автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование и разработка силуминов с различным сочетанием алюминиевых твердых растворов и эвтектических фаз

На правах рукописи УДК 021.797:009.018.-1.017.10.001.5

ГУСЕВ Александр Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИЛУМИНОВ С РАЗЛИЧНЫМ СОЧЕТАНИЕМ АЛЮМИНИЕВЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ И ЭВТЕКТИЧЕСКИХ ФАЗ

Специальность 05.16.01—Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

1 994

На правах рукописи

ГУСЕВ Александр Юрьевич.

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИЛУМИНОВ ■ С РАЗЛИЧНЫМ СОЧЕТАНИЕМ АЛЮМИНИЕВЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ И ЭВТЕКТИЧЕСКИХ ФАЗ

Специальность 05.16.01—Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

19 94

J Работа выполнена на кафедре металловедения цветных металлов Московского института стали и сплавов. -

Научные руководители: доктор технических наук B.C. Золоторевский, кандидат технических наук H.A. Белов

Официальные оппоненты: доктор технических наук М.В. Плкунов кандидат технических наук Г.Б. Гершман Ведущее предприятие: НПП "Теш"

1

Защита состоится "¿¿"лкгд^г 1994 г. в часов на заседании диссертационного совета К.053.08.03 при Московском институте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Автореферат разослан 1994 г.

Справки по телефону: 236-96-20.

/

Ученый секретарь специализированного совета, . - "

кандидат технических наук,

доцент Б.А. Самарин

АВТОШЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических нар;

ОЩШВДРАКТЕРКСТЙКА РАБОТЫ

Актуальность. Известно, что силумины широко используются в различных отраслях промышленности и их применение непрерывно расширяется из-за хорошего сочетания их механических, физических и технологических свойств.

Рост потребления алюминия неизбежно приводит к накоплению отходов производства, которые используют для изготовления вторичных сплавов, в основном силуминов. Однако, несмотря на острый дефицит первичного алюминия, доля этих сплавов в производстве алюминиевого литья в России составляет не более 50%. Во многих промышленно развитых странах она значительно выше и достигает 85-90%. Дороговизна первичного алюминия приводит к необходимости повышения дож вторичных сплавов и замене ими первичных. В этой связи поиск ноеых, более экономичных сплавов в сочетании с вовлечением в производство сравнительно дешевого вторичного сырья позволяет заметно повысить эффективность использования металла.

Одной из отличительных черт силуминов является их хорошая технологичность. Однако морфология кремниевой эвтектики и железосодержащих фаз приводит к невозможности использовать некоторые существующие марки сплавов из-за ограничений по эксплуатационным характеристикам. Еще более остро эта проблема стоит при использовании вторичных силуминов, т.к. повышенное

содержание - примесей приводит, к заметному падению механических свойств этих сплавов.

Наличие большого числа фазовых составляющих в силуминах приводит к усложнению анализа влияния того или иного компонента на структуру^ и свойства сплавов, р этой ' связи целесообразным выглядит конструирование состава сплавов путем поиска сочетаний фр- с благоприятной морфологией, которые как раз и способны обеспечить

Г '

улучшение свойств силуминов. Подобная работа требует, целенаправленного изучения неравновесных диаграмм ^ состояния многокомпонентных систем," которых,, к сожалению, не так ук и много.

Цель работы. Целью данной работы была проведение сравштельного анализа механических и - литейных свойств 'алюминиевых сплавов, сочетающих разные алюминиевые твердые растворы, содержащие Б!, с различными эвтектическими составляющими, и- выбор оптимальных композиций для разработки, сплавов 'с улучшенным комплексом механических и литейных свойств.

Для достижения поставленной цели. в работе решали следующие задачи: ' , • ■

1)Выбор» эвтектических фаз, исследование их раздельного влияния на структуру, механические и литейные свойства алюминиевых сплавов, содержащих кремний, и целесообразности-их использования в качестве дополнения к кремниевой фазе.

2)Исследование совместного Ьлияния" и . других эвтектических фаз, в том числе .железосодержащих, на структуру и'. механические • свойства сплавов и построение многокомпонентных диаграмм-состояния А1-31-Ре-1Л, А1-81-Ре-Мп, А1-31-Си-М£ для условий реальной кристаллизации.

-б-

3)Исследование влияния Си и Мй на структуру и механические свойства силуминов в присутствии различных эвтектических фаз.

4разработка новых силуминов на базе проведенных исследований.

Основными методами структурных исследований в работе были металлографический анализ, сканирующая электронная микроскопия и микрорентгеноспектральный анализ.

