29.03.2018

Анизотропность свойств листов из алюминия и его сплавов


До введения непрерывного литья фестонистость при глубокой вытяжке и штамповке практически не имела значения. На листах, полученных из слитков из изложниц, фестонистость не превышала допустимых пределов, по крайней мере при получении полых изделий с нормальной толщиной стенки. Значительные затруднения встретились после введения непрерывного литья.

Первое исследование по фестонистости при глубокой вытяжке алюминиевых листов, полученных из слитков непрерывного литья, было проведено Эренгюелем в 1948 г. Он выяснил, что одной только мелкозернистой структуры металла недостаточно для обеспечения беспрепятственной глубокой вытяжки. Кроме этого, необходимо также отсутствие резко выраженной анизотропности свойств на листах.

Шевиньи в 1949 г. опубликовал результаты своих исследований на листах из чистого алюминия и некоторых его сплавов. Анизотропность определяется ориентированной кристаллической текстурой. У алюминия и его сплавов различают два вида текстуры; действие одного вида обратно, действию другого. При постепенном изменении условий обработки уменьшение фестонистости можно рассматривать как переходную стадию образования фестонов под углом 45° к направлению прокатки и под углом 90°, при этом возможно небольшое искажение обеих систем. Холодная обработка вызывает структуру, которая обусловливает возникновение фестонов под углом 45° к направлению прокатки. Нагрев уменьшает этот вид фестонистости и вызывает появление фестонов под углом 90° и тем в большей степени, чем выше температура. Влияние примесей зависит от того, в какой степени они изменяют температуру рекристаллизации. Добавки хрома и марганца способствуют образованию фестонов под углом 45°, магний оказывает противоположное действие.

В работе по изучению перистых кристаллов в плоских слитках из алюминия (99,5%) Эренгюель в 1949 г. выяснил, что они появляются при очень большом и равномерном температурном градиенте в ходе затвердевания и что образовавшаяся резко выраженная текстура весьма устойчива при дальнейшей обработке.

В 1951 г. Вальбаум опубликовал результаты рентгенографических исследований текстуры в листах из алюминия (0,39% Fe, 0,14% Si). Он обнаружил, что как текстура прокатки, так и текстура рекристаллизации определяются степенью обжатия. Листы для исследований были получены из алюминиевого слитка (1000х430х150 мм), отлитого непрерывным способом. Слиток разрезали на две половины так, чтобы иметь совершенно одинаковый химический состав и структуру. Первую половину нагревали до 370° и прокатывали при этой температуре на толщину 14 мм за 3 поперечных и 12 продольных проходов. Температура заготовки на последнем проходе была 335°.

Вторую половину нагревали до 550° и при этой температуре прокатывали на толщину 14,8 мм за 4 поперечных и 8 продольных проходов. Температура листа в конце обработки составляла 450°. Обе партии листов после охлаждения были прокатаны вхолодную по одной схеме до 2,1 мм, затем отожжены при 400° и прокатаны до 0,5 мм. После этого был дан смягчающий отжиг при 400°. Стаканчики, полученные глубокой штамповкой из листов первой партии, показали очень сильную фестонистость вдоль и поперек прокатки. На стаканчиках из листов второй партии фестонистости не было обнаружено вообще.

Особенно подробные исследования анизотропности проведены Xyгом, Зибелем и Бузером.

Все эти авторы пришли к выводу, что в большинстве случаев при обычной прокатке слитков непрерывного литья образуются четыре фестона под углом 45° к направлению прокатки. Такая фестонистость наиболее типична для холоднодеформированного металла и проявляется тем сильнее, чем больше степень деформации. Таким образом, текстура, вызывающая фестонистость, является текстурой деформации. Наряду с этим изредка наблюдается текстура рекристаллизации (кубическая), при которой фестоны возникают под углом 90 и 0° к направлению прокатки. При сочетании обоих типов текстур образуется 8 фестонов: 4 под углом 45° и 4 — под углами 0—90°. Обычно, как правило, один тип текстуры преобладает и поэтому соответствующие фестоны выражены резче. При производстве полутвердых листов стремятся получить именно смешанную текстуру, так как при этом в случае правильной технологии величина образующихся фестонов невелика.

