6.3.3. Ливарні алюмінієві сплави

Евтектичні сплави мають гарні ливарні властивості – високу рідкотекучість, невелику усадку, малу здатність до утворення гарячих тріщин та зональної ліквації, високу герметичність. Ливарні алюмінієві сплави маркуються літерами АЛ (алюмінієвий ливарний) та цифрами (умовний номер), наприклад, АЛ2, АЛ17, АЛ29.

Найкращими ливарними властивостями відзначаються силуміни – сплави системи Аl-Si. Використовуються як подвійні, так і леговані силуміни. Для їх легування використовують магній, мідь, марганець, інколи – титан, нікель, цирконій, хром. Утворюючи тверді розчини з алюмінієм, легуючі елементи підвищують міцність та твердість силумінів. У легованих силумінах утворюються фази Мg₂Sі, СиА1₂, А1₂Ті та інші.

Відливки із подвійних силумінів відпалюють для зняття напруг. Підвищення механічних властивостей цих сплавів досягається їх модифікуванням (сплав АЛ2). У сплавах без модифікування в структурі присутні кристали крихкого кремнію, що знижує міцність та пластичність. Введенням модифікатора – натрію (біля 0,06%, як правило, вводиться у вигляді хлористих та фтористих солей) евтектична концентрація зміщується з 11,6 % до 14 %Sі, тому замість -фази (кремній) при кристалізації утворюються пластичні кристали -фази (рис. 6.2).

а) б)

Рисунок 6.2 – Микроструктуры силумина (х200):

а) – немодифікований силумін; б) – модифікований силумін.

Підвищення міцності та пластичності пов'язано із подрібненням евтектики при модифікуванні. Наприклад, за рахунок модифікування сплаву АЛ2 міцність зростає від 130 до 200 МПа, межа плинності – від 20 до 80 МПа, відносне видовження – з 2 до 7 %. Діаграма стану Аl-Si зображена на рис. 6.3.

Для легованих силумінів окрім модифікування для зміцнення сплавів застосовують і термічну обробку (гартування та старіння). Фази, що зміцнюють сплави: Мg₂Sі, СиАl₂, Аl₂СиМg, Аl₃ Мg₂ тощо.

Силуміни використовують для одержання відливок деталей із застосуванням литва під тиском, в землю чи кокіль (деталі карбюраторів, приладів, толоки, корпуси та деталі двигунів, компресорів тощо).

Рисунок 6.3 – Діаграма стану Аl-Si

(штрихові лінії – для сплавів після модифікування)

6.3.4. Термічна обробка алюмінієвих сплавів

На прикладі сплавів системи Аl-Си розберемо процеси, які проходять при термічній обробці алюмінієвих сплавів складу 0,5 < Сu < 5,6 % при гартуванні та старінні (рис. 6.4).

а) б) в)

Рисунок 6.4 – Мікроструктури дюралюміну (х250):

а) після відпалу; б) після гартування від 530⁰С;

в) після гартування та штучного старіння від 250⁰С.

Світле поле в дюралюміну – α-твердий розчин міді в алюмінії, включення – хімічне з’єднання CuAl₂ (рис. 6.4, а). При нагріванні включення CuAl₂ (рис.6.4, б) розчинились в алюмінії і швидким охолодженням в воді зафіксований пересичений α-твердий розчин. Видно зерна пересиченого α-твердого розчину.

На рис. 6.4, в світле поле – α-твердий розчин, включення – хімічне з’єднання CuAl₂. Включення CuAl₂ виділились з α-твердого розчину в процесі штучного старіння.

При нагріванні сплаву до однофазної -області проходить розчинення фази  (СuАl₂) в -фазі.

Гартування сплавів системи Аl-Си призводить до утворення перенасиченого -твердого розчину, який є нестійким.

1. Сутність процесів старіння полягає в тому, що при довгій витримці при кімнатній температурі (природне старіння) або при низькотемпературному (нижче 150 °С) нагріванні (штучне старіння) атоми міді дифузійно накопичуються в неупорядковані пластинчасті утворення діаметром 30...60 А⁰ (3-6 нм) та товщиною 1...2 атомні шари – 5...10 А⁰ (0,5...1 нм), що мають назву зони Гіньє-Престона (зона ГП-1).

2. При довготривалому старінні або підвищеній температурі зони ГП-1 збільшуються до діаметра 200...300 А⁰ (20...30 нм) і товщини 10...40 А⁰ (1...4 нм). Проходить їх збагачення міддю до складу хімічної сполуки  - фази (СuАl₂) та упорядкування взаємного розташування атомів Сu і А1 у решітці. Такі зони названі ГП-2 (іноді зони ГП-2 називають ′′-фазою).

3. Далі проходить виділення з твердого розчину проміжної фази ′′, яка за складом відповідає  (СuАl₂)-фазі, але має свою решітку, когерентно з'єднану з граткою -фази. Ця стадія є початком розпаду твердого розчину.

4. Утворення стабільної фази  (СuАl₂) і порушення когерентності решітки ( + ) - фаз.

5. Коагуляція часток  - фази.

Таким чином, під час природного старіння утворюються лише зони ГП-1. Під час штучного старіння послідовність структурних змін можна подати за схемою:

ГП-1→ θ′′ (ГП-2) → θ′ → θ (СuAl₂)

Четверта і п’ята стадія спостерігається лише при відпалі (нагріванні до 300…400 °С). Утворення  (СuAl₂) – фази призводить до зменшення міцності. Цей процес називається перестарювання.