|
|
Цветные металлы и сплавы Мальцева Т.В. 2019. Учебное пособие мальцева татьяна викторовна
42
Глава1.Алюминийиегосплавы
В ранее действующих ГОСТах указанную систему маркировки использовали только применительно к вторичным сплавам, выплавляемым излома и отходов. Литейные сплавы, выплавляемые с использованием первичного алюминия, обозначали буквами АЛ и цифрами, указывающими условный номер сплава. Эти старые марки в табл. 1.11 приведены в скобках. Разновидности термической обработки литейных алюминиевых сплавов имеют свои условные обозначения Т — искусственное старение без предварительного нагрева под закалку Т — отжиг Т — закалка Т — неполное искусственное старение Т — полное искусственное старение Т — стабилизирующее старение.
Обработка по режиму Т возможна в тех случаях, когда при ускоренном охлаждении отливки по окончании ее затвердевания, например при литье тонкостенных деталей в кокиль, образуется пересыщенный твердый раствор. Такая обработка экономически эффективна, но упрочнение при старении невелико, так как из‑за дендритной ликвации сердцевина дендритных ячеек имеет низкую концентрацию легирующих элементов. Обработке по режиму Т наиболее целесообразно подвергать детали, полученные литьем под давлением. Такие детали, как правило, нельзя закаливать из‑за того, что при нагреве под закалку на их поверхности образуются вспучивания в результате расширения газа, захваченного при литье под давлением. Отжиг отливок режим Т) применяют для уменьшения литейных напряжений. Температура такого отжига около 300 °C, выдержка 2–4 ч.
Закалку без последующего искусственного старения (режим Т) применяют в тех случаях, когда необходима повышенная пластичность при прочности меньшей, чем после искусственного старения, или же повышенная стойкость против коррозии.
Обработка по режиму Т включает закалку и полное искусственное старение, те. старение для достижения максимального упрочнения.
Обработка по режиму Т состоит из закалки и неполного искусственного старения, те. старения при температуре более низкой, чем при обработке по режиму Т. Цель такой обработки — обеспечить повышенную пластичность (по сравнению с обработкой Т6).
Режим Т — это закалка и стабилизирующее старение (перестари‑
вание), проводимое при температуре более высокой, чем по режиму Т для стабилизации свойств и размеров деталей 431.4.Литейныеалюминиевыесплавы Время выдержки при нагреве под закалку разных сплавов колеблется от 2 до 16 ч. Детали, отлитые в песчаную форму, по сравнению с кокильными отливками имеют более грубую структуру, поэтому их большее время выдерживают при температуре закалки. Чем больше сечение отливки, тем грубее ее структура и больше время выдержки под закалку, необходимое для растворения избыточных фаз. Нагрев под закалку может быть двухступенчатым. На первой ступени в массивных частях отливки рассасывается наиболее легкоплавкая эвтектика, после чего, не опасаясь пережога, можно поднять температуру закалки для более полного растворения избыточных фаз. Отливки закаливают в холодной воде. Для уменьшения закалочных напряжений воду подогревают до 80–100 В табл. 1.12 в качестве примера приведены режимы термообработки и свойства некоторых литейных сплавов в разных состояниях. Таблица Режимы термической обработки и гарантируемые свойства литейных алюминиевых сплавов
Марка сплава
Способ литья Вид термо‑
обработки
Закалка
Старение в, МПа d, Т, Сч Т, Сч АК12Д160 1,0
АК9
З, В, К, Д
К, Д
К
–
Т1
Т6
–
–
535
–
–
2–6
–
175 175
–
5–17 10–15 160 200 250 1,0 0,5 1,0
АК9ч
ЗМ, ВМ
Т6 535 2–6 175 10–15 230 3,0
АК7ч
З, В
З, В
ЗМ, ВМ
ЗМ, ВМ
Т4
Т5
Т6
Т7 535 535 535 535 2–6 2–6 2–6 2–6
–
150 200 225
–
1–3 2–5 3–5 180 200 230 200 4,0 2,0 1,0 2,0
АК5М
З, ВТ 515 525 3–5 1–6 175 5–10 200 1,0
АК8М3ч
К
Д
Т5
–
510
–
4–6
–
160
–
6–12
–
400 300 4,0 2,0
АМ4,5Кд
К
Т6 535 545 5–9 5–9 170 6–10 500 4,0
АМг10
З, К
Т4 430 20
–
–
320 12
* З — литье в песочные (земляные) формы В — литье по выплавляемым моделям К — литье в кокиль Д — литье под давлением М — модифицирование
44
Глава1.Алюминийиегосплавы
Отливки можно дополнительно упрочнить с помощью высокотемпературной газостатической обработки
(ВГО). Их помещают в специальный газостат, где они при повышенной температуре и давлениях до 100 МПа (1000 ат) подвергаются всестороннему сжатию. Такое сжатие практически не изменяет формы и размеров детали по окончании ВГО. В тоже время вблизи внутренних микропустот усадочного происхождения условие всестороннего равномерного сжатия нарушено и происходит локальная пластическая деформация, приводящая к залечиванию микронесплошностей. ВГО может повысить s в на 20 %, ациклическую долговечность — на один–два порядка. Из‑за высокой стоимости газостатов ВГО целесообразно применять только для обработки особо ответственных литых деталей. Упрочняющую термообработку, естественно, применяют после ВГО.
