Статья: Исследование технологических и механических свойств новых литейных эвтектических алюминиевых сплавов типа естественные композиты

Исследование технологических и механических свойств новых литейных эвтектических алюминиевых сплавов типа «естественные композиты»

Наумова Е.А., к.т.н.; Белов Н.А.,

д.т.н.; Никитин Б.К.; Громов А.В.

Аннотация

Исследованы структура, литейные и деформационные свойства эвтектических сплавов тройных систем Al-Ca-Ni, Al-Ca-Cu, Al-Ca-Fe и Al-Ca-Si в литом и термически обработанном состояниях. Показано, что тройные эвтектики (Al)+Al₄Ca+Х (где Х - тройное соединение) имеют более дисперсную структуру по сравнению с алюминиево-кремниевой эвтектикой, что дает основание на создание так называемых естественных композитов при использовании обычного технологического оборудования

Ключевые слова: системыAl-Ca-Ni, Al-Ca-Cu, Al-Ca-Feи Al-Ca-Si, термообработка, фрагментация, степень деформации, жидкотекучесть, горячеломкость.

Abstract

The structure, castabily and deformabilityof some ternary eutectic alloys (Al-Ca-Ni, Al-Ca-Cu, Al-Ca-Fe and Al-Ca-Si) in the as-cast and heat treated states were studied.The ternary eutectics (Al)+Al₄Ca+Х (where X -- ternary compound) had a much finer structure as compared to the Al-Si eutectic, which suggests a possibility for the creation of the so-called natural composites produced by conventional casting.

Keywords: Al-Ca-Ni, Al-Ca-Cu, Al-Ca-Fe and Al-Ca-Si phase diagrams, heat treatment, microstructure,castability, hot tearing, deformability

Введение

Известно, что наилучший комплекс механических и эксплуатационных свойств имеют сплавы со структурой композита, состоящего из пластичной матрицы и равномерно распределенных в ней дисперсных твердых частиц с их объемным содержанием 10-30% [1-3]. Такую структуру можно получить при помощи различных современных технологий, например, механическим легированием [4] или методами порошковой и гранульной металлургии [2, 5]. Но все это очень дорогостоящие технологии. Поэтому, наряду с ними, необходимо разрабатывать сплавы с гетерогенной структурой, используя простые технологические процессы.

В работах авторов [6-8] исследованы эвтектические композиции на основе систем Al-Ni, Al-Fe-Ni [6], Al-Ce-Ni [7], Al-Ce-Cu [8]. В них обоснованы основные принципы создания эвтектических сплавов типа «естественные композиты». Эти сплавы должны удовлетворять следующим условиям:

- сравнительно невысокая эвтектическая концентрация (до 15%) легирующего элемента (ЛЭ1- эвтектикообразующий) при высоком объемном содержании интерметаллида(20-30%) в эвтектическом сплаве;

- дисперсное строение эвтектической структуры и способность эвтектических интерметаллидов фрагментировать и сфероидизироваться при сравнительно непродолжительном отжиге (порядка 3-4 часов). Округлые частицы не создают значительных препятствий для деформирования;

- желательно, чтобы эвтектикообразующие элементы (ЛЭ1) имели очень малую растворимость в алюминии для обеспечения возможности легирования твердого раствора элементамиЛЭ2 (упрочнителями алюминиевой матрицы), которые обеспечивают упрочнение при дисперсионном твердении -Cr, Ti, Mn, Sc, Zr и др.

Всем этим требованиям удовлетворяют композиции на основе системы Al-Ca.Алюминий образует с кальцием систему эвтектического типа при 7,6%Са и температуре 617°С [9]. Эвтектика (Al)+Al₄Ca, где (Al) - это алюминиевый твердый раствор, очень дисперсна в литом состоянии, а согласно расчетам в программе Thermo-Calc, объемная доля эвтектической фазы Al₄Ca в сплаве Al-7,6%Ca около 29 масс. %. В эвтектических силуминах доля кремниевых частиц не превышает 10% [10]. Поэтому можно ожидать от сплавов с кальцием более высоких значений тех свойств, которые в многофазных системах подчиняются правилу аддитивности (например, коэффициент термического расширения, модуль упругости). Мы предполагаем, что эти сплавы должны обладать хорошими литейными свойствами, а также их можно подвергать пластической деформации. Исходя из этого, были сформулированы задачи этой работы:

- Исследовать структуру и свойства (твердость) сплавов систем

Al-Ca-Ni, Al-Ca-Cu, Al-Ca-Fe и Al-Ca-Si в литом и отожженном состоянии;

- Подвергнуть экспериментальные сплавы горячей прокатке и исследовать их механические свойства в деформированном состоянии;

- оценить некоторые литейные свойства экспериментальных композиций и сравнить их с известными промышленными силуминами.

