Результат интеллектуальной деятельности: Латунь для сверхпластической формовки деталей с малой остаточной пористостью

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к составам латуни и предназначено для изготовления сверхпластичных листов из сплава системы Cu-Zn-Al.

Основными факторами, определяющими реализацию эффекта сверхпластичности в латуни, является наличие мелкозернистой структуры в листе и минимизация остаточной пористости во время сверхпластической деформации. Оба фактора зависят как от состава сплава, так и от технологических параметров получения листов. На данный момент применение листов латуни для изготовления деталей методом сверхпластической формовки ограничено развитием пост-формовочной пористости, а, следовательно, снижением эксплуатационных характеристик изделий.

Способ термомеханической обработки латуни Л63, обеспечивающий получение материала с повышенной пластичностью, описан в патенте №1643629, опубликованном 23.04.1991. Изобретение может быть использовано в машиностроении при производстве полуфабрикатов и изделий сложной формы методом сверхпластической формовки. При скорости деформации 0,008-0,15 с^-1 в материале происходит динамическая рекристаллизация, что приводит снижению напряжения и увеличению относительного удлинения во время деформации.

Предлагаемый способ можно использовать при штамповке и глубокой вытяжки для получения изделий сложной формы, однако технология обеспечивает максимальное удлинение 230%, что недостаточно для сверхпластической формовки сложных по форме деталей.

В патенте РФ №2393265 от 09.01.2008 описан способ получения полуфабрикатов из свинцовой альфа + бета латуни, отличающийся тем, что горячее прессование заготовок производят выше температуры перехода альфа + бета структуры в бета-фазу, но на 100°С ниже температуры солидуса. Рассматривается сплав ЛС59-1 (57…60% Cu).

Недостатком данного способа является неоднородность структуры по длине полуфабриката в результате чего, возникает нестабильность свойств, что снижает потребительские характеристики продукции.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ обработки двухфазной латуни авторского свидетельства №503938, зарегистрированного 29.10.1975. В способе описана обработка двухфазной латуни, содержащей 58-62% меди, остальное цинк, включающая закалку из однофазной области, деформацию с обжатием 80-90% с выдержкой при температуре закалки 8-12 часов, далее предлагается деформация до заданной толщины листа при температуре 350-450°С.

В результате обработки получается сверхпластичный лист, у которого возможно максимальное удлинение после деформации около 630%. Однако изделие из латуни, полученное при помощи сверхпластической формовки, в структуре имеет сильно развитую остаточную пористость (более 5%), что сильно снижает механические свойства изделия. Механические свойства предел текучести и прочности снижаются на 25-35%. Большая остаточная пористость - главный недостаток листа данного состава, полученного указанным способом.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение латуни для получения деталей методом сверхпластической формовки с однородной микрозеренной структурой и малой остаточной пористостью.

Латунь, содержащая следующие компоненты (мас. %):

Цинк-38-42,

Алюминий - 0,5-2,5,

Медь - остальное

была получена по технологии включающей литье, гомогенизационный отжиг, горячую и холодную прокатку. В результате последующего нагрева перед сверхпластической деформацией формируется однородная микрозеренная структура состоящая из двух фаз α и β (средний размер зерна обеих фаз менее 5 мкм). В процессе сверхпластической деформации указанного сплава параметры зерен α-фазы незначительно меняются, а зерна β-фазы претерпевают динамическую рекристаллизацию, в результате чего, их средний размер уменьшается до 200 нм. После сверхпластической деформации объемная доля пор не превышает 1,5%, что позволяет получить высококачественные изделия с высоким уровнем эксплуатационных свойств. После обработки сплав имеет предел текучести 200±30 МПа, предел прочности 500±30 МПа, которые не снижаются после деформации.

