Способ горячей прокатки плит из алюминиевых сплавов

 

Использование: горячая прокатка плит из алюминиевых сплавов. Сущность изобретения: прокатку осуществляют с уменьшением отношения толщины прокатываемого металла к диаметру валков от прохода к проходу в пределах от 0,55 до 0,05 с относительными обжатиями, выбираемыми из соотношений, скорость прокатки определяют по математической зависимости. 2 табл.

Изобретение относится к прокатке металлов и может быть использовано при горячей прокатке плит из алюминиевых сплавов. В изделиях машиностроения широко используются панели, изготавливаемые путем механической обработки катаных плит из алюминиевых сплавов. При этом полотно панели формируется из приповерхностных и промежуточных слоев по толщине плит, что в свою очередь предопределяет повышенные требования к структуре и механическим свойствам плит в этих слоях. На условия формирования структуры и механических свойств в приповерхностных и промежуточных слоях по толщине плит существенное влияние оказывают схема напряженного состояния и температурные условия деформации металла при прокатке. При напряженном состоянии, характеризующимся действием растягивающих напряжений в высотном направлении в приповерхностных и промежуточных слоях по толщине раската, и повышении температуры металла из-за деформационного разогрева в зонах максимальных сдвиговых деформаций формируется шиферная структура. При испытании в высотном направлении образцов с шиферной структурой разрушение происходит у захватов образцов. Как правило, относительное удлинение снижается на 1-2 абс. при сильной шиферности структуры относительное удлинение падает до нуля, предел прочности также снижается. Поэтому одной из важных является проблема установления режимов прокатки, исключающих образование и развитие шиферной структуры в приповерхностных и промежуточных зонах по толщине проката. Известен способ горячей прокатки плит из малопластичных сплавов, например алюминиевых, включающий нагрев и последующую прокатку литого слитка с повышением от прохода к проходу отношения длины дуги захвата к текущей толщине раската, согласно которому прокатку в проходах с этим отношением в пределах 0,5-0,6 производят с коэффициентом напряженного состояния, равным 1,0-1,05, при относительных обжатиях за проход 15-20% и поддержанием температуры прокатки в пределах ±10^oС от начальной. Известный способ обеспечивает получение плит с повышенными механическими свойствами и уменьшенным количеством расслоений в центральных по толщине слоях плит за счет улучшения их пластической проработки при действии сжимающих напряжений в продольном направлении. Однако недостатком этого способа является неудовлетворительное качество плит за счет пониженного уровня механических свойств и дефектов структуры металла в приповерхностных и промежуточных слоях по толщине плит, обусловленное действием растягивающих напряжений в высотном направлении и деформационным разогревом металла в зонах максимальных сдвиговых деформаций. Известен также способ горячей прокатки плит из малопластичных сплавов, включающий прокатку плоского слитка с повышением от прохода к проходу отношения длины дуги захвата к средней толщине раската, согласно которому прокатку начинают при отношении длины дуги захвата к средней толщине раската 0,4-0,5 с коэффициентом вытяжки в каждом проходе 1,1-1,15 и заканчивают с коэффициентами вытяжки в каждом проходе 1,3-1,45 при показателе пластической проработки металла 1,0-2,0. По таким режимам деформирования получают плиты с повышенным уровнем механических свойств в центральных слоях по толщине за счет уменьшения расслоений и улучшения пластической проработки металла. Однако недостатком этого известного способа является его применение лишь для прокатки плит из низких по высоте слитков, когда в первых проходах отношение длины дуги захвата к средней толщине раската составляет 0,4-0,5, в то время как для получения требуемых габаритов плиты обычно прокатывают из слитков повышенной высоты при отношении в первых проходах длины дуги захвата к средней толщине раската в пределах 0,1-0,2. Кроме того, интервал частых вытяжек, с которыми необходимо проводить прокатку по этому способу, приводит к появлению значительных по величине высотных растягивающих напряжений в приповерхностных и промежуточных слоях плит по толщине и ухудшению тем самым механических свойств плит. Известен способ горячей прокатки плит из алюминиевых сплавов с уменьшением отношения q толщины прокатываемого металла h_o к диаметру валков D в проделах от 0,30 до 0,05, по которому прокатку при 0,15 ≥ q ≥ 0,08 осуществляют с относительным обжатием 0,15 ≅ ε ≅ 0,20. Это позволяет устранить расслоение металла в центральной части раската. Однако известный способ имеет такие же недостатки, что и предыдущие. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления крупногабаритных плит из труднодеформируемых алюминиевых сплавов, включающий литье слитков, их гомогенизацию и прокатку с общим коэффициентом вытяжки 3,5-6,4 с частными обжатиями на первом проходе 0,09-0,12 и последующим увеличением их до 0,3. Прокатка с частными обжатиями в предложенных пределах протекает в условиях отсутствия продольных растягивающих напряжений в центральных по толщине слоях раската, что позволяет повысить уровень механических свойств плит в этих слоях. Однако недостатком этого известного способа, принятого за прототип, является назначение частных обжатий по проходам без учета влияния обжатия на величину и неравномерность распределения напряжений и деформаций по высоте раската, что приводит к появлению значительных по величине высотных растягивающих напряжений в приповерхностных и промежуточных слоях по толщине плит, а также перегреву металла в зонах максимальных сдвиговых деформаций и обусловливает возникновение, развитие шиферной структуры при снижении механических свойств металла в этих слоях. Целью изобретения является повышение качества металла за счет улучшения структуры и повышения механических свойств. Для достижения этой цели в способе горячей прокатки плит, включающем нагрев и прокатку с уменьшением отношения q толщины прокатываемого металла h_o к диаметру валков D от прохода к проходу в пределах от 0,05 до 0,05, прокатку ведут с относительными обжатиями по проходам, выбираемыми из следующих соотношений: при 0,55 ≥ q ≥ 0,4; 0,05 ≅ e ≅ 0,1 при 0,4 > q ≥ 0,3; 0,09 ≅ e ≅ 0,17 при 0,3 > q ≥ 0,25; 0,13 ≅ e ≅ 0,18 при 0,25 > q ≥ 0,15; 0,15 ≅ e ≅ 0,2 при 0,15 > q ≥ 0,1; 0,1 ≅ e ≅ 0,15 либо 0,26 < e < 0,35 при 0,1 > q ≥ 0,05; 0,18 < e < 0,245 а скорость прокатки определяют из следующей зависимости: где V_o коэффициент, равный 1,0 для пластичных и 0,82 для малопластичных алюминиевых сплавов;
Θ_o температура, при которой сплав имеет максимальную пластичность;
Θ температура раската;
q_п температура, при которой наступает перегрев сплава. Сущность способа заключается в том, что при прокатке плит с относительными обжатиями по проходам и со скоростью, установленными в зависимости от геометрических параметров очага деформации и температуры металла по предлагаемым соотношениям, создаются благоприятные схемы напряженного состояния металла, которые характеризуются отсутствием высотных растягивающих напряжений в приповерхностных и промежуточных слоях по толщине раската либо их незначительным значением, а также исключается перегрев металла в результате его деформационного разогрева, что в конечном итоге предупреждает формирование шиферной структуры и обусловливает повышение механических свойств металла. Кроме того, при прокатке по указанным режимам на оси симметрии раската реализуется также благоприятная схема напряженного состояния, что приводит к повышению механических свойств плит в центральны слоях и предупреждению раскрытия металла. Предложенные зависимости для определения относительных обжатий по проходам получены по результатам совместного теоретико-экспериментального исследования кинематики процесса прокатки с использованием математической модели, построенной на базе метода суперпозиции гармонических течений с последующими локализацией и уточнением и применением метода муар, на основании которого установлены закономерности влияния геометрических параметров очага деформации на напряженно-деформированное состояние и деформационный разогрев металла в любой точке очага деформации. Уравнение для определения скорости прокатки получено путем аппроксимации зависимостей изменения температуры по сечению раската из-за деформационного разогрева от q и ε при разных скоростях прокатки, рассчитанных на основе вышеуказанной математической модели процесса прокатки. Отклонения от заданных интервалов изменения относительного обжатия за проход для фиксированного параметра q приводит к появлению значительных по величине растягивающих напряжений, ухудшению структуры и снижению механических свойств. Например, при изменении геометрических параметров очага деформации в интервале 0,1 ≅ q < 0,15 и 0,15 ≅ e ≅ 0,25 в приповерхностных слоях и на оси симметрии появляются зоны больших высотных растягивающих напряжений на входе металла в очаг деформации и на выходе из него. Величина этих напряжений достигает (1,3-1,8) s_т, где σ_т- напряжение пластического сдвига. При q 0,1 и ε 0,25; q 0,15 и e 0,15 в приповерхностных слоях и на оси симметрии полосы образуются схемы всестороннего неравномерного растяжения. При 0,05 ≅ q < 0,1 относительное обжатие за проход не должно превышать 0,245 и не должно быть меньше 0,18. В противном случае на выходе металла из очага деформации в приповерхностных слоях и на оси полос возникают высотные растягивающие напряжения. Для остальных диапазонов изменения геометрических параметров очага деформации, перечисленных в способе, наблюдаются аналогичные явления. Однако именно диапазон 0,05 ≅ q ≅ 0,2 является наиболее опасным с точки зрения образования высотных растягивающих напряжений, величина которых принимает большие значения. Для исключения перегрева металла в результате его деформационного разогрева скорость прокатки в каждом проходе необходимо назначать в зависимости от параметров q и e и температуры подката по предложенной зависимости. В противном случае при произвольном назначении скорости прокатки при выбранных параметрах q и e наступит перегрев металла и, как следствие, ухудшение структуры и снижение механических свойств в высотном направлении. Если при расчете скорости V ее значение становится нулевым или отрицательным, то необходимо изменить значения e в пределах заданных интервалов для соответствующих q или понизить температуру подката q (охлаждением) до получения положительного значения. Назначенные в способе режимы обеспечивают ведение прокатки при благоприятных схемах