Влияние кальция и режимов термической обработки на структуру и технологические свойства листов сплава В-1341 системы Al-Mg-Si тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат наук Клочков, Геннадий Геннадьевич

• Клочков, Геннадий Геннадьевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Клочков, Геннадий Геннадьевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Общие сведения о свариваемых высокотехнологичных алюминиевых сплавах

1.2 Термоупрочняемые сплавы системы А1-М§-81

1.3 Способность к формообразованию при холодной деформации сплавов системы

1.4 Кальций в алюминиевых сплавах

1.5 Цель и задачи исследования

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Исследуемые материалы

2.2 Методы исследования

2.3 Методы испытаний

2.4 Сварка и изготовление деталей

ГЛАВА 3 ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ДОБАВКИ КАЛЬЦИЯ НА СТРУКТУРУ ЛИСТОВ И ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

3.1 Влияние кальция на зеренную структуру и текстуру листов

3.2 Влияние кальция на механические и технологические свойства листов при холодной деформации

ГЛАВА 4 ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ РУЛОННОЙ ПРОКАТКИ ЛИСТОВ СПЛАВА В-1341

4.1 Введение кальция в расплав

4.2 Гомогенизационный отжиг слитков

4.3 Прокатка листов

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА РЕЖИМА УПРОЧНЯЮЩЕЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ ЛИСТОВ СПЛАВА В-1341

5.1 Разработка режима нагрева под закалку

5.2 Разработка режима искусственного старения

5.3 Влияние естественного старения на структуру и свойства листов

5.4 Анизотропия механических свойств листов

ГЛАВА 6 КОМПЛЕКСНЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ПРОМЫШЛЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЛИСТОВ СПЛАВА В-1341

6.1 Исследование комплекса эксплуатационных и коррозионных свойств листов

6.2 Технологичность и свариваемость листов

6.3 Опробование изготовления деталей в условиях самолетостроительного производства

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние кальция и режимов термической обработки на структуру и технологические свойства листов сплава В-1341 системы Al-Mg-Si»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Постоянно растущий интерес к применению алюминиевых сплавов в транспортном машиностроении и расширение областей их применения в авиационных конструкциях связаны с комплексом ценных свойств этих сплавов, среди которых в первую очередь следует назвать высокую прочность в сочетании с малой плотностью и высокой коррозионной стойкостью, хорошую технологичность в процессе литья, деформации, формообразования и механической обработки. Возможность соединения алюминиевых деталей с помощью сварки, пайки, склеивания, клепки и других механических способов, способность к нанесению защитных и декоративных покрытий сделали алюминиевые сплавы основным материалом в различных конструкциях.

С развитием перспективных изделий машиностроения и авиационно-космической техники к алюминиевым сплавам предъявляются следующие требования:

- высокая технологичность при изготовлении различных видов полуфабрикатов при металлургическом производстве и деталей из них, способствуя сокращению операционных и температурно-временных циклов изготовления изделий, а также сборки узлов конструкции;

- хорошая свариваемость;

- отсутствие в составе дорогостоящих, редкоземельных легирующих элементов и высокотоксичных компонентов, которые попадают в воздушную атмосферу в процессе обработки сплава и при сварке.

Из алюминиевых сплавов предъявленным выше требованиям в наибольшей степени удовлетворяют сплавы систем А1-1У^-81 и А1-М§, по зарубежной классификации это сплавы серии бххх и 5ххх, соответственно. Эти сплавы при низком или среднем уровне прочности обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошей пластичностью в горячем и холодном состоянии, свариваемостью; легко поддаются холодной гибке, штамповке и глубокой вытяжке, цветному анодированию, эмалированию. В зарубежной

промышленности они применяются в автомобилестроении и авиационно-космической технике. В самолётах различных модификаций из сплавов серии бххх выполняются сварные панели фюзеляжа, подвесные топливные баки, трубопроводы и другие детали бортовых систем.

В России конструкции, изготавливаемые с применением холодной листовой штамповки и сварки, выполняются из сплавов системы (АМг2 и АМг4).

Однако эти сплавы обладают относительно низкой прочностью, не являются вакуумплотными в листах толщиной менее 2 мм, склонны к наклепу и формированию деформационных полос при правке растяжением.

Анализ зарубежного опыта показывает, что для аналогичных целей используются листы из сплавов серии бххх. В отечественной практике нашли широкое применение всего четыре сплава этой системы — АД31, АДЗЗ, АД35 (прессованные полуфабрикаты для строительства) и АВ (тонкие листы для лонжеронов лопастей вертолетов), тогда как в международном реестре алюминиевых деформируемых сплавов насчитывается уже около 100 марок.

Сплавы системы А1-]У^-81 обладают заметно более высокими прочностными характеристиками по сравнению со сплавами системы А1-]У^, однако для гарантированного применения в промышленности необходимо улучшить их способность к формообразованию при холодной деформации. Одним из существенных факторов, определяющих эту способность, является кристаллографическая текстура. Вопросы штампуемости материала также невозможно рассматривать вне связи с их зеренной структурой (размер зерна в листах из сплавов типа авиаль не должен превышать величины ~ 80 мкм). В алюминиевых сплавах на параметры структуры существенное влияние оказывают переходные (Бе, Ъх, И), а также щелочные и щелочноземельные металлы, например Са.

Некоторыми исследователями было установлено положительное влияния микродобавок кальция на литейные и технологические свойства алюминиевых сплавов, а также на формирование их зеренной структуры.

Во ФГУП «ВИАМ» разработан среднепрочный высокотехнологичный коррозионностойкий свариваемый сплав системы А1-]\^-81 В-1341 (типа АВ), дополнительно легированный добавками Са.

