12

ВСТУП

Силуміни широко застосовуються в машинобудуванні як конструкційні сплави завдяки гарним ливарним властивостям, зварюваності та високій корозійній стійкості. Проте, наявність в структурі промислових доевтектичних силумінів слаборозгалужених дендритів -Al, крупних пластин кристалів евтектичного кремнію і інтерметалідних фаз, що мають підвищену крихкість, обумовлює невисокі міцносні характеристики і низьку пластичність матеріалу. Внаслідок цього такі сплави мають обмежене застосування,, експлуатуються в умовах незначних навантажень. Перспективним напрямом розширення сфер використання силумінів є не тільки|не лише| отримання виливків, але і виробів, що виготовляються з використанням методів обробки тиском|тиснення| (прокатки, штампування, пресування та ін.).

На наш час є добре відомим, що дієвим|дійовий| чинником|фактор|, який визначає сприятливе структуроутворення промислових силумінів, забезпечує збільшення їх міцності і пластичності, є|з'являтися,являтися| модифікування.

При додаванні скандію спостерігається підвищення механічних властивостей сплавів на основі алюмінію, що деформуються. Нечислені дані свідчать про вплив добавок скандію на підвищення міцності силумінів при одночасному зниженні пластичності. В зв'язку з цим імовірним є сумісний позитивний вплив комплексу стронцій-скандій на структуроутворення, фазовий склад і властивості силумінів. Однак, вплив як скандію, так і комплексу стронцій-скандій на структуроутворення, фазовий склад, розподіл елементів між фазами та структурними складовими і властивості силуміну АК7ч вивчено недостатньо.

Тому та встановлення закономірностей впливу модифікування комплексом стронцій-скандій на структуру та властивості силуміну АК7ч та вибір оптимальної концентрації цього модифікатору для підвищення рівня механічних властивостей є актуальною задачею.

1 Літературний огляд

1. Властивості компонентів системи Al-Si

Основні структурні складові доевтектичних силумінів - алюмінієвий твердий розчин (-Al) і евтектика -Al+-Si. Легуючі елементи (магній, кремній) і домішки (залізо і ін.), звичайно присутні в промислових сплавах, як правило, утворюють інтерметалідні сполуки з алюмінієм, кремнієм і один з одним [6-7].

Алюміній відноситься до р-елементiв. Його атомний номер 13, електронна конфігурація 1s²2s²p⁶3s²p (IIIB підгрупа Періодичної системи елементів). У всіх стійких сполуках трьохвалентний, при високій температурі може бути одновалентний. За атмосферних умов неполіморфний [8], має гранецентровану кубічну кристалічну структуру з координаційним числом 12.

Фізичні властивості алюмінію в твердому і рідкому станах достатньо добре вивчені [8, 9-12]. В інтервалі від кімнатної температури до температури плавлення спостерігається монотонна зміна властивостей [9].

Перехід з твердого стану в рідкий супроводжується типовою для металів стрибкоподібною зміною фізичних характеристик. В рідкому стані багатьма авторами фіксується відхилення від монотонності температурної залежності структурно-чутливих характеристик [13…16]. Авторами [17] вивчена температурна залежність густини. Температурна залежність густини має відхилення від монотонності в інтервалах: 780-820⁰С, 970-1050⁰С, 1130-1250⁰С. Автори виказують припущення, що в розплаві алюмінію відбуваються структурні перетворення по типу поліморфних.

Більшість металевих елементів сплавляється з алюмінієм. З напівпровідників і неметалічних елементів Ge і Si повністю розчинні в рідкому стані [18]. Si, Ge, Sn, Zn, Be, Ga, Hg утворюють з алюмінієм прості системи евтектичного типу [18]. Cd, In, Ta, Rb, Bi, Na і K мають обмежену розчинність в рідкому алюмінії в широкому температурному інтервалі вище за температуру плавлення і утворюють прості монотектичні системи. В подвійних системах з вказаними вище елементами алюміній не утворює інтерметалічних з'єднань.

Решта металевих елементів, включаючи лантоноіди і актиніди, обмежено розчинні в рідкому алюмінії і утворюють складніші подвійні системи з одним або декількома інтерметаілчними сполуками. Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta і W утворюють тверді розчини по перитектичній реакції з малою граничною розчинністю елемента в твердому розчині на основі алюмінію і інтерметалічні сполуки з алюмінієм.

Сполуки алюмінію з перехідними металами часто проявляють метастабільність [8], внаслідок чого одна фаза, що утворюється при швидкому твердінні, переходить в іншу в твердому стані, або має місце виділення метастабільних фаз з пересиченого твердого розчину. Такі ефекти є причиною складної структури сплавів.

