Термическая обработка литейных алюминиевых сплавов

Введение

Термическую обработку применяют на различных стадиях производства деталей машин и металлоизделий. В одних случаях она может быть промежуточной операцией, служащей для улучшения обрабатываемости сплавов давлением, резанием, в других - является окончательной операцией, обеспечивающей необходимый комплекс показателей механических, физических и эксплуатационных свойств изделий или полуфабрикатов. Полуфабрикаты подвергают термической обработке для улучшения структуры, снижения твердости (улучшения обрабатываемости), а детали - для придания им определенных, требуемых свойств (твердости, износостойкости, прочности и других).
В результате термической обработки свойства сплавов могут быть изменены в широких пределах. Возможность значительного повышения механических свойств после термической обработки по сравнению с исходным состоянием позволяет увеличить допускаемые напряжения, уменьшить размеры и массу машин и механизмов, повысить надежность и срок службы изделий. Улучшение свойств в результате термической обработки позволяет применять сплавы более простых составов, а поэтому более дешевые. Сплавы приобретают также некоторые новые свойства, в связи, с чем расширяется область их применения.
1.2. Нетрадиционные способы термической обработки алюминиевых сплавов
Многовековая история термической обработки задолго до создания диаграмм состояния всегда предусматривала высокотемпературный нагрев и охлаждение с различной скоростью. В настоящее время для получения необходимого уровня физических, механических и химических свойств также созданы режимы термической обработки, где после высокотемпературного нагрева получают либо твердый раствор (истинная закалка), либо пересыщенный твердый раствор, который широко известен под названием «мартенсит». Учитывая большую трудоемкость и высокие расходы электроэнергии, требуются новые режимы термической обработки, основанные на нетрадиционном представлении о формировании свойств металлов и сплавов.
В 1961 году в стране вышел сборник статей [и. где опубликован механизм химического растрескивания У. Эванса. Основой этого механизма является положение о том, что «приток кислорода к наружной поверхности способствует образованию пузырьков водорода внутри трещин». Другими словами, подведение кислорода к поверхности нагреваемой детали активизирует перераспределение водорода внутри металла.
После появления этого механизма опубликовано большое количество трудов, где показано активное участие водорода в формировании свойств металлов и сплавов (статьи, монографии, труды международных конгрессов и конференций). Довольно часто отмечается, что водороду принадлежит ведущая роль в формировании свойств.
Для создания нетрадиционных режимов термической обработки, основанных на представлениях У. Эванса, необходима доступная среда нагрева. Самым доступным веществом является окись водорода, известная под названием «вода» (Н20). При анализе патентной литературы можно увидеть, что нагреву в Н20 посвящены работы, в которых изучаются в основном поверхностные явления и пористость [2]. Авторы способа термообработки металлических деталей (А.с. №996473, кл.С21Д1/78, Б.И. №6,1983) для регулирования свойств поверхностного слоя изделий помещали их в жидкость, затем нагревали до температуры начала пузырькового кипения жидкости на поверхности изделий, выдерживали при этих условиях (2...30 ч), затем охлаждали (жидкости - бензол, этиловый спирт, толуол, вода и др.). Достигнутые изменения фиксировали путем измерения микротвердости (табл. 1).
Таблица 1
Влияние кипячения в Н2О на микротвердость стали У8

Характеристики тепловой обработки поверхности Микротвердость, МПа
Тепловой поток, Вт/м2
Продолжительность кипячения, ч
До кипячения После кипячения
160900 27 989 747
242350 25 965 722
269300 25 960 690

По мнению авторов, в неравновесных условиях, в которых находится металл при кипении жидкости, на его поверхности в твердом теле возникают диффузионные потоки различного рода дефектов, вызываемые, например, неоднородным полем сил, градиентом концентраций и т.д. Колебания температуры поверхности вызывают большие скорости деформации металла, что весьма влияет на скорость диффузии.
Однако если формирование свойств обусловлено перераспределением водорода внутри металла под действием кислорода окружающей среды (механизм У. Эванса), то в связи с высочайшей скоростью диффузии водорода изменения при кипячении должны протекать по всему сечению изделия. Это обстоятельство чрезвычайно важно для разработки промышленных способов термической обработки изделий разнообразного сечения.
Как правило, высокотемпературные нагревы под закалку предусматривают большие энергетические затраты. Для снижения энергетических затрат при сохранении уровня механических свойств нами разработан способ термической обработки промышленных алюминиевых сплавов.
Известно, что назначение высокотемпературного нагрева алюминиевых сплавов, содержащих значительное количество легирующих элементов, - получение гомогенной структуры за счет максимально возможного растворения промежуточных фаз в твердом растворе сплава