Экспериментальные методики

Составы экспериментальных сплавов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Составы экспериментальных сплавов

Сплавы плавили в электропечи сопротивления фирмы LAC в графитошамотных тиглях. Заливку осуществляли в графитовую форму при температуре расплава 730-740°С, получая плоские отливки с размерами 15х30х180 мм (скорость охлаждения при кристаллизации 10°С/с).

Термообработку отливок проводили в муфельных электрических печах SNOL 8,2/1100 с точностью поддержания температуры 5°С.

Микроструктуру литых, термообработанных и деформированных образцов изучали на оптическом микроскопе OlympusGX51 (ОМ) и сканирующем электронном микроскопе TESCANVEGA 3 (СЭМ). Для приготовления шлифов применяли как механическую, так и электролитическую полировку.

Твердость измеряли по Бринеллю, которую определяли (согласно ГОСТ 9012-59) на твердомере WilsonWolpert 930N при следующих параметрах: шарик - 2,5 мм, нагрузка - 306 Н, время выдержки - 30 с.

Горячую прокатку осуществляли на лабораторном стане 260. Тип стана Дуо, реверсивный, максимальная ширина проката 250 мм, скорость прокатки 0,2 м/с.

Предел прочности и относительное удлинение прокатанных образцов определяли по ГОСТ1497-84 на универсальной испытательной машине FP100/1.

Горячеломкость оценивали с использованием пробы «арфа». Жидкотекучесть определяли с помощью комплексной пробы с вертикальным U-образным каналом.

Результаты и их обсуждение

Системы для исследования были выбраны из следующих соображений:

- система Al-Ca-Cu, поскольку в работе [11] есть данные о существовании в ней тройной эвтектики (Al)+Аl₄СаСu+Аl₂Сu, которая может служить основой сплавов композитного типа;

- система Al-Ca-Ni, поскольку в работе [11] есть данные о существовании в ней тройной эвтектики (Al)+Al₄Ca+Al₈NiCa. Кроме того, эвтектика (Al)+Al₃Niявляется основой уже известных высокопрочных и жаропрочных никалинов [6];

- предварительные исследования структуры сплавов системы Al-Ca-Fe показало наличие в них высокодисперсной эвтектики, возможно, тройной, поэтому стоит исследовать технологические свойства этих композиций;

- в системе Al-Ca-Si, по данным [9], существует тройная эвтектика (Al)+Al₄Ca+Al₂Si₂Ca. Сплавы на ее основе, как мы предполагаем, должны быть весьма технологичны.

Экспериментальные сплавы должны иметь доэвтектическую структуру (дендриты алюминиевого твердого раствора и дисперсную эвтектику), поскольку в заэвтектических сплавах хрупкие первичные интерметаллиды являются местами зарождения трещин при деформировании. Композиции выбирали на основании предыдущих исследований фазового состава и структуры кальцийсодержащих сплавов [12-14], для которых с помощью программы Thermo-Calc (база данных TTAL5) [15], были построены тройные диаграммы состояния Al-Ca-Х (где Х - это Cu, Ni, Fe, Si) в области, богатой алюминием (рис. 1).

а б

в г

Рис.1 - Проекции ликвидуса и солидуса: а) ликвидус системыAl-Ca-Cu; б) ликвидус и солидус системы Al-Ca-Ni; в) ликвидус и солидус системы Al-Ca-Fe; г) ликвидус и солидус системы Al-Ca-Si

литейный алюминиевый сплав композит

В работах, посвященных изучению литейных эвтектических сплавов [6-8, 12-14] даны рекомендации по режимам сфероидизирующего отжига сплавов на основе дисперсных эвтектик. Для сплавов на основе эвтектики (Al)+Al₄Ca оптимальным режимом является отжиг при 500єС в течение

3 часов. Структура сплавов в литом состоянии показана на рисунке 1. Значения твердости литых и отожженных по вышеуказанному режиму образцов представлены в таблице 2.

а б в

г д

Рис.2 - Микроструктура сплавов в литом состоянии, СЭМ: а) Al-4Ca-5Cu, Ч2000; б) Al-4Ca-4Ni, Ч2000; в) Al-6Ca-1Ni, Ч500; г) Al-6Ca-0,6Si, Ч700; д) Al-6Ca-0,7Fe, Ч500

Прокатку сплавов Al-4Ca-5Cu и Al-4Ca-4Ni (1 и 2) проводили при температуре 450°С, а сплавы Al-6Ca-1Ni, Al-6Ca-0,6Si и Al-6Ca-0,7Fe(3-5) прокатывали при 400°С, поскольку структура последних кажется более дисперсной и однородной. Процессы сфероидизации эвтектических интерметаллидов в них прошли более полно, чем в первых двух сплавах.

