Способ термомеханической обработки листовых труднодеформируемых алюминиевых сплавов

 

Изобретение относится к области термомеханической обработки легких сплавов, может использоваться в машиностроении при изготовлении деталей из тонких листовых сплавов, содержащих бериллий, с целью повышения деформируемости и механических свойств материала. Предлагается способ термомеханической обработки, заключающийся в предварительной обработке, деформировании в условиях сжатонапряженного состояния материала при одновременном приложении усилий растяжения со степенями деформаций, обеспечивающими выравнивание внутренних напряжений, и окончательной термообработке. В качестве труднодеформируемых берут сплавы системы алюминий-бериллий-магний. Предварительный нагрев ведут до 500-600^oС, деформирование растяжением осуществляют при стабилизационной температуре 350-400^oС, при этом температуру выравнивают по сечению и длине заготовки. Повторное деформирование ведут в условиях волочения при 200-250^oС. Высокотемпературную термическую обработку осуществляют непрерывно, заготовку протягивают через систему нагревательных устройств. Техническим результатом изобретения является повышение деформируемости и прочностных характеристик материала. 1 з. п. ф-лы.

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

Заявляемое изобретение направлено на решение народнохозяйственной задачи: повышение деформируемости и механических свойств материала.

Известен способ низкотемпературной термомеханической обработки (НТМО) сплава системы алюминий - магний - литий (сплав 1420) (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), по которому перед формообразованием проводится закалка материала с охлаждением в воде, изготовление листовых деталей штамповкой с последующим искусственным старением при разных температурах (t= 120-150^oС) и выдержкой τ = 5-15 ч с приложением растягивающего усилия при правке деформации ε = 5-15% . Недостатки способа: в интервале температур старения 120-190^oС, которые считаются наиболее приемлемыми для алюминиево-литиевых сплавов, с увеличением времени старения постепенно снижается относительное удлинение при отсутствии, практически, прироста предела прочности σ_в и предела текучести σ_0,2, что усложняет технологию и увеличивает цикл изготовления.

При проведении НТМО σ_в повышается не более 10-15%, а относительное удлинение δ значительно снижается, что не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к конструкционным авиационным материалам; прирост σ_0,2 за счет правки растяжением при значительном снижении относительного удлинения ухудшает эксплуатационные характеристики конструкций изделий.

Известен также способ термомеханической обработки тонкого листа из алюминиевых сплавов, содержащих литий (см. патент 2052533, опубл. БИ 26, 1996 г. ). По способу после предварительной обработки пластическое деформирование сплавов алюминий - медь - литий ведут в условиях сжатонапряженного 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 t₁= 120-135^oС, выдержка 2-5 ч и t₂= 145-160^oС, выдержка 15-25 ч.

Недостатки данного аналога.

Нет определенности относительно временного периода проведения этапов НТМО. Большинство сплавов системы алюминий - медь - литий 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.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ термомеханической обработки листовых алюминиевых сплавов системы алюминий - медь - литий, включающий предварительную закалку, последующее холодное деформирование в условиях сжатонапряженного состояния с одновременным приложением к очагу наибольших пластических деформаций усилия растяжения со степенями, обеспечивающими выравнивание по сечению внутренних напряжений и заданную геометрию полуфабриката, затем осуществляют повторную закалку в воде с температуры 515-535^oС с последующей правкой растяжением со степенью остаточной деформации 2,0-5,0% и последующее старение при 145-160^oС в течение 40-60 ч (RU 2042735, опубл. БИ 24 от 27.08.95).

Недостатками прототипа являются: предусматривается низкотемпературная термомеханическая обработка для системы сплавов, имеющих возможность деформации в холодном состоянии; повторное деформирование предполагает проведение повторной закалки, что приводит к снижению прочностных характеристик материала; нет определенности относительно временного разрыва между термообработками и процессами пластического деформирования, что может отрицательно сказаться на качестве получаемых полуфабрикатов.

Технический результат - повышение деформируемости и прочностных характеристик материала.

Для достижения технического результата заявляемого изобретения "Способ термомеханической обработки листовых труднодеформируемых материалов" содержит следующие общие с прототипом существенные признаки: предварительная термическая обработка, деформирование в условиях сжатонапряженного состояния материала при одновременном приложении усилий растяжения со степенями, обеспечивающими выравнивание по сечению внутренних напряжений и окончательная термообработка. Перечисленные сходные существенные признаки необходимы для достижения технического результата.

