Микроструктурные особенности строения поверхности утяжины в прессованном прутке из алюминиевого сплава АК4-1

Микроструктурные особенности строения поверхности утяжины в прессованном прутке

из алюминиевого сплава АК4-1

Введение

Прессованные прутки из сплава АК4-1 часто используют как исходный материал для из­готовления путем механической обработки деталей различных агрегатов, работающих при тем­пературах выше 100 °С. Для изготовления прут­ков применяют как прямое, так и обратное прессо­вание в зависимости от назначения материала и необходимости регламентирования его зеренной структуры. При прямом прессовании алюми­ниевых сплавов на заднем конце готового изделия формируется утяжина, возникающая из-за нерав­номерной деформации слитка в контейнере пресса и опережающего истечения центральных объемов слитка. Образование утяжины сопровождается по­паданием в объем прессуемого изделия поверхно­стных объемов слитка и загрязненного металла из ру­башки контейнера и заднего объема слитка у пресс-шайбы.

Рис. 1. Схема образования боковой пресс-утяжины в области пресс-шайбы при прессовании без смазки с прямым истечением металла:

а — установившаяся стадия прессования; б — начало образования боковой утяжины на конечной стадии прессования.

Прессуемое изделие (1); центральный объем слитка (2); внедряемый в пруток объем, содержащий поверхност­ные слои исходного слитка (3)

Различают два типа утяжин, формирующихся в полуфабрикатах из алюминиевых сплавов: распо­ложенные по оси прессуемого изделия утяжины пер­вого вида (воронкообразные и центральные) и утя­жины второго вида, расположенные в объеме между внутренней границей потенциальной зоны ободка и периферией изделия. Утяжиной вто­рого вида называют расслоение, связанное с вне­дрением поверхностного слоя слитка из образую­щегося в зоне стыка контейнера и пресс-шайбы объема в поперечное сечение прутка согласно схеме, приведенной на рис. 1. Вследствие неодинакового распреде­ления механических сил связи слитка с поверхно­стью контейнера в разных зонах по его окружности, образование утяжины второго вида происходит не­равномерно и она располагается по сечению слитка несимметрично.

При таком понимании рассматриваемого явления утяжиной второго вида считается поверхность вне­дряемого объема, которая загрязнена окислами ме­талла и, возможно, неметаллическими частицами, наследуемыми из смазки или других загрязнений поверхности слитка и прессовой наладки. Повы­шенное содержание окисных плен и других возмож­ных загрязнений на поверхности внедряемых в тело полуфабриката объемов приводит к появлению ви­димой на макрошлифах границы раздела между вне­дренным и основным объемами готового изделия, т. е. собственно утяжины, в которой часто наблюдают­ся расслоения. Эта граница нарушает сплош­ность изделий, и ее наличие в структуре является браковочным признаком. В связи с этим прессован­ный пруток подвергают обрезке с полным удалени­ем фрагмента, в котором содержится утяжина. При недостаточной обрезке полуфабриката в нем могут оставаться структурные компоненты, свойственные глубинным окончаниям утяжины.

В справочном материале, содержащем описание утяжин первого и второго вида в алюминиевых спла­вах, приводятся их изображения на поперечных или продольных макротемплетах, характеризующие на­блюдаемые макроскопические особенности строения структуры, видимые невооруженным глазом. Микроскопические же особенности строения утяжи­ны как границы раздела между внедренным объемом и основным объемом полуфабриката, видимые при большем увеличении, отсутствуют. В данной статье приведены результаты исследования микроструктуры выявленного дефекта в прессованном прутке из спла­ва АК4-1, образование которого можно связать с на­личием утяжины второго вида.

Материал для исследований

Исследовали закаленную и ме­ханически обработанную заготов­ку из прессованного прутка д иам, 11 О мм. Расположение элементов структурной неоднородности (об­наруженных после травления по­верхности 20 % раствором NaOH с последующим осветлением азот­ной кислотой) в поперечном се­чении прессованного прутка пред­ставлено на рис. 2. Они находятся в одной области на близком рас­стоянии от его поверхности. Выяв­ляются явный дефект структуры 1 в виде замкнутой овальной растравленной границы между светлым внутренним объемом и сильнее травящейся окружающей зоной на фоне светлой поверхно­сти всего сечения прутка, а также локальный участок 2, выделяю­щийся из-за более интенсивного травления на фоне поверхности темплета. Аналогичная аномаль­ная структура наблюдается и на расстоянии 42 мм от первоначапъ­ного сечения, При этом для дефек­та 1 сохраняется конфигурация травленой области за пределами овала, но происходит заметное увеличение поперечных размеров овапа с 2,3х6, 7 до 2, 7х7, 7 мм, веро­ятно, по направлению к угяжин­ному концу полуфабриката. Наи­большая ось овала расположена в хордовом направлении по дуге ок­ружности на расстоянии 23 мм от поверхности прутка.

