Зависимость механических свойств сплавов от толщины стенок отливок 5 страница

Al-Si, эвтектика содержит 11,7% Si и состоит из твердого ра­створа кремния в алюминии. Максимальная растворимость крем­ния в алюминии составляет 1,65 % при эвтектической температу­ре 577 °С.

По мере увеличения в доэвтектических сплавах содержания кремния в их структуре возрастает количество эвтектики и улуч­шаются литейные свойства.

Обычная структура доэвтектических силуминов состоит из ден­дритов твердого раствора кремния в алюминии и эвтектики: твер­дый раствор - кремний. Крупные выделения пластинок кремния в эвтектике, являясь концентраторами напряжений, сильно сни­жают пластичность сплава (подобно крупным пластинкам графи­та в чугуне). ^Цля измельчения включений кремния сплавы моди­фицируют солями натрия (NaF + NaCl). Эффект модифицирова­ния тем больше, чем выше содержание кремния, так как моди­фикатор действует только на кремний. В сплавах, содержащих ме­нее 8 % Si, применение модифицирования теряет смысл, так как улучшение свойств незначительное и может перекрываться влия­нием скорости охлаждения.

К простым двойным силуминам относится только один сплав AJI2 (АК12). Из-за отсутствия в составе интерметаллидов он являет­ся нетермообрабатываемым, но обязательно модифицированным.

В специальных силуминах (AJI4, AJI9, AJI34) при введении в них магния образуется интерметаллид Mg₂Si, который является упрочняющей фазой. В литом состоянии крупные выделения Mg₂Si располагаются по границам зерен, придавая сплаву хрупкость. Для измельчения структуры и увеличения пластических свойств от­ливки из специальных силуминов подвергают закалке и искусст­венному старению.

В сплавы AJI5, АЛ32, ВАЛ8, АК5М2, АК5М7, АК6М2, АК5М4, АК8МЗ, АК9М2 дополнительно с магнием вводится медь от 1 до 7 %. При этом появляются новые упрочняющие фазы, в частности интерметаллид СиА1₂. Как уже отмечалось выше, сплавы с умень­шенным содержанием кремния не модифицируют, а подвергают термической обработке.

Эвтектические специальные силумины (AJI25, АЛЗО, АК12М2) содержат дополнительно 1,0...2,0% Ni, повышающего их жаро­стойкость. Взамен эвтектических силуминов разработаны сплавы, называемые «никалинами», в которых в качестве второй фазы эвтектики содержатся соединения А1₃№. Такая эвтектика обладает более дисперсным строением и более высокой температурой плав­ления (640 против 577 °С) по сравнению с алюминиево-кремни- евой. Заэвтектический силумин АК21М2,5Н2,5 (ВКЖЛС-2) харак­теризуется хорошими антифрикционными, антикоррозионными свойствами и низким температурным коэффициентом линейного расширения (у кремния он меньше, чем у алюминия).

Измельчение первичных кристаллов кремния осуществляется модифицированием жидкого расплава фосфором в виде фосфо­ристой меди, пятихлористого фосфора, в виде смеси красного фосфора, фтортитана и хлористого кальция. В отличие от доэвтек­тических и эвтектических силуминов, в которых фосфор является вредной примесью, в заэвтектических силуминах он действует подобно модификатору. С алюминием фосфор образует мелкие нерастворимые в расплаве частицы, которые служат центрами кри­сталлизации для кремния. Для получения мелкозернистой струк­туры в расплав вводится от 0,025 до 0,15 % Р.

В настоящее время заэвтектические силумины начинают широ­ко применять для изготовления поршней, головок блоков и бло­ков цилиндров, тормозных барабанов и др.

Сплавы III группы. Сплавы на основе системы А1-Сu можно отнести к числу первых промышленных алюминиевых сплавов, но их количество в настоящее время невелико. Для анализа спла­вов используется левый (алюминиевый) угол диаграммы состоя­ния А1-Сu до первого химического соединения СuА1₂ (рис. 6.2). Следует отметить низкую температуру (548 °С) образования эв­тектики с содержанием 33 % Си и, как следствие, широкий ин­тервал кристаллизации. Предельная растворимость при эвтекти­ческой температуре составляет С_р = 5,65 % Си, и практически ну­левая растворимость наблюдается при комнатной температуре.

