CC BY
8
_ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ _
Научный редактор раздела докт. техн. наук В.В. Захаров
УДК 669. 715
DOI: 10.24412/0321-4664-2024-3-5-10
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ СТАБИЛИЗАЦИОННОГО ОТЖИГА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЛИСТОВ ИЗ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Al-Mg-Si
Василий Владимирович Яшин1, канд. техн. наук, Александр Михайлович Дриц1, канд. техн. наук, Евгений Владимирович Арышенский2, докт. техн. наук, профессор, Владимир Юрьевич Арышенский1, докт. техн. наук, профессор
1 АО «Самарский металлургический завод», Самара, Россия, e-mail: [email protected]
2 Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, Россия
Аннотация. Исследованы закономерности формирования механических свойств катаного листа из алюминиевого сплава системы Al-Mg-Si. Закономерности установлены в ходе лабораторных экспериментов на образцах полосы толщиной 1 мм, полученных в промышленных условиях. После закалки образцы подвергали стабилизационной обработке по различным режимам с последующим определением и анализом механических свойств. По результатам работы установлено, что при производстве листов из сплава 6016 термической обработкой по режиму 100 °С, 2 ч удается стабилизировать микроструктуру. Максимальные прочностные свойства получены при минимальной длительности перерыва между закалкой и стабилизационной обработкой по режиму 150 °С, 90 мин.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы; система Al-Mg-Si; закалка; старение; время выдержки; механические свойства; упрочняющая в''-фаза
Selection and Justification of Stabilization Annealing Conditions for the Production of Sheets from Al-Mg-Si Alloys System. Cand. of Sci. (Eng.) Vasily V. Yashin1, Cand. of Sci. (Eng.) Alexander M. Drits1, Dr. of Sci. (Eng.), Professor Evgeniy V. Aryshensky2,
Dr. of Sci. (Eng.), Professor Vladimir Yu. Aryshensky1
1 Samara Metallurgical Plant JSC, Samara, Russia, e-mail: [email protected]
2 Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia
Abstract. The regularities of formation of mechanical properties of rolled sheets made from Al-Mg-Si alloy were studied. These regularities were established during laboratory experiments using 1 mm thick strip specimens produced under industrial conditions. After hardening, the specimens were subjected to the stabilization treatment under various conditions followed by determination and analysis of mechanical properties. Based on the results of the work, it was established that the heat treatment at 100 °C, 2 h provides stabilization of the microstructure of 6016 alloy sheets. Maximum strength properties were obtained in case of a minimum duration of the break between hardening and stabilization treatment at 150 °С, 90 min.
Keywords: aluminum alloys; Al-Mg-Si system; hardening; aging; holding time; mechanical properties; strengthening P"-phase
Введение
В настоящее время автомобильная промышленность стремится снизить расход топлива и выброс выхлопных газов с целью удовлетворения растущих экологических требований. Помимо повышения эффективности двигателя, снижение массы транспортного средства имеет важное значение для достижения этой цели [1-6].
Применение алюминия для изготовления автомобильных деталей обусловлено следующими его свойствами [7]:
- низкая плотность;
- достаточно высокая прочность для стабильности конструкции, долговечности, устойчивости к вмятинам и надежности при столкновении;
- жесткость;
- вязкость;
- высокая коррозионная стойкость;
- возможность вторичной переработки;
- низкие затраты на материалы и изготовление.
Алюминиевые сплавы системы А1-Мд-Б1 (6ХХХ по международной классификации) как листовые материалы для автомобильных кузовов используются все шире, становясь оптимальными материалами для уменьшения массы автомобилей [2-6]. Листы из сплавов 6ххх обладают хорошей формуемостью, низкой упругой отдачей, отсутствием деформационных полос, способностью к образованию высококачественных швов, высоким сопротивлением коррозии.
