Закалка деталей из алюминиевых сплавов в жидком азоте

Е. Г. ИЛЬЮШКО, А. С. БЕДАРЕВ
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 1. 1968 г.

Целью настоящей работы явилось изучение влияния криогенных закалочных сред на коробление и механические свойства деталей из алюминиевых сплавов.

Образцы из сплава Д16АМ после нагрева до 500 °С и выдержки в зависимости от толщины закаливали в жидком азоте. Нагревали образцы в воздушно-закалочных агрегатах. Для уменьшения испарения жидкий азот заливали в бак с двойными стенками. Для сравнения образцы после нагрева охлаждали в воде при 20 °С, в кипящей воде и на воздухе. После закалки и естественного старения определяли величину коробления и исследовали механические и коррозионные свойства образцов. Листовые образцы из сплава Д16АМ имели размеры 500×140×1,2 и 300×30×(1÷5) мм.

Исследования показали, что средняя величина стрелы прогиба образцов, закаленных в жидком азоте, составляет примерно 1,5 мм, в то время как аналогичные образцы, закаленные в воде, имели стрелу прогиба в среднем 50 мм.

Таким образом, коробление образцов, закаленных в жидком азоте, уменьшается более чем в 30 раз. Такое значительное уменьшение коробления при закалке алюминиевых деталей в жидком азоте по сравнению с закалкой в воде объясняется различными механизмами охлаждения детали [1, 2].

Скорость охлаждения любого материала зависит от теплоемкости охлаждающей жидкой среды. При охлаждении в воде она неравномерно испаряется при соприкосновении с деталью; в результате скорость
передачи тепла между участками детали, находящимися в непосредственном контакте с водой, и соседними участками — в контакте с водяным паром — неодинакова. Различная скорость охлаждения вызывает неодинаковые степени сжатия материала при закалке и закалочные напряжения и, как следствие, деформацию материала.

При закалке в жидком азоте на детали образуется непрерывная пленка в виде газообразного азота.

Жидкий азот имеет более низкую теплоту парообразования по сравнению с водой. Так, если для воды удельная теплота испарения составляет 539 кал/г, то для азота она равна 47 кал/г, т. е. примерно в 10-11 раз меньше.

Следовательно, стадия образования газообразной рубашки гари закалке в жидком азоте не прерывается, вследствие чего достигается равномерное охлаждение поверхности и сечения детали на протяжении всего цикла охлаждения, что и предопределяет получение деталей с минимальной деформацией.

Материал	Толщина металла в мм	σВ в кГ/мм2	δ в %	σВ в кГ/мм2	δ в %	σВ в кГ/мм2	δ в %
		по ГОСТу и АМТу		После закалки в воде		После закалки в жидком азоте
Д16АМ, лист	0,47	42	13	45	21	45	21
	0,75			46	19	46	20
	1,15			45	20	45	22
	1,50			45	20	45	21
	1,90			47	19	46	21
	2,50			45	19	45	20
	2,9	44	11	44	18	45	18
	3,8			45	19	45	18
	4,8			46	14	44	17
Д16АМ, профиль	2,11	40		—	—	45	21
	3,13					47	17
	4,12					46	20

Исследования показали (ом. таблицу), что предел прочности и относительное удлинение незначительно отличаются от прочностных характеристик образцов, закаленных в воде, и находятся в пределах требований ГОСТа. Это соотношение справедливо для образцов с толщиной стенки до 5 мм. При толщине же стенки больше 5 мм прочностные характеристики образцов, закаленных в жидком азоте, начинают
уменьшаться, что связано с меньшей скоростью охлаждения в жидком азоте по сравнению со скоростью охлаждения в воде.

Рис.1. Кольцо Френча после разрезания.

Остаточную деформацию алюминиевых сплавов, закаленных с различными скоростями, определяли на кольцах Френча (рис. 1), вырезанных из плакированного листа толщиной 5 мм сплава Д16АМ одной плавки. Величину деформации определяли по изменению расстояния А между рисками после разрезки на фрезерном стайке с шириной прорези 2 мм. Первоначальное значение расстояния между рисками А было 10 мм. Образцы после нагрева при 500 °С и необходимой выдержки охлаждали в воде
при 20 °С, в кипящей воде, в жидком азоте и на воздухе.

По 10 колец Френча охлаждали в каждой среде. Средние значения деформаций после охлаждения в различных средах показаны на рис. 2.

Рис.2. Деформация колец Френча после закалки в различных средах: а — в воде при 20 °С; б — в воде при 90 °С; в — в жидком азоте при -196 °С; г — на воздухе; 1 — минимальная деформация; 2 — максимальная деформация.

Максимальная деформация получается при охлаждении в воде при 20 °С, а минимальная — при охлаждении в жидком азоте и на воздухе.

Одновременно проводили исследования коррозии под напряжением
и межкристаллитной коррозии образцов, закаленных в жидком азоте и в воде при 20 °С. При исследовании коррозии под напряжением образцы в форме петли зажимали в приспособлении и выдерживали в 3%-иом растворе NaCl в течение 3 мес. После таких испытаний трещин на образцах не обнаружено. Признаков межкристаллитной коррозии у плакированных образцов, помещенных на 24 ч в раствор [30 г NaCl+10 мл НС1 (удельный вес 1,19)+ 1 л воды], также не было.

В микроструктуре образцов, закаленных в жидком азоте и в воде, видны равномерно распределенные частицы нерастворившихся вторых фаз, границы зерен α-твердого раствора четко очерчены, однако после закалки в жидком азоте зерна несколько увеличены.

Была проведена закалка в жидком азоте и в воде ребристых панелей из Д16АМ размером 1000×Х700 мм с толщиной стенки 2,5 мм и высотой ребра 25 мм.

После закалки в жидком азоте у панели отсутствовало коробление, а панель, закаленная в воде, имела коробление, трудно исправимое рихтовкой.

Вывод. Закалка тонкостенных деталей из алюминиевых сплавов в жидком азоте при -196 °С позволяет уменьшить коробление до минимума без снижения прочности и коррозионной стойкости. Для деталей сечением до 5 мм из сплава Д16 прочностные характеристики, соответствующие требованиям
ГОСТа, могут быть получены закалкой в жидком азоте.

Список литературы:

1. Dullberg Е. «The SAE Journal», 1964 v. 72, № 8.
2. «Light Metals and Metal Industry», 1965 v. 28.