автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Оптимизация структуры и состава конструкционных литейных алюминиевых сплавов эвтектического типа

рг б ОД

- 2 ДО 1995

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет)

На правах рукописи

Кандидат технических наук БЕЛОВ Николай Александрович

УДК. 669.715:669.017

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ И СОСТАВА КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ЭВТЕКТИЧЕСКОГО ТИПА

Специальность 05.16.01 "Металловедение и термическая обработка металлов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1994

Диссертационная работа выполнена в Московском Государственном институте стали и сплавов (МИСиС) на кафедре металловедения цветных металлов.

Официальные оппоненты: Член.-кор. РАН Строганов Г.В. Проф.,д.т.н. Колачев Б.А.

Проф.-,д.т.н. Пикунов М.В.

Ведущее предприятие:

. Всероссийский институт авиационных материалов (ВИАМ)

Защита диссертации состоится 19 января 199 4г. в /6 часов на заседании. диссертационного Совета в Московском

Государственном институте стали и сплавов по адресу: 117936 Москва, Ленинский пр-т 4, ауд.

' Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направить по указанному адресу.

• с. диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИСиС.

V

Ученый секретарь диссертациЬнного Совета

доц.,к.ф.-м.н. Ю.С.Старк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Наряду с бесспорными преимуществами по сравнению с другими широко используемыми сплавами (на основе, железа, титана, магния и других металлов) промышленные алюминиевые сплавы имеют ряд серьезных недостатков, которые препятствует их более широкому использованию как в изделиях спецтехники (авиастроении, оборонных отраслях и т.д.). тех и в изделиях гражданских отраслей промышленности (автомобилестроении, текстильно^-машиностроении, производстве товаров народного потребления и т.д.).

Исследования последних лет показали, что использование методов ■ гранульной и порошковой металлургии, а также создание композиционных материалов на основе алшикия позволяют получать существенно более высокие эксплуатационные характеристики по сравнению с традиционными способами получения деталей из фасонных отливок'или деформированных полуфабрикатов. В частности, высокими значениями жаропрочности, особенно при температурах выше 350°С обладают гранулируемые сплавы на базе системы а1-сг-2г типа 01419. Существенного прироста прочностных свойств (оь до 700-800 МПа)В гранулируемых материалах можно добиться за счет дополнительного легирования сплавов системы л1-гп-мк-си повышенными концентрациями, переходных металлов. Однако, высохая стоимость изделий и многочисленные труднопреодолимые технические препятствия в случае использования этих относительно новых технологий . делает их неконкурентноспособными по большинству экономических показателей. В результате алюминиевые сплавы, полученные методами гранульной и порошковой металлургии, до сих пор мало используптся в промышленности, несмотря на то что опытные образцы были получены более 20 лет назад. • В ряде случаев более перспективным

представляется направление, связанное с расширением использования сравнительно дешевой технологии фасонного литья.

Исследования по созданию новых высокопрочных литейных алюминиевых сплавов типа "твердых растворов" (или "матричных"), например ВАЛ12, показали реальную возможность существенно повысить механические свойства отливок за счет оптимизации состава и термической обработки. Однако, низкие литейные свойства не позволяют получать из этих сплавов даже отливки средней сложности при использоаании обычных методов литья. Существующие высокотехнологичные литейные сплавы на базе системы л 1-э1 (силумины) имеют другие серьезные недостатки, к ним в первую очередь можно отнести:

1- ограничения по прочностным характеристикам - <>ь менее 400 МПа;

2- ограничения по рабочим температурам - ниже 350°С;

3- ограничения по допустимому содержанию примеси железа- менее 1%.

Создание конструкционных литейных алюминиевых сплавов на базе

эвтектических хомнозиций с использованием различных фаз (не только кремниевой) представляется более, перспективным, поскольку это позволит решать, многочисленные задачи по достижению заданного комплекса эксплуатационных, технологических и экономических характеристик, которому не удовлетворяют известные сплавы.

Для решения таких задач целесообразно иметь более или менее универсальный метод, который до начала эксперимента позволил бы наметить основные этапы разработки состава и технологии получения литейных алюминиевых сплавов. Эта предварительная подготовка должна обеспечить- максимальную эффективность экспериментальных исследований. Поскольку весь комплекс свойств в первую очередь определяется структурой сплава, то в основе выработки методов

-ь-

конструировэния сплавов с заданными свойствами должен быть структурный подход, основанный на изучении зависимостей между конкретными структурными параметра™ и конкретными свойствами. Это позволит сформулировать базовые требования к оптимальной структуре.• Для практической реализации желаемой структуры необходимо изучение особенностей ее формирования в зависимости от состава сплава, условий кристаллизации и термообработки. Учитывая, что достижение оптимальной 'структуры в большинстве случаев требует легирования несколькими компонентами, представляется особенно важным построение многокомпонентных диаграмм состояния, которых- в настоящее время имеется гораздо меньше, чем требуется.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Главная цель данной работы состояла в оптимизации структуры и состава конструкционных литейных алюминиевых сплавов специального и общего назначения с заданным комплексом эксплуатационных,' техно логических и экономических'характеристик и практической реализации пршщипов такой оптимизации.

Для достижения этой цели в работе решались следу тоще задачи.

1. На основе структурного подхода с использованием закономерностей, которые вытекают из анализа многокомпонентных диаграмм состояния, разработать принципы создания ■ сплавов эвтектического типа, позволяющих обеспечить высокий уровень как механических, так и литейных свойств.

2. Изучить особенности формирования многофазной структуры многокомпонентных эвтектических сплавов в процессе неравновесной кристаллизации и термообработки.

3. Нзушть влияние эвтектических фаз на характер разрушения высокопрочных литейннх алшиниевых сплавов.

-1. г^-габотэтъ иэу«"1.'<? основы создания вторичных литейных

алшиниешх сплавов с повышенным содержанием железа (более 1.5-2 мае.Ж).

5'. Выявить возможности создания сплавов, легированных исключительно переходными металлами и обладающих высоким уровнем жаропрочности и • литейных характеристик.

6. Построить многокомпонентные диаграммы состояния и фазовые диаграммы для условий реальной неравновесной кристаллизации и дать рекомендации по их использованию для оптимизации состава и структуры.

7. Разработать новые конструкционные литейные алшикиевые сплвчы с улучшенным комплексом свойств по сравнению с известными •аналогами:

а) высокопрочные сплавы (<>ь >500 МПа , НВ>170, б>355) с * • *

повышенными * литейными свойствами по сравнению с "матричными" сплавами типа ВА112 ;

• б) жаропрочные сплавы с рабочими температурами свыше 350°С и литейными свойствами на уровне эвтектических силуминов;

■ в) экономнолегированные малокремнистые силумины, допускающие более 2% ген не уступающие" по свойствам стандартным вторичным силуйинвм типа АК5М2.

г) высокотехнологичные силумины с повышенными прочностными свойствами по сравнению со стандартными силуминами типа АК?ч (АЛ9) и АК8МЗЧ (ВАЛ8).

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И НОВИЗНА.

I. На основе структурного подхода с использованием закономерностей, которые вытекают из анализа многокомпонентных диаграмм состояния, предложены принципы оптимизации состава и

структуры высокопрочных литейных алюминиевых сплавов. Для достижения наилучшего сочетания конструкционной прочности и литейных свойств рекомендуется использовать 'многокомпонентные сплавы эвтектического типа, структура которых состоит из . высокопрочной матрицы, например на основе дисперсионно упрочненного твердого раствора системы л1-гп-мя-си, и второй фазы, содержащей такие элементы, которые снижают температуру ликвидуса и не влияют на состав матрицы. Предложены возможные сочетания основных 'типов алюминиевых твердых растворов и различных эвтектических фаз,

2. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено положительное влияние глобулярных частиц эвтектических фаз на показатели конструкционной прочности высокопрочных литейных алюминиевых сплавов, склонных к межзеренному разрушению. Показано, что эти частицы способствуют переходу от межзеренного разрушения к более вязкому внутризеренному мелкоямочному. Предложена модель влияния объемной доли частиц эвтектической фазы на вязкость разрушения, ' которая .учитывает наличие противоположно действующих факторов.

3. Проведен анализ нер'авновесной кристаллизации многокомпонентных алюминиевых сплавов, который учитывает подавление перитектических реакций в реальных условиях. На примере 3-х и 4-х компонентных систем проанализировано формирование. литой структуры силуминов, содержащих железо, медь и магний.

4. Установлено, что все рассмотренные эвтектические фазы, в том числе содержащие железо, способны при нагревах в интервале температур 450-600°С к <?рагмектации на мелкие включения ■ и юслсдующей их сфероидиззции и коалесценции.. Интенсивность этих гроцзссоа зависит как от растворимости второй фазы в•алюминиевом

твердом растворе, так и от дисперсности литой структуры (толщины ветвей дендритов второй фазы эвтектики и расстояния между ними). Методом прицельной съемки с поверхности шлифов изучены особенности этих процессов.

