ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРШНЕВОГО ЗАЭВТЕКТИЧЕСКОГО СИЛУМИНА

При производстве деталей из деформируемых сплавов одной из ответственн ых технологических операций является получение деформируемой заготовки или полуфабриката. Особую актуальность приобретает этот процесс при работе с малопластичными или недеформируемыми сплавами, в том числе заэвтектическими силуминами и чугунами. Зачастую для получения качественной деформированной заготовки или детали применяют термоциклическую обработку (ТЦО) и деформационную термоциклическую обработку (ДТЦО) [2-3,7,9-10]. Кроме того, разработанные в настоящее время режимы ТЦО и ДТЦО с успехом используются для  улучшения механических, физических и других свойств различных материалов [3,5,6,8]. Поэтому целью работы является выбор вида деформации и оптимизация технологических параметров процесса деформирования слитков полунепрерывного литья из поршневого заэвтектического силумина для группы оборудования ОАО «СМК» (г. Ступино), используемой для изготовления и обработки промышленных поршней.

Металлографические исследования структуры слитков, заготовок и деформируемых полуфабрикатов проводили на оптических микроскопах ММУ-3 и ЛабоМет–И1. Механические свойства определяли по ГОСТ 1497-84 на цилиндрических образцах с диаметром рабочей части 6 мм. Для измерения твердости образцов использовали прибор ТШ-2Б.

Основой поршневого заэвтектического силумина являлась система Al-(18-20) % Si, легированная медью – 0,6-1,0 %, магнием – 0,5-1,0 %, марганцем – 0,8-1,0 %. Для модифицирования структуры слитков использовали обработку расплава смесью, включающей фосфористую медь, борную кислоту и оксиды железа (III) и никеля (III) [4]. Диаметр слитка составлял 165 мм, а его длина после обрезки головной и донной частей 500÷700 мм.

В процессе отработки технологии деформации силуминовых слитков были определены интервалы максимальной пластичности для литого и деформированного состояний, кото рые составили 500°С и 450°С соответственно. Причем после деформации силумина (ковка, прессование) температурный диапазон максимальной пластичности существенно расширяется [1,9]. Поэтому была выбрана технология получения поршневой заготовки с использованием  метода объемной штамповки на гидравлическом прессе с предварительной термоциклической осадкой слитков. Был определен наиболее рациональный диаметр контейнера под прессование – 300 мм.

Для определения предельной степени деформации при осадке поршневого заэ втектического силумина из слитка были изготовлены образцы диаметром 25÷30 мм и длиной 75 мм (соотношение длины образца к диаметру составляет 2,5÷3). Образцы нагревали до температур 370-500 °С, выдерживали 3 часа и осаживали при этой температуре на вертикальном гидравлическом прессе усилием 1,25 МН до появления первой трещины по бочке. Было установлено, что предельная степень деформации для литого и гомогенизированного образца из легированного заэвтектического силумина составляет  10÷15 % и зависит от температуры осадки. Для предварительно деформированного сплава она может достигать 35 %.

С      учетом       полученных     результатов      был      разработаны     термокинетические      параметры термоциклической осадки опытных слитков. Перед термоциклической осадкой заготовки, полученные из слитков, нагревали и выдерживали в печи сопротивления в течение 4-х часов при температуре 480-500 °С. Цель этой выдержки – гомогенизация структуры литого силумина, повышение пластичности слитков и их полный прогрев. Осадку проводили на вертикальном гидравлическом прессе усилием 90 МН. После деформации в каждом цикле  проводили подогрев заготовки до температуры осадки и выдержку в течение 1 ч для снятия наклепа. Для данного химического состава и диаметра слитков количество циклов осадки находится в пределах 4-5 в зависимости от длины слитка. Степень относительного сжатия и размеры заготовки по циклам при осадке слитков из поршневого заэвтектического силумина приведены в таблице 1. Температура нагрева в цикле составляла 480-500 °С, степень обжатия в первом цикле – не более 15 %, для каждого типоразмера слитка она показана в таблице 1, и равна 10÷13 %. Суммарная степень относительного сжатия для каждого типоразмера слитков составляла 53÷60 %, а диаметр конечной заготовки после всего процесса термоциклической осадки – 275 ÷ 285 мм (см. таблица 1).

