CC BY
76
УДК 681.2:621.785:658.512.6
СТАБИЛИЗИРУЮЩАЯ ТЕРМООБРАБОТКА СПЛАВОВ И ЕЕ НОРМАТИВНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
© 2000 O.K. Колеров, А.Н. Логвинов
Самарский государственный аэрокосмический университет
Показаны важность правильного выбора режимов стабилизирующей термической обработки авиационных сплавов и недостаточность ее нормативного обеспечения .
Стабилизирующая термическая обработка /СТО/ сплавов обеспечивает длительное сохранение постоянства размеров детали в условиях эксплуатации. Стабильность размеров является характеристикой высокого качества инструмента, элементов силовых конструкций и изделий специального назначения. В частности, стабильность размеров деталей прецизионных систем в аэрокосмической технике гарантирует функциональные свойства узлов и обеспечивает ресурс агрегата в целом.
Оптимальные режимы СТО зависят от физико-химических свойств основы сплава, химического и фазового составов, температуры и характера среды при эксплуатации изделий, термокинетики фазовых и структурных превращений, а также величины и соотношения термических коэффициентов линейного расширения фаз в гетерогенных сплавах и композиционных материалах [1].Важное место при этом занимает первичная рекристаллизация (ПР): именно ее термокинетические особенности определяют в основном оптимальные режимы СТО сплавов. В отличие от превращений II-ого рода она может происходить во всех металлических системах после холодной деформации выше критической степени (3.. .10%) при нагревании до определенной температуры. Для повышения размерной стабильности сплавов их легируют элементами, которые способствуют росту температур начала и завершения ПР и тем самым замедляют ее кинетику. При легировании легких сплавов, в том числе и алюминиевых, такие элементы получили название антирекристаллизаторов [2].
Выбор оптимальных режимов СТО от-
нюдь не прост, этот вопрос довольно глубоко и неоднократно обсуждался в литературе [1]. Не потерял актуальности и к настоящему моменту [3]. Вследствие важности вопроса и большого разнообразия промышленных сплавов, применяемых в изделиях и устройствах с повышенными требованиями к размерной стабильности, существенное значение приобретает нормативное обеспечение СТО.
Статья посвящена сложившемуся к настоящему времени положению в нормативной документации по СТО сплавов.
Оптимальные режимы СТО отечественных материалов, разработанных до 1972 г., сведены в ГОСТ 17535-72 [4]. В зависимости от основы сплава и категории точности детали данным нормативом рекомендованы три разновидности обработки: отжиг рекри-сталлизационный, стабилизирующий отжиг и стабилизирующее старение. Варьируемые в них параметры режимов - температура нагрева и длительность изотермической выдержки. Неизменный параметр - среда, а именно: воздух. В отношении некоторых сплавов оговорены температуры обработки холодом и скорости изменения температуры в ходе СТО.
Критериями предварительного контроля СТО или прогноза уровня стабильности размеров сплавов по нормативу служат характеристики размерной стабильности сопротивления микропластической деформации, которыми являются условные пределы текучести и релаксации напряжений ползучести. Для фигурирующих в нормативе сплавов приведены значения условных пределов упругости и релаксации напряжений.
За прошедшее с момента разработки стандарта [4] время появились результаты,
свидетельствующие о необходимости проведения механических испытаний не только на воздухе, но и в вакууме, что особенно важно для материалов аэрокосмической техники. Так, из результатов работ [5,6] следует, что вакуум оказывает деструктивное влияние на металлические сплавы и полимеры. Подобное влияние выражается в изменении меж-плоскостных расстояний кристаллических тел и росте доли аморфной фазы в полимерах. Это не может не сказаться на уровне механических свойств, т.е. на величине условных пределов упругости и релаксации напряжений, а также на самой размерной стабильности. Например, сопротивление микропла-стической деформации величиной 2,510-5 в алюминиевом сплаве АМгб составляет в нормальных условиях 150 МПа, а в вакууме - 160 МПа, т.е. на 7% больше, чем на воздухе.
Таким образом, отсутствие в рекомендациях норматива [4] вакуума как среды испытаний сплавов на характеристики размерной стабильности и проведения СТО представляется нам недостатком.
Однако неизмеримо более существенный пробел нормативного обеспечения СТО в целом заключается в отсутствии документа на метод определения условного предела релаксации напряжений, рекомендуемого нормативом [4] в качестве одного из критериев размерной стабильности. При этом, как ни парадоксально, существует и действует ныне ГОСТ 26007-83 «Методы испытания на релаксацию напряжений».