5. Исследованы • фазовые превращения при нагреве в сплавах, содержащих неравновесные эвтектические фазы РеА16 и кег51А1а. Показано, что образование равновесных фаз и Рей 1 а!5 происходит на поверхности, а в объеме фазовые превращения затруднены.

6. Предложены научные основы создания литейных алюминиевых сплавов с высоким содержанием железа. На основе анализа ■многокомпонентных фазовых диаграмм рекомендуется* выбирать такие концентрации легирующих элементов, при которых все железо (не менее 2%) может выть связано в эвтектические фазы. Приведены примеры реализации таких композиций с зпастием фаз геышэ, ре2сеА110, РеА16

И Др..

7. Обоснована возможность создания жаропрочных литейных алюминиевых сплавов эвтектического.типа, легированных исключительно переходными металлами и обладающих улучшенным комплексом высоко- и низкотемпературных механических свойств и литейных" характеристик по сравнению с известными сплавами. Оптимальная структура должна представлять сочетание алюминиевой матрицы, максимально легированной такими переходными металлами, растворимость которых может быть достаточно . велика в реальных условиях кристаллизации (гг, с г, мп и др.), и второй жаропрочной фазы, содержащей малорастворимые в алюминиевом твердом растворе элементы (N1, ре, се и др.). Последние должны обеспечивать высокие литейные свойства. Для реализации данной структуры необходимо использовать не

только оптимальное легирование различными переходными металлами,- .но и специальные режимы приготовления сплавов и их термообработки для обеспечения: а)- высокой легированности алшиниевого твердого раствора В ЛИТОМ СОСТОЯНИИ; б)- высокой плотности и устойчивости вторичных алюминидов при рабочих температурах до 400°С; в)-неизменной (нефрагментированной) морфологии эвтектических фаз.

8. Построены диаграммы состояния многокомпонентных систем

(А1-81-Ге-Си-М8, А1 х, " А 1 -Я , А1-8{-Ре-Ве^.;

А1-гп^-си-ге-5х и др. ) в. виде проекций алшиниевого угла, а также политермических и изотермических сечений. Предложен метод . прогнозирования и построения пятикомпонентТ)ых. диаграмм состояния для анализа фазового состава силуминов, который- позволяет одновременно отслеживать влияние трех легируицих элементов по аналогии с четверными диаграммами. С помощью данного метода построена диаграмма А1-51-И8-си-ре.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

На базе разработанных принципов оптимизации состава и структуры созданы*новые литейные алюминиевые сплавы различного назначения.

I. Высокопрочные сплавы на базе твердого раствора А1-гп-мв-си (АЦ6Н4, АЦ6ЖН, АЦ7Ж).

Сплавы этой группы обладают максимальными прочностными свойствами (аь=450-550 ИПа, НВ=160-180) среди всех стандартных литейных алюминиевых сплавов и превосходят по литейным характеристикам известные высокопрочные сплавы типа ВАЛ12. .По комплексу эксплуатационных и технологических характеристик сплав АЦ6Н4 может конкурировать с деформируемыми, сплавами системы А1-гп-мв-си типа В95. Сплав АЦ7Ж допускает в своем составе до !.&%

Ре. что делает его сравнительно дешевым. По результатам многолетних исследований и испытаний составлено заключение о целесообразности использования новых высокопрочных сплавов в изделиях спецтехники.

2. Эвтектические и доэвтектические силумины с улучшенными механическими свойствами (АК12МГ, АК7Мг и АК11М4).

Предлагаемые силумины имеют прекрасные литейные свойства, что позволяет получать из них отливки сложной формы при использовании любых методов литья. Сплавы АК12МГ и АК7Мг превосходят известные безмедистые силумины типа АК9ч (АЛ4) и АК?ч (АЛЭ) по прочностным свойствам как в литом , так и в термообработанном состояниях (Т6-<»'»=320-380 МПа, НВ=105-120) и не уступают им по пластичности и

Ъ

вязкости разрушения. Сплав АК11М4 превосходит по "комплексу механических и литейных свойств высокопрочные стандартные медистые силумины типа ВАЛ8 (АК8МЗч).' Данный сплав отличается повышенной прочностью в литом состоянии- (оь=240-280 МПа, НВ=80-90). Сплав АК7Цг с 1992 г. используется на ММЗ "Рассвет" при получении кокильных отливок для изготовления деталей автомобильного насоса. Годовой объем производства отливок в 1993 г„ составил 212 т отливок.

3. Малокремнистые силумины с повышенным (1.5-3%) содержанием железа (АК212М, АК2Ж2М2, АКЗХ2М2 и АК2Я2М5 ).

Сплавы этой группы обладают отличной технологичностью при литье под давлением. Для приготовления сплавов может использоваться относительно дешевое сырье, что существенно снижает их себестоимобть по сравнению со стандартными вторичными силуминами типа АК5М2 без ухудшения механических свойств. Жидкоштампованные отливки из сплава АК2Ж2М в термообработанном состоянии по механическим свойствам (о =300-350 МПа, НВ=100-П0, 6=5-10%) могут

Ь

конкурировать со среднепрочными деформируемыми сплавами. Иг

этого сплава на НПП "Темп" приготовлено более 2000 отливок по заказу ПО "Костроматекстильмаш".

4, Жаропрочные сплавы, легированные исключительно переходными металлами (АН6Т1, АН6Т2, АНЖ, АЦрЖ).

Сплавы этой группы обладают качественно улу'членннм сочетанием жаропрочности, механических свойств при комнатной- температуре и литейных характеристик. По совокупности основных показателей предлагаемые сплавы превосходят известные жаропрочные литейные, алюминиевые сплавы типа АЛ19 и. АЛЗЗ, особенно при температурах выше 350°С,

Все разработанные сплавы запатентованы, на большинство из них составлены проекты технической документации.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы были представлены на международных и отечественных конференциях и семинарах, в том числе: на 2-ой и 3-ей международных конференциях по алюминиевым сплавам (1990 г. - КНР, Пекин , 1992 г. - Норвегия, Тронхейм), на 96-ом конгрессе литейщиков в США (1992г.- г.Миллуоки) , на международном семинаре по влиянию железа и кремния на алюминиевые сплавы в Венгрии (1989 г.- Балатонфюред) и др. Материалы работы отражены в 36 статьях. На состав разработанных сплавов и способы их производства получено 5 авторских- свидетельств СССР, 10 патентов Российской Федерации, 18 положительных решений по заявкам на изобретение.

СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из 6 глав, содержит 527стр. машинописного текста, включая"')') таблиц и /Д9 рисунков.

ГЛАВА I. ПРИНЦИПЫ ОПТИМИЗАЦИИ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Оптимизация составов алюминиевых сплавов, предназначенных для получения фасонных отливок, связана, как правило, с проблемой сочетания достаточно высоких значений как механических, так и литейных свойств. Наиболее прочные промышленные сплавы (ВАЛ10, ВАЛ12 и др.) имеют низкие литейные свойства, а высокотехнологичные силумины (АЛ2, АЛЭ и др.), наоборот, масопрочны, что ограничивает возможности их применения. Известно, что механические свойства определяются конечной структурой сплава, а литейные характеристики в основном зависят от процесса формирования структуры при кристаллизации. И то и другое может быть

проанализировано с использованием закономерностей, которые вытекают «

из многокомпонентных диаграмм состояния (ДС>. в данной главе .рассматривается принципы оптимизации структуры и состава высокопрочдах хитейных алюминиевых сплавов на основе анализа, этих закономерностей.

Выбор оптимального состава можно проиллюстрировать на примере обобщенной тройной ДС А1-Л-К и соответствующего политермического разреза А-К (рис.1), где Л- основные легирующие элементы, значительно растворимые в (л1) при нагреве под закалку (си, га, ме, б! ); К - мадорастворнмые элементы (ге, N1, ее и др.); А-базовый сплав на основе алюминия, содержащий Л в пределах их растворимости; . ЛФ- Д-содержащие фазы; ЭФ- К-содержащие фазы. Чем больше будет снижение температуры ликвидуса (Ть >, тем существеннее будет сужаться интервал кристаллизации (лт=т1-тЕ), т.к. температура неравновесного солидуса (тЕ) обычно постоянна. Это приведет к повышению литейных свойств, т.е. их максимум должен достигаться при концентрации Се.

т ь Ж + (М) ^ /Ж+Эф

(АО-^Эф

Ге

/(Афл9/ /ГАг)+Э9+ЛФ/ '

А

Рис.1. Общий вид диаграммы состояния А1-Л-К (а) и

политермического разреза А-К (о).