Исследования механических свойств проводили как по стандартным, так и по более экономичным методикам, разработанным в процессе работы.

При изучении зависимостей свойств сплавов от их состава широко использовали,методы математического планирования экспериментов.

Научная новизна. 1 Методами микроструктурного анализа* и на основе механических испытаний изучено раздельное влияние фаз 31, «(РеаЗШв), КРеМА^), £(ЫШ3), ИРеБШВе), Р(Ре2А14Ве5) эвтектического происхождения на структуру, механические и литейные свойства сплавов на основе твердых растворов А1-Б1, А1—Мв, А1-Б1-Си и А1-31-Си-Мй. Показано, что многие фазы способны формировать дисперсную эвтектическую структуру и обеспечивать механические свойства на уровне чистых силуминов, что позволяет использовать их в качестве дополнительных к кремниевой эвтектике.

2)Построены равновесные и неравновесные многокомпонентные диаграммы состояния А1-31-Ре-Д (добавка), на базе которых показано преимущество сочетания алюминиево-кремниевой эвтектики с фазами эвтектического происхождения «[ (РеМп )э31гА14Э ], Т(РеШ1р) - по сравнению с фазой р(М5Ш5). '

3)Йзучениё влияния распределения меди и магния в твердом растворе и эвтектических фазах в литом и закаленном состояниях на

механические свойства среднекремнистых силуминов показало, . что

' 1

исследуемые сплавы, обладают максимальными .прочностными свойствами при достаточно высоком относительном удлинении после термической обработки по всем изученным - режимам в области предельной растворимости магния в алюминиевом твердом растворе, свидетельствуя о преимущественном влиянии магния на упрочнение твердого раствора, что послужило основанием для выбора оптимальных концентраций Си и Mg для сплавов с заданным комплексом свойств.

Практическая ценность. Результаты исследований, изложенные в диссертации, Явились основой для разработки новых композиций силуминов Ж11М4, Ж12Мг, Ж7Мг, Ш1Ш и Ш12М. Эти сплавы прошли промышленное. опробование и рекомендованы.,для внедрения. Для всех сплавов разработаны технические условия на т ' производство. Использование сплава АК7Мг на ММЗ "Рассвет" дало возможность удешевить производство изделий за счет снижения расходов на термическую обработку.

1 V.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано ' в ~ работах: ' . '

1. Белов H.A., Золоторевский B.C., Гусев А.Ю. Структура и механические свойства вторичных силуминов, легированных' железом. Цветные металлы, № 6, 1990, с. 99-101.

2. Белов H.A., Гусев А.Ю. Золоторевский B.C. Вязкость разрушения стандартных силуминов. Металловедение и термическая обработка металлов, № 10, 1992, -с. 32--33.

3-6. Патенты СССР и Российской Федерации: ,

з-ка.5012803 от 25.11.91 г., пол. реш. 25.06.92 г. з-ка 4954626 от 07.05.91 г., пол. реш. 05.01.92 г.

3-ка 92006999/02 ОТ 03.12.92 Г., ПОЛ. реш. 01.03.94 г. 'з-ка 92009437/02 ОТ 03.12.92 Г., ПОЛ. реш/28.02.94 г.

Объем. Работа состоит, из 6 глав, изложена на 235 страницах машинописного текста, содержит 70 рисунков и 122 источника: отечественной и зарубежной литературы.

НАУЧНЫЕ ПРЕДПОСШКИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ И ФАЗОВОГО СОСТАВА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИЛУМИНОВ

В первой главе диссертации проанализированы литературные источники, содержащие сведения по рассматриваемой проблеме. Отмечается, что повышенный интерес к силуминам объясняется их широким использованием в отечественной и зарубежной промышленности.

Наиболее, -полные сведения по теоретическим и практическим вопросам изучения структуры, фазового состава, механических свойств, а также технологии производства силуминов опубликованы в трудах И.Ф. Колобнева, Ю.Н. Тарана, М-.Б. Альтмана, E.G. Постникова, Г.Б. Гершмана и др. Исследователи отмечают, что в настоящее время не существует общей модели, объясняющей увеличение прочностных характеристик силуминов при повышении концентрации кремния. В отношении литых сплавов полагают, что в первую очередь это связано с увеличением в структуре доли эвтектических колоний, механические характеристики которых существенно превышают аналогичные свойства первичных кристаллов алюминиевого твердого раствора (А1).