Отсутствие норматива на метод определения условного предела релаксации напряжений если не делает вообще невозможным, то, по меньшей мере, существенно затрудняет сопоставление результатов, полученных коллективами различных исследовательских, проектных и производственных учреждений, поскольку вероятность использования ими одинаковой методики, т.е. совокупности приемов, средств, последовательности оценок, точности операций и т.п., довольно мала. А без сопоставления не будет и воспроизводимости результатов, что ставит под сомнение возможность разработки перспективных сплавов с повышенной размерной стабильностью.
Что касается определения условного предела упругости, рекомендуемого нормативом [4] в качестве другого критерия размерной стабильности, то свой норматив здесь существует. Это известный в сфере механических испытаний стандарт - ГОСТ 1497-84, который действует и ныне. Однако методу определения условного предела упругости по ГОСТу 1497-84 присуща столь низкая точность, что можно говорить лишь о качественной оценке. Причиной является многократное приложение нагрузки к одному и тому же образцу, вследствие чего материал подвергается наклепу.
И, наконец, самый большой урон нормативному обеспечению СТО нанесло решение 1977 г. о продлении действия норматива [4] на неограниченный срок без изменений и дополнений. Оно создало двусмысленную ситуацию. С одной стороны для сплавов, внедренных в промышленность и разработанных до 72 г., норматив есть и действует поныне. Но с другой в него закрыт доступ материалам, разработанным более чем за четверть минувшего века, и сплавам века грядущего. Кстати сказать, к настоящему времени новых сплавов разработано уже на порядок больше, чем всех фигурирующих в [4].
Негативные последствия принятого решения помимо двусмысленности проявляются и в ином.
1. Оптимальные режимы СТО новых сплавов разработчики распределяют по техническим условиям /ТУ/ разной степени доступности.
2. Коллективы исследовательских институтов и производственных лабораторий, занимающиеся СТО, вынуждены проводить параллельный поиск.
3. Из-за различной степени доступности ТУ по режимам СТО намечаются недоразумения с непредсказуемым исходом.
4. И, наконец, без периодического пополнения новыми материалами норматив [4] постепенно становится вообще ненужным, ибо [4]- принципиально иной стандарт, нежели упомянутый ГОСТ 1497-84 по испытаниям материалов вне зависимости от даты их разработки.
Правда, и упомянутый стандарт прояв-
ляет несоответствие времени не только низкой точностью оценки условного предела текучести. Кроме этого, ГОСТ 1497-84 оказался не пригоден для испытаний композиционных материалов, в частности, алюминий - бор [7].Тем не менее, по определению макроскопических свойств металлических сплавов упомянутый норматив пока остается незыблемым.
Таким образом, как выяснилось почти через четверть века, и без того скромное на сегодня нормативное обеспечение СТО сплавов решением 1977 г. оказалось сведенным к нулю.
К чему может привести рассредоточение сведений о режимах СТО новых сплавов по узковедомственным ТУ покажем на примере алюминиевого сплава 1570, внедренного в промышленность в 1993 году. Это не упрочняемый термической обработкой деформируемый сплав, близкий по химическому составу к своему промышленному аналогу, сплаву АМг6, только дополнительно легированный скандием. Последний по сей день является лучшим антирекристаллизатором [2] алюминиевых сплавов. Химический состав сплава 1570 приведен в ТУ 1-809-42083, а уровень механических свойств дан в ТУ 1-809-615-82 и ТУ 1-809-681-82. Рекомендуемые ТУ режимы стабилизирующего отжига аналогичны таковым для сплава АМг6, фигурирующего в нормативе [4]: температура 3200С, изотермическая выдержка 2-4 ч, среда-воздух.
По указанным режимам была проведена СТО сплавов АМг6 и 1570. В качестве образцов использовали катаные пластины размерами 100х100 мм и толщиной 1,5 мм. Контроль стабильности размеров осуществляли после термоциклической обработки (ТЦО) в температурном интервале от -80 до +1500С, соответствующем условиям эксплуатации деталей прецизионных систем аэрокосмических аппаратов. Вместе с тем определяли условные пределы упругости по методическим указаниям 207/514-85 и релаксации напряжений - по методуказаниям 207/534-86. Оба документа утверждены Центральным научноисследовательским институтом материалове-
дения (ЦНИИМВ).
