 (при увеличении диаметра) 1,42 2,03 5,15 1,5 2,25 4,69 1,42 2,37 4,64 1,2 1,8 3,77 1,42 1,8 3,77 Рис. 1. Изменение временного сопротивления разрыву «долевых образцов» в зависимости от технологии изготовления заготовки 119 Технологические процессы и материалы ЛИТ ЛИТ ЛИТ 14-8 14-9 14-7 Обозначение заготовок Рис. 2. Изменение временного сопротивления разрыву «широтных образцов» в зависимости от технологии изготовления заготовки о 1 О -I-,-1-,-1-1-,-,-,-,-,-,-,-,-. Р-6 P-З МА 2-2 5 МА. 1-2 6 3-2 4 Р-5 Р-2 МА Р-1 Р-4 14-7 ЛИТ 14-9 Л/1Т ЛИТ 14-8 Обозначе ние заготовок Рис. 3. Изменение относительного удлинения «долевых образцов» в зависимости от технологии изготовления заготовки Рис. 4. Изменение относительного удлинения «широтных образцов» в зависимости от технологии изготовления заготовки Анализ результатов испытаний механических свойств позволил выявить наиболее низкие значения прочностных свойств и высокий уровень относительного удлинения у галет из сплава МА14 с высокой и средней степенью деформации. Близкие по значениям свойства получены у заготовок после редуцирования, но только с высокой степенью проработки. Самую низкую пластичность имеют галеты всех групп с малой степенью проработки. 120 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева Сопоставив механические свойства двух сплавов, можно сделать вывод о целесообразности применения сплава ZK60A. Для оценки стабильности свойств относительно выбора исходной заготовки показательным является анализ образцов в радиальном направлении. У образцов, отобранных из центральной зоны галет и прошедших операцию редуцирования, получены самые нестабильные результаты механических свойств относительно периферии. Для уточнения режимов изготовления штамповок из литых заготовок сплава ZK60A с применением операции редуцирования было дополнительно проведено пробное изготовление 3 штамповок. Результаты испытания механических свойств опытных штамповок приведены в табл. 5. Всего для испытания было отобрано 48 образцов: 12 - в долевом направлении, 24 - по ширине и 12 - по толщине. На основании полученных положительных результатов пробного изготовления штамповок было проведено редуцирование ряда заготовок различных плавок. Результат редуцирования оказался отрицательным - все заготовки не выдержали деформации и разрушились (рис. 5). Рис. 5. Разрушение заготовок после редуцирования Температуру в печи с находящимися на нагреве заготовками снизили на 20 °С, через 4 часа после выравнивания температуры воздуха в печи провели редуцирование. Результат получен положительный, разрушения не произошло. Очередную партию заготовок различных плавок редуцировали при установленной температуре, вновь получен отрицательный результат, заготовки разрушились. Проанализировав ранее полученные результаты и сопоставив полноту гомогенизации заготовок, очередную партию заготовок подвергли циклическому нагреву, после чего проведено редуцирование. Результат получен положительный. Необходимо отметить, что использование операции редуцирования приводит к снижению выхода годного материала и повышению общезаводских затрат. Поэтому предложено исключить операцию редуцирования из технологии получения штамповок. Вид осаженных заготовок № 4, 5, 6 представлен на рис. 6. Рис. 6. Вид осаженных заготовок из сплава ZK60A на 0 310 мм (№ 4), 0 370 мм (№ 5), 0 590 мм (№ 6) Исследование микроструктуры выполнено на образцах, отобранных из центральной и периферийной зон галет (рис. 7). Таблица 5 Уровень механических свойств пробных штамповок Направления вырезки образцов Статическая функция Характеристика ов, МПа о02, МПа 5, % Долевое Среднее значение 314 254 12,1 Интервал (min-max) 306-324 237-270 7,2-20 По ширине Среднее значение 304 230 13,3 Интервал (min-max) 293-311 192-257 8,8-20,8 По толщине Среднее значение 293 153 15,7 Интервал (min-max) 288-301 138-185 8-21,2 а б Рис. 7. Микроструктура образцов сплава ZK60A, вырезанных из центра (а) и периферии (б) заготовки № 4 0 310 мм (без редуцирования) 121 Технологические процессы и материалы В магниевых сплавах низкие скорости диффузионных процессов приводят в условиях неравновесной кристаллизации к сильному развитию дендритной ликвации (даже при малых скоростях охлаждения при затвердевании). Дендритная ликвация способствует снижению механических свойств и технологической пластичности слитков. Поэтому перед деформацией слитки необходимо подвергать гомогенизирующему отжигу [2], после которого все еще видны дендриты (рис. 7). Таким образом, проведенное опытно-промышленное изготовление штамповок из сплава ZK60A с применением редуцирования показало невозможность получения стабильных качественных штамповок из-за сложности оптимизации технологии гомогенизации исходного металла. Анализируя приведенные результаты, можно сделать вывод о возможности использования сплава ZK60A для изготавления крупногабаритных штамповок вместо МА14, так как галеты из сплава ZK60A имеют более высокие значения прочностных свойств, и целесообразности исключения операции редуцирования.

About the authors

T. A. Bogdanova

Email: bat@kandk.ru

G. A. Merkulova

Yu. V. Gorokhov

Email: 160949@list.ru

N. Yu. Skorokhodova

Email: sny@kramz.rusal.ru

S. V. Chernov

Email: chsv@kramz.rusal.ru

References

Supplementary files