Феноменология качества материала поковок из алюминиевых сплавов системы «алюминий — магний»

Язык труда и переводы:
УДК:
621.73
Дата публикации:
17 января 2022, 16:56
Категория:
Секция 11. Наукоемкие технологии в ракетно-космической технике
Аннотация:
Рассмотрена феноменология оценки качества и допустимой поврежденности материала поковок из алюминиевых сплавов системы «алюминий — магний». В качестве критериев приведены показатели твердости, разрыхления материала поковки и количественного содержания в нем интерметаллических фаз. Показано влияние на эти параметры температуры и величины накопленной в материале поковки деформации. Цель исследования — предоставить численное обоснование параметров деформации, обеспечивающей вакуумную плотность материалов поковок из алюминиевых сплавов системы «алюминий — магний».
Ключевые слова:
поковки, алюминиевый сплав, вакуумная плотность, разрыхление материала, интерметаллические фазы
Основной текст труда

Изготовление деталей и узлов с повышенными требованиями к эксплуатации, таких как части корпусов микросборок [1], требует обоснованного выделения и численной увязки между собой различных критериев и свойств их материала. Для правильной постановки и решения этой сложной задачи методологически необходимо использовать феноменологический и критериальный подходы [2]. Например, опыт показывает, что частой причиной выхода из строя изделий микроминиатюризации, является нарушение вакуумной плотности их корпусов, обычно выполняемых из алюминиевых сплавов системы «алюминий — магний» (АМг). Одним из определяющих вакуумную плотность изделий из этих сплавов факторов, является состав, количество и характер распределения в их материале интерметаллических фаз [1].

Для удобства работы с данным показателем его предлагается формализовать в виде аббревиатуры КСИФ — количественного содержания интерметаллидных фаз. Вводя в оборот этот критериальный показатель, можно феноменологически связать его с рассчетными показателями деформационных процессов, с одной стороны, и с металлографическими и специальными характеристиками материала, с другой.

Открывается возможность численно связать КСИФ и вакуумную плотность материала поковок, уже на основе критериального подхода, с основными параметрами технологических воздействий, которые он претерпел. Анализируя, например, сплав АМг6, следует особенно выделить соединения Mg2Al3 и Mg5Al8 [3], особенностью которых является то, что они образуются из основных химических компонентов сплава. Это значит, с одной стороны, что ресурс материала для их формирования почти не ограничен, а с другой, что само их формирование слабо связано с химической чистотой металлического материала.

Не углубляясь в природу микрохимического взаимодействия интерметаллических фаз с окружающей их матрицей [4], следует отметить известную связь между процессами поро- и трещинообразования: при встрече включения или иного препятствия, микротрещины затупляются и превращаются в стабильные микропоры [5]. Они и заполняются образующимися в материале интерметаллическими фазами, усугубляя процесс разрушения. Это обстоятельство дает основания для принятия такого приближения, как равенство величины разрыхления и КСИФ в материале поковок из сплавов группы АМг. Указанное приближение позволяет увязать полученные опытные данные по зависимости КСИФ от параметров деформационных и температурных воздействий на материал поковок из алюминиево-магниевых сплавов, и богатый экспериментальный материал теории разрушения металлов.

Анализ металлографии опытных поковок и определение количества содержащихся в их материале интерметаллических фаз производился по стандартной методике в ГОСТ 21073.4–75 «Межгосударственный стандарт металлы цветные. Определение величины зерна планиметрическим методом», расчет параметров деформации осуществлялся с использованием конечноэлементного программного продукта QForm [6]. Исходным материалом, согласно ГОСТ 21488–97 «Прутки прессованные из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия», для изготовления опытных поковок служили прессованные прутки. Применялся насосно-аккумуляторный гидравлический пресс с максимальным усилием 50 МН при скорости перемещения подвижной траверсы 20…30 мм/с.

Математическое моделирование показало, что для получения качественных поковок целесообразен нагрев заготовок до температуры не более 320 °С. В этом случае характерная температура материала поковок составляет 370...400 °С. Столь узкий интервал позволяет рассматривать зависимость твердости материала от КСИФ как функцию одной переменной, приняв температуру материала поковки за константу.

Обработка результатов исследований позволила определить эту зависимость как экспоненциальную часть полинома, которая может быть сведена к уравнению вида:

  \mathrm {HV} =\mathrm {C} _{1}\cdot \mathrm {e} ^{-\mathrm {C} _{2}}{}^{\varepsilon },(1)

где HV — твердость, МПа; е — экспонента; є’ — накопленная материалом поковки логарифмическая деформация; С1, С2 — константы, зависящие от суммы характеристик материала заготовки и параметров его деформации в контрольной точке.

С другой стороны, на основании обработки опытных данных установлено, что зависимость твёрдости материала поковок от КСИФ может быть отображена так:

 

  \mathrm {HV} =-\mathrm {C} _{1}\ln \left(\mathrm {C} _{\text{исх }}+\mathrm {KC} {\text{ ИФ }}_{\text{деф }}\right)+\mathrm {C} _{2},(2)

где HV — твердость материала, МПа; Сисх —  исходное содержание интерметаллической фазы в заготовке; КСИФдеф —  достигнутое КСИФ в материале поковки; С1, С2 — константы, аналогичные приведенным в выражении (2).

Это значит, что для рекомендованного интервала накопленных материалом поковок деформаций, его твердость с ростом КСИФ, уменьшается экспоненциально, а последний показатель, в целом обратно,  возрастает по логарифмической зависимости, с увеличением значений накопленных материалом деформаций.

Обработка результатов ряда проведенных на поковках типовых конфигураций исследований позволила установить, что образования не залечиваемых отжигом материала поковок дефектов в виде пор и расслоений можно избежать, ограничивая величину накопленных деформаций интервалом не менее 0,4…0,5 и не более 2,8…3,2 логарифмических единиц. То есть в этом интервале КСИФ не превышает критического с позиции обеспечения вакуумной плотности материала уровня.

Для численной формализации специальных свойств материала поковок предложен и использован в расчетах показатель количественного содержания в материале интерметаллидных фаз — КСИФ. С ипользованием феноменологического подхода, выявлены и формализованы в виде формул зависимости твердости материала поковок из сплавов группы АМг от величины накопленной им деформации, (1) и количественного содержания в материале интерметаллических фаз (2).

Установлено, деформация на гидравлических прессах с нагрева до 320 °С заготовок из сплавов группы АМг в интервале от 0,4…0,5 до 2,8…3,2 логарифмических единиц обеспечивает вакуумную плотность их материала, достаточную для изготовления корпусов микросборок.

Литература
  1. Головкин П.А. Повышение качества корпусов микросборок электронных СВЧ- приборов с использованием ковочных операций // Технология машиностроения. 2020. № 9. С. 5–7.
  2. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования эксперимента. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. 304 с.
  3. Петров А.П. Головкин П.А. Режимы горячей деформации и технологичность сплавов систем Al-Mg и Al-Mg-Sc // Перспективные технологии легких и специальных сплавов. К 100-летию со дня рождения акад. А.Ф. Белова: сб. статей. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. С. 213–221.
  4. Чапкова Ю.В. Оценка влияния размеров зон Гинье — Престона на упрочнение алюминиевого сплава // Известия ТГУ. Технические науки. 2004. № 11. С. 138–141.
  5. Богатов А.А, Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности при обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1984. 144 с.
  6. Стебунов С.А., Биба Н.В. QForm — программа, созданная для технологов // Кузнечно-штамповочное производство. 2004. № 9. С. 38–43.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.