Химический состав дуралюминов

Марка сплава	Си	Mg	Мп	примесей, не более
				Fe	Si
Д18	2,2-3,0	0,2-0,5	-	0,5	0,5 0,2Mn
В65	3,9-4,5	0,15-0,3	0,3-0,5	0,2	0,25
Д1	3,8-4,8	0,4-0,8	0,4-0,8	0,7	0,7
Д1П	3,8-4,5	0,4-0,8	0,4-0,8	0,5	0,5
Д16	3,8-4,9	1,2-1,8	0,3-0,9	0,5	0,5
Д16П	3,8-4,5	1,2-1,6	0,3-0,7	0,5	0,5
Д19	3,8-4,3	1,7-2,3	0,5-1,0	0,5	0,5
Д19П	3,2-3,7	2,1-2,6	0,5-0,8	0,3	0,3
ВАД-1	3,8-4,5	2,3-2,7	0,35-0,8	0,3	0,2
Сплавы Д19, Д19П и ВАД-1 содержат 0,()002-0,005%Ве, а ВАД-1 - еще 0.03-0,01% Ti и 0,07-0,2% Zr.

таблица 13

Химический состав (%, остальное - Al) литейных алюминиевых сплавов

Химический состав и свойства спеченных твердых сплавов (ГОСТ 882-74)

(ГОСТ 2685-65)

Марка сплава	Si	Mg	Сu	Мn	Ti	прочие
АЛ1	0,7	1,25-1,75	3,75-4,5	-	-	1,75-2,25 Ni
АЛ2	10,0-13,0	-	-	--	-	-
АЛЗ	4,5-5,5	0,35-0,6	1,5-3,0	0,6-0,9	-	-
АЛ4	8,0-10,5	0,17-0,3	-	0,2-0,5
АЛ5	4,5-5,5	0,35-0,6	1-1,5	0,5	-	0,1 5,0 Zr
АЛ6	4,5-6,0	-	2,0-3,0	-	-	-
АЛ7	-	-	4,0-5,0	-	-	-
АЛ8	-	9,5-11,5	-	-	-	-
АЛ9	6,0-8,0	0,2-0,4	-	-	-	-
АЛ 19	-	-	4,5-5,3	0,6-1,0	0.15­ 0,35	-
АЛ20	1,5-2,0	0,7-1,2	3,5-4,5	0,15-0,3	0,05-0,1	0,15-0,25 Cr
АЛ21	0,5	0,8-1,3	4,6-6,0	0,15­ 0,25	-	2,6-3,6Ni 0,1- 0,2Cr
АЛ25	11-13	0,8-1,3	1,5-3,0	0,3-0,6	0,05-0.2	0,8Fe
АЛ26	20-22	0,4-0,7	1,5-2,5	0,4-0,8	0,2	0,1-0,4C'r
АЛ27	-	9,5-11,5	-	-	0,05­ 0,15	0,05-0,27 Zr 0,05-0.15 Be
АЛЗ0	11-13 7,5-	0,8-1,3	0,8-1,5	-	0.05-0,2	0,07Fe
АЛ32	8,5	0,3- 0,5	1,0- 1,5	0,3-0,5	0,1-0,3	-

Группа сплава	Марка сплава	Состав шихты, %				ϭ, кгс/мм2	HRA
		WC	TiC	ТаС	Со	не менее
Вольфрамовая	ВКЗ	97	-	-	3	110	89,5
	ВК4	96	-	-	4	140	89,5
	ВК6	94	-	-	6	150	88,5
	ВК8	92	-	-	8	160	87,5
	ВК10	90	-	-	10	165	87,0
	ВК15	85	-	-	15	180	86,0
	ВК20	80	-	-	20	195	84,0
	ВК25	75	-	-	25	200	82,0
Титано вольфрамовая	ТЗОК4	66	30	-	4	95	92,0
	Т15К6	79	15	-	6	115	90,0
	Т14К8	78	14	-	8	125	89,5
	Т5К10	85	5	-	10	140	88,5
	Т5К12	83	5	-	12	165	87,0
Титано танталовольфрамовая	ТТ7К12	81	4	3	12	165	87,0
	ТТ8К6	84	8	2	6	125	90,5
	ТТ20К9	71	8	12	9	130	89,0

таблица 14

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4 ОБРАБОТКА МЕТАЛЛА ОТЛИВОК (гомогенизация)

Цель работы - разобрать процесс гомогенизации отливок (устранения ликвационной неоднородности).