С другой стороны, с ростом концентрации К увеличивается доля включений ЭФ, снижающих механические свойства, особенно показатели пластичности (6) и вязкости разрушения (К1с). Это связано с тем, что практически все ЭФ, встречающиеся в А1-сплавах, отличаются хрупкостью и разрушаются в первую очередь, образуя несплошносги, которые являются концентраторами напряжений, особенно сильными в случае иглообразной . морфология частиц . Отрицательное влияние включений ЭФ может быть существенно уменьшено, если обеспечить им глобулярную форму и равномерное распределение, т.к. в этом случае будут иметь место более слабые концентраторы напряжений. Такую структуру легче получить в чисто эвтектических сплавах, поскольку они отличаются наиболее дисперсным строением, и в "процессе нагрева под закалку возможна фрагментация эвтектических кристаллов ЭФ на мелкие компактные частицы, что экспериментально подтверждается на сплавах различного состава (рис.2). ■

Для выявления возможных сочетаний наиболее распространенных базовых твердых растворов (А) и эвтектических фаз (ЭФ) (табл.1) были проанализированы, известные диаграммы состояния, проведено исследование структуры эвтектических и доэвтектических" сплавов и определены температуры и концентрации, обозначенные на рис Л. По степени снижения Т , которое имеет место при переходе от базовых композиций к эвтектическим, выбранные ЭФ располагаются в следующей

последовательности (по убывающей): вь мггЯ1, ышз, Гем1д13, *

гег51А1в. Большинство композиций, отмеченных знаком "+", в случае литья в металлические формы позволяет реализовать после термической обработки структуру с глобулярными включениями ЭФ (рис.2). По комплексу механических и литейных свойств эвтектические сплавы могут сильно различаться, поэтому выбор оптимального состава зависит от

Рис.2. Типичные микроструктуры эвтектических сплавов в термообработанном состоянии: а- А1 - г 1%51-4%си, фаза (81); <5- А1-б*2п-8.5%М8-1%Си-4%Б1, фаза М8281} В- А1-6%гп-1.6%мг-1ХСЦ-4., фаза 1з; Г- А1-2.8%Ре-2.3X81-1.5ЖСи-0.3%М§, фаза Рег81А18.

Рис. 3. Схема влияния объемной доли (о) частиц второй фазы эвтектики т вязкость рнзругаения (кГ(> высокопрочных сплштов.

коккретных требований к тем или иным характеристикам.

Таблица I.

Возможные сочетания разных типов алюминиевых твердых растворов с разными фазами эвтектического происхождения.

Тип' (АН тиьЛ. ЛФг. °С

- Эвтектические фазы (Эф) Ш) М8251 Ы1А1Э РеН1А1э Рег81А1£

555 ' м + + 4 +

А1-Си-81 525 е * - - - +

505 Ч + + +

Л ¡-Си 548 в - - - . - -

АЬМЕ 450 » + • + + -

П-Н&гЪп 447 т - + + + -

А1-гп-мк-си 475 1 - + + +

'Т^ - неравновесный солидус;

г ЛФ- эвтектические фазы, образованные основными легирующими ЭЛеМеНТаМИ '.М- в- СиМг,'ч/- си^в^^а^, п-ме6а1в , т-

мкэгпэА12, п-м«'гпг..

Несмотря на то, что б¡-фаза прзволяет добиться высоких литейных и средних прочностных свойств, во многих случаях она непригодна. Так, например, невозможно добиться ее сочетания с твердым раствором А)-гп-м8-си, на основе которого достигаются максимальные прочностные свойства. В . связи с этим необходимо исследование эвтектических сплавов на основе твердого раствора А)-2п-мв-си с участием других фаз. Их сравнительная характеристика дана в табл.2, из которой видно,, что все рассмотренные ЭФ имеют свои преимущества и недостатки. Например, фаза м8гз! существенно повышает литейные и

сохраняет прочностные свойства; фаза И1А13 улучшает показатель горячеломкости (ПГ) и значительно увеличивает значения НВ, ов и ст0 ; использование фазы гс^а 1в позволяет снизить себестоимость сплавов при сохранении достаточно высокого уровня прочности! фаза-реМ1 занимает промежуточное положение между фазами ша13 и Ге?51А1в по свойствам и экономности легирования.

Экспериментальные данные показывают, что во многих случаях эвтектические сплавы имеют более высокие значения пластичности и вязкости разрушения по сравнению с базовыми композициями. Для объяснения этого эффекта изучали характер разрушения в зависимости^ от объемной доли (о)" включений ЭФ. Установлено, что высокопрочные литейные алюминиевые сплавы "матричного" типа (с небольшой долей ЭФ), в том числе на базе систем А1-мв-гп и а^п-ме-сч, имеют сильно выраженную склонность к межзеренному разрушению. Следствием. этого являются нестабильность механических свойств, особенно пластичности и вязкости разрушения, и повышенная чувствительность к примесям железа и кремния и различным литейным дефектам.

В данной работе были проанализированы .структурные факторы, которые в наибольшей степени влияют на характер разрушения высокопрочных литейных алюминиевых сплавов с различным содержанием ЭФ. Анализ фрактограмм и тонкой структуры базовых сплавов показывает, что главной причиной межзеренного разрушения являются зернограничные вторичные выделения , которые наиболее заметны после старения по режимам Т6 и Т7. Образуя сплошную сетку, состоящую из хрупких частиц,' они способствуют распространению трещины по границам зерен, тем самым препятствуя участию основных объемов тела зерна в пластической деформации.

Таблица 2.

Сравнительная характеристика механических_и литейных свойств сплавов на основе твердого раствора А1-6%гп-1.6%мв-1%си с разными эвтектическими фазами

ЭФ О, обЛ °С ¿т. °с НВ V МПа МПа 6, % К,.. ПГ\ Ша*м1,г мм

- О 645 170 151 446 .426 5 45 37.5

ША13 7.3 618 143 174 520 482 3 31.5 22.5

М8гБ1 15.5 58В ИЗ 166 480 450 I 24 17.5

ГеИШв 6.2 632 15? 166 505 465 2 . 27.5 27.5

3.8 630 155 164 490 462 1.5 25 27.5

'-показатель горячеломкости па пробе ВИАМа ( чем меньие ширина кольцевой отливки, полученной литьем в песчаную форму с •металлическими стержнями, тем меньше горячеломкость).

При малых значениях о частицы ЭФ располагаются в основном по границам зерен, что способствует повышению склонности к межзереиному разрушению и снижению показателей конструкционной прочности. В эвтектических сплавах наблюдается относительно равномерное распределение частиц ЭФ (т.е. большая их часть находится в теле зерна), что препятствует образованию цепочек зерногракичных вторичных выделений. Следствием такой структуры является другой тип излома - иелкоямочньй, который формируется по следующей схеме: Г- хрупкое разрушение частиц ЭФ и образование микропор; 2- вязкий рост микропор и их слияние. В этом случае разрушению будет предшествовать большая пластическая деформация матрицы по сравнению

с межзеренным разрушением базошх сплавов. Если положительный эффект от смены характера разрушения будет больше отрицательного влияния хрупких включений ЭФ, то может наблюдаться рост значений б и К|о.

Рассмотренные закономерности влияния ЭФ на характер разрушения' высокопрочных • сплавов наблюдались в различных системах, что позволило предложить обобщающую модель влияния объемной доли частиц ЭФ на К)о высокопрочных литейных алюминиевых сплавов, термообработанных по режиму Т6 (рис.3). Эта модель позволяет выделить 3 характерных области: I- снижение К из-за ослабления границ зерен при малом количестве о; 2- положительное влияние, внутризеренных частиц за счет перехода от межзеренного- разрушения к внутризереиному; 3- отрицательное влияние частиц ЭФ становится доминирующим за счет увеличения доли хрупкой составляющей. Если значение д, соответствующее эвтектическому составу, . мало, зависимость К1с-<з может содержать только первые две -области.

Таким образом, эвтектические сплавы по сравнению с "матричными" позволяют получить более высокий уровень не только литейных, но и механических свойств.

Эвтектические структуры могут быть созданы.с участием нескольких ЭФ, что позволяет существенно повысить значение о (до 20 об.* и более) при сохранении глобулярной морфологии включений. Выбор оптимальных составов многофазных сплавов может быть сделан при наличии • многокомпонентных ДС, некоторые из которых были экспериментально построены в данной работе и проанализированы. В частности, из ДС А1-$1-м?-ш (рис.4, табл.3) вытекает оптимизация состава сплавов на базе твердого раствора с одновременным

присутствием фаз (я;), мр.^! (м) и мшз(е). •

Рис. 4. Диаграмма состояния ai-sí-ms-ní в области концентрационного тетраэдра (a'1-1. l%S¡-0.8%Mg)-Si-Mg2Si-NiAl3.

' Таблица 3.

Конвариантные эвтектические реакции в системе ai-sí-ms-ní в области концентрационного тетраэдра (Ai-i.-i%si-o.8%Mg)-si-Mg2si-NiAi3

Реакция T,°C Хйм.состав, масЛ Q»

(обоз.на рис.4) Si Mg Ni Al об.55

L+(Al)+Si+Mg2Si <e,) 555 13 4.5 .- OCT. 17.7

l>(At)+Si+NlAl, (e2) 565 • 12 o.a 4 ОСТ. 17.9

l.*(AI )+Mg2Si+NiAl3 <e3> 588 4.9 7.г 3 OCT. 19.5

L*(Al )+Si+Mg2S¡+NiAl3 (E) 548 13 4 2 ост. 20.4

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ МНОГОФАЗНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ В ПРОЦЕССЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ТЕРМООБРАБОТКИ.