В работах и прежде всего было изучено влияние на анизотропность листов температуры литья слитков из алюминия с 0,42% Fe и 0,26% Si. Ряд опытов был поставлен с целью выяснения разницы в качестве металла в зависимости от вида кристаллизатора. Применялся водоохлаждаемый кристаллизатор закрытого типа и кристаллизатор облегченной конструкции с одной рубашкой, охлаждаемой снаружи спрейерами. Однако сколько-нибудь существенного изменения при этом обнаружено не было.

После этого исследователи перешли к изучению влияния температуры прокатки и степени холодной деформации и обнаружили очень интересные закономерности, которые затем нашли отражение в патентах. Слитки непрерывного литья сечением 200х120 мм из алюминия с 0,34% Fe и 0,19% Si прокатывали на 5 мм при различных температурах от 400 до 500°, подкат охлаждали в воде и прокатывали в холодном состоянии на ленту различной толщины. Полученную ленту подвергали смягчающему отжигу в течение 4 час. при 400°.

Глубокая вытяжка ленты показала, что высота и расположение фестонов сильно зависят от температуры горячей прокатки при определенной степени холодной деформации. Склонность к «кубической» фестонистости (под углом 0 и 90° к направлению прокатки) повышается при снижении температуры горячей прокатки. Это противоречит выводам других исследователей. Так, Кайзер отмечает, что температура горячей прокатки заготовок при получении тонкой ленты должна быть не ниже 500°. Хуг, Зибель и Бузер приходят к заключению, что можно получить алюминиевую ленту любой толщины, если для данной степени вытяжки материала подобрана надлежащая температура горячей прокатки или, наоборот, для данной температуры горячей прокатки выбрана соответствующая величина холодной деформации. Правильное сочетание обоих факторов приводит к образованию восьми небольших фестонов (через 45°), которые обнаруживаются в виде слабой волнистости кромки.

Широкими лабораторными исследованиями было подтверждено существование четкой зависимости величины и расположения фестонов от температуры горячей прокатки и степени холодной деформации.

Исходя из того, что температура горячей прокатки тесно связана с характером фестонистости на изделиях, исследовали влияние условий нагрева слитков под прокатку. При этом была найдена причина отмеченного противоречия результатов опытов. Если слитки перед прокаткой нагревали до 550°, а затем охлаждали до 400° и прокатывали при этой температуре, то склонность к фестонистости у изделий из полученных листов была такая же, как у изделий из листов, прокатка которых начиналась с 550°.

Совершенно иные результаты получались в случае нагрева заготовки до 400° и прокатке с этой температуры или при нагреве заготовки до 550°, охлаждении до комнатной температуры и повторном нагреве до 400° с последующей прокаткой.

Позднее Зибель и Xyг изучили влияние промежуточных отжигов и чистоты металла. Если отжиг приводил к полной рекристаллизации, то на штамповках появлялись фестоны под углами 0 и 90°. Если отжиг прекращался в начальной стадии рекристаллизации, то наблюдались фестоны под углом 45°.

Мягкие листы из чистейшего алюминия и алюминия невысокой чистоты (99,12%) после большой холодной деформации показали наименьшую анизотропность свойств по сравнению с металлом промежуточной чистоты. Обзор по этому вопросу дал Зибель в 1954 г.

Стелльже по работе Шевиньи указывает следующие режимы обработки алюминия (99—99,5%). Горячая прокатка должна начинаться с 500°. Конечная температура горячекатаной полосы не должна превышать 350°. Обработку следует проводить как можно в большей степени в горячем состоянии. Нагрев полосы или промежуточные отжиги недопустимы. Температура конечного отжига должна быть наинизшей температурой рекристаллизации; время отжига также выбирают минимальным.