Разом з інтерметалічними сполуками, на структуру і властивості сплавів впливають елементи, що утворюють тверді розчини на основі алюмінію. Найбільшу розчинність має цинк (66.4% ат). Срібло, магній і літій розчиняються в кількості більш 10% ат. Окрім олова, максимальна розчинність елементів досягається при температурі евтектичної, перитектичної та монотектичної рівноваг в подвійних системах. При зниженні температури розчинність зменшується.

Домішки при кімнатній температурі впливають на параметр решіток і щільність твердого розчину [8], Ge, Be, Mg, Li і ін. збільшують параметр і, відповідно, знижують щільність. Si, Ti, Cr, Zn, Mn, Fe, Cu і ін. підвищують щільність і зменшують параметр. Срібло не впливає на період решітки [19]. При розчиненні в алюмінії біля 1% ат. кремнію період решітки зменшується на 0.06%.

Кремній — елемент IVB підгрупи. Його атомний номер 14, електронна конфігурація 1s²2s²2p⁶3s²3p².

При кімнатній температурі має гранецентровану кубічну решітку типу алмазу просторової групи Fm3m з координаційним числом к=4 з ковалентною sp3 - гібридним тетраедричним зв'язком, направленим по <111> з кутом 109 ^о 28', параметр решіток кремнію при температурі Т = 293 К — а = 0,54307 нм.

Характерною для кремнію є істотна зміна щільності при переході тверда фаза  рідина 1 - 23, що проходить за типом напівпровідник - метал, при якому відбувається руйнування просторової системи гомеополярних sp³ - гібридних зв'язків, відрив 4-х валентних електронів і перехід їх у вільний стан, істотну зміну ближнього порядку і характеру коливального спектру атомів 24- 25. Як і у інших матеріалів, плавких по типу напівпровідник-метал, температура плавлення кремнію при підвищенні тиску знижується [21]. Таким чином, фазове перетворення 1-го роду (тверда фаза – рідина) в кремнії протікає із зміною типу зв'язку і кількості вільних електронів.

Вказівка на поліморфізм кремнію зустрічається в роботах [26 - 31]. На підставі результатів досліджень електроопору кристалічного кремнію при атмосферному тиску було зроблено припущення про наявність у нього 2-х точок поліморфного перетворення, при 210-217 ^оС і 435-440 ^оС [27] . Є вказівка на існування високотемпературної гексагональної модифікації [26].

Домішки в напівпровідниковому кремнії утворюють як тверді розчини заміщення і впровадження, так і суперпозиції твердих розчинів, в яких домішкові атоми знаходяться і у вузлах кристалічних решіток кремнію і в пустотах. Це характерно перш за все для алюмінію.

Алюміній відрізняють низька щільність, високі тепло-і електропровідність, хороша корозійна стійкість в багатьох середовищах за рахунок утворення на поверхні металу щільною оксидної плівки Аl₂0₃. Технічний відпалений алюміній АДМ зміцнюється холодною пластичною деформацією.

Алюміній високопластичний і легко обробляється тиском, однак при обробці різанням виникають ускладнення, однією з причин яких є налипання металу на інструмент.

Залежно від того, які домішки присутні в алюмінії, спостерігаються зміни його корозійних, фізичних, механічних і технологічних властивостей. Більшість домішок негативно позначаються на електропровідності алюмінію. Найбільш поширені домішки: залізо, кремній. Залізо, поряд з електропровідністю, знижує пластичність і корозійну стійкість, підвищує міцність властивості алюмінію. Присутність заліза в сплавах алюмінію з кремнієм і магнієм негативно позначається на властивостях сплаву. Тільки в тих сплавах алюмінію, де присутня нікель, залізо вважається корисною домішкою.

Найбільш поширена домішка в алюмінієвих сплавах - кремній. Цей метал, а також мідь, магній, цинк, марганець, нікель і хром вводять в алюмінієві сплави як основні компоненти. Сполуки CuAl₂, Mg₂Si, CuMgAl₂-ефективно зміцнюють алюмінієві сплави.

Основні легуючі елементи в алюмінієвих сплавах. Марганець підвищує корозійну стійкість. Кремній є основним легуючим елементом у ряді ливарних алюмінієвих сплавів (силумінів), оскільки він бере участь в утворенні евтектики.

Ni, Ti, Сг, Fе підвищують жароміцність сплавів, гальмуючи процеси дифузії і утворюючи стабільні складнолеговані зміцнюючі фази. Магній і марганець знижують тепло-і електропровідність алюмінію, а залізо - його корозійну стійкість.