Таким образом, наблюдаемые элементы структурной неодно­родиости являются объемными образованиями и обладают суще­ственной протяженностью в про­дольном направлении исходного прутка.

Рис. 2. Виды структурной неоднородности двух поперечных сечений (а, б) прессованного прутка, обнаружен­ные после слабого травления для выявления макроструктуры, рас­стояние между плоскостями 42 мм.

Рис. 3. Рентгенограмма прутка сплава АК4-1 на просвет в Мо-излучснии

Рис. 4. Общий вид дефекта 1.

Травление в 0,5 % нг, x12,5. Стрел­ка в направлении центра прутка

Рис. 5. Микроструктура прутка в попереч­ной плоскости внутри овала в де­фекте 1.

Анодное оксидирование, съемка при обычном освещении, х200

Структура и свойства исходного прутка

Результаты исследования не­которых характеристик материа­ла в бездефектной области прут­ка приведены ниже. Они показали следующее.

Состав сплава в % (мас.) по результатам химического анали­за (А1; 2,23 Си; 1,41 Mg; 1,03 Fe; 1,28 Ni; 0,16 Si) соответствует сплаву АК4-1. Твердость ИВ, из­меренная на поперечной плос­кости в области расположения дефектов при нагрузке 250 кг и диамстре шарика 5 мм, равна 120 единицам. Удельная электропро­водимость, определенная мето­дом вихревых токов на попереч­ной плоскости прутка прибором ВЭ-20Н с комплектом эталонов, равна 22,8 МСм/м. Эти значения соответствуют искусственно со­старенному состоянию данного сплава. Рентгенограмма материа­ла, полученная на просвет в Мо-излучении, показывает наличие рекристаллизованной структуры с относительно мелким зерном - рис. 3. Микроструктурный анализ в поляризованном свете после оксидирования электропо­лированного шлифа подтвержда­ет наличие рекристаллизованной структуры полуфабриката С вели­чиной зерна <200 мкм, что не по­зволяет наблюдать его невоору­женным глазом.

В микроструктуре после трав­ления в 0,5% водном растворе НF согласно известным данным и фактическому химическому со­ставу сплава выявляется большое количество окрашиваемых в свет­ло-коричневые цвета равномер­но распределенных включений фазы Al9FeNi; малое количество более светлых включений фазы АI6СuзNi и темных округлых включений фазы Mg2Si. Точеч­ный метод количественной металлографии показал, что в струк­туре содержится ~7 % (об.) всех избыточных фаз, это типично для сплава АК4-1 среднего состава.

Таким образом, исходный ма­териал вне области расположения дефектов имеет структуру и удель­ную электропроводимость, соот­ветствующие закаленному и ис­кусственно состаренному сплаву АК4-1 (состояние Т1).

Исследование структуры наблюдаемых дефектов

Дефект 1. Уже небольшое уве­личение выявляет наиболее ха­ракгерные детали строения дефек­та 1: зубчатую форму боковых сторон овала и слоистый матери­ал вокруг светлой области внутри овала - рис. 4. При этом перпен­дикулярные радиусу прутка сто­роны овала имеют гладкую гра­ницу с окружаюшим объемом. По отдельным участкам границы про­ходят тонкие расслоения.

Рис. 6. Структура в области зубчатой гра­ницы дефекта 1 (травление в 0,5 % водном растворе HF, х200):

I - объем внутри овала; II - внеш­ний объем

Микрорентгеноспектральный анализ (МРСА) участков шлифа площадью 1х1 мм внутри овала и в светлой области основного металла за его предела­ми показал одинаковый состав сплава. Внутренний объем овала после травления на фазы и выявления зерна путем анодного оксидирования имеет микро­структуру, представленную на рис. 5, практически идентичную структуре прутка вне области располо­жения дефекта. Таким образом, внутренний объем дефекта 1 не является запрессовкой макровключения другого сплава.

