Способ термомеханической обработки сплавов на основе магния

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термомеханической обработке магниевых сплавов, и может быть использовано при изготовлении деталей в авиастроении, ракетной технике, конструкциях автомобилей, в атомных реакторах. Способ включает гомогенизацию сплава при температуре 415-520°С в течение 4-24 часов, экструзию при температуре 300-450°С со степенью вытяжки 7-18 и равноканальное угловое прессование при температуре 250-320°С с истинной степенью деформации 6-8. Одновременно повышаются прочность и пластичность магниевых сплавов.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термомеханической обработке магниевых сплавов, и может быть использовано в авиастроении для изготовления различных деталей самолетов и вертолетов, например, колес и вилок шасси, различных рычагов, корпусов приборов; в ракетной технике для изготовления корпусов ракет, обтекателей, топливных и кислородных баков; в конструкциях автомобилей, особенно гоночных; в атомных реакторах для изготовления оболочек тепловыводящих элементов.

Магниевые сплавы значительно легче алюминиевых, хорошо поглощают механические вибрации, что и определило их использование в качестве конструкционных материалов в авиации, ракетной технике и транспорте.

Магниевые сплавы имеют гексагональную структуру, поэтому при высокой удельной прочности они обладают низкой пластичностью и технологичностью, особенно при низких температурах, близких к комнатной и ниже ее. В связи с чем, при обработке давлением магниевых сплавов возникают существенные трудности.

Повышение пластичности при сохранении высокого уровня прочности является самой актуальной проблемой при разработке сплавов на магниевой основе.

Известны способы обработки магниевых сплавов, повышающие их технологичность, в которых перед горячей обработкой давлением проводят гомогенизирующий отжиг.

Так в патенте Японии №2007-113037, опубликованном 10.05.2007, раскрыты высокопрочные магниевые сплавы, которые подвергнуты термомеханической обработке, заключающейся в гомогенизации сплава при температуре 320-430°С в течение 6-24 часов и последующей экструзии со скоростью 20 м/мин и ниже и степенью вытяжки более 20.

Из патента Кореи №2007-0027642, опубликованном 09.03.2007, известен способ обработки магниевых сплавов, включающий гомогенизирующий отжиг при температуре 450-550°С в течение 1,5-18 часов со степенью вытяжки 16-100.

В патенте Кореи №2007-0027457, опубликованном 09.03.2007, магниевые сплавы подвергают гемогенизации при 350-550°С, с выдержкой 1-1000 часов, и последующей прокатке при этой же температуре.

Недостатком известных способов является использование лишь одного механизма повышения комплекса свойств сплавов - создание полигонизованной дислокационной структуры, что ограничивает возможность одновременного улучшения прочностных и пластических характеристик. Сплавы, обработанные по указанным выше технологиям, обладают не достаточной пластичностью.

Физико-механические свойства сплавов могут быть заметно улучшены созданием в них различными методами ультромелкодисперсной структуры. К таким методам относится интенсивная пластическая деформация, позволяющая в условиях высоких давлений измельчать микроструктуру в объемных заготовках до ультромелкозернистой.

Так известен способ обработки магниевых сплавов, при котором предварительно нагретые до 200-350°С слитки подвергают равноканальному угловому прессованию (РКУП) с последующим отжигом при 230-350°С [KR 2005, 0024735, опубликован 11.03.2005].

Также известен способ термомеханической обработки сплавов на основе магния, включающий предварительный нагрев отливки до температуры 100-500°С и проведение при указанной температуре РКУП с последующим отжигом при 100-450°С в течение 2-24 часов [JP 2003-096549, опубликован 03.04.2003], который принят в качестве наиболее близкого к предложенному изобретению. Проведение РКУП после предварительного нагрева до температурного интервала прессования позволяет измельчить зерна, что приводит к повышению пластичности, однако уровень прочности остается достаточно низким.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа обработки, позволяющего получить высокопрочные и высокопластичные сплавы на основе магния.

Техническим результатом изобретения является повышение прочности и пластичности сплавов на основе магния.

