Исследование горячеломкости литейных сплавов на основе систем Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu (стр. 8 из 11)

Было замечено, что при наличии у сплава предусадочного расширения, в производственных отливках стержень, расширяющийся при заливке металла, оказывает сопротивление усадке как только она начинается, а в установке с пружиной нагрузка прикладывается к образцу с опозданием. Обусловлено последнее тем, что в период предусадочного расширения пружина из положения oaизгибается в положение oc, а после начала усадки, когда она возвращается в исходное положение, образец не нагружен (рисунок 3). Образец нагружается только после того, как пружина проходит через исходное положение oa и отклоняется в положение ob. Из-за холостого хода пружины критическая нагрузка зависит от величины предусадочного расширения, и результаты испытаний иногда расходятся с производственным

опытом и оценкой горячеломкости по пробам, относящимся к первым двум группам.

Одним из показателей горячеломкости является относительное количество треснувших отливок. Такой способ неудобен в лабораторных условиях, так как достоверные данные можно получить лишь при большом количестве повторных заливок. В то же время в заводских условиях, когда под контроль попадают сотни производственных отливок, статистический метод оценки горячеломкости по относительному числу треснувших отливок даёт очень хорошие результаты.

Рис.8 Схема опыта с торможением усадки пружиной

Была также сделана попытка оценить горячеломкость по величине минимальной твёрдости стержневой смеси, начиная с которой в кольцевой отливке появляются трещины. Эта методика не нашла применения, так как оказалась малочувствительной и неудобной в исполнении.

Вот ещё один пример измерения горячеломкости. Образцы в виде брусов отливались в песчаную форму, в полости которой с торцов были вставлены шпильки. С одного торца шпилька, «схватываемая» затвердевающим металлом, жёстко соединяла каждый образец с опокой, а с другого торца шпилька свободно проходила через отверстие в опоке. На конце этой шпильки с внешней стороны опоки была насажена гайка, и зазор между ней и опокой позволял проходить свободной усадке образца. Величина этого зазора, а следовательно, и степень затруднения усадки устанавливались заранее и были различными для разных образцов. Горячеломкость оценивалась по критической величине зазора, соответствующей появлению трещин. Рассмотренная проба оказалась малочувствительной и в дальнейшем не нашла применения.

Ни одна из существующих проб не может быть признана универсальной и пригодной для решения любых задач, связанных с изучением горячеломкости при литье. Такой универсальной пробы, по всей видимости, вообще невозможно разработать, хотя бы потому, что в одном опыте принципиально нельзя воспроизвести условия разных способов литья (в песчаную форму, в кокиль, непрерывного и т.д.) При решении разных задач выдвигаются разнообразные и часто прямо противоположные требования к пробе на горячеломкость.

1.4. ХАРАКТЕРИСТИКА НЕКОТОРЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

1.4.1. Сплавы на основе системы алюминий – кремний

Сплавы Al – Si являются наиболее распространёнными литейными алюминиевыми сплавами. Это связано с хорошим комплексом литейных свойств. Эвтектическая точка (11,7% Si) на диаграмме состояния (рисунок 9) смещена к чистому Al, поэтому основой эвтектики a+Si является a - твёрдый раствор. Если выделение кремния в эвтектике находится в виде крупных образований, то пластичность сплава резко ухудшается с увеличением доли эвтектики в структуре.

Модифицирование натрием (используются также Li, K, Sr) резко измельчает включения кремния в эвтектике, в результате повышается комплекс пластических свойств, что, в свою очередь, приводит к отсутствию склонности к образованию горячих трещин. Небольшое количество хрупкого кремния в эвтектике и модифицирование структуры позволяют использовать сплавы с наилучшим комплексом литейных свойств (сплав АЛ2 (АК12)). Доэвтектические сплавы с 5-9% Si и другими добавками также находят широкое применение (АЛ4 (АК9ч), АЛ9 (АК7ч)).

В двойных сплавах Al – Si, получивших название простые силумины, вследствие отсутствия интерметаллидов эффект упрочнения от выделения вторичных фаз очень незначителен и не имеет практического значения. В связи с этим двойные сплавы относятся к числу термически не упрочняемых и обладают невысокими прочностными свойствами.

Примеси железа в сплавах Al – Si образуют сложное соединение b (Al – Fe – Si) в виде хрупких пластин, которые резко снижают пластичность. Отрицательное влияние железа эффективно снижает добавка 0.2 – 0.5% Mn.

В присутствии марганца вместо b (Al – Fe – Si) образуется фаза a (Al – Fe – Si – Mn) в виде компактных равноосных полиэдров, в меньшей степени влияющих на пластичность.

Механические свойства силуминов заметно отличаются при различных способах литья, например, при литье в песчаную форму механические свойства хуже, чем при литье в кокиль или при литье под давлением. Объясняется это тем, что более высокая скорость кристаллизации приводит к измельчению структурных составляющих.

