Способ термомеханической обработки листовых алюминиевых сплавов

 

Изобретение возможно использовать в машиностроении при изготовлении деталей из тонких листов сплавов, содержащих литий. Цель изобретения повышение прочностных характеристик при сохранении пластических свойств материала. В способе термомеханической обработки листовых алюминиевых сплавов системы алюминий-медь-литий, включающем предварительную закалку, последующее холодное деформирование и старение, холодное деформирование осуществляют в условиях сжато-напряженного состояния с одновременным приложением к очагу наибольших пластических деформаций усилия растяжения со степенями, обеспечивающими выравнивание по сечению внутренних напряжений и заданную геометрию полуфабриката, после холодного деформирования осуществляют повторную закалку в воде с температуры 515. 535°С с последующей правкой растяжением со степенью остаточной деформации 2,0. 5,0% а искусственное старение проводят при 145. 160°С в течение 40 60 ч. Кроме того, в способе холодное деформирование осуществляют в штампах или роликовом вращающемся инструменте. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к термомеханической обработке легких сплавов и может быть использовано в машиностроении при изготовлении деталей из тонких листов сплавов, содержащих литий.

Известен способ низкотемпературной термомеханической обработки (НТМО) сплава системы алюминий-магний-литий (Al-Mg-Li, сплав 1420), по которому проводится закалка материала с охлаждением в воде, изготовление листовых деталей штамповкой с последующим искусственным старением при разных температурах (t 120-250^оС) и времени выдержки при старении (см. например, "Технологические рекомендации ТР 1.4.467-78). Штамповка деталей из алюминиевого сплава 1420". НИАТ. 1982, с.15, рис.2; с.67, рис.15).

Недостатки способа.

В интервале температур старения 180-190^оС, которые наиболее приемлемы для алюминиево-литиевых сплавов типа 1420, с увеличением времени старения постепенно снижается относительное удлинение δ при отсутствии заметного увеличения предела прочности σ_в и предела текучести σ_0,2. При проведении НТМО (закалка, деформация растяжения, искусственное старение) σ_в прак- тически не повышается, а δ значительно снижается при ее различных режимах.

Известен также способ НТМО сплава системы алюминий-медь-литий (Al-Cu-Li), см. например, М.Х.Рабинович "Термомеханическая обработка алюминиевых сплавов". М. Машиностроение, 1972, с.48, при котором с увеличением степени деформации при НТМО и содержания легирующих элементов повышаются прочностные характеристики и уменьшается пластичность в состаренном состоянии.

Недостатки способа: недостаточный прирост прочностных свойств (до 15%) при деформации до 5% перед искусственным старением и всего на 3% при деформации до 10% с резким снижением относительного удлинения до 1,5.2,0% незначительное приращение предела прочности при искусственном старении в течение 24 ч с температурой t 180^оС после пластической деформации растяжением в пределах 1% относительное удлинение δ 3,5.5,0% при оптимальных режимах НТМО недостаточно для конструкционных материалов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ термомеханической обработки тонкого листа из алюминиевых сплавов, содержащих литий (см. заявка N 5012333/02 (064917) от 25.07.91 г. по которой принято решение форма N 01ИЗ-91 о выдаче патента). По способу после предварительной термической обработки пластическое деформирование сплавов системы алюминий-медь-литий ведут в условиях сжато-напряженного состояния материала, при этом одновременно прикладывают к очагу наибольших пластических деформаций усилие растяжения со степенью остаточной деформации 1,0.1,5% а искусственное старение по двухступенчатому режиму при t₁120.135^оС, выдержка 2.5 ч и t₂145.160^оС, выдержка 15.25 ч.

Недостатки способа.

Нет определенности относительно временного периода проведения этапов НТМО. Большинство сплавов системы Al-Cu-Li могут подвергаться пластическому деформированию не позже 4-6 ч после закалки. При большем времени, например, через сутки-двое происходит естественное старение и пластичность оказывается недостаточной.

Нет определенности относительно количества термообработок, возможности их чередования с операциями пластического деформирования.

Не устанавливается влияние дополнительных термообработок на режимы пластического деформирования и искусственного старения.

Целью предлагаемого технического решения является повышение прочностных характеристик при сохранении пластических свойств материала.

Для достижения поставленной цели заявляемое изобретение содержит общие с прототипом признаки: предварительную термическую обработку, последующее пластическое деформирование в холодном состоянии в условиях сжато-напряженного состояния материала с одновременным приложением к очагу наибольших пластических деформаций усилия растяжения и искусственное старение на окончательной операции технологического процесса, благодаря чему задачи цели обеспечиваются, если длительность интервала времени после закалки ограничена и не требуется последующая перезакалка.

В случае длительного времени после предварительной термообработки и пластического деформирования со значительным поверхностным наклепом пластичность сплавов системы алюминий-медь-литий оказывается недостаточной и формоизменяющиеся операции приводят к трещинообразованию. В этих случаях требуется перезакалка, которая приводит к структурным изменениям в металле и влечет изменение режима искусственного старения.

По отношению к прототипу у заявляемого изобретения имеются следующие отличительные признаки: 1. После пластического деформирования, например, формообразующих операций, вводится повторная закалка в воде с температуры 515-535^оС. Интервал температур выбирается, исходя из процентного содержания легирующих элементов и толщины листа. Перезакалка вводится и в случае длительного периода после предварительной термообработки из-за интенсивного естественного старения металла.