Рис. 21. Излом 40-т литого стального валка с ликвационными полосами в на­правлении к центру отливки; х1:2

Даже в однофазных сплавах после дендритного затвердевания сохраняется микроликвационная неоднородность.

Этот вид микросегрегации - дендритная ликвация (рис. 21) - может быть умень­шен высокотемпературной термообра­боткой - гомогенизацией.

Влияние гомогенизации на микросег­регацию хорошо характеризуется пара­метром остаточной микроликвации -

(4.1)

δ_I = ⁽C_max ^— C_min⁾ / ⁽C _max ^— C _min^{) ,}

где С_тах - максимальная концентрация растворимых примесей в элементе i (обычно в междендритных пространствах) в момент времени t; С_min - минималь­ная концентрация растворимых примесей в элементе i (обычно в центре денд­ритных ветвей) в момент времени t; С⁰ _тах - максимальная первоначальная кон­центрация растворимых примесей в элементе i; С⁰ _min - минимальная первона­чальная концентрация растворимых примесей в элементе i.

Рассмотрим образование дендритной ликвации. Для упрощения примем, что процессы диффузии выравнивают состав жидкой фазы и что этот состав соот­ветствует равновесию на границе раздела твердый раствор-жидкость. Практи­чески достичь при затвердевании однородности жидкой фазы, как и твердой, невозможно, хотя степень неоднородности жидкой фазы меньше, чем твердой. Однако принятое упрощение не мешает сделать правильные выводы.

Рассмотрим сплав состава х (рис. 22), в котором при T_j начинается выделение кристаллов состава α₁. При охлаждении до Т₂ жидкость изменяет состав от L_j до L₂ и вся твердая фаза при Т₂ имеет состав α₂. Но из-за отсутствия равновесия этот состав имеют только верхние (на границе раздела жидкость-твердый раствор) слои кристаллов. Остальные части кристаллов, образовавшиеся выше Т₂, не изме­

няют своего состава, и средний состав всей твердой фазы соответствует точке а₂'.

Состав а₂' находится между составами aj и а₂. При понижении температуры до Т₃ средний состав твердой фазы еще больше отклоняется от равновесного и соответствует точке а/, а не а₃. В данном случае состав а_з находится только на границе раздела с жидкой фазой.

Рис. 22. Изменение состава а-фазы при кри­сталлизации в условиях ускоренного охлаж­дения (образование ликвации)

Состав а₃’ лежит между a₁ и а₃. При Т₄ затвердевание в условиях равновесия должно было бы закончиться, но в отсутствие равновесия этого не произойдет, так как в сплаве останется еще некоторое количество жидкости, равное (α₄α₄/α₄L) *100͌15, % , где а₄'- средний состав твердого раствора а.

Затвердевание заканчивается при Т₅, когда средний состав твердой фазы а₅' совпадает со средним составом х.

Состав поверхности кристаллов - а₅.

Рис. 23. Микрострцуктура сплава 75% Си + 25%Ni, х100;

а - в литом состоянии (дендритная ликва­ция), б - после гомогенизирующего отжига

Отсюда следует, что состав твердой фазы изменяется от a₁ до α₅, т. е. она в некоторой своей части (a - а₄) обеднена, а в другой части (a₄ - a₅) обогащена компонентом В. Видно также, что образование ликвации со­провождается расширением интервала затвердевания.

