Технологии » 2011 » Август » 18 » Влияние Fe на литейные свойства алюминиевого сплава
03:31
Влияние Fe на литейные свойства алюминиевого сплава

Алюминиевые сплавы.
Алюминий - светло-серебристый металл, имеющий кристаллическую решетку гранецентрированного куба с периодом 4,0413Å.

Не испытывает полиморфных превращений.
У некоторых металлов в твердом состоянии в зависимости от температуры нагревания, скорости охлаждения или изменения давления в пределах твердого состояния изменяются форма и периоды кристаллических решеток.
Такие изменения называют полиморфными превращениями.
Они протекают при постоянной температуре и сопровождаются поглощением или выделением тепла. Изменившееся строение кристаллической решетки при полиморфном превращении, которое произошло при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой а, при более высокой - буквой р, при дальнейшем повышении температуры у и т. д.
 
Полиморфные превращения наблюдаются у многих металлов и могут быть обратимыми в зависимости от изменения температуры и давления в пределах твердого состояния.
Например, известны полиморфные превращения у железа.
Полиморфные превращения можно обнаружить термическим методом, который заключается в следующем. В тигель с расплавленным металлом помещают соединенный с самопишущим температурно-измерительным прибором (потенциометром, осциллографом) термоэлектрический термометр.
Расплав медленно охлаждают. Прибор записывает кривую охлаждения в координатах «температура - время охлаждения». Точки перегиба на кривой будут соответствовать полиморфным превращениям.
 
Полиморфные превращения сопровождаются изменением в твердом состоянии структуры металлов и сплавов, при этом изменяются их механические, физические и химические свойства. Такое явление широко используется в технике, например при термической обработке металлов и сплавов.
Так, при закалке стальных или чугунных изделий в результате быстрого охлаждения происходит полиморфное превращение, при котором резко возрастает твердость сплавов.
Изменение в твердом состоянии структуры металлов и сплавов в результате перемены внешних условий (температуры, давления в пределах твердого состояния) называют перекристаллизацией. При перекристаллизации очень часто изменяется объем вещества, а следовательно, и плотность металла.
Алюминий - легкий металл, его удельный вес 2,703 г/см3 при 20ºС.
В связи с этим алюминий является основой сплавов для легких конструкций, например в авиационной технике.
Алюминий обладает высокой электропроводностью (65% от меди), поэтому алюминий в большом объеме используется в качестве проводниковых материалов в электротехнике. Чистый алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью в связи с образованием на его поверхности стойкой и плотной окисной пленки Al2O3. Это свойство сохраняется и во многих сплавах, содержащих алюминий в виде легирующих элементов.
Примеси, присутствующие в алюминии, понижают его пластичность, электро-и теплопроводность, снижают защитное действие пленки.
В технически чистом алюминии в качестве примесей могут находиться, в основном, Fe и Si.

Железо очень мало растворимо в алюминии, и уже при тысячных долях процента при низких температурах появляется новая фаза FeAl3.
Эта фаза, как считают в последнее время, является одной из виновниц высокой устойчивости и наследственности литой структуры алюминия и его сплавов, когда дендритное строение можно наблюдать даже после очень больших степеней пластической деформации (50-90%) и последующего рекристаллизационного отжига.
Железо уменьшает электропроводность и химическую стойкость чистого алюминия.

Кремний в алюминии вместе примесями железа образует эвтектику из твердого раствора на основе алюминия и кристаллов FeSiAl5, которая имеет форму китайских иероглифов.
Для нейтрализации вредного влияния железа сплавы легируют марганцем, за счет чего в сплавах формируется соединение (Fe, Mn)3Si2Al15, которое первично кристаллизуется из расплава в виде компактных ограненных кристаллов, что способствует повышению пластичности, если эти кристаллы достаточно мелкие. Хром также вводят в силумины для нейтрализации отрицательного влияния железа.
При небольших содержаниях кремния, (до 0,4%) он находится в твердом растворе. Отжигом можно перевести в твердый раствор до 1,3% Si.
Кремний является менее вредной примесью в алюминии, чем железо, хотя также как и железо, уменьшает пластичность, электропроводность, коррозионную стойкость сплавов.
 
