THE MANUFACTURE OF PARTS OF THE VEHICLE BY LIQUID FORGING OUT OF ALLOY АК7

Full Text

Введение. Физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики металлоизделий, получаемых в результате их формирования из жидкого состояния с применением различных способов литья, определяются степенью дисперсности кристаллической структуры: чем мельче структурные составляющие сплава в отлитой детали, тем ее характеристики выше. Общепринятые способы и средства, применяемые с целью измельчения (модифицирования) структуры отливок, заключаются во введении в расплав дополнительных центров кристаллизации в виде лигатур, представляющих собой двойные или тройные сплавы, состоящие из основного компонента сплава (до 90 % и больше) и модифицирующего средства [1-4]. Применяется большое количество веществ и способов модифицирования, однако суть их всех, в конечном счете, заключается во введении в металлический расплав частиц, которые по первому механизму либо служат самостоятельными центрами кристаллизации («прямое» гетерогенное зародышеобразование), либо образуют таковые в результате взаимодействия с расплавом, а по второму механизму блокируют рост возникающих в охлаждающемся расплаве кристаллических образований. В результате модифицирования измельчается либо макрозерно, либо структурные составляющие на микроуровне (возможно и сочетание обоих процессов), включая изменение геометрии выделений интерметаллических фаз с иглообразной, способствующей возникновению концентрации напряжений и развитию трещин, на глобулярную или близкую к ней, что предотвращает опасность возникновения трещин. Результатом модифицирования металлических композиций является увеличение прочностных и пластических характеристик литых изделий. Однако существенными недостатками лигатур, которые производятся в виде чушек (слитки массой в десятки килограмм), является, во-первых, их насыщенность газами ввиду перегрева расплава при их приготовлении, во-вторых, достаточно большая длительность их растворения в жидком металле и, в-третьих, присутствие в них потенциальных центров кристаллизации (обычно это химические соединения), которые имеют большой разброс по размерам, в связи с чем не все из них могут выполнять роль зародышей. Наномодифицирование сплавов. В связи с этим в последние годы разработан более эффективный способ модифицирования [5-7], при котором в расплав вводятся нанопорошки (НП) тугоплавких химических соединений (нитриды, бориды, карбиды и др. - опробовано более 20 соединений), которые представляют собой сверхмелкозернистые кристаллические или аморфные образования с размерами, не превышающими 100 нм (1 нм = 10-9 м) [5-7], получаемые методом плазмохимического синтеза [8]. Частицы НП представляют собой готовые центры кристаллизации [9]. При этом оказалось, что существующие способы введения порошкообразных добавок в металлические расплавы не могли быть приняты при использовании НП вследствие их особых свойств по сравнению с более крупными порошками. Так, частицы НП легко «слипаются», их окисление начинается при сравнительно низких температурах, и, что особенно важно для выполнения роли центров кристаллизации, они плохо смачиваются жидким металлом. Несмотря на высокую плотность (от 1380 кг/м3 - TaN до 2510 кг/м3 - В4С), НП легко образуют в воздухе пылевидную взвесь, при определенных условиях самовозгорающуюся и даже взрывоопасную. Все это делает практически невозможным прямое введение НП в расплавы. Способ изготовления наномодифицирующего прутка. По указанным причинам и ряду других причин был разработан [5; 8; 10; 11] способ введения НП в расплав, обеспечивающий беспрепятственное проникновение частиц через окисную пленку на поверхности жидкого металла, исключение агрегирования и контролируемое дозирование. С этой целью производили прессование прутков диаметром от 5,0 до 9,5 мм из композиции, состоящей из частиц алюминия или алюминиевых деформируемых сплавов (порошки, крупка, гранулы, «сечка» из проволоки) и НП, приготовленной путем перемешивания в контейнере с горизонтальной эксцентричной осью вращения. Содержание НП в прутках составляло 