03:13 Алюминий и его сплавы. Влияние кремния на силумины. |
Алюминий – светло-серебристый металл, имеющий кристаллическую решетку гранецентрированного куба с периодом 4,0413 Å. Алюминий–легкий металл, его удельный вес 2,703 г/см3 при 20 ˚С.
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 с 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, 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.
Кремний является основным легирующим элементом, он придает высокую текучесть и низкую усадку, в результате у сплавов системы Al - Si хорошие литейные свойства и хорошая свариваемость. 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. В больших количествах кремний применяется в сплавах на основе алюминия, как легирующий элемент.
Литейные алюминиевые сплавы по ГОСТ 1583-93 маркируют буквами и цифрами с указанием среднего химического состава по основным легирующим элементам.
В действующем ГОСТе указана и старая система маркировки – условное обозначение марок, содержащее буквы АЛ.
Все литейные алюминиевые сплавы, указанные в ГОСТ 1583-93, в зависимости от химического состава подразделяют на пять групп:
Обработка по режиму T1 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 T1 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 Т2) проводят, в основном, для сплавов I группы. Этот вид термообработки применяют для уменьшения литейных напряжений. Температура такого отжига около 300 °С, выдержка 2...4 ч.
Закалке без последующего искусственного старения (режим Т4) подвергают сплавы на основе системы Al-Mg. Термическую обработку по режиму Т4 применяют в тех случаях, когда необходима повышенная пластичность при прочности меньшей, чем после искусственного старения, или же повышенная стойкость против коррозии. Обработка по режиму Т6 включает закалку и полное искусственное старение для достижения максимального упрочнения. Обработка по режиму Т5 состоит из закалки и неполного искусственного старения при температуре более низкой, чем при обработке по режиму Т6. Цель такой обработки - обеспечить повышенную пластичность (по сравнению с обработкой Т6).
Термическая обработка по режимам Т5 и Т6 проводится в основном для сплавов системы Al-Si. Режим Т7 - это закалка и стабилизирующее старение (перестаривание), проводимое при температуре более высокой, чем по режиму Т6 для стабилизации свойств и размеров деталей первых трех групп литейных алюминиевых сплавов. Время выдержки при нагреве под закалку разных сплавов колеблется от 2 до 16 ч. Отливки закаливают в холодной воде. Для уменьшения закалочных напряжений воду подогревают до 80...100 °С.
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 (a + 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: σв = 120–160 МПа при относительном удлинении d < 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.
Обычная примесь в алюминии-кремний.
В сплавах на алюминиевой основе кремний наряду с медью, магнием, цинком, а также марганцем, никелем и хромом вводится в качестве основного компонента.
Образующиеся при этом соединения CuAl2, Mg2Si, CuMgAl2 и др. являются эффективными упрочнителями алюминиевых сплавов.
Растворимость кремния в алюминиевом твердом растворе (А1) - сильно зависит от температуры:
Температура,°С 577 | 552 | 527 | 477 | 427 | 377 | 327| 277 | 227 % (по массе) 1,65 | 1,30 | 1,10 | 0,70 | 0,45 | 0,25 | 0,10 | 0,04 | 0,01 Быстрое охлаждение из жидкого состояния повышает растворимость кремния до 16 % и смешает эвтектическую точку до 17% Si. Силумины обычно классифицируются по содержанию кремния относительно эвтектической концентрации:
Увеличение содержания кремния до эвтектической концентрации приводит к снижению температуры ликвидуса и соответственно, к уменьшению интервала кристаллизации, что благоприятно сказывается на литейных свойствах.
Давление порядка 3 ГН/м2 смещает эвтектическую точку до концентрации выше 25% Si, повышает эвтектическую температуру до 1027 °С и увеличивает предельную растворимость кремния до 7%. Структура сплавов вблизи эвтектического состава зависит в большей степени от скорости охлаждения, чем от содержания кремния: быстрое охлаждение способствует образованию первичного кремния, медленно увеличивает количество эвтектики.
Из-за различия в величинах коэффициентов линейного расширения в двухфазных сплавах возникают термические напряжения, которые могут превышать предел текучести и приводить к разрушениям вследствие термической усталости. Изменение объема при кристаллизации по мере увеличения содержания кремния снижается линейно и прекращается при 25% Si. Вязкость при постоянной температуре растет, достигая максимума в сплаве, отвечающем предельной растворимости Si (1,65%), а затем снижается (даже для составов за эвтектической точкой), несмотря на рост температуры ликвидуса. Твердость по Виккерсу растет почти линейно, достигая 500-700 МН/м2 при 15% Si и 1000 МН/м2 при 60% Si. Механические свойства бинарных сплавов в меньшей степени зависят от состава, чем от распределения и формы кристаллов кремния. Небольшие, округлые, равномерно распределенные частицы (эвтектические или избыточные) приводят к высокой пластичности и относительно высокой прочности; граненые игольчатые кристаллы несколько повышают прочность, но существенно снижают пластичность, сопротивление удару и усталости. Разрушение возникает около частиц кремния, после чего деформируется матрица.