Пунктирную линию типа a₁j^r - а₅' часто называют «неравновесный со- лидус». Описанный случай ликвации при совершенной диффузии в жидкой фазе характерен для ограниченной диф­фузии в твердом (неоднородном) растворе. При полном отсутствии в нем диф­фузии неравновесный солидус дошел бы до 100% В (предполагается случай не­ограниченной растворимости в твердом состоянии) и полное затвердевание сплава произошло бы при температуре затвердевания В.

Ликвационную неоднородность твердого раствора можно устранить отжигом

затвердевшего сплава при высокой температуре (рис. 23,6). При отжиге из денд- ритов образовались светлые полиэдрические зерна. Отдельные темные места на микроструктуре указывают на частично сохранившуюся неоднородность состава.

Состав твердой фазы выравнивается диффузией, поскольку ниже температу­ры солидуса равновесным является однофазное состояние. Однако следует быть осторожным в выборе температуры отжига. В рассмотренном примере (рис. 22) быстрый нагрев до Т₅ может привести к началу плавления, так как участки состава а₅ сохранились и могут расплавиться, хотя по диаграмме рав­новесия сплав х должен плавиться при температуре выше Т₄. Температуру от­жига следует плавно повышать от Т₅ до Т₄ по мере прохождения диффузии.

Процесс устранения ликвационной неоднородности и соответствующий от­жиг в практике термической обработки называют гомогенизацией. В тех слу­чаях, когда в сплаве имеются примеси, затрудняющие диффузию, гомогениза­ция, даже очень продолжительная, не приводит к полному устранению денд­ритной ликвации.

До начала процесса гомогенизации показатель остаточной микроликва­ции δ_i = 1; после полной гомогениза­ции δ_i = 0. Величина S_i после опреде­ленной гомогенизирующей термооб­работки зависит от безразмерной группы переменных параметров

■у

D_s*t/l², где D_s - коэффициент диффу-

Рис. 24. Простая модель гомогенизации. а - зии в твердом теле при температуре плитообразные дендритные ветви; б - рас­пределение растворенного компонента в на- ^{гомогенизации элемента} i ^{(здесь при-} правлении, перпендикулярном дендритным

нимается допущение, что температура ^ветвям■ ^{1 - в момент времени 4} = 0, ^{2— в}

момент, времени t.

постоянна), t - продолжительность гомогенизации, l - характеристическое рас­стояние диффузии (величина того же порядка, что и расстояние между денд­ритными ветвями).

Можно легко проследить эту зависимость на очень несложной дендритной

модели. Примем (рис. 24), что дендритные ветви представляют собой простые пластины, а распределение концентрации растворенных компонентов поперек ветвей носит синусоидальный характер (с максимумом в междендритных об­ластях и минимумом по центру дендритных ветвей).

Тогда первоначальное распределение концентрации растворенных компонен-

С⁰ — С л x

тов (С) определяется по следующей формуле - = sin — (4.2)

^Cmax ^—C 0 ^0

где С° - концентрация в точке х в момент времени t = 0; С₀ - средняя концентра­ция компонента в сплаве; l₀ - половина расстояния между дендритными ветвями.

Для того чтобы определить, как изменяется распределение концентраций во времени, применяется второй закон Фика, и в результате получается выражение

2 Ds *t

С⁰ _— С _{л x} ~^{л (}}

- С—^ = sin—е ⁷о (4.3)

СОах —C 0 1

при условии, что при х = (1₀/2)*С = C_max. Подставляя эти значения в уравнение

2 / D*t,

^{—Л (} /2 ^

(4.1), получаем - S-= е ⁰ (4.4)

Рис. 25. Гомогенизация низколегированной стали при термообработке стали в тече­ние 1 ч при различных температурах; рас­стояние между дендритными ветвями 50 мкм (а) и 400 мкм (б)

Уравнение (4.4) используется для приблизительной оценки необходимой продолжительности и температуры гомогенизирующей термообработки конкретной литой структуры (рис. 25).

