Деформационное упрочнение литейных алюминиевых сплавов

Исследованы литейные алюминиевые сплавы, отличающиеся повышенной хрупкостью. Показано, что деформация гидропрессованием в сочетании с термообработкой повышает их прочностные и пластические характеристики...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2007
Автор:	Высоцкий, Е.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2007
Назва видання:	Физика и техника высоких давлений
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70391
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Деформационное упрочнение литейных алюминиевых сплавов / Е.Н. Высоцкий // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 4. — С. 100-108. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-70391
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-703912014-11-05T03:01:45Z Деформационное упрочнение литейных алюминиевых сплавов Высоцкий, Е.Н. Исследованы литейные алюминиевые сплавы, отличающиеся повышенной хрупкостью. Показано, что деформация гидропрессованием в сочетании с термообработкой повышает их прочностные и пластические характеристики Casting aluminium alloys of different promoted fragility have been investigated. It is shown that deformation by hydropressing combined with heat treatment improves their strength and plasticity characteristics. 2007 Article Деформационное упрочнение литейных алюминиевых сплавов / Е.Н. Высоцкий // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 4. — С. 100-108. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0868-5924 PASC: 81.40.Np http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70391 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Исследованы литейные алюминиевые сплавы, отличающиеся повышенной хрупкостью. Показано, что деформация гидропрессованием в сочетании с термообработкой повышает их прочностные и пластические характеристики
format	Article
author	Высоцкий, Е.Н.
spellingShingle	Высоцкий, Е.Н. Деформационное упрочнение литейных алюминиевых сплавов Физика и техника высоких давлений
author_facet	Высоцкий, Е.Н.
author_sort	Высоцкий, Е.Н.
title	Деформационное упрочнение литейных алюминиевых сплавов
title_short	Деформационное упрочнение литейных алюминиевых сплавов
title_full	Деформационное упрочнение литейных алюминиевых сплавов
title_fullStr	Деформационное упрочнение литейных алюминиевых сплавов
title_full_unstemmed	Деформационное упрочнение литейных алюминиевых сплавов
title_sort	деформационное упрочнение литейных алюминиевых сплавов
publisher	Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate	2007
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70391
citation_txt	Деформационное упрочнение литейных алюминиевых сплавов / Е.Н. Высоцкий // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 4. — С. 100-108. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv	AT vysockijen deformacionnoeupročnenielitejnyhalûminievyhsplavov
first_indexed	2025-07-05T19:39:00Z
last_indexed	2025-07-05T19:39:00Z
_version_	1836837073874583552
fulltext	Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 4 100 PASC: 81.40.Np Е.Н. Высоцкий ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ НПП «Станко Маш» ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина E-mail: stankomash2004@ukr.net Статья поступила в редакцию 22 марта 2007 года Исследованы литейные алюминиевые сплавы, отличающиеся повышенной хрупко- стью. Показано, что деформация гидропрессованием в сочетании с термообра- боткой повышает их прочностные и пластические характеристики. Введение Технические алюминиевые сплавы подразделяются на две группы: при- меняемые в деформированном виде (прессованном, катаном, кованом) и в литом. Литейные сплавы не должны содержать много эвтектики, которая ухудшает механические и некоторые технологические свойства. Все они мо- гут упрочняться в результате термической обработки, однако степень уп- рочнения при этом незначительна [1,2]. Для обеспечения долговечности и надежности насосов высокого давления к их деталям и гидромоторам, изготовленным из литейных алюминиевых сплавов, предъявляются требования повышенной прочности и пластичности. В условиях серийного производства корпуса, отлитые в кокиль из этих