В данной главе рассматриваются две практически важные проблемы, связанше с формированием структуры многокомпонентных а 1-сплавов в реальных условиях кристаллизации и термообработки:. I- неравновесная кристаллизация многокомпонентных а 1-сплавов с использованием равновесных' тройных и четверных ДС-, 2- исследование процессов формоизменения разных эвтектических фаз при нагреве в практически допустимом диапазоне температур и выдержек,

Изучение структуры сплавов, в которых должны протекать перитектические реакции, показывает, что следы этих реакций выявляются лишь при малых скоростях охлаждения (уохл), как правило, в виде ободков "новой" фазы на поверхности "старой"' фазы. При литье в металлические изложницы, когда значения уохл достаточно велики, перитектические реакции практически полностью подавляются. В данной работе были' предложены следующие допущения для анализа неравновесной кристаллизации •сплавов: I- перитектические превращения полностью подавляются; 2- все эвтектические реакции протекают в соответствии с равновесными диаграммами состояния.

Используя эти допущения, был проведен анализ неравновесной кристаллизации сплавов систем Л1-51-Ге, Л1-5ЬМ8-Си И а1-Б1-м8-Ге по имеющимся равновесным диаграммам состояния , согласно которым должны протекать следу0цие перитектические реакции: I- ь+Рса!3(г) * (А1 !+Ге,.П.'А!8(<0; Г + Ге?ЗШ80) =» (А 1) +Ге Я ; Д1 ь (р) ; 2~ Ь+Мц^КЩ * (Л! МО. .",,•/> 1ьСЛ') ^ ( Й \); • 3- 1.+ ГоЯЬМг>(Д) » <А1 )+МВ;,31 (Н) +

♦«(гсз!^» ,-мв). Неравновесное политермический разрезы (рис.56), посгроенные по предложенной методике, п отличие от равновесных (рис.5а'|. хорошо соответствуй! зк^гогрименгги», ».х длимым.

600-

г

Ге, %

750

650Н

•Н.

ислеШ)^оо-; т+съ)

¿+ гаснг+оС

2 ' 3

в

650

О

600-

650

-й+сле)

А1—

Ре; %

Рис.5. Политермический разрез (Л1-2.5*8П- ге для разных вариантов кристаллизации; а- равновесной-, б- у0 "Ю~2К/с; в- у0ХЛ"Ю К/с.

На примере системы м-51-1-е был проведен анализ влияния уохл на' последовательность кристаллизации различных фаз (рис.5). Показано, что при скоростях, характерных для литья в металлические изложницы (1-20 К/с), при 2-3%ге на политермическом разрезе имеет место область, в которой присутствуют фазы а и (эП и отсутствуют фазы риг (рис.бв), что невозможно при равновесной кристаллизации и медленном охлаждении (рис.5а,б). .Такое изменение фазовых областей имеет принципиальное значение для оптимизации состава малокремнистых силуминов с повышенным содержанием железа, поскольку морфология фазы « существенно лучше, чем у других ге-содержащих фаз. Более того, « фаза -единственная среди ф£з системы лт—я 1-ге, которая обнаружила тенденцию к- фрагментации при нагреве (рис.2г).

Промышленные силумины содержат в своем составе , как правило, не менее трех компонентов, кроме алюминия и кремния, поэтому для строгого анализа их фазового состава необходимо наличие пятерных диаграмм состояния. Прежде всего, это относится к системе л1-з1-ге-си-М8, поскольку большинство силуминов содержат в качестве легирующих элементов магний и медь, а -также примесь железа. Многокомпонентные диаграммы состояния обычно изображают в виде сечений при переменном содержании одного или двух элементов, их экспериментальное построение достаточно трудоемко, особенно при необходимости наличия нескольких сечений, с целью повышения эффективности эксперимента в данной работе была разработана методика прогнозирования и изображения пятерных систем применительно к силуминам и с ее помощью построена диаграмма

СОСТОЯНИЯ А1-Б 1-Ге-Си-Ме.

Предлагаемая методика базируется на следующих, допущениях: I- во всех фазовых областях в твердом состоянии присутствуют не только (л)), но и б¡-Фаза, что позволяет рассматривать влияние трех -остальных

элементов с помощь» концентрационного треугольника; 2- нее (Тезы

образованы на базе соединений, которые содержат не более 4-х элементов и, соответственно, известны из четверных диаграмм состояния. Таким образом, полиздрация пятерной системы сводится к "триангуляции", т.е. имеется аналогия с методом изображения фазовых областей четверных систем на концентрационном треугольнике. На основании проведенного анализа и дополнительных экспериментальных исследований было предложено строение диаграммы состояния системы м-яг-ге-си-ма при 10% я! (рис,6, табл.4.). Из нее следует, что в зависимости от соотношения между си, ив и ге в структуре могут присутствовать следующие фазы: р, м, е(сиА1г), я и V. Приведенные в работе изотермические и политермические сечения позволяют определить границы существования этих фаз и проанализировать реакции, по которым фазы кристаллизуются.

* Таблица 4.

Нонвариантные эвтектические й перитектические реакции в сплавах СИСТеМЫ А1-31-Ре-Си-МЕ

Реакции

Обозначение Состав жидкости, масЛ Т,

.на рис.6. 51 • Ге Си М8 "С

1л(А1 )+31+тг+Я • Е Ь+М»(А1 ) + 81+Ш+Я Р,

5-6 • 0.1-0.2 25-28 2-3 505-507 7-10 0.1-0.2 14-17 3-6 515-520

5-6 0.2-0.4 26-28 Г-2 515-520

Изучение структур эвтектических сплавов, полученных при. разных уохл и термообработанных при различных температурах, позволяет сделать следующие наиболее общие выводы: I- с ростом дисперсности эвтектики за счет повышения . или оптимизации состава, способность

Рис. 6. Диаграмма состояния л:-э;-гс-си-мв в виде проекции

сплава а ! -! ояэ ]

а- распределение фазовых областей в твердом состоянии-, б- границы поверхностей температур начала кристаллизации многофазных эвтектических и п'еритектйчсских

";)|;ЗКПЯЛ С учетном (Л1) I) (ЯП-

эвтектических фаз к Сегментации и сфероидиэации возрастает,- 2- чем больше растворимость этих фаз в (А1), .тем быстрее идут эти процессы. В известных литейных а1-сплавах фазы, содержащие переходные металлы (?е, к 1 се и др.), не изменяют своей морфологии при обычных режимах термообработки (ниже Б50°С). Это объясняется малыми значениями растворимости и коэффшЦнта диффузии этих элементов в аь Однако, в случае высокой дисперсности второй фазы, реализуемой в эвтектических сплавах, процессы формоизменению могут протекать достаточно интенсивно.

Для экспериментального исследования были выбраны эвтектические сплавы, содержащие фазы лшз, РеА16, СеА^, РеША1э1 Ге2СеА110, Ре281А1а. Следует отметить, ЧТО фазы РеА16 И Ге251А1в являются неравновесными, поэтому при нагреве наряду с формоизменением может иметь место фазовое превращение. Особенности процесов фрагментации и сфероидазации изучали методом прицельной съемки с поверхности шлифа после разного времени выдержки при нагреве, в обычной муфельной печи. Структуру изучали и фотографировали в растровом электронном микроскопе, используя режим отраженных электронов, что позволило иметь хорошее разрешение несмотря на наличие окисной пленки.

Изучение структуры сплавов после нагрева в интервале 200- 600°С показало, что до 400°С включительно все эвтектические фазы сохраняют исходную морфологию. Фазы ша13 и геа16 обнаруживает сильные признаки

фрагментации и сфероидизации уже при- 450°С, а остальные фазы при *

500°С. При дальнейшем росте температуры нагрева наблюдается коалесценция (укрупнение) частиц этих фаз. Фрагментация начинается в наиболее тонких и искривленным местах, поэтому в центре эвтектических колоний процесс идет быстрее, чем на периферии.

Исходя из известных механизмов фрагментации, дисперсные эвтектики колониальным строением, изучаемые в данной работе, должны иметь

высокую склонность к формоизменению. Это связано с несколькими факторами: I- большая межфазная поверхность с многочисленными искривлениями; 2- термические напряжения в частицах ЭФ-, 3- малая толщина ветвей дендритов ЭФ. Все это делает исходную (литую) эвтектическую структуру очень нестабильной, что стимулирует процессы формоизменения, направленные на снижение свободной энергии. По совокупности экспериментальных данных и результатов анализа известных сведений по механизмам формоизменения, можно сделать следуицие вывода: I- в рассматриваемых литейных сплавах эвтектического типа процессы фрагментации, сфероидизации и коалесценции частиц эвтектических фаз, в том числе содержащих малорастворимые в (д!) элементы (ре, N1 и се), подчиняются общим закономерностям; 2- более сильные морфологические изменения в рассматриваемых сплавах по сравнению со стандартными литейными сплавами связаны с более дисперсной' морфологией эвтектических колоний.

