Загальні відомості про силуміни.
Ливарні алюмінієві сплави широко застосовуються для фасонного лиття. Найбільше поширення в промисловості одержали силуміни - сплави алюмінію з 5-22% Бі. Силуміни являють собою сплави до- і заевтектичного типу з невисокою температурою плавлення. Кремній з алюмінієм утворює порівняно некрихку евтектику з досить високими механічними властивостями. Наявність евтектики в цих сплавах забезпечує їм високу рідинотекучість, гарну заповнюваність форми, відносно малу усадку і збільшує опір сплаву усадочним напругам при затвердінні. Силуміни добре зварюються і мають високу корозійну стійкість.
Силуміни підрозділяють на подвійні (чи прості), леговані тільки кремнієм, і спеціальні, у яких, крім кремнію містяться в невеликій кількості інші легуючі компоненти (М& Си, Ми, N0.
Силуміни відносяться до числа евтектичних чи до евтектичних сплавів.
Структура силумінів являє собою евтектику а+(3+8і[АК12(АЛ2)] або первинні кристали а+евтектика а+[3+5і| АК9ч(АЛ4), АК7ч(АЛ9), АК5М(АЛ5)] (рис. 1.4.1).
Рис.
1.4.1 Діаграма стану А1-Бі
Кремній має змінну розчинність в алюмінії, що зростає від 0,1% при кімнатній температурі до 1,65 при евтектичній температурі (577 °С). Тому нагріванням АІ-Бі сплавів до температури, близької до евтектичної, і швидким охолодженням, можна одержати пересичений твердий розчин кремнію в алюмінії, що при наступному старінні розпадається з виділенням дисперсних часток кремнію. Зміцнюючий ефект, зв'язаний з такою обробкою, украй малий і не має практичного значення. Таким чином, подвійні (прості) силуміни відносяться до числа сплавів, які термічно не зміцнюються, що володіють невисокими характеристиками міцності. Підвищити міцність і пластичність силумінів можна, змінюючи їх структуру; одержуючи більш тонко диференційовану структуру евтектики а-А1-Р-8і. Досягти цього можна двома шляхами: збільшенням швидкості охолодження при кристалізації та введенням у сплави малих добавок (соті частки відсотка) лужних металів (натрію, літію, стронцію й ін.).
Перший шлях дає гарні результати для тонкостінних деталей, що можуть бути відлиті в металевий кокіль чи методом лиття під тиском. Другий шлях - модифікування структури силумінів малими добавками - більш ефективний. Модифікуванням структури називають зміну, поліпшення структури при введенні малих добавок у результаті впливу цих добавок на величину і форму евтектичних кристалів.
Спеціальні силуміни, що містять магній, мідь піддають загартуванню і штучному старінню. Зміцнення спеціальних силумінів при термічній обробці забезпечує їх значно більш високу міцність, особливо при зниженій пластичності в порівнянні з простим силуміном.
Силуміни відрізняються малою щільністю, тому що в їхній склад входить кремній, більш легкий елемент, чим алюміній: щільність евтектичного силуміну АК12 (АЛ2) складає 2,66 г/см\ Сплави системи Ак8і характеризуються високою корозійною стійкістю, марганець і магній додатково підвищують її. Мідь різко знижує корозійну стійкість.
Евтектичний силумін АК12 (АЛ2) має досить низькі характеристики міцності, але високу пластичність. Сплав рекомендується для виготовлення герметичних деталей, тому що у виливках не утвориться усадочна шпаристість через малий інтервал кристалізації. Але утворення великих усадочних раковин викликає труднощі під час відливання великогабаритних деталей складної конфігурації.
Більш міцним силуміном є сплав АК9ч (АЛ4), що зміцнюється термічною обробкою. При деякім зниженні вмісту Б і у сплаві АК9ч (АЛ4) у порівнянні з АК12(АЛ2) досягається сприятливе сполучення ливарних властивостей: відносно мала усадочна шпаристість і значно менша концентрована усадочна раковина.
Високоміцний сплав АК5М (АЛ5) відрізняється зниженою корозійною стійкістю через присутність у ньому міді. Мідь, приводячи до утворення складної інтерметалідної фази обумовлює поліпшення механічних властивостей сплаву при підвищених температурах.
Сплав АК8Л (АЛ34), що відноситься як і сплави АК9ч (АЛ4) і АК7ч (АЛ9) до системи А1-8і-М§, перевершує їх по міцності, має гарні ливарні властивості і відрізняється високою герметичністю. Сплав призначений для лиття великогабаритних корпусних виробів складної конфігурації, що працюють під великим внутрішнім тиском.
Високолеговані заевтектичні силуміни АК12М2МгН (АЛ25) і АК21М2,5Н2,5 відносяться до групи поршневих сплавів (застосовуються тільки для виливки поршнів двигунів внутрішнього згорання). Ці сплави, призначені для роботи при підвищених температурах (250-270°С), відрізняються високою жароміцністю і низьким коефіцієнтом термічного розширення [3].
Властивості силумінів.
Як і будь-які інші матеріали, силуміну характеризуються комплексом різних експлуатаційних і технологічних властивостей, які визначають область застосування конкретних марочних сплавів. Найбільш важливими серед них є механічні і ливарні властивості.
