CC BY
18
/Г.ГГТТгГН (Г ГСГТШТГПTf?
11 3 (39). 2006 -
ПРОИЗВОДСТВО
The investigation of influence of thermo-cyclic processing (TCP ) in the range of temperature 545-440 °C and ageing at 170 °C, 7 hours on forming of structure and mechanical characteristics of casting alloys A206 with size 100x100x100 mm is carried out. It is determined that at TCP the dispersion of microstructure is increased practically two times as much as compared to standard processing (T6).
ян
Е. К МАРУКОВИЧ,ИТМ HAH Беларуси,
А. Г: АНИСОВИЧ, ФТИ HAH Беларуси,
Г. X. КИММ, Корейский институт машин и материалов,
К Й ЧОЙ, Белорусско-Корейский центр технического сотрудничества УДК 669.018.298
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ОДНОРОДНОСТИ СТРУКТУРЫ КРУПНЫХ ОТЛИВОК ИЗ СПЛАВА А206
Одним из распространенных дефектов крупногабаритных отливок является неравномерность структуры по сечению, связанная с особенностями теплоотвода при кристаллизации. Поверхностная зона отливки имеет мелкодисперсную структуру, по мере приближения к центру отливки дисперсность структуры снижается. С разницей в дисперсности структуры связана неравномерность свойств по сечению отливки; возможно коробление при последующей обработке.
Решение задачи выравнивания структуры по сечению отливки весьма проблематично методами традиционной термической обработки. Изменение структуры при гомогенизации, закалке и старении происходит в рамках первичной структуры, сформировавшейся при затвердевании. Диспергирование зерна в процессе термической обработки незначительно. Задача может быть решена применением способов воздействия, обеспечивающих кардинальную перестройку структуры металла по всему объему. Имеющиеся в настоящее время экспериментальные данные позволяют выбрать в качестве такового метод термоциклической обработки (ТЦО).
Принципиальное отличие ТЦО от известных способов термической обработки состоит в отсутствии выдержек при постоянной температуре. Обработка по существу состоит в периодически повторяющихся циклах нагрев—охлаждение в определенном интервале температур. Вследствие этого в отличие от других видов термической обработки структурные и фазовые превращения при ТЦО совершаются многократно, преимущественно при изменяющейся температуре. При этом имеет место накопление изменений структуры и свойств, характерное для одного цикла. В отличие от традиционной (одноразовой) термообработки повторные структурные и фазовые превращения
при ТЦО происходят в металле, структура которого изменена на предыдущих циклах.
Параметры традиционной термической обработки — скорость нагрева, температура, время выдержки и скорость охлаждения. При термоцик-лировании основными параметрами обработки являются температура, скорость нагрева и охлаждения, количество циклов (п), которое играет роль временного параметра [1].
Подробное описание разнообразных схем термоциклической обработки приведено в [1, 2].
Применительно к литейным сплавам наиболее изучена ТЦО силуминов, содержащих фазы с резко отличающимися коэффициентами термического расширения. Исследования по ТЦО сплавов системы А1—Си немногочисленны. Имеются сведения о возможности диспергирования эвтектической составляющей сплава системы алюминий—медь при термоциклической обработке, включающей нагрев до температуры гомогенизации, многократные нагревы и охлаждения с выдержками при конечных температурах термо-циклирования и окончательное охлаждение на воздухе [3]. В качестве особенностей структурооб-разования при термоциклировании отмечают гло-буляризацию и сфероидизацию пластин эвтектики. Ускорение растворения эвтектических составляющих, изменение параметра кристаллической решетки а—твердого раствора наблюдаются и при термоциклировании литых деформированных сплавов [4, 5]. Закономерности изменения параметра решетки объясняются изменением концентрации легирующих элементов в алюминии с учетом атомных диаметров и коэффициентов диффузии. Было показано, что первоначальное увеличение параметра решетки вызывается интенсивным растворением участков эвтектики, при котором атомы различных легирующих элементов переме-
щаются на разные расстояния. Процесс растворения эвтектических составляющих ограничивается не диффузией, а скоростью перестройки кристаллической решетки.
Данная работа направлена на решение следующих проблем: создание равномерной структуры
/;гтггг:гг гсш^/^ргта /ОБ
- 3 (39). 2006/ Uli
отливок размером 100x100x100 мм; обеспечение разницы по пределу прочности между краем и центром отливки не более 50 МПа.