спла- вов, подвергают термообработке, которая практически не повышает их экс- плуатационные характеристики. Легирующие элементы, упрочняющие алюминий с образованием твердых растворов и хрупких выделений, пони- жают способность к деформированию при обработке давлением. Как известно, гидропрессование в определенном сочетании с термообра- боткой повышает прочностные и пластические характеристики материала. Благоприятная схема напряженно-деформированного состояния, реализуе- мая при гидропрессовании, позволяет не только деформировать такие мало- пластичные материалы, как литейные алюминиевые сплавы, но и повышать их эксплуатационные свойства [3]. Целью данной работы было изучение влияния холодного гидропрессова- ния на прочностные и пластические характеристики литейных алюминиевых сплавов. Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 4 101 Методика эксперимента Для изготовления корпусных деталей насосов и гидромоторов высокого давления применяются литейные алюминиевые сплавы АЛ9, АК7М3Ц2Мг и АМО7-3. В условиях серийного производства корпуса, отлитые в кокиль из сплава АЛ9, подвергают термообработке: закалке при температуре 535°C с вы- держкой в течение 4 h, охлаждением в воде при температуре 60−80°C и по- следующим старением при 150°C, 2 h. В результате такой обработки сплав имеет предел прочности на разрыв σb = 210 MPa, относительное удлинение δ = 2%, твердость 60 НВ. Сплав АК7М3Ц2Мг также отливают в кокиль и термообрабатывают – отжигают при 170°C в течение 7 h. При этом σb = 200 MPa, δ ≥ 0.5%, твер- дость 90−110 НВ. Из алюминиевого антифрикционного сплава АМО-7-3 изготавливают подшипники скольжения шестеренчатых насосов. Сплав, отлитый в кокиль, имеет невысокую твердость 75−115 HB, временное сопротивление разрыву σb = 170 MPa. Гидропрессование образцов проводили на прессе усилием 100 tf в кон- тейнере с диаметром рабочей камеры 21 mm через матрицу диаметром 12.5 mm со степенями деформации от 10 до 60% (через каждые 10%). Перед гидро- прессованием образцы фосфатировали в следующем растворе: ортофосфор- ная кислота – 330 ml/l, фтористый натрий – 3 g/l, двухромовокислый калий (хромпик) – 34 g/l, рабочая температура − 55°C, время выдержки – 35 min. После фосфатирования заготовки погружали на 5–10 s в 0.1%-ный раствор хромового ангидрида при температуре 18−20°C, высушивали теплым возду- хом до образования фосфатной пленки-покрытия коричневого цвета толщи- ной 20−30 μm. В качестве смазки применяли раствор: MoS2 – 25 g, клей БФ2 – 75 g, ацетон – 0.5 l. Для сравнения эффективности покрытий и смазок на алюминиевых сплавах гидропрессование со степенью деформации 50% осуществляли без фосфата и смазки. Давление в контейнере при этом не ко- лебалось, задиры и налипания не наблюдались, процесс гидропрессования был устойчив и составлял 0.54 MPa, как и в случае для гидропрессования заготовок с фосфатом и покрытиями. Давление в контейнере повышали мо- нотонно от 0.18 до 0.63 MPa и определяли по формуле 2 man cyl 2 cont , P d P d = где Рman – показания манометра, MPa; dcyl, dcont – диаметры соответственно ци- линдра пресса и контейнера, cm. С целью изучения влияния гидропрессования на свойства сплава АЛ9 было предложено три варианта технологических приемов обработки образцов: І – литое состояние + деформация + закалка, ІІ – литое состояние + деформация + закалка + старение, ІІІ − литое состояние + закалка + деформация + старение. Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 4 102 Для определения влияния режимов гидропрессования в различном соче- тании с термообработкой на свойства сплавов проводили испытания образ- цов на растяжение по стандартным методикам. Изготавливали круглые про- порциональные короткие образцы диаметром d0 = 6 mm и с расчетной дли- ной 5d0. Кроме того, исследовали микроструктуру на металлографическом микро- скопе и определяли изменение твердости на твердомере по Бринеллю (диа- метр шарика 10 mm, нагрузка 1 tf). Влияние гидропрессования на структуру и свойства алюминиевых сплавов Сплав АЛ9 (силумин) относится к числу доэвтектических алюминиевых сплавов. Структура его представляет собой первичные кристаллы α и эвтек- тику (α + Si). Кремний имеет переменную растворимость в алюминии, кото- рая возрастает от 