Технический результат достигается тем, что в способе термомеханической обработки сплавов на основе магния, включающем равноканальное угловое прессование при температуре 250-320°С, согласно изобретению перед РКУП проводят гомогенизацию сплава при температуре 415-520°С в течение 4-24 часов с последующей экструзией при температуре 300-450°С со степенью вытяжки 7-18, а РКУП осуществляют с истинной степенью деформации 6-8.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Проведение гемогенизирующего отжига при указанных режимах способствует выравниванию состава и структуры сплава. При температурах ниже 415°С затрудняется процесс диффузии, при температурах выше 520°С происходит значительный рост зерен. При выдержке меньше 4 часов процессы выравнивания проходят не полностью, что приводит к неоднородности состава и структуры по объему слитка. Слишком длительный нагрев, свыше 24 часов, способствует укрупнению зерен, что впоследствии, после пластической деформации, приводит к снижению прочности и пластичности.

Экструзия отожженного состояния приводит к повышению прочности за счет образования субзеренной полигонизованной структуры, но пластичность резко снижается. Экспериментально установлено, что максимальное упрочнение при оптимальном снижении пластичности достигается при проведении экструзии в заявленных режимах. При температуре экструзии ниже 300°С формируется частично ячеистая структура, уменьшающая пластичность. Экструзия при температуре выше 450°С сопровождается значительным ростом зерна.

Для повышения пластичности экструдированного магниевого сплава и сохранения высокого уровня прочности его подвергают РКУП с истинной степенью деформации ε=6-8 при температуре 250-320°С. Электронно-микроскопические исследования показали, что в процессе деформации в магниевом сплаве развивается непрерывная динамическая рекристаллизация. Пластическая деформация при ε<6 ведет к формированию смешанной структуры, состоящей из областей равноосных субзерен и полос, содержащих ячейки и плотные дислокационные сетки. В интервале ε=6-8 малоугловые границы субзерен и полос трансформируются в высокоугловые границы и в материале формируется ультрамелкозернистая структура с размером зерен 1-3 мкм, относительно однородная, что и приводит к повышению пластичности материала при сохранении достаточно высокого уровня прочности, полученного в результате экструзии.

Способ иллюстрируется следующим примером.

Литой сплав на основе магния, содержащий 0,49 мас.% А1 и 0,47 мас.% Са подвергли обработке по следующим режимам:

- гомогенизация при температуре 415°С, 8 часов в мелком порошке оксида алюминия с охлаждением на воздухе;

- экструзия при 340°С со степенью вытяжки 10 и скоростью экструдирования 1 мм/с;

- РКУП при 300°С с 6 проходами по маршруту Вс со скоростью прессования 10 мм/мин (истинная степень деформации ε=6,8).

Обработанный по заявленной технологии сплав имел предел текучести σ_0,2=180 МПа и относительное удлинение δ=12%.

Для сравнения сплав был обработан по режимам, частично исключающим операции заявленного способа с измерением предела текучести и относительного удлинения.

После гомогенизации при 475°С, 4 часа с охлаждением на воздухе, сплав имел σ_0,2=82 МПа и δ=2,5%.

После гемогенизации при 475°С, в течение 4 часов в защитной среде с охлаждением на воздухе и последующим РКУП при 300°С, сплав имел σ_0,2=156 МПа, δ=8,4%.

После обработки по режиму: гомогенизация при 415°С в течение 8 часов в защитной среде с охлаждением на воздухе и экструзии при 340°С, сплав имел σ_0,2=182 МПа, δ=8%.

Анализ полученных данных показал, что пластичность после РКУП экструдированного магниевого сплава повышается в 1,5 раза при сохранении уровня предела текучести экструдированного состояния.

Таким образом, только при совместном проведении всех заявленных технологических операций по заявленным режимам возможно получить магниевые сплавы, обладающие одновременно высокой прочностью и пластичностью.

Способ термомеханической обработки сплавов на основе магния, включающий равноканальное угловое прессование (РКУП) при температуре 250-320°С, отличающийся тем, что перед РКУП проводят гомогенизацию сплава при температуре 415-520°С в течение 4-24 ч с последующей экструзией при температуре 300-450°С со степенью вытяжки 7-18, а РКУП осуществляют с истинной степенью деформации 6-8.