Статьи

Представлен обзор научно-технической литературы, посвященной исследованию закалочной чувствительности деформируемых термически упрочняемых алюминиевых сплавов системы Al–Mg–Si (серия 6ХХХ). Проведен анализ современного состояния и последних достижений в данной области исследований. Рассмотрены факторы, влияющие на закалочную чувствительность данных сплавов. Изложены некоторые аспекты влияния пониженной скорости закалки на процесс старения и свойства материала. Выявлено, что важной тенденцией при изучении фазовых превращений сплавов серии 6ХХХ является применение дифференциальной сканирующей калориметрии и математического моделирования.

В настоящее время задача увеличения объемов применения литейных магниевых сплавов в перспективных изделиях авиакосмической и военной техники является актуальной. К механическим, коррозионным и технологическим характеристикам, а также условиям эксплуатации деталей из магниевых сплавов предъявляют высокие требования. Основной задачей технологов, разрабатывающих материалы и технологии производства сплавов системы Mg–Al–Zn–Mn, является получение сплавов с равноосной тонкодисперсной структурой, обеспечивающей высокий уровень свойств отливок и деталей.

Исследованы структура, твердость и триботехнические характеристики электроискрового покрытия на основе высокоазотистой конструкционной стали системы легирования Fe–C–Cr–Mn–Mo–Ni–V. Установлено, что предельная толщина покрытия на основе стали составляет 34,5 мкм. При этом в процессе нанесения снижается концентрация азота в самом покрытии. Наилучшей износостойкостью обладают образцы с однослойным покрытием толщиной 18 мкм. Нанесение покрытия способствует увеличению износостойкости стали 30ХГСН2А более чем в 3 раза.

Представлены результаты исследований шести сплавов системы Al-Ca-Zn-Mg с добавками меди, марганца, железа и кремния с целью моделирования состава сплава, приготовленного на основе вторичного алюминия. Сплавы изготавливались в виде слитков размером 140×200×20 мм, которые подвергали последующей деформационной обработке методом горячей прокатки с толщины 20 мм до толщины 1 мм, а затем получали холоднокатаные листы толщиной 0,5 мм. Также изготавливался слиток цилиндрической формы диаметром 40 мм и длиной 200 мм, из которого получали прутки диаметром 14 мм методом радиально-сдвиговой прокатки. Горячую деформационную обработку слитков проводили при температуре 450°С без предварительного гомогенизационного отжига. Литые и деформированные образцы исследовали с помощью оптической и сканирующей электронной микроскопии. В микроструктуре образцов не было обнаружено грубых игольчатых частиц железо- и кремнийсодержащих фаз, а также каких-либо других грубых интерметаллидов, несмотря на высокое содержание примесей. Проведены механические испытания методом одноосного растяжения деформированных полуфабрикатов, которые не подвергались дополнительной упрочняющей термической обработке. По результатам испытаний был выбран сплав оптимального состава. Установлена возможность получения изделий из высокопрочного и высокотехнологичного алюминиево-кальциевого сплава на основе вторичного сырья без использования гомогенизации и закалки.

Изучено влияние режимов отжига холоднокатаной ленты из сплавов 1580 и 1590 на формирование в них зеренной структуры и механических свойств. Сплав 1590 отличается от 1580 наличием гафниевых, эрбиевых добавок. Образцы из этих сплавов получали литьём в стальной кокиль, после чего проводили их гомогенизацию при температуре 440°С в течение 4 часов. Затем образцы отправлялись на горячую прокатку при температуре 440°С, следом проводилась холодная прокатка до 2 мм, суммарный процент обжатия при которой был равен 66%. Холоднокатаную ленту отжигали в температурных интервалах от 330 до 440°С с выдержкой в 1 час. В гомогенизированном состоянии с помощью просвечивающей микроскопии исследовались размеры и морфология упрочняющих наночастиц Al3Sc. В холоднокатаном и отожженном состоянии определялись механические свойства и зеренная структура. В ходе гомогенизирующего отжига в сплаве 1590 образуются более мелкодисперсные упрочняющие наночастицы, чем в сплаве 1580. Такие особенности микроструктуры можно объяснить наличием эрбия, способствующего формированию дополнительных зародышей наночастиц типа Al3Sc, и гафния, препятствующего их дальнейшему росту. В обоих сплавах после холодной прокатки и заключительных отжигов выявлена нерекристаллизованная структура. Механические свойства лучше у сплава 1590 вне зависимости от температуры отжига, что объясняется большим количеством и меньшими размерами упрочняющих наночастиц.