Таким образом, разработка промышленной технологии изготовления листов с регламентированной структурой и высокими параметрами технологической пластичности из сплава В-1341, легированного кальцием, с целью замены сплавов группы АМг в изделиях машиностроения и авиационно-космической техники, является актуальной задачей.

На момент начала диссертационного исследования на партии листов сплава системы А1-М§-81, полученной в экспериментальных условиях ФГУП «ВИАМ», было установлено положительное влияние кальция на технологическую пластичность.

Степень изученности и разработанности проблемы. По обилию марок сплавов системы Al-Mg-Si, применяемых в настоящее время в различных странах мира, можно судить об их широком распространении в промышленности. В международном реестре алюминиевых деформируемых сплавов насчитывается уже около 100 марок сплавов системы Al-Mg-Si. Регистрируются новые композиции сплавов, дополнительно легированные различными микродобавками. На международных конференциях большая часть докладов относится к результатам исследований сплавов системы А1-М§-8ь

Благодаря комплексу свойств, сплавам серии бххх уделяется повышенное внимание. В Европе основным сплавом для изготовления наружных деталей кузовов автомобилей является хорошо штампуемый сплав 6016. В Северной Америке превалирует сплав 6111, который из-за высокой прочности обеспечивает устойчивость деталей кузова к вмятинам.

Снижение массы конструкции изделий возможно за счет применения недорогих коррозионностойких, высокотехнологичных алюминиевых сплавов, а также путем замены клепаной конструкции на сварную. Кроме того, наблюдается растущая коррозионная повреждаемость летательных аппаратов и, в связи с этим, увеличиваются затраты на улучшение коррозионных свойств сплавов и защиты от

коррозии. Это вынуждает сосредоточить внимание на существенном снижении стоимости, как отдельных узлов, так и конструкции в целом. В связи с этим авиационные конструктора ряда стран приняли решение о применении коррозионностойкого, свариваемого и высокотехнологичного сплава 6013 производства Alcoa (США) для замены широко применяемого сплава 2024 в клепаных конструкциях, а также в виде сварной конструкции элементов фюзеляжа. Зарубежные и отечественные конструктора считают сплавы типа 6013 перспективными сплавами для гидросамолетов, а также для автомобильной промышленности для изделий, получаемых холодной штамповкой. Сплав 6013 и 6056 производства Pechiney (Франция) применяется для самолетов последних моделей фирм Airbus (A318, А340, А380) и Boeing в виде листов для деталей нижней части фюзеляжа. В сплаве 6013 для последующего изготовления из него деталей методами холодной листовой штамповки регламентируется размер зерна. Листы из российского сплава 1370 применены в конструкции самолета Ан-148.

Для зарубежных сплавов серии бххх в сравнении с отечественными сплавами характерно более низкое содержание примесных элементов (Fe, Zn, Ti, Мп). При больших концентрациях железа анодная пленка на изделиях получается мутной и непрозрачной. Аналогичным образом обстоят дела с магнием и кремнием в зависимости от требуемого уровня прочности. В ряде случаев выдвигаются требования по однородности легирующих компонентов по сечению заготовок, в соответствии с которыми в приповерхностных слоях слитков не должно быть зон, обогащенных или обедненных магнием и кремнием. В последние годы наблюдается тенденция по введению легирующей добавки кальция в качестве модификатора в алюминиевые, как деформируемые, так и литейные. В то же время, комплексного изучения влияния микродобавок кальция на механические и технологические свойства листов сплавов системы Al-Mg-Si не проводилось.

Цель работы: изучение влияния легирующей добавки кальция и режимов термической обработки на структуру и свойства листов из сплава В-1341 системы Al-Mg-Si, и разработка промышленной технологии изготовления методом

рулонной прокатки листов с регламентированной структурой и высокими параметрами технологичности.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Установить пределы содержания легирующей добавки кальция в сплаве В-1341.

2. Выбрать способ введения кальция в расплав и разработать промышленную технологию изготовления листов.

3. Изучить влияние режимов термической обработки на структуру и механические свойства листов.

4. Оценить технологические свойства и свариваемость листов и изготовить из них детали в условиях самолетостроительного производства методами холодной листовой штамповки и сварки.

Объектом исследования являются промышленные плоские слитки сечением 300x1100 мм, длиной 2600 мм и изготовленные из них листы толщиной (0,6-3,0) мм, шириной 1200 мм, длиной 2500 мм из сплава В-1341 производства ОАО «КУМЗ» (глава 3, 4, 5); сварные соединения листов размером 150x400 мм и детали, изготовленные методами холодной деформации (ОАО «РСК «МиГ», глава 5).

Предметом исследования является структура, механические, технологические, коррозионные свойства и свариваемость полуфабрикатов.

Химический состав сплава В-1341 и режимы термической обработки полуфабрикатов приведены по тексту глав диссертации.

Все испытания в настоящей работе проведены в соответствии с действующими стандартами и методиками РФ.

Микроструктуру исследовали методами оптической микроскопии при помощи микроскопа Neophot30, оснащенного цифровой камерой фирмы «Olympus», просвечивающей электронной микроскопии на приборе JEM 2100 и JEM 200 СХ с приставкой для усиления электронного изображения Erlangshen ES500W «Gatan».

Кристаллографическая текстура листов изучена по результатам съемки на рентгеновском дифрактометрах ДАРТ УМ и URD6 в СиКа-излучении, монохроматизированном от монокристалла графита, с построением прямых полюсных фигур (ППФ) (004).

Идентификация фаз, избыточных по отношению к алюминиевому твердому раствору, проведена с помощью дифрактограмм, отснятых в интервале углов 3°<2@<50° в СиКа - излучении на дифрактометре URD6. Фрактографический анализ проводили на растровом электронном микроскопе JSM-840. Ликвацию компонентов исследовали методом спектрального анализа на приборе Spectrolab-М. Дифференциально-термический анализ проводили на приборе NETZSCH DSC 403F3 в интервале температур от 200 до 700 °С.