Более точная оценка этих парамет­ров возможна при знании первона­чальных геометрии дендритов и рас­пределения растворенных примесей.

Г омогенизирующая термообработка сталей обычно проводится при темпе­ратурах ниже 1100° С и поэтому при­водит лишь к незначительному уменьшению сегрегации всех раство­ренных элементов, за исключением

углерода. Но в литейном цехе, выпускающем высококачественные отливки, применение вакуумных печей для термической обработки позволяет достигать температур выше 1350° С. Если расстояние между дендритными ветвями не очень велико, то увеличение длительности термообработки позволяет сущест­венно улучшить качество отливок.

Явление ликвации используется в технике. Так, никельмедные сплавы с лик- вационной неоднородностью имеют не строго определенную точку Кюри, а температурный интервал, внутри которого намагниченность плавно уменьша­ется до нуля. Это свойство используют в приборостроении.

Рис. 26. Схема направленной кристаллизации (g - длина затвердевшей части)

Рис. 27. Диаграмма равновесия с постоянным коэффициентом распределения

Самым важным практическим применением ликвации является получение чистых металлов и полупроводников путем направленной кристаллизации и зонной плавки.

Рассмотрим направленную кри­сталлизацию. Представим себе жид­кий сплав из двух компонентов, обра­зующих твердый раствор, помещен­ный в горизонтальную трубу, которая охлаждается с левого конца (рис. 26).

Стрелка на этом рисунке показывает направление, по которому перемещается фронт кристаллизации. На рис. 27 приведена диаграмма равновесия, на которой для простоты принято, что линии ликвидуса и солидуса прямые.

Возьмем сплав с содержанием с_в компонента В. На рис. 27 видно, что в усло­виях равновесия содержание В в первом выпавшем кристалле должно равняться k_co, а в последней капле затвердевающей жидкости - с/k. Если В понижает тем­пературу плавления (как в рассматриваемом случае), то коэффициент распреде­ления k< 1. Если В повышает температуру плавления (линии ликвидуса и соли­дуса идут кверху), то k > 1.

В неравновесных условиях при направленной кристаллизации содержание В в твердом растворе изменяется вдоль затвердевающего стержня соответственно теоретически выведенному уравнению - с = k c₀ (1 - g)^к-1 (4.5)

где g - доля длины (или объема) затвердевшего сплава.

При выводе уравнения принято, что в жидком сплаве состав выравнивается соответственно диаграмме равновесия, а в твердом состоянии диффузия полно­стью отсутствует.

На рис. 28 показана зависимость с от g (принято с₀=1) для k < 1. Кривые пересекают горизонталь с=1, т.е., в ле­вой части затвердевшего стержня со­держание В меньше с₀, а в правой зна­чимо больше. Особенно круто подни­маются кривые в интервале значений g _͌ 0,9 - 1,0¹.

Если отрезать часть затвердевшего стержня справа (10 %), а остаток (90

%^{) расплавить}, ^{то в жидкости перво-} Рис. 28. Изменение состава по длине затвердевшего стержня при различных значе­ниях к

Многократно повторяя направлен­ную кристаллизацию и отрезая правую часть затвердевшего стержня, можно получить металл А высокой чистоты, освободив его от примеси В, которая сконцентрируется в отрезанных частях.

Зонная плавка заключается в расплавлении и затвердевании узкой зоны твердого стержня, вдоль которого эта зона перемещается. Представим себе

химически однородный стержень ме­талла А с примесью металла В в твер- Рис• 29. Схема кристаллизации при зонной

плавке

дом растворе. Такой однородный

стержень может быть получен при очень быстром затвердевании расплава или путем измельчения обычного слитка в порошок и его спекания.

