Жаропрочные литейные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АЛ1 (алюминий - магний - медь - никель с добавками хрома), из которого изготавливают головки цилиндров и другие детали, работающие при температуре 275 - 300°С. Отливки используют после закалки и кратковременного старения при 175°С (Т5), поршни подвергают закалке и старению при 290°С (Т7). Легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы переменной растворимости и ряд химических соединений (CuAl2; Al2CuMg; Mg2Si и др.), что позволяет упрочнять такие сплавы термической обработкой - закалкой и старением.
Целью закалки является получение структуры однородного пересыщенного твердого раствора. Нагрев для закалки ведут до температур, при которых избыточные фазы растворяются в алюминии. После выдержки охлаждением в воде фиксируется структура пересыщенного твердого раствора. Сплавы имеют низкую прочность и высокую пластичность.
Старение - распад пересыщенного твердого раствора с выделением избыточных фаз и упрочнением сплава. Старение (без нагрева) при комнатной температуре называют естественным, с нагревом - искусственным. Существует «инкубационный» период, при котором в течение 1 - 2 часов после закалки нет заметного упрочнения и повышения твердости. Сплавы сохраняют пластичность, позволяющую подвергать их холодной обработке давлением (правке, гибке, клепке и т. п.).
Медь - основной компонент в сплавах этой группы. Поэтому процессы старения целесообразно рассмотреть на примере простой системы «алюминий - медь». Растворимость меди в алюминии переменная: от 0,2 (0°С) до 5 % (548°С), а ее содержание в сплавах - 2,5 - 4,5 %. Следовательно, структура таких сплавов - (-твердый раствор и кристаллы CuAl2).
При естественном старении (ниже 100°С) атомы меди перемещаются в решетке пересыщенного твердого раствора и собираются в пластинчатые образования толщиной в несколько атомных слоев - зоны Гинье-Престона (ГП). Эти зоны равномерно распределены в каждом кристалле твердого раствора и в прилегающих областях вызывают значительное искажение его кристаллической решетки, что является причиной упрочнения сплава.
Процесс естественного старения состоит только в образовании зон ГП, скорость возникновения которых постепенно уменьшается, и по истечении 4 - 7 суток старение заканчивается. Распад твердого раствора и образование новых фаз не происходят. Сплав приобретает максимальную прочность, сохраняющуюся в дальнейшем постоянной.
После естественного старения сплавы имеют высокую коррозионную стойкость и низкую чувствительность к хрупкому разрушению.
Если сплав после естественного старения кратковременно быстро нагреть до 230 - 270°С и быстро охладить, то упрочнение полностью снимается и восстанавливается пластичность. Эту операцию называют обработкой «на возврат».
При нагреве зоны ГП растворяются в твердом растворе, атомы меди и других компонентов равномерно распределяются в пределах кристаллов твердого раствора, искажения решетки устраняются. После инкубационного периода процесс естественного старения повторяется, но у сплава снижается сопротивление коррозии. Это ограничивает применение обработки «на возврат».
С повышением температуры (100 - 150°С) при искусственном старении ускоряются процессы диффузии, зоны ГП укрупняются, и в них увеличивается концентрация меди. Нагрев до 150 - 200°С и выдержка в несколько часов приводят к образованию в местах зон ГП мелкодисперсных частиц CuAl2, не отделившихся от решетки твердого раствора. Повышение температуры до 200 - 250°С вызывает отделение и укрупнение (коагуляцию) этих частиц. Искусственное старение связано с распадом пересыщенного твердого раствора и образованием избыточных фаз - «фазовое» старение. При более высоких температурах старения, в процессе коагуляции образовавшихся фаз, прочность и твердость сначала возрастают, достигают максимальных значений, а затем снижаются. Пластичность, вязкость и сопротивление коррозии возрастают. Такое старение, вызывающее разупрочнение сплавов, называют коагуляционным. После искусственного старения у большинства сплавов вязкость, сопротивление хрупкому разрушению и коррозии под напряжением снижаются при возрастании прочности.
Задание №5.
Одним из направлений улучшения конструкций автомобилей и усовершенствования технологии их ремонта является применение материалов, более соответствующих данным требованиям. В ряде случаев все возрастающим и разнообразным требованиям уже не удовлетворяют металлы и другие материалы, и здесь незаменимыми оказываются пластмассы. Детали из последних получают с более высокими техническими показателями, они легче, проще в изготовлении и дешевле. Использование пластмасс при ремонте позволяет применять новые, эффективные технологические процессы для восстановления деталей и агрегатов автомобиля.