Сплавы AJI19 содержат также марганец и титан, которые обра­зуют интерметаллидные фазы, в частности TiAl₃. Эти фазы совме­стно с CuA1₂ формируют твердый каркас по границам дендрит­ных зерен и придают сплаву повышенную жаростойкость.

Сплав ВАЛ 10 кроме меди и титана содержит кадмий в количе­стве 0,07...0,25 % и имеет более сложный, чем сплав АЛ 19, фазо­вый состав, и также обладает повышенной жаростойкостью.

Сплавы IV группы. Более многочисленна по числу сплавов IV группа на основе системы А1-Mg (рис. 6.3). Магний хорошо раство­рим в алюминии (С_р = 15,35 %). Для сплавов характерна низкая (449 °С) температура эвтектики и, как след­ствие, широкий интервал кристалли­зации (температура плавления магния 651 °С); при С_р = 15,35 % Mg интер­вал кристаллизации составляет 150 °С. Эвтектика почти целиком состоит из интерметаллида Al₃Mg₂, обладает вы­сокой хрупкостью и практически не применима.

Рис. 6.2. Диаграмма состояния Al-Cu

С увеличением количества магния до 13 % прочность сплавов системы А1-Mg возрастает, но при содержа-

Рис. 6.3. Диаграмма состояния А1—Mg

нии Mg свыше 11% резко уменьшается их пластичность. Поэтому именно в этих пределах используется концентрация магния в про­мышленных сплавах системы А1-Mg, которые выделяются из всех литейных алюминиевых сплавов наиболее высокой прочностью и пластичностью, но самой низкой жаропрочностью. Максималь­ная рабочая температура не превышает 100... 120 °С при условии, что вводят добавки кремния, несколько повышающие жаропроч­ность.

Сплавы AJI13, AJI23, AJI28 применяют без термической обра­ботки. Только для сплава AJI23 при литье в песчано-глинистые и металлические формы и при литье по выплавляемым моделям применяют закалку.

В некоторые сплавы (AJI23, AJI27) вводят добавки титана и циркония, которые образуют тугоплавкие интерметаллиды TiAl₃, ZrAl₃ и являются модификаторами. Добавку бериллия вводят для уменьшения окисляемости сплавов.

Широкое распространение сплавов IV группы сильно затруд­нено из-за низких (см. далее на с. 142) литейных свойств.

Сплавы V группы. К V группе сплавов относятся цинковистые силумины (AJI11), содержащие 6...8% Si и 7... 12% Zn, а также сплав АК9Ц6р. Сплавы этой группы имеют сравнительно высокие механические свойства (выше, чем у сплава AJI2) и способны самозакаливаться (левый алюминиевый угол диаграммы состоя­ния А1-Zn на рис. 6.4). Основным недостатком цинковых силу­минов является их повышенная плотность (2900...3100 кг/м³).

Особенности литейных свойств алюминиевых сплавов. Литей­ные свойства алюминиевых сплавов, как и других сплавов, опре­деляются интервалом кристаллизации.

о 20 40 60 80 Zn, % Рис. 6.4. Часть двойной диаграммы состояния А1-Zn

Сплавы I и II групп, как правило, имеют интервал кристалли­зации, меньший или равный 50 °С, поэтому обладают высокой жидкотекучестью, хорошей стойкостью против горячих и холод­ных трещин, склонны к сосредоточенным усадочным раковинам. В отличие от них сплавы III, IV и V групп имеют широкий интер­вал кристаллизации, низкую жидкотекучесть, при литье в метал­лические формы склонны к горячим трещинам, к образованию усадочной пористости и ликвации.

Высокой склонностью к газонасыщению (особенно водородом) и образованию газовой и газоусадочной пористости характери­зуются все алюминиевые сплавы, особенно сплавы А1-Mg (IV группа).

Именно для алюминиевых сплавов А. А. Бочваром и А. Г. Спас­ским был предложен способ литья в автоклаве для уменьшения газовой пористости в отливках и повышения их плотности.

Повышенная окисляемость в расплавленном состоянии, а так­же взаимодействие с азотом воздуха и парами воды приводят к образованию неметаллических включений и оксидных плен, что требует дегазации, фильтрации расплавов и тщательного кон­струирования литниковых систем для спокойного заполнения формы.

