Введение

Создание конкурентоспособных на мировом рынке изделий авиационной и космической техники и изделий двойного назначения нового поколения требует разработки и освоения промышленного производства новых материалов, в том числе алюминиевых деформируемых сплавов с требуемым комплексом механических, коррозионных и эксплуатационных свойств [1–5].

Сплавы системы Al–Mg–Si обладают высокой технологичностью при прессовании в сочетании с относительно высокой прочностью и высокой коррозионной стойкостью [6, 7] и свариваемости, благодаря чему интерес к ним для применения в авиа- и машиностроении растет год от года [8]. Однако на механические свойства прессованных профилей, помимо других факторов, сильно влияет конечный размер зерна. В частности, локальная рекристаллизация на периферии профиля, известная как крупнокристаллический ободок (ККО), уменьшает ресурсные характеристики (выносливость), а также коррозионную стойкость [9].

В исследованиях различных авторов показано, что причиной образования ККО могут служить как неоднородность химического состава и микрохимия периферийных зон профилей [10], связанные с внутрикристаллической ликвацией марганца (или хрома) [11], так и параметры деформации при прессовании [12], а также проводятся работы по детальному исследованию изменения микроструктуры периферийных зон прессованных полуфабрикатов сплавов системы Al–Mg–Si с целью установления закономерностей периферийной рекристаллизации, роста зерна и образования ККО [13].

При прессовании прямым методом (без смазки контейнера) структура и механические свойства изделий из ряда алюминиевых сплавов системы Al–Mg–Si могут быть неравномерными по сечению и длине. Это объясняется неравномерным истечением металла в результате влияния большой силы трения между поверхностями слитка и контейнера. Возникает смещение внутренней части слитка относительно наружных слоев и образуются два объема деформации – центральный и периферийный, значительно отличающиеся по характеру и степени деформации. В центральном объеме деформация происходит под действием всестороннего неравномерного сжатия и зерна вытягиваются без разрушения границ. Деформация в периферийном объеме неравномерная и имеет «турбулентный» характер. Физическая степень деформации очень высокая. Распространение зоны этого вида деформации по сечению изделия возрастает с увеличением степени деформации при прессовании: она может занимать все сечение или образовывать ободок, ширина которого уменьшается от пресс-остатка к выходному концу изделия. Ободок также сохраняется в штамповках, изготовленных из прессованной заготовки с ККО. Зона ККО в массивных прессованных изделиях имеет повышенную склонность к образованию трещин при закалке [13].

Сплав В-1341 системы Al–Mg–Si разработан ведущими специалистами-материаловедами ФГУП «ВИАМ» [14, 15]. Листы из него при средней прочности имеют высокую коррозионную стойкость и технологичность при холодном формообразовании, хорошо свариваются. Сплав дополнительно легирован модифицирующими добавками кальция, который измельчает зерно и снижает склонность к образованию горячих трещин, что отражено во многих работах по промышленному освоению и всесторонним исследованиям листов из этого сплава [16–19].

В работах многих авторов [20–23] установлено положительное влияние кальция на структуру, механические свойства, технологичность и свариваемость некоторых алюминиевых сплавов. По мнению других авторов механизм влияния кальция на свойства алюминиевых сплавов определяется системой легирования и является довольно сложным и малоизученным [24]. Но, несмотря на это, в последние годы наблюдается тенденция по введению кальция в качестве легирующего элемента в алюминиевые как деформируемые, так и литейные [25, 26], и магниевые сплавы, о чем свидетельствуют многочисленные работы [27–29].

Благодаря тому, что сплав В-1341 обладает высокой технологичностью при литье и обработке давлением, помимо листов возможно изготовление широкой номенклатуры полуфабрикатов – например прессованных профилей. В данной работе приведены результаты исследований влияния температуры деформации на структуру и свойства массивных прессованных профилей из сплава В-1341 при изготовлении на промышленном оборудовании одного из ведущих металлургических предприятий России – ОАО «КУМЗ», которое уделяет большое внимание освоению производства полуфабрикатов из новых и перспективных алюминиевых сплавов [30].

