Прокатно-пресовое производство

1. Введение

Впервые в свободном виде алюминий был выведен в 1825г. датским физиком Эрстедом путем воздействия амальгамы калия на хлористый алюминий. Позднее, в 1827г., немецкий химик Велер усовершенствовал способ Эрстеда, заменив амальгаму калия металлическим калием. В 1854г. Сент-Клер Девиль во Франции впервые применил способ Велера для промышленного производства алюминия, внеся в него дальнейшие усовершенствования. Разработка этого метода положила начало промышленному производству алюминия по методу Сен-Клер Девиля.

Русский физико-химик в 1865г. Н.Н. Бекетов показал возможность вытеснения алюминия магнием из расплавленного криолита. Эта реакция в 1888г. была использована для производства алюминия на первом немецком заводе в Гмелингене.

Попытки организации производства алюминия в России относятся к 90-м годам прошлого столетия, когда для получения алюминия по способу Сент-Клер Девиля был построен небольшой завод, просуществовавший, однако очень короткое время (с 1885 по 1889г.). Мировую известность получили теоретические исследования в области изучения современного способа производства алюминия, выполненные в начале этого столетия П.П. Федотьевым и другими русскими учеными.

Первая промышленная партия (3 кг.) дюралюминия была использована для опытных работ в конструкторском отделе им. Туполева для изготовления первого металлического самолета, отдельных деталей самолетов Н.Н. Поликарпова, Д.П. Григоровича.

Музалевский, Белов, Воронов, Миронов и др. с полным правом могут быть названы основоположниками отечественной металлургии легких сплавов. Г.Г. Музалевским был разработан метод плакирования дюралюминия алюминием. Плакирование значительно повысило пластичность при горячей прокатке, резко увеличило сопротивление к коррозии, что привело к устранению лакокрасочных покрытий самолета.

Под руководством А.Ф. Белова, Н.Д. Бобовникова, В.А. Ливанова, В.И. Добыткина проведен обширный комплекс исследований по коренному усовершенствованию методов литья слитков и технологии их обработки. Были разработаны горячая прокатка слитков без обрезки боковых кромок и холодная прокатка рулонов без применения промежуточных обжигов.

Почти за 50 лет отечественная металлообрабатывающая промышленность, производящая полуфабрикаты из легких сплавов, превратилась из опытных цехов в самостоятельную отрасль, которая темпам развития и по уровню техники производства занимало одно из первых мест в мире.

2. Разработка технологического процесса

2.1. Описание технологического процесса прокатки.

В настоящее время известно большое количество алюминиевых сплавов, позволяющих прокатывать их в листы и полосы для различных нужд народного хозяйства.

Прокатное производство является заготовительным производством и является завершающим звеном металлургического цикла: отливка заготовок, последующая прокатка. К алюминиевому прокату особенно тонколистовому предъявляются особые требования, как по геометрическим размерам, так и по механическим свойствам.

В зависимости от сплавов, технических условий на готовую продукцию и т. д. технологические процессы изготовления листов могут быть различными. Типичную схему производства листов из алюминиевых сплавов можно разбить на следующие стадии:

1. отливка слитков,

2. подготовительные операции,

3. горячая прокатка,

4. холодная прокатка,

5. термическая обработка,

6. отделочные операции.

Для прокатки листов и плит применяют слитки различной массы от 3 до 8 тонн. Масса слитка и его размеры определяются технологическими свойствами данного металла или сплава при прокатке, размерами и назначением готовых листов, мощностью и размерами основного оборудования и т. д.

Технология получения полос из слитков алюминия и его сплавов состоит из следующих операций:

• гомогенизирующий отжиг слитков, обеспечивающий снятие внутренних напряжений и уменьшение неоднородности слитка по структуре и химсоставу, Данная операция обеспечивает резкое возрастание пластических характеристик металла. Гомогенизация представляет собой нагрев слитка до температуры на 20-40 град. Ниже температуры плавления низкоплавких эвтектик и выдержку при этом в течение нескольких часов. В данный период растворимые составляющие переходят в твердый раствор и, благодаря диффузии выравнивается содержание легирующих составляющих. Для гомогенизации применяют электрические шахтные печи. Слитки устанавливают вертикально на некотором расстоянии друг от друга или укладывают в стопы с прокладками между слитками.