При разработке технических требований к сплавам важно применять комплексный подход. Сочетая аналитическое и имитационное моделирование, можно уменьшить технологические риски на этапе создания или изменения требований. Реализация данного подхода напрямую зависит от степени учета всех факторов, включенных в модели, а также от их влияния на изменчивость характеристик. Однако известные модели не дают удовлетворительной сходимости с реальными промышленными сплавами. На примере сложнолегированной латуни ЛМцАЖКС (CuZn13Mn8Al5Si2Fe1Pb) предложен подход, позволяющий описать изменчивость структурного состояния многокомпонентных латуней. Анализ статистических данных химического состава и микроструктуры промышленных партий позволил установить, что матричный раствор сплава представляет собой (a+β)-латунь и соответствует соотношению фаз при 700 °C на политермическом псевдобинарном разрезе диаграммы Cu–Zn–Mn5Si3. Методами рентгеноспектрального анализа исследовано распределение легирующих элементов в основных фазах. Подтверждена полная связанность железа в силицидах и равномерное распределение марганца в горячепрессованном состоянии. Предложен расчет доли кремния, входящего в твердый раствор. Измеренная плотность сплава составляет 7650 кг/м3, расчетная плотность матричного раствора – 8100 кг/м3. На основании уточненных параметров универсальной модели методом Монте-Карло оценили изменчивость микроструктуры в зависимости от требований к химическому составу. Причиной нестабильноости технологических свойств является значительная изменчивость соотношения a- и β-фаз. Содержание a-фазы в сплаве изменяется от 37,5 до 66,5 %, β-фазы – от 17,5 до 55,2 %. Имитационная модель, разработанная в рамках исследования, предоставляет возможность не только анализировать существующие сплавы, но и предсказывать поведение новых сплавов, что является критически важным для оптимизации технологических процессов и улучшения эксплуатационных свойств материалов.

Представлен новый способ равноканального углового прессования (РКУП) с использованием мощных ультразвуковых колебаний (УЗК). Разработано оригинальное устройство ультразвукового РКУП, в котором волновод с матрицей выполнены как единое целое, а элементы крепления волновода расположены в узловой плоскости механических смещений стоячей волны, возбуждение которой происходит непосредственно в матрице и заготовке в процессе прессования. Впервые предложено передавать УЗК в зону пересечения каналов матрицы, через которые перемещается заготовка, не через пуансон, а посредством возбуждения колебаний в самой матрице, т. е. матрица одновременно является волноводом продольных УЗК. Это позволило многократно повысить эффективность ультразвукового воздействия за счет снижения сил трения между поверхностью заготовки и поверхностью каналов матрицы, а также за счет снижения деформационных усилий в зоне пересечения каналов матрицы, где происходит простой сдвиг деформируемого металла. В результате по сравнению с известными способами ультразвукового РКУП, в которых снижение усилия прессования составляет менее 15 %, возбуждение УЗК непосредственно в волноводе – матрице позволило снизить усилие прессования в 1,5–4 раза. При этом существенно меняется и структура прессуемых материалов: уменьшается размер зерен и их кристаллографические ориентировки, увеличивается микротвердость. Изменения фазового состава для всех образцов, полученных РКУП с УЗК и по обычной технологии, не наблюдается.