6.2. Магниевые сплавы

Магниевые сплавы обладают рядом положительных свойств, в числе которых:

• малая плотность (1738 кг/м³) и меньший вес деталей из них: по сравнению с алюминиевыми сплавами на 20...30%, а со ста­лью и чугуном на 50...75 %;

• высокая удельная (а_в/р) прочность, выраженная способность воспринимать ударные вибрационные нагрузки и высокое сопро­тивление усталости;

• отличная обрабатываемость резанием, значительно превыша­ющая таковую как для алюминиевых, так и особенно для медных сплавов и стали.

Магниевые сплавы как высокопрочные конструкционные спла­вы применяются в тех случаях, когда выигрыш в весе имеет важ­ное значение (авиация, ракетостроение, автомобилестроение и др.). Из них могут изготовлять корпусные детали, так как магние­вые сплавы обладают высокой демпфирующей способностью.

Магний имеет высокую химическую активность (^ = 651 °С), воспламеняется при температуре 632 °С и горит ослепительно ярким светом. В связи с этим производство отливок из магниевых сплавов в отличие от обычно применяемых приемов для других сплавов требует соблюдения особых правил на всех стадиях тех­нологического процесса. Следует отметить также, что оксидная пленка MgO из-за своей пористости не обладает достаточными защитными свойствами.

Выпускают три марки первичного магния: Мг90, Мг95 и Мг96 (в зависимости от количества примесей - соответственно 0,1, 0,05 и 0,04 %). Вредными примесями для магниевых сплавов явля­ются Fe, Ni, Си. Их содержание не должно превышать, %: Fe 0,08; Ni 0,01; Си 0,1, так как эти элементы сильно снижают коррозионную стойкость.

Химический состав и механические свойства магниевых ли­тейных сплавов по ГОСТ 2856-79 (изм. в 1988 г.) приведены со­ответственно в табл. 6.2 и 6.3.

Для маркировки литейных магниевых сплавов используют бук­вы «МЛ» (магниевый литейный) и число, обозначающее номер сплава; буквы в конце марки указывают на следующее: «он» - общее назначение сплава, «пч» - его повышенная чистота.

В основном магниевые сплавы относятся к системам Mg-А1- Zn (МЛЗ, МЛ4, МЛ5, МЛ6) и Mg-Zn (МЛ8, МЛ12, МЛ15). При температуре эвтектики 436 °С в магнии растворяется 12 % А1 (пра­вый угол двойной системы А1-Mg на рис. 6.3) и 8,5 % Zn при температуре эвтектики 335 °С (также в двойной системе Mg-Zn), что свидетельствует о широком интервале кристаллизации спла­вов этой системы (150...250°С).

Химический состав литейных магниевых сплавов по ГОСТ 2856—79 (изм. в 1988 г.), мае. % Марка сплава Основные компоненты (Mg — основа) А1 Мп Zn Zr Cd In IP3M La Nd Y млз 2,5...3,5 0,15...0,5 0,5... 1,5 — — — — — — — МЛ4 5,0...7,0 0,15 ...0,5 2,0...3,5 — — — — — — — МЛ4пч 5,0...7,0 0,15...0,5 2,0...3,5 — — — — — — — МЛ5 7,5...9,0 0,15 ...0,5 0,2...0,8 — — — — — — — МЛ5пч 7,5 ...9,0 0,15...0,5 0,2...0,8 — — — — — — — МЛ5он 7,5 ...9,0 0,15 ...0,5 0,2...0,8 — — — — — — — МЛ6 9,0... 10,2 0,1...0,5 0,6... 1,2 — — — — — — — МЛ 8 — — 5,5 ...6,6 0,7... 1,1 0,2...0,8 — — — — — МЛ9 — — — 0,4... 1,0 — . 0,2 ...0,8 — — 1,9 ...2,6 — МЛ10 — — 0,1...0,7 0,4... 1,0 — — — — 2,2 ...2,8 — МЛ 11 — — 0,2...0,7 0,4... 1,0 — — 2,5 ...4,0 — — — МЛ 12 — — 4,0...5,0 0,6 ...1,1 — — — — — — МЛ 15 — — 4,0...5,0 0,7... 1,1 — — — 0,6... 1,2 — — МЛ19 — — 0,1...0,6 0,4 ...1,0 — — — — 1,6...2,3 1,4...2,2

