3.2 Технологические параметры отжига-гомогенизации

Проведенный анализ диффузионных процессов в неоднородной регулярной системе позволяет сделать выводы о технологических параметрах гомогенизационного отжига, основными из которых являются температура и длительность выдержки. Температура нагрева при гомогенизационном отжиге должна быть предельно высокой, близкой к температуре плавления. Это позволит предельно сократить длительность выдержки. Однако верхний предел температурного режима отжига ограничивается развитием возможных нежелательных явлений, таких как чрезмерный рост размера зерна (перегрев) или оплавление границ зерен, обогащенных примесями, что сопровождается насыщением газами, образованием газовой и усадочной пористости, окислением и возникновением трещин (пережог).

Практика показывает, что в большинстве случаев температура отжига может быть предварительно определена как (0,90 - 0,95) от температуры плавления в кельвинах. Затем для каждого конкретного сплава она уточняется на основе проводимых исследований структуры и свойств заготовок и готовых изделий.

Оптимальной считается температура, которая при минимальных затратах (небольшой длительности отжига), обеспечивает достаточную технологичность материала заготовки при обработке давлением (прессовании, прокатке и др.) и заданный уровень свойств готовых изделий.

Таким образом, отработка технологических параметров гомогенизационного отжига ведется в расчете на уменьшение степени остаточной химической неоднородности до некоторого предела (величина Е на рисунке 3.1). Полное устранение химической неоднородности в сплаве часто бывает недостижимым либо экономически невыгодным.

Длительность выдержки при гомогенизационном отжиге зависит от типа сплава, технологии его получения, размеров заготовок и величины садки в нагревательном устройстве (печи). Она складывается из длительности прогрева изделия по толщине либо времени прогрева по сечению крупной садки; времени, необходимого для растворения неравновесных структурных составляющих в структуре сплава; и наконец, времени, требуемого для устранения дендритной ликвации.

Длительность прогрева определяется теплотехническими расчетами на основе решения дифференциальных уравнений теплопроводности либо экспериментальными методами путем термометрирования садки в печи. На кафедре МиТОМ Красноярской государственной академии цветных металлов и золота разработаны программы расчетов на ПЭВМ типа IBM, позволяющие достаточно надежно рассчитывать это время и определять распределение температурных полей по сечению изделий и сечению садки в печи (программы “Тепло” и “Садка”).

Время, необходимое для растворения неравновесных структурных составляющих, можно определить эмпирическим выражением

 = a m ^b,

где а и b - константы для конкретного сплава и технологии его производства; m - толщина растворяющихся частиц неравновесных структурных составляющих. Значение величины а во многом определяется размером обрабатываемых заготовок и изделий, а значение показателя степени b - устойчивостью неравновесных фаз и диффузионными характеристиками системы. Для алюминиевых сплавов, например, величина b колеблется от 1,2 до 2,5, при средних значениях, равных 2, что свидетельствует о преимущественно диффузионной кинетике растворения неравновесных структурных составляющих в таких сплавах.

Третья составляющая длительности выдержки при гомогенизационном отжиге определяется временем, затрачиваемым на гомогенизацию твердого раствора, характеризующегося в исходном состоянии либо после окончания растворения неравновесной структурной составляющей химической неоднородностью по сечению каждого зерна (внутрикристаллитной или дендритной ликвацией).

Это время достаточно надежно рассчитывается по вышеприведенному уравнению в п.3.1, которое описывает распределение концентрации растворенного вещества по сечению кристаллов во времени при заданной температуре отжига.

Для расчета необходимо предварительно определить допустимую степень остаточной химической неоднородности. На кафедре МиТОМ ГАЦМиЗ разработано программное обеспечение расчетов на ПЭВМ типа IBM этой составляющей длительности выдержки гомогенизационного отжига.

Скорость нагрева и скорость охлаждения - дополнительные технологические параметры гомогенизационного отжига. Оба эти параметра не определяют результаты гомогенизации, однако их значения в большинстве случаев регламентируют.

Слитки и фасонные отливки, особенно сложной формы, следует нагревать медленно, обычно вместе с печью - во избежание возникновения термических напряжений, которые могут привести к образованию трещин или короблению изделий.

По этой же причине и охлаждение часто проводят медленно (вместе с печью). Наиболее опасными термические напряжения оказываются при нагреве, когда в структуре исходного материала, как правило, существуют еще очень хрупкие неравновесные структурные составляющие, располагающиеся в виде сетки по границам зерен. После их растворения при отжиге возникающие при охлаждении термические напряжения менее опасны с точки зрения появления трещин, хотя склонность к короблению отливок остается.

Наряду с этим, при назначении режимов охлаждения наибольшее значение уделяют учету развивающихся при охлаждении фазовых превращений. При этом применяют такие способы и скорости охлаждения, при которых в результате развития фазовых превращений дополнительно повышается пластичность сплавов. Например, после отжига стальных слитков охлаждение, как правило, проводят медленное (вместе с печью) со скоростью от нескольких градусов до нескольких десятков градусов в час. Образующиеся при этом перлитные структуры характеризуются достаточно грубопластинчатым строением с низкими прочностными и высокими пластическими характеристиками.

Наоборот, слитки из термически упрочняемых алюминиевых сплавов В системе перитектического типа (рисунок 2.4,в) остаток незакристаллизовавшейся неравновесной жидкости по достижении температуры перитектической горизонтали принимает концентрацию точки Р. А это означает, что такая жидкость при последующем переохлаждении будет взаимодействовать с нижележащим тонким слоем только что закристаллизовавшегося твердого раствора, имеющего равновесный состав С_k, в результате чего будет образована новая фаза перитектического происхождения с составом точки N. Прослойка этой фазы, как и в предыдущем случае, располагается по периферии кристаллизующегося дендритного кристалла, что соответствует границам зерен в слитке (рисунок.2.4,г).

Ускоренно (например, на воздухе), за счет чего предотвращается выделение по границам зерен твердого раствора вторичных выделений обычно хрупких фазовых составляющих.

Отливки из литейных алюминиевых сплавов после продолжительной гомогенизирующей выдержки охлаждают очень быстро - в воде, что полностью предотвращает выделение избыточной фазы. Кроме того, такое сочетание гомогенизационного отжига и быстрого “закалочного” охлаждения исключает необходимость нового нагрева под закалку, сокращая общую длительность цикла получения отливок.

Суммарная длительность отжига-гомогенизации, складывающаяся из медленного нагрева крупных садок до температуры отжига, большой длительности выдержки, достигающей нескольких десятков часов, и медленного охлаждения (с печью), оказывается равной 100 - 150 ч. Поэтому целесообразно использовать не только технические способы сокращения длительности гомогенизации, но и организационные меры, позволяющие сократить или исключить отдельные операционные переходы.

Такими мерами может явиться посадка в печь для отжига горячих слитков, не до конца охлажденных в кристаллизаторе или изложнице, подача слитков из печи отжига на операцию горячей прокатки, исключая операции охлаждения после отжига слитков и их нового нагрева под обработку давлением. Реально такое совмещение операций может быть достигнуто с использованием проходных печей для отжига и их размещением в цехе горячей прокатки перед прокатным станом.