Работа выполнена в рамках реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» по комплексной научной проблеме 10.10. «Энергоэффективные, ресурсосберегающие и аддитивные технологии изготовления деформируемых полуфабрикатов и фасонных отливок из магниевых и алюминиевых сплавов» [31].

Материалы и методы

Исследования проведены на опытно-промышленных партиях прессованных профилей шифра НП10 из сплава В-1341 производства ОАО «КУМЗ» (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид прессованного профиля шифра НП10 из сплава В-1341 (а) и схема его сечения (б)

Прессование профилей проведено при двух температурах из цилиндрических слитков Ø360 мм двух плавок (плавка №1 и №2), схожих по химическому составу, который удовлетворяет требованиям нормативной документации на сплав В-1341 (ОСТ1 90048и ТУ).

Режимы изготовления профилей:

– режим 1.1 – плавка №1, температура нагрева заготовок под прессование 450–500°С, температура нагрева контейнера 400–450°С;

– режим 1.2 – плавка №1, температура нагрева заготовок под прессование 300–350°С, температура нагрева контейнера 300–350°С;

– режим 2.1 – плавка №2, температура нагрева заготовок под прессование 450–500°С, температура нагрева контейнера 400–450°С;

– режим 2.2 – плавка №2, температура нагрева заготовок под прессование 300–350°С, температура нагрева контейнера 300–350°С.

Прессование проводили прямым методом на горизонтально-гидравлическом прессе усилием 5000 тс из контейнера Ø370 мм с использованием одноочковой матрицы с вытяжкой 9,4 со скоростью истечения металла 0,6–0,9 м/мин.

Исследования профилей плавки №1 проведены на 20 образцах для оценки разброса значений механических свойств при растяжении по сечению профиля (рис. 2); исследования профилей плавки №2 – на образцах, отобранных из двух зон по сечению (рис. 1): образец А – место отбора образцов по чертежу при оценке сдаточных характеристик, образец Б – дополнительный образец для оценки уровня прочностных свойств в «тонкой» части профиля.

Для оценки влияния температуры деформации на комплекс свойств от выходного и утяжинного концов профилей обеих плавок отобраны образцы для исследования структуры, механических (σ_в, σ_0,2, δ) и коррозионных свойств (МКК, РСК) в состоянии полной термической обработки Т1 (закалка, правка растяжением со степенью остаточной деформации 3,0–3,5%, искусственное старение) в цеховых условиях.

Рис. 2. Схема отбора образцов из прессованного профиля шифра НП10 из сплава В‑1341 для испытания механических свойств при растяжении

Проведено также исследование механических свойств после термической обработки в лабораторных и цеховых условиях. Образцы отбирали из профилей плавки №1 с выходного конца.

Исследование структуры проведено в соответствии с МР21-31–85; механических свойств – по ГОСТ 1497; МКК – по ГОСТ 9.021 в рабочих емкостях при полном погружении образцов в раствор 1 в течение 24 ч при 30°С; РСК – по ГОСТ 9.904 в рабочих емкостях при полном погружении образцов в раствор 4 в течение 7 сут.

Результаты

В табл. 1 приведены результаты испытания механических свойств при растяжении профилей, термообработанных в лабораторных условиях (закалка и искусственное старение).

Таблица 1

Механические свойства профилей из сплава В-1341

(закалка и искусственное старение в лаборатории)

В табл. 2 приведены свойства профилей, закаленных и правленых в цеховых условиях, искусственное старение в лаборатории.

Таблица 2

Механические свойства профилей из сплава В-1341

(цеховая закалка, искусственное старение в лаборатории)

В табл. 3 приведены свойства прессованных профилей из сплава В-1341, термообработанных в цеховых условиях.

Таблица 3

Механические свойства профилей из сплава В-1341

(термообработка в цехе)

На рис. 3–5 приведена макро- и микроструктура профилей после прессования при различных температурах.

