Способ деформационно-термической обработки алюминиевых сплавов
Изобретение относится к технологии упрочняющей обработки алюминиевых сплавов, а именно к методам деформационно-термической обработки. Предложенный способ включает горячую деформацию и старение алюминиевого сплава системы Al-Zn-Mg, содержащего следующие легирующие добавки: марганец, титан, хром, цирконий либо по отдельности, либо в комплексе в любых сочетаниях, при этом после горячей деформации проводят либо деформацию при температуре 20-200°С со степенью 25-50% и рекристаллизационный отжиг при 500-550°С в течение 4-8 часов с последующей закалкой, либо деформацию при 480-520°С с предварительной выдержкой при этой температуре в течение 30-90 мин, со степенью деформации 20-50%, с последующим охлаждением в воде, перед горячей деформацией проводят гомогенизацию, горячую деформацию осуществляют при 400-450°С, а старение осуществляют одно- или двухступенчатым. Техническим результатом изобретения является создание способа комбинированной деформационо-термической обработки, обеспечивающего повышение пластических характеристик и сопротивления разрушению именно высокопрочных алюминиевых сплавов с сохранением неизменным уровня их прочностных свойств.
Изобретение относится к области технологий упрочняющей обработки алюминиевых сплавов и, конкретно, к методам деформационно-термической обработки.
Основой существующих методов упрочнения алюминиевых сплавов служат, как правило, легирование и термическая обработка. Пользуясь этими методами, удалось создать широкую гамму машиностроительных материалов на основе алюминия, в том числе высокопрочных (σ в≥686 МПа), применение которых легло в основу разработки современных образцов техники, прежде всего авиационной и космической.
Процессы деформации сплавов долгое время рассматривались просто как формообразующие, обеспечивающие получение необходимых размеров и формы изделия, хотя при этом учитывали и упрочняющее влияние деформации. В последние годы в связи с исчерпанием возможностей дальнейшего повышения свойств сплавов за счет легирования и термообработки в их классическом понимании исследователи обратились к изучению возможностей более эффективного использования процессов деформации как ведущего (наиболее мощного) фактора формирования структуры металлических материалов, в особенности в сочетании с термической обработкой. Такая комбинированная деформационно-термическая обработка представляет сегодня совокупность операций пластической деформации и термической обработки, совмещенных в одном технологической процессе.
Известен способ термомеханической обработки алюминиевых сплавов, содержащих марганец, включающий деформацию и закалку, проводимые с одного нягрева, осуществляемого со скоростью 10-15° С/мин, предварительное старение при температурах 5-30° С в течение 0,5-16 часов, пластическую деформацию со степенью 5-19% и окончательное старение (патент 2176284, МПК 7 С 22 F 1/04). Данное техническое решение направлено прежде всего на повышение прочности за счет повышения легированности твердого раствора, полноты и скорости процессов дисперсионного твердения, что обеспечивается применением на заключительном этапе (между двумя старениями) процесса холодной деформации. Действительно, при некоторой перестройке структуры это приводит к повышению прочностных характеристик, прежде всего относительного предела текучести, и снижает пластические характеристики и сопротивление разрушению.
Процессы деформационно-термической обработки, включающие на заключительном этапе (перед старением) низкотемпературную или даже теплую деформацию, известны как низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО). Имеется достаточно большое количество работ, посвященных исследованиям процессов НТМО, направленных именно на повышение прочностных свойств, как правило, сплавов малой и средней прочности. Для высокопрочных сплавов (σ в≥500 МПа) наиболее актуальной проблемой на сегодня является повышение запаса пластичности, который определяет сопротивляемость хрупкому разрушению и обеспечивает тем самым повышение работоспособности и эксплуатационной надежности ответственных высоконагруженных конструкций, где используются такие сплавы.
Сегодня возможности повышения пластических характеристик этих высокопрочных сплавов традиционными методами легирования, термической обработкой или взятыми отдельно деформационными методами, используемыми сегодня, как правило, для получения необходимых форм и размеров полуфабрикатов, практически исчерпаны.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа комбинированной деформационно-термической обработки, обеспечивающего повышение пластических характеристик и сопротивления разрушению именно высокопрочных алюминиевых сплавов с сохранением неизменными уровня их прочностных свойств.