Механические свойства* отливок из магниевых сплавов по ГОСТ 2856-79 (изм. в 1988 г.) Марка сплава Способ литья Вид ТО стВ5 Н/мм2 (кгс/мм2) стТ5 Н/мм2 (кгс/мм2) 5 при / = 5d, %     не менее млз — 160 (16,0) — МЛ4 3, О, К — 160 (16,0) 80 (8,0)   3, О, К Т4 220 (22,0) 80 (8,0)   3, О, К Т6 225(22,5) 100 (10,0) МЛ4пч 3, О, К — 160 (16,0) 80 (8,0) МЛ5 3, О, К Т4 220 (22,0) 80 (8,0)   3, О, К Т6 225 (23,0) 100 (10,0)   3, О, К — 160 (16,0) 90 (9,0)   3, О, К Т2 160 (16,0) 85 (8,5)   3, О, к Т4 235(23,5) 90 (9,0)   3, О, к Т6 235(23,5) 110 (11,0)   д — 175(17,5) 110 (11,0) МЛ5пч 3, О, в, г, к — 160 (16,0) 90 (9,0)   3, О, в, г, к Т2 160 (16,0) 85 (8,5)   3, О, в, г, к Т4 235 (23,5) 90 (9,0)   3, О, в, г, к Т6 235(23,5) 110 (11,0)   д — 175(17,5) 110 (11,0) МЛ 5 он 3, О, к — 160 (16,0) 90 (9,0)   3, О, к Т4 230 (23,0) 85 (8,5)   3, О, к Т6 230 (23,0) 105(10,5) МЛ6 3, к — 150 (15,0) —   3, к Т4 225(22,5) 110 (11,0)   3, к Т6 225 (22,5) 140 (14,0)   3, к Т61 230 (23,0) 140 (14,0) МЛ8 3, О, к, в, г Т6 265 (27,0) 170 (17,0)

Окончание табл. 6.3 Марка сплава Способ литья Вид ТО сгв, Н/мм2 (кгс/мм2) стт, Н/мм2 (кгс/мм2) 5 при l=5d, % не менее МЛ9 3, О, К, В, Г Т61 275 (28,0) 175(17,5) з, О, К, В, Г Т6 230 (23,0) 110 (11,0) МЛ10 3, О, К, В, Г Т6 230 (23,0) 140 (14,0) 3, О, К, В, Г Т61 240 (24,0) 140 (14,0) МЛ 11 3, О, к, в, г — 120 (12,0) 70 (7,0) 1,5 3, О, к, в, г Т2 120 (12,0) 70 (7,0) 1,5 3, О, к, в, г Т4- 140 (14,0) 85 (8,5) 3, О, к, в, г Т6 140 (14,0) 100 (10,0) МЛ12 3, О, к, в, г — 200 (20,0) 90 (9,0) 3, О, к, в, г Т1 230 (23,0) 130 (13,0) МЛ15 3, О, к, в, г Т1 210 (21,0) 130 (13,0) МЛ19 3, к Т6 220 (22,0) 120 (12,0)

* В данной таблице обозначения способов литья те же, что в табл. 6.1; ТО — термическая обработка; ств — временное сопротивление разрыву; стт — предел текучести; 5 — относительное удлинение.

Двойные сплавы Mg-Zn не используются из-за очень плохих литейных свойств, связанных с очень широким интервалом крис­таллизации - 250... 350 °С.

Элементы цирконий, неодим, церий, иттрий, кадмий, индий, лантан используют в магниевых сплавах как основные или вспо­могательные упрочнители. В сплавах MJI9, MJI10, MJI19 основ­ным легирующим элементом является неодим, его концентрация приближается к предельной растворимости в магнии. Кроме того, он образует интерметаллидную фазу Mg₂Nd. Названные сплавы обладают высокой жаропрочностью - их рабочая температура со­ставляет 250... 300 °С.

Добавки циркония измельчают зерно. Добавки кадмия цели­ком находятся в твердом растворе. Лантан образует самостоятель­ную фазу La₂Mg₁₇.