Сплав АЛ2(АК12) (11.7% Si) – единственный промышленный двойной сплав системы Al – Si. Он характеризуется невысокими механическими свойствами, которые в зависимости от условий литья и размеров сечения отливки сильно колеблются.

Эвтектический состав сплава (10 – 13% Si) – обеспечивает ему отличный комплекс литейных свойств: наиболее высокую жидкотекучесть среди всех алюминиевых сплавов, отсутствие склонности к образованию трещин и

Рис.9 Диаграмма состояния Al – Si

пористости. Из сплава получают плотные, герметические отливки с концентрированной усадочной раковиной. Линейная усадка не превышает 0.8%. Сплав широко используется для всех способов литья в различные формы, применяется в модифицированном состоянии, без термической обработки. АЛ2(АК12) характеризуется высокой коррозионной стойкостью. Сплав АЛ2(АК12) применяют особенно широко для литья под давлением, а также для производства крупногабаритных отливок.

1.4.2. Сплавы на основе системы алюминий – медь

Для анализа структурообразования в литейных сплавах Al – Cu используется участок диаграммы состояния от Al до первого химического соединения q (CuAl₂) (рисунок 10).Отметим ряд особенности диаграммы состояния:

1. Значительная предельная растворимость в твёрдом состоянии (C_p= 5.65% Cu) и её быстрое уменьшение с понижением температуры определяют возможность упрочняющей термической обработки сплавов (закалка + старение). Упрочняющей фазой являются дисперсные вторичные выделения CuAl₂. Часть меди сохраняется в твёрдом растворе и дополнительно упрочняет сплав по растворному типу. Повышенная прочность и жаропрочность – основные достоинства сплавов Al – Cu.

2. Эвтектическая точка сдвинута к интерметаллиду (C_э = 33%), поэтому эвтектика более чем на половину (по объёму) состоит из хрупкого и твёрдого соединения CuAl₂. В результате сплавы эвтектического состава (с наилучшими литейными свойствами) совершенно не пригодны к использованию из-за высокой хрупкости. Кроме того, значительное содержание меди приводит к заметному увеличению плотности: от 2.7 для чистого Al до 3.3 г/см³ для сплава с 10% Cu. Указанные обстоятельства ограничивают концентрацию добавок меди в литейных сплавах с нижней стороны 1.0 – 1.5% (для обеспечения достаточного растворного упрочнения), с верхней стороны 6 – 8% (во избежание излишней хрупкости из-за образования CuAl₂).

3. Невысокая температура плавления эвтектики (t_э = 548°С) в сочетании с большим значением С_р приводит к образованию в промышленных сплавах широкого интервала кристаллизации (Dt_кр»100°C).

Такие сплавы отличаются пониженной жидкотекучестью, склонностью к пористости и образованию горячих трещин, в них сильно развита ликвация; неравновесная эвтектика проявляется уже при 1.5 – 2.5% Cu. Таким образом, на примере сплавов Al – Cu мы встречаемся с характерной ситуацией, когда для получения требуемого комплекса механических свойств приходится пожертвовать литейными технологическими свойствами.

Рис.10 Часть диаграммы состояния Al – Cu

Сплав (АЛ7) (Cu 4.5%) упрочняется по растворному типу, а также за счёт дисперсных выделений фазы CuAl₂. Кроме того, примеси железа и кремния образуют нерастворимые железосодержащие фазы, выделяющиеся в виде ободков по границам дендритных ячеек. Термическая обработка заключается в закалке от 515°С в горячей воде и искусственном старении при 150°С в течение 2 – 4 часов. Сплав АЛ7 имеет повышенную усадку (1.4%), склонен к образованию горячих трещин и поэтому не рекомендуется для литья в кокиль. Он применяется для литья средне нагруженных деталей, небольших по размеру.

Сплав АЛ19 (АМ5) (Cu 4.9%; Mn 0.8%; Ti 0.2%). Марганец и титан образуют сложные интерметаллидные фазы: Ti (Al₁₂Mn₂Cu) и TiAl₃ (примеси железа жёстко ограничены). Эти фазы совместно с CuAl₂ формируют твёрдый каркас по границам дендритных ячеек и придают сплаву повышенную жаропрочность. Термическая обработка отличается более высокими температурами (закалка от 545°С, старение при 175°С).

Сравнительно высокое содержание меди в сплаве (до 5.5%) приводит к образованию в литом состоянии неравновесной тройной эвтектики. В связи с этим нагрев при закалке проводят ступенчато – с выдержкой при 530°С для рассасывания неравновесной эвтектики. Это типичный приём при термической обработке ряда литейных сплавов, склонных к сильной дендритной ликвации.