Сплавы на основе магния являются современным материалом для изготовления биорезорбируемых (саморастворяющихся) хирургических имплантатов. Магний – металл с наиболее отрицательным из всех конструкционных материалов электродным потенциалом −2,37 В. Это означает, что близкое расположение имплантатов из магниевых и, например, титановых сплавов будет приводить к возникновению гальванического эффекта и ускоренной электрохимической коррозии магния. Однако неизвестно, как влияет соотношение площадей изделий из титана и магния на проявление этого эффекта. Данная работа посвящена этому вопросу. В приведенном исследовании цилиндрические образцы биорезорбируемых магниевых сплавов ZX10 и WZ31 располагались в физиологическом растворе Рингера на расстоянии 3 см от образца из сплава медицинского назначения Ti6Al4V такой же формы и размера. Во время испытания поддерживалась температура коррозионной среды 37 °С. Серия экспериментов включала в себя коррозионные испытания длительностью трое суток с участием одного, двух или четырех магниевых образцов, таким образом, соотношение площадей титанового и магниевого сплава составляло 1:1, 1:2 и 1:4. Выявлено, что для обоих магниевых сплавов при увеличении соотношения площадей эффект от электрохимического воздействия значительно снижается, что выражено в уменьшении скорости коррозии. В то же время влияние присутствия Ti6Al4V на скорость коррозии для сплава WZ31 существенно слабее, чем для ZX10, что объясняется наличием в сплаве LPSO-фазы, а также более легированной и, соответственно, имеющей более положительный электродный потенциал матрицей.

Термодинамическим моделированием в программном комплексе HSC Chemistry оценили минимальную потребность в углероде на проведение процесса восстановительного обжига шламов ККЦ при температуре 1000°С. Для восстановления всего цинка в газовую фазу требуется не менее 10% (мас.) углерода (11,6% (мас.) коксовой пыли). Восстановление всего цинка из цинкита при температуре 1000°С заканчивается только после завершения восстановления всего железа из его оксидов. Физическим моделированием целесообразно оценить продолжительность восстановительного обжига шламов ККЦ при избытке углерода для получения продукта обесцинкования, удовлетворяющего требованиям современного агломерационного и доменного производства.

Исследовали раздувочные периоды работы доменной печи объемом 1370 м3, оснащённой конусным загрузочным устройством, после ремонта 3 разряда длительностью 92-98 часов, отличающиеся использованием в составе шихты фракционированного шлака. В периодах задувок и раздувок оценивали состояния горна показателями: количество шлака, остающегося в горне после выпуска; содержание углерода в чугуне. Эффективному проведению раздувки с позиции расхода кокса содействовали: повышенное качество кокса по показателям М10 и М25; лучшее состояние горна печи по показателям дренажной способности. Такие действия обеспечили уменьшение удельного расхода кокса на 12,4% при выводе доменной печи на рабочие параметры после ремонта 3 разряда. Эффективному проведению раздувки с позиции удельного расхода кокса содействовало применение фракционированного шлака. Для ускоренного доведения показателей процессов до номинальных уровней целесообразно выявить рациональные его расходы.

В работе исследовано изменение морфологии и износостойкости металлорежущих пластин из твердого сплава ВК8 при воздействии мощного ионного пучка (МИП) наносекундной длительности: состав - 30 %H+ + 70 % C+, плотность тока пучка j = 150 А/см2, средняя энергия частиц E = 200 кэВ. В экспериментах варьировалось число импульсов облучения (n) = 1, 3, 10. Установлено, что данные режимы облучения приводят к оплавлению поверхности твердого сплава, возникновению кратеров и микротрещин в поверхностном слое. Определены режимы облучения, позволяющие повысить ресурс работы режущих пластин на 40 % в сравнении с исходными при обработке жаропрочного хромоникелевого сплава ХН62БМКТЮ.

Проведены лабораторные исследования для повышения качества купороса за счет снижения остаточной кислотности после его кристаллизации и фильтрования; выполнен подбор промывной жидкости и условий проведения процесса. Установлено, что использование насыщенного раствора купороса при промывке позволяет снизить убыль массы гото-вого продукта за счет растворимости и обеспечить требуемое остаточное содержание кислоты (до 1,5%). Определено соотношение промывного раствора сульфата меди к массе медного купороса Т:Ж = 1:1, температура процесса +10 °C; при этом достигнуто максимальное извлечение серной кислоты в раствор ~84%.