Все литейные алюминиевые сплавы, указанные в ГОСТ 1583-93, в зависимости от химического состава подразделяют на пять групп:
  • I группа - сплавы на основе системы Al-Si. В нее входят сплавы марок АК12, АК13, АК9, АК9с, АК9ч, АК9пч, АК8л, АК7, АК7ч, АК7пч, АК10Су.
  • II группа - сплавы на основе системы Al-Si-Cu. В нее входят сплавы марок АК5М, АК5Мч, АК5М2, АК5М7, АК6М2, АК8М, АК5М4, АК8М3, АК8М3ч, АК9М2, АК12М2, АК12ММгН, АК12М2МгН, АК21М2,5Н2,5.
  • III группа - сплавы на основе системы Al-Cu. В нее входят сплавы марок АМ5, АМ4,5Кл.
  • IV группа - сплавы на основе системы Al-Mg. В нее входят сплавы марок АМг4К1,5М, АМг5К, АМг5Мц, АМг6л, АМг6лч, АМг10, АМг10ч, АМг11, АМг7.
  • V группа - сплавы на основе системы алюминий - прочие компоненты. В нее входят сплавы марок АК7Ц9, АК9Ц6, АЦ4Мг.
Кремний является одним из основных легирующих элементов в литейных алюминиевых сплавах (силуминах).
Силумины обычно содержат от 5 до 14% Si, т.е. на несколько процентов больше или меньше эвтектической концентрации. Эти сплавы обычно имеют грубую игольчатую эвтектику, состоящую из ( + Si)э и первичные кристаллы. Типичным силумином является сплав АЛ2 (АК12) с содержанием 10-13% Si.
В литом состоянии он состоит в основном из эвтектики и некоторого количество избыточных кристаллов кремния. Механические свойства такого сплава очень низки: предел прочностив = 120 - 160 МПа при относительном удлинении 1%.
Однако эти сплавы обладают очень важными свойствами, которые с трудом удается достичь в других более прочных сплавах: высокой жидкотекучестью, свариваемостью. Они имеют малую усадку при литье, в связи с чем становится низкой их склонность к образованию усадочных трещин.
Силумины, вследствие малого различия по растворимости кремния при высокой и низкой температуре, практически не упрочняются термической обработкой, поэтому важнейшим методом улучшения его механических свойств является модифицирование.

Модифицирование осуществляется обработкой жидкого силумина небольшими количествами металлического натрия или солями натрия.
При модифицировании происходит значительное измельчение частичек эвтектической смеси, что связывают со способностью натрия обволакивать образовавшиеся зародыши кремния и тормозить их рост.
Кроме того, в процессе модифицирования отмечено некоторое переохлаждение, соответствующее протеканию эвтектического превращения, а эвтектическая концентрация сдвигается вправо.
Таким образом, заэвтектические сплавы, лежащие несколько правее эвтектической точки, после модифицирования оказываются доэвтектическими.

Структура сплава после модифицирования оказывается состоящей из избыточных кристаллов - твердого раствора и очень дисперсной, практически точечной эвтектики.
Механические свойства после модифицирования АЛ2 (АК12) составляют:
σв = 170 - 220 МПа, при δ = 3 - 12%.

Обладая высокими литейными свойствами, силумины являются основным исходным материалом для создания технологичных и, в то же время, высокопрочных литейных алюминиевых сплавов, которые могут подвергаться упрочняющей термической обработке.
При создании таких сплавов используют дополнительное легирование силуминов с целью образования в структуре силумина новых фаз, способных приводить к упрочнению при термической обработке.
В качестве таких элементов применяют Mg, Cu и Mn.
На основе такого легирования в настоящее время созданы и используются литейные алюминиевые сплавы: АЛ4 (9% Si, 0,25% Mg и около 0,4% Mn) и АЛ5 (5% Si, 1,2 Cu и 0,5% Mg).
Прочность этих сплавов после закалки и старения оказывается выше 200-230 МПа при удлинении 2-3%. Эффект упрочнения сплавов при закалке и старении объясняется образованием при старении зон Гинье-Престона и промежуточных фаз сложного состава, отличающихся по составу и кристаллической решетке от равновесной, например Mg2Si, и когерентных с твердым раствором своими кристаллическими решетками.
Эти сплавы в связи с более высокой температурой солидуса по сравнению с силуминами, являются более жаропрочными сплавами.

Литейными высокопрочными алюминиевыми сплавами являются сплавы системы Al-Mg (АЛ-23, АЛ-27).
Эти сплавы содержат 6-13% Mg.
Прочность этих сплавов в закаленном и состаренном состоянии может достигать значений 300-450 МПа при = 10-25%.
К преимуществам этих сплавов относятся: высокая коррозионная стойкость в атмосферных условиях и при действии морской воды.
Механические свойства после модифицирования АЛ2 (АК12) составляют:
σв = 170 - 220 МПа, при δ = 3 - 12%.

Однако эти сплавы имеют следующие недостатки: повышенная склонность к окислению в жидком состоянии; повышенная чувствительность к примесям Fe, в результате образования нерастворимых соединений Al, Mg с Fe происходит: 
• значительное снижение пластичности;
• повышенная склонность сплавов к хрупкому разрушению при длительном действии внутренних или внешних напряжений на твердый раствор сплава;
• большая склонность к резкому снижению прочностных характеристик при совместном действии нагрузок и температуры;
• большая склонность к понижению механических свойств по мере увеличения сечения стенок деталей.

Деформируемые алюминиевые сплавы (ГОСТ 4784-74) подразделяются на термически не упрочняемые и термически упрочняемые.
В зависимости от назначения и требований в отношении механических, коррозионных, технологических, физических и других свойств деформируемые сплавы разделяют на сплавы : высокой, средней и малой прочности, жаропрочные, криогенные, ковочные, заклепочные, свариваемые, со специальными физическими свойствами, декоративные.

Все применяемые в промышленности сплавы можно также разделить по системам, в которых основные легирующие элементы будут определять типичные для данной системы физические и химические свойства.