Концентрация цинка должна обеспечивать при высокотемпературном отжиге двухфазную структуру, а содержание алюминия должно позволять замедлять процесс диффузии и образовывать на воздухе оксидную пленку на поверхности. Выход за верхний и нижний предел концентрационного интервала по цинку не дает возможность получения мелкозернистой двухфазной структуры в температурной области сверхпластической деформации. Выход за нижнюю границу концентрационного интервала по алюминию не обеспечивает возможность образования оксидной пленки на поверхности, тогда как выход за верхний предел негативно сказывается на показателях сверхпластичности сплава.

Оптимальную скорость деформации определяли по результатам серии испытаний со скачковым изменением скорости деформации. Листы проявляют наилучшую сверхпластичность при температуре 550°С и скорости деформации 10^-3 с^-1, в данных условиях относительное удлинение до разрушения составляет не менее 500% и остаточная пористость не превышает 1,5%.

Использование в предлагаемых пределах состава листов из латуни обеспечивает получение изделий с помощью сверхпластической формовки с высокими механическими свойствами и малой остаточной пористостью.

Сверхпластичный лист при оптимальных условиях деформации имеет относительное удлинение более 450% и остаточную пористость не более 1,5%, тогда как в прототипе и примере 4 остаточная пористость достигла около 5% при схожих значениях удлинений.

Пример 1

Получен сплав следующего состава Cu-40,5%Zn - 0,5%Аl.

Для приготовления сплава использовалась медь марки М00, цинк Ц1 и алюминий марки А7. Плавку вели в графито-шамотных тиглях с последовательным введением в расплавленную медь компонентов. Температура расплава - 1100°С. Для более полной гомогенизации расплава его выдерживали перед разливкой в течение 15 мин. Разливку проводили в водоохлаждаемую изложницу со скоростями охлаждения не менее 3 К/с. Далее следовал гомогенизационный отжиг слитков, после гомогенизации слитки обрабатывали для удаления поверхностных дефектов и отрезали усадочную раковину. Горячую прокатку проводили при 750±10°С, затем следовала холодная прокатка с промежуточным отжигом. Конечная толщина листа 1,2 мм.

Данный режим обеспечил получение структуры с размером зерна менее 6 мкм, что позволяет осуществлять сверхпластическую формовку листов. Максимальное удлинение до разрыва, которое можно получить при одноосных испытаниях с постоянной скоростью деформации 1⋅10^-3 с^-1 при температуре 550°С, составило 470%. Остаточная пористость не превысила 1,5%.

Пример 2

Сплав состава Cu-37,8%Zn-1%Al. Получен лист по технологии, описанной в примере 1. Отличие в процентном содержании алюминия.

Наилучшие свойства сплав показывает, как и в примере 1, при температуре сверхпластической деформации 550°С (с точностью поддержания температуры 5°С) при той же скорости деформации. Данный сплав обеспечил максимальное удлинение до разрушения 500% при поддержании постоянной скорости деформации 1⋅10^-3 с^-1 в процессе деформации и до 1000% при начальной скорости деформации 1⋅10^-3 с^-1, а остаточная пористость при этом не превысила 1%.

Пример 3

Сплав состава Cu-33,3%Zn-2,2%Al. Получен сплав также как и в примере 1. Отличие в процентном содержании алюминия.

Наилучшие свойства сплав показывает, как и в примере 1, при температуре сверхпластической деформации 550°С и 1⋅10^-3 с^-1 скорости деформации. Данный сплав обеспечил максимальное удлинение до разрушения 470% при поддержании постоянной скорости деформации, а остаточная пористость при этом - 1,2%.

Пример 4

Сплав состава Cu-40,8%Zn. Получен сплав также как и в примере 1. Отличие в отсутствии добавки алюминия (состав аналогичен прототипу).

Наилучшие свойства сплав показывает, как и в примере 1, при температуре сверхпластической деформации 550°С и скорости деформации 1⋅10^-3 с^-1. Данный сплав обеспечил максимальное удлинение до разрушения 620% (300% при поддержании постоянной скорости деформации в процессе деформации), а остаточная пористость при этом более 5%.