УДК 669.7 Технические науки / 1. Металлургия

К.т.н. Конунникова С.Г., к.т.н. Жукебаева Т.Ж., м.т.н. Аубакиров Д.Р., м.т.н. Кобеген Е.

Карагандинский Государственный технический университет, Казахстан

Способы повышения качества алюминиевых сплавов

Сплавы на основе алюминия делятся на две группы – литейные и деформируемые. Согласно ГОСТ 2685-75 установлено 37 марок литейных алюминиевых сплавов.

Литейные алюминиевые сплавы имеют ряд особенностей: повышенную жидкотекучесть, что обеспечивает получение тонкостенных и сложных по конфигурации отливок; сравнительно невысокую линейную усадку, пониженную склонность к образованию горячих трещин. Кроме того, алюминиевые сплавы обладают высокой склонностью к окислению, насыщению водородом, что приводит к таким видам брака отливок, как газовая пористость, шлаковые включения и оксидные включения. Поэтому при разработке технологии плавки и изготовлении фасонных отливок любым из способов литья необходимо учитывать особенности отдельных групп алюминиевых сплавов.

Наибольшее распространение в литейном производстве получили алюминиевые бронзы. Они имеют хорошую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, хорошо противостоят разрушению в условиях кавитации, обладают меньшим, чем оловянные бронзы, фрикционным износом.

Сплавы Cu – Al кристаллизуются в узком температурном интервале (46 ºС), что приводит к последовательному затвердеванию и образованию в отливках столбчатой структуры, в результате чего ухудшается пластичность. В связи с этим все алюминиевые бронзы содержат добавки 1-4 % Fe [1].

Железо вводилось в сплав для измельчения зерна и упрочнения твёрдого раствора, замедления эвтектоидного распада β-фазы, предотвращающей тем самым явление самопроизвольного отжига («самоотжига») при литье крупногабаритных фасонных отливок в песчаные формы.

Установлено, что марганец хорошо растворяется в алюминиевой бронзе, повышает её коррозионную стойкость, повышает прочность и пластичность [2].

Никель в алюминиевых бронзах образует фазы Ni₃Al и NiAl с переменной растворимостью в твёрдом состоянии, смещает однофазную область при понижении температуры в сторону медного угла, что позволяет упрочнять алюминиевые бронзы термической обработкой.

Цинк несколько снижает технологические свойства сплава и поэтому в алюминиевых бронзах применяется редко.

Наибольшее распространение в промышленности имеют сплавы Al-Si, Al-Si-Mg (АЛ2, АЛ4, АЛ4-1, АЛ9, АЛЗЧ, АК9, АК7), которые отличаются хорошими технологическими свойствами, определяемыми видом диаграмм состояния. Литейные свойства обеспечиваются наличием в сплавах большого количества двойной эвтектики α + Si (40-75 %) каркасно-матричного типа, основой которой является α-твёрдый раствор, что обуславливает высокую жидкотекучесть сплавов, а также низкую литейную усадку и пониженную склонность к образованию горячих трещин [2].

Изменение механических свойств алюминиевых бронз Cu-Al в зависимости от содержания алюминия:

а – полосы, деформированные на 40% и отожжённые при температуре 650°С в течение 30 мин.;

б – прессованные прутки и трубы из алюминиевой бронзы БрАЖМц10-3-1,5

При увеличении количества эвтектики в сплавах уменьшается склонность к образованию усадочных микрорыхлот, что повышает герметичность отливок.

Сплавы Al-Si при испытании на герметичность разрушаются без течи, что обусловлено их прочностью и пластичностью. Процесс кристаллизации этих сплавов протекает в узком температурном интервале и идёт сплошным фронтом от периферийной зоны (стенок формы) к внутренним зонам отливок, что вызывает образование между первичными кристаллами сплошного слоя мелкозернистой эвтектики. Это препятствует образованию сквозных усадочных каналов между зёрнами твёрдого раствора [3].

С повышением содержания кремния в сплавах понижается коэффициент термического расширения и получается более грубая структура, что приводит к охрупчиванию сплава и ухудшению обрабатываемости резанием.

Для измельчения включений кремния в эвтектике проводили модифицирование сплава Na, Li, CaSr, повышающее пластические свойства (δ = 5-8 %).

Для модифицирования силуминов применяли смесь хлористых и фтористых солей натрия и калия различного состава, при этом сплавом усваивается около 0,01 % Na.

При модифицировании натрием замечено переохлаждение эвтектики на 15-30 ºС, а эвтектическая точка сдвигается к 13-15 % Si. Эффект модифицирования тем больше, чем выше содержание Si в сплаве, так как модификатор воздействует только на эту фазу [4].

Для силуминов, содержащих менее 5-7 % Si, модифицирование не оказывает влияния на механические свойства.

Для получения эффекта упрочнения при термической обработке в двойные сплавы вводят добавки Mg и Cu раздельно или совместно, при этом компоненты сплава образуют интерметаллиды с переменной растворимостью в твёрдом состоянии, которые являются эффективными упрочнителями при термической обработке [5].

Зависимость температуры от содержания алюминия при термической и горячей обработке давлением алюминиевых бронз:

1 – температура термической обработки;

2 – температура горячей обработки давлением

Кроме того, установлено, на фазовый состав сплавов типа силумина специфическое влияние оказывает железо, содержание которого как примеси в промышленных сплавах составляет обычно не менее 0,4-0,5 %. Железо в сплавах Al-Si образует соединение β (Al-Fe-Si) в виде хрупких пластин, которые резко снижают пластичность.

Отрицательное влияние железа хорошо снижает добавка 0,2-0,5 % Mn, при этом образуется новая фаза α (Al-Fe-Si-Mn) в виде компактных равноосных включений, которые в меньшей степени влияют на пластичность.

Положительным свойством сплавов на основе системы Al-Si является повышенная коррозионная стойкость во влажной и морской атмосферах – это сплавы марок АЛ2, АЛ4 и АЛ9 [1].

Недостатки этих сплавов – повышенная газовая пористость и пониженная жаропрочность. Технология литья этих сплавов более сложная и требует применения операций модифицирования и кристаллизации под давлением в автоклавах.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Б. Альтман, А.Д. Андреев, Г.А. Балахонцев и др. Справочник «Плавка и литьё алюминиевых сплавов», М.: Металлургия, 1983 г.

2. А.М. Липницкий, И.В. Морозов, А.А. Яценко «Технология цветного литья», Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986 г.

3. Н.Д. Орлов, В.М. Чурсин, Справочник литейщика «Фасонное литьё из сплавов тяжёлых цветных металлов», М.: Машиностроение, 1971 г.

4. Галдин Н.М., Чернега Д.Ф., Иванчук Д.Ф., «Цветное литье»: справочник / - М.: Машиностроение, 1989 г.

5. Курдюмов А.В., Пикунов М.В., «Производство отливок из сплавов цветных металлов», Учебник для вузов. — 2-е изд., доп. и перераб. — Москва: МИСИС, 1996 г.