Механічні властивості
Основними механічними властивостями всіх стандартних ливарних алюмінієвих сплавів є тимчасовий опір, відносне подовження і твердість.
Механічні властивості силумінів, як подвійних, так і багатокомпонентних, в першу чергу залежать від характеристик мікроструктури. При цьому в доевтектичних силумінах основний вплив на міцність і пластичність надає морфологія кремнієвих кристалів в евтектиці. Чим вони дисперсні і компактніше, тим вище виходять властивості при розтягуванні [4,5]. Цей добре відомий ефект широко використовується на практиці, коли за рахунок модифікування натрієм і стронцієм домагаються більш дисперсної структури всередині евтектичних колоній в силумінах.
У багатокомпонентних промислових силумінах крім морфології евтектичного кремнію важливу роль у формуванні механічних властивостей грають кількість і морфологія інших фаз кристалізаційного походження, особливо залізовмісних. Як і у випадку з евтектичним кремнієм, диспергування і збільшення компактності частин цих фаз за рахунок прискорення кристалізації і модифікування забезпечує підвищення характеристик міцності і пластичності при розтягуванні. Найбільш сильний вплив на мікроструктуру надає вміст кремнію, магнію, міді та заліза.
Вплив кремнію загальновідомо [6, 5] : зі збільшенням його концентрації зростає об'ємна частка евтектики (А І) + (Б і), що супроводжується підвищенням ливарних властивостей, міцності і зниженням пластичності. Вплив міді і магнію пов'язано одночасно зі зміною декількох структурних факторів: чим їх більше в силумінах, тим вище легованої алюмінієвого розчину, більше кількість додаткових надлишкових фаз кристалізаційного походження і вторинних їх виділень, грубіше структура кремнієвої евтектики. Ці легуючі елементи, будучи основними упрочнителями силумінів, роблять негативний вплив на їх показники пластичності як в литому стані, так і після термічної обробки. При цьому ступінь легуванні алюмінієвого твердого розчину, особливо при малих концентраціях міді (до 1-2%) і магнію (до 0,2-0,3%), очевидно, є більш суттєвими факторами в порівнянні з надлишковими фазами, утворюються при кристалізації. Вплив магнію (насамперед у кількості до -0,6%) в станах ТІ, Т5 і Т6 сильніше в порівнянні з міддю (при однаковій кількості). З іншого боку, в литому стані мідь вносить більший внесок в зміцнення.
Тріїциностійкість характеризує здатність матеріалу чинити опір розвитку тріщини. В'язкість руйнування, оцінювана найчастіше через критичний коефіцієнт інтенсивності напружень при плоскої деформації К]с, визначає рівень напружень на деякій відстані від фронту тріщини, при якому починається її швидкий закритичний розвиток [7]. У випробуваннях на К|С використовують зразки з надрізом і втомної тріщиною, які руйнуються за схемами вигину або позацентрального розтягування.
Значення К)С ливарних алюмінієвих сплавів коливаються в діапазоні від 7-8 до 50 МПамІ/2. Як завжди, максимальною в'язкістю володіють високо пластичні, в умовах статичного розтягування, сплави (з відносним подовженням більше 10-15%), а мінімальної - крихкі (з подовженням менше 1%). При проміжної пластичності, яка характерна для більшості ливарних алюмінієвих сплавів, в'язкість руйнування пов'язана з нею неоднозначно, оскільки залежить також від міцнісних характеристик.
Численні спроби встановити кореляційні зв'язки в'язкості руйнування з сукупністю механічних властивостей гладких зразків поки не дали позитивних результатів, загальних для сплавів з різним типом структури. Знайдені ж залежності носять приватний характер. Відомо, що для більшості деформованих алюмінієвих сплавів, а також багатьох сталей і титанових сплавів в'язкість руйнування знижується зі збільшенням межі текучості. Однак для промислових силумінів з великою об'ємною часткою надлишкових фаз і відповідно низькою пластичністю ця залежність часто надаються прямо протилежною. У цих сплавах підвищення міцності при мало що змінюється пластичності сприяє зростанню тріщиностійкості.
У більшості випадків легування відбивається на тріщиностійкості через зміну структури - розміру і форми зерна, параметрів дислокаційної структури, кількості і розмірів виділень надлишкових фаз і т. д. Ще більш значно позначаються на структурних параметрах режими обробки: умови кристалізації, режими термообробки.
Порівняння значень в'язкості руйнування деяких промислових силумінів, отриманих при двох швидкостях охолодження, показує, що при литті в кокіль більш чистим (перш за все по залізу) модифікаціям відповідають більш високі значення КІС. З іншого боку, при уповільненій кристалізації (лиття в землю), коли кремнієві частинки мають грубу форму, в'язкість руйнування сильно знижується. При цьому вплив домішок порівняно мало. З цього виходить, що роль залізистих фаз па тлі грубих частинок (Бі) з точки зору в'язкості руйнування невелика.
Характеристики втоми виливків з алюмінієвих сплавів в цілому помітно нижче, ніж у деформованих напівфабрикатів. Це обумовлено наявністю ливарних дефектів (пір, великих інтерметаллідних частинок кристалізаційного походження в виливках).[8]