Таблица 1 – Степень относительного сжатия и размеры заготовок по циклам при осадке слитков диаметром 165 мм из поршневого заэвтектического силумина

Продолжение таблицы 1

После проведения термоциклической осадки заготовки из поршневого силумина были успешно пропрессованы на пруток диаметром 100 мм на горизонтальном гидравлическом прессе усилием 70 МН с контейнером 300 мм прямым способом по следующему режиму: скорость прессования – 0,05÷0,1 м/мин; температура прессования – 440÷450 °С; время выдержки при температуре перед прессованием – 4 ч. Коэффициент вытяжки составлял –9.

Исследование микроструктуры слитков литья, осаженных заготовок и прессованных прутков из поршневого заэвтектического силумина показало, что с увеличением степени деформации при горячей обработке давлением происходит измельчение кристаллов первичного кремния, увеличение объемной доли α-твердого раствора алюминия за счет снижения количества эвтектической составляющей, которая приобретает глобулярное строение. Определение механических свойств образцов из опытного сплава в литом состоянии, после осадки и прессования приведены в таблице 2 и находятся в соответствии с изменениями микроструктуры заготовок. Видно, что обработка давлением заэвтектических силуминов повышает их механические характеристики тем в большей мере, чем выше суммарная степень деформации заготовки. Так, прессованный полуфабрикат из поршневого заэвтектического силумина имеет значение временного сопротивления разрыву на 40 % выше, чем у слитка полунепрерывного литья.

Таблица   2 – Влияние горячей деформации на механические свойства поршневого заэвтектического силумина

Таким образом, показана возможность прессования слитков полунепрерывного литья диаметром более 150 мм из поршневого  заэвтектического силумина за счет использования предварительной термоциклической осадки и рационального подбора режима деформации. Увеличе ние суммарной степени пластической деформации приводит к повышению механических  характеристик  поршневых заэвтектических силуминов (σВ, δ).

Список литературы

1.       Федюкин В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин/. – Л.: Машиностроение, 1989.– 255 с.

2.        Прудников А.Н. Комплексное воздействие отжигов и термоциклической ковки на структуру и свойства заэвтектических силуминов // Деформация и разрушение материалов.– 2014.– № 2.–С.14 - 20.

3. Prudnikov A.N., Prudnikov V.A Hardening  low carbon steel 10 by  using  of thermalcyclic deformation and subseauent heat treatment // Materials science. Noneguilibrium pahse transformations . – 2016. – №4. – pp. 10-13.

4.         Прудников А.Н. Структурно-технологические основы разработки прецизионных силуминов с регламентированным содержанием водорода / Автореферат диссертации на  соискание ученой степени доктора технических наук: 05.16.09 / НГТУ, Новосибирск, 2013. – 40 с.

5.            Прудников А.Н. Структура и свойства жаропрочного силуминового поршня с высоким содержанием кремния// Изв. ВУЗов. Черная металлургия.– 2009.– № 8.– 28-30.

6.        Прудников А.Н. Прудников В.А Влияние термоциклической ковки и последующего отжига на коэрцитивную силу и линейное расширение стали 10 // Актуальные проблемы в машиностроении: – 2016.– № 3.– С. 451-456.

7.        Prudnikov A.N. Deformable heatproof transeutectic silumin for pistons// A.N. Prudnikov // Steel in Translation. – 2009. – T. 39. – № 6. – С.456-459.

8.              Прудников   А.Н.  Поршневые   деформируемые   заэвтектические   силумины   //   Технология металлов.– 2014.– № 2.– С. 8 - 11.

9.         Прудников А.Н. Исследование комплексного модифицирования заэвтектических силуминов с содержанием кремния 20…30 % фосфидами и оксидами некоторых металлов // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия.– 1995.– № 2.–С. 38-41.

10.  Афанасьев  К.В.,  Прудников  А.Н.,  Перетятько  В.Н.  Оценка  пластичности  и  сопротивления деформации заэвтектического поршневого силумина // Изв. ВУЗов. Цветная металлургия.– 2003.– № 2.– С. 23-25.