В литом состоянии магниевые сплавы имеют крупнозернистую структуру. Для измельчения используют модифицирование путем переплава или введением углеродсодержащих модификаторов - гексахлорэтана, гексахлорбензола, мела, мрамора, магнезита, углекислого газа, ацетилена.

Для не содержащих алюминий магниевых сплавов модифици­рование осуществляется цирконием (0,5...0,7%) или кальцием (0,1 ...0,2 %). Модифицирование приводит к измельчению первич­ных выделений твердого раствора и интерметаллидных включе­ний, что в итоге улучшает не только механические, но и литей­ные свойства сплавов.

Особенности литейных свойств магниевых сплавов. Ниже при­ведены интервалы кристаллизации некоторых литейных магние­вых сплавов, свидетельствующие о том, что большинство из них являются широкоинтервальными [3]:

Сплав..... MJI4 MJI5 MJI6 MJI9 МЛ10 МЛ12 МЛ15

°С........... 155 115 120 95 95 75 75

Жидкотекучесть литейных магниевых сплавов примерно такая же, как и у алюминиевых сплавов с соответствующими интерва­лами кристаллизации.

Отливки из магниевых сплавов поражены усадочной пористо­стью. Усадочные раковины незначительны. Поэтому отливки, хотя и изготовляются с прибылями, подвергаются пропитке для уве­личения герметичности.

Отливки из магниевых сплавов в большей степени, чем алю­миниевые сплавы, склонны к горячим трещинам, что связано с меньшим (практически в 2 раза) коэффициентом теплопровод­ности (213 против 131 Вт/(м-К)). Особенно это относится к от­ливкам, изготовляемым в металлических формах.

Магниевые литейные сплавы сильнее, чем алюминиевые спла­вы, склонны к насыщению газами, особенно водородом. В алюми­ниевых сплавах содержание Н₂ составляет 1... 5 см³/Ю0 г сплава, а в магниевых сплавах оно достигает 20...30 см³/100 г. Магниевые сплавы чувствительны даже к влажному воздуху, из-за этого про­исходит отсыревание флюса, под слоем которого в обязательном порядке проводится плавка.

Так же, как и алюминиевые сплавы, литейные магниевые спла­вы склонны к образованию плен и неметаллических включений. Поэтому для отливок применяют расширяющиеся литниковые системы. Для очистки магниевых сплавов от неметаллических вклю­чений используют фильтрацию через сетчатые фильтры с разме­рами ячейки 1x1 мм, а также более тонкую очистку через зерни­стые (магнезит, графит, кокс) фильтры.

Широкий интервал кристаллизации является основной при­чиной высокой склонности к дендритной ликвации, поэтому од­ним из видов термической обработки магниевых сплавов является гомогенизация (режимы Т4, Т6).

6.3. Титановые сплавы

Областями применения отливок из литейных титановых спла­вов, имеющих высокую стоимость, являются самолето- и верто- летостроение, где значительным оказывается выигрыш от высо­кой удельной прочности (а_в/р) и малой плотности (4500 кг/м³), а также химическая, нефтеперерабатывающая промышленность, черная и цветная металлургия, где экономически оправдан эф­фект от повышения срока службы деталей, работающих с агрес­сивными технологическими средами, вследствие образования на поверхности плотной защитной пленки ТЮ₂. Данные сплавы ис­пользовались также для изготовления памятников (например, па­мятник Ю.Гагарину в Москве) и спортинвентаря (например, клюшки для гольфа).

По структуре сплавы титана подразделяются на три группы: однофазные а-сплавы, двухфазные (а + р)-сплавы и однофазные р-сплавы.

Основой титановых сплавов является система Ti-А1 (рис. 6.5), в которой содержание алюминия изменяют от 2,6 до 7,0%. Для маркировки титановых сплавов используют буквы «ВТ», номер и букву «Л». Химический состав промышленных сплавов приведен в табл. 6.4 [2].

Сплавы ВТ5Л, ВТ20Л, ВТ21Л являются однофазными а-сплавами, сплавы ВТ6Л, ВТ31Л, ВТ9Л, ВТ14Л - двухфазные

(а + р)-сплавы со значительным содержанием р-фазы, сплав ВТ35Л - псевдо-р-сплав.