Бо многих работах отечественных и зарубежных авторов приводятся результаты систематических исследований по влиянию легирующих элементов, прежде всего меди и магния, на прочностные свойства

силуминов в зависимости~ от концентрации кремния. Установленные закономерности показывают, \что оптимальными-с этой,- точки зрения являются концентрации 0.5-1 Ж,% Или 3.5-4.р1~0и. Причем по мере приближения к эвтектической концентрации влияние изменения кощентрации кремния практически сводится к нулю. Однако данных по'

совместному влиянию основных • упрочняющих легидунцих элементов'

* <

крайне мало. . '

Отнрсите1льно вопроса, связанного с особенностями структуры вторичных силуминов, мокйо- отметить, что; среди' известных исследований по улучшению качества вторичных сплавов основное место занимают работы, связанные с технологическими вопросами и приемами (подготовка шихты; методы плавки, рафинирования, фильтрации, литья). Вшросам же изучения структуры и 'свойств вторичных алюминиевых" сплавов исследователи стали уделять • внимание лишь в последние годы. -

Анализ опубликованных. работ позволяет сказать,' что некоторая неоднозначность в определении взаимосвязи структуры и свойств связана с ¡гетерогенностью структуры промышленных силуминов,-'где помимо, алшиниевого твердого раствора' содержится большое колрество интерметаллидных фаз. Это является причиной невысоких механических1 свойств, и, в,первую очередь, пластичности этих сплавов. Очевидно, что степень вредного воздействия той или иной интерметаллидной фазы -определяется ее морфологией, т.е. размерами и формой выделения, а также её: количеством и свойствами. Многочисленные .публикации посвящены возможностям улучшения структуры силуминов за счет микролегирования переходными металлами, позволяющего облагораживать морфологию избыточных фаз.

~ -9В, первую: очередь это относится к железосодержащим фазам. Морфология таких фаз формируется в процессе кристаллизации в зависимости от, их природы и не изменяется в процессе термообработки. На, практике ^модифицирование железосодержащих фаз сводится к подбору добавок, связывающих железо в новые фазы, ютащие более благоприятную морфологию.

Анализ литературы показывает, что в зависимости от применяемой термической обработки можно получить большое разнообразие в свойствах . силуминов. Задача оптимизации режимов термической обработки включает в себя два самостоятельных направления: 1) уточнение режимов нагрева под закажу и 2) выбор режима старения, обеспечивающего необходимый комплекс свойетв сплава.

Так как исследование фазового состава силуминов невозможно без анализа диаграмм состояния, большое внимание в первой главе уделено рассмотрению существующих на сегодняшний день диаграмм, относящихся к силуминам. Анализ тройных и четверных систем показывает, что, несмотря на их обилие, информации, содержащейся в них, недостаточно для полного понимания процессов, протекающих при кристаллизации силуминов. Это связано в первую очередь с тем, что неравновесные условия кристаллизации требуют их учета при рассмотрении реальной структуры литых сплавов. Отсутствие же некоторых -важных диаграмм состояния с четырьмя и более' компонентами или противоречивость литературных источников свидетельствует о• необходимости их исследования.

Таким образом, анализ литературных источников позволяет сказать, что 'существуют значительные резервы для улучшения ряда, свойств силуминов известными методами. Это связано в первую очередь с

нейтрализацией отрицательного влияния примеси железа и улучшением их - механических свойств. Решение подобных задач возможно в результате изучения закономерностей изменения свойств и структуры в зависимости от состава сплава.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА '

Цель ' и ' задачи работы . определили методику проведения исследований, которая излагается во второй главе диссертации.

.В качестве объектов исследования использовали модельные сплавы на основе систем А1-51-%, А1-Б1-%-Си и А1-Си-Б1-% с добавками ^е, Мп, N1, Ве, промышленные силумины АК5М2, ВАЛ8 и другие.

Для изучения влияния малых добавок и примесей на структуру и свойства силуминов в сплавы АК';2Мг и АК11М4 дополнительно вводили жеЛезо,' --никель, марганец, кадмий., бериллий, - гафний, скандий, церий, иттрий и нитрид кремния. ( Для приготовления модельных сплавов и вторичных силуминов в качестве шихтовых материалов использовали чистые металлы и лигатуры различного состава. Химический состав лигатур устанавливался изготовителем или, по мере надобности, определялся на электронном микроскопе JSM-35.Gr. Плавку ^ "проводили в электрической печи сопротивления в графито-шамотном тигле.

Нагрев отливок и выдержку перед закалкой" проводили . в ' лабораторной муфельной печи -СНОЛ-и6.2,5.1 /9-И5. Искусственное .; старение сплавов проводили в сушильном шкафу. .Точность поддержания температуры не хуже ±5°С. (_

При построении политермических сечений изучает систем и

определении критических точек сплавов использовали запись кривых нагрева и охлаждения на двухкоординатном потенциометре КСП4-065-Ш4.2.

