CC BY
13ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 669.715.621.78
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОРШНЕВЫХ ДЕФОРМИРУЕМЫХ СИЛУМИНОВ С ДОБАВКАМИ ФОСФОРА
И ВОДОРОДА*
А. Н. ПРУДНИКОВ, доцент, канд. техн. наук, СибГИУ, г. Новокузнецк
Статья посвящена разработке оптимального режима термической обработки поршневого деформируемого заэв-тектического силумина, содержащего фосфор и водород по результатам определения физико-механических свойств и анализа микроструктуры.
Clause is devoted to development of an optimum mode of thermal processing piston deformable hypereutectic silumin, containing phosphorus and hydrogen by results of definition of physicomechanical properties and the analysis of a microstructure.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ПОРШНЕВОЙ СПЛАВ, ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, СВОЙСТВА.
Легированные заэвтектические силумины являются в настоящее время одним из самых перспективных материалов для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания. Это определяется благоприятным сочетанием малого удельного веса, низкого коэффициента линейного расширения с хорошими механическими и технологическими свойствами. Однако присутствие в структуре крупных кристаллов первичного кремния вносит эти сплавы в разряд труднодеформируемых, что сдерживает их широкое применение.
На основе положения о ведущей роли водорода в формировании всех служебных и технологических свойств алюминия и его сплавов [1], в том числе и деформируемости, разработана серия новых заэвтектических легированных сплавов на основе А1 - 15...20 % Si, в которые с целью обеспечения хорошей деформируемости и высокого комплекса механических свойств наряду с такими легирующими элементами как медь, магний, марганец, никель, хром и другие введены водород и фосфор [2,3].
Обязательной технологической операцией, применение которой обеспечивает получение необходимого
комплекса физико-механических свойств изделий из алюминиевых сплавов, является термическая обработка. Поэтому естественно, что изучение склонности новых высококремнистых деформированных силуминов, содержащих фосфор и водород, к упрочняющей термической обработке представляет практический интерес и является целью настоящей работы.
Были изготовлены опытные слитки, проведена их деформация и изучено влияние термической обработки. Химический состав сплавов приведен в табл. 1.
Расплавление алюминия и приготовление сплавов проводили в индукционной промышленной печи типа ИАТ-0,06 в графитовом тигле емкостью 40 кг. Сплавы готовили на алюминии марки А7 (ГОСТ 11069-74), кремнии марки Кр0 (ГОСТ 2169-69). В качестве легирующих добавок использовали технически чистые металлы и лигатуры. Наво-дороживание сплавов проводили с помощью влажных асбестовых тампонов при температуре 700.760 °С. Фосфор вводили в сплавы в виде фосфористой меди (МФ-1).
Технологический процесс приготовления сплавов включал следующие основные операции: загрузка в печь и рас-
Таблица 1
Химический состав сплавов*
Номер сплава Компоненты сплава, масс. %
Si Cu Mg Mn Cr Ni Ni P H
1 15 3 0.2 - - - - 0.01 0.00008
2 15 3 0.2 - - 1.0 - 0.01 0.0001
3 15 5 1.1 - - 1.0 - 0.01 0.0003
4 18 4 0.6 - - - - 0.02 0.0003
5 18 4 0.6 - - 1.0 - 0.02 0.0006
6 20 5 1.1 - - - - 0.03 0.0006
7 20 5 1.1 - - 1.0 - 0.03 0.0006
8 20 1.0 0.4 0.8 0.3 - 0.1 0.01 0.00008
*Al - остальное
* Работа выполнена под руководством д.т.н., проф. В. К. Афанасьева 8 № 1 (42)2009
ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Таблица 2
Физико-механические свойства сплавов в литом состоянии (слитки диаметром 190 мм)
Сплав НВ, МПа аВ, МПа Коэффициент линейного расширения, а10-6, град-1, при температуре, °С
периферия центр 50 100 150 200 250 300 350 400 450
1 873 853 153 17.4 18.9 19.7 20.5 21.0 22.5 22.3 20.1 18.0
2 840 913 148 17.1 18.8 19.5 20.0 19.8 20.7 21.0 19.5 16.9
3 1020 1006 125 18.1 19.2 19.7 19.8 20.1 20.4 21.5 21.1 20.4
4 986 928 137 17.9 19.2 20 20.7 21.5 21.9 22.6 21.9 19.8
5 980 876 124 18.1 16.9 15.8 16.1 16.3 19.0 19.3 16.6 18.86
6 943 941 86 17.4 18.4 19.3 19.8 19.8 20.2 20.5 20.7 18.3
7 958 950 80 17.6 18.9 19.7 20.3 20.5 20.9 21.2 20.5 19.8
плавление расчетного количества алюминия, введение легирующих добавок, наводороживание, модифицирование, отстаивание металла, снятие шлака, заливка. Температура заливки составляла 700... 730 °С. Расплав заливали из футерованного ковша в стальной кокиль в виде трубы, состоящей из двух половин, соединение между которыми выполнено в виде замка для устранения пролива металла в месте стыка. Размеры слитка соответствовали следующим значениям: диаметр 190 мм, высота 500.550 мм, вес 32.40 кг
Особенности строения и свойства слитков. Изучение микроструктуры слитков проводили на металлографических образцах, приготовленных из поперечных темплетов, вырезанных на высоте 50 мм от дна слитка. Методика приготовления шлифов наряду с механической шлифовкой и полировкой включала электролитическую полировку при 80 °С в течение 40 с и травление в реактиве Келлера в течение 1 мин.