Согласно полученным результатам оказалось, что вопреки более высокому уровню характеристик размерной стабильности сплава 1570 в сравнении со сплавом АМг6 изменение размеров в нем после ТЦО больше. При этом в направлении прокатки листа величина изменения превзошла предел допуска для 1-ой, самой низкой категории точности [4]. Если из сплава 1570, прошедшего СТО по рекомендуемым ТУ режимам, изготовить элементы навигационной системы космического агрегата, то на 4-м - 5-м витках система лишится функциональных свойств с определенной вероятностью более неприятных последствий для агрегата в целом.
Причины столь низкой размерной стабильности сплава 1570 после СТО по рекомендуемым ТУ режимам заключается в следующем. При довольно резкой смене температур, сопровождающей ТЦО, в сплаве, рек-ристаллизованном после больших (около 80%) обжатий лишь частично [8], продолжаются процессы если не ПР, то, по крайней мере, возврата. Это процессы перераспределения структурных несовершенств, направленность которых вдоль вектора прокатки обусловлена сосуществованием двух ярко выраженных кристаллографических текстур деформации и рекристаллизации [9]. В сплаве АМг6 ПР завершена в ходе СТО. Поэтому размерная стабильность в нем выше, чем в сплаве 1570, несмотря на пониженный по сравнению с последним уровень микромеха-нических свойств.
Высказанные соображения подтверждаются результатами СТО сплава 1570, проведенной при температуре завершения ПР, т.е. выше 3200С [8]. После нее изменение размера вдоль направления прокатки вследствие ТЦО не превысило допускаемого по [4] предела изменений для 3-ей, самой высокой, категории точности.
Как следует из приведенных данных, рассредоточение сведений об оптимальных режимах СТО сплавов в узковедомственных ТУ сеет путаницу, чреватую серьезными последствиями, и вызывает неоправданные затраты на повторные исследования.
Выводы
1. ГОСТ 17535-72, как единственный норматив по стабилизирующей термообработке сплавов, целесообразно превратить в реально действующий документ, открыв в него доступ материалам, созданным более чем за четверть минувшего века. Вместе с тем требуется разработка отсутствующего до сих пор норматива по определению условного предела релаксации напряжений. Его основой могли бы стать методические указания 207/534-86, утвержденные ЦНИИМВ.
2. Если не принимать во внимание скромных и порой сомнительных сведений об оптимальных режимах стабилизирующей обработки в ведомственных ТУ, то можно считать, что нормативное обеспечение вопроса с1977 г. фактически отсутствует.
3. Отсутствие нормативного обеспечения, вызывая в назначении режимов обработки путаницу, чреватую серьезными последствиями, и обуславливая неоправданные затраты на параллельные поиски уже найденных оптимальных вариантов, тормозит развитие отечественной науки и техники.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хенкин М.П., Локшин И.Х. Размерная стабильность металлов и сплавов в точном машиностроении и приборостроении. М.: Машиностроение, 1974.
2. Елагин В.И., Захаров В.В., Ростова Т.Д.
Алюминиевые сплавы, легированные скандием // Металловедение и термическая обработка металлов. 1992. №1.
3. Захаров В.В. Стабильность структуры в алюминиевых сплавах с литием // Металловедение и термическая обработка металлов. 1999. №1.
4. ГОСТ 17535-72. Детали приборов высокоточные металлические. Стабилизация размеров термической обработкой. М.: Госком стандартов Совмина СССР.
5. Логвинов А.Н. Взаимосвязь структурных изменений с характеристиками размерной стабильности материалов при эксплуатации в условиях вакуума // Автореф. дис-серт. на соиск. уч. ст. доктора техн. наук. М.: МАТИ. 1997.
6. Колеров O.K. Особенности рентгеноструктурного анализа металлизованных плёнок полимеров // Заводская лаборатория. 1995. Т.61. №3.
7. Логвинов А.Н., Трегуб В.И., Колеров О.К. Образец для механических испытаний волокнистых композиционных материалов // Измерительная техника. 1993. №10.
8. Колеров O.K., Логвинов А.Н., Трегуб В.И. Особенности первичной рекристаллизации в сплаве 1570 // Металловедение и термическая обработка металлов. 1994. №12.
9. Колеров O.K. Кинетика и текстура рекристаллизации в листах разной толщины из сплавов алюминия // Металловедение и термическая обработка металлов. 1997. №3.
STABLE HEAT TREATMENT OF ALLOYS AND IT’S STANDARDS GUARANTEE
© 2000 O.K. Kolerov, A.N. Logvinov Samara State Aerospace University
The importance of right choice of the stable heat treatment conditions to aviation alloys and limitation it’s standards guarantee are shown.