При изучении структурных изменений в процессе нагрева в сплавах, содержащащих неравновесные фазы геА1к и ре251А1в (а), было обнаружено появление иглообразных частиц. Исходя из большой вероятности фазовых превращений геА16*РеА13(г) и а-»гез;А15(Р), было сделано предположение о том, что образуемые при нагреве частицы соответствуют равновесным фазам г и р. В сплавах системы льге-БЬ содержащих фазу <*, данный э©ект (при 550°С и выдержках до 20 ч) наблюдался только на поверхности, что вероятно может быть связано с большими упругими напряжениями, которые должны соответствовать превращению сг*р. При замещении части ' железа марганцом образуется равновесная фаза (геМп)3Б1гА115, близкая по морфологии и составу неравновесной фазе «. В этом случае образование игольчатых включений фазы р, как это и •следовало ожидать, не наблюдалось.

. ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ВЫСОКОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА БАЗЕ ТВЕРДОГО РАСТВОРА А1-2п-м8-си С УЛУЧШЕННЫМИ ЛИТЕЙНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

В данной главе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой новых высокопрочных литейных сплавов эвтектического типа на базе твердого раствора А1-7п-М8-Си и вторых фаз НШ;| (е), РеЫ1А19 (Т), ге2Б1А1в (а) и М8гз1 (М), принципиальная' возможность создания которых была обоснована в гл.1. Выбор состава матрицы в значительной мере опирался на ранее проведенные исследования, связанные с разработкой литейных сплавов "матричного типа" на основе системы А1-гп-мв-си.

Для обоснования оптимальных концентраций б;, ге. N1 и ме, необходимых для реализации эвтектических структур, строили политермические и изотермические разрезы соответствующих

многокомпонентных диаграмм состояния. Поскольку данные элементы могут распределяется между несколькими фазами, необходимо соблюдать оптимальные соотношения между ними.

Для облегчения расчета была составлена программа для ПЭВМ, которая позволяет определять' распределение элементов между (аП и другими фазами в зависимости от состава и, соответственно, выбирать оптимальные концентрации легирующих компонентов.

Для сплавов данного типа использовали следуиций режим термообработки <Г6): закалка- 450-460"С, • 4-6 ч + 500--520"С, 4-12 ч; старение- И5-1250С, 4-6 ч +155-165"С, 3-4 ч. Первая ступень нагрева под закалку выбрана ниже Т (рис.1), чтобы растворить неравновесную фазу п(м ,гп,!^,си) без оплавления, назначение второй ступени

I

(максимально приближена к Т ) - получение глобулярных частиц эвтектических фаз.

Габлица 5,

Химический состав и свойства новых эвтектических высокопрочных сплавов на основе твердого раствора системы м-гп-мв-си.

Марка Легирующие элементы И основные примеси , Mac.it

сплава гп ме си N1 Ге Сг

АЦ6Н4 5.5-6.5 1.3-2.0 0.7-1, .3 3-5 <0.2 <0.3 0.05-0.2

АЦ7Ж 5-8 1.4-2.8 0.7-1, .3 - 1-1.8 0.3-0.8 0.05-0.2

АЦ6Н 5.5-6.5 1.3-2.2 0.7-1.3 0.8-1.3 0.8-1.3 <0.4 0^05-0.2

Марка Механические (

сплава нв °0 2'

МПа Мпа

АЦ6Н4 180 540 490

АЦ7Ж 160 500 450

АЦ6ЖН 170 520 470

5, К % МПа*м

Литейные свойства ПГ, ПЖ, ЛУ,

мм

мм

%

40 22.5 360 1.3

30 25 340 1.3

35 25 330 Г.З

ВАЛ12

175 540

490

1

40

35

300

1.3

ПГ- показатель горячеломкости по пробе ВНАМ ; ПЖ- показатель жидкотекучести по прутковой пробе •, ЛУ- линейная усадка;

ЖШ- жидкая штамповка.

По результатам проведенных исследований были предложены новые высокопрочные■ литейные алюминиевые сплавы эвтектического типа. Сплавы запатентованы, состав и свойства некоторых из них-приведены в табл.5. Сплавы опробовали при получении отливок средней сложности методами жидкой штамповки и литья под низким давлением. Установлено, что из новых сплавов можно получать качественные- отливки , в которых

реализуется высокий уровень механических свойств. Использование новых сплавов взамен известных (литейных типа ВАЛ12 и деформируемых типа В95) позволит получить значительный экономический эффект за счет повышения КОДа.

4. РАЗРАБОТКА ЭВТЕКТИЧЕСКИХ И ДОЭВТЕКТИЧЕСКИХ СИЛУМИНОВ С УЛУЧШЕННЫМИ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Поскольку силумины являются основной группой литейных алюминиевых сплавов, их рациональное использование имеет большое практическое ' значение. Анализ структуры многокомпонентных силуминов позволил выделить два перспективных направления: I- оптимизация структуры алюминиевой матрицы за счет изменения концентраций % и с« и режима термообработки; 2- улучшение морфологии железистых фаз за счет модифицирующих добавок.

Влияние магния и меди на механические свойства силуминов показано на рис.7. Концентрации этих элементов для экспериментальных сплавов были выбраны по методу симплекс-планированйя с использованием модели полной четвертой степени (точки симплекса показаны на рис.7). Расчет и построение зависимостей состав-свойство проводили по специально составленной программе для ПЭВМ. Установлено, что магний во всех состояниях (литом, состаренном после литья -Т1, состаренном после закалки- Т5, Т6) повышает твердость и снижает пластичность, особенно сильно это проявляется при старении по "жесткому" режиму (170°С, 6 ч). Наиболее резкое влияние магния наблюдается при увеличении его концентрации до 0.6%, когда он входит в основном в состав алюминиевой матрицы. Дальнейшее повышение содержания ы% приводит к увеличению объемной доли фазы Мегя1 эвтектического происхождения, включения которой оказывают более слабое влияние по сравнению со вторичными

Рис.

¥. Влияние меди и магния на твердость (№), временное сопротивление (сгъ) и пластичность (<5) сплава ( А1-ТК1-0.2Ме В состоянии Т6 (500°С,6 Ч+П0°С,6 ч).;

выделекиями.

Из полученных данных следует, что для безмедистых и маломедастых силуминов целесообразно использовать интервал 0.5-0.9% мЁ, поскольку он обеспечивает более стабильный уровень механических свойств при максимальной прочности по сравнению с традиционным интервалом 0.20.4%, характерным для известных силуминов типа АК7. Для медистых силуминов предлагается использовать эвтектическую концентрацию з; и 4-5%си при строгом ограничении по Мк, т.к. в этом случае достигается наилучший комплекс механических и литейных свойств.

Получение глобулярных частиц железистых фаз можно добиться введением модифицирующих добавок. Для обоснованного выбора оптимальных концентраций таких добавок (Д) необходимо иметь ДС по крайней мере четверных систем типа л1-Б1-Ге-Д. Поскольку такие диаграммы для большинства потенциальных добавок (ш, пе, с о) отсутствуют, их строили в данной работе, Например, из диаграммы Л1 -."П-Ге-лч (рис.8, табл.6) можно определить концентрацию мь которая нейтрализует вредное влияние примеси ге, т.е. обеспечивает полное связывание этого элемента в фазу т(КеМ1А1д) эвтектического происхождения.

Результаты определения механических свойств силуминов с разными концентрациями Ге и N1 находятся в соответствии с данными

структурного анализа, т.е. более благоприятной морфологии частиц железистых фаз отвечают и более высокие значения показателей пластичности и вязкости разрушения.

На основании общей концепции разработки высокопрочных литейных алюминиевых сплавов (гл.Т) и специальных .экспериментальных исследований предложено 3 новых силумина АКГЗМг, АКГГМ4 и АК7Мг. Сплавы запатентованы, данные по их составу и свойствам приведены в табл.7.

Рис.8.

Проекция алюминиевого угла диаграммы л1-81-ге-т:

а- проекция политермической диаграммы;

б- распределение фазовых областей в твердом состоянии.

Таблица 6.

Нонвариантные реакции в системе м-Б^е-т (рис.8)

Реакции Состав жидкости, мас.% в! ре n1 Т,"С

б 12-14 0.2-0.4 4-5 562-565

Р, 1Х»»(А1)+Р*Т 6-8- 3-4 1-2 600-610

Р7 Ь+0*(А1)+Т+(81) 13-14 0.6-1 2.5-3 573-576

р3 4-6 3-5 1-1.5 620-628

Таблица 7.