Установлено, что микроструктура сплавов в литом состоянии после обработки расплава влажным асбестом, обеспечивающей необходимое содержание водорода, неоднородна по сечению слитка. Можно выделить три характерные зоны:
- центральная - состоит из размодифицированной игольчатой эвтектики, участков а-твердого раствора сложного состава (о чем свидетельствует их неоднородная повышенная травимость) и редко расположенных кристаллов первичного кремния;
- промежуточная, периферийная - состоит из более модифицированной эвтектики, дендритов а-твердого раствора и кристаллов кремния, количество которых заметно больше, чем в центральной зоне;
- поверхностная - представляет собой грубокристал-лический ободок шириной 3-5 мм, который обычно при принятой в настоящее время технологии изготовления изделий из труднодеформируемых сплавов деформацией (прессование, штамповка) в формировании структуры заготовок не участвует, так как он удаляется при подготовке поверхности слитка (обдирка) с целью устранения поверхностных дефектов.
В табл. 2 показаны механические свойства и коэффициент линейного расширения сплавов в литом состоянии. Видно, что, несмотря на структурные отличия периферийной и центральной части слитков, твердость их различается незначительно и составляет 840.1020 МПа и 813.1006 МПа соответственно. Временное сопротивление разрывусплавов находится в пределах 80.153 МПа. Средние значения коэффициента линейного расширения, определяемого в интервале 50.150 °С, составляют (17.2.19.0)-10"6 град-1, а в интервале 150.450 °С - (15.9.21.2)10-6 град-1 соответственно.
Деформация литых сплавов. После механической обработки (удаление литой поверхности, шлифовка, резка на заготовки) слитки подвергали горячей пластической деформации (свободная ковка с суммарной степенью деформации 94 %). Ковку сплавов проводили на пневматическом молоте с массой бойка 150 кг Перед ковкой проводили отжиг слитков для гомогенизации структуры и снятия остаточных напряжений. При отжиге происходит частичное устранение неоднородности состава сплава посредством диффузии и коагуляция выделений кремнистой фазы. Это позволяет облегчить проведение пластической деформа-
Т а б л и ц а 3 = 94 %)
Физико-механические свойства сплавов в деформированном состоянии (ковка, £
Сплав Механические свойства Коэффициент линейного расширения а-10"6, град-1, при температуре, °С
аВ, МПа б, % ф, % 50 100 150 200 250 300 350 400 450
1 245 7.5 14.2 18.0 18.9 20.2 22.2 23.1 24.3 18.8 19.0 17.7
2 227 5.7 13.1 19.6 20.0 19.7 20.0 20.3 20.7 20.3 16.9 20.6
4 306 7.2 13.4 15.5 18.2 19.1 19.8 20.5 22.9 22.3 17.3 21.8
5 291 5.8 10.3 18.5 19.4 19.5 19.8 20.1 19.8 18.8 20.5 17.6
№ 1(42)2009 9
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ТЕХНОЛОГИЯ
Таблица 4
Механические свойства поковок из сплава Al - 18 % Si - 4 % Cu - 0,6 % Mg в зависимости от режима закалки (старение при 150 °С, 5 ч.)
Номер режима закалки Режим закалки Механические свойства
аВ, МПа б, % ф, %
Без термической обработки 306 7.2 13.4
1 480±5 °С, 2 ч. ^ 490±5 °С, 1 ч 450 4.0 5.8
2 480±5 °С, 2 ч. ^ 500±5 °С, 30 мин 460 3.8 8.3
3 480±5 °С, 2 ч. ^ 500±5 °С, 1 ч 425 1.0 0
4 490±5°С, 1 ч 437 1.2 0
5 490±5 °С, 3 ч 437 1.0 0
ции. Температура отжига и время выдержки были подобраны экспериментально и составляли 450.470 °С и 1.53 часа. В процессе ковки проводили промежуточные отжиги при температуре 450±10 °С в течение 0.5-1 часа.