Интервалы фазовых превращений при нагреве полуфабрикатов определены с использованием методов дифференциальной сканирующей калориметрии и дифференциально-термического анализа со скоростью 10 °С/мин в температурном интервале от 30 до 600 °С и от 350 до 700 °С, соответственно. Для количественного определения химического состава фазовых составляющих в слитках применяли микрорентгеноспектральный анализ (МРСА), который проводили на сканирующем электронном микроскопе JSM-5900LV фирмы JEOL с приставкой электронно-зондового микроанализатора (ЕРМА) локальностью 1 мкм. Степень рекристаллизации определяли на рентгеновском аппарате УРС-60 с максимальной мощностью 60 кВт и силой тока 10 мА.

Научная новизна:

1. Установлено, что модифицирующая добавка кальция в количестве (0,050,15) масс. % способствует получению изотропных листов с регламентированной зеренной структурой с размером зерна (20-60) мкм и формированию компонентов текстуры, благоприятных для холодного формообразования, а также позволяет снизить коэффициент трещинообразования и существенно повысить критическую скорость деформации при сварке.

2. Показано, что легирование кальцием приводит к образованию в слитке после гомогенизации дисперсных частиц избыточных интерметаллидных фаз

переменного состава Al3SÎ2Ca и Ali2Si4Mg3Ca, являющихся центрами зарождения новых зерен и препятствующих их росту в процессе рекристаллизации.

3. Установлено, что введение кальция непосредственно в расплав перед переливом в миксер обеспечивает усвоение легирующей добавки более 70 % и минимальные потери.

Практическая значимость работы:

1. Разработана и внедрена на ОАО «КУМЗ» промышленная технология рулонной прокатки изотропных листов толщиной (0,6-3,0) мм из сплава В-1341 с регламентированной структурой, которая позволяет снизить приблизительно на 50 % трудоемкость при металлургическом и машиностроительном производстве, и, следовательно, стоимость продукции в сравнении с серийными сплавами группы АМг, благодаря отсутствию операций предварительных и межоперационных отжигов.

2. Изучены особенности формирования структуры и свойств в зависимости от температурно-временных параметров термической обработки и разработан режим (закалка 530 °С, 20 мин, старение 170 °С, 10-14 ч), обеспечивающий наилучшее сочетание прочности и технологической пластичности листов (XI : ов > 330 МПа, g0,2 > 260 МПа, S > 10 %; Т: Rmjn = (0,5-l,0)-S, S - толщина листа, К =1,2-1,25, К =1,9-1,95,К =29-35%).

ото. выт. выд. 7

3. Изучено влияние кальция на склонность к образованию горячих трещин и разработана технология автоматической аргонодуговой электросварки, обеспечивающая получение сварных соединений с коэффициентом разупрочнения основного материала ав СВУ Ов°с"' ^ 0>9.

4. Листы из сплава В-1341 с регламентированной структурой внедрены в конструкции элементов системы кондиционирования воздуха (трубопроводы, в т.ч. сварные, патрубки сложной конфигурации), законцовок и лобовика крыла российского самолета SSJ 100 (Sukhoi Super Jet) взамен листов из сплавов группы АМг.

и

5. По результатам проведенных исследований разработана и выпущена следующая нормативная документация:

- технологическая рекомендация ТР 1.2.1877-2006 «Получение листов с регламентированной структурой из сплава В-1341»;

- технологическая рекомендация ТР 1.2.1932-2006 «Сварка конструктивных элементов из сплава В-1341 для изделия ЯШ».

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработка промышленной технологии изготовления листов из сплава В-1341 системы А1-1У^-81 с регламентированной по размеру зерна структурой.

2. Особенности влияния кальция на структуру и технологические свойства листов.

3. Разработка режима термической обработки листов, обеспечивающего наилучшее сочетание прочности и технологической пластичности.

Личный вклад автора состоит в установлении пределов легирования кальцием сплава В-1341; изучении особенностей формирования структуры и свойств листов в зависимости от режимов термической обработки; получении и обобщении данных о фазовом составе, механических, технологических, коррозионных характеристиках; исследовании свариваемости; выпуске нормативной документации.

Апробация работы. По материалам диссертации сделано 12 докладов на всероссийских и международных научно-практических конференциях:

- III научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», ОКБ «Сухого», г. Москва, 2005 г.;

- VI научной конференции «Гидроавиасалон-2006», г. Геленджик, 2006 г.;

- VI Международной конференции «Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий», МГИУ, г. Москва, 2006 г.;

- конференции, посвященной 75-летию Московского Вечернего Металлургического Университета, г. Москва, 2006 г.;

- Международной конференции «Актуальные вопросы авиационного материаловедения», ВИАМ, г. Москва, 2007 г.;

- VII Международной конференции «Молодые ученые -промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию; проблемы и новые решения», МГИУ, г. Москва, 2007 г.;

- IV научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», ОАО «ОКБ Сухого», г. Москва, 2007 г.;

- научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 120-летию со дня рождения И.И. Сидорина, ВИАМ, г. Москва, 2008 г.;

- международной конференции «The 1 Ith International Conference of Aluminium Alloys» (ICAA 11), Aachen, Germany, 2008 г.;

- конференции «Современные технологии и оборудование: новые возможности в производстве изделий из алюминиевых сплавов. Искусство продвигать и продавать продукцию», г. Каменск-Уральский, 2011 г.

Публикации. Результаты работы отражены в 12 публикациях, из них 4 в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка используемых сокращений и обозначений, литературных источников из 102 наименований, 119 страниц машинописного текста, 43 рисунков и 19 таблиц.