• Фрезерование поверхностей слитков с целью удаления ликвационных наплывов, включений, плен, шлака, трещин, а также получения сляба с параллельными гранями. Съем металла составляет 5-6 мм на сторону.

• Обезжиривание поверхностей с целью удаления механических загрязнений и наложение алюминиевых планшет.

• Нагрев перед прокаткой со строгим температурным контролем, необходимым вследствие высокой чувствительности сплавов к пережогу, заключающемуся в оплавлении низкоплавких эвтектик, расположенных по границам зерен, и вызывающему образование трещин и падение механических свойств.

• Горячая прокатка слябов. В первых проходах прокатки сплавов производится плакировка слябов листами из чистого алюминия. Благодаря большому давлению происходит приварка этих листов (планшет), создающая высокопрочную связь алюминиевого слоя с основным металлом. Эта операция предохраняет основной сплав от коррозии.

Прокатка листов и плит осуществляется на цилиндрических валках с гладкой поверхностью. Заготовкой является слиток определенного размера. Прокат, который используется вторично, называется подкат. Валки расположены горизонтально, и приводятся принудительно к вращению ролики, которые приводят слиток к движению называются рольганг.

Металл заготовки захватываются вращающимися валками за счет сил трения, возникающих на контактной поверхности между валком и заготовкой, В очаге деформации осуществляется уменьшение толщины заготовки. Толщина проката определяется зазором между валками, на просвет (распор валков). При уменьшении толщины проката незначительно увеличивается его ширина и интенсивно увеличивается его длина по направлению прокатки. Это происходит по закону наименьшего сопротивления, т.к. длина очага деформации значительно меньше, чем длина валка. Прокатка обычно с толщины заготовки до конечной толщины полосы производится за несколько переходов проката.

Различают горячую и холодную листовые прокатки.

Горячей прокаткой называют прокатку, которая происходит при температуре выше температуры рекристаллизации:

Тпр = 0,4 Тпл;

Тпр = (0,7-0,9) Тпл.

Любая пластическая деформация металла сопровождается упрочнением (деформация упрочнения – нагартовка). Однако если нагреть предварительно заготовку до температуры выше температуры рекристаллизации, то в процессе пластической деформации такой заготовки упрочнение ощущаться практически не будет, т. к. в процессе упрочнения одновременно протекают процессы разупрочнения. Для горячей прокатки температура нагрева заготовки определяется:

1. Из диаграммы состояния материала определяют максимально допустимую температуру нагрева Тmax = 0,9 Тs;

2. Из диаграммы пластичности определяют интервал температур которые соответствуют максимальной пластичности для данного сплава (рис1.).

Gs,Gв, δ

δ

Gв

Т

Gs Тот

рис. 1. Диаграмма пластичности

3. Сочетание степени деформации и температуры могут привести к интенсивному росту зерна. Необходимо установить правильные соотношения между степенью деформации в последнем проходе горячей прокатке и температурой для обеспечения мелкозернистой структуры прокатки. Существует диаграмма рекристаллизации (рис.2).

Δ зерно ε %

Т0

Рис.2. Диаграмма рекристаллизации.

Горячая прокатка имеет существенное преимущество перед холодной - меньшая энергоемкость, большие суммарные деформации, не требуется промежуточных отжигов. Однако горячая прокатка ограничена толщиной проката. Минимальная толщина горячих катанных листов ~ 3 – 3,5 мм.  Меньшую толщину горячего проката получить нельзя, т.к. из-за интенсивного и неравномерного охлаждения полосы на рольганге невозможно обеспечить равномерное распределение механических свойств по всему объему металла и как следствие заданную разнотолщенность по длине и ширине полосы. Поэтому, алюминиевый прокат меньше 3 мм получают методом холодной прокатки (т.е. от 20-50 градусов).

• После обрезки концов полосы и смотки ее в рулон последний подвергается отжигу.

• Предварительная правка и резка рулонов, где размотанная полоса подвергается правке, обрезки боковых кромок и резке на листы.

• Сложенные в стопы листы проходят дальнейшие операции в линии отделки (закаленные листы): термическая обработка, сушка, правка, прогладка, растяжка на растяжной машине, обрезка в размер по длине и окончательная правка. После этого листы проходят контроль, маркировку, смазку и упаковку в ящики.

