книги из ГПНТБ / Постников Н.С. Прогрессивные методы плавки и литья алюминиевых сплавов

с природной склонностью их к длительному естественно­ му старению и образованию трещин при эксплуатации изделий.

Достоинства и недостатки сплавов системы AI—Mg связаны главным образом с высокой растворимостью магния в алюминии, поэтому изучению влияния магния на механические, технологические свойства, естествен­ ное старение и другие характеристики посвящено значи­ тельное количество исследований.

11 представлено изменение жидкотекучести алюминиевомагниевых сплавов в зависимости от состава. Ход кривых показывает, что с увеличением содержания маг­ ния от 8 до 12% жидкотекучесть также увеличивается. Модифицирование сплавов малыми добавками еще бо­ лее увеличивает жидкотекучесть, что, по-видимому, обусловливается уменьшением «эффективного интервала кр исталліиз ации».

Измельчение дендритов способствует увеличению вре­ мени существования жидкоподвижного состояния кри­ сталлизующегося сплава. Особенно высокую жидкоте­ кучесть обеспечивает модифицирование сплавов при по­ мощи фторцирконата калия.

Добавка второго модификатора: тантала, молибдена, ниобия или титана несколько уменьшает жидкотекучесть по сравнению с жидкотекучестью сплавов, модифициро­ ванных только цирконием. По-видимому, в этом случае имеет значение ускорение процесса кристаллизации вследствие образования очень большого числа центров кристаллизации.

53

Склонность алюминиевомагниевых сплавов к образо­ ванию трещин при затвердевании оценивалась по шири­ не кольца, на котором обнаруживалась трещина (стан­ дартная проба). На рис. 12 приведены кривые, показы­ вающие, что с увеличением содержания магния от 8 до

12% склонность к образованию трещин изменяется мало. Модифицирование сплавов малыми добавками цир­ кония, молибдена, тантала (в сплаве АЛ8), титана и бериллия (в сплаве АЛ27-1) уменьшает склонность к трещинообразованию.

Как известно, причиной горячих трещин являются усадочные напряжения. Эти напряжения в эффективном интервале кристаллизации, когда образовавшийся кар­ кас непрочен и малопластичен, приводят к его растрес­ киванию.

Вследствие малого количества в сплавах эвтектики залечивание трещин маловероятно.

54

При кристаллизации модифицированных сплавов каркас образуется при относительно большем количест­ ве твердой фазы, он значительно прочнее и пластичнее вследствие малых размеров дендритов. По-видимому, этим обусловлено понижение склонности алюминиевомагниевых сплавов к образованию трещин при кристаллиза­ ции.

Основной причиной газовой пористости в отливках из алюминиевых сплавов является водород. Алюминиевомагниевые сплавы особенно предрасположены к образо­

тан вносят .некоторое количество водорода в расплав. Уменьшение содержания водорода в результате моди­ фицирования сплавов замедляет развитие газовой по­ ристости и обеспечивает получение практически плотных отливок.

Алюминиевомагшіевые сплавы характеризуются по­ вышенной окисляемостыо по сравнению с другими ли-

55

темными алюминиевыми сплавами. Этим вызвана необ­ ходимость плавки сплавов под покровом флюса и защи­ ты литых изделий при термообработке.

Был исследован [31] механизм и кинетика окисления алюминиевомагнневых сплавов в зависимости от содер­ жания магния и модифицирования. Для оценки кинети­ ки окисления сплавов устанавливались временные и температурные законы окисления.

Полученные кривые, характеризующие кинетику окисления алюминиевомагнневых сплавов в немодифицированнам состоянии, и математическая обработка ре­ зультатов измерений показали, что кривые носят пара­ болический характер:

wn = k X,

где /г — константа скорости; т — время окисления, сек;

w — относительный привес образцов, г/см2; п — показатель степени.