1,5-2,7 мас. %, а при применении предварительной механоактивации прессуемой композиции в планетарной мельнице с применением стальных шариков - до 7,7 мас. % НП [12], что связано с раздроблением окисной пленки на частицах алюминия, в результате чего увеличивается количество частиц НП, внедрившихся в алюминий. Полученные таким способом прутки имели тонкостенную оболочку (десятые доли мм), внутренний объем которых состоял из параллельных волокон [13] (рис. 1). Такая структура прутков объясняется тем, что из-за нахождения на поверхности частиц алюминия частиц НП в процессе экструзии частицы алюминия деформировались изолированно друг от друга, как бы в оболочке из частиц НП, что подтверждается результатами микроскопического изучения поверхности как частиц алюминия, так и волокон. Оказалось, что волокна полностью покрыты прочно внедрившимися в их поверхность частицами НП. При этом в прутках Æ 9,5 мм насчитывалось от 1100 до 1200 волокон сечением 0,005-0,075 мм2. Расчет показал, что длина таких волокон в зависимости от размера частиц алюминия находилась в диапазоне 400-3200 мм. Очевидно, что суммарная площадь волокон имеет значительную величину, что обеспечивает равномерное распределение частиц НП по всему объему прутка. От размеров прессуемых частиц, т. е. от площади их поверхности, зависит содержание НП в объеме прутка. Чем они меньше, тем суммарная площадь находящихся в объеме контейнера частиц алюминия больше, следовательно, в прутке будет содержаться больше НП. Все опробованные в качестве модификаторов нанопорошки, полученные как методом плазмохимического синтеза (AlN, Al2O3, B4C, BN, Cr2O3, HfB2, HfN, LaB6, SiC, Si3N4, TaN, TiCxNy, TiCxNyOz, TiN, TiO2, Ti5Si3, VC, VCN, ZrB2) [8], так и методом электродугового синтеза (Al2O3) [14], показали высокую степень измельчения структуры целого ряда алюминиевых деформируемых и литейных сплавов, чугунов и сталей [5-7]. DSC04151 пруток DSC04141 а б в г Рис. 1. Прутки, отпрессованные из композиции «частицы алюминия + нанопорошок», приготовленной при перемешивании в контейнере с горизонтальной эксцентричной осью вращения: а - Æ 9,5 мм, L = 4,0 м (черная полоска в нижней части - линейка длиной 160 мм); б, в - пруток Æ 9,5 мм со вспоротой оболочкой; г - пруток Æ 5,0 мм со вспоротой оболочкой, отпрессованный из механоактивированной композиции «порошок алюминия + нанопорошок» При этом достаточное количество НП для получения максимального эффекта измельчения структуры сплавов и, как результат, повышения механических свойств литых изделий составляло 0,05-0,08 мас. % от массы сплава, а в отдельных случаях даже до 0,004 мас. %. Можно полагать, что универсальность модифицирующего воздействия НП на различные металлы и сплавы связана со свойствами используемых в работе для этой цели нанопорошков. Во-первых, все они имеют высокую твердость и высокую температуру плавления, во-вторых, они не обладают высокой реакционной способностью, в-третьих, они обладают высокой седиментационной устойчивостью в жидкостях. Если значение двух первых свойств достаточно понятно, то относительно третьей характеристики можно сказать следующее. Даже если вводимые в металлические расплавы известные модифицирующие агенты по известному набору характеристик [1-4] отвечают соответствующим требованиям, то не во всех случаях они работают достаточно эффективно из-за оседания под действием силы тяжести. Частицы же НП обладают исключительно высокой седиментационной устойчивостью из-за своих малых размеров и высокой удельной поверхности по причине, установленной еще в 1905 г. А. Эйнштейном [15], который показал, что для частиц размером до 1 мкм энергии броуновского движения достаточно для того, чтобы они находились в постоянном движении и не оседали под действием силы тяжести. Поэтому частицы НП, можно сказать, обладают двойным модифицирующим воздействием: во-первых, они служат центрами кристаллизации, во-вторых, будучи весьма многочисленными по количеству и находясь длительное время во взвешенном состоянии, блокируют диффузию соответствующих атомов (кластеров, блоков) к зарождающимся и растущим