Предлагаемый способ осуществляется на высокопрочных сплавах системы Al-Zn-Mg, содержащих легирующие добавки Mn, Cr, Ti, Zr, обладающих высокой технологичностью при всех видах пластической деформации, широким интервалом температур закалки и устойчивостью против роста зерна. Условия для перестройки структуры в таких сплавах из текстурованной в мелкое равноосное зерно с развитой субструктурой и равномерным распределением дисперсных выделений фаз-упрочнителей, сочетание которых обеспечивает повышение пластичности и работы разрушения, определяются тем, что после обычных процессов гомогенизации и горячей деформации при 400-450° С проводится либо “теплая” деформация при пониженных температурах с последующим высокотемпературным рекристаллизационным отжигом и закалкой в воде, либо проводится горячая деформация при повышенных температурах с последующей закалкой в воде с одного нагрева.
Возможен также вариант, предусматривающий после стандартной для этих сплавов горячей прокатки при 400-450° С дальнейший нагрев до температур 480-520° С, деформацию при этих температурах и непосредственно после этого закалку в воду.
Практически предлагаемый способ осуществляется следующим образом:
1. Реально осуществляемый процесс при производстве тонкого листа.
При производстве тонколистового проката (толщиной до 5-6 мм) стандартная технология включает после обычной горячей деформации при температурах 440-400° С, которая обеспечивает получение заготовок толщиной 6-8 мм, так называемую теплую прокатку, которая проводится в диапазоне температур 200-100° С и обеспечивает получение окончательной толщины листа. На этой стадии предлагаемый способ ДТО предусматривает регламентирование температуры и степени деформации, а также времени выдержки при данной температуре перед прокаткой. После прокатки и получения окончательной толщины листа согласно предлагаемого способа проводится высокотемпературный рекристаллизационный отжиг с последующей закалкой в воду вместо стандартного отжига 400° С - 1 час, предназначенный только для снятия напряжений после деформации. Далее стандартная технология предполагает закалку с температуры 420-450° С в воде и старение при температуре 100° С в течение 24 часов. Для листов, подвергшихся ДТО по предлагаемому режиму, проводится, естественно, только старение.
2. Процесс для производства горячекатаных плит.
Стандартная технология производства плит сплавов системы Al-Zn-Mg предусматривает горячую прокатку в диапазоне температур 440-400° С до получения окончательной толщины, затем охлаждение на воздухе. Закалка плит выполняется как отдельная операция - нагрев до температуры 470° С, выдержка 1,5 часа с охлаждением в воде, старение 100° С, 24 часа. При использовании предлагаемого способа ДТО в конце стандартного режима прокатки производится дополнительный нагрев заготовок до 480-520° С и деформация при этой температуре с заданными степенями обжатия (20-50%) и немедленной закалкой с прокатного нагрева.
Указанные процессы были осуществлены на практике в производственных условиях, не вызвали затруднений и не потребовали установки дополнительного оборудования.
Технический результат изобретения достигается тем, что предлагаемый способ деформационно-термической обработки высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg, содержащих марганец, хром, титан и цирконий, включающий горячую гомогенизацию, горячую деформацию при температуре 400-450° С и одно- двухступенчатое старение, предусматривает после указанной горячей деформации либо деформацию при температуре 20-200° С со степенью 25-50% и рекристаллизационный отжиг при температуре 500-550° С в течение 4-8 часов с последующей закалкой, либо деформацию при температуре 480-520° С с предварительной выдержкой при этой температуре в течение 30-90 мин, со степенью деформации 20-50% и последующим охлаждением в воде. При этом сплав содержит легирующие добавки марганца, хрома, титана, циркония либо по отдельности, либо в комплексе в любых сочетаниях.
Во всех случаях окончательные свойства полуфабрикатов после проведения заключительной операции (одно- или двухступенчатого старения) показали, что предлагаемый способ деформационно-термической обработки обеспечивает оптимизацию структурного состояния сплавов и повышение таких характеристик как относительное удлинение (δ ), относительное поперечное сужение (ψ ), ударная вязкость (KCU) в 1,3-1,5 раза в сравнении с серийной технологией при сохранении уровня прочности.
Способ деформационно-термической обработки полуфабрикатов из высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg, включающий горячую деформацию и старение, отличающийся тем, что сплав содержит следующие легирующие добавки: марганец, титан, хром, цирконий либо по отдельности, либо в комплексе в любых сочетаниях, после горячей деформации проводят либо деформацию при температуре 20-200°С со степенью 25-50% и рекристаллизационный отжиг при 500-550°С в течение 4-8 ч с последующей закалкой, либо деформацию при 480-520°С с предварительной выдержкой при этой температуре в течение 30-90 мин со степенью деформации 20-50% с последующим охлаждением в воде, при этом перед горячей деформацией проводят гомогенизацию, горячую деформацию осуществляют при 400-450°С, а старение осуществляют одно- или двухступенчатым.