Стелльже повторил опыты Вальбаума. Он получал штампованные изделия с допустимой фестонистостью по следующей технологии. Непрерывным литьем получали слиток 1000х430х150 мм из алюминия с примесями 0,39% Fe и 0,14% Si. Слиток нагревали до 550° и прокатывали со 150 мм на 14,8 мм, конечная температура полосы была 450°. Стелльже не согласен с мнением Вальбаума о том, что отсутствие фестонистости зависит только от температуры горячей прокатки и текстуры полосы на данном этапе обработки. В самом деле, если сохранять постоянными условия горячей прокатки и изменить условия холодной деформации или отжига, то качество ленты меняется — фестонистость на изделиях увеличивается или уменьшается.

Ознакомление с работами Хуга, Зибеля и Бузера позволило Стелльже установить точку перехода одного типа фестонистости в другой; этот переход совершается при рекристаллизации во время отжига. Эта переходная точка фиксируется нагревом металла сначала в солевой ванне, а затем в печи. Переход совершается в течение нескольких секунд, получаемая текстура металла не имеет ориентировки. Полые штамповки из такого металла не имеют фестонов.

Для получения неориентированной текстуры в промышленных условиях Стелльже рекомендует прямой нагрев заготовок в соляной ванне. При выдавливании нагрев может проводиться в один прием.

Стелльже изучал также влияние воздушной среды при рекристаллизационном отжиге лент, листов и труб. Результаты по нагреву при 425° сведены в две пространственные диаграммы. При обоих способах нагрева можно определить переходную точку, когда получаемый металл практически не имеет ориентированной текстуры.

Ауст и Моррал в 1953 г. также описали результаты своих опытов, по фестонистости полых штамповок чистого алюминия. Они установили влияние степени холодной прокатки перед смягчающим отжигом, а также влияние промежуточных отжигов в ходе холодной прокатки. Склонность к фестонистости под углами 0 и 90° связана с процентным содержанием кубически ориентированных кристаллов, и эта текстура усиливается с ростом температуры заключительного отжига. Направление наименьшей прочности на разрыв и наибольшей пластичности иногда совпадает с направлением фестонов.

Бунк, Люкке и Мазинг в 1954 г. опубликовали исследование текстуры в горячекатаных алюминиевых листах. Для проведения опытов были отлиты непрерывным способом слитки из алюминия (с 0,4% Fe, 0,25% Si, 0,04% Zn) сечением 420х130 и длиной 600 мм.

Слитки выдерживали при выбранной температуре 10 час. и затем прокатывали в поперечном направлении на толщину 86 мм за один проход. После этого заготовки проходили продольную прокатку в несколько проходов для толщины 8 мм. Так как температура горячей прокатки оказывает большое влияние на текстуру, были выбраны два крайних значения этой температуры. Из полученной полосы вырезали среднюю часть, служившую исходным материалом для исследований.

Листы, проходившие горячую прокатку при температуре ниже 400° (Б), имели в основном текстуру прокатки.

В листах, прокатанных при температуре выше 450° (А), наблюдалась главным образом «кубическая» текстура. Холодная прокатка приводила к появлению в листах группы Б чистой текстуры прокатки. В листах группы А после холодной прокатки наблюдалась «кубическая» текстура. Отжиг прокатанных листов в случае, если они обладали резко выраженной текстурой прокатки, всегда приводил к рекристаллизационной текстуре, характеризовавшейся возникновением «кубически» ориентированных кристаллов. Длительный отжиг при высоких температурах благоприятствует образованию «кубически» ориентированных кристаллов. При низкотемпературном отжиге возникает обычная текстура рекристаллизации.

Текстура прокатки поверхности листов, имевших толщину несколько миллиметров, отличалась от общей текстуры листа: кристаллы на поверхности имели «наклонную кубическую» ориентировку. При отжиге эти кристаллы приобретали беспорядочную ориентировку. Листы большей толщины (1,5 мм) имели однородную текстуру по всей толщине как после прокатки, так и после отжига.

Изложенные исследования текстуры могут быть использованы для обоснования современных технологических приемов, разработанных для борьбы с фестонистостью.