Область зубчатой границы имеет ряд особенно­стей. Сама граница образована скоплениями мелких частиц, причем в вершине зубцов находятся их сгуще­ния и расположены более крупные частицы - рис. 6. С разных сторон зубчатой границы величина зерна изменяется. Внутри овала к границе примыкают зер­на величиной -100 мкм. СО стороны внешнего объе­ма область зубцов содержит большое количество вклю­чений и занята чрезвычайно мелким зерном величиной -[О мкм.

Наблюдаемая зубчатая граница сохраняет свою конфигурацию по длине полуфабриката, это видно при последовательном изготовлении параллельных шлифов, что свидетельствует о ее стабильности.

МРСА образующих зубчатую границу мелких час­тиц на приборе JXA733 Supeгproba показывает в них (по сравнению с матрицей) только увеличенное содержа­ние магния. Это позволяет предположить, что основной составляющей границы являются вклю­чения оксидов Mg и Al.

Рис. 7. Изображение структуры темной области вокруг овала во вторичных электронах

Темная область с внешней стороны дефекта 1 (во­круг овала), по данным МРСА на площади 1х1 мм, содержит по сравнению с основным объемом метал­ла вне области дефекта большее количество Си, Mg и Si. Изображение структуры этой области во вторичных электронах представлено на рис. 7. Появление темной области вокруг овала обусловлено присутствием в ней как большого коли­чества округлых включений фазы Mg2Si, так и выде­лившихся из твердого раствора очень мелких частиц неизвестного состава с высокой плотностью распре­деления. Наличие этих сильно травящихся частиц приводит к потемнению поверхности шлифа. Вокруг овала наблюдается чередование областей с перемен­ным содержанием включений, что приводит к появ­лению полосчагой структуры травленого объема вне овала. Общее количество видимых включений избы­точных фаз величиной >1 мкм, в том числе темной фазы Mg2Si, при этом существенно увеличивается (до 9,5 % (об.)).

Травленный участок 2. Исследование микрострук­туры в этой области показывает, что интенсивное травление обусловлено такими же причинами, как и для участка вокруг дефекта 1, поскольку в зоне трав­ления наблюдается увеличенное количество избы­точных фаз, в том числе округлых включений фазы Mg2Si и очень мелких темных частиц. Полосчатый ха­рактер травления связан с полосчатым распределени­ем этих частиц.

Механизм формирования наблюдаемой структурной неоднородности в утяжинной области прутка

Обнаруженные дефекты по характеру расположе­ния в поперечном сечении прутка соответствуют при­веденной на рис. 1. схеме обра­зования боковой утяжины при прямом прессовании алюминиевых сплавов. Можно принять, что исследуе­мая заготовка изготовлена из той части прутка, которая сформировалась при начальном проникновении боко­вого объема деформированного слитка, образовавшего­ся у пресс-шайбы из поверхностных слоев исходного слитка, в соответствующие объемы прессуемого прут­ка. При этом дефект 1 образован наиболее быстро воз­никшим и дальше всего внедренным в объем прутка «языком» боковой утяжины, который по глубине про­никновения обгоняет остальные симметрично располо­женные части утяжины. О их возможном появлении свидетельствуют предшествующие элементы структуры, наблюдаемые в виде участка интенсивного травления 2, который по структуре соответствует области неодно­родного травления вокруг овала дефекта 1.

Наличие зоны, обогащенной травящимися вклю­чениями избыточных фаз, и появление зубчатой гра­ницы могут быть объяснены особенностями течения металла при формировании боковой утяжины.

Поверхностный слой слитка полунепрерывного литья из алюминиевых сплавов из-за обратной зо­нальной ликвации обогащается основными леги­рующими компонентами (в случае сплава АК4-1 ме­дью, магнием и кремнием). В связи с этим объем деформируемого слитка, формирующийся из этого слоя у пресс-шайбы, должен содержать большое ко­личество избыточных фаз. Возможно, формирова­ние боковой утяжины (см. рис. 1) сопровождается более сложным течением металла с появлением ло­кальных завихрений из примыкающей внутренней области слитка (без ликвационного обогащения), которые проникают во внедряемый объем металла согласно схеме, представленной на рис. 8 и являю­щейся развитием схемы с рис. 1. Этот процесс из-за местных неоднородностей сил трения не может ид­ти равномерно по всему поверхностному объему прессуемой заготовки, что приводит к появлению опережающих «языков». При таком механизме вне­дряемый в поперечное сечение прутка конический объем должен состоять из двух слоев: внутреннего со структурой нормального металла и внешнего с повышенным количеством включений.