Исследования структуры и свойств полуфабрикатов, полученных из сплавов системы Al-Zr по технологии совмещенного литья и прокатки-прессования и интенсивной пластической деформации

Целью экспериментальных исследований являлась оценка влияния интенсивных пластических деформаций на структуру, механические и электрические свойства деформированных полуфабрикатов из сплава 9 (Al-0,2Zr-0,2Fe-0,4Mg), полученных с применением способов совмещенного литья и прокатки-прессования и метода интенсивной пластической деформации.

В качестве такового использовался метод равноканального углового прессования, осуществляемый на опытно-экспериментальной установке института физики перспективных материалов Уфимского государственного авиационного технического университета [103]. Исходными заготовками, подвергаемыми обработке РКУП, являлись прутки, полученные по технологии СЛИПП.

Для реализации поставленной задачи проводили процесс совмещенного литья и прокатки-прессования исследуемого сплава на установке СПП-200 с использованием матрицы с пересекающимися каналами (рис. 5.12) при следующих технологических параметрах: температура плавки Г_пл = 850 °С; температура расплава перед заливкой в калибр валков Г_зал = 780 °С; температура валков Г_в = 20 °С, степень деформации при прокатке 8 = 50 %; коэффициент вытяжки при прессовании р = 4,5 (диаметр прутка 9 мм); частота вращения валков п = 4 об/мин; угол пересечения каналов а = 90°.

Результаты эксперимента показали, что активных сил трения, создаваемых на контакте заготовки с валками, достаточно для выдавливания метала через пересекающиеся каналы матрицы, однако стойкость матрицы при этом оказалась невысокой, это повлияло на стабильность процесса. На рис. 5.13 представлен образец пресс-изделия, полученного в результате опытов.

Рис. 5.13. Экспериментальный образец после СЛИПП - ИПД

Рис. 5.12. Схема проведения экспериментальных исследований с использованием метода СЛИПП - РКУП; 1 - печь-миксер; 2 - воронка; 3 - валок с канавкой; 4 - валок с выступом; 5 - матрица с продольным каналом; 6 - матрица с пересекающимися каналами; 7 - пресс-изделие

Таким образом, реализация данного способа интенсивной деформации требует дальнейших исследований, в том числе и по поиску способов увеличения стойкости прессового инструмента. В связи с этим было принято решение разделить во времени процессы СЛИПП и ИПД для установления влияния сдвиговых деформаций на физикомеханические характеристики полуфабрикатов из сплавов системы Al-Zr. С этой целью прутки из сплава 9, полученные способом СЛИПП, подвергали холодной деформации путем равноканального углового прессования на установке РКУП-Конформ (рис. 5.14). Технологические параметры РКУП были следующими: температура прутка 20 °С; величина истинной деформации порядка е = 4; угол пересечения каналов а= 125°. Для опытов использовали сплав 9 (см. табл. 5.2), содержащий помимо циркония и железа добавки марганца до 0,4 %. Результаты исследования микроструктуры деформированных полуфабрикатов, полученных по технологии СЛИПП, представлены на рис. 5.15, а механических свойств и удельного электросопротивления прутка и проволоки различных диаметров - в табл. 5.13.

Структурообразование полуфабрикатов из сплавов алюминия с переходными металлами

Рис. 5.14. Схема проведения экспериментальных исследований с использованием установок СЛИПП и РКУП-Конформ: 1 - печь-миксер; 2 - воронка; 3 - валок с канавкой; 4 - валок с выступом; 5 - матрица с продольным каналом; 6 - заготовка; 7 - колесо установки РКУП-Конформ; 8 - неподвижный блок установки

РКУП-Конформ; 9 - пруток

Рис. 5.15. Микроструктура прутков (а), полученных по технологии СЛИПП, и проволоки (б, в) из сплава 9: а - диаметр 9,5 мм; б - диаметр 3,9 мм; в - диаметр 2 мм

Таблица 5.13

Средние значения механических и электрофизических свойств деформированных полуфабрикатов из сплава 9 после СЛИПП

Согласно результатов металлографических исследований прутков и проволоки микроструктура состоит из a-твердого раствора и эвтектических включений фаз типа Al-Fe-Si и Mg₂Si.

