Технические науки / 1. Металлургия

Д.т.н. Афанасьев В.К., Горшенин А.В., Старостина М.А., Кибко Н. В.

Сибирский государственный индустриальный университет, Россия

Линейное расширение сплава Al – 11 % Si – Н

До настоящего времени вопрос о природе процессов расширения и сжатия остается нерешенным. Для получения сплавов с малым тепловым расширением применяются различные технологические приемы (обработка шихты, расплава кристаллизация, обработка давлением, термическая, химико-термическая и гальваническая обработки). В качестве объектов используются сплавы в основном, на основе железа (Fe - Ni) и алюминия. Для компоновки нужных сплавов по методу проб и ошибок создаются композиции, которые часто имеют высокую стоимость. В то же время в природе, существуют в большом количестве легирующие элементы, стоимость которых, по сравнению с применяемыми, самая низкая. Прежде всего, это водород и две его разновидности: азот и кислород.

Совершенно неизученным является тепловое расширение сплавов алюминия, легированных водородом.

1. Изучался сплав следующего химического состава, масс. %: Si – 11,18; Mg – 0,133; Ti – 0,092; Sr – 0,042; Zn – 0,0065; Ni - 0,0032; Mn – 0,0038; Cu – 0,0006; Al - основа; H – 10см³/100 г.

Термическая обработка заключалась в нагреве от 50 °С до 400 °С с интервалом в 50 °С, выдержке в течение 10 ч с охлаждением в воде, на воздухе и печью.

2. Исследовано влияние указанных режимов термообработки на плотность сплава. Установлено, что нагрев снижает плотность образцов для всех сред охлаждения. Наиболее сильное снижение плотности (ρ=2,615·10³ кг/м³) дает нагрев при 250 °С выдержка в течение 10 ч с охлаждением на воздухе.

3. Известно, что только кремний в наибольшей мере снижает коэффициент линейного расширения (КЛР) алюминия.

В таблице 1 приведены эталонные значения КЛР сплавов системы Al – Si.

Таблица 1 – Линейное расширение сплавов Al – Si.

Сплав	Коэффициент линейного расширения, α·10^-6 град^-1 при температуре, °С
	50	100	150	200	250	300	350	400	450
А7	21,48	22,32	23,21	23,57	24,27	25,16	25,55	26,52	27,01
А95	20,06	21,07	22,84	23,96	25,15	26,11	26,52	27,04	27,53
А99	20,00	21,02	22,74	23,76	25,15	26,11	26,52	27,00	27,50
Al - 7 % Si	17,4	19,80	21,24	21,56	23,11	24,92	23,91	21,62	20,48
Al - 10 %Si	19,58	20,04	20,19	21,50	20,78	21,14	23,91	24,37	22,02
Al - 11 %Si	18,13	20,03	20,49	20,74	21,00	21,97	22,57	24,00	21,29
Al - 15 %Si	17,96	18,38	18,52	18,80	19,03	19,30	19,68	18,47	18,02
Al - 20 %Si	17,44	18,20	18,70	19,18	20,05	19,20	17,23	17,42	-
Al - 25 %Si	15,73	16,09	16,22	16,46	17,23	18,01	18,28	18,63	16,96
Al - 30 %Si	15,16	16,06	16,53	17,30	18,87	17,85	17,40	16,96	14,51
Al - 40 %Si	13,46	13,78	13,88	13,10	12,36	11,75	11,91	12,13	-
Al - 50 %Si	11,13	11,00	10,89	10,91	9,86	9,39	8,92	7,92	7,52

4. Изучено влияние указанных режимов термообработки на линейное расширение сплава Al – 11 % Si –H. Установлено, что нагрев приводит к снижению КЛР в интервале температур испытания 50 – 150 °С для всех температур и сред охлаждения по сравнению с исходным (без нагрева). В интервале температур испытания 300 – 450 °С происходит увеличение значений КЛР после обработки по любому из принятых режимов.

Таблица 2 – Влияние термической обработки на линейное расширение сплава Al – 11 % Si - H (τ = 10 ч, охлаждение на воздухе)

Температура нагрева, °C	Коэффициент линейного расширения α ·10^6, град^-1 при температуре, °C
	50	100	150	200	250	300	350	400	450
без нагрева	18,3	18,8	17,8	18,8	20,5	19,0	19,3	15,1	13,2
50	16,4	15,5	17,2	17,9	18,7	19,6	22,3	20,9	19,3
100	15,3	16,4	17,5	18,8	19,6	21,2	22,7	21,8	19,4
150	17,3	17,7	18,0	18,6	18,3	20,2	22,0	20,5	19,3
200	16,3	16,8	18,3	19,2	19,2	19,8	20,5	20,7	18,2
250	16,4	17,5	18,0	18,8	19,6	20,7	21,0	19,9	20,0
300	15,4	16,4	16,8	17,2	18,0	19,2	20,3	20,7	18,2
350	18,1	16,9	14,8	12,2	12,9	15,7	12,0	6,5	7,6
400	17,1	17,5	18,5	19,4	20,5	22,2	22,6	21,6	19,8

В таблицах 2 и 3 приведены результаты показывающие, что водород является весьма эффективным легирующим элементом, поскольку снижает значения КЛР доэвтектического силумина до уровня, получаемого у сплавов Al - 25÷30 % Si (см. таблицу 1).

Таблица 3 – Влияние термической обработки на линейное расширение сплава Al -11%Si-H (τ = 10 ч, охлаждение с печью)

Температура нагрева, °C	Коэффициент линейного расширения α ·10^6, град^-1 при температуре, °C
	50	100	150	200	250	300	350	400	450
без нагрева	18,3	18,8	17,8	18,8	20,5	19,0	19,3	15,1	13,2
50	15,5	16,5	17,2	18,3	19,9	22,0	21,0	19,5	16,4
100	16,4	17,4	18,2	19,4	19,8	20,7	22,0	23,0	22,8
150	18,1	17,5	17,2	16,9	18,2	20,4	19,9	18,6	18,3
200	17,1	17,1	18,0	18,8	19,8	21,0	22,0	23,2	21,1
250	17,8	17,4	17,1	17,6	18,7	19,0	19,7	20,1	17,5
300	16,3	16,5	16,0	16,3	17,8	19,2	21,0	21,5	19,3
350	17,4	17,5	17,7	17,2	18,0	19,6	16,4	13,9	13,4
400	17,0	17,7	18,0	18,1	20,3	20,2	20,3	19,5	15,9

Таким образом, легирование водородом позволяет получить снижение КЛР и за счет исключения образования первичных кристаллов кремния повысить механические свойства. Сплав Al – 11 % Si –H является достойной заменой сплавам Al – 25÷30 % Si.