кристаллам, что, в конечном счете, и способствует формированию мелкокристаллической структуры литых изделий. Кроме того, как уже было нами установлено [16], частицы НП могут упрочнять присутствующие в расплавах интерметаллические соединения. Все эти эффекты и ведут к повышению механических свойств литых изделий. Жидкая штамповка деталей из наномодифицированного сплава. Однако, несмотря на повышение прочности механических литых деталей в результате модифицирования, в том числе и нанопорошками, не всегда удается избежать возникновения в отливках дефектов усадочного происхождения, присутствующих в виде рассеянных или сосредоточенных пустот, что связано с недостатком питания жидким металлом затвердевающего металла [17; 18]. При этом в усадочные пустоты может выделяться и присутствующий в жидком металле водород, образуя так называемые газово-усадочные пустоты [19]. В результате чего уменьшается фактическое рабочее сечение деталей, что снижает их механические свойства, а в случае эксплуатации под давлением, например в составе двигателей летательных аппаратов, - и герметичность. В связи с этим нами была разработана технология изготовления деталей, сочетающая как результат измельчение структуры с помощью нанопорошка, так и повышение плотности металла с помощью жидкой штамповки. Суть такой технологии заключается, во-первых, во введении в расплав НП (операция модифицирования), во-вторых, в заливке сплава в матрицу и последующем его прессовании (рис. 2) [20]. НП вводили в рассчитанной длине прутка, объем которого содержал требуемое его количество - до 0,05 мас. %. Применение жидкой штамповки для изготовления деталей известно еще с 50-х гг. прошлого столетия [21], включая применение этой технологии для получения деталей из различных цветных металлов и сплавов [22], в том числе и из алюминиево-кремниевых сплавов [23; 24]. Устройство типичного штампа, конструкция которого аналогична используемой в настоящей работе, приведено на рис. 3 [24]. Объектом исследования служила деталь типа «переходник» силового агрегата летательного аппарата массой 2,5 кг, работающая в условиях высоких нагрузок, для изготовления которой применяли алюминиево-кремниевый сплав АК7ч (6,0-8,0 % Si; 0,2-0,4 % Mg; 02-0,6 % Mn; ост. - Al), который готовили в индукционной печи в графитошамотовом тигле с рафинированием гексахлорэтаном С2Сl6. Модифицирование производили НП карбида бора В4С, полученного методом плазмохимического синтеза [8], в результате его введения в жидкий металл (до 0,5 мас. %) в объеме предварительно отпрессованного прутка (Æ 5,0 мм). После растворения основы прутка (алюминия) сплав выдерживали 15-20 с и заливали его в матрицу при 953-973 К. Затем производили штамповку детали при удельном давлении 491106 МПа. Результаты испытаний механических свойств образцов, вырезанных из штамповок, термообработанных по режиму Т5, показали (табл. 1), что по сравнению со стандартной технологией подготовки расплава временное сопротивление σв модифицированного В4С и затем отштампованного сплава возросло на 8,37 % (с 245,0 до 265,5 МПа), а относительное удлинение δ  в 2,1 раза (с 4,9 до 10,1 %). При этом твердость НВ осталась на прежнем уровне  620 МПа. По ГОСТ 1583-93 требуется σв  210 МПа и δ  2,0 %. Изучение микроструктуры показало, что НП В4С приводит к существенному измельчению дендритов первичного a-твердого раствора и эвтектики. Кроме того, по результатам рентгенопросвечивания и изучения шлифов темплетов, вырезанных из штамповок, пористость и газово-усадочные раковины не выявлялись. Следует при этом отметить, что определенный вклад в эффект модифицирования вносит и оксид алюминия, присутствующий в виде пленки на частицах алюминия, которые являются основой композиции (частицы алюминия + НП), из которой прессуют модифицирующий пруток, что нами установлено в работе [25], например, при полунепрерывном литье слитков Æ 120 мм из сплава Д1, когда в лунку кристаллизатора вводили отпрессованный из гранул этого же сплава пруток Æ 9,5 мм. Отлитые слитки прессовали в прутки Æ 16 мм. Испытания механических свойств этих прутков показали (табл. 2), что