На рис. 29 изображен пруток², внутри которого находится расплавленная зона

длиной l, расплавленная и уже затвердевшая часть длиной х и исходная твердая часть (справа). Расплавленная зона перемещается слева направо, по стрелке. Та­кое перемещение можно получить, двигая в этом направлении индуктор высоко­частотной печи длиной l, внутри которого происходит плавление.

При перемещении расплавленной зоны на величину Δх часть ее такой же длины затвердевает (слева) и на такой же длине исходного стержня происходит плавление (справа). В соответствии с диаграммой равновесия (рис. 82) в первый момент при х = 0 образуется твердый раствор, содержащий kc₀ компонента В. Эта величина меньше с₀ так как k << 1. Обеднение твердого раствора приведет к обогащению жидкости компонентом В.

Обогащение жидкости будет продолжаться в течение всего времени переме­щения расплавленной зоны. Оно прекратится, когда содержание компонента В в жидкости достигнет величины c_o/k. К этому моменту между исходным твер­дым раствором (с₀ на кривой солидус) и жидкостью (c₀/k на кривой ликвидуса) устанавливается равновесие - концентрация компонента В в твердом растворе, выходящем из жидкой зоны слева и входящем (из твердой загрузки) в нее спра­ва, одинакова. При перемещении зоны до конца образца состав затвердевающе­го раствора не изменяется. Только оставшаяся на длине l жидкость затвердевает так, как описано выше, - путем направленной кристаллизации.

На рис. 67 показано распределение компонента В по длине стержня после од­нократного прохода зоны. Слева находится область, обедненная компонентом В, справа - узкая область резкого обогащения. Кривая (кроме последней облас­ти) теоретически описывается уравнением - с/с₀ = 1 - (1 - k)e^-kx/l

При малом k неоднородность распределения возрастает. Если многократно (до 15 раз) повторить зонную плавку в одном и том же направлении, можно почти весь компонент В переместить в правую часть стержня, а в левой его части полу­чить очень чистый металл А.

Многократным попеременным перемещением зоны справа налево и слева направо можно добиться высокой однородности твердого раствора (состава с₀) в средней части стержня.

Направленную кристаллизацию и зонную плавку можно осуществить только в таких условиях теплоотвода, при которых поддерживается плоский фронт крис-

таллизации. Дендриты не должны расти, так как их ветвление, приводя к попе­речной ликвации, нарушают распределение примесных атомов (рис. 30, 31).

Рис. 30. Концентрация примеси С до (штриховая линия) и после одного прохода расплавленной зоны

Задание

1. Оценить необходимую продолжитель­ность и температуры гомогенизирую­щей термообработки литой структуры сплава (согласно задания) для трех зон кристаллизации.

2. 

   0 50 100 150

   Рис. 31. Изменение расстояния между денд­ритными ветвями d в зависимости от уда­ления от захолаживающей стенки формы l

   Построить соответствующие зависи­мости (4.4) для δ_i (например, с помощью Microsoft Excel, стр. 45). Принимается, что зависимость между расстояниями между дендритными ветвями и удалением от захолаживающей стенки формы описывается линейной зависимостью - (рис. 31)

d (м) =2,71*10^-20 + 0,003* h (м).

Отчет оформляется в произвольной форме и должен содержать:

• цель работы;

• графические зависимости изменения δ_i и D от температуры;

• объяснение полученных расчетов продолжительности и температуры гомогенизи­рующей термообработки литой структуры сплава и предложения по параметрам термообработки для полной гомогенизации;

• примеры практического использования исследуемой стали.