Титановые сплавы являются од­ними из самых тугоплавких про­мышленных сплавов (табл. 6.5).

Кроме того, следует отметить низкую теплопроводность этих сплавов, которая в 15 раз меньше, чем у алюминия, и в 4 раза мень­ше, чем у железа. По прочности ти­тановые сплавы превосходят угле­родистые стали и не уступают ле­гированным (табл. 6.6).

Однако по жесткости (модулю упругости) при растяжении-сжа­тии титановые сплавы уступают

даже углеродистой стали, прибли-

^% жаясь к серым чугунам. Титановые Рис. 6.5. Диаграмма состояния сплавы имеют очень высокую хи- Ti-А1 (по данным И. И. Кор- мическую активность, поэтому для нилова) их получения используют гарнисаж-

Таблица Химический состав литейных титановых сплавов, мае. % Марка сплава А1 Мо V Zr Сг Si Sn Fe BT5JI 4,1...6,2 — — — — — — — ВТ6Л 5,0...6,5 — 3,5...4,5 — — — — — BT31JI 5,3...7,0 2,0...3,0 — — 0,8...2,3 0,15... 0,4 — 0,2...0,7 BT9JI 5,6...7,0 2,8...3,8 — 0,8...2,0 0,8. 2,0 0,2... 0,35 — — BT14JI 4,3...6,3 2,5...3,8 0,9...1,9 — — — — — BT20JI 5,5...6,8 0,5...2,0 0,8...1,8 1,5...2,5 — — — — BT21JI 5,8...7,0 0,4... 1,0 0,8...1,5 4,0...6,0 4,0...6,0 — — — BT35 2,6...3,6 0,2...1,0 14,8...15,8 0,2...0,8 2,5...3,5 — 2,5...3,5 —

ную вакуумную дуговую плавку с расходуемым электродом, кото­рым является цилиндрический титановый слиток заданного хими­ческого состава. Для литейных форм чаще всего используют графит. Заливку также проводят в вакууме на центробежных машинах.

Термическая обработка практически не влияет на макро- и мик­роструктуру титановых сплавов. Одним из средств, влияющих на литую структуру сплавов, является модифицирование.

Проведение модифицирования осложняется тем, что для плавки используется вакуумная гарнисажная плавка.

Положительные результаты были получены только для низко­легированных марок типа BT5JI, BT6JI и только при использова­нии бора или карбида бора в количестве 0,007...0,01 %. Для спла­вов BT9JI и BT12JI модифицирование не дало положительных ре­зультатов.

Азот и кислород образуют с титаном растворы внедрения и являются упрочнителями. Однако, когда содержание этих газов превышает некоторое предельное содержание (0,12...0,20 % 0₂ и 0,05 % N₂), они переходят в разряд вредных примесей.

Водород, так же как и 0₂ и N₂, является вредной примесью. Характерной особенностью водорода является высокая скорость его диффузии в титан, а также способность растворяться в твер­дом титане в больших количествах с образованием раствора вне­дрения.

Для устранения вредного влияния водорода его практически полностью удаляют из твердого титана путем вакуумного отжига. Отмеченная особенность обратимого легирования водородом ис-

Физические свойства титана и его литейных сплавов

Марка сплава	Р (20 °С), кг/м3	Температура, °С	ОС/-106, К"1	с, кДжДкг-К)	К Вт/(м-К)
ликви­дуса	соли­дуса
Титан			—	11,20 (0...1668°С)	0,525	13,4
BT1JI				8,2 (20...100°С)	0,525	13,4 (20°С)
BT5JI				8,6 (20...100°С)	—	—
BT6JI				8 3 (20...100°С)	0,543 (100°С)	8,8 (25 °С)
ВТ31Л				9,5 (20... 100 °С)	0,565 (100°С)	6,69 (25 °С)
ВТ9Л				7,61 (20...100°С)	—	—
ВТ14Л				7,82 (20...100°С)	0,501 (100°С)	9,1 (100°С)
ВТ20Л				8,7 (20... 100 °С)	0,580 (100°С)	8,4 (100 °С)
ВТ21Л				8,5 (20... 100 °С)	0,515 (100°С)	7,9 (100 °С)