Механические свойства материалов оценивали по значениям временного сопротивления при .изгибе (ови) и угла загиба (7), которые определяли методом испытаний на изгиб. Испытания проводили на универсальной машине УМЭ-10ТМ при скорости движения траверсы 5 мм/мин. В целях унифицирования полученных данных и возможности сравнения .с данными, приведенными в научной литературе, проводили пересчет результатов испытаний на изгиб к результатам испытаний на растяжение. Характеристики треощностойкости (вязкость разррения, работа развития трещины) определяли в испытаниях на трехточечный изгиб образцов размером 15x30x140 с боковым ^/-образным надрезом глубиной 15 мм без усталостной трещины. В испытаниях на растяжение применяли образцы с диаметром рабочей части 3 мм. Испытания проводили на разрывной машине РР 10/1 со скоростью деформирования 1 мм/мин. Твердость по Бринеллю оценивали по стандартной методике.

Структурные и фрактографические исследования проводили как на световом микроскопе 21, так и на сканирующем электронном

микроскопе «Ш-35СР при увеличениях от хЮО до хЗООО. "При использовании сканирующего микроскопа Л8М-35СР изображение получали главным образом во вторичных электронах, обеспечивающих максимальное разрешение (до 0.05-0.1 мкм). Изучение тонкой -структуры исследуемых сплавов проводили на электронном микроскопе <ГЕМ-2СЮ0ЕХ.

При гострении диаграмм состав-свсйства использовали метод . симплексного планирования. Для выбора состава сплавов использовали

план эксперимента б виде симплексной решетки Шеффе четвертого порядка для трехкомпонентных систем. ' '

Обработку первичных результатов механических испытаний проводили с использованием специально разработанных для. этих целей программ, которые обеспечивали не только; обработку по заданным -формулам первичных результатов, но и необходимые статистические расчеты.

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗДЕЛЬНОГО ВЛИЯНИЯ ФАЗ ЭВТЕКТИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ НА СТРУКТУРУ, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ АЛЮМИНИЯ С КРЕМНИЕМ

\

■ В третьей ■ главе диссертации " представлены результаты . по установлению,' закономерностей формирования структуры силуминов, содержащих . значительное количество /фаз, образовавшихся по эвтектическим реакциям, и влиянию этих фаз на .механические к литейные свойства.

Традиционно считается, что условием получения хороших литейных свойств в алюминиевых сплавах является'наличие эвтектики (А1) Однако, .алюминий образует-двойные, а также тройные эвтектики не только- с кремнием, но -л с другими;элементами. Это послужило отправнойточкой, для изучения "целого ряда сплавов, основной структурной составляющей в которых бшш двойные и тройные эвтектики (А1) с другими : фазами. Была выявлена принципиальная возможность замены' эвтектики (А1) +Б1 .в .литейных алюминиевых сплавах на эвтектики, образуемые, (А1) с другими многокомпонентными фазами.

Термическая обработка сплавов выявила интересные * изменения в структуре. В первую очередь это^ проявилось во'фрагментации

эвтектйческих фаз. Если для кремниевой эвтектики и эвтектики (Al) + M(Mg^Sl) подобный факт является ординарным и даже в какой-то степени классическим, то, например, фрагментация железосодержащей а-фазы - довольно необычное явление, которое можно объяснить весьма высокой ее дисперсностью. Установлено, что фаза ot(Fe2SlAlg) эвтектического происхождения, кристаллизующаяся в разветвленной и дисперсной форме при скорости кристаллизации 1 К/сек, способна фрагментировать в процессе отжига при температуре 540°С.

Механические испытания показали, что эвтектические сплавы, имеющие в своем составе железо- и никельсодержащие фазы, в литом состоянии не уступают го прочности и пластичности силуминам [с = 216 Шз, <5 = 1.6 % для силумина системы Al-Sí-%-Cu и св= 193 МПа, & = 2.5 % для сплава с эвтектикой (Al) + ot(Fe2SiAlB)L Закалка и последующее старение приводят к появлению существенной разницы в уровне прочности и пластичности для этих сплавов в том случае, когда твердый раствор содержит в качестве упрочняющего элемента только магний. Добавка меди приводит к выравниванию механических свойств для всей группы сплавов как в литом, так и -термообработанном состояниях. Показано, что фаза M(Mg^Si) эвтектического происхождения оказывает отрицательное влияние на уровень механических свойств алюминиевых сплавов.