Листы являются основным видом полуфабрикатов из алюминия и его сплавов. Благодаря ценному сочетанию механических, физических и технологических свойств алюминий в виде листов из высоколегированных сплавов Амг2 являются в настоящее время основными материалами для сварных силовых конструкций в судостроении, транспортном и вагоностроительном машиностроении, химической промышленности.

Для сохранения высокой коррозионной стойкости неотожженные сварные конструкции из сплавов АМг2 не должны нагреваться выше 100° С ( при 100° С – не более 100 ч). Высоколегированные Al-Mg сплавы находят применение в новых композиционных материалах, например, в производстве многослойных металлов.

2.2. Анализ деформируемого сплава.

Для изготовления листов широко применяют сплавы на основе системы Al-Mg. Диаграмма состояния системы Al-Mg со стороны алюминия относится к эвтектическому типу с ограниченной растворимостью второго компонента (рис.3). Эвтектическая линия лежит при 449°С. Эвтектика содержит 33% Mg и состоит из алюминия и соединения Mg3Al4 (β-фаза).

t, °С

600 Mg3Al4+ж

Al+ж 449°С

400

17.4% Al+Mg3Al4

200

Al 10 20 30 Mg

. Mg, %

рис.3. Диаграмма состояния системы Al- Mg.

Химический состав сплава АМг2по ГОСТ 4784-64 приведен в таблице 1.

Химический состав сплава АМг2, % Таблица 1

Растворимость магния в твердом алюминии меняется следующим образом: Температура, °С …………..449 350 300 250 200 150 100 Растворимость, % ……………17,4 9,9 6,7 4,4 3,1 2,3 1,9

Увеличение содержания магния вызывает резкое повышение вязкости расплавленного алюминия. Теплопроводность, а также электропроводность от присадки магния заметно снижаются. Коэффициент линейного расширения в пределах растворимости магния в твердом алюминии прямолинейно возрастает.

Магний является одним из основных легирующих элементов алюминия и его сплавов. Сплавы на основе системы Al-Mg(магналии) с содержанием магния от 1 до 7 % широко применяются как в литом, так и деформированном состоянии. Для повышения механических и коррозионных свойств сплавов вводят дополнительно марганец в количествах 0,3-0,8 %.

Сплавы системы Al-Mg инертны к термической обработке; упрочняются они с помощью нагартовки. Сплавы Al –2% Mg с добавками марганца в нагартованном состояние (30-40 %), по данным Н.Б. Кондратьевой, могут иметь следующие механические свойства: σв = 40 – 42 кГ/ммІ; σ0,2 = 32 –35 кГ/ммІ; δ = 6 – 8 %. Сплавы системы Al-Mg имеют довольно высокие механические свойства при повышенных температурах, при кратковременном разрыве.

Сплавы относятся к термически не упрочняемым и листы из них выпускают в отожженном и нагартованном состояниях. Главным достоинством отожженных листов является хорошая свариваемость, коэффициент трещинообразования у них незначителен и составляет 5 – 7 %. Сочетание удовлетворительных прочностных свойств и высокой пластичности основного металла и сварного соединения, высокая коррозионная стойкость.

Влияние химического состава и условий обработки слитков на свойства листов.

Основное влияние на механические свойства листов из сплава Al-Mg оказывают магний и марганец. Каждый 1% Mg увеличивает предел прочности на 3-3,5 кгс/кв.мм, а также 0,1% Mn на 0,5-0,7 кгс/кв.мм. Относительное удлинение при указанном повышении прочности остается высоким. В значительно меньшей степени эти легирующие компоненты повышают предел текучести. Поэтому для получения холоднокатаных листов в отожженном состоянии со значениями предела текучести, указанными в табл.2, содержания марганца и магния в сплавах АМг2, целесообразно поддерживать ближе к верхнему пределу.

Механические свойства листов из сплава Амг2 по ТУ. Таблица 2

Основное назначение титана во всех сплавах Al-Mg – модифицирование структуры. Легирование сплавов – марганцем, хромом, и титаном способствует получению листов с мелкозернистой структурой и улучшает их коррозионную стойкость и свариваемость. Медь и неизбежные примеси железа и кремния снижают коррозионную стойкость

Слитки из сплава Амг2 гомогенизируют при температуре 400-480°С в течение 8-16ч. Рекомендуется увеличение температуры до 480-500°С при сокращении времени выдержки до 3-6 ч. Более длительные выдержки при таких температурах вызывают снижение прочностных свойств.