Вопросы

Разобрать смысл слов и выражений - геометрия дендритов, гомогенизирую­щая термообработка, дендритная ликвация, законы Фика, зонная плавка, ликвацион- ная неоднородность, металл высокой чистоты, микросегрегация, направленная кри­сталлизация, неравновесные условия, никельмедные сплавы, однородность жидкой фазы, однофазный сплав, параметр остаточной микроликвации, процессы диффузии выравнивают состав жидкой фазы, равновесное состояние структуры, распределе­ние концентрации растворенных компонентов, твердый раствор, температура отжига, термообработка, точка Кюри,

Варианты заданий для оценки продолжительности и температуры гомогенизирующей термообработки

сталь	толщина затвердевшего металла, мм
	15	35	50	70	85	100	115	135
10Х2М	1	5	9	13	17	21	25	29
10Х18Н10Т	2	6	10	14	18	22	26	30
0Х16Н15М3Б	3	7	11	15	19	23	27	31
Р9	4	8	12	16	20	24	28	32

δi = exp (-π²* (D*t / I_o²) — параметр остаточной микроликвации

• Время термообработки t₁ = 1 час; t₂ = 3 часа

• l_o - половина расстояния между дендритными ветвями

• Изменение расстояния между дендритными ветвями в зави­симости от удаления от захолаживающей стенки формы (тол­щины затвердевшего металла) -

d (м) =2,71 *10^-20 + 0,003* h (м);

Сталь 10Х2М, диффундирующий элемент - С

T,K	723	773	823	873	973	1073	1173
D	2,50*10-15	1,04*10-14	7,50*10-14	8,90*10-13	2,8*10-12	4,37*10-12	5,69*10-12

Сталь 10X18H10T, диффундирующий элемент - Mn

T,K	1160	1215	1270	1320	1373	1423	1493
D	2,00*10-17	1,85*10-16	7,37*10-16	1,75*10-15	3,38*10-15	1,10*10-14	2,09*10-14

Сталь 0Х16Н15М3Б, диффундирующий элемент - Со

T,K	1278	1318	1353	1418	1523	1693	1753
D	2,43*10-16	4,20*10-16	3,3*10-16	1,82*10-15	1,06*10-14	2,76*10-14	3,95*10-14

Сталь Р9, диффундирующий элемент - W

T,K	1168	1228	1288	1348	1408	1468	1528
D	5,00*10-16	1,65*10-15	3,09*10-15	4,85*10-15	6,20*10-15	8,05*10-15	1,00*10-14

1. Построить графические зависимости изменения δ и D от температуры.

2. Предложить и обосновать параметры термообработки для полной го­могенизации.

3. Привести примеры практического использования исследуемой стали.

Рекомендуемая литература

Основная литература

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990, 495 с..

2. Материаловедение / Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г. и др./ М., МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005, 646 с.

3. Фетисов Г.П., Карпман М.Г., Матюнин В.М. и др. Материаловедение и технология металлов: Учебник для студентов машиностроительных спец. Вузов / Под ред. Г.П. Фетисова. - М.: Высшая школа, 2001.

4. Технология конструкционных материалов /Арутюнова И.А., Дальский А.М., Бар­сукова Т.М. и др.: Под общ. ред А.М. Дальского. - М.. Машиностроение, 2003.

5. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений, М., Физматгиз, 1973, 576 с

Дополнительная литература

1. Журавлев В.Н., Никонова О.И. Машиностроительные стали: Справочник. - М.: Машиностроение, 1981.

2. Дорфман B.C., Летгфорд Н.И. и др. Современные материалы в автомобилестроении: Справочник. - М.: Машиностроение, 1977

3. Технология машиностроения: Сборник задач и упражнений: Учеб. пособие / В.И. Аверченков и др. Под общ. ред. В.И. Аверченкова и Е.А. Польского. - 2-е изд., пе- рераб. и доп. М.: ИНФРА-М, 2005. - 288 с. (Высшее образование)

4. Еремин, Сафронов, Схиртладзе. Харламов Обеспечение безопасности в машино­строении, М., Машиностроение, 2002 г

5. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки данных, Москва, Наука, 1968, 288 с.

1 На рис. 28 участки кривых в этом интервале не показаны. Их легко себе предста­вить как продолжение нанесенных кривых. Уравнение (4.5) точно описывает форму

кривых до g^0,9

2Пруток помещают в цилиндре из огнеупорного материала, не взаимодействующего с расплавом.