Методом термического анализа установлено, что наименьшим неравновесным интервалом кристаллизации среди исследованных сплавов обладают сплавы, содержащие кремниевую эвтектику (At = 25°С.для •А1-1 .OSSi-O.650Jg и At = 63°С для -А1-1.0%Sl-0.6%Mg-1.5%Cu). Вместе с тем,' разница в неравновесных интервалах кристаллизации . для среднекремнистых силуминов, и сплавов на базе иных эвтектик

значительно уменьшается с уменьшением _ доли эвтектич'еской составляющей 65°С и д^=105°С для для системы А1-31-М£), что позволяет говорить о сопоставимости их литейных свойств.

ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОГО ВЛИЯНИЯ КРЕМНИЯ И ДРУГИХ ФАЗ ЭВТЕКТИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА АЛШШЕВЫХ СПЛАВОВ '

Четвертая глава диссертации , посвящена изучению диаграмм сосю "ш для неравновесных условий кристаллизации.'

Дг... понимания процессов, происходящих при неравновесной крп аллизации силуминов, содержащих железо, проанализированы известные научные данные, а также проведены структурные исследования сплавов системы А1-Ре-Б1 в областях концентраций 0-4 % Ре' и 1-Ш'Б1 с целью построения диаграммы распределения фазовых областей, железосодержащих фаз в литом состоянии. В результате проведенных исследований построена диаграмма распределения фазовых областей железосодержащих фаз в неравновесном состоянии для системы А1-Ре-Б1. Предлагаемый вариант построен для скорости охлаждения .при кристаллизации ™2 К/сек. Дкаграмма свидетельствует о том, что эдчествует довольно ' значительная область концентраций, где присутствует' лишь одна железосодержащая фаза а(Ре231А18), которая при рассматриваемых скоростях охлаждения кристаллизуется в благоприятной с точки зрения влияния на механические свойства форме "китайского" шрифта. ' '

Построенные с использованием методов математического планирования графические модели зависимости механических свойств от

состава свидетельствуют о том, что в области концентраций, близкой к эвтектической (2 - 2.5% 51, 2 - 2.5% Ре) наблюдается достаточно высокий уровень механических свойств (<?в= 160-180 МПа; у = 3-5 %; Н^р = 15 МПахм4'2), обеспечиваемый благоприятной морфологией эвтектики. Полученные результаты . позволяют сказать о том, что вредное влияние железосодержащих фаз на механические свойства силуминов с низким содержанием кремния может быть нейтрализовано путем повышения концентрации Ре до 2-2.5% за счет образования при промышленных скоростях кристаллизации эвтектики (А1) + а(Гег31А1в). Она обладает некоторыми достоинствами по сравнению с

алюминиевокремниевой: формируется непрерывная сетка пластичного ?

твердого раствора и большая, по сравнению с немодифицированньш кристаллами 31, дисперсность а-фазы.

Практическое значение диаграмм состояния АИБИ'е'-Д (добавка) несомненно, т.к. железо, являясь основной примесью, в силуминах, образует фазы, морфология которых определяется процессом кристаллизации и не изменяется в процессе термической обработки. Однако подобные диаграммы мало изучены.

В силуминах с примесью железа,' как правило, присутствуют иглообразные включения фазы /э (Ре51А13), оказывающие особенно сильное отрицательное влияние на пластичность и вязкость разрушения. Обычно неблагоприятная форма железосодержащих.выделений может быть изменена путем связывания железа в иные фазы, образующиеся при добавлении других элементов, таких как N1 и Мп.

В связи с тем, что в опубликованной научной литературе не было обнаружено, подробной информации о диаграмме АНЗИГе-М, проведены исследования с целью ее построения. 4Для этого проанализированы

структура и фазовый состав сплавов с массовой долей кремния 5 и 8 %, 0-3 % Ре, 0-3 % N1.- -На основании полученных данных предложено наиболее вероятное" строение неравновесной диаграммы состояния А1-51-Ре-К1 в виде 'проекции поверхностей ликвидус и диаграммы распределения фазовых областей 'в твердом состоянии. Структурные исследования- показали, что при использованных в работе скоростях охлаждения в сплавах системы А1-Б1-Ре-Ы1 частично проходят перитектические реакции. Также показано, что фаза Т(РеШ1р), характеризующаяся широкой областью гомогенности, при содержании кремния 8% полностью связывает железо при соотношении РеШ! <1:1, приводя к исчезновению э-фазы. Анализ построенной диаграммы распределения железо- и марганецсодержащих фаз в силуминах при неравновесной кристаллизации показал, что при модифицировании марганцем морфологии железосодержащих фаз в силуминах с 5% кремния оптимальной является композиция 2й?е-5Ж31-0.7%Мп.