Исследования механических свойств показали, что средние значения временного сопротивления разрыву прутка диаметром 9,5 мм составляют 145 МПа, относительного удлинения - 26 %, микротвердости - 42 кг/см². Увеличение степени холодной деформации при волочении приводит к повышению прочностных характеристик до 250 МПа, микротвердости до 63 кг/см² и снижению пластичности до 2,6 %. Полученные значения удельного электрического сопротивления составляют 0,0335 Ом-мм²/м для прутков и 0,0342 Ом-мм²/м для проволоки диаметром 2 мм.

Исследуемый сплав характеризуется повышенными значениями УЭС, тогда как по международному стандарту IEC 62004 требуемое значение этого показателя не должно превышать 0,02875-0,03130 Оммм²/м. Поэтому экспериментальные образцы прутков, полученные способом СЛИПП, подвергали термической обработке с целью снижения электросопротивления и только после этого - четырем циклам обработки способом РКУП при комнатной температуре. Угол пересечения каналов при прессовании составлял 125°.

Микроскопический анализ методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) показал, что после обработки прутков способом РКУП формируется ультрамелкозернистая (УМЗ) структура сплава (рис. 5.16), а проведенный количественный анализ тонкой структуры позволил оценить средний размер зерен после ИПД, который составил 647 нм (рис. 5.17).

Подобное измельчение зерна, в свою очередь, приводит к существенному упрочнению прутков (рис. 5.18, табл. 5.14).

Дальнейшая обработка прутка, полученного по технологии СЛИПП, способом РКУП приводит к повышению прочности на 33 % и снижению пластичности на 5-6 %. Необходимо отметить, что для достижения аналогичного упрочнения прутков путем традиционного холодного волочения нужно обработать их с довольно большой степенью деформации - порядка 90 %, соответствующей 8-10 переходам волочения.

Рис. 5.16. Микроструктура прутка, полученного из сплава 9 способом СЛИПП - РКУП

Рис. 5.17. Распределение зерен по размерам в образцах после обработки РКУП

Проволока, полученная по маршруту СЛИПП - ТО - РКУП из указанного сплава, удовлетворяет требованиям стандарта IEC 62004 по типу провода АТ2 с повышенной прочностью.

Таким образом, описанные выше режимы обработки при совместном использовании способов СЛИПП и РКУП можно рекомендовать для разработки технологии изготовления проволоки, соответствующей типу АТ2, отличающемуся повышенными требованиями по прочности (см. табл. 1.17).

Рис. 5.18. Влияние ИПД на механические характеристики прутков 1 и проволоки 2 из сплава 9

Таблица 5.14

Средние значения механических свойств и электросопротивления деформированных полуфабрикатов, полученных с использованием разных режимов обработки сплава 9

ТО - термическая обработка.

Проведенные экспериментальные исследования подтверждают принципиальную возможность получения деформированных полуфабрикатов с требуемым сочетанием физико-механических характеристик. Введение магния (0,3-0,4 %) в исследуемый алюминиевый сплав с содержанием 0,2 % Zr и 0,2 % Fe позволяет добиться дополнительного упрочнения деформированных полуфабрикатов при достаточной проводимости и прочности за счет твердорастворного упрочнения металла.

Применение способа СЛИПП обеспечивает получение заготовок с высоким уровнем механических характеристик деформированных полуфабрикатов при заметном повышении технологической эффективности обработки за счет сокращения количества переходов обработки, по сравнению с традиционными способами литья-прокатки на ЛПА. Использование в дальнейшем способа РКУП, отличающегося более высокой интенсивностью пластической деформации, позволяет добиться дополнительного упрочнения прутков и проволоки за счет формирования в них У М3 структуры.