Константа скорости /г в процессе окисления изменя­ ется от Ю - 6 до Ю - 1 4 ; показатель степени п увеличивает­ ся от 0,9 до 3,0, т. е. пленка приобретает защитные свой­ ства.

сительного привеса образцов от времени окисления для алюминиевомагнневых сплавов, модифицированных ма­ лыми добавками циркония, ниобия, молибдена и танта­ ла, также носит параболический характер.

Введение в алюминиевомагниевые сплавы малых добавок бериллия (0,05%) при сохранении параболичес­ кого закона окисления уменьшает величину относитель­ ного привеса примерно в 1О0 раз по сравнению с немодифицированными сплавами.

В результате анализа полученных данных разрабо­ тан сплав АЛ8М с оптимальными свойствами, основные характеристики которого в сравнении со стандартными сплавами АЛ8 и АЛ'27-1 приведены в табл. 21—23.

56

(Zr, Mo, Be) был разработай сплав (АЛ8М), отличаю­ щийся от стандартных (АЛ8, АЛ27-1) оптимальным со­ четанием стабильных механических свойств с литейными свойствами и пониженной окисляемостыо.

57

Необходимо отметить, что улучшение технологичнос­ ти сплавов системы AI—Mg имеет огромное практичес­ кое значение, так как позволяет расширить область их применения, s том числе для производства сложных приборных деталей, работающих во всеклиматических условиях, методом литья под давлением. Для литья этим методом требуются сплавы повышенной технологичнос­ ти, поэтому двойные сплавы AI—Mg для этой цели не применяются.

Для литья коррозионностойких деталей под давлени­ ем обычно используется сплав АЛ22. Этот сплав пред­ назначен для литья в песчаные формы, кокиль, под дав­ лением, относится к системе AI—Mg—Si и имеет следу­ ющий состав: 10,5—13,0% Mg; 0,8—1,2% Si; 0,03—0,07% Be и 0,05—0,15% Ті; остальное Al. Однако при примене­ нии этого сплава для литья под давлением допускается содержание 8,0^13,0% Mg; 0,8—1,6% Si; до 0,6% Мп и отсутствие Ті (см. примечание ГОСТ 2685—63).

Особенности химического состава сплава АЛ22 для литья деталей под давлением объясняются следующими причинами. Алюминиевый угол диаграммы состояния системы AI—Mg—Si (рис. 14) имеет квазибинарный разрез, который разделяет диаграмму на две вторичные системы. Одна из них AI—Al3 Mg2 —Mg2 Si, к которой от­

•В структуре сплава, предназначенного для литья де­ талей под давлением, не будет фазы А13Ті и не образу-

58

ется .марганцовистой фазы (AlioiMg2Mn) ввиду большой

% (по массе)

Рис. 14. Алюминиевый угол диаграммы состояния AI—Mg—Si

предназначенного для литья под давлением, допускает значительное снижение магния до 8,0% и увеличение содержания кремния до 1,6%, что приводит к увеличе­ нию количества эвтектики в сплаве. Технологические свойства при этом улучшаются: увеличивается жидкотекучесть, уменьшается склонность к образованию горя­ чих трещин и т. д.

Ниже приведена зависимость склонности к образова­ нию горячих трещин сплава АЛ22 от содержания в нем Mg и Si (по ГОСТ 2685—63) *.

* Основа — алюминий, 0,5% Мп; 0,8% Fe,

59

Эти данные показывают, что при содержании в спла­ ве АЛ22 магния на нижнем пределе (8,0%), а кремния на верхнем (1,6%) склонность к образованию горячих трещин уменьшается на 40—50% по сравнению со спла­ вом, содержащим 10,5% Mg и 0,8% Si. .