Исследование проведено на сплаве А206 (стандарт Республики Корея). Состав сплава, мас.%, приведен ниже.
Си Cd Zn Fe AI Ni Mn Si Ti Zr Mg
5,08 0,15 0,05 0,09 93,79 0,01 0,37 0,03 0,28 0,05 0,15
В соответствии с диаграммой состояния упрочняющая обработка этого сплава основана на изменении растворимости соединения СиА12 в алюминии. Стандартная термическая обработка по режиму Т6 включает в себя гомогенизацию при 540°С, 15 ч, закалку в воде комнатной температуры и старение при 170°С, 6 ч.
Температурные варианты ТЦО выбирали с учетом состава сплава, критических точек на диаграмме состояния, а также рекомендуемых режимов закалки и старения.
Выбранный вариант обработки предполагает ТЦО в интервале температур ¿зак ""¿сольв с последующим изотермическим старением по стандартному режиму. Режим ТЦО: высокотемпературная
термоциклическая обработка в интервалах температур 545—440°С, 5 циклов и старение при 170°С, 7 ч. Использовали печной нагрев. Контроль процессов нагрева—охлаждения осуществляли термопарой, зачеканенной в геометрический центр отливки.
Металлографические исследования проводили по стандартным методикам на образцах, вырезанных из отливок. Определение механических свойств проведено в соответствии с ГОСТ 1014581. Схема вырезки образцов для металлографических исследований и механических испытаний показана на рис. 1. Анализировали структуру, размер зерна и механические свойства в 1/4 части отливки (номера выделены на рисунке).
1 2 ; 3 4 5 6 7
8 9 10 i|Mg|j|g И 12 13 14
15 16 _ ■ I Г 20 21
22 23 ■ I 26 27 28
29 30 31 32 33 34 35
36 37 38 39 40 41 42
43 44 45 46 47 48 49
Рис.1. Схема вырезки образцов: 1 — образцы для металлографического анализа; 2 - образцы для механических испытаний
Микроструктура отливки в литом состоянии приведена на рис. 2. Для структуры характерна значительная дендритная ликвация. По границам зерен заметны выделения эвтектики. Зерно сплава неравномерно по размеру. В частности, в зонах 1—4 максимальный размер зерна сплава колеблется от 80 (зона 3) до 450 мкм (зона 4). В зонах 8-11 и 15—18 структура более однородная по размерам; размер зерна находится в пределах 220 и 180 мкм соответственно. В центре отливки однородность структуры
снижается и размер зерна составляет для зон 23, 24 до 490 мкм, для зоны 25 — до 190 мкм. Значения диаметра зерна сплава приведены в табл. 1.
Структура отливки после ТЦО и старения представлена на рис. 3, после обработки по режиму Т6 - на рис. 4. После термоциклирования однородность структуры существенно повышается. Устраняется дендритная ликвация. Размер зерна составляет в основном 80—190 мкм, в зоне 23 -до 220 мкм (табл. 1).
86
ГТТгГ; Гг ГГММГ^РН^К
(39). 2006 -
в г
Рис. 2. Микроструктура отливки сплава А206 после литья в зонах 22(я), 23(б), 24(в), 25(г). хЗ 10x0,5
Таблица 1. Размер зерна в литом состоянии и после термической обработки
Номер зоны отливки Диапазон изменения размера зерна, мкм
исходная отливка Т6 после ТЦО
1 55-200 60-226 60-90
2 30-160 45-200 20-80
3 20-80 32-160 50-70
4 50-450 80-220 25-125
8 60-230 80-300 25-140
9 70-220 90-280 45-130
10 90-200 130-270 65-130
И 90-180 90-200 45-150
15 90-180 65-300 45-150
16 90-180 96-220 20-130
17 65-160 96-320 30-80
18 80-220 60-200 50-80
23 45-490 80-300 20-220
24 45-490 40-400 20-120
25 45-190 50-300 25-196
После термической обработки по режиму Т6 максимальный размер зерна составляет 220-300 мкм, в зоне 24 — до 400 мкм. На всех микрофотографиях заметна ликвационная неоднородность.
Гистограмма, иллюстрирующая изменение максимальной величины зерна после литья, ТЦО и термической обработки по режиму Т6, приведена на рис. 5. Применение ТЦО практически в 2 раза повышает дисперсность структуры.