Сплавы системы А1-Мд-Э1 являются тер-моупрочняемыми, в технологию производства этих сплавов входит закалка и последующее старение с упрочнением за счет выделений Р"-типа [8]. Обработку на пересыщенный твердый раствор (закалка), как правило, проводят на предприятии-поставщике листа, а штамповку деталей - на другом предприятии. Перерыв между финальной операцией при производстве листа и штамповкой детали может достигать несколько месяцев. За это время в металле происходит процесс естественного старения. Длительность естественного старения негативно отражается на финальных свойствах детали, которые формируются при ограниченной по времени операции сушки
лакокрасочного покрытия [9]. После длительного естественного старения в начале сушки происходит возврат - известное явление для сплавов этой системы. Резкое уменьшение концентраций избыточных вакансий после длительного естественного старения замедляет кинетику формирования упрочняющих выделений ß''-фазы, в результате чего в микроструктуре финальной детали можно наблюдать пониженную плотность упрочняющих частиц и, соответственно, пониженные прочностные свойства изделия [10, 11].
Для решения данной проблемы на предприятии-поставщике листа после закалки проводят стабилизационную обработку (СО) листов. СО представляет собой термообработку в интервале температур от 70 до 150 °С с выдержкой от 16 ч до 5 мин соответственно. В результате СО образуются более крупные и более устойчивые зоны ГП, чем кластеры, которые образуются при естественном старении. Зоны ГП служат зародышами выделений ß''-фазы, формирующейся при дальнейшей сушке лакокрасочного изделия. В этом случае упрочняющие выделения ß''-фазы имеют малые размеры и высокую плотность распределения в объеме сплава, что приводит к увеличению прочности готовых изделий. Целью данной работы является исследование влияния режимов стабилизационного отжига и времени перерыва между закалкой и СО на прочностные свойства листов из сплавов системы Al-Mg-Si.
Экспериментальная часть
Испытания проводили на образцах холоднокатаной полосы из сплава 6016 (типичный представитель сплавов системы Al-Mg-Si) толщиной 1 мм, полученных в промышленных условиях на СМЗ по технологии производства автомобильного листа [12]. Химический состав соответствует требованиям EN 573-3 (табл. 1).
Холоднокатаную ленту подвергали закалке при температуре до 525 °С, после чего охлаждали в воде температурой 20-30 °С. Закаленные образцы подвергали дальнейшей термической обработке по режимам, приведенным в табл. 2. Образцы нагревали в камерной печи THERM CONCEPT KM 70/06/A.
Химический состав сплава 6016, % вес. [13] Таблица 1
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti
1,0-1,5 0,5 0,2 0,2 0,25-0,6 0,1 0,2 0,15
Таблица 2 Режимы термической обработки
Перерыв между закалкой и СО, мин Режим СО Длительность хранения Режим имитации сушки
Т, °С Выдержка, мин
- - - 1 ч, 15 ч, 15 сут., 30 сут., 40 сут., 70 сут., 6 мес. 170 °С, 20 мин
- 100 120
10, 40, 90, 480 100 120, 300 1, 2 мес.
150 30, 60, 90
Для определения оптимального режима предварительного старения провели анализ механических свойств после термообработки по различным режимам (см. табл. 2). Механические свойства определяли методом растяжения на универсальной испытательной машине Zwick Z100 в соответствии со стандартом EN ISO 6892-1.
Результаты и обсуждение
На рис. 1 приведены результаты исследования. Прочностные свойства оценивали по пределу текучести, так как именно этот параметр регламентируется заказчиками автомобильного листа. Для удобства интерпретации данных, значения на оси абсцисс представлены в логарифмическом виде. Нижние две ли-
После сушки лакокрасочного
покрытия (170 °С, 20 мин) * ж
Перед сушкой ж
лакокрасочного покрытия
---------
____--г---
— ♦ Без СО
СО 100 °С, 2 ч
1 ю юо юоо юооо юоооо юооооо
Длительность хранения, мин
Рис. 1. Влияние длительности хранения опытных образцов на предел текучести (до имитации сушки и после проведения сушки)
нии показывают изменение предела текучести в зависимости от длительности естественного старения при хранении листов. Листы из сплава 6016, которые после закалки не были обработаны на стабилизацию структуры, показывают интенсивный рост предела текучести (штриховая линия) в соответствии с общеизвестными принципами естественного старения. Так, увеличение предела текучести в результате хранения при комнатной температуре фиксируется уже через 60 мин после закалки. В течении первых 17 ч естественного старения предел текучести увеличивается с 69 до 111 МПа, после этого растет медленнее и за две недели достигает 125 МПа. Далее прирост становится незначительным, спустя 2-6 месяцев предел текучести достигает 134-143 МПа.