Среди термически упрочняемых деформируемых сплавов необходимо выделить следующие основные группы:
а) Двойные сплавы Al-Cu.
б) Дуралюмины (на основе Al-Cu-Mg-Mn).
в) Жаропрочные сплавы (на основе Al-Cu-Mg-Ni).
г) Высокопрочные сплавы (типа В95 на основе Al-Zn-Mg-Cu-Mn).

К термически не упрочняемым относятся сплавы Al-Mg (с небольшим соединением магнием (до 5-6%) (АМг-3, АМг6, АМг5В и т.д.) и марганца (Амц).
Характерная особенность сплавов - высокий предел текучести, близкий по своему значению к пределу прочности материала, и пониженная пластичность.
Сплавы отличаются чувствительностью к надрезам и перекосам, характеризуются пониженной выносливостью при повторно-статических нагрузкам, а также чувствительны к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Железо понижает пластичность и способствует растрескиванию полуфабрикатов при деформации.
Небольшое количество железа (0,2-0,25%) в присутствии кремния не оказывает отрицательного влияния на механические свойства сплавов, значительно уменьшает склонность к трещинообразованию при литье и сварке.
Максимальные значения прочностных свойств достигаются при содержании железа 1,6%.
При других концентрациях железа и никеля максимальные значения прочностных свойств, обнаруживаются при соотношении железа и никеля, равном примерно 1:1.
Железо и никель образуют тройное соединение FeNiAl9, которое уменьшает возможность образования нерастворимых соединений AlCuFe и AlCuNi, что увеличивает концентрацию меди в твердом растворе.
С увеличением содержания фазы FeNiAl9 в сплаве повышается эффект термической обработки. Фаза FeNiAl9 улучшает обычные характеристики механических свойств и жаропрочность сплава.
 
Влияние легирующих добавок на алюминиевые сплавы.
 
Кремний.
• Улучшает литейные свойства
• Способствует в связанном с магнием состоянии дисперсному твердению.
• Вызывает появление серых пятен при анодировании.
• В чистых Al-Cu сплавах, например в сплавах AlCu4Ti кремний • вредная примесь, приводящая к склонности и образованию горячих трещин.
 
Медь.
• Увеличивает прочность, в т.ч. при высоких температурах
• Способствует дисперсному твердению.
• Снижает коррозионную стойкость.
• Бинарные сплавы Al-Cu интервалы затвердевания.
 
Магний.
• Способствует в связанном с кремнием, медью или цинком дисперсному твердению (старению), а с цинком и самостоятельному твердению.
• Улучшает коррозионные свойства.
• Увеличивает склонность к окислению и насыщению водородом.
• Бинарные Al-Mg сплавы из-за большого интервала кристаллизации тяжело льются.
 
Железо.
• Превышение его содержания свыше 0,2% оказывает негативное влияние на прочность при растяжении (относительное удлинение).
Это объясняется высокой хрупкостью соединений Al-Fe (Si), которые имеют пластинчатую форму (под микроскопом видны в виде игл).
Эти пластинки способствуют структурному разделению сплава, что приводит при испытаниях деформацией к разрушению.
 
При содержании железа в пределах 0,4% - 1,2% снижается прилипаемость к форме при литье под давлением.
 
Цинк.
• Увеличивает прочность.
• Способствует в месте с магнием дисперсному самостарению.
 
Марганец.
•Компенсирует вредное влияние железа (>0,15%) на пределы прочности на растяжение и относительное удлинение.
 
Никель.
• Усиливает жаропрочность.
 
Наилучшие результаты в части качества алюминиевых сплавов достигаются, когда легирующие компоненты близки к верхним уровням интервалов содержаний по стандартам, а примеси к нижним.

 

   
Литература: 1.Г.С. Ершов, Ю.Б. Бычков. Высокопрочные алюминиевые сплавы на основе вторичного сырья. М. Металлургия 1979 г. 192 с. 2.Aluminium Guslegierungen. VDS.Dusseldorf. 1988 j. s.173 3.Г.Г. Крушенко – в кн.: Свойства сплавов в отливках. М., «Наука»,1975, с. 53-56 с ил. 4.Б.А. Баум, Г.В. Тягунов, Г.А. Хасин – в кн.: Свойства сплавов в отливках. М., «Наука», 1975, с.166-169 с ил. 5.М.Б. Гохштейн, А.И. Морозов – «Производство алюминия». М., «Металлургия», 1970 (ВАМИ. Сб. № 7), с.118-124 с ил. 6.В.А. Кудрин, Г.Н. Еланский, В.К. Бабич – «Проблемы стального слитка». Сб. № 6. М., «Металлургия», 1976,с. 27-31 с ил. 7.Б.А. Баум, Г.В. Тягунов, Г.А. Хасин – «Проблемы стального слитка». Сб. № 6. М., «Металлургия», 1976,с. 37-41 с ил. 8.А.Г. Спасский, Г.Г. Крушенко, О.П. Довцов – «Литейное производство», 1965, № 6, с. 32-33 с ил.
   
Категория: Литейное производство | Просмотров: 2491 | Добавил: semglass | Теги: алюминий, пластичность, железо, прочность
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *: