Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Изобретение относится к области металлургии, а именно к технологии получения изделий методом горячей деформации алюминиевых сплавов, преимущественно высокопрочных и жаропрочных, для использования главным образом в авиакосмической технике и транспортном машиностроении.

Одним из наиболее перспективных способов получения изделий из алюминиевых сплавов, в частности полуфабрикатов (штамповок), близких по геометрической форме и размерам к конечным деталям и требующих минимальной механической обработки, является горячая деформация в твердожидком состоянии. Для данного процесса требуются заготовки со специально подготовленной, например с использованием водоохлаждаемого желоба, глобулярной структурой.

Известен способ получения изделий при помощи горячей деформации в области температур твердожидкого состояния сплава, который включает в себя повторный нагрев ранее полученного слитка с недендритной структурой до содержания в заготовке твердой фазы 75-90% от объема полученной суспензии, деформирование суспензированной заготовки под давлением в закрытом штампе, предварительно нагретом до температуры 100-450°C, за время, не превышающее 1 с, последующее затвердевание отформованной детали в штампе с выдержкой под давлением 500-2500 кгс (патент США №4771818, опубл. 20.09.1988 г. ). Известный способ характеризуется низкой нагрузкой, скоростным деформированием и скоростным затвердеванием. Полученное данным способом изделие имеет следующие средние значения механических свойств: предел прочности 470 МПа, предел текучести 430 МПа, относительное удлинение 7%. Основным недостатком известного способа, таким образом, являются низкие значения механических свойств и высокие силы деформации.

Известен способ изотермической штамповки заготовок с глобулярной структурой, который включает в себя нагрев заготовки до твердожидкого состояния, установку ее в нагретый штамп, деформирование в штампе и удаление готового изделия (патент РФ №2459683, опубл. 27.08.2012 г. ). Отличие способа состоит в том, что используют штамп в виде контейнера с размещенными в нем двумя полуматрицами, пуансоном и выталкивателем, штамп нагревают до температуры заготовки, находящейся в твердожидком состоянии, после деформирования заготовки полуматрицы с деталью выталкивают из контейнера и производят принудительное интенсивное охлаждение детали до температуры, при которой ее материал находится в твердом состоянии, после чего полуматрицы разводят для удаления готового изделия. Основным недостатком данного способа является необходимость нагрева штамповой оснастки до высоких температур, что приводит к дополнительным энергозатратам, а также вызывает необходимость использовать более дорогостоящие материалы для штампов.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа, принятым за прототип, является способ получения изделий, в том числе из алюминиевых сплавов, включающий отливку заготовок, их нагрев до температуры, лежащей между температурой солидус и температурой ликвидус сплава заготовки, для получения тиксотропного материала, деформацию этого материала (патент США №6311759, опубл. 06.11.2001 г. ). Согласно прототипу оптимальным содержанием твердой фазы в материале заготовки является 60-80% от объема, штамповую оснастку нагревают перед штамповкой до температуры 150-300°C. Основным недостатком известного способа является сохранение прежнего (по сравнению со стандартными режимами штамповки) коэффициента использования металла, около 54%, точность геометрических размеров изделия по отношению к конечной детали не повышается. Также в качестве недостатка можно отметить низкий уровень механических свойств получаемых изделий: предел прочности 397 МПа, предел текучести 341 МПа, относительное удлинение 5%.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа получения изделий из алюминиевых сплавов, близких по геометрической форме и размерам к конечным деталям, методом горячей деформации при температурах твердожидкого (тиксотропного) состояния заготовки.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение предела прочности σ_B, предела текучести σ_0,2, относительного удлинения изделий из жаропрочных и высокопрочных алюминиевых сплавов, а также повышение коэффициента использования металла (КИМ) за счет повышения размерной точности изделий, выполненных из указанных сплавов.

Для достижения поставленного технического результата предложен способ получения изделия из алюминиевого сплава, включающий плавку сплава, отливку твердой заготовки с глобулярной микроструктурой, нагрев указанной заготовки до температуры, лежащей между температурой солидус и температурой ликвидус сплава заготовки, для получения тиксотропного материала и деформацию тиксотропного материала, в котором деформацию материала проводят с переменной скоростью, после чего осуществляют выдержку материала под давлением, причем деформацию начинают со скоростью 45-90 мм/с, а по достижении материалом заготовки температуры не менее чем на 15°C выше температуры солидус данного материала скорость деформации уменьшают до 2-5 мм/с. В способе выдержку материала могут осуществлять под давлением 50-80 МПа. В способе выдержку материала под давлением могут осуществлять в течение 5-20 секунд. В способе, кроме того, деформацию и выдержку материала под давлением могут проводить за один переход (без смены деформирующего инструмента).