0.1% при комнатной температуре до 1.65% при эвтектиче- ской (577°C). Нагревом сплава до температуры, близкой к эвтектической, и быстрым охлаждением можно получить пересыщенный твердый раствор кремния в алюминии, который при последующем старении распадается с выделением дисперсных частиц кремния, имеющих вид иголок, пластин или сфероидов. При этом упрочняющий эффект незначителен [4]. Таким обра- зом, двойные силумины относятся к числу термически неупрочняемых, об- ладающих невысокими прочностными характеристиками. Закалка образцов из AЛ9 при температуре 535 ± 10°C и времени выдержки 4 h с охлаждением в воде при температуре 60−80°C имеет твердость 70.6 НВ. Старение при температуре 150 ± 10°C с выдержкой 2 h и охлаждение на воз- духе повышают твердость до 78.3 НВ, а твердость литого состояния состав- ляет 60.9 НВ. Таким образом, твердость термообработанного силумина как при закалке, так и при старении повышается незначительно, поэтому на практике этот сплав часто только закаливают. Возросшие эксплуатационные параметры деталей гидросистем требуют повышения прочности алюминиевых сплавов. Поэтому гидропрессование алюминиевых сплавов типа силуминов может оказаться эффективным мето- дом повышения прочностных характеристик, обеспечивающих измельчение структурных хрупких составляющих [5]. Результаты испытания образов на растяжение из АЛ9 приведены на рис. 1. Как видно, изменение прочностных и пластических характеристик происхо- дит по-разному. Для I и II вариантов обработки эти изменения аналогичны, только старение несколько увеличивает прочностные характеристики с од- новременным уменьшением пластичности. Однако с повышением степени деформации образцов при этих вариантах обработки увеличиваются как прочность, так и пластичность. Прочность возрастает в 1.6 раза, пластич- ность − почти в 5−6 раз. Технологический ІII вариант повышает прочность Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 4 103 АЛ9 почти в 2 раза, а пластичность практически не увеличивает по срав- нению с І и ІІ вариантами. Изменение твердости для всех вариантов анало- гично изменению условного предела текучести (рис. 2). Изменение прочностных и пласти- ческих характеристик существенно взаимосвязано с изменением струк- турного состояния материала (рис. 3). Изучение структуры силумина пока- зало, что в литом состоянии наблюда- ется наличие твердого раствора α и эвтектики (α + Si) темного цвета, об- разующей каркас в виде пластин и иголок. После термообработки каркас разбивается, меняя свою форму и рас- пределение частиц кремния. Частицы кремния в основном округлой формы распределяются по границам зерен, наблюдаются также частицы в виде иголок и пластин. Деформация вносит существенный вклад в структурные изменения силумина АЛ9. Частицы чистого кремния в виде как сфериче- ских, так и иглоподобных выделений измельчаются и равномерно-прерывис- той цепочкой выделяются по грани- цам измельченных зерен. По всей ви- димости, выделение этих дисперсных твердых включений кремния предо- пределяет повышение прочностных и пластических характеристик сплава. Гидропрессование сплава АМО-7-3 аналогично, как и предыдущего спла- ва, позволило повысить прочностные и пластические свойства. Перед гид- ропрессованием образцы из АМО-7-3 гомогенизировали при температуре 450−470°C в течение 8 h. Гидропрес- сование проводили по обычной тех- нологии со степенью деформации 30−40%, но скорость истечения металла при этом контролировали в пределах 4–6 mm/s, что позволило повысить прочность в 1.5 и пластичность в 2–3 раза. Рис. 2. Зависимости твердости от сте- пени деформации для алюминиевых сплавов: 1, 2, 3 − АЛ9, обработанный по технологическим вариантам соот- ветственно І, ІІ, ІІІ; 4 − АК7М3Ц2Мг; 5 − АМО-7-3 Рис. 1. Зависимости прочностных ха- рактеристик σb (сплошные кривые) и σ0.2 (штриховые), а также пластиче- ских δ (сплошные) и ψ (штриховые) алюминиевого сплава АЛ9 от степени деформации ε и от варианта обработ- ки: ○ − I вариант, Δ − II, □ − III Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 4 104 а б в г д е Рис. 3. Микроструктура алюминиевого сплава АЛ9 при различных вариантах тер- мообработки и деформации (×200): а – литое состояние, б − литое состояние + за- калка, в − литое состояние + закалка + старение, г – литое состояние + деформация 50% + закалка, д – литое состояние + деформация 50% + закалка + старение, е – литое состояние + закалка + деформация 50% + старение Для изготовления корпусных деталей шестеренчатых насосов гидромото- ров применяется также специальный сплав повышенной прочности АК7М3Ц2Мг. Элементы Cu, Zn, Si, Mg, упрочняющие алюминий за счет об- разования твердых растворов и мелких выделений, понижают его способ- ность деформироваться при обработке давлением [4]. Поэтому при гидро- Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 4 105 прессовании данного сплава, отличающегося повышенной хрупкостью, практически невозможно было получить качественные прессовки − они не только растрескивались, но и просто рассыпались. В связи с этим предвари- тельно перед гидропрессованием проводили стабилизирующий отжиг при температуре 170°C в течение 7 h с охлаждением на воздухе. Однако это не улучшило способность сплава к деформированию, и при гидропрессовании отожженные образцы также рассыпались. Как известно, способность таких сплавов к формоизменению улучшается с ростом температуры отжига и достигает максимума в интервале 370−455°C. С учетом этого обстоятельства был применен гомогенизирую- щий отжиг для сплава АК7М3Ц2Мг при температуре 400 ± 20°C с различ- ной выдержкой (3 и 5 h). Твердость исходного материала составляла 81 НВ, а после отжига понижалась до 61 НВ при выдержке как в течение 3 h, так и 5 h. Поэтому предварительно проводили гомогенизирующий отжиг при темпе- ратуре 400°C в течение 3 h. Перед гидропрессованием образцы покрывали смазкой МоS2 и омыливали, процесс гидропрессования шел стабильно, об- разцы получались качественными без трещин и расслоений. После гидро- прессования образцы подвергали стабилизирующему отжигу при температуре а б в г Рис. 4. Микроструктура алюминиевого сплава АК7М3Ц2Мг (×200): а – литое состояние; б − литое состояние + отжиг 170°C, 7 h; в – литое состояние + гомогенизирующий отжиг 400°С, 3 h; г − литое состоя- ние + гомогенизирующий отжиг 400°С, 3 h + дефор- мация 40% + стабилизирующий отжиг при 170°С, 3 h Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 4 106 170 ± 20°C в течение 3 h. Исследова- ния изменения твердости показали, что с повышением степени деформа- ции наблюдается упрочнение алюми- ниевого сплава до деформации 50% (см. рис. 2). При степени деформации 60% заметно разупрочнение, что, по всей видимости, связано с рекристал- лизацией этого материала. Изучение структуры сплава АК7М3Ц2Мг проводили на всех тех- нологических стадиях. Структура ис- ходного литого материала (рис. 4) представляет собой первичные денд- риты твердого раствора, неоднород- ные по составу и размерам. По грани- цам дендритов имеется каркас хрупкой фазы сложного состава, к примеру Mg2Si, Al2CuMg, Al2Mg3Zn3 и др. Стабилизирующий отжиг уменьшает в некоторой степени внутриденд- ритную ликвацию, хрупкие фазы растворяются, увеличивая концентрацию твердого раствора. Гомогенизация сплава при 400°C увеличивает однород- ность материала, дендриты приобретают округлую форму, происходит пере- распределение хрупких фаз, по границам дендритов выделяются еще не- большие светлые включения, по всей вероятности, содержащие кремний. Существенное влияние на структуру оказывает деформация. Так, при де- формации 40% дендриты измельчаются, приобретают более круглую форму. Участки хрупкой фазы уменьшаются и равномерно обволакивают измель- ченные дендриты. Результаты прочностных испытаний сплава АК7М3Ц2Мг после гидро- прессования при различных степенях деформации приведены на рис. 5. С по- вышением степени деформации прочность сплава монотонно повышается и при ε = 50% увеличивается вдвое. С ростом степени деформации повышаются также и пластические характеристики материала в 3−4 раза. Однако даже при таком повышении прочностных и пластических характеристик этот сплав остается довольно хрупким и с трудом может конкурировать с алю- миниевым сплавом АЛ9, который обладает более высокой пластичностью при равнозначной прочности. Оценка динамической прочности при циклическом нагружении упрочненных алюминиевых сплавов Особое значение для исследуемых алюминиевых сплавов имеет динами- ческая прочность, т.