У заявляемого изобретения по отношению к прототипу имеются следующие отличительные признаки. В случае труднодеформируемых сплавов системы алюминий - бериллий - магний ведут предварительный нагрев до 500-600^oС, деформирование растяжением осуществляют при 350-400^oС, выравнивая температуру по сечению и длине заготовки.

Повторное деформирование ведут в условиях волочения при 200-250^oС. Таким образом, для сплавов алюминий - бериллий - магний проводится высокотемпературная обработка (ВТМО).

B предложенном техническом решении обеспечивается достижение технического результата, а именно повышение деформируемости материала с повышением прочностных свойств за счет выравнивания по сечению внутренних напряжений и принятых режимов деформирования.

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, может быть многократно использована в машиностроении при изготовлении листовых деталей для изделий авиакосмической техники.

Заявляемый способ термомеханической обработки листовых труднодеформируемых алюминиевых сплавов может быть реализован с помощью следующих материальных объектов: предварительный нагрев до 500-600^oС осуществляют в электропечи в составе волочильно-прокатной установки при поступательном движении заготовки. При больших температурах возможен пережог (исходя из особенностей материала), при меньших t^oС потребуются высокие скорости перемещения заготовки во избежание снижения температур ниже оптимальных значений; деформирование заготовки ведут в роликовом вращающемся инструменте с замкнутым калибром после прохождения через вторую печь для выравнивания температуры по всему сечению и длине с созданием сжатонапряженного состояния материала. Экспериментально установлены для сплавов алюминий - бериллий - магний оптимальные температуры при деформировании растяжением 350-400^oС в зависимости от содержания бериллия; повторное деформирование волочением позволяет окончательно выровнять внутренние напряжения по сечению. Температура движущейся заготовки не может снизится ниже 200^oС, так как волочение ведут одновременно с формообразованием заготовки, что значительно увеличит потребные усилия и может привести к разрыву растянутых волокон.

Все температурные режимы отработаны экспериментально, опытные образцы показали повышение прочностных свойств деформируемых заготовок.

Способ отрабатывался с использованием промышленного цепного стана ЦС-28, для которого были изготовлены три системы электропечей, как указано в формуле изобретения, и волочильно-прокатное оборудование (ВПУ), обеспечивающее процесс деформирования.

Из сплавов системы Al - Be - Li использовали сплавы АБМ1, АБМ4. Их гибка в холодном состоянии возможна с радиусом (внутренним), равным 22 толщинам листа (S₀) и более.

1. В предлагаемом техническом решении, с использованием ВМТО гибку (деформирование) производили в условиях сжатонапряженного состояния с радиусом r≅S₀, получили локальное утолщение по зонам сгиба до 65%, что повысило жесткостные и прочностные характеристики материала и изготовляемых деталей.

2. При пластичности листа в исходном состоянии (δ≅6,0%), проводя деформирование при t= 350-400^oС, имели относительное удлинение (пластичность) δ≥23-25% , что обеспечило пластическое течение материала в заданном направлении (в зону сгиба).

3. Повторное деформирование в условиях волочения позволило выравнить напряжения по сечению (правка растяжением с относительным удлинением ε = 3-5%, это обеспечено тем, что скорость деформирования при волочении на 3-5% выше, чем скорость предыдущего деформирования.

4. Жесткостные характеристики повысили критические напряжения при потере устойчивости (сжатии) изготовленных деталей на 25-30 %.

Формула изобретения

1. Способ термомеханической обработки труднодеформируемых листовых алюминиевых сплавов, включающий предварительный нагрев заготовки, последующее деформирование в условиях сжатонапряженного состояния с одновременным приложением усилия растяжения со степенями, обеспечивающими выравнивание по сечению внутренних напряжений, и окончательную термообработку, отличающийся тем, что в качестве труднодеформируемых сплавов используют сплавы системы алюминий - бериллий - магний, предварительный нагрев осуществляют до 500 - 600^oС, деформирование осуществляют при 350 - 400^oС, при этом выравнивают температуру по сечению и длине заготовки, а затем осуществляют повторное деформирование в условиях волочения при 200 - 250^oС.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термомеханическую обработку осуществляют непрерывно путем протягивания заготовки через систему нагревательных устройств.