Силумины
Наиболее широко используемые алюминиевые сплавы для фасонного литья — силумины — сплавы на основе системы А. Эвтектика в системе А (см. рис. 1.2) сравнительно пластична. Поэтому силумины для обеспечения высоких литейных свойств могут содержать много эвтектики. Эвтектика состоит из раствора кремния в алюминии и раствора алюминия в кремнии, который при анализе силуминов обычно рассматривают как практически чистый кремний. Под световым микроскопом на шлифе эвтектика выглядит в виде светлой матрицы — раствора и изолированных иголок кремния (риса б в
Рис. 1.10. Микроструктура модифицированного доэвтектического — а, эвтектического — б и заэвтектического — в силумина (×250): а
— первичные кристаллы и эвтектика α+Si; б — эвтектика α+Si; в — первичные кристаллы кремния и эвтектика α+Si
451.4.Литейныеалюминиевыесплавы В действительности эти иголки являются сечениями тонких пластин, образующих непрерывный кремниевый каркас эвтектической колонии. Эвтектика Al–Si относится к числу аномальных колонии эвтектики на шлифе не видны. Пластинчатая форма кремния в эвтектике обусловливает низкие механические свойства силумина. Для повышения и прочности, и пластичности силумины модифицируют добавкой 0,01 % Na, который вводят замешиванием в расплав его галоидных солей, например смеси 2/3 NaF и 1/3 NaCl (1–2 % от массы расплава. Под действием натрия кремний в эвтектике кристаллизуется в форме сильно разветвленного скелета с тонкими ветвями волокнистой формы, которые наиболее отчетливо выявляются с помощью растрового электронного микроскопа после избирательного вытравливания на шлифе алюминиевого твердого раствора (риса. Сечения этих ветвей в плоскости шлифа под световым микроскопом имеют внутри эвтектики глобулярный или точечный вид (рис. 1.11, баб Рис. 1.11. Микроструктура модифицированного натрием доэвтектического силумина АК9ч: а — РЭМ (×1000), изображение во вторичных электронах после глубокого вытравливания на шлифе алюминиевого раствора (фаза — темная, эвтектический кремний — светлый б — световая микроскопия (×250, фаза — светлая, эвтектический кремний — тем‑ ный) Большие округлые темные участки на риса и светлые на рис. 1.11, б это сечения ветвей дендритов первичного раствора кремния в алюминии в доэвтектическом силумине. Натрий не влияет на форму и размеры первичных кристаллов. Несмотря на то, что указанный способ модифицирования силумина был предложен еще в 1920 г, до сих пор природа модифицирования не установлена. Одна 46Глава1.Алюминийиегосплавы из последних гипотез сводится к следующему атомы натрия адсорбируются на поверхности растущего кремния и способствуют образованию на ней множества двойников, которые и обусловливают сильное разветвление кремния в эвтектических колониях. В качестве модификатора более выгодно вместо натрия использовать добавку 0,1 % Sr. Под действием этой добавки кремний в эвтектике кристаллизуется в виде тонкоразветвленных дендритов. Модифицирующее действие натрия из‑за его выгорания не сохраняется при переплаве, поэтому натрий необходимо вводить в расплав непосредственно перед литьем деталей на машиностроительном заводе. Вот личие от этого модифицирующее действие стронция не исчезает при переплаве, поэтому стронций можно вводить в силумин при его выплавке на металлургическом заводе. Поскольку повышение механических свойств при модифицировании связано с изменением формы кремния в эвтектике, то чем больше эвтектики в силумине, тем сильнее влияние модифицирования на его свойства. При содержании кремния в силумине менее 5 % модифицирование обычно не применяют. Переход от пластинчатой формы кремния в эвтектике силумина кво локнистой происходит также при увеличении скорости кристаллизации в тонкостенных кокильных отливках и деталях, отлитых поддав лением, эвтектика и без добавки натрия имеет модифицированный вид. Силумины всегда содержат примесь железа. Если содержание железа такое, что на диаграмме состояния Al–Si–Fe (см. рис. 1.12) состав силумина находится выше линии РЕ, то первично кристаллизуется соединение FeSiAl 5 (фаза. В соответствии сходом линии Р2 Епервичные кристаллы FeSiAl 5 образуются при содержании железа более 0,8 % в силумине эвтектического состава и при большей концентрации железа — в доэвтектических силуминах. Первичные кристаллы FeSiAl 5 имеют форму длинных тонких пластин (см. риса, нашли фе — иглы. При более низком содержании железа (см. рис. 1.9 — ниже линии Р2 Е)соединение FeSiAl 5 образуется только в составе двойной и тройной эвтектик в виде коротких пластинок. Длинные пластины первичных кристаллов FeSiAl 5 сильно снижают пластичность силуминов. Для ее повышения в силумины вводят марганец (0,2–0,6 %), который образует железомарганцовистую фазу (Fe, Mn) 3 Si 2 Al 15 , кристаллизующуюся в скелетообразной форме в составе эвтектики (см. рис. 1.13, б