Анализ механических свойств сплавов с одинаковым содержанием кремния, но разной ^концентрацией железа позволил сделать вывод о том, что повышение содержания железа при одновременном модифицировании марганцем или никелем, а также получение благоприятной по своей морфологии эвтектики (А1) + а(Ре2БШ0) приводит к сохранению на прежнем уровне прочности,и пластичности, то есть имеется принципиальная возможность разработки целой группы вторичных силуминов с высоким содержанием железа. ■ ' '

ВЛИЯНИЕ МВД И МАГНИЯ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИЛУМИНОВ

Особенности влияния совместного, легирования силуминов медью и магнием на механические свойства изложены в пятой главе.

В связи с тем, что в промышленности достаточно широко используются безмедистые и маломедистые1 силумины (например АК7), содержащие 6-11 % Б!, 0.17-0.55 % и до 1.5 % Си, актуальность задачи по опрмизации концентраций меди и магния в этих сплавах | очевидна.

На основе синтеза исследований микроструктуры сплавов и их термоанализа, а также изучения опубликованных данных построена диаграмма распределения фазовых областей в твердом состоянии для сплавов системы А1-7ЖБ1-Си-Мй, а также солидус и ликвидус исследованной системы.

Проведенные исследования позволяют .считать, что во всем исследуемом диапазоне концентраций меди и магния затвердевание начинается с реакции I ■* (А1), затем кристаллизуется двойная эвтектика (А1) + Б1. Причем температура ликвидуса снижается с ростом легированности по меди и магнию в диапазоне 0 - 2.4 % с ~610°С до ~601°С. Также незначительно снижается и температура, начала кристаллизации эвтектики (А1) + Результаты экспериментов показывают, что неравновесный солидус большинства сплавов соответствует нонвариантной эвтектической реакции Я . +о (А1) +

507 С

+. я(СиА1г) + Ч^Оу^!^). Сплавы, прилегающие к сторонам рассматриваемого сечения, заканчивают кристаллизацию по

эвтектическим реакциям Ж (А1) + + е(СиА12), Ж •> (¿1) + 51 + . Кроме того, имеются узкие концентрационные области, в которых кристаллизация заканчивается но реакциям Ж => (А1) + и К -> (А1) + + №(СигМ^Б1вА15) . • '

Для сплавов на базе композиции А1-7%31 в литом состоянии построены графики растворимости меди и магния в алюминиевом твердом растворе в зависимости от содержания этих элементов в сплаве.

Методом математического моделирования рассчитаны уравнения поверхностей отклика и пострены графические модели для твердости 1 НВ, временного сопротивления о-в и относительного удлинения б для сплавов системы А1-7Ж51-Си-}^ (в пределах концентраций меди и магния 0 - 2.4 %) в литом состоянии и после'термической обработки по режимам Т1, Т5 и Т6. Установлено, что при концентрациях меди и магния в диапазонах 0.6 - 1.2 % и 0.6 - 0.8 % соответственно исследуемые сплавы обладают максимальными прочностными свойствами при достаточно высоком уровне пластичности после всех изученных ' режимов термической обработки. Причем максимр механических свойств наблюдается в области предельной растворимости магния в алюминиевом твердом растворе, что говорит о преимущественном влиянии магния на упрочнение твердого раствора. Результаты исследований- также показали, что медь вплоть до концентрации 1% не оказывает охрупчиващего воздействия на силумины. Полученные результаты также свидетельствуют о слабом влиянии кощечтрации железа в диапазоне 0.2 - 1.2 % в сплаве А1-7Ж81-1на пластичность.

В пятой главе приведены также результаты изучения влияния на механические свойства изменения концентрации кремния в силуминах, содержащих медь и магний. Установлено, что сплавы эвтектического

состава по комплексу механических свойств (НВ131, 404 МПа, <5 =

О

3.3 % для А1-11Ж51-456Си) предпочтительней, чем сплавы - твердые растворы (НВ120, ав= 265 МПа, б = 2.0 % для А1-1.2Ж31-4.5ЖСи). Изучение влияния малых добавок на кинетику старения эвтектических силуминов показало, что среди использованных в работе элементов Се и Сй оказывают положительное, а Ве - отрицательное влияние на эффект дисперсионного твердения медистого силумина. Влияние малых добавок на кинетику старения магнийсодержащего силумина не обнаружено. Вместе с тем совместное легирование медью и магнием дает наибольший эффект (ДНВ21), что связано, очевидно, с изменением состава продуктов старения.

РАЗРАБОТКА НОВЫХ СИЛУШНОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИХ ВАЖНЕЙШИХ СВОЙСТВ

В результате проведенных исследований предложены композиции новых сплавов для замены ныне существующих.