Из последних работ по данному вопросу можно отметить сообщение Шевиньи на Международном алюминиевом конгрессе в Париже в 1954 г. Сначала он исследовал условия последующей обработки слитков, так как их действие проявляется независимо от способов литья. При непрерывном литье большое значение имеет гомогенизирующий отжиг слитков, тогда как при литье в изложницы он не оказывает никакого влияния. Отсюда, по-видимому, можно заключить, что анизотропность листов тесно связана с распределением примесей в литом металле, а ориентировка кристаллов имеет подчиненное значение. Данные по изучению влияния горячей прокатки, кажется, позволяют объяснить противоречия выводов различных авторов, в частности самого Шевиньи и Хуга, Зибеля и Бузера. Шевиньи приходит к заключению, что при одинаковой продолжительности нагрева причиной уменьшения образования фестонов под прямыми углами является понижение конечной температуры горячей прокатки. Анизотропия такого рода после смягчающего отжига тем меньше, чем больше обжатие при каждом проходе холодной прокатки. Деформация, происходящая при проходах с большими обжатиями, дает совершенно иные результаты, чем деформация при малых обжатиях.

Повышение температуры смягчающего отжига благоприятствует образованию фестонов под углом 90°, ускорение нагрева и выдержки оказывает обратное действие.

Шевиньи пытался устранить анизотропию листов, изменяя условия непрерывного литья. Он решил менее резко охлаждать слиток и, таким образом, при литье иметь более глубокую лунку. Увеличение высоты кристаллизатора, по-видимому, уменьшило образование фестонов под углом 90°. Так, при литье слитка сечением 100х400 мм из алюминия (99%) в кристаллизатор высотой 80 мм величина фестонов по диаметру составляла 6,3%, после перехода на кристаллизатор высотой 500 мм 0%. Следует также уменьшать скорость охлаждения, подавая меньшее количество воды; это равносильно увеличению высоты кристаллизатора. Кроме того, полезно также устранение местной концентрации тепла в головной части слитка.

В своем докладе Шевиньи добавляет, что большинство французских фирм, занимающихся обработкой алюминия, из-за больших трудностей в связи с анизотропностью листов, получаемых из слитков непрерывного литья, возвращается опять к литью в изложницы.

Трапье на Международном алюминиевом конгрессе сообщил о разновидности способа непрерывного литья, который в основном характеризуется признаками, о которых говорит Шевиньи: устранение прямого охлаждения слитка водой и отсюда наличие глубокой лунки. Применяется низкий кристаллизатор, но выходящий из него слиток охлаждается распыленной водой, а не струями.

Трапье рекомендует следующие режимы производства листов, которые дают незначительную фестонистость при глубокой вытяжке. Листы получаются из слитков толщиной 100—200 мм, отливаемых непрерывным методом по способу «Изомет».

1. Конечная толщина листа 0,5—3 мм:

а) скорость литья 10—18 мм/мин;

б) горячая прокатка на толщину 4—8 мм. Начальная температура 440±15°, конечная 325°;

в) холодная прокатка на конечный размер без промежуточных отжигов. Окончательный смягчающий отжиг при 380°.

2. Конечная толщина листа 0,25—0,45 мм:

а) скорость литья 10—15 мм/мин;

б) горячая прокатка на толщину 4—8 мм. Начальная температура 510±10°, конечная 325°;

в) холодная прокатка на конечный размер без отжигов или с промежуточным отжигом при толщине не менее тройной конечной толщины.

Функ в докладе в Немецком обществе металлов подтвердил данные Зибеля с сотрудниками. В ходе обычного производства листов было замечено странное явление. Величина фестонов на пробных колпачках, выштампованных по всему листу, оказалась различной и резко увеличилась при переходе от одного края листа к другому, После отжига горячекатаной полосы (550°, 6 час.) при той же технологии получения листов фестонистость на пробах была совершенно одинаковой по всей ширине листа. Таким образом, асимметричность свойств вдоль направления прокатки вызывалась условиями горячей прокатки. Далее было замечено, что эта асимметричность появлялась только тогда, когда прокатка слитка в горячем состоянии велась сначала поперек в несколько проходов, а затем вдоль (такой была первоначальная технология). Если же слиток катался только вдоль, то на готовых листах фестонистость по всей ширине была примерно одинаковой. Замеченное явление может быть объяснено тем, что уже при первом проходе горячей прокатки в заготовке возникала асимметричность свойств, которая не выравнивалась ни при дальнейшей горячей прокатке, ни при заключительном холодном деформировании. Сравнительные рентгенографические исследования образцов, взятых из середины толщины полосы, показали отчетливое различие в ориентировке кристаллов в полосах, прокатанных только в одном направлении и с кантовкой.

Затем Функ исследовал листы, которые в холодном состоянии прокатывались поперек направления горячей прокатки. Он обнаружил, что это вызвало увеличение фестонов в направлении 0 и 90° К прокатке и уменьшение в направлении 45°.

Характер отжига рекристаллизации никак не влиял на расположение фестонов. Функ лишь отметил, что условия рекристаллизации (температура, время выдержки, продолжительность нагрева) сказываются на величине фестонов, особенно расположенных под 45° к направлению прокатки.

Вопросам различной анизотропности листов из слитков из изложниц, и непрерывного литья, а также влиянию различных условий обработки посвящена работа Ушиода, Иошимура, Масуяма (1955 г.), в которой изучались механические свойства, макро-, микро- и рентгеноструктуры. Выводы работы подтверждают заключение уже цитированных авторов.

Того же вопроса касается работа Хата и Такеуши. Они обнаружили, что при получении листов из чистого алюминия горячей прокаткой, холодной прокаткой без отжигов и заключительным смягчающим отжигом наблюдается анизотропность, которая зависит от условий-горячей прокатки. Данные этих ученых полностью согласуются с выводами других исследователей, например Xyгa и др.

Хесснер, Мазинг, Штюве в 1956 г. сравнили текстуры алюминиевых листов, полученных из слитков непрерывного и обычного литья, и сопоставили текстуры листов с их анизотропностью. Выявилась зависимость между расположением и величиной фестонов и текстурой. Авторы: приходят к следующему выводу. Различная рекристаллизация металла, отлитого в изложницу и непрерывным способом, является следствием неодинакового количества выделений вторых фаз. Предпочтительный рост кристаллов, приводящий в «кубической» текстуре, задерживается этими выделениями. Последующий отжиг или горячая прокатка (перед заключительной холодной прокаткой) выравнивает ход рекристаллизации в металле непрерывного литья и полученного в изложнице. Это происходит потому, что нагрев приводит структуру в равновесное состояние.

Данные этих трех ученых целиком совпадают с выводами Шевиньи. По Шевиньи, текстура является лишь второстепенным фактором в образовании фестонистости. Французский ученый наблюдал на шлифах: выделения вторых фаз и пришел при этом к выводу, отличающемуся от выводов Хесснера и др. В металле, отлитом в изложницы, выделений вторых фаз мало, в непрерывно отлитом слитке — много. Влияние промежуточного отжига, по Шевиньи, состоит в том, что он вызывает растворение выделений вторых фаз, а не в том, как предполагают немецкие исследователи, что при отжиге примеси начинают выделяться из раствора. Однако по шлифам, приготовленным тремя немецкими учеными, видно, что первоначально в металле из изложницы имеется наибольшее количество выделений, но после соответствующего отжига или прокатки при высокой температуре в металле непрерывного литья наблюдаются еще большие количества выделений. Это полностью подтверждает предположение, выдвинутое немецкими учеными.

Икеда и Кавагучи также изучали анизотропность отожженных листов, полученных из слитков из изложниц и непрерывным литьем прокаткой с переменой направления. Фестонистость оказалась одинаковой в обоих случаях. Выбором оптимальной температуры горячей прокатки анизотропность может быть уменьшена до очень незначительной величины. Прокатка с переменой направления дает приблизительно такую же анизотропность, как и одна продольная прокатка. Листы, подвергнутые отжигу в конце холодной прокатки, давали большую фестонистость в направлениях 0 и 90°, чем листы, прошедшие промежуточный отжиг при 400°. С повышением температуры промежуточного отжига величина этого типа фестонов немного уменьшается и затем появляются фестоны под углом 45°. Влияние горячей прокатки на механические свойства листов устраняется конечным или промежуточным отжигами; однако ее влияние на образование фестонов сохраняется.

В 1956 г. вышла работа Зибеля по изучению связи анизотропности листов со способом литья, отжигом слитков и полос, степенью обжатия и промежуточным отжигом на малолегированных сплавах Al-Mn, Al-Mg-Si, Al-Mg. Для получения тонких мягких листов из слитков непрерывного литья из сплава Al + 1,2% Mn, дающих на изделиях небольшую фестонистость под 45° к направлению прокатки, необходимы были высокотемпературный отжиг слитков, отжиг горячекатаной полосы и промежуточный отжиг при толщине листа 2 мм. Для достижения того же результата на слитках из алюминия был достаточен один отжиг горячекатаной полосы.

Для сплава Al + 1% Si + 0,8% Mg + 0,7% Mn необходим лишь один промежуточный отжиг при толщине 2 мм.

Сплав чистейшего алюминия с 0,5 и 1 % Mg, подобно чистому алюминию, показал очень сильную зависимость анизотропности от температуры горячей прокатки и отжигов. У алюминиевомагниевых сплавов (0,6—0,8% Mg + 0,1% Mn, 2% Mg + 1% Mn, 3% Mg + 0,3% Mn) эта зависимость значительно меньше, такие сплавы при производстве листов можно без опасения подвергать необходимым отжигам.

В другой работе Зибель формулирует следующие выводы.

При обеспечении замедленного затвердевания алюминиевых слитков, получаемых непрерывным литьем, образующаяся структура близка к структуре слитков из изложниц. Листы из таких слитков обладают малой анизотропностью. С повышением чистоты металла условия прокатки отражаются на анизотропности листов в большей степени.

Сплавы Al-Mn и Al-Mg-Si весьма склонны к фестонистости при глубокой вытяжке; эта склонность может быть снижена стабилизирующим отжигом, отжигом полос и промежуточным отжигом. Небольшое содержание магния резко уменьшает образование фестонов. Анизотропность на высоколегированных сплавах Al-Mg-Mn и Al-Mg (1—3%) можно ликвидировать соответствующим промежуточным отжигом.

К вопросу об анизотропности необходимо еще добавить, что листы с изотропными свойствами (из слитков непрерывного литья) можно получать при условии, когда отношение содержания Fe : Si в чистом алюминии значительно больше единицы. В этом случае достаточно иметь для прокатки очень тонкую заготовку, например 30 мм. Подобные заготовки удобно получать на машинах Хазелетта и Ригамонти.

Главное преимущество согласования между имеющимся соотношением железо — кремний и желательной температурой состоит в том, чтобы предусмотреть возможность горячего деформирования при одной и той же температуре до получения полосы заданного размера.

С другой стороны, учет этого соотношения позволяет выбирать наивысшую температуру прокатки исходных заготовок.

Недавно Xyг также установил, что фестонистость в значительной мере определяется соотношением кремний — железо в чистом алюминии. Избыток кремния благоприятствует появлению текстуры рекристаллизации и образованию фестонов под 0 и 90°. Увеличение содержания железа способствует появлению фестонов под 45°, Зависимость анизотропности от температуры прокатки и холодной деформации остается при этом прежней.

В настоящее время на большинстве европейских заводов слитки из чистого алюминия с соотношением железо — кремний от 1,5:1 до 4:1 прокатываются при 500—660° на толщину 6—10 мм и до готового размера обрабатываются в холодном состоянии. Как вытекает из сказанного, анизотропность листов существенно уменьшается, если температура прокатки согласуется с необходимой степенью холодной деформации. По Хугу, подобное же влияние оказывает изменение соотношения железо — кремний до 1:1 — 1:3.





Яндекс.Метрика