47
1.4.Литейныеалюминиевыесплавы
Al
Si, %
4 8
12 4
e
1 8
576°
b
Fe
, %
FeAl
3
e
2
Si
E
630°
612°
P
1
P
2
Al Рис. 1.12. Проекция поверхности ликвидуса системы Al–Si–Fe
а б
Рис. 1.13. Микроструктура модифицированного натрием доэвтектического силумина с иглами FeSiAl
5
— аи скелетной железомарганцовистой фазой
(Fe, Mn)
3
Si
2
Al
15
— б, Иногда эта скелетная фаза эвтектики похожа на иероглифы, и такую структурную составляющую называют китайский шрифт. При большем содержании марганца соединение (Fe, Mn)
3
Si
2
Al
15 первично кристаллизуется из расплава в виде компактных граненых кристаллов, что тоже способствует повышению пластичности, если эти кристаллы достаточно мелкие.
Из диаграммы состояния, представленной на рис. 1.2, следует, что сплавы системы Al–Si можно подвергать закалке на пересыщенный
48Глава1.Алюминийиегосплавы кремнием алюминиевый твердый раствори старению, но, как показывает эксперимент, эффект упрочнения при старении очень мал. Последнее объясняется тем, что кремний не выделяется из алюминиевого твердого раствора в достаточно дисперсной форме. Вместе стем в системе Al–Si не образуются и интерметаллиды, полукогерентные дисперсные выделения которых в пересыщенном алюминиевом растворе могли бы существенно упрочнить сплав. Для образования таких фаз‑ упрочнителей в силумины вводят добавки магния (десятые доли процента) и меди (до нескольких процентов). В литых сплавах магний связан в силицида медь может входить в состав СuА1 2 и фазы (С. Все эти фазы входят в эвтектики, чаще всего вырожденные, и располагаются по границам дендритных ячеек алюминиевого твердого раствора. При анализе термической обработки все промышленные силу‑ мины можно рассматривать как сплавы систем Al–Si, Al–Si–Mg и С. Вовремя нагрева под закалку в термически упрочняемых силуминах протекают следующие процессы. Во‑первых, увеличивается концентрация кремния, магния и меди в твердом растворена основе алюминия в результате частичного растворения в нем эвтектического кремния, частичного или полного растворения Mg 2 Si, CuAl 2 и фазы. Во‑вторых, кремний, который в эвтектических колониях образует непрерывный пространственный каркас, фрагмен‑ тируется и его фрагменты коагулируют, образуя частично скругленные включения в матрице алюминиевого твердого раствора (риса б Рис. 1.14. Форма эвтектического кремния в немодифицированном силумине АК9ч после литья — аи нагрева под закалку до 550 Сч б РЭМ, изображение вот раженных электронах после глубокого вытравливания на шлифе алюминиевого раствора (эвтектический кремний — светлый, фаза — темная 491.4.Литейныеалюминиевыесплавы Эти процессы аналогичны процессам образования сфероидизиро‑ ванного цементита при отжиге заэвтектоидной стали. Железосодержащие игольчатые и скелетные фазы из‑за их малой растворимости в алюминиевом твердом растворе при нагреве под закалку форму обычно не изменяют. Образование компактных изолированных включений кремния, распределенных в матрице из алюминиевого раствора, объясняет, почему закалка силуминов приводит к повышению прочности s в ив несколько раз относительного удлинения При искусственном старении из пересыщенного алюминиевого раствора вначале выделяется промежуточная фаза β (Mg 2 Si), а затем при наличии меди в силумине — фаза S ў (CuMgAl 2 ), которые и обеспечивают упрочнение при старении. Сплав АК12 — единственный промышленный силумин без специальных добавок (см. табл. 1.11). Интервал концентрации кремния в этом силумине (10–13 %) включает эвтектический состав. При модифицировании натрием сплав становится до‑ эвтектическим: он содержит эвтектику и первичные кристаллы алюминиевого раствора. Этот силумин обладает наилучшими литейными свойствами и его применяют в крупносерийном производстве