Другой пример повышения свойств за счет оптимиза­ ции состава в пределах требований ГОСТа относится к сплаву системы Al—Si—Mg. Сплав АЛ9 (ГОСТ 2685— 63) должен содержать 6,0—8,0% Si; 0,2—0,4% Mg, .He-

Механические свойства и герметичность сплавов АЛ9 (ГОСТ 2685—63) и АЛ9 пп (режим термообработки Т5)

Приведенные примеры оптимизации состава литей­ ных алюминиевых сплавов убедительно показывают, что полной реализации резервов, заложенных в сплаве, может быть достаточно для удовлетворения требовани­ ям, предъявляемым к самым ответственным конструкци­ ям. Поэтому систематическое изучение достижений в этой области, повышение культуры производства, ис-

60

пользование на практике прогрессивных методов плавки, литья, термической обработки, контроля позволит еще больше расширить применение литейных сплавов и по­ высить надежность и экономичность конструкций из ник.

Глава I I

ПЛАВКА И Р А З Л И В К А

ЛИ Т Е Й Н Ы Х СПЛАВОВ

Для более правильного пониминия всех явлений и процессов, сопровождающих плавку, необходимо их рас­ сматривать не оторванно один от другого, а во взаим­ ной связи, что наиболее просто может 'быть выполнено, если процесс плавки разбить на отдельные элементар­ ные процессы и выявить влияние на них отдельных фак­ торов. Такое деление процесса плавки и рассмотрение его элементарных явлений позволяет точнее устанавли­ вать поведение различных металлов и сплавов при плав­ ке, разрабатывать технологический процесс плавки но­ вых сплавов, быстрее находить причины неполадок про­ изводства, устанавливать причины брака и рекомендо­ вать способы его предотвращения.

Жидкий -металл взаимодействует с газовой атмосфе­ рой печи, с жидкими сплавами (флюсами) и с футеров­ кой печи. Это химическое взаимодействие протекает са­ мопроизвольно и в большинстве случаев оно нежела­ тельно. Но при плавке происходят и таюие процессы, как рафинирование, .модифицирование, которые не явля­ ются самопроизвольными и осуществляются для повы­ шения качества сплава.

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛАВКИ

Приготовление сплавов базируется на физико-химиче­ ских законах. При плавке металлов физические и хими­ ческие процессы протекают между твердыми, жидкими и газообразными веществами.

Большое значение для процесса плавления имеет ме­

-61

Аукционном способе). Первый способ подвода тепла (сверху) характерен для отражательных печей (топлив­ ных и электрических). При таком способе нагрева раз­ ница в температуре верхних и нижних слоев металла может достигать значительной величины и зависит от температуры источника тепла, теплопроводности метал­ ла и глубины ванны. Перегрев верхних слоев металла приводит к заметному испарению и окислению легко­ плавких элементов и растворению газов в жидком ме­ талле.

Второй способ подвода тепла (с боков и снизу) при­ сущ тигельным (топливным и электрическим) печам. При данном способе подвода передача тепла осуществ­ ляется конвекцией; при этом достигается большая рав­ номерность температуры по массе металла и уменьша­ ется угар.

свойства металла, как теплопроводность, теплоемкость, теплота плавления и др.

Процессы, протекающие в расплавленном алюминии, также подчиняются физико-химическим законам, поэто­ му при разработке технологии плавки необходимо учи­ тывать особенности каждого сплава, обусловленные его химическим составом, а также общие вопросы физикохимического взаимодействия расплава с окружающей атмосферой.

При взаимодействии алюминия с газами печной ат­ мосферы и влагой, вносимой с шихтой, происходит насы­ щение расплава водородом, растворимость которого уве­ личивается с повышением температуры. Поскольку водород с алюминием химических соединений не образу­ ет, он находится в' нем в виде газовых пузырьков, кото­ рые значительно ухудшают механические свойства, за­ твердевшего металла. Газы же, оставшиеся в твердом растворе, практически не влияют на механические свой­ ства.

Поэтому, чем активнее металл, тем в большей степе­ ни (при прочих равных условиях) он активизирует про­ цессы адсорбции и диффузии газов в сплавах [32].

62