напряженного состояния и отсутствии перегрева металла в приповерхностных и промежуточных слоях по толщине раскатов, что исключает зарождение и развитие шиферной структуры и обусловливает повышение механические свойств плит в высотном направлении. При сравнении предлагаемого технического решения не только с прототипом, но и другими известными решениями и публикациями в технической литературе не обнаружено совпадений ни по существенным отличительным признакам, ни по техническим свойствам, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия". Способ осуществляют следующим образом (на примере изготовления плит из сплава 1163 в состоянии Т1). Слитки размером 390 х 1300 х 6000 мм и 300 х 1300 х 6000 м (прототип) отливают при температуре 685 710^oС со скоростью 60 65 мм/мин. Гомогенизирующий отжиг слитков проводят при температуре 480 - 500^oС в течение 18 ч. После механической обработки слитки размером 360 х 1250 х 1500 и 270 х 1250 х 2000 мм (прототип) нагревают и осуществляют их горячую прокатку до получения плит размером 45 х 1250 х 12000 мм. Прокатку производят на реверсивном стане 2800, имеющем рабочие валки диаметром 750 мм. Закалку плит производят на агрегате закалки, температура нагрева перед закалкой 495 500^oС, время выдержки 105 мин. После закалки плиты правят растяжением с остаточной деформацией 1,7- 2,2% Старение плит производят при температуре 190^oС в течение 11 ч. После старения осуществляют ультразвуковой контроль плит и отбирают образцы для контроля структуры и механических свойств плит. Технологические режимы осуществления предложенного способа (плиты N 1 - 4), способа по прототипу и по опытным режимам N 1-3 приведены в табл.1. Порядок расчета обжатий по предлагаемому способу. Определяют обжатие и температуру раската исходя из допустимых энергосиловых параметров стана и угла захвата, определяют параметр q, затем рассчитанное обжатие сравнивают с предлагаемыми для данного значения q и при необходимости корректируют. Затем определяют по предложенной зависимости скорость прокатки и, если надо, корректируют ее изменением обжатия и (или) снижением температуры раската. Во всех случаях значения e изменяют в пределах интервалов для соответствующих значений q, определенных расчетом. Ограничивающими факторами при построении режимов явились энергосиловые параметры действующего стана горячей прокатки 750/1450 х 2800 и возможность оценки качества плит по стандартным методам испытаний. По этим причинам испытания предлагаемого способа выполнены при 0,48 ≥ q ≥ 0,07, а для осуществления способа по прототипу использован слиток толщиной 270 мм. В конкретных примерах выполнения режимы прокатки плит N 1-4 по предлагаемому способу включают как граничные значения q и e,, так и средние значения ε,, в т.ч. для наиболее неблагоприятного диапазона 0,2 ≥ q ≥ 0,05. В табл.1 приведены также опытные режимы прокатки плит. Опытный режим N 1 включает наиболее неблагоприятные сочетания ε и q в диапазоне 0,2 ≥ q ≥ 0,05, приведены для оценки влияния высотных растягивающих напряжений на структуру и свойства металла при соблюдении скоростных условий деформации по предлагаемому способу. В опытном режиме N 2 соотношения q и e, соответствуют заявленным (см. плиту N 1 ), однако скорость прокатки не регламентирована, а принята по установившейся практике прокатки. Этот режим приведен для оценки влияния скорости прокатки на структуру и свойства плит при благоприятной схеме напряженного состояния. Опытный режим N 3 отличается от режима N 2 по схеме обжатий. Режим приведен с целью подтверждения необходимости регламентирования скорости и температуры прокатки по предложенной зависимости. При построении режимов прокатки плит по предлагаемому способу приняты (по данным экспериментальных исследований):
температура максимальной пластичности сплава 1163 в литом состоянии 450^oС, в деформированном 400^oС,
температура перегрева сплава и начала образования шиферной структуры 445^oС. Показатели качества прокатанных плит приведены в табл.2. Как видно из табл.2, предлагаемый способ горячей прокатки позволяет по сравнению с известным способом улучшить структуру металла и повысить механические свойства (относительное удлинение) по толщине плит. Внедрение предлагаемого способа осуществляется в прокатных цехах заводов авиационной металлургии и позволит решить важную задачу получения деталей авиационных конструкций с улучшенными характеристиками по надежности и ресурсу.

Формула изобретения

Способ горячей прокатки плит из алюминиевых сплавов, включающй нагрев и прокатку с уменьшением отношения q толщины прокатываемого металла по к диаметру валков D от прохода к проходу в пределе 0,55 до 0,05, отличающийся тем, что, с целью повышения качества металла за счет улучшения структуры и повышения механических свойств, прокатку ведут с относительными обжатиями по проходам, выбираемым из следующих соотношений:





либо 0,26 < ε < 0,35;

а скорость прокатки определяют из следующей зависимости:

где V₀ коэффициент, равный 1,0 для пластичных и 0,82 для малопластичных алюминиевых сплавов,
Θ_o температура, при которой сплав имеет максимальную пластичность,
Θ температура раската,
q_п температура, при которой наступает перегрев сплава и образование шиферной структуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 11-2002

Извещение опубликовано: 20.04.2002        

---