Химический состав и свойства новых силуминов.

Марка Легирующие элементы и основные примеси, мас.%

СПЛава 51 Мв Си Ге МП 2п N1

ДК7МГ 6.5-8 0.7-0.9 *0.2 <1.0 «0.5 *0.Б

АК12МГ 10-13 0.5-0.9 10.6 *0.6 $0.5 *0.5 0.01-0.8

АК1Ш4 9-12 ¿0.2 4-5 . «0.5 <Г.5

Марка Механические свойства (Т6) Литейные свойства

сплава НВ оь> Мпа 5 Л К, ,Ша«м1/й ПГ.мм ПЖ.мм ЛУ,*

АК12МГ 115 350 5 35 <4 420 1.0

АКЭпч 90 290 в 29 <4 400 1.0

АК11М4 120 400 5 32 4 420 1.1

АК8МЗЧ 120 380 4 23 6 380 1.1

АК7МГ НО 330 5 37 <4 400 1.1

АК7ПЧ 85 270 . 7 29 <4 380 I Л

ПГ- показатель горячеломкости по карандашной пробе; ПЖ- показатель жидкотекучести по прутковой пробе ; ЛУ- линейная усадка.

Предлагаемые силумины, обладая прекрасной технологичность!), имеют более высокие механические свойства по сравнению с наиболее известными аналогами. Сплав АК7Мг был внедрен на ШЗ "Рассвет" вместо стандартного силумина АК7ч для получения кокильным литьем отливок "Нижняя рама", "Верхняя рама" и "Цилиндр", используемых в производстве автомобильного насоса НВН-100Б. Производство сплава в 1993 г. составило 212 т отливок. Сплавы АК12Мг и АК11М4 успешно прошли опытно-промышленное опробование при получении различных отливок сложной формы.

5. РАЗРАБОТКА 9К0Н0МН0ЛЕГИР0ВАННЫХ МАЛОКРЕМНИСТЫХ СИЛУМИНОВ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЖЕЛЕЗА .

В данной главе рассматриваются сплавы с повышенным (2-335) содержанием железа, в которых кристаллизуется эвтектика (а1 )+а(ге2з1а18). Научные основы создания сплавов этого типа вытекают из анализа неравновесной кристаллизации в системе л1-$1-ре (гл.2.). Изучение структуры многокомпонентных силуминов (уохд=3-10 К/с), содержащих 1-13% 31; 0-4 % Ге; О-ЮЖси; 0-2%М$ и О-ЗЖго показало, что си, ма и 2п. не оказывают существенного влияния на распределение областей существования железистых фаз р, а и р, которое з основном определяется концентрациями ге и з!. Из рис.9 следует, что полное связывание ге в фазу « достигается при 2-ЗХге и 2-зм!, поэтому именно эта область была выбрана в качестве базовой для разработки высокожелезистых сплавов. Разработанные сплавы, состав и свойства двух из которых (АК2Ж2М и АКЗЖ2М2) приведены в табл.8, различаются в основном содержанием си и ме. Поскольку по концентрациям гс и з 1 данная область наиболее близка стандартным малокремнистым силуминам

Рис. 3. Распределение областей ге-и в{-содержащих фаз в

датах сплавах системы л1-81-ге-си-мв при 2%Си и 0.5Х м4 (уои- 10Рк/с)

1- сплавы типа АК2К2М

2- сплавы типа АК5М2

типа АК5М2 (обе области отмечены штриховкой на рис.9), свойства новых сплавов сравнивали со свойствами последних. Из табл.8 видно, что по совокупности механических и литейных свойств предлагаемые сплавы практически не уступают стандартным аналогам. Если последние содержат более Ше, то преимущество новых сплавов по механическим свойствам становится весьма ощутимым.

Таблица 8.

Химический состав и свойства высокожелезистых сплавов.

Марка Легирующие элементы и основные примеси, , мае.55

сплава 51 Ге Си Мп 2п

.АК2Ж2М 1.4- ■2.8 1.4-2.8 0.4-0.9 0.5-0.9 ¿0.5

АКЗЖ2М2 3- 4 1.4-2.0 0.2-0.8 1.5-3.5 0.4-0.8 51

Марка Механические свойства Литейные свойства

сплава ТО НВ оь,Мпа 6,% ПГ, мм ПК,мм лу,г

АК2Я2М Л 70 200 5 17.5 320 1.3

(2.5% Ре) Т6 100 300 4

АК5М Л 55 190 4. 15 340 1.2 :

(№е) Т6 90 290 4

АКЗЖ2М2 Л 80 200 3 12.5 350 1.2

(2%Ре) Т1 • 90 230 Г

АК5М2 Л 80 200 2 12.5 350 1.2

(№е) Т1 90 230 I

ПГ- показатель горячеломкости по пробе ВИАМа; П1- показатель жидкотекучести по прутковой пробе; ЛУ- линейная усадка; Т1- 170°С, 6 4 ; Т6- 500°С, 6 Ч + 170°С, 6 Ч.

ч

Опробование сплавов путем получения реальных отливок проводили на различных предприятиях методами литья в кокиль, жидкой штамповки и

литья 'под давлением. Показано, что для массового производства наилучшим является последний метод, т.к. ге улучшает отлипаемость отливки от пресс-формы, что способствует повышению производительности процесса. Высокое содержание ре в составе новых сплавов позволяет использовать для их производства относительно дешевое вторичное, в том числе низкосортное, сырье и, соответственно снизить себестоимость отливок. Установлено, что жидкоштампованные отливки из сплава АК2Ж2М способны заменить деформируемый сплав Д16 в производстве деталей текстильных машин.

ГЛАВА 6. ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ ЖАРОПРОЧНЫХ ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Рассмотренные в гл.1 принципы создания высокопрочных литейных . сплавов на базе эвтектических композиций могут быть использованы и для конструирования литейных сплавов, легированных исключительно переходными металлами (ПМ) и обладающих 'повышенной жаропрочностью. Оптимальная структура может быть достигнута в сплавах типа А1-ПМ1-ПМЗ при следуодих условиях: I- ПМ1- один или несколько переходных металлов, которые в значительном количестве входят в ш) при кристаллизации и обеспечивают упрочнение при высокотемпературном старении за счет образования вторичных алюмишдов; г- ПМ2- один или несколько переходных металлов, которые образуют с алюмшшем диаграмму состояния эвтектического типа с высокой эвтектической температурой; 3-ПМ1 и ПМ2 не образуют между собой фаз, по крайней мере при требуемых концентрациях.

В качестве ПМ!. рассмотрены -п, зс, V, сг , мп, ъх, мо и нг. Показано, что в отливках л=3-10 К/с) можно добиться существенно

более высокой растворимости ПМ1 в <а1), чем это следует из равновесных диаграмм состояния. В частности, растворимость гт в (а!) достигает 0.8-0.что значительно превосходит уровень, характерный для стандартных литейных сплавов при использовании обычной технологии (0.1-0.3%). Подобный эффект был получен и на эвтектических композициях С различными фазами (ИхАЦ, ГеН1А1э, ТеА\6 и ГегСеА11р). Показано, что цирконий (подобно скандию) способствует дисперсионному твердению при нагреве в интервале 350--450°С (рис. 10), поэтому он был выбран в качестве основного ПМ1. Упрочнение связано с выделением дисперсных частиц метастабильной фазы ггА13. Марганец и хром, не влияя на этот эффект, приводят к дополнительному упрочнению и также могут быть использованы для легирования алюминиевой матрицы. Высокая растворимость гт в (ап может быть достигнута только при использовании специального режима ведения плавки. В частности, температура литья должна быть не ниже 900°С, т.к. в противном случае могут образоваться грубые первичные кристаллы фазы ггА13, что приводит к снижению концентрации гт в (а!).'

Было предложено и запатентовано несколько сплавов, в которых реализованы эвтектические структуры типа А1-ПМ1-ПМ2. В качестве аналогов для сравнения жаропрочности, механических свойств при комнатной температуре и литейных характеристик были выбраны известные жаропрочные сплавы АЛЗО, АЛ19, АЛЗЗ и АЦР1У. Жаропрочность оценивали по специальной пробе, определяя на образцах 10x1x60 мм угол загиба (г) при испытании на изгиб (3-х часовая выдержка при различных напряжениях и температурах). По этому показателю предлагаемые сплавы превосходят выбранные аналоги, особенно при 400-450°с.(рас.II). Предлагаемые сплавы имеют неплохие механические свойства при комнатной температуре ■ (1ГО= 90-120, о *250-350' МПа, 5=3-Г0%) и хорошие литейные характеристики (на уровне безмедистых силуминов).

А1-0.а»2г <22Й2рА1-0.8*гг-0.8*Сг «44» А1-0.а«2г-2*Мпг0.ВжСг

Рис.10. Зависимость твердости л 1-сплавов, легированных гг, 8с, сг и мп, от температуры старения .