Данные механических испытаний приведены в табл. 2. Формирование при термоциклировании равномерной дисперсной зеренной структуры обеспечивает создание комплекса свойств, превышающего таковой для термической обработки по режиму Т6. Гистограмма на рис. 6, построенная по результатам усреднения данных табл. 2, иллюстрирует разницу по пределу прочности сплава между ТЦО и термической обработкой по режиму Т6. Предел прочности, обеспечиваемый при
ЛГГГГ:^ гг Г.^ГПШТГГГ /ОТ
— —1 / и«
в г
Рис. 3. Микроструктура отливки сплава А206 после ТЦО в зонах 22(я), 23 (б), 24 (в) 25(г). хЗ 10x0,5
Рис. 4. Микроструктура отливки сплава А206 после обработки по режиму Т6 в зонах 22(д), 23(6), 24(<?), 25(г). хЗ 10x0,5
/лгтггпгг ктпглтггм
I 3 (39), 2006 -
Рис. 5. Максимальная величина зерна сплава А206 после различных видов термической обработки
Таблица 2. Изменение механических свойств сплава А206 после литья в кокиль, ТЦО и старения, ТО по режиму Т6
Термоциклическая обработка Т6
Номер зоны отливки предел прочности, МПа относительное удлинение, % предел прочности, МПа относительное удлинение, %
1 - - 285 5,0
3 - - 290 2,5
4 - - 315 4,5
8 333 6,7 280 4,3
15 341 6,7 270 6,0
22 353 6,3 290 5,0
Среднее 342 6,6 288 4.6
23 345 5,3 297 4,2
9 316 3,3 - -
10 - - 285 3,0
11 - - 295 5,0
16 330 6,0 280 5,5
Среднее 330 4,9 289 4.4
17 325 1,3 280 4,0
18 329 4,3 301 3,0
24 355 4,0 312 4,0
Среднее 336 3,2 298 3,7
ТЦО, на ~40—50 МПа выше такового, получаемого по режиму Т6 при сохранении пластичности на уровне стандартной термической обработки.
350 340
ззо
320 310 300 290 280 270 260
Разница в значениях предела прочности между серединой и краем отливки для ТЦО и режима Т6 практически одинаковая (рис. 6).
□ ТЦО
□ T6
Край Средняя Центр зона
Рис. 6. Изменение предела прочности в различных зонах отливки при ТЦО и стандартной обработке Т6
При рассмотрении влияния ТЦО на структуру стареющих сплавов в качестве основного фактора, контролирующего процесс структурообразова-ния, следует выделить влияние разницы температур по сечению образца. В условиях периодически изменяющихся и релаксирующих внутренних напряжений происходит периодическое изменение концентрации дефектов кристаллического строения и формирование новой структуры. Конкретное описание этого процесса дано в [6].
Таким образом, проведенное исследование влияния термоциклической обработки в интервале температур 545-440°С и старения при 170°С, 7 ч показало возможность и эффективность изменения структуры и свойств отливок из сплава А206.
Литература
1. Физические основы термоциклической обработки стареющих сплавов / P.JI. Тофпенец, И. И. Шиманский, А.Г. Анисович, А.Д. Грешилов. Мн.: Наука и техника, 1992.
2. ФедюкинВ.К. Метод термоциклической обработки металлов. Д.: ЛГУ. 1987.
3. Биронт B.C., Заиграйкина Б.С. Структура и свойства литейных алюминиевых сплавов после термоцик-лирования // Литейное производство. 1982. № 7. С. 15-16.
4. Кенис М.С., Трахтенберг Б.Ф., Троши-на JI.B. и др. Перераспределение легирующих элементов в сплаве Д16 при ТЦО // Термоциклическая обработка металлических изделий. 1982. С. 144-146.
5. Терентьев В.Ф.//Докл. АН СССР. 1969. Т. 185. №2. С. 324-327.
6. Анисович А.Г., Тофпенец Р.Л. Специфика структурообразования в алюминиевых сплавах при термо-циклировании // Металлы. 2000. №2. С. 73-78.
У ?«? & .
1
./.еталл экспо
I г
12-я Международная специализированная выставка
При поддержке Министерства промышленности и энергетики Российской Федерации
Генеральный информационный спонсор Специализированный журнал "Металлоснабжение и сбыт"