Из прокатанных полос вырезали образцы в продольном и поперечном направлениях для испытаний на растяжение. Результаты прокатки и механические свойства сплавов представлены в таблице 2. Микроструктура прокатанных образцов представлена на рисунке 3.

Таблица 2

Результаты прокатки и механические свойства образцов экспериментальных сплавов

*Первое значение _в - поперечные образцы, второе значение - продольные.

а б в

г д

Рис.3 - Микроструктура образцов после горячей прокатки, ОМ, Ч1000: а) Al-4Ca-5Cu; б) Al-4Ca-4Ni; в) Al-6Ca-1Ni; г) Al-6Ca-0,6Si; д) Al-6Ca-0,7Fe

По наличию небольшого деформационного упрочнения (значения твердости выше, чем до деформации) можно судить о том, что структура проката не рекристаллизованная. На наш взгляд, на деформируемость экспериментальных композиций могут влиять следующие структурные факторы: размер, степень сфероидизации и объемная доля эвтектических интерметаллидов. В первых двух сплавах структура менее дисперсна, сфероидизация прошла не полностью. Доля эвтектических интерметаллидов Al₄Caв сплавах с 4%Caоколо 15% по массе (расчет с помощью Thermo-Calc), а в сплавах с 6%Ca - около 20%(масс.) частицAl₄Ca. Помимо структурных факторов, на деформируемость влияют технологические факторы - температура сфероидизирующего отжига (от нее зависит степень округлости частиц) и температура горячей прокатки. Для определения влияния каждого из этих факторов необходимо проводить дополнительные эксперименты. А по результатам данного эксперимента можно сказать, что все эвтектические композиции хорошо деформируются, особенно композиция Al-6Ca-0,7Fe.

Кроме того, исследовали литейные свойства сплавов 2-5 оптимального состава и с наиболее дисперсной структурой в сравнении с композицией Al-7Si (основой наиболее широко используемого силумина). Результаты исследования жидкотекучести представлены в таблице 3, U-образная проба для сплавов Al-6Ca-1Ni и Al-7Si - на рисунках 3 а, б.

Таблица 3

Длина дуги U-образной формы проб на жидкотекучесть

Указанные сплавы не обнаружили склонности к образованию горячих трещин (рис. 4в).

а б в

Рис. 4 - а) U-проба сплава Al-6Ca-1Ni; б) U-проба сплава Al-7Si; в) проба «арфа» для сплава Al-7Si (пробы всех экспериментальных сплавов имеют такой же вид)

Выводы

1. Исследована структура экспериментальных сплавов в литом и отожженном при 500°С в течении 3 часов состоянии. После отжига твердость всех сплавов закономерно снижается, но в сплавах с менее дисперсной структурой (1 и 2) фрагментация и сфероидизация проходят не полностью. Это приводит к образованию трещин в процессе деформации, в первую очередь, около наименее округлых частиц.

2. Проведена горячая прокатка образцов из сплавов 1 и 2 при температуре 450°С, сплавов 3-5 при температуре 400°С. Степень деформации образцов составила от 48 до 82%. Прочностные свойства сплавов в горячекатанном состоянии сравнимы со свойствами кокильных отливок промышленных силуминов (у сплава АК7ч после литья в кокиль в состоянии Т6 _{в =} 235 МПа, =1% [1]), но пластичность заметно выше

3. (_{в =} 184-289МПа, =2,4-9,7%).

4. По литейным свойствам (жидкотекучесть и горячеломкость) экспериментальные сплавы 3-5 (с наиболее дисперсной структурой) не уступают сплаву Al-7Si - основе известного силумина АК7ч.

Литература

1. Золоторевский В.С., Белов Н.А. - Металловедение литейных алюминиевых сплавов,- М.: МИСиС, 2005, 376 с.

2. Добаткин В. И., Елагин В. И., Федоров В. М. - Быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы. - М.: ВИЛС, 1995,

3. 245 с.

4. Ю. А. Курганова, А.Г. Колмаков - Конструкционные металломатричные композиционные материалы: учебное пособие.- Издательство: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2015, 143 с.

5. Кузьмич Ю.В., Колесникова И.Т., Серба В.И., Фрейдин Б.М. Механическое легирование, - М.: Наука, 2005, 213 с.

6. С.С. Кипарисов, Г.А. Либенсон Порошковая металлургия. М.: Металлургия 1991г. 432с.