ощор АЛ35 чьт АЦРЬ

<2222? М-1.5«Га-1.55М;-0.авгг- 0.5«Сг А1-2иГе-2*0-0.8*гг-0.5*Сг

Рис.11. Зависимость показателя жаропрочности (г) м-сплавов от температуры испытания (ч=25 МПа).

Литейные сплавы, легированные исключительно переаддными металлами, рекомендуются для использования в изделиях спецтехнмш (летательные аппараты, вооружение, форсированные автомобилышо двигатели и т.д.) при изготовлении тонкостенных деталей сложной формы вместо стандартных литейных сплавов. В перспективе ноше литейные сплавы могут составить конкуренцию гранулируемым алюминиевым сплавам.

> ■ .

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе структурного подхода с использованием закономерностей, которые вытекают из анализа многокомпонентных диаграмм состояния, предложены принципы оптимизации состава и структуры высокопрочных литейных алюминиевых сплавов. Для достижения наилучшего сочетания конструкционной прочности и литейных свойств рекомендуется использовать многокомпонентные сплавы эвтектического типа, основными

КОТОРЫХ/

структурными составляпдоогявляются высокопрочная матрица на основе алюминиевого твердого раствора и эвтектика, состоящая из этого раствора и малорастворимой в нем второй фазы (или нескольких фаз). Предложены возможные сочетания основных типов термически упрочняемых алюминиевых твердых растворов и вторых фаз эвтектического происхождения: (Э1 >, Мй.^, ША1з1 РеША19 и Гег5Шв.

2. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено положительное влияние глобулярных частиц эвтектических фаз на показатели конструкционной прочности высокопрочных литейНМХ алюминиевых сплавов, склонных к межзеренному разрушению. Показано, что эти частицы способствуют переходу от межзеренногс} разрушения к более вязкому внутризеренному мелкоямочному. Наибольший эффект от глобулярных частиц, как правило, наблюдается в эвтектических сплавах.

На примере сплавов систем м-мв-гп-ы!, А1-51-М8 и м-си-Б! показано, что такая смена механизма разрушения приводит к повышению характеристик прочности, пластичности и вязкости разрушения по сравнению с исходными матричными сплавами.

3. Предложена схема конструирования принципиально новых жаропрочных литейных алюминиевых сплавов эвтектического типа, легированных исключительно переходными металлами и обладающих улучшенным комплексом высоко- и низкотемпературных механических свойств и литейных характеристик. Оптимальная структура должна представлять сочетание алиминиевой матрицы, максимально легированной такими переходными металлами, растворимость которых увеличивается с ростом скорости охлаждения при кристаллизации (гг, сг, мп и др.), и второй фазы, содержащей малорастворимые переходные металлы (!а, ге, се и др.). Показано, что в отливках возможно достигнуть концентрации 7,г в алюминиевом . твердом растворе не менее 0,8 мас.%, что позволяет получить при высокотемпературном старении упрочнение не ниже 35 ИВ. Для реализации оптимальной структуры' необходимо, чтобы температура литья была не ниже Э00°С, а скорость охлаждения при кристаллизации не менее 3-5 К/с.

4. Выполнен анализ неравновесной кристаллизации ' многокомпонентных алюминиевых сплавов с использованием равновесных трой;шх и четверных диаграмм состояния, который учитывает подавление перитектических реакций в реальных условиях. На примере диаграмм а!-51-ге, А1-51-нв-си и а1-51-Гс-ме показано, что в этом сдучве удается более точно предсказывать и анализировать 'фазовый состав литых силуминов по сравнению с прямым использованием равновесных диаграмм состояния.

Б. Изучены процессы формоизменения эвтектических фаз при нагреве в

интервале температур 450-600°С. Установлено, что при достаточной дисперности литой структуры, достигаемой в отливках, происходят процессы фрагментации, сфероидизации и коалесценцки малорастворимых в (Al) эвтектических фаз NiAl,, FeNÍAl , CeAl,, FeAI , Fe CeAl,„ И

3 9 Щ о 6 10

Fe2siAie. Методом прицельной съемки с поверхности шлифа изучены особенности^ этих процессов. Исследованы фазовые превращения при нагреве в сплавах, содержащих неравновесные эвтектические фазы FeAie и Fe2s¡Ai8. Показано, что образование равновесных фаз РеА1э и FesiAis происходит на поверхности, а в объеме данные фазовые превращения затруднены.

6. Построены диаграммы состояния многокомпонентных систем: ai-si-

Fe-Cu-Mg, Al-Si-Mg-Ni,' Al-Si-Fe-Ni, Al-Si-Fe-Be Al-Zn-Mg- Cu-Fe-Si И

др. в виде проекций ашсминиевого угла, а также политермических и изотермических сечений. Предложен метод прогнозирования и построения лятикомпонентных диаграмм состояния для анализа фазового состава силуминов, позволяющий одновременно отслеживать влияние трех легирующих элементов по аналогии с четверными диаграммами, С помощью данного метода построена пятерная диаграмма Ai-si-Fe-cu-Mg.

7. Разработаны новые литейные высокопрочные сплавы АЦ6Н4, АЦ6ЖН и .' АЦ7Ж на базе твердого раствора AÍ-zn-Mg-cu с эвтектическими фазами nía!v fcníА1Э и re s ш , которые сужают интервал кристаллизации. Сплавы этой группы обладают максимальными прочностными свойствами среди всех стандартных литейных алюминиевых сплавов и превосходят по технологичности известные- высокопрочные сплавы типа ВАЛ12. Сплавы запатентована, на них составлены технические условия. Изготовлены опытные партии отливок методами литья в кокиль и жидкой штамповки. По результатам многолетних исследований и испытаний составлено заключение о целесообразности использования новых высокопрочных сплавов в

изделвдх спецтехники,

8. Разработаны новые литейные эвтектические и доэвтектические силумины с улучшенными механическими свойствами (АК12МГ, АК7г и АКПМ4). Сплавы этой группы обладают прекрасными литейными свойствами и превосходят по комплексу механических свойств известные стандартные силумины типа АК7ч и АКВМЗч как в литом, так и в термообработанном состояниях. Сплавы запатентованы, на них составлены технические условия. Сплав АКТМг внедрен на ММЗ "Рассвет" вместо стандартного силумина АК7ч для получения кокильным литьем отливок "Нижняя рама", "Верхняя рама" и."Цилиндр", используемых в производстве ножного насоса НВН-100Б. Сплавы АКГ2НГ и АКПМ4 успешно прошли опытно- промышленное опробование при получении отливок высокой сложности методами литья в кокиль и под низким давлением.

Э. Разработаны новые малокремнистые силумины с повышенным содержанием железа (АК2Ж2М, АК2Ж2М2, АКЗЖ2М2 и АК2Ж2М5 ). Сплавы этой группы обладают отличной технологичностью при их получении литьем под давлением и жидкой штамповкой . Для приготовления сплавов может использоваться относительно дешевое высокожелезистое сырье, что существенно снижает их себестоимость по сравнению со стандартами вторичными силуминами типа АК5М2. Сплавы запатентованы, на них составлены технические условия. Из сплава АК23К2М на НПП "Темп"

изготовлено более 2000 отливок по заказу ПО "Костроматекстильмаш". По

*

результатам многолетних исследований и испытаний составлено заключение " о целесообразности применения новых высокожелезистых сплавов в изделиях широкого назначения.

10. Предложены новые жаропрочные сплавы, легированные исключительно переходными металлами (АНЖ, АЦрЖ, АН6Т1, АНвТ2, АН6ТЗ, ЛНВТ4). Сплавы этой группы обладают качественно улучшенным сочетанием жаропрочности.

механических свойств при комнатной температуре и литейных характеристик. Сплавы запатентованы. Лабораторные испытания показали, что по совокупности основных показателей предлагаемые сплавы превосходят промышленные жаропрочные литейные алюминиевые сплавы типа АЛЗО и АЛ19, особенно если рабочая температура превышает 350°С.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Белов H.A., Золоторевский B.C., Евсеев D.B. "Вязкость разрушения литейных сплавов системы A!-Mg-zn-cu-Fe-si'\- Изв.вузов. Цв.мет.,1982, N6, С.81-85.

2. Белов H.A., Золоторевский B.C., Евсеев D.B. "О вязкости разру-шения литейных сплавов системы Ai-Mg-zn-cu".- Изв.АН СССР Металлы, 1984, nI, С.120-123.

3. Белов H.A., Золоторевский В.С,, Евсеев D.B."Влияние избыточных фаз на вязкость разрушения литого сплава системы Ai-Mg-zn".-Изв.вузов. Цв.мет., 1984, n 3, С.78-82.

4. Белов H.A., Золоторевский B.C., Евсеев D.B. "Структура, фазовый состав и механические свойства литейного сплава Ai-7«Mg-3XZn с добавками Fe и ве'\- Изв.вузов.Цв.мет, 1985, n5, С.71-77.

