Технические науки.1 Металлургия

Д.т.н., Яковлев Ф.И., к.т.н. Репетенко М.В., к. т. Н. Шотиков А.В.

Харьковская инженерно-педагогическая академия, Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко

Особенности термической обработки силуминов

Известно[1], что литейные алюминиевые сплавы получили широкое применение для производства отливок различных деталей машин. Сейчас технически осуществима отливка деталей весьма сложной конфигурации и больших размеров. Отливку проводят с большой точностью, часто без припусков на механическую обработку. Плотность литого металла приближается к плотности деформированного, что достигается применением кристаллизации под давлением и ряда других усовершенствований. Но несмотря на это в целом ряде случаев литейные сплавы не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к деталям машин, условиям их эксплуатации.

Для повышения механических свойств силуминов применяют термическую обработку. Однако термическая обработка литых сплавов, по сравнению с деформируемыми, имеет ряд особенностей, что объясняется различием в химическом составе, а также тем, что у литых сплавов структура более грубая и крупнозернистая, чем у деформированных.

Известно [1,2,3], что высококремнистые литейные сплавы слабо упрочняются в результате закалки и старения, но их свойства можно существенно повысить как в литом состоянии, так и после термической обработки путем модифицирования. Введение модификатора затрудняет кристаллизацию кремния, в результате температура выделения кристаллов из твердого раствора снижается. Вследствие этого продукты кристаллизации становятся более мелкозернистыми.

Целью работы является повышения механических свойств силумина (АЛ4) посредством изменения его литой структуры путем модифицирования.

Анализ последних достижений и публикаций. Известно [1], что силумины обычно модифицируют натрием в виде хлористых и фтористых солей. Помимо модифицирующего действия натрий сдвигает эвтектическую точку в системе Al-Si в сторону больших содержания кремния. Благодаря этому в микроструктуре сплава кроме мелкокристаллической эвтектики появляются кристаллы мягкой пластичной фазы твердого раствора. Однако количество этой фазы в сплаве АЛ4 небольшое, следовательно его свойства повышаются незначительно. Поэтому чтобы определить зависимость изменения механических свойств от модифицирования сплава АЛ4 такими элементами, как титан, цирконий и медь, возникла практическая необходимость в проведении исследований.

Изложение основного материала. Заготовки-образцы отливали в песчаную форму, модифицировали жидкий раствор сплава в %-м количестве 0,20…0,40Ti , 0,10…0,25Zr и 0,8…1,0Cu. Из заготовок-образцов изготавливались стандартные образцы в соответствии с ГОСТ 1497-73, испытания которых осуществлялось по методике этого же ГОСТа. Твердость замеряли на заготовках–образцах. Микроструктуру испытанных образцов исследовали на микроскопе МИМ 7 при увеличении 500. Влияние модифицирующих элементов исследовалось в указанных выше пределах через 0,1%, по каждому из составов сплава испытывалось от 5 до 8 образцов. Закалку образцов производили с температуры 520°С с последующим старением при 150°С в продолжение 15 часов.

Проведенным химическим анализом заготовок–образцов установлено, что кроме основных элементов в химическом составе сплава содержится до 0,018% железа. Железо с алюминием образуют микрочастицы, нерастворимые в твердом растворе состава FeAl₃ , a (Al; Fe; Si), b(Al; Fe; Si). Кристаллы этих фаз обладают очень большой хрупкостью, а следовательно, снижают пластичность, вязкость разрушения и сопротивление развитию трещин. Влияние данных фаз существенно изменяется из-за образования четвертной фазы a(Al; Fe; Si; Mn), которая кристаллизуется в округлую форму, т.е. наличие марганца уменьшает вредное влияние неизбежной примеси железа в составе сплава. Кроме четвертой фазы при присутствии в составе сплава железа и марганца образуется тройная фаза (MnFe)Al₆. При наличии магния в составе сплава образуется фаза Mg₂Al₃ , благодаря которой повышается временное сопротивление разрыву.

Согласно диаграмме Al-Cu медь с алюминием образуют твердый раствор, максимальная концентрация меди в котором 5,65% при эвтектоидной температуре, а при 20°С – достигает 0,1%. В связи с этим образуется q(CuAl₂) , фаза, содержащая до 54,1%Cu, кристаллы которой обладают высокой твердостью и хрупкостью. По мере повышения содержания меди в составе сплава от 0,8 до 1,0% повышается прочность сплава из-за увеличения фазы q(CuAl₂) и образования фазы S (CuMgAl₂). Переходные металлы титан и цирконий измельчают литую структуру и способствуют получению пересыщенного твердого раствора при кристаллизации, следовательно, это позволяет при закалке получить пересыщенный твердый раствор a - фазы.

Выводы:

1. Процесс модифицирования сплава АЛ4 титаном цирконием и медью связан с образованием более дисперсной структуры a-фазы и с появлением таких фаз, как J (CuAl₂), J (CuMg Al₂) и других, растворяющихся при нагреве в a-фазе, а следовательно, позволяет и упрочнять сплав термической обработкой.

2. После закалки микроструктура состоит из пересыщенного твердого раствора и нерастворимых фаз, а после старения - из a-фазы стабильных кристаллов J (CuAl₂), Mg Al₃ и первичных кристаллов мягкой фазы. Все это приводит к существенному увеличению статической прочности и твердости при незначительном повышении пластичности сплава АЛ4.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гуляев А. П. Металловедение.- М.: Машиностроение, 1977.-648с.

2. Смирягин А.П., Смирягин Н.А., Белова А.В. Промышленные цветные металлы и сплавы.- М.: Металлургия, 1974.-648с.

3. Колачев В.В., Литвинов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов.- М.: Металлургия, 1972.-480с.