13

ГЛАВА 1

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Общие сведения о свариваемых высокотехнологичных

алюминиевых сплавах

Разработка алюминиевых сплавов, используемых для изготовления изделий с глубокими степенями вытяжки, — одно из актуальных направлений созданий новых металлических материалов для авиационной и автомобильной промышленности [1]. Во всем мире для этих целей нашли широкое применение технологичные свариваемые сплавы системы А1-М§ серии 5ххх и А1-М£-81 серии бххх [2, с. 151-152; 3, с. 106-107; 4, с. 62-64].

Сплавы системы А1-М§ не упрочняются термической обработкой. Ценность сплавов этой системы определяется сочетанием удовлетворительной прочности, высокой пластичности, хорошей коррозионной стойкости и свариваемости. Все эти качества обусловили их широкое применение для сварных конструкций.

Недостаток сплавов системы А1-М^ — относительно низкий предел текучести, для его повышения сплавы АМг5, особенно АМгб, часто подвергают холодной деформации на 20-30 %. Увеличение степени деформации при нагартовке выше 30 % приводит к дальнейшему росту прочностных характеристик. Однако на практике столь высокие степени деформации не применяют, главным образом потому, что они приводят к понижению пластичности и нестабильности механических и коррозионных свойств [5, с. 7073].

Сплав АМгб - наиболее прочный из сплавов системы Al-Mg, обладает пониженной технологической пластичностью при изготовлении деталей глубокой вытяжкой и не обеспечивает надёжную герметичность сварных конструкций при использовании листов малых толщин (менее 1,8 мм). Сплав АМг2 при хорошей технологичности недостаточно прочен. Сплавы системы Al-Mg склонны к образованию деформационных полос при правке растяжением, быстро нагартовываются при холодной деформации [6, с. 38-118].

Сплавы системы Al-Mg-Si относятся к термоупрочняемым, обладают заметно более высокими прочностными и технологическими характеристиками по сравнению со сплавами системы Al-Mg, что позволяет изготавливать из них сложные по конфигурации детали холодной штамповкой [3, с. 106-107].

Сплавы системы Al-Mg-Si широко известны под названием авиаль (авиационный алюминий). Первый термически упрочняемый сплав 51S был выпущен Американской алюминиевой компанией и запатентован Джефрисом и Арчером в 1923 г. В Советском Союзе изучение природы упрочнения этих сплавов при термообработке, разработке новых композиций и внедрение их в промышленность связаны с именем Воронова С.М. [5, с. 89; 7, с. 21]. Он впервые указал на зависимость свойств сплавов этого класса от времени хранения их в условиях комнатных температур перед искусственным старением. Воронов С.М. впервые подчеркнул также роль избытка кремния против содержания его в соединении Mg2Si в этих сплавах. Исследуя возможности упрочнения сплавов этого класса при сохранении достаточно высокой пластичности, он провел подробное определение растворимости компонентов сплава в алюминии в твердом состоянии, изучил влияние меди и марганца на свойства и структуру, а также процесс старения и обосновал предложенные им новые составы сплавов этого класса [7, с. 5].

Учитывая назначение сплавов системы Al-Mg-Si, от которых, как правило, требуются высокая технологичность, коррозионная стойкость и отличный декоративный вид, их состав и методы обработки уточняют в соответствии с конкретными условиями применения.

Отечественные сплавы системы Al-Mg-Si (АД31, АДЗЗ, АД35 и АВ) нашли широкое применение в гражданском строительстве, авиации, судостроении, электротехнике, машиностроении [3, с. 106]. По объему производства во многих странах они превосходят все остальные термически упрочняемые алюминиевые сплавы других систем [8].

В мировой практике сплавы системы Al-Mg и в большей степени Al-Mg-Si находят все большее применение в авиакосмической и автомобильной

промышленности. Эти сплавы при низком или среднем уровне прочности обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошей пластичностью в горячем и холодном состоянии, свариваемостью; легко поддаются холодной гибке, штамповке и глубокой вытяжке, цветному анодированию, эмалированию [9]. Многие фирмы-изготовители автомобилей с целью снижения веса конструкции, при сохранении жесткости, и, соответственно, снижения выбросов продуктов сгорания топлива расширяют применение алюминиевых сплавов в широкой гамме изготавливаемых из них деталей, узлов и агрегатов: трансмиссия (двигатель, топливная система, жидкие линии), шасси (рама, ось, колеса); кузов (кузов без покраски и грунтовки, капоты, двери, крылья, бамперы и элементы внутренней отделки) (рис. 1.1а). Несмотря на то, что увеличение использования алюминиевых сплавов в конструкции наблюдается в большей степени в автомобилях представительского и бизнес-класса таких фирм как Aston Martin, Jaguar, BMW, Audi и др., весьма заметна и тенденция к «облегчению» изделий и у многих других автомобильных концернов (рис. 1.16) [10-12].

а

б

Рис. 1.1. Использование алюминиевых сплавов в автомобилестроении а - детали кузова; б - Jaguar XJ 2002

Рис. 1.2. Самолеты со сплавами серии бххх в конструкции самолетов Airbus A3 18 и А380 (a); Boeing 777 (б); ^н-148 (в)

В самолетах различных модификаций, таких как Airbus A318, А340, А380 и Boeing 777 (рис. 1.2), из сплавов серии бххх выполняются различные детали планера, в том числе сварные панели фюзеляжа из сплава 6013 с использованием гибридной лазерной сварки (рис. 1.3), подвесные топливные баки, трубопроводы и другие детали бортовых систем [13-16].

А318:

1 сварная панель

А380:

8 сварных панелей

А340 HGW: 14 сварных панелей

в

Рис. 1.3. Применение сплава 6013 в сварной панели фюзеляжа самолетов Airbus а - объем применения; б - в конструкции Airbus А380; в - гибридная лазерная сварка панели для Airbus A318

а

А380-800

Из российских сплавов системы известно применение сплава 1370,

из которого изготовлены предкрылки и горизонтальное оперение стабилизатора самолета Ан-148 (ГП «Антонов») (рис. 1.4) [17].