мало‑ нагруженных деталей, в частности получаемых литьем под давлением. При кокильном литье и литье под давлением содержание примеси железа в этом и других силуминах более высокое, чем при литье в песчаные формы и по выплавляемым моделям (см. табл. 1.11). Это обусловлено тем, что при кристаллизации с большой скоростью при литье в кокиль и под давлением измельчаются железосодержащие фазы и тем самым ослабляется их вредное влияние на механические свойства. При литье под давлением даже полезно поддерживать повышенную концентрацию железа в силумине для предотвращения прилипания (приваривания) отливки к стальной пресс‑форме. Термически упрочняемые силумины АК9, АК9ч, АК9пч, АК7, АК7ч и АК7пч (см. табл. 1.11 и 1.12), относящиеся к системе Al–Si–Mg, имеют хорошие литейные свойства и прочность, позволяющие использовать их для отливки средненагруженных деталей разными способами. Многие детали из этих силуминов благодаря хорошей герметичности работают в пневмо‑ и гидросистемах (не дают течи под давлением воздуха, воды или масла. Высокая герметичность обусловлена узким интервалом кристаллизации и большим количеством эвтектики. Термически упрочняемые медистые силумины АК5М и АК5М2 см. табл. 1.11 и 1.12) относятся к системе С. Добавки
50
Глава1.Алюминийиегосплавы
меди повышают теплопрочность и улучшают обрабатываемость резанием, но снижают пластичность и коррозионную стойкость.
Сплав АК8 М3ч — наиболее прочный из всех силуминов (см. табл. 1.11 и 1.12). Он дополнительно легирован цинком и малыми добавками титана, бора и бериллия. Цинк входит в твердый раствори упрочняет сплава титан совместно сбором измельчает зерно. Бериллий связывает примесь железа в компактные кристаллы Fe
2
Be
5
Al
4
, предотвращая образование пластин FeSiAl
5
, благодаря чему повышаются пластичность и вязкость разрушения. Этот сплав используют для изготовления наиболее нагруженных, в том числе и герметичных деталей литьем в кокиль, под давлением и жидкой штамповкой.
Особую группу составляют поршневые сплавы. Сплав для поршней двигателей внутреннего сгорания должен быть жаропрочным (днище поршня может разогреваться до 350 °C), иметь низкий температурный коэффициент линейного расширения, обладать размерной стабильностью и износостойкостью. Этими качествами обладает медистый силумин АК12М2МгН с повышенным содержанием магния и добавкой никеля (см. табл. 1.11). Высокое содержание кремния (сплав близок к эвтектическому составу) обеспечивает хорошие литейные свойства и низкий коэффициент линейного расширения. Жаропрочность обеспечивают добавки меди, никеля и магния, образующие большое количество интерметаллидов эвтектического происхождения (Сг, Ni)
2
Al
3
, Си. После литья поршни подвергают стабилизирующему старению прич без предварительной закалки (режим Т. Основная фаза‑упрочнитель при старении —
β (Для изготовления поршней автомобильных двигателей используют также заэвтектический силумин АК21 МН (см. табл. 1.11). Основное отличие структуры этого сплава от структуры других силу‑
минов — первичные кристаллы кремния. Благодаря очень высокому содержанию кремния (21 %) заэвтектический силумин отличается от других силуминов более низким температурным коэффициентом линейного расширения, что весьма ценно для поршневого сплава. Недостаток заэвтектического силумина — низкая пластичность и нестабильность эксплуатационных свойств из‑за образования крупных первичных кристаллов кремния. Для их измельчения и более равномерного распределения используют малую добавку фосфора. Предполагают, что образующиеся многочисленные дисперсные частички
511.4.Литейныеалюминиевыесплавы фосфида алюминия, изоморфные кристаллам кремния, служат для них зародышами. Значительная часть силуминов является вторичными сплавами их выплавляют излома и отходов. Такие силумины, как правило, отличаются повышенным содержанием железа и других металлических примесей. Особенно важно, что вторичные сплавы, по сравнению спер вичными, содержат значительно больше неметаллических включений оксидов и др) и водорода, обусловливающего газовую пористость. В результате вторичные сплавы имеют более низкую пластичность, чем первичные (см, например, табл. 1.11 и 1.12 — вторичный сплав АК9 и первичный сплав АК9ч). Сплавы на основе системы Аl–
|
|
|
Скачать 7.2 Mb.