Так, были предложены сплавы АК7Мг и ШМгм, химический состав которых приведен в табл. 1. Выбор такого химического состава основан на экспериментах, описанных в главе 5. Механические свойства сплавов АК7Мг и АК7МгМ в отливках, полученных литьем в кокиль и термообработанных по режиму Т1 (старение после литья), соответствуют свойствам,-приведенным в табл. 2.

Другим предложенным сплавом является сплав АКИМ4. Его химический состав приведен в табл. 1, а механические свойства - в табл. 2. Сплав АК11М4 может быть использован для получения-изделий методами литья под давлением и жидкой штамповки взамен сплава ВАЛ8.

Исследования по влиянию объемной доли кремниевой эвтектики на

свойства магнийсодеркащих силуминов, описанные в главе 5, послужили также основанием' для разработки сплава АК12МГ.. Состав сплава и его механические свойства приведены соответственно в табл. 1 и табл. 2.

В результате . исследований - по , оптимизации , состава литейных экономнолегированных алюминиевых сплавов, допускающих, в своем : составе не менее 1.5 % Ее, и разработки технологии их производства , был предложен сплав- АК2Ж2М.- Состав сплава и его свойства также приведены в табл. 1 и 2. - 1 "

Сплав АК7Мг был предложен. для промышленного опробования на ММЗ | "Рассвет". Проведены испытания насосов НВН-100Б (автомобильных), изготовленных из предложенного сплава. Испытания проводились с ' целью проверки надежности и работоспособности данных насосов. По результатам испытаний заказчиком не было предъявлено замечаний к сплаву, и сделан вывод о том, что насосы,-изготовленные из AK7i.iT выдержали испытания на надежность и работоспособность, в связи с чем сплав АК7Мг можно использовать в производстве.'.Производство, насосов из сплава АК7Мг на ММЗ "Рассвет" составило за 1993 г. 212 т. (118 тыс. отливок).

По заказу ММЗ "Рассвет" также разработаны технические условия на отливки из сплавов АК7Мг, АК7МгМ и АК11М4.

Сплав АК2К2М опробован при получении отливок различными методами, литья в металлические формы: в кокиль, под давлением,' жидкая штамповка/ под низким давлением. Сплавы готовили - в,- опытно-производственных \и заводских "условиях НПО "Темп"^ и ПО. "Кузнецктекстильмаш". Опробование отливок .произведено в ПО "Костроматекстильмаш" и ПМЗ (г.Подольск). Существенный ■экономический эффект . от внедрения в производство сплава. АК222М

Таблица 1

Химический состав разработанных сплавов

Сплав Концентрация, %

осн кош -тов ' примесей •

ч Си | гп Ре Мп Си РЬ.БП Сй Ве

АК7МР- 6.5- 0.7- - | 0.5 1.0 ■0.5 0.2 0.15 0.06 - -

-8.5 -0.9

АК7МГМ 6.5- 0.6- 0.5-| 0.5 1.0 0.5 - 0.15 0.06 - -

-8.0 -0.9 —0 - 81

АК11М4 9.0- 0.2 4.0-| 1.5 0.9 0.5 0.15 0.06 0.3 0.1

-12.0 —5.01

АК12МГ 10.0- 0.6- - | 1.5 0.9 0.5 0.2 0.15 0.06 0.3 0.1

-13.0 -0.9

АК2Ж2М 2.0- 0.5- 0.0- - 2.0- I - - - - - -

-2.5 -0.9 •'-0.8 -2.5 I

Таблица 2

Механические свойства разработанных сплавов

Сплав Режим Т/0 Способ литья * , Ша &, % НВ термической обработки

АК7МГ Т1 :145-155°С, 3-4 ч К 220 2.0 70

Т1:170-180°С, 3-6 ч ■ к 220 1.0 75

АК7МГМ "Т1:145-155"С, 3-4 ч К 230 1.0 80

Т1:170-180°С, 3-6 ч к 220 0.5 , , 85

АК11М4 ЛИТОЙ К 240 1.0 75

Т6:515-525°С, 8 ч к 400 3.0 120

165-175°С, 6 ч

АК12МГ ЛИТОЙ К 190 4.0 60

Т6:515-525°С, 8 Ч к 380 3.0 120

165-175°С, 6 ч

АК2Ж2М ЛИТОЙ К . 200 4.0 ■ 65

Т6:515-525°С, 8 ч к 320 з.а 1<0

' 165-175° С, 6 ч

может быть получен за счет снижения себестоимости • сплава (использование шихтовых материалов с высоким'содержанием железа) и повышения КИМ " (уменьшение -отходов , при обработке заготовок резанием). "

' ВЫВОДЫ

1. Выявлена принципиальная возможность замены эвтектики (А1) + 51 в' литейных алюминиевых сплавах на эвтектики, образуемые (А1) с другими фазами. Установлено, что сплавы с эвтектикой, состоящей из

, (А1)' и железо- и никельсодержапдах фаз, в литом состоянии не уступают по показателям прочности, пластичности и вязкости разрушения силуминам.