в результате введения в расплав прутка, отпрессованного из гранул сплава Д1, их прочностные свойства оказались выше свойств прутков, отпрессованных из слитков из сплава Д1, в который не вводили прутки из гранул. При этом также повышается и относительное удлинение, характеризующее пластичность сплава. а б в Рис. 2. Схема получения детали штамповкой жидкого металла: а - заливка жидкого металла; б - прессование; в - извлечение готовой детали; 1 - пресс-форма (матрица); 2 - жидкий металл; 3 - заливочный ковш; 4 - пуансон; 5 - отпрессованная деталь [20] Рис. 3. Штамп для изготовления деталей из алюминиевых сплавов способом жидкой штамповки: 1 - верхняя плита штампа; 2, 8, 13 - винтовые болты; 3 - промежуточная плита; 4 - внешний пуансон; 5 - пуансон; 6, 14 - внутренние гильзы штампа; 7 - нижняя плита штампа; 9 - выталкиватель отштампованной детали; 10 - установочный болт; 11 - поршень; 12 - головка выталкивателя; 15 - установочный штифт; 16 - основная плита штампа; отшампованная деталь расположена между деталями штампа 5, 6, 7, 12 [24] Таблица 1 Влияние наномодифицирования и жидкой штамповки на механические свойства детали из сплава АК7ч Технология литья Временное сопротивление sв, МПа Относительное удлинение d, % Величина Прирост Величина Прирост Стандартная технология 245,0 - 4,9 - Модифицирование В4С + жидкая штамповка 265,5 8,37 % 10,1 в 2,1 раза ГОСТ 1583-89 210,0 - - - Таблица 2 Механические свойства прутков Æ 16 мм, отпрессованных из слитков Æ 120 мм, отлитых полунепрерывным способом из сплава Д1, в зависимости от технологии воздействия на расплав Технология литья слитка Временное сопротивление sв Предел текучести s0,2 Относительное удлинение d Величина, МПа/прирост, % Величина, МПа/прирост, % Величина, %/прирост, % Литье слитка по стандартной технологии 420/- 280/- 12,4/- 465/10,71 335/19,64 13,8/11,11 Механизм этого эффекта заключается в следующем. В обычных условиях алюминий, включая и частицы алюминиевых сплавов, покрыт окисной пленкой толщиной всего 10-5 мм, которая представляет собой наиболее устойчивую форму окиси алюминия модификацию a-Аl2О3, температура плавления которой составляет 2050 °С и которая обладает исключительно высокой твердостью - 30,2 ед HRC или 1000 МПа по Бринеллю, твердость по Моосу - 9 ед. При прессовании контейнера с гранулами в фильере пресса возникают значительные усилия (по расчетам для фильеры Æ 9,5 мм - 300 МПа), что приводит к раздроблению хрупкой окисной пленки a-Аl2О3 на дисперсные частицы, которые и могут служить дополнительными центрами кристаллизации. Равномерность распределения раздробленных частиц по объему слитка обеспечивается турбулентностью расплава в лунке кристаллизатора, что подтверждается структурой шлифа продольного сечения слитка, на котором выявляется четкая линия раздела, повторяющая контур лунки и отделяющая объем слитка, в который вводили пруток и который характеризуется однородной мелкокристаллической структурой по всему сечению, от структуры металла до введения прутка, которая характеризуется обычным для слитков строением: прилегающая к стенке водоохлаждаемого кристаллизатора наружная зона слитка имеет мелкокристаллическую структуру, затем следует зона столбчатой структуры с направлением кристаллов к центру слитка, и в центре слитка располагается зона крупных равноосных кристаллов. Заключение. В результате выполненного исследования разработана комплексная двухэтапная технология получения деталей, комплектующих изделия летательной аппаратуры, заключающаяся на первом этапе (приготовление сплава) в модифицировании сплава путем введения в жидкий металл нанопорошка нитрида бора, и на втором этапе - в прессовании из этого сплава деталей, что привело к повышению их прочности (на 8,37 %) и пластичности (в 2,1 раза) по сравнению со стандартной технологией. При этом прочность оказалась выше требований ГОСТ 1583-89 на 26,2 %, а пластичность - в 5,0 раз.

About the authors

G. G. Krushenko

Institute of Computational Modeling SB RAS

Email: genry@icm.krasn.ru
50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

References

Supplementary files