В микроструктуре деформированной заготовки наблюдаются раздробленные мелкие равномерно распределенные первичные выделения кремнистой фазы и эвтектика зернистого строения. Эвтектические частицы при горячей деформации коагулируют и приобретают округлую форму, т. е. успевает пройти процесс сфероидизации.
Механические свойства и коэффициент линейного расширения сплавов в деформированном состоянии после горячей ковки приведены в табл. 3. Из данных табл. 3 видно, что временное сопротивление разрыву для сплава с 15.18 % кремния за счет ковки резко поднимается и составляет 227.306 МПа. Кроме того, в результате пластической деформации сплавы приобретают высокую пластичность (относительное удлинение 8 = 5.6.7.0 %, относительное сужение у = 10.3.14.2 %).
Термическая обработка поковок. Термическая обработка поковок включала закалку и старение. Упрочнение в этом случае достигается за счет фиксации максимально пересыщенного легирующими элементами твердого раствора при закалке и последующего его распада при искусственном старении, обусловленного изменением растворимости легирующих компонентов с понижением температуры. Причем величина упрочнения зависит от количества и степени дисперсности продуктов распада (вторых фаз) твердого
раствора. Температура нагрева под закалку и время выдержки зависят от природы сплавов, их фазового состава.
Анализ диаграммы состояния системы А1^-Си-Мд, к которой относятся данные сплавы, показывает, что они имеют сложный фазовый состав. В равновесии с алюминиевым твердым раствором могут находиться семь фаз: Si, 0 (СиА12), р (А13Мд2), Mg2Si, S (А12СиМд), Т (А16СиМд), W (Cu2Mg8Si6Al5) [4]. Основными упрочнителями этих сплавов являются фазы СиА12, Mg2Si, S (А12СиМд) и частично W (Cu2Mg8Si6Al5).
Сложный фазовый состав сплавов обусловливает возможность протекания большого количества нонва-риантных реакций в широком диапазоне температур 444.577 °С [4] и, следовательно, возможно образование сложных легкоплавких эвтектик, температура плавления которых определяет режимы нагрева под закалку. Такая особенность сплавов обусловливает повышенную склонность к пережогу. Чтобы обеспечить полноту растворения легирующих элементов и не допустить возможности пережога, рекомендуется применять ступенчатый нагрев под закалку. Необходимость проведения такого нагрева для данных сплавов подтверждается результатами экспериментов по влиянию температуры нагрева под закалку и времени выдержки на механические свойства сплавов (режим старения - 150 °С, 5 ч), показанных на примере сплава состава № 1 (табл. 1) и приведенных в табл. 4.
Анализ данных табл. 4 показывает, что удовлетворительное сочетание прочности и пластичности достигается после
Таблица 5
Физико-механические свойства поковок после закалки и старения
Сплав Механические свойства Коэффициент линейного расширения, а-10"6, град-1, при температуре, °С
МПа б, % ф, % 50 100 150 200 250 300 350 400 450
1 425 6.4 9.9 16.0 18.4 19.3 20.5 26.2 31.7 21.7 20.9 21.3
2 372 4.6 7.4 16.8 18.8 19.7 20.5 24.7 29.8 24.3 21.6 20.8
4 450 4.0 5.8 16.0 17.7 18.7 19.4 22.1 27.8 22.9 17.7 18.0
5 400 2.8 6.1 17.1 18.9 20.0 21.0 25.6 29.2 22.3 20.1 15.5
6 470 5.0 5.2 17.0 18.4 19.0 20.6 25.0 30.8 22.1 20.1 18.5
8 400 3.5 0 17.3 18.5 19.5 20.8 26.1 31.9 24.2 21.1 20.0
10 № 1 (42) 2009
ТЕХНОЛОГИЯ
закалки по режимам 1 и 2, предусматривающим ступенчатый нагрев под закалку, а именно: нагрев и выдержка при температуре 480±10 °С, подъем температуры до (490.500) ±10 °С с выдержкой при этих температурах в течение 0.5-1 ч и последующего старения. Временное сопротивление разрыву в этом случае составляет 450.460 МПа, относительное удлинение - 4 %, относительное сужение - 5.8-8.3 %. После закалки по режимам 4 и 5, не предусматривающим применения ступенчатого нагрева, в сплавах протекают процессы пережога, что обусловливает резкое снижение пластичности. Внешне пережог проявляется в образовании пузырей на поверхности поковок. Металлографически пережог характеризуется укрупнением частиц первичного кремния и других присутствующих в дисперсном виде фаз, коагуляцией и укрупнением эвтектики и ее оплавлением с образованием пористости, выявлением границ зерен.