Начальная скорость деформирования в интервале 45-90 мм/с обеспечивает наиболее оптимальные условия протекания данного процесса, так как снижение скорости деформирования до значения менее 45 мм/с приводит к подстыванию торца заготовки в зоне контакта с деформирующим инструментом, что в дальнейшем приводит к образованию на этом участке застойной зоны, т.к. сопротивление деформированию металла на этом участке в 5-10 раз выше, чем в верхней части заготовки. Скорость деформирования свыше 90 мм/с может вызвать нежелательное турбулентное течение металла, которое приводит к разбрызгиванию металла при деформировании, а также к образованию внутренних дефектов в готовом изделии (например, пористости). По мере остывания заготовки в процессе деформирования повышается сопротивление деформации, что требует снижения скорости деформирования. При температуре материала заготовки менее чем на 15°C выше температуры солидус данного материала содержание в нем твердой фазы повышается настолько, что затрудняет полное и равномерное заполнение всех полостей штампа при деформировании с высокой скоростью. Уменьшение скорости деформирования до 2-5 мм/с обеспечивает заполнение наиболее узких и глубоких полостей штампа. Скорость деформирования свыше 5 мм/с приводит к увеличению сопротивления деформации, а скорость деформирования менее 2 мм/с не оказывают заметного влияния на сопротивление деформации заготовки.

Предлагаемые значения давления и времени выдержки, при которых можно обрабатывать заготовку на завершающей стадии деформирования, являются наиболее оптимальными с точки зрения качества получаемого изделия, так как их использование позволяет получить наиболее точную геометрическую форму изделий и максимально уменьшить нарушения их сплошности. Увеличение давления и времени выдержки до значений соответственно свыше 80 МПа и 20 секунд является энергетически невыгодным, так как не приводит к улучшению результата. Осуществление деформации за один переход, без смены деформирующего инструмента, позволяет минимизировать временные и энергетические затраты на производство изделий, а также снизить трудоемкость процесса.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать изделия, имеющие высокие механические свойства, высокое качество поверхности и геометрические размеры, близкие к размерам конечной детали, что позволит снизить объем последующей механической обработки и коэффициент использования металла.

Пример осуществления изобретения

Из алюминиевых сплавов 1933 и В-1213 с использованием водоохлаждаемого желоба отливали заготовки (слитки) под деформацию, имеющие глобулярную микроструктуру, диаметром 90 и высотой 85 мм, по три заготовки из каждого сплава.

Для нагрева слитков до требуемой температуры с получением тиксотропного материала использовали камерную печь, для контроля температуры нагрева слитка применяли термопары типа ТХА (термопара хромель-алюмель). Горячую деформацию в области температур тиксотропного состояния проводили с использованием установки на базе гидравлического пресса силой 1600 кН.

Процесс деформации проводили за один переход штамповки с переменной скоростью. Технологические параметры изготовления заготовок из алюминиевых сплавов, механические свойства полученных из них изделий и коэффициент использования металла после механической обработки изделий приведены в таблице.

Определение механических свойств полученных изделий (штамповок) проводили по ГОСТ 1497. Коэффициент использования металла определялся как отношение массы готовой детали после механической обработки к массе изделия (штамповки).

Одновременно с вышеуказанными заготовками были изготовлены заготовки с использованием способа, известного из прототипа. Технологические параметры изготовления таких заготовок, механические свойства полученных из них изделий и коэффициент использования металла после механической обработки изделий также приведены в таблице.

Как следует из таблицы, разработанный способ получения изделий из алюминиевых сплавов обеспечивает более экономное расходование металла (сплава) по сравнению с прототипом. Кроме того, механические свойства изделий, полученных с использованием разработанного способа, значительно превосходят механические свойства изделий, полученных с использованием способа по прототипу, в результате чего обеспечивается заявленный технический результат.