Можно повысить прочность на 60-70% с помощью электроннолучевой плавки и быстрой последующей кристаллизации.
Закалка мало влияет на свойства: наблюдается некоторый прирост прочности, но меньший, чем в результате холодной деформации.
Сплавы Al-Si очень быстро разупрочняются с увеличением температуры. Удлинение достигает максимума примерно при температуре солидуса и потом быстро снижается. Увеличение модуля упругости носит линейный характер, при 30% Si он равен 90 ГН/м2.
Не наблюдается различия в модуле упругости модифицированных и не модифицированных сплавов.
Скорость ультразвука немного увеличивается, а демпфирующая способность (способность материала поглотить вибрацию, циклические нагрузки, за счет внутреннего трения, преобразовывая механическую энергию в тепло) уменьшается по мере роста содержания кремния.
Увеличение сопротивления ползучести с увеличением концентрации кремния несущественное; вместе с тем, важное значение имеет исходная структура и чистота сплавов. Энергия активации ползучести в интервале 227-327 °С составляет 1,55 эВ.
Сопротивление усталости низкое, особенно при наличии первичных кристаллов кремния или если он находится в немодифицированной форме.
В сплавах с 1% Si и менее наибольшее сопротивление усталости соответствует закаленному состоянию; искусственное старение увеличивает предел прочности, но уменьшает усталостную прочность.
Электродный потенциал кремния составляет - 0,26 В, а у сплава с 1% Si (входящего в твердый раствор) - 0,81 В при потенциале алюминия - 0,85 В.
Большое различие в потенциалах этих двух фаз должно приводить к быстрой коррозии. Однако кремний инертен в большинстве коррозионных сред, поэтому сопротивление коррозии сплавов с кремнием одинаковое или лучшее, чем у алюминия.
Кремний практически не оказывает модифицирующего действия при кристаллизации алюминия, но заметно влияет на горячеломкость при литье и сварке. Горячеломкость достигает максимума при концентрации, отвечающей пределу растворимости в твердом состоянии в области максимального интервала между солидусом и ликвидусом. Далее она снижается до минимума при эвтектическом составе.
Кремний снижает пластичность алюминия. Выше 427 °С сплавы сверхпластичны. Это явление, вероятно, связано со сфероидизацией и коагуляцией кремния, которые наблюдаются при повышенных температурах.
При старении из-за большего несоответствия между выделениями и матрицей очень рано теряется когерентность и упрочняющий эффект невелик. Высокие температуры закалки и скорости охлаждения приводят к определенному ускорению ранних стадий старения и измельчению выделений; но сплавы, закаленные из жидкого состояния, старятся замедленно. Нерастворенные частицы кремния влияют незначительно или не влияют совсем на процесс старения.
Зоны ГП (зоны Гинье - Престона : Зоны Гинье — Престона — это еще не фазовые выделения. Они имеют кристаллическую решетку матрицы, слегка искаженную за счет увеличения концентрации ато мов с иным, чем у алюминия, радиусом. Между решетками зон и матрицы сохраняется когерентная связь. Из-за диффузии легирующих элементов в зоны Гинье — Престона прилегающие к ним участки раствора обеднены кремнием и магнием. Во время естественного и искусственного старения при не очень высокой температуре происходит постепенное упорядочение структуры игольчатых зон Гинье — Престона. ), образовавшиеся на кластерах из избыточных вакансий, мало растут по достижении диаметра 1,5+2,0 нм; после этого они заменяются пластинчатыми выделениями в плоскостях матрицы, или округлыми беспорядочно ориентированными выделениями.
Дислокации, которые на ранних стадиях проходят через когерентные зоны, теперь огибают их.
Параметр решетки непрерывно растет по мере старения, причем тем быстрее, чем выше температура; при повышенных температурах возможно превышение равновесной величины, после чего решетка сжимается до значения, отвечающего равновесному состоянию.
Внутреннее трение достигает максимума в процессе распада твердого раствора. Коррозионная стойкость самая высокая в свежезакаленном состоянии и самая плохая в состоянии наивысшей твердости, что соответствует структуре с максимальной дисперсностью выделений.
Энергия активации, отвечающая указанному изменению свойств, составляет 1,2-1,3 эВ и очень близка к величине энергии активации диффузии, равной 1,3 эВ.