Рис. 1.4. Самолет Ан-148, в котором применен сплав 1370

В ФГУП «ВИАМ» под руководством д.т.н. Грушко O.E. в 2003 г. разработан и защищен патентом состав низколегированного, высокотехнологичного, свариваемого, коррозионностойкого сплава В-1341 системы Al-Mg-Si, дополнительно легированного кальцием [18, с. 152; 19]. Химический состав сплава внесен в ОСТ 1 90048, изменение № 5.

1.2 Термоупрочняемые сплавы системы

Как следует из диаграммы состояния А1-1У^-81 (рис. 1.5), магний и кремний характеризуются переменной растворимостью в твердом алюминии. В связи с очень малой растворимостью кремния в алюминии при низких температурах (200 °С) все сплавы (АВ, АД31, АДЗЗ, АД35) имеют в равновесных условиях гетерогенную структуру. Фазовый состав сплавов АВ и АД35 (без учета Мп, Сг и примесей) - «+N^281+81, а сплавов АД31 и АДЗЗ - а+1^28ь При температуре 550 °С все сплавы, за исключением АД35, гомогенны, т.е. фазы 1У^281 и при нагреве полностью растворяются, что служит предпосылкой для упрочнения сплавов термообработкой [5, с. 89-91; 20].

°/о. (по массе)

Рис. 1.5. Изотермическое сечение диаграммы состояния

при 200 °С (а) и 550 °С (б)

В равновесии с алюминиевым твердым раствором находится соединение Ъ/^Бь Оно лежит на квазибинарном разрезе А1-М§281, отвечающее отношению концентраций]^^!,73 (рис. 1.6) [21, с. 306-307].

,°о

Рис. 1.6. Проекция поверхности ликвидус на диаграмме состояния

Максимальные значения временного сопротивления естественно и искусственно состаренных сплавов соответствуют трехфазной области a+Mg2Si+Si при суммарной концентрации (М§+81) от 2,5 до 4 % (здесь и далее в

массовых %). В этой фазовой области расположены максимальные эффекты закалки и искусственного старения. Прочность сплавов повышается при сохранении концентрации магния и увеличении содержания кремния сверх количества, отвечающего соотношению магния и кремния в соединении Mg2Si. Однако появляющиеся при этом кристаллы кремния ухудшают коррозионную стойкость и декоративный вид изделий. Избыточный магний входит в твердый раствор, не снижая коррозионную стойкость [3, с. 107-108; 22].

Дополнительное введение меди в сплавы Al-Mg-Si повышает эффект упрочнения, формируя новые виды частиц, препятствует началу образования кластеров и уменьшает негативное влияние перерыва между закалкой и искусственным старением [3, с. 111-112; 23]. В работе Esmaeili S. и Lloyd DJ. установлено, что добавки меди влияют на процесс зарождения фаз, нежели на процесс их роста, это было объяснено с точки зрения термодинамики образования кластеров - свободная энергия, необходимая для зарождения фаз, выше, чем у сплавов, не содержащих медь, соответственно больше объемная доля выделений упрочняющих фаз в процессе искусственного старения [24; 25].

Введение марганца приводит к измельчению зерна, заметному повышению эффекта упрочнения [3, с. 112]. Марганец и хром находятся в сплавах системы Al-Mg-Si в виде дисперсных интерметаллидных фаз (Al6Mn, a(Al-Si-Mn), А17Сг), являющихся продуктами распада пересыщенного твердого раствора этих компонентов в алюминии. Эти фазы повышают температуру рекристаллизации, затрудняют рост зерен при вторичной рекристаллизации, способствуют сохранению нерекристаллизованной структуры в прессованных изделиях после термообработки, т.е. обусловливают при определенных условиях прессования и термообработки прессэффект в сплавах AB, АДЗЗ, АД35 [5, с. 91; 26].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Клочков, Геннадий Геннадьевич, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фридляндер И.Н., Грушко О.Е., Овчинников В.В. и др. Структура, способность к выдавке и свариваемость листов из сплава типа «Авиаль», легированного кальцием / В кн. Создание, исследование и применение алюминиевых сплавов: Избранные труды к 100-летию со дня рождения. 2013. С. 166-178.

2. Альтман М.Б., Андреев Г.Н., Арбузов Ю.П. и др. Применение алюминиевых сплавов. М.: Металлургия. 1985. 344 с.

3. Фридляндер И.Н. Алюминиевые деформируемые конструкционные сплавы. М.: Металлургия. 1979. 208 с.

4. Фридляндер И.Н. Воспоминания о создании авиакосмической и атомной техники из алюминиевых сплавов. М.: Наука. 2005. — 275 с.

5. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия. 1981. 414 с.

6. Авиационные материалы: Справочник в 12-ти томах. 7-е изд., перераб. и доп. /Под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ. 2009. Т. 4. Ч. 1. Кн. 1. 263 с.

7. Воронов С.М. Избранные труды по легким сплавам. М.: Оборонгиз. 1957. 546 с.

8. Колобнев Н.И., Бер Л.Б., Хохлатова Л.Б., Рябов Д.К. Структура, свойства и применение сплавов системы Al-Mg-Si-(Cu) // МиТОМ. 2011. №9. С. 40-45.

9. Wrought aluminium alloys. бххх series alloys (www.aluminium.matter.org.uk).

10. Hirsch J., Laukli H.I. Aluminium in innovative light-weight car design / Proceedings of the 12 ICAA. 2010. P. 46-53.

11. Aiura Т., Sakurai T. Development of Aluminum Alloys and New Forming Technology for Automotive Parts / Proceedings of the 12 ICAA. 2010. P. 62-67.