В целом применение пластмасс способствует совершенствованию конструкций машин и оборудования, повышению качества и снижению себестоимости продукции, обеспечивает рост производительности труда. Только в девятой пятилетке за счет пластмасс сэкономлено 1,2 млн. т черных и цветных металлов, 4,8 млн. м3 древесины и около 2,9 млн. т других традиционных материалов. Без пластмасс сегодня не обходится ни один вид транспорта, ни одна отрасль промышленности, строительство, сельское хозяйство. Там, где это экономически целесообразно и технически возможно, пластмассами будут заменяться цветные и легированные металлы. Этому способствуют имеющиеся у нас огромные сырьевые ресурсы для производства пластмасс: нефть, природные и промышленные газы, целлюлозы, а также продукты коксобензольной промышленности.
Отечественная химическая промышленность в настоящее время производит все известные виды полимеров, составляющие многие сотни наименований марок г. Однако ведутся постоянные работы по созданию и освоению производства новых видов пластмасс более высокого качества. На предприятиях химии теперь изготовляются пластические материалы, которые по прочности не уступают металлу, по прозрачности - стеклу, по эластичности - резине, по электроизоляционным качествам - фарфору. Некоторые пластмассы обладают легкостью пробки и химической стойкостью платины. Эти материалы можно сваривать, прессовать и прокатывать, как металл. Из них можно отливать детали самой сложной формы.
Масштабы применения пластмасс при изготовлении и ремонте автомобилей растут из года в год. Уже сейчас количество пластмассовых деталей на отдельных отечественных автомобилях (ГАЗ-24) достигает 350, а их общая масса 100 кг (ЛАЗ-695Б). Это пока преимущественно мелкие детали, не несущие больших нагрузок, например, декоративные, электротехнические, детали системы питания и отопления, тепло- и звукоизоляционные, фрикционные, кузовные, прокладочные и др.
Однако есть полное основание полагать, что в ближайшем будущем номенклатура пластмассовых деталей на автомобилях превысит 1000 ед., а их масса -10% общей массы автомобиля.
Тенденция непрерывного увеличения применения пластмасс в автомобилестроении характерна и для зарубежной практики. На рис. 57 показан объем применения пластмасс в американской автомобильной промышленности.
Большую возможность для роста потребления пластмасс в автомобилестроении дает применение полимерных обивочных материалов, формование из пластмасс топливных баков, применение гальванически металлизируемых пластиков, изготовление капотов, крышек багажников и других панелей кузова.
В недалеком будущем следует ожидать серийного производства автомобилей с пластмассовыми кузовами и многими другими ответственными деталями, отформованными из пластиков. Такие автомобили будут намного легче и дешевле существующих и будут обладать более высокими эксплуатационными качествами. В частности, пластмассовые детали не подвержены коррозии и не требуют окраски, они обеспечивают лучшую термоизоляцию. Уже теперь в отечественной и зарубежной практике автомобилестроения известны такие примеры. К ним относятся: изготовление кузова автомобиля-самосвала на базе автомобиля ЗИЛ-130 (ЗИЛ-130Д) из ударопрочного стеклопластика, масса пластмассового кузова оказалась па 250 кг легче металлического; серийное производство в ГДР легкового автомобиля «Трабант-601» с кузовом из волокнита (феполо-формальдегидная смола с наполнителем в виде отходов хлопкового производства). Этот автомобиль четырехместный, его собственная масса всего лишь 615 кг. Считают, что автомобиль с кузовом из стеклопластика легче па 20-30% металлического.
Рис. 1. Расход пластмасс на одни легковой автомобиль:
При замене черных металлов литьевыми пластмассами трудоемкость изготовления деталей уменьшается в среднем в 5-6 раз. При замене цветных металлов пластмассами себестоимость деталей снижается в 4-10 раз.
Перспективно применение пластмассовых покрытий. Они надежно защищают металл от коррозии. Кроме того, пластмассовые покрытия придают изделиям красивый внешний вид.
Полимеры находят все более широкое применение для склеивания неметаллических деталей между собой и с металлическими.
Список используемой литературы
1. Юм-Розери В., Христиан Дж., Пирсон В. Диаграммы равновесия металлических систем. - 1956. - 399 с.
2. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.
3. Любимов М.Л. Спаи металла со стеклом. - 2 изд. - М., 1968.
4. Любимов М.Л. Прецизионные сплавы с особыми свойствами теплового расширения и упругости. - М., 1972.
5. Коленко Е.А. Технология лабораторного эксперимента: Справочник. - СПБ.: Политехника, 1994. - С. 376. - 751 с.
6. Власов С.В., Кандырин Л.Б., Кулезнев В.Н. и др. Основы технологии переработки пластмасс. Учебник для ВУЗов. - 2е изд., испр. и доп. - М.: Химия,2004. - 600 с.