2. Построена диаграмма распределения - фазовых областей железосодержащих фаз в неравновесном состоянии для системы А1-?е-51 для скорости охлаждения при кристаллизации ~2 "К/сек. Диаграмма свидетельствует о существовании значительной области концентраций, где присутствует лишь одна железосодержащая фаза «(Ре2Б1А1в), которая в исследованных условиях охлаждения весьма дисперсна . и кристаллизуется в. более благоприятной с точки зрения влияния на механические свойства форме "китайского" шрифта. ,

3. Показана возможность фрагментации в' процессе отжига при температурах выше 520°С фазы а(Рег51А1я) -.эвтектического происхождения, кристаллизующейся в разветвленной и дисперсной форме при скорости-охлаждения >1 К/сек.

4. С использованием методов математического планирования построены модели зависимостей механических свойств от состава сплавов системы А1-Б1-Ре-Си.-Мё-й1. Они свидетельствуют, что в области концентраций,

близкой к эвтектике (А1) + а(Ре2ЗШа) (2 - 3 % Б1, 2 - 3 % Ре), достигается достаточно высокий уровень механических свойств (°'в= 160-180 МПа; у = 3-5 %; К^ = 15 обеспечиваемый

благоприятной морфологией эвтектики.

5. Предложено строение равновесной диаграммы состояния А1-31-Ре-М в области алюминиевого угла в виде проекции поверхностей ликвидус и диаграммы распределения фазовых областей в твердом состоянии. Структурными исследованиями показано, что при использованных в работе скоростях охлаждения в сплавах системы А1-51-Ее-К1 перитектические реакции проходят' лишь частично. Количество никеля, необходимое для полного связывания железа в фазу Т(РеШ1р), возрастает с повышением концентрации кремния.

6. Увеличение содержания келеза при постоянной концентрации кремния и легировании марганцем или никелем, а также получение благоприятной по своей морфологии эвтектики (А1) + а(Ре2ЗШ ) по крайней мере не приводит к снижению прочности и пластичности, что указывает на принципиальную возможность разработки вторичных силуминов с еысоким содержанием железа.

7. Рассчитаны уравнения поверхностей отклика и построены графические модели зависимостей от состава твердости НВ, временного сопротивления и относительного удлинения для сплавов системы А1-7Ш-Си-% (в пределах концентраций меди и магния 0 - 2.4 %) в .литом состоянии и после термической обработки по режимам.Т1, Т5 и Т6. При концентрациях меди и магния в диапазонах 0.6 - 1.2 ? е 0.6 -0.8 % соответственно исследуемые сплавы обладают максимальными прочностными свойствами при достаточно высоком относительном удлинении после термической обработки по всем изученным режимам.

Причем максимум механических свойств, наблюдается в области предельной растворимости .магния в алюминиевом твердом растворе, свидетельствуя о преимущественном влиянии магния на упрочнение твердого раствора. Показано также, ,что меда вплоть до концентрации 1% и железо в диапазоне 0.2 -1.2 % не оказывают заметного отрицательного влияния на'пластичность.

8. В результате анализа влияния-концентрации кремния в силуминах, содержащих медь и магний, установлено, что 'сплавы эвтектического состава по комплексу механических свойств предпочтительней, чем доэвтектические. Изучение влияния малых добавок на кинетику старения эвтектических- силуминов выявило возможность их положительного (Се и Cd) и отрицательного (£е) влияния на прирост прочности при старении.-Влияния малых добавок на кинетику старения магнийсодержащего силумина не обнаружено. Вместе с тем/ совместное легирование медью и магнием дает наибольший эффект дисперсионного твердения (дНВ21). за счет изменения фазового состава продуктов старения. -

9. Разработаны ноше литейные алюминиевые сплавы ШМг, • АК7МгМ, АК11М4, АК1.2МГ и ¿К2Ж2М, комплекс литейных, технологических и механических свойств которых позволяет использовать, их в производстве взамен стандартных алюминиевых сшйвов." Для всех предложенных сплавов составлены технические условия на их производство. Сплавы прошли промышленное опробование, сплав АК7Мг. внедрен в производство на ММЗ "Рассвет".

Заказ 414-04. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. г. Москва