12. Клочков Г.Г. Алюминиевый сплав - замена стали // Индустрия, Инженерная газета №33-34(1355-1356), 2006. с. 5

13. Vaidya W.V., Angamuthu К., Kocak М., Grube R., Hackius J. Strength and fatigue resistance of laser-MIG hybrid butt welds of an airframe Aluminium alloy AA6013 / Welding in the World. 2006. № 11/12. V. 50. P. 88-97.

14. Smith B. The Boeing 777 / Advanced Materials & Processes. 2003. September. P. 41-44.

15. Tempus G. New aluminium alloys and fuselage structures in aircraft design // Werkstoffe fur Transport und Verkehr. 2001. Zurich.

16. Rendings K.H. Airbus and current aircrafts metal technologies // Materials & Processes. Bremen.

17. Махсидов B.B. Закономерности изменения структуры и свойств листов из сплава 1370 системы Al-Mg-Si-Cu-Zn в зависимости от химического состава, режимов термомеханической и термической обработок: Автореферат дис. к.т.н. М. 2012. 27 с.

18. История авиационного материаловедения. ВИАМ - 80 лет: годы и люди / Под общ. ред. Академика РАН, профессора Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ. 2012. 520 с.

19. Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него: пат. 2255133 Рос. Федерация; опубл. 19.12.2003.

20. Bryantsev P.Yu., Zolotorevskiy V.S., Portnoy V.K. The effect of heat treatment and Mn, Cu and Cr additions on the structure of ingots of Al-Mg-Si-Fe alloys / Proceedings of the 10 ICAA. 2006. P.401-406.

21. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. М.: Металлургия. 1979. 639 с.

22. Zhong Н., Rometsch P., Estrin Y. The Influence of Alloy Composition on the Microstructure, Tensile Ductility and Formability of 6xxx Alloys / Proceedings of the 13 ICAA. 2012. P. 687-692.

23. Yan F., Ji S., Fan Z. Effect of Cu on the Microstructure and Mechanical Properties of Diecast Al-Mg2Si-Mg Based Alloy / Proceedings of the 14 1CAA. 2014. P. 172-177.

24. Esmaeili S., Lloyd D.J. The Role of Copper in the Precipitation Kinetics of 6000 Series Al Alloys / Proceedings of the 10 ICAA. 2006. P. 169-176.

25. Liang Z. Clustering and precipitation in Al-Mg-Si alloys: Dissertation. Dr. ing. Berlin. 2012.

26. Ratchev P., Jessner P. Role of the Mn-dispersoids and Mg2Si particles in the recrystallization of automotive 6xxx alloys / Proceedings of the 14 ICAA. 2014. P. 1227-1232.

27. Watson S. Ji, D., Wang Y., White M., Fan Z. Effect of Ti addition on mechanical properties of high pressure die cast Al-Mg-Si alloys / Materials Science Forum 765. 2013. P. 23-27.

28. Горбунова T.B. Сравнительный анализ требований отечественных и зарубежных стандартов к продукции из сплавов системы Al-Mg-Si / В сб. трудов ВИЛС «Технология легких сплавов». 1999. №1-2. С. 126-129.

29. Strobel К., Easton М.А., Sweet E.D., Couper M.J., Nie J.F. Relating quench sensitivity to microstructure in 6xxx series alloys / Proceedings of the 12 ICAA. 2010. P. 1596-1601.

30. Möller H., Daswa P., Govender G. The Heat Treatment of Rheo-High Pressure Die Cast 6xxx Series Al-Mg-Si-(Cu) Alloys / Proceedings of the 14 ICAA. 2014. P. 137-142.

31. Bollmann С., Kovacs S., Gottstein G. Impact of the Precipitation State on Texture Evolution during Thermomechanical Processing of AA6016 / Proceedings of the 12 ICAA. 2010. P. 119-124.

32. Alekseev A., Ermolova M., Kolobnev N. Diffusive paths in 6013 (AD37) alloys under a single and double ageing / Proceedings of the 8 ICAA / 2002. V. 2. P. 1181-1186.

33. Holmestad R., Marioara C.D., Ehlers Flemming J.H., Torsaeter M., Bjorge R., Royset J., Andersen S.J. Precipitation in 6xxx Aluminum Alloys / Proceedings of the 12 ICAA. 2010. P. 30-39.

34. Saito Т., Muraishi S., Marioara C.D., Holmestad R. Effect of low Cu amounts and pre-deformation on the precipitation in Al-Mg-Si alloys // Proceedings of the 13 ICAA. 2012. P. 1063-1068.

35. Marceau R.K.W., Vaucorbeil A de, Sha G., Ringer S.P., Poole W.J. Analysis of strengthening in AA6111 during the early stages of aging: Atom probe tomography and yield stress modelling. ActaMaterialia 61. 2013. P. 7285-7303.

36. Chakrabarti D.J., Laughlin D.E. Phase relations and precipitation in Al-Mg-Si alloys with Cu additions. Progress in Materials Science 49. 2004. P. 389-410.

37. Liu M., Cizek J., Chang C.S.T., Banhart J. A positron study of early clustering in Al-Mg-Si alloys / Proceedings of the 14 ICAA. 2014. P. 794-796.

38. Rometsch P.A., Cao L., Muddle B.C. Strengthening of 6xxx Series Sheet Alloys During Natural Ageing and Early-stage Artificial Ageing / Proceedings of the 12 ICAA. 2010. P. 389-394.

39. Cao L., Rometsch P.A., Zhong H., Mulji Y., Gao S.X., Muddle B.C. Effect of Natural Ageing on the Artificial Ageing Response of an Al-Mg-Si-Cu Alloy / Proceedings of the 12 ICAA. 2010. P. 395-400.

40. Арчакова 3.H., Балахонцев Г.А., Басова И.Г. и др. Алюминиевые сплавы. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Справочник М.: Металлургия. 1974. 432 с.

41. Комиссарова B.C., Егорова Н.В., Киреева А.Ф. Особенности механизма межкристаллитной коррозии сплавов АВ и АДЗЗ в морских условиях» // В сб. Вопросы авиационной науки и техники. Авиационные материалы. Коррозия и защита сплавов в морских условиях. 1985. ВИАМ, с. 36-42.

42. Al-Mg-Si based sheet: pat. 6334916 US; publ. 01.01.2002.

43. Бабарэко А.А. Текстуры металлов и сплавов. Металловедение и термическая обработка. Итоги науки и техники. 1980. М.: ВИНИТИ. Т. 13. С. 79

44. Ratchev P. Van Houtte P. Verlinden D. Textures and microtextures. 1994. V. 22. P. 219

45. Hosford W, Backofen W. Fundam. Deformat. Process. 1964. Syracuse. N.Y. Univ. Press. P. 259-298

46. Гуреева M.A., Грушко O.E., Овчинников B.B, Шамрай В.Ф. Повышение штампуемости листов из сплава системы Al-Mg-Si, применяемых для холодной штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. 2007. №4. С. 2027.

47. Грушко О.Е., Овчинников В.В, Алексеев В.В., Шамрай В.Ф. Структура, способность к выдавке и свариваемость листов из сплавов системы Al-Mg-Si, легированных кальцием // Заготовительные производства в машиностроении. 2006. №3. С. 9-15.

48. Sidor J., Petrov R., Kestens L., Decroos K. Modeling the Recrystallization Textures in Particle Containing A1 Alloys after Various Rolling Reductions /Proceedings of the 13 ICAA. 2012. P. 299-304.

49. Go J., Militzer M., Poole W. The effect of precipitation on the recovery and recrystallization behavior of AA6111 / Proceedings of the 12 ICAA. 2010. P. 1153-1158.

50. Prasad N. E., Gokhale A., Wanhill R.J. H. Aluminium-lithium alloys: processing, properties, and applications. 2013. 608 p.

51. Chino Y., Sassa K., Kamiya A., Mabuchi M. Mater. Sci. Eng. A 441. 2006. P. 349-356.

52. Lee K.J., Jeon J.Y., Son H.T., Woo K.D. Texture and Mechanical Properties of Al-Mg-Si Series Aluminum Alloy Sheets Manufactured by Cross-roll Rolling Method / Proceedings of the 12 ICAA. 2010. P. 1219-1224

53. Fare S., Vedani M., Angella G., Garces G. Texture, Microstructure and Mechanical Properties of Asymmetrically Rolled AA6082 Aluminum Alloy / Proceedings of the 12 ICAA. 2010. P. 1213-1218

54. Савельев A.B., Овчинников B.B., Ермаков С.И. Структура и свариваемость листов из сплавов системы Al-Mg-Si / В сб. научных докладов VII международной научно-практической конференции «Молодые ученые -

промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию: проблемы и новые решения». М.: МГИУ. 2007. С. 256-259.

55. Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. М.: Металлургия. 1975. 248 с.

56. Furu Т., Telioui N., Behrens С., Hasenclever J., Schaffer P. Trace elements in aluminium alloys: their origin and impact on processability and product properties /Proceedings of the 12 ICAA. 2010. P. 282-289.

57. Родякин В.В. Кальций, его соединения и сплавы. М.: Металлургия. 1967. 188 с.

58. Буркхардт А. Механические и технологические свойства чистых металлов. М.: Металлургиздат. 1941. 444 с.

59. Доронин Н.А. Кальций. М.: Госатомиздат. 1962. 192 с.

60. Цегельник Э. Из него строили Великую Китайскую стену /Атомная стратегия. 2005. № 19. С. 28-29.

61. Кальций (www://n-t.ru/ri/ps/pb020.htm).

62. Klochkov G.G., Grushko О.Е., Ovchinnikov V.V., Shamray V.F., Girsh R.I. The structure, formability and weldability of B-1341 Al-Mg-Si alloy sheets / Proceedings of the 11 ICAA. 2008. V. 1. P. 241-247.

63. Sigurd Wenner, Calin D. Marioara, Sigmund J. Andersen, Randi Holmestad How calcium prevents precipitation hardening in Al-Mg-Si alloys // Materials Science and Engineering: A. 2013. V. 575.P. 241-247.

64. Грушко O.E. Металловедческие основы производства слитков и полуфабрикатов из высокомодульных алюминий-литиевых сплавов пониженной плотности: автореферат дис. д.т.н. М. 1990. 25 с.

65. Грушко О.Е., Овсянников Б.В., Овчинников В.В.. Алюминиево-литиевые сплавы: металлургия, сварка, металловедение. М.: Наука. 2014. 296 с.

66. Курдюмов А.В. Инкин С.В. Чулков B.C. Шадрин Г.Г. Металлические примеси в алюминиевых сплавах. М.: Металлургия. 1988. 143 с.

67. Шамрай В.Ф., Грушко О.Е., Шевелёва Л.М. Самсонов В.Д. // Перспективные материалы. 2004. №5. С. 16-22.

68. Hyung-Won P., In-Sang J.g, Yeong-Hwa K., Su-Gun L. Effect of Ca Addition on Microstructure of Semi-Solid Al-Zn-Mg A1 Alloys During Reheating / Proceedings of the 12 ICAA, 2010, Yokohama. P. 1726-1729.

69. Стригавкова E., Вайс В., Михна С. Исследование структуры и жидкотекучести сплава системы Al-Mg-Si с различным содержанием кальция // Металлург. 2012. №9. С. 84-88.

