Исследование и разработка алюминиевого сплава для сверхпластической формовки с повышенными скоростями деформации

Содержание

• Актуальность работы

Повышение эффективности производства и качества изделий из алюминиевых сплавов в условиях мелко- и среднесерийного производства может быть обеспечено сверхпластической формовкой (СПФ) листовых заготовок с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой. По сравнению с традиционными методами получения таких изделий многооперационной листовой штамповкой СПФ обладает рядом преимуществ, к числу которых относятся низкие капиталозатраты и трудоемкость изготовления изделий, высокий коэффициент использования металла, возможность получения сложнопрофильных изделий на маломощном прессовом оборудовании и простой, дешевой оснастке.

В последние два десятилетия детали из алюминиевых сплавов все более часто находят применение в автомобилестроении. Предполагается, что к 2006 г. доля алюминия превысит по объему применения в автомобилях объем деталей из пластмасс и выйдет на второе место после стали. Интерес к использованию алюминия в автомобилестроении обусловлен перспективами снижения веса и, соответственно, экономии топлива. Используя сверхпластичные листы, можно из них методом СПФ получать детали сложной формы с требуемым уровнем эксплуатационных свойств. Однако применение СПФ в производстве повышенных объемов серийно производимых моделей автомобилей сдерживается тем, что легкодоступные в настоящее время сверхпластичные алюминиевые сплавы обладают невысокими скоростями сверхпластической деформации (СПД). Из-за этого детали средней сложности требуют для формовки около 30 мин. Поэтому актуальна разработка недорогого алюминиевого сплава и технологии получения из него листов, обладающего повышенными скоростями сверхпластической деформации, т.к. повышение скорости формовки хотя бы в 2 — 3 раза во столько же раз повышает производительность СПФ и делает ее конкурентно способной в среднесерийном производстве.

В работе в качестве объекта исследования были выбраны сплавы системы А1-М?-Мп (магналии). Эти сплавы относятся к термически неупрочняемым среднепрочным свариваемым сплавам и обладают высокими коррозионными свойствами.

Научная новизна

Показано, что введение добавки хрома к магналиям с концентрацией магния от 2 до 9% М£ приводит к проявлению сверхпластичности у всех этих магналиев, при этом с увеличением содержания магния в этих сплавах в присутствии хрома улучшаются показатели сверхпластичности: смещается интервал проявления сверхпластичности в сторону больших скоростей деформации, увеличивается показатель ш, снижается напряжение течения и увеличивается удлинение. Изучение микроэлектронограмм позволило выявить в структуре сплава АМгбсп после гомогенизации фазы А16(Мп, Сг) и А^СггМ^з. Методом количественного анализа показано, что добавка хрома не влияет на форму и размеры вторичных выделений после литья и гомогенизации, а различия в структуре конечного листа обусловлены отличиями в процессе деления дисперсоидов в время горячей и холодной прокатки. Электронно-микроскопическими исследованиями показано, что во время горячей деформации сплава с хром-марганцевым алюминидом деление выделившихся при гомогенизации частиц происходит по механизму фрагментации и сфероидизации цементита в стали, путем образования перетяжек и перемычек, а при холодной прокатке алюминиды в этом сплаве (АМгбсп) диспергируются более интенсивно, чем в сплаве АМгб. Выявлено, что фрагментация и сфероидизация хром-марганцевых алюминидов при горячей прокатке и последующее их диспергирование при холодной прокатке приводит к измельчению дисперсоидов до 60 нм, эти частицы создают условия для формирования более мелкого зерна. Электронно-микроскопическим анализом установлено, что в системе А1 — - Сг алюминиды хрома при гомогенизации выделяются по периферии дендритной ячейки, в отличие от системы А1 — Сг, где алюминиды выделяются в центре дендритной ячейки в соответствии с перитектической диаграммой состояния. Высокие показатели сверхпластичности листа из сплава АМгбсп объясняются более мелким зерном, замедленным его ростом и протеканием динамической рекристаллизации во время сверхпластической деформации.

Практическая значимость работы

Предложен сверхпластичный сплав — магналий, состава А1 — 6,3−6,8% М§- - 0,5−0,8% Мп — 0,2−0,35% Сг — 0,1% И, с повышенными показателями сверхпластичности, который был условно назван АМгбсп. Установлено, что при скорости охлаждения слитков из сплава АМгбсп меньше 10 К/с выделяются грубые первичные кристаллы алюминидов марганца и хрома, что делает невозможным получение структуры с мелким зерном. Исследована и разработана технологическая схема и режимы получения сверхпластичных листов из сплава АМгбсп. Технология получения листа для СПФ включает в себя традиционные операции: гомогенизационный отжиг, горячую прокатку, холодную прокатку с промежуточным рекристаллизационным отжигом. Показано, что использование алюминия марки А7 вместо А99 не сильно снижает показатели сверхпластичности сплава АМгбсп. Экспериментально изучены показатели сверхпластичности сплава АМгбсп в широком интервале скоростей и температур деформации и построена сплайн — матричная модель этих показателей, использование которой в сочетании с методом конечных элементов для описания поведения оболочки деформируемого материала, позволила рассчитывать графики формовки (давление газа — время) осесимметричных деталей. Эта сплайн-матричная модель опробована на двух сплавах (титановом ВТ6 и алюминиевом АМгбсп) применительно к формовке опытных деталей, на примере которых показано, что разработанный подход позволяет предсказывать форму детали в любой момент времени формовки и ее разнотолщинность с точностью не хуже 10%. ь

ВВЕДЕНИЕ 5