2. Правка растяжением, причем с увеличенной степенью остаточной деформации в пределах 2,0. 5,0% в зависимости от химического состава и толщины восстанавливает прочностные свойства, полученные вследствие поверхностного наклепа при пластическом деформировании, и снятые при перезакалке.

3. Повторная и последующие перезакалки требуют более длительного режима искусственного старения и определенной температуры в зависимости от химсостава и толщины листа, а именно t 145.160^оС с выдержкой 40-60 ч.

Отдельные отличительные признаки предлагаемого технического решения в той или иной мере известны в литературе. Известно применение искусственного старения алюминиевых сплавов с выдержкой 48 часов, например, при изготовлении деталей из сплава АК4-1 (см. Рабинович М.Х. Термомеханическая обработка алюминиевых сплавов, с.86, табл.8).

Известно также применение растягивающего усилия для правки, в частности профилей (см.например, Ершов А.Г. Изготовление деталей из прессованных профилей алюминиевых, титановых и магниевых сплавов. РТМ-1527, НИАТ, 1960, с. 40).

Известно из прототипа (заявка N 5012333/02 от 25.07.91 г.) приложение усилия растяжения со степенью остаточной деформации 1,0.1,5% Однако использование совокупности указанных известных признаков и в их иных граничных условиях, что подтверждено экспериментально, неизвестно. Это придает объекту новые свойства: повышается пластичность деформируемого материала; восстанавливаются прочностные свойства, потерянные при перезакалке; дополнительное приложение растягивающих усилий с остаточной деформацией 2,0. 5,0% в зависимости от химического состава материала, его толщины и степени созданного ранее напряженно-деформированного состояния содействует положительному эффекту искусственного старения, при этом сохраняется структура мелкозернистой, что гарантирует высокую прочность и сохранение пластичности.

На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что в предложенном техническом решении появляются новые свойства и обеспечивается достижение поставленной цели, поэтому это решение обладает существенными отличиями.

Способ выполняют следующим образом.

Листовую заготовку толщиной S_о 1,2-2,0 мм подвергают закалке при температуре, например, t 530±5^оС, затем деформируют в холодном состоянии не позднее, чем через 4-6 ч, создавая в очаге деформации сжато-напряженное состояние материала, например, в штампах или в роликовом вращающемся инструменте, прикладывая при этом растягивающее усилие для выравнивания по сечению внутренних напряжений, и обеспечивают заданную геометрию полуфабрикату. При проведении последующих формообразующих операций через неограниченное время, например, создания окончательной геометрии сечения профилей, проводят повторную закалку при той же температуре, затем правку со степенью остаточной деформации до 5% и подвергают деталь искусственному старению при температуре t 145.160^оС с выдержкой 40-60 ч.

П р и м е р. Листовые заготовки из рулонной ленты сплава 1451 толщиной S_о 1,2 и 2,0 мм, содержащего ≈3% меди, ≈1,5% лития деформировали в холодном состоянии поле закалки, проводимой при t 525^оС и 530^оС соответственно толщине, в роликовом инструменте с замкнутым калибром на волочильно-прокатной установке ВЛУ-120/7,5, обеспечивая пластическое течение металла в зонах сгиба. Однако, проводя деформирование через 8-10 ч имели по зонам сгиба трещинообразования и без перезакалки формоизменяющие операции проводить не удалось вследствие потери пластичности при естественном старении. Ликвидируя поводку длинномерных деталей (например, профилей) проводили правку растяжением с остаточной деформацией от 2,0 до 7,0% При меньшей деформации не могли гарантировать прямолинейность профилей, при деформации 5,5.7,0% эффект искусственного старения снижался. Профили проходили искусственное старение при температуре t 150^оС с выдержкой 36, 40 и 48 ч.

Испытания образцов на растяжение при исходных механических свойствах рулонной ленты σ_в 215-245 МПа, σ_0,2 200-215 МПа, δ ≈2% дали результаты искусственного старения в пределах σ_в 485-495 МПа, σ_0,2440-460 МПа, δ 8,0-9,0% По ТУ1-92-119-87 для сплава 1451 σ_в480-490 Мпа, σ_0,2 430 МПа, δ 6,0% Заявляемое изобретение "Способ термомеханической обработки листовых алюминиевых сплавов "позволяет снизить массу пенальных конструкций летательных аппаратов на 7-8% за счет меньшей плотности материала по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами и на 10-12% за счет минусового припуска на лист, из которого можно изготовить, например, профили взамен прессованных, и повышения прочностных характеристик.

Заявляемое решение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЛИСТОВЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ системы алюминий медь литий, включающий предварительную закалку, последующее холодное деформирование и старение, отличающийся тем, что холодное деформирование осуществляют в условиях сжато-напряженного состояния с одновременным приложением к очагу наибольших пластических деформаций усилия растяжения со степенями, обеспечивающими выравнивание по сечению внутренних напряжений и заданную геометрию полуфабриката, после холодного деформирования осуществляют повторную закалку в воде с температуры 515 535^oС с последующей правкой растяжением со степенью остаточной деформации 2,0 5,0% а искусственное старение проводят при 145 160^oС в течение 40 60 ч.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что холодное деформирование осуществляют в штампах или роликовом вращающемся инструменте.