70. Strigavkova Е. The new type of Al-Si-Mg Ca alloys with different Ca and their identification using of the color metallography // Journal of mechanical engineering NTUU. 2013. P. 27-33

71. Moussa M.E., Walya M.A., El-Sheikh A.M. Combined effect of high-intensity ultrasonic treatment and Ca addition on modification of primary Mg2Si and wear resistance in hypereutectic Mg-Si alloys // Journal of Alloys and Compounds. 2014. V. 615. P. 576-581.

72. Cong M., Li Z., Liu J., Yan M., Chen K., Sun Y., Huang M., Wang C., Ding В., Wang S. Effect of Ca on the microstructure and tensile properties of Mg-Zn-Si alloys at ambient and elevated temperature // Journal of Alloys and Compounds. 2012. V. 539. P. 168-173.

73. Рохлин Jl.JT. Исследования магниевых и алюминиевых сплавов, содержащих редкоземельные металлы, в институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН // Цветные металлы. 2011. № 5. С. 7477.

74. Рохлин Л.Л., Бочвар Н.Р., Суханов А.В., Леонова Н.П. Исследование кинетики распада пересыщенного твердого раствора в сплавах Al-Mg2Si с добавками скандия, циркония и гафния // Металлы. 2014. № 2. С. 67-72.

75. Рохлин Л.Л., Никитина Н.И., Волченкова В.А. Исследование богатых магнием сплавов Mg-A12Ca // Металлы. 2006. № 2. С. 140-108.

76. Рохлин Л.Л., Добаткина Т.В., Никитина Н.И., Тарытина И.Е. Магниевые сплавы, легированные кальцием //МиТОМ. 2009. №4. С. 14-19.

77. Рохлин Л.Л., Никитина Н.И. Влияние кальция на свойства сплавов системы Mg - А1 // МиТОМ. 2003. № 5. С. 14-17.

78. Дриц A.M., Рохлин J1.JT., Добаткина Т.В., Никитина Н.И., Тарытина И.Е. Исследование влияния дополнительного легирования на окисляемость при нагреве сплавов алюминия с магнием // Цветные металлы. 2011. №6. С. 67—71.

79. Серебряный В.Н, Куртасов С.Ф., Литвинович М.А. «Изучение ошибок ФРО при обращении полюсных фигур с использованием статистического метода гребневых оценок» // Заводская лаборатория. 2007. Т. 73, №4, С. 29-35.

80. Аверкиев А.Ю. Методы оценки штампуемости листового металла // М.: Машиностроение. 1975. с. 175.

81. Антонов A.A., Овчинников В.В. Диагностика и ремонт кузовов, деталей двигателя и трансмиссии автомобиля. М.: МГИУ. 2007. 223 с.

82. Овчинников В.В. Основы теории сварки и резки металлов. М.: КНОРУС. 2011.248 с.

83. Овчинников В.В. Технология сварки алюминиевых сплавов. М.: МГИУ. 2005. 120 с.

84. Овчинников В.В. Справочник сварщика. М.: КНОРУС. 2013. 272 с.

85. Овчинников В.В., Гуреева М.А. Современные материалы для сварных конструкций. М.: Издательский центр «Академия». 2013. 304 с.

86. Овчинников В.В. Современные виды сварки. М.: Издательский центр «Академия». 2011. 208 с.

87. Наукоемкие технологии в машиностроении / Монография под ред. Суслова А.Г. М.: Машиностроение. 2012. 528 с.

88. Рязанцев В.И., Филатов Ю.А., Игнатьев Ю.Е. О выборе присадочной проволоки для дуговой сварки алюминиевых сплавов системы Al-Mg и Al-Cu // Авиационная промышленность. 2003. №2. С. 43-45.

89. Овчинников В.В. Сварка и резка деталей из различных сталей, цветных металлов и их сплавов, чугунов во всех пространственных положениях. М.: Издательский центр «Академия». 2014. 304 с.

90. Рязанцев В.И., Мацнев В.Н. Высококачественные полуфабрикаты -основа самолетных сварных конструкций // Авиационная промышленность. 2000. №4. С. 31-36.

91. Братухин А.Г. Создание неразъемных соединений стальных самолетов высокого качества//Авиационная промышленность. 2003. №1. С. 3-12.

92. Рязанцев В.И., Мацнев В.Н. Конецепция сборки-сварки цельносварного пассажирского самолета из алюминиевых сплавов // Авиационная промышленность. 1999. №2. С. 5-9.

93. Жуков М.Б. Развитие технологических методов и средств повышения точности изготовления сварных конструкций летательных аппаратов // Авиационная промышленность. 2000. №3. С. 50-54.

94. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия. 1978. 392 с.

95. Новиков И.И., Золоторевский B.C. и др. Металловедение: Учебник. В 2-х т. М.: МИСиС. 2009. Т. II. 528 с.

96. Балахонцев Г.А., Барбанель Р.И., Буданов В.М. и др. Алюминиевые сплавы. Производство полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Справочник М.: Металлургия. 1971. 496 с.

97. Колобнев И.Ф. Термическая обработка алюминиевых сплавов. М.: Металлургиздат. 1961. 413 с.

98. Takeda Н., Hibino A., Takata К. Влияние кристаллической ориентации на способность к гибке Al-Mg-Si сплавов. // Journal of Japan Institute of light metals. 2010. V. 60, №5, P. 231-236.

99. Овчинников B.B. Дефекты сварных соединений. М.: Издательский центр «Академия», 2008. 282 с.

100. Овчинников В.В. Контроль качества сварных соединений. М.: Издательский центр «Академия». 2009. 312 с.

101. Жуков М.Б. Восстановление герметичности сварных конструкций в изделиях авиационной техники // Авиационная промышленность. 2000. №2. С. 23-25.

102. Рязанцев В.И., Мацнев В.Н., Герасименко A.B. Сварной бак-кессон из алюминиевых сплавов. // Авиационная промышленность. 2000. №2. С. 18-21.