е. способность материала быть устойчивым к образова- нию трещин при циклических нагружениях. Обычно для конструкций жела- Рис. 5. Зависимости прочностных и пластических характеристик сплава АК7М3Ц2Мг от степени деформации Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 4 107 тельны материалы, которые способны упрочняться в процессе циклического деформирования. Склонность металлических материалов при этом к упроч- нению или разупрочнению определяется отношением временного сопротив- ления к условному пределу текучести (σb/σ0.2). По литературным данным [6], все материалы с σb/σ0.2 < 1.2 при циклическом деформировании разу- прочняются, а материалы с σb/σ0.2 > 1.4 − упрочняются. При 1.2 < σb/σ0.2 < 1.4 может происходить либо упрочнение, либо разу- прочнение. Пользуясь этим положением, можно сказать, что в процессе циклического нагружения упрочненные сплавы АК7М3Ц2Мг и АЛ9, обра- ботанный по технологии ІІІ варианта, будут разупрочняться, а сплав АЛ9, обработанный по технологии І и ІІ вариантов, будет упрочняться (таблица). Таблица Характеристики упрочнения и разупрочнения в процессе циклического нагружения цветных алюминиевых сплавов Сплав Вариант обработки σb, MPa σ0.2, MPa σb/σ0.2 І 276 140 1.97 ІІ 306 203 1.5АЛ9 ІІІ 349 336 1.04 АК7М3Ц2Мг 312 287 1.08 Анализируя приведенные расчеты, можно утверждать, что сплав АЛ9, обработанный по ІІ варианту, наиболее полно отвечает требованиям, предъ- являемым к корпусным деталям, работающим при циклических нагружениях. Выводы 1. Литейные алюминиевые сплавы могут успешно подвергаться гидро- прессованию со степенью деформации до 50% благодаря схеме напряженно- деформированного состояния. 2. Деформация гидропрессованием позволяет существенно изменять структурное состояние исследуемых сплавов, повышать их прочность в 1.7−2 раза и пластичность в 3−5 раз. 3. Деформация гидропрессованием в сочетании с термообработкой по- вышает динамическую прочность сплава АЛ9 при циклическом нагружении. 1. Алюминиевые сплавы, М.Е. Дриц, Л.Х. Райтбарг (ред.), Мир, Москва (1979). 2. А.П. Смирягин, Н.А. Смирягина, А.П. Белов, Промышленные цветные металлы и сплавы. Справочник, Мир, Москва (1974). 3. В.П. Саакьянц, Е.Н. Высоцкий, А.С. Горбунов, А.В. Чернышов, В.С. Ковико, Всесоюзн. научн.-техн. конф. исполнителей программы «Металл», Абакан, 26−30 сент. 1988 г. Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 4 108 4. Б.А. Колачев, В.А. Ливанов, В.И. Елагин, Металловедение и термическая обра- ботка цветных металлов и сплавов, Металлургия, Москва (1972). 5. В.С. Ковико, Е.Н. Высоцкий, В.П. Саакьянц, XIV научн. семинар «Влияние вы- соких давлений на вещество», Киев, 1991 г. 6. В.М. Горицкий, В.Ф. Тереньтьев, Структура и усталостное разрушение метал- лов, Металлургия, Москва (1980). E.N. Vysotsky STRAIN HARDENING OF CASTING ALUMINIUM ALLOYS Casting aluminium alloys of different promoted fragility have been investigated. It is shown that deformation by hydropressing combined with heat treatment improves their strength and plasticity characteristics. Fig. 1. Dependences of strength σb (solid curves) and σ0.2 (dashed) as well as of plastic δ (solid) and ψ (dashed) characteristics of aluminium alloy AЛ9 on deformation ratio ε and on treatment variant: ○ − I variant, Δ − II, □ − III Fig. 2. Dependences of hardness on deformation ratio for aluminium alloys: 1, 2, 3 − AЛ9 treated by technological variants І, ІІ, ІІІ, respectively; 4 − АК7М3Ц2Мг; 5 − АМО-7-3 Fig. 3. Microstructure of aluminium alloy AЛ9 at different variants of heat treatment and deformation (×200): а − cast state, б − cast state + quenching, в − cast state + quenching + + ageing, г − cast state + 50% deformation + quenching, д − cast state + 50% deformation + + ageing, е − cast state + quenching + 50% deformation + ageing Fig. 4. Microstructure of aluminium alloy АК7М3Ц2Мг (×200): а − cast state; б − cast state + 170°С annealing, 7 h; в − cast state + 400°C homogenization annealing, 3 h + + 40% deformation + 170°C stabilization annealing, 3 h Fig. 5. Dependences of strength and plasticity characteristics of alloy АК7М3Ц2Мг on deformation ratio

Деформационное упрочнение литейных алюминиевых сплавов

Репозитарії

Схожі ресурси