В результате стабилизационной обработки (100 °С, 2 ч), совершенной непосредственно после закалки, предел текучести резко увеличивается практически в 2 раза за счет образования зон ГП и соответствует 110-120 МПа. После завершения СО в структуре металла наблюдается резкое уменьшение концентрации избыточных вакансий и при последующем хранении образцов процессы естественного старения блокируются (см. рис. 1, сплошная нижняя линия) и дальнейшего повышения прочностных свойств не происходит.
Характер изменения свойств после имитации сушки лакокрасочного покрытия демон-
стрируют две верхние линии (см. рис. 1). На образцах, не прошедших этап стабилизационного отжига, ввиду возврата в начале сушки, о котором было упоминание во введении, наблюдается снижение предела текучести по мере увеличения длительности хранения (верхняя штриховая линия). На образцах, подвергнутых стабилизационной обработке, процесса возврата не наблюдается. Ввиду того, что при СО образуются выделения, которые являются зародышами упрочняющих фаз, последующее вылеживание приводит к усилению упрочнения, в результате чего предел текучести повышается по мере увеличения длительности хранения (см. рис. 1, верхняя сплошная линия).
Негативное влияние процессов естественного старения также наблюдается и при увеличении длительности между закалкой и стабилизационной обработкой. На рис. 2 показана зависимость предела текучести образцов
220 200
1180 I160
и
5 140 120 100
После сушки лакокрасочного покрытия (170 °С, 20 мин)
Перед сушкой лакокрасочного покрытия
---150 "С, 30 мин
- 100 "С, 2 ч
10 40 90 480
Время перерыва между закалкой и СО, мин
Рис. 2. Влияние времени выдержки между закалкой и СО на предел текучести до и после сушки
Режим стабилизационного отжига Естественное старение ■ — 1 месяц □ — 2 месяца
„ О и <М р СЧ
р ^ §
Я о
о. 22
еГ
100 "С, 120 мин
100 °С, 300 мин
гП пи ИМИ гг
150 °С, 30»
10 40 90 10 40 90 10 40 90 10 40 90 Время перерыва между закалкой и стабилизационной обработкой, мин
Рис. 3. Предел текучести после имитации сушки (170 °С, 20 мин) с различными режимами стабилизационной обработки
от длительности перерывов между закалкой и стабилизационной обработкой по двум режимам: 150 °С, 30 мин (штриховая линия) и 100 °С, 2 ч (сплошная линия). Из рис. 2 видно, что увеличение времени перерыва между закалкой и стабилизационной обработкой с 10 мин до 8 ч приводит к росту предела текучести (нижние две линии) в результате образования кластеров Мд, Б1. При имитации сушки кластеры с магнием растворяются, замедляя кинетику упрочнения, так на образцах с перерывом между закалкой и СО в 8 ч предел текучести на 33 МПа (на 16,5 %) ниже, чем на образцах с перерывом в 10 мин.
При перерыве между закалкой и СО в 10 мин увеличение температуры стабилизационной обработки со 100 до 150 °С приводит к повышению предела текучести как до сушки (до 32 МПа), так и после (до 62 МПа). Из этого можно сделать вывод, что зоны, образованные при более высокой температуре старения, являются более благоприятными (по химическому составу, размерам и плотности распределения) для ускорения упрочнения при дальнейшей сушке. Однако увеличение длительности перерыва между закалкой и СО до 8 ч приводит к тому, что различия в значениях предела текучести сводятся к нулю. Видимо, перерыва длительностью 8 ч достаточно, чтобы в микроструктуре прошли процессы образования кластеров Мд, Б1, и обработка как при 100 °С, 2 ч, так и при 150 °С, 10 мин, приводит к одним и тем же результатам, т.е. к замедлению процесса упрочнения при сушке.
На рис. 3 сведены результаты испытаний образцов в состоянии после имитации сушки со стабилизационной обработкой по режимам 100 °С, 120 и 300 мин и 150 °С, 30 и 90 мин и с различным перерывом между закалкой и СО. Испытания проводили в двух вариантах -после одного и двух месяцев вылеживания. Увеличение выдержки от 120 мин до 5 ч при температуре обработки 100 °С незначительно влияет на предел текучести. При температуре стабилизационной обработки 150 °С увеличение длительности отжига с 30 до 90 мин приводит к более заметному росту предела текучести, до имитации сушки прирост составил +30 МПа и после сушки +35 МПа. Стоит отметить, что и при режимах, представленных
на рис. 3, также как и при режимах СО 100 °С, 2 ч; 150 °С, 10 мин (см. рис. 2), наблюдается негативное влияние увеличения длительности перерыва между закалкой и СО. Увеличение перерыва с 10 до 90 мин привело к снижению предела текучести -10 МПа на образцах, обработанных при 100 °С, и на -20 МПа на образцах, обработанных при 150 °С.
Сравнение результатов испытаний образцов с одним и тем же режимом термообработки, но с разной длительностью вылеживания показывает, что на образцах, обработанных при 150 °С, прочностные свойства при вылеживании 2 мес. ниже, чем на образцах с длительностью вылеживания 1 мес. Таким образом, несмотря на то, что при СО при температуре 150 °С формируется наиболее благоприятная к дальнейшему термическому упрочнению структура, времени 30 и даже 90 мин не достаточно, для того чтобы полностью заблокировать процессы естественного старения, протекающие в условиях последующего длительного вылеживания.
Среди всех образцов максимальный предел текучести получен при режиме с минимальной длительностью перерыва (10 мин) и режиме стабилизационной обработки 150 °С, 90 мин, 174 МПа до сушки и 235 МПа после. Относительное удлинение при этом принимает минимальное значение 23,5 %.
Результаты работы показали, что для минимизации отрицательного эффекта естествен-
ного старения при производстве листов из сплава 6016 необходимо свести к минимуму количество «низкотемпературных» кластеров в структуре заготовки. Для снижения их содержания необходимо проводить стабилизационную термообработку незамедлительно после закалки, для того чтобы большее количество магния и кремния пошло именно на образование «высокотемпературных» кластеров и зон ГП. В процессе сушки «высокотемпературные» кластеры не растворяются, как «низкотемпературные», а являются зародышами стабильной упрочняющей фазы Р", именно поэтому стабилизационная обработка при 150 °С с минимальным перерывом между закалкой и СО показывает лучший результат (см. рис. 3).
Выводы
В ходе работы экспериментальным путем установлено, что за счет проведения стабилизационной обработки при температуре 100 °С, 2 ч удается стабилизировать микроструктуру, фазовый состав и механические свойства катаных листов из сплава 6016 толщиной 1 мм, подверженных закалке. Стабильность свойств подтверждена на протяжении 6 месяцев.
Максимальные прочностные свойства достигаются при минимальной длительности перерыва между закалкой и стабилизационной обработкой при режиме 150 °С, 90 мин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gongalves M., Monteiro H., Iten M. Life Cycle Assessment studies on lightweight materials for automotive applications-An overview //Energy Reports. 2022. Vol. 8. P. 338-345.
2. Hashimoto N. Application of Aluminum extrusions to automotive parts //Kobelco Technology Review. 2017. Vol. 35. P. 69-75.
3. Elasheri A., Parson N., Chen X.G. Microstructure, tensile and bending properties of extruded Al-Mg-Si 6xxx alloys with individual and combined additions of Zr and Mn // Materials Science and Engineering: A. 2024. P. 146156.
4. Hirsch J. Recent development in aluminium for automotive applications //Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014. Vol. 24. № 7. P. 1995-2002.
5. Frodal B.H. et al. The role of quench rate on the plastic flow and fracture of three aluminium alloys with different grain structure and texture // International Journal of Engineering Science. 2020. Vol. 150. P. 103257.
6. Strobel K. et al. Effects of quench rate and natural ageing on the age hardening behaviour of aluminium alloy AA6060 //Materials Characterization. 2016. Vol. 111. С. 43-52.
7. Lohne O., Dons A.L. Quench sensitivity in AlMgSi-alloys containing Mn or Cr // Scandinavian Journal of Metallurgy. 1983. Vol. 12. № 1. P. 34-36.
8. Hirsch J. Aluminium alloys for automotive application // Materials Science Forum. Trans Tech Publications Ltd. 1997. Vol. 242. Р. 33-50.
9. Колобнев Н.И., Бер Л.Б., Цукров С.Л. Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов // Под ред. Каблова Е.Н. М.: НП «АПРАЛ», 2020. 552 с.
10. Остерманн Ф. Технология применения алюминия / Изд. и пер. с нем. под рук. и общ. ред. Борисова В.Г., Локшина М.З. М.: НП «Апрал», 2019. 872 с.
11. Ding L. et al. Influence of interrupted quenching and pre-aging on the bake hardening of Al-Mg-Si
alloy // Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 651. Р. 991-998. 12. Трибунский А.В. и др. Исследование эволюции размеров и количества интерметаллидных частиц при производстве листов и лент из алюминиево-
го сплава 6016 //Технология металлов. 2020. № 5. С. 46-53.
13. STANDARD B. Aluminium and aluminium alloys-Rolling ingots-Specifications. 2009.
REFERENCES
1. Gongalves M., Monteiro H., Iten M. Life Cycle Assessment studies on lightweight materials for automotive applications-An overview //Energy Reports. 2022. Vol. 8. P. 338-345.
2. Hashimoto N. Application of Aluminum extrusions to automotive parts // Kobelco Technology Review. 2017. Vol. 35. P. 69-75.
3. Elasheri A., Parson N., Chen X.G. Microstructure, tensile and bending properties of extruded Al-Mg-Si 6xxx alloys with individual and combined additions of Zr and Mn // Materials Science and Engineering: A. 2024. P 146156.
4. Hirsch J. Recent development in aluminium for automotive applications //Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2014. Vol. 24. № 7. P. 1995-2002.
5. Frodal B.H. et al. The role of quench rate on the plastic flow and fracture of three aluminium alloys with different grain structure and texture // International Journal of Engineering Science. 2020. Vol. 150. P. 103257.
6. Strobel K. et al. Effects of quench rate and natural ageing on the age hardening behaviour of aluminium alloy AA6060 // Materials Characterization. 2016. Vol. 111. C. 43-52.
7. Lohne O., Dons A.L. Quench sensitivity in AlMgSi-alloys containing Mn or Cr // Scandinavian Journal of Metallurgy. 1983. Vol. 12. № 1. P. 34-36.
8. Hirsch J. Aluminium alloys for automotive application // Materials Science Forum. Trans Tech Publications Ltd. 1997. Vol. 242. P. 33-50.
9. Kolobnev N.I., Ber L.B., Tsukrov S.L. Termiches-kaya obrabotka deformiruyemykh alyuminiyevykh splavov // Pod red. Kablova Ye.N. M.: NP «APRAL», 2020. 552 s.
10. Ostermann F. Tekhnologiya primeneniya alyuminiya / Izd. i per. s nem. pod ruk. i obshch. red. Boriso-va V.G., Lokshina M.Z. M.: NP «Apral», 2020. 552 s.
11. Ding L. et al. Influence of interrupted quenching and pre-aging on the bake hardening of Al-Mg-Si alloy // Materials Science and Engineering: A. 2016. Vol. 651. P. 991-998.
12. Tribunskiy A.V. i dr. Issledovaniye evolyutsii razmerov i kolichestva intermetallidnykh chastits pri proizvodstve listov i lent iz alyuminiyevogo splava 6016 //Tekhnologiya metallov. 2020. № 5. S. 46-53.
13. STANDARD B. Aluminium and aluminium alloys-Rolling ingots-Specifications. 2009.