Таким образом, за оптимальный для данных сплавов был принят следующий режим термической обработки: ступенчатый нагрев 480 ± 5 °С° (490.500) ± 5 °С с выдержкой 2 и 1 ч соответственно на нижней и верхней ступенях, охлаждение в холодную воду и последующее искусственное старение при 150 °С, 5 часов. В табл. 5 приведены физико-механические свойства исследуемых деформированных сплавов после термической обработки по указанному режиму. Видно, что в результате закалки и старения значительно, до 370.470 МПа, повышается прочность всех исследуемых деформированных заэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов, показатели пластичности остаются на достаточно высоком уровне. Коэффициент линейного расширения исследуемых сплавов после термической обработки составляет (17.4.18.6)10-6 град-1 в интервале 50.150°С и (20.9.21.9)-10-6 град-1 в интервале 150.450 °С.
Металлографическое исследование деформированных сплавов после закалки и старения показало, что в
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
микроструктуре термообработанных поковок частицы кремния принимают более округлую форму. Упрочняющие фазы Mg2Si и СиА12 растворяются в твердом растворе в процессе нагрева под закалку, о чем свидетельствует усиление травимости а-твердого раствора и ее неоднородный характер. В дальнейшем при нагреве до температур старения распад пересыщенного твердого раствора обеспечивает упрочнение исследуемых сплавов.
Вывод. Разработан режим упрочняющей термической обработки для нового поршневого деформируемого заэвтектического силумина, содержащего фосфор и водород, заключающийся в ступенчатой закалке с выдержкой при 480 °С 2 ч и 490.500 °С 1 ч в холодную воду и последующим старением при 150 °С 5 ч. После термической обработки сплава в кованом состоянии его механические свойства значительно превышают (оВ более чем в 2 раза, 8 - в 1.5-3 раза) свойства аналогичных литейных сплавов типа АК21М2,5Н2,5 (АЛ26), а значения коэффициента линейного расширения находятся на таком же уровне.
Список литературы
1. Водород и свойства сплавов алюминия с кремнием / В. К. Афанасьев, И. Н. Афанасьева, М. В. Попова. - Абакан: Хакасское кн. изд-во, 1998. - 192 с.
2. Афанасьев В. К. Разработка и промышленное опробование технологии производства поршней из заэвтектического силумина / В.К. Афанасьев, А.Н. Прудников // Вестник РАЕН. ЗСО. - Вып. 2. - Кемерово, 1999. - С. 44-45.
3. Афанасьев В. К. Разработка поршневого заэвтектического силумина и технологии изготовления поршней обработкой давлением / В.К. Афанасьев, А.Н. Прудников // Изв. вузов. Цветная металлургия. - 1999. - №6. - С. 53-56.
4. Мондольфо Л. Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов / Л. Ф. Мондольфо. - М.: Металлургия, 1979. - 639 с.
УДК 621.941.1
ВЫБОР ПОДАЧИ ПРИ ЧИСТОВОМ РАСТАЧИВАНИИ ОТВЕРСТИЙ С ПРЕРЫВИСТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ C УЧЕТОМ ПРОЧНОСТИ РЕЖУЩЕГО КЛИНА
А.М .ФИРСОВ, доцент, канд. техн. наук, В.Н. БЕЛЯЕВ, канд. техн. наук,
И.В. БОТКИН, канд. техн. наук БТИ АлтГТУ, г.Бийск
Проведен анализ процесса резания при растачивании отверстий с прерывистой поверхностью. Разработана методика выбора подачи, обеспечивающая прочность режущего клина.
The analysis of progess of cutting is corried out at boring apertures with a faltering surface. The technique of a choice of the giving, providing durability of a cutting wedge is developed
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА : РАСТАЧИВАНИЕ , ПРЕРЫВИСТАЯ ПОВЕРХНОСТЬ, УДАРНЫЕ НАГРУЗКИ, ПРОЧНОСТЬ РЕЖУЩЕГО КЛИНА, ПОДАЧА.
В настоящее время выбор режимов резания при чистовом растачивании отверстий обычно производится на основе нормативов [1] или рассчитывается по методике [2]. При этом учитывается вылет инструмента (глубина отверстия), шероховатость обрабо-
танной поверхности, точность отверстия. Однако при обработке отверстий с прерывистой поверхностью этих ограничений недостаточно и при их обработке на выбранных режимах наблюдается выкрашивание режущих граней инструмента, снижение точности и
№ 1 (42) 2009 1 1