Влияние содержания кремния, скорости охлаждения при закалке, холодной деформации на процесс старения обычное: чем выше содержание кремния, выше скорость закалки и больше искажение решетки в результате деформации, тем быстрее протекает процесс старения.
Коррозионная стойкость - второй по важности после механических свойств параметр эксплуатационной надежности конструкционных силуминов. В целом их уровень коррозионной стойкости можно назвать средним: они могут эксплуатироваться в промышленной атмосфере без защиты, либо с защитной поверхности отливок, которая обычно осуществляется окраской. Силумины не склонны к коррозии под напряжением, а скорость их коррозии на воздухе и в воде существенно зависит от состава.
Окисление образцов сплавов околоэвтектического (10%Si) и заэвтектичиского (12,6% Si) составов протекает более интенсивно. Таким образом, если проанализировать особенности окисления силуминов доэвтектического и эвтектического составов при одинаковой (973 К) температуре, то можно отметить, что с увеличением содержания кремния в алюминии вплоть до эвтектического состава наблюдается рост истинной скорости окисления. Все это свидетельствует о значительном ухудшении структуры защитной оксидной пленки при легировании алюминия кремнием. Кроме того, при окисления немаловажную роль играет строение самой эвтектики, образующей в жидком состоянии кластеры, природа которых в до эвтектических сплавах несколько отличается от заэвтектических. Начальный этап окисления заэвтектических силуминов, содержащих 16 и 25 мас.% Si значительно растянут, особенно при более низких температурах. Процесс формирования оксидных пленок начинается через 20÷25 мин., заканчивается через 40-50 мин. и сопровождается сложными процессами, протекающими на поверхности расплава при образовании оксидных пленок. При более высоких температурах, оксидные пленки формируются быстрее и с минимальным количеством кислородных вакансий.
Силумины как эвтектического состава, так и с пониженным содержанием кремния характеризуются вполне удовлетворительной коррозионной стойкостью, преимущественно, уступая литейным сплавам типа магналий.
На коррозионную стойкость сплавов типа силумина не оказывает заметное влияние содержание основного регулирующего элемента - кремния и количество эвтектики в структуре сплавов.
Значительно большую зависимость несет коррозионная стойкость сплавов от строения эвтектики в этих сплавах.
Так, потери массы сплава марки АК 12 подвергнутого модифицированию, в два раза меньше потерь немодифицированного сплава, имеющего в структуре грубую эвтектическую составляющую. Отступление по теме Под группой алюминиевых сплавов, называемых силуминами, подразумевают сплавы с большим содержанием кремния.
Содержание примесей в них таково, что в литом сплаве образуется эвтектика. Образование эвтектики, как правило, ведет к повышению жидкотекучести, повышает плотность отливки, увеличивает сопротивление сплава усадочным напряжениям, т. е. улучшает литейные свойства. Эти свойства тем лучше, чем больше в сплаве эвтектики, и чисто эвтектические сплавы обладают наилучшими литейными свойствами. Однако у большинства систем (Аl-Си, Аl-Mg и др.) механические свойства сплавов с эвтектической концентрацией совершенно неудовлетворительны, и о применении таких сплавов не может быть и речи. Исключение составляет система Al-Si. Эвтектика в этой системе образуется при сравнительно малом содержании кремния, и механические свойства эвтектических сплавов (в особенности после модифицирования) оказываются достаточно высокими. Такое сочетание высоких литейных и механических свойств обеспечило силумину широкое применение. Двойные алюминиево кремниевые сплавы, несмотря на их превосходные технологические (литейные) свойства, не могут во всех случаях удовлетворить требованиям, предъявляемым к литейным сплавам в отношении механических свойств. Алюминиевокремниевые сплавы с 10-13%, Si - АК12 (старая марка сплава АЛ2) применяются для отливок сложной формы, от которых не требуются высокие механические свойства. При более высоких требованиях к прочностным свойствам применяют специальные силумины - доэвтектические силумины с 4-10% Si с добавками меди, магния и марганца (сплавы марок. АЛЗ, АЛ4, АЛ5, АЛб,. АЛ9).Механические свойства специальных силуминов в результате термической обработки находятся в пределах σв =20-25 кг/мм2. Бочвар А. А., Металловедение, Металлургиздат, 1945. * Эвтектика (от греческого éutektos -легко плавящийся) тонкая смесь твёрдых веществ, одновременно начинающих кристаллизоваться из расплавов при температуре менее tпл отдельных компонентов или любых других их смесей. * Кремний — элемент главной подгруппы четвертой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 14. Обозначается символом Si (лат. Silicium). Кристаллическая решетка кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Алюминий и его сплавы. Влияние кремния на силумины.pdf |
| Категория: Литейное производство | Просмотров: 13480 | | |
| Всего комментариев: 0 | |