. В результате того, что в алюминиевых сплавах содержатся легирующие элементы в количествах, значительно превышающих предел их растворимости в алюминии при обычных условиях, в них присутствует очень много промежуточных фаз, весьма устойчивых к разложению при нагреве. В связи с этим для получения гомогенной структуры таких сплавов на практике при их обработке по режиму Т4 (нагрев, выдержка и закалка) требуются значительной продолжительности выдержки 10—20 ч), что обусловливает большую длительность процесса и увеличивает энергетические затраты.
Предварительная обработка сплавов в кипящей воде приводит к снижению устойчивости промежуточной фазы в высоколегированных алюминиевых сплавах типа АК9, АМ5, АМгбЛ, что при последующем нагреве их под закалу по режиму Т4 приводит к более быстрому получению гомогенной структуры и достижению необходимых механических свойств.
Пример. Испытания проводили на литейных промышленных сплавах АМгбЛ, АМ5, АК9. Приготовление сплавов осуществляли в алундовом тигле в закрытой лабораторной печи сопротивления. Для их приготовления использовали алюминий марки А7 и технически чистые металлы и лигатуры. Заливку осуществляли в нагретый до 100 °С металлический кокиль. Из полученных слитков вытачивали образцы, которые подвергали кипячению в воде в течение 1,5-2 ч и последующему нагреву при 430...545 °С в течение 3 ч с закалкой в воду.
После проведения термической обработки испытывали механические свойства сплавов в соответствии с ГОСТ 1583-93.
Для получения сравнительных данных разработанного и известного способов проводили испытания по известной технологии. Результаты испытаний приведены в табл. 2.
Из табличных данных видно, что эффективность разработанного способа выше, чем известного. При такой обработке значительно сокращается время нагрева всех сплавов при температуре закалки. Так, для сплава АМгбЛ оно уменьшается в 4 раза, для сплава AM 5 - в 3,3 раза, для АК9 - в 1,3 раза. Это позволяет значительно снизить расход электроэнергии, так как для нагрева сплавов на более низкие температуры требуется значительно меньше энергии, чем при нагреве
Таблица 2
Механические свойства алюминиевых сплавов, обработанных известным и разработанным способами
Сплав Способ обработки Время кипячения в воде, ч
Температура нагрева, °С
Время нагрева, ч
Механические свойства


МПа 6,%
АМг6Л Известный - 430 12 250 12,5

Разработанный 2 430 3 260 14,0
АМ5 Известный - 545 10 290 17,0

Разработанный 1,8 545 3 280 18,0
АК9
Известный - 535 4 210 9,0

Разработанный 1,5 535 3 210 11,0

на высокие температуры за одно и то же время. Для сплавов АМгбЛ, АМ5 это очевидно. Общее время термической обработки сплава АК9 на 0,5 ч больше времени обработки по известному способу, но затраты энергии меньше.
Разработанный способ сформулирован следующим образом.
Способ термической обработки алюминиевых сплавов, включающий нагрев до 430...545 °С, выдержку и закалку в воду, отличающийся тем, что с целью снижения энергетических затрат при сохранении уровня механических свойств сплавов нагрев проводят в две стадии, при этом первую стадию осуществляют путем кипячения в воде в течение 1,5-2 ч [3].
Помимо сокращения времени термической обработки и сохранения механических свойств кипячение в водных растворах некоторых сплавов может изменить другие их свойства. Например, для снижения коэффициента линейного расширения и повышения коррозионной стойкости разработан способ термической обработки, в основе которого лежат соображения об участии водорода в формировании этих свойств [4].
Наиболее близким к нему по технической сущности является способ циклической термической обработки алюминиевых сплавов, включающий нагрев при 490 °С в течение 1,5 ч и отпуск при 100 °С в кипящей воде в течение 10 мин (1 цикл) [2]. Однако существенного влияния на коэффициент линейного расширения данный способ не оказывает. Кроме того, коррозионная стойкость сплавов после такой обработки сравнительно невысока.
Целью изобретения является снижение значений коэффициента линейного расширения алюминиевых сплавов и повышение коррозионной стойкости. Поставленная цель достигается тем, что в способе обработки алюминиевых сплавов, включающем кипячение, сплавы подвергают кипячению в водном растворе перманганата калия (КМп04), при этом концентрация раствора составляет 0,05.. .0,1 %, а время кипячения 5... 15 ч.
Пример. Испытания проводили на литых сплавах А1 - 5 %Cu, А1 - 10 %Си и АМг10. Для их приготовления использовали алюминий марки А7 и технически чистые металлы. Выплавляли сплавы по известной технологии. Из полученных слитков вырезали образцы для дилатометрических испытаний и кипятили в водном растворе перманганата калия. Измерения коэффициента линейного расширения проводили на оптическом дифференциальном дилатометре системы «Шевенар».
Для получения сравнительных данных разработанного и известного способов проводили кипячение в воде.
Способ обработки алюминиевых сплавов, включающий кипячение, отличается тем, что с целью снижения коэффициента линейного расширения и повышения коррозионной стойкости кипячение осуществляют в 0,05...0,1 %-ном водном растворе перманганата калия в течение 5..