Рис. 3. Макроструктура профиля шифра НП10 из сплава В-1341 (плавка №1) после прессования при высокой (а, б) и низкой (в, г) температуре – утяжинный (а, в) и выходной (б, г) конец

Рис. 4. Макроструктура профиля шифра НП10 из сплава В-1341 (плавка №2) после прессования при высокой (а, б) и низкой (в, г) температуре – утяжинный (а, в) и выходной (б, г) конец

Рис. 5. Микроструктура периферийной и центральной зон профиля шифра НП10 из сплава
В-1341-Т1 – выходной (а) и утяжинный(б) конец

Таблица 4

Коррозионные свойства профилей из сплава В-1341-Т1

В табл. 4 приведены результаты испытаний прессованных профилей на склонность к расслаивающей (РСК) и межкристаллитной (МКК) коррозии.

Обсуждение и заключения

Термическая обработка в лабораторных условиях образцов плавки №1 позволяет получить на профилях, изготовленных при низкой и высокой температуре, уровень прочностных характеристик, удовлетворяющий требованиям ТУ.

Уровень механических свойств прессованных профилей шифра НП10 из сплава В-1341, термообработанных в лаборатории (табл. 1) и закаленных в цехе (табл. 2), позволяет сделать вывод, что при исследованиях по подбору режимов термической обработки можно руководствоваться данными, полученными в лабораторных условиях. При этом стоит отметить и принимать во внимание тот факт, что после полной термообработки в лаборатории уровень значений предела прочности и условного предела текучести несколько ниже, чем после закалки и правки в цеховых условиях и искусственного старения в лаборатории. Это объясняется отсутствием операции правки растяжением между закалкой и искусственным старением при проведении термической обработки в лаборатории.

После проведения в цехе полной термической обработки всех партий профилей уровень прочностных характеристик удовлетворяет требованиям ТУ (табл. 3). При прессовании при высокой температуре (450–500°С) свойства профилей выше, чем при низкой (400–350°С). Однако в профилях партии 1.1 существует разброс значений механических свойств по сечению – на четырех образцах (№1, 11, 19, 20), расположенных в «углах» профиля в зоне максимального трения между заготовкой и оснасткой при прессовании, наблюдается отклонение по значениям свойств (ниже уровня по ТУ). Аналогичная картина, но в меньшем объеме (отклонение по значению относительного удлинения) выявлена при проведении искусственного старения образцов в лабораторных условиях (табл. 2).

В макроструктуре профилей, отпрессованных при высокой температуре, обеих плавок можно наблюдать крупнокристаллический ободок как с выходного так и с утяжинного концов (рис. 3, а, б и рис. 4, а, б), который может являться одной из причин отклонений по уровню значений механических свойств на партии 1.1. Макроструктура профилей, отпрессованных при низкой температуре, с обоих концов однородная мелкозернистая по всему сечению, дефектов в виде плен, неметаллических включений и пористости не обнаружено (рис. 3, в, г и рис. 4, в, г).

Микроструктура профилей всех исследуемых партий представляет собой тонкую волокнистую субзеренную структуру на периферии и более крупнозернистую в центре (рис. 5).

Таким образом, можно сделать вывод, что прессование при низкой температуре (300–350°С) позволяет получить на профилях из сплава В-1341 мелкозернистую равноосную структуру и стабильный по длине профиля уровень прочностных характеристик, удовлетворяющий требованиям ТУ. Прессование при высокой температуре (450–500°С) также позволяет получить профили с уровнем механических свойств выше, чем при низкой температуре, однако возможны отклонения по значениям механических свойств. На периферии по сечению появляются довольно большие зоны с крупнокристаллической структурой, которая может привести к снижению ресурсных характеристик и коррозионной стойкости при эксплуатации в конструкции. Результаты исследования склонности к МКК и РСК это подтверждают (табл. 4).

Экономический эффект прессования при более низкой температуре очевиден – снижение времени и энергозатрат на нагрев заготовок и оснастки перед прессованием и, как следствие, увеличение производительности оборудования, снижение расхода электроэнергии и стоимости единицы продукции.

Благодарности

Авторы статьи выражают благодарность специалистам ОАО «КУМЗ» И.П. Бурляевой, Б.В. Овсянникову и Е.Г. Булгаковой, которые внесли неоценимый вклад в проведенную работу.