5. Белов H.A., Золоторевский B.C., Евсеев D.B. "О связи вязкости разрушения литейного сплава системы Ai-Mg-zn с морфологией избыточных фаз."- Изв.АН СССР. Металлы, 1985, N Б, C.I5I-I57.

6. Золоторевский B.C., Белов H.A., Евсеев Ю.В. "Влияние состава и структуры на вязкость разрушения высокопрочных литейных сплавов системы ,M-Mg-zn-cu".- в •кн:"Металловедение ^и литье легких сплавов",М.:ВШ1С, 1986, С.262-276.

7. Золоторевский.В.С., Белов H.A., Мансуров D.H. "Морфология и состав

ге-содержащих фаз в литейных магналиях".-Изв.вузов. Цв.нет., 1986, n4, С.85-90.

8. Белов H.A., Золоторевский B.C., Истомин-Кастровский В.В. "Влияние малой добавки си на структуру и упрочнение литейных сплавов системы Ai-Mg-rn с отношением м«.-гл>2".- Технология легких сплавов,

1987, n7, C.7-I2.

9. Белов H.A., Золоторевский B.C., Курдюмова Т.А. "Модифици- рование Fe-фаз в силуминах с использованием многокомпонентных диаграмм состояния".- в сб.; "Методы повышения конструкционной прочности металлических материалов", М.:МДНТП, 1987, С.72-77.

10. Курдшова Т.А., Золоторевский B.C., Белов H.A. "Влияние состава и структуры силуминов на характеристики их трещиностойкости",- в сб.¡"Методы повышения конструкционой прочности металлических материалов", М. :ВДНТП, 1988, С.139-143.

11. Белов H.A., Золоторевский B.C. Евсеев В.В. "Модифицирование ге-фаз в силумине типа АК5М2 добавками переходных металлов".-Цветные металлы,

1988, N I, С.Е8-70.

12. Золоторевский B.C., Аксенов A.A., Белов H.A., Мансуров Ю.Н., Истомин-Кастровский В.В. "О микролегированш высокопрочных литейных Ai-сплавов с повышенным содержанием re и si".- Изв.АН СССР. Металлы,

1988, N 1,114-120.

13. Баев В.А..Белов Н.,А..Золоторевский B.C., Ратнар А.Д. "Оптимизация режима термообработки нового высокопрочного литейного сплава на базе системы Ai-Mg-zn".- Передовой производственный ошт, 1933, к 3, С.50--53.

14. Белов H.A., Курдюмова Т.А. "Диаграмма состояния ai-si-гс-пс и возможности нейтрализации Fe-фаз в силуминах".- Изв.АН СССР.Металлv.

1989, N2. С.210-215.

15. Белов H.A., Золоторевский B.C., Евсеев D.B., Иванов В.А. "Влияние лития на структуру и механические свойства силуминов".- Технология легких сплавов, 1989, я 7, C.8-II.

16. Золоторевский B.C., Белов H.A., Курдшова Т.А. "Оптимизация структуры вторичных силуминов с целы) повышения их пластичностии вязкости разрушения".- Изв.вузов.Цв.мет., 1989, nI, С.76-88.

17. Белов H.A.,Золоторевский B.C., Гусев A.D. "Структура и механические свойства вторичных силуминов, легированных Fe".-Цветные металлы, 1990 ,n 6, С.99-101.

18. Белов H.A.Золоторевский B.C. "Литейные алюминиевые сплавы с повышенным содержанием Fe"- в сб.:"Ноше стали и сплавы, режимы их термической обработки" Л.: ДЦЯТП, 1991, С.86-88.

19. Белов H.A., Аксенов A.A., Золоторевский B.C. "Влшцше железа на структуру сплавов системы Ai-Zn-Mg~cu".~ Изв.АН СССР.Металлы, 1991, n 4, С.209-211.

20. Белов H.A., Тагиев Э.Э. "Эвтектические структуры в сплавах на основе твердого раствора системы Ai-zn-Mg-cu".- Изв.вузов.Цв.мет., 1991, N 2, С. 95-98. ;

31. Белов H.A., Золоторевский B.C., Тагиев Э.Э. "Влияние алюминида ллселя и силицида магния на структуру, механические и литейные ¡войства сплава Ai-6!£Zn-i,6SMg-ncu".- Изв.РАН .Металлы, 1992,nI, M46-I5I.

2. Белов H.A. "Оптимизация состава и структуры малокремнистых илуминов с высоким содержанием Fe".- Изв,вузов.Цв.мет., 1992, N 4, .130-135.

3. Белов H.A., Золоторевский B.C., Гусев A.D. 'Вязкость разрушения гандартных силуминов".Металловедение и термическая обработка зталлоп, Т992, к 10, С.32-33.

24. Золоторевский В.С, Ратнер А.Д., Белов Н.А., Аксенов А.А., Алексеев В.Ф, Баев В.А. "Структура новых высокопрочных литейных алюминиевых сплавов на основе технического алюминия",- в сб.:"Металловедение и обработка цветных сплавов", М.: Наука, 1992, С. 142-157.

25. Zolotorevsky V.S., Belov N.A., Axenov А.А., Istотin-Kastrovsky V.V. "Quality Improvement of Cast Aluminium Alloys by Composition and Structure optimization".- Proc.Second Int.Conf.on Al-Alloys and Their Phisical and Mechanical Properties, 9-13.10.90 Beijing,China. p.228-232.

26. Zolotorevsky V.S., Delov N.A., Axenov A.A. "Meutra Iization of the Negative Influence of Fe and Si on the Mechanical Properties of Aluminium Casting Alloys".- Proc.Int.Workshop "Effect of Fe and Si in A1 and its Alloys", Balatonfured, Hungary, May , 1990 , p. 347-.163.

27. Axenov A.A..Zolotorevsky V.S., Belov N.A. , Das 0. "Effect of High Temperature Heat Treatment on the Structure and Mechanical Properties Of Al-Foudry Alloys".- rirst ASM Heat Treatment and Surface Engineering Conf.and Exhib. ir, . Europe,Amsterdam, 22-24.05.91.Abstracts.

28. Belov N.A., Zolotorevsky V.S., Tagiev E.E. "lligh Strength Casting Eutectic Alloys Based on the AI-Zn-Mg-Cu Solid Solution".- Ггос.Third Int.Conf.on Al-Alloys and Their Phisical and Mechanical Properties, 22-26.06.92 Trondhaim,Norway.

29. Belov N. A. , Das 0. "Casting Al-Alloys with High Content of Ге" .,-Proc.Third Int.Conf.on Al-Alloys and Their Phisical and Mechanical Properties, 22-26,06.92 Trondhaim,Norway .

30.. Belov N.A., Zolotorevsky V.S. "Controlling of rutcctic Structure to Develop High Strength Al-Foundry Alloys".- Proc.9f.th Castinr-Congress , 3-6 .05 . 92 , Mi 1 waukec , Wi scon?, i n ,USA .

31. Белов Н,А. "Структура • и механические свойства эвтектических сплавов системы Ai-si-Mg-Ni".- Изв.РАН.Металлы, 1993, n 5, С.133-138.

32. Белов H.A., Золоторевский B.C., Лузгин Д.В. " Влияние меди и магния на литую структуру и механические свойства сплава А1-2.25*ге-2.25%si".- Изв.РАН.Металлы, 1994 , n 1, С.119-124.

33. Белов H.A. " Структура и упрочнение литейных сплавов системы алюминий- никель-цирконий",- Металловедение и термическая обработка металлов, 1993, n 10, С.19-22.

34. Kubicek L. , Tagijev Е., Zo 1 ot or evski j V. , Belov N. , Ho Heek S., Procio M. "Vliv niklu na strukturu hlinikovych slitin Al-Zn-Mg-Cu".-Fyzikalni metalurgie (Bratislava), 1993, P.329-336.

35. Белов H.A., Золоторевский B.C. "Яаропрочше литейные алюминиевые сплавы, легированные исключительно переходными металлами."-в. сб.: Новые метериалы и технологии машиностроении: 'Тез.докл. Российской научно-техн.конф. Направление: "Материаловедение и новые технологии металлических материалов", 18-19.II.93 ; МГАТУ, 1993, С.87.

36. Белов H.A., Золоторевский B.C., Лузгин Д.В. " Жаропрочные литейные алюминиевые сплавы, легированные железом", Изв.РАН.Металлы, 1994 , н 1, С.II9-I24.

37-41. Авторские свидетельства СССР № I27III7, I32756I, I60036I, Т568543, 1697450.

42-51. Патенты РФ Ji Г638193, 1720292, I7I4949, 1726228, 200II52, 200II5I, 200II50, 200II43, 200II54, 2001161.

:,?, 69 . Змвки с. положительными решениями J5 4796804 , 4796806 , 4796807, 4796005, 4758176, 4873028, 48990II, 5012803, 4904380, 4954626, Г.ПГП27Э, 5018380 , 5039382 , 5041492 , 92009436, ,92009700 , 92006999,

92009437.