Изменение температуры нагрева заготовок под горячую прокатку в интервале 430-490°С и времени нагрева от 6 до 10 часов не оказывает заметного влияния на свойства холоднокатаных отожженных и нагартованных листов.

Влияние отжига и холодной деформации на св-ва листов из сплавов АМг2

По существующей технологии отжиг листов из сплавов Al – Mg производят в рулонах. Отжиг горячекатаных и холоднокатаных рулонов сплавов АМг2 диктуется преимущественно технологическими свойствами и необходимостью обеспечения высокого сопротивления коррозии под напряжением. Рулоны и листы отжигают как после горячей прокатки, так и на всех последующих операциях в определенном интервале температур. Режим отжига рулонов и листов в печах с принудительной циркуляцией воздуха приведены в табл.3.

Режимы отжига листов и рулонов из сплавов АМг2 Таблица 3.

Лучшие антикоррозийные свойства обеспечиваются при медленном нагреве до температуры отжига и последующим медленном охлаждении. Нагрев в селитре обеспечивает повышение прочностных свойств за счет измельчения структуры, но из-за быстрого охлаждения может снизиться сопротивление коррозии под напряжением в случае последующих низкотемпературных нагревов. Отжиг в этом интервале температур обеспечивает равномерный распад по сечению твердого раствора мелкозернистой β-фазы. Такое состояние структуры соответствует высокой коррозийной стойкости сплавов АМг2 .

Если полуфабрикаты из этих сплавов подвергнуть нагреву до температуры 350° С и выше, то магний, присутствующий в сплаве, перейдет в твердый раствор (на основе алюминия). Коррозионная стойкость сплава в таком состоянии также высокая. Если же в процессе эксплуатации или в процессе изготовления изделий они будут нагреваться в интервале температур 70-200° С, то сопротивление коррозионному разрушению под напряжением резко снизится. По границам зерен после указанных нагревов закаленного материала выпадает β-фаза. Эта фаза располагается в виде сплошной прослойки между зернами твердого раствора.

Учитывая, что сама β- фаза является анодом по отношению к твердому раствору Al-Mg (катод), в присутствии электролита эта электрохимическая пара (твердый раствор - β-фаза ) приведет к растворению β-фазы, а следовательно, и к возможному разделению зерен твердого раствора (межкристаллитная коррозия). При сравнительно глубоком коррозионном поражении материала, находящегося под напряжением, происходит его разрушение. Равномерный распад твердого раствора в результате полного отжига (310-335° С) исключает такое избирательное разрушение материала по границам зерен. Сравнительно длительный срок эксплуатации изделий, изготовленных из листового материала по указанной технологии, показал ее надежность.

В табл.4 приведены данные о влияние степени деформации на рекристаллизацию листов из сплава АМг2.

Влияние степени деформации и температуры отжига на степень рекристаллизации листов из сплава АМг2 таблица 4

Более высокий уровень прочностных свойств может быть получен для листов с неполной рекристаллизованной структурой, в частности после отжига при температурах 240-270° С. Однако такой отжиг может привести к ухудшению штампуемости, свариваемости, в некоторой степени коррозионной стойкости и других свойств листового материала.

Эффект закалки сплавов системы Al-Mg

Закалка алюминиевых сплавов основана на фиксации путем быстрого охлаждения концентрации твердого раствора, стабильного при более высокой температуре (выше границы растворимости легирующих элементов, но ниже линии солидуса).

Возможность получения эффекта упрочнения от закалки алюминиевых сплавов связана с наличием областей твердых алюминиевых растворов, концентрация которых меняется с изменением температуры.

Эффект закалки – упрочнение, связанное с образованием пересыщенного твердого раствора; характеризуется изменением механических и физических свойств в закаленном состоянии по сравнению с отожженным состоянием.

Зависит - от природы сплава (фазового состава, особенностей структуры сплава в исходном и закаленном состояниях, в том числе от числа и распределения точечных дефектов,

дислокаций), условий закалки, предшествующей термической и механической обработки и ряда других факторов.

Для пересыщенного твердого раствора магния в алюминии характерна высокая пластичность: относительное удлинение достигает порядка 40% при сравнительно высоком значении предела прочности (табл.5).

Механические свойства и эффект закалки сплавов АМг2

29-04-2015, 04:11