Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Наряду с бесспорными преимуществами по сравнению с другими широко используемыми сплавами (на основе. железа, титана, магния и других металлов) промышленные алюминиевые сплавы имеют ряд серьезных недостатков, которые препятствует их более широкому использованию как в изделиях спецтехники (авиастроении, оборонных отраслях и т.д.). так и в изделиях гражданских отраслей промышленности (автомобилестроении, текстильном-машиностроении, производстве товаров народного потребления и т.д.).
Исследования последних лет показали, что использование методов гранульной и порошковой металлургии, а также создание композиционных материалов на основе алюминия позволяют получить существенно более высокие эксплуатационные характеристики по сравнению с традиционными способами получения деталей из фасонных отливок'или деформированных полуфабрикатов. В частности, высокими значениями жаропрочности, особенно при температурах выше 350С обладает гранулируемые сплавы на базе системы Ai-cr-zr типа 01419. Существенного прироста прочностных свойств {оь до 700-800 МЛа)В гранулируемых материалах можно добиться за счет дополнительного легирования сплавов системы лі-zn-Mg-cu повышенными концентрациями переходных металлов. Однако, высохая стоимость изделий и многочисленные труднопреодолимые технические препятствия в случае использования этих относительно новых технология . делает их неконкурентноспособными по большинству экономических показателей. В результате алюминиевые сплавы, полученные методами гранульной и порошковой металлургии, до сих пор мало используются в промышленности, несмотря на то что опытные образцы были получены более 20 лет назад. В ряде случаев более перспективным
представляется направление, связанное с расширением использования сравнительно дешевой технологии фасонного литья.
Исследования по созданию новых высокопрочных литейных алюминиевых сплавов типа "твердых растворов" (или "матричных"), например ВАЯІ2, показали реальную возможность существенно повысить механические свойства отливок за счет оптимизации состава и термической обработки. Однако, низкие литейные свойства не позволяют получать из этих сплавов даже отливки средней сложности при использовании обычных методов литья. Существующие высокотехнологичные литейные сплавы на базе системы а і-si (силумины) имеют другие серьезные недостатки, к ним в первую очередь можно отнести:
-
ограничения по прочностным характеристикам - <>ь менее 400 МПа;
-
ограничения по рабочим температурам - ниже 350С;
-
ограничения по допустимому содержанию примеси железа- менее 1%. Создание конструкционных литейных алюминиевых сплавов на базе
эвтектических хомшзиций с использованием различных фаз (не только кремниевой) представляется более, перспективным, поскольку это позволит решать, многочисленные задачи по достижению заданного комплекса эксплуатационных, технологических и экономических характеристик, которому не удовлетворяют известные сплавы.
Для решения таких задач целесообразно иметь более или менее универсальный метод, который до начала эксперимента позволил бы наметить основные этапы разработки состава и технологии получения литейных алюминиевых сплавов. Эта предварительная подготовка должна обеспечить- максимальную з$фективность экспериментальных исследований. Поскольку весь комплекс свойств в первую очередь определяется структурой сплава, то в основе выработки методов
-b-
конструировэния сплавов с задашшми свойствами должен быть структурный подход, основанный на изучении зависимостей между конкретными структурными параметра и конкретными свойствами. Это позволит сформулировать базовые требования к оптимальной структуре. Для практической реализации желаемой структуры необходимо изучение особенностей ее формирования в зависимости от состава сплава, условий кристаллизации и термообработки. Учитывая, что достижение оптимальной 'структуры в большинстве случаев требует легирования несколькими компонентами, представляется особенно важным построение многокомпонентных диаграмм состояния, которых, в настоящее время имеется гораздо меньше, чем требуется.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Главная цель данной работы состояла в оптимизации структуры и состава конструкционных литейных алюминиевых сплавов специального и общего назначения с заданным комплексом эксплуатационных,' технологических и экономических'характеристик и практической реализации принципов такой оптимизации.
Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи.
1. На основе структурного подхода с использованием
закономерностей, которые вытекают из анализа многокомпонентных
диаграмм состояния, разработать принципы создания сплавов
эвтектического типа, позволяющих обеспечить высокий уровень как
механических, так и литейных свойств.
2. Изучить особенности формирования многофазной структуры
многокомпонентных эвтектических сплавов в процессе неравновесной
кристаллизации и термообработки.
3. Изучить влияние эвтектических фаз на характер разрушения
высокопрочных литейных алюминиевых сплавов.
4. Г:!-т:аботзть научіте основи создания вторичных литейных
агаыиниевых сплавов с повьшенным содержанием железа (более 1.5-2 мае.Ж).
5'. Выявить возможности создания сплавов, легированных исключительно переходными металлами и обладающих высоким уровнем жаропрочности и литейных характеристик.
6. Построить многокомпонентные диаграммы состояния и фазовые
диаграммы для условий реальной неравновесной кристаллизации и дать
рекомендации по их использованию для оптимизации состава и
структуры.
7. Разработать новые конструкционные литейные алшиниевые сплавы
с улучшенным комплексом свойств по сравнению с известными
аналогами:
а) высокопрочные сплавы. (оь >500 Ша , НВ>170, б>ЗЖ) с повышенными * литейными свойствами по сравнению с "матричными" сплавами типа ВАЛІ2 ;
б) жаропрочные сплавы с рабочими температурами свыше 350С и литейными свойствами на уровне эвтектических СИЛУМИНОВ;
в) экономнолегированные малокремнистые силумины, допускавдие более 2% Fe и не уступающие" по свойствам стандартным вторичным силуминам типа АК5М2.
г) высокотехнологичные силумины с повышенными прочностными свойствами по сравнению со стандартными силуминами типа АК7ч (АЛ9) и АКШЗч (ВАЛ8).
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И НОВИЗНА.
Ь На основе структурного подхода с использованием закономерностей, которые вытекают из анализа многокомпонентных диаграмм состояния, предложены принципы оптимизации состава и
структуры высокопрочных литейных алюминиевых сплавов. Для достижения наилучшего сочетания конструкционной прочности и литейных свойств рекомендуется использовать 'Многокомпонентные сплавы эвтектического типа, структура которых состоит из . высокопрочной матрицы, например на основе дисперсионно упрочненного твердого раствора системы лі-zn-Mg-cu, и второй фазы, содержащей такие элементы, которые снижают температуру ликвидуса и не влияют на состав матрицы. Предложены возможные сочетания основных 'типов алюминиевых твердых растворов и различных эвтектических фаз.
-
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено положительное влияние глобулярных частиц эвтектических фаз на показатели конструкционной прочности высокопрочных литейных алюминиевых сплавов, склонных к межзеренному разрушению. Показано, что эти частицы способствуют переходу от межзеренного разрушения к более вязкому внутризеренному мелкоямочному. Предложена модель влияния объемной доли частиц эвтектической фазы на вязкость разрушения, ' которая .учитывает наличие противоположно действующих факторов.
-
Проведен анализ нер'авновесной кристаллизации многокомпонентных алюминиевых сплавов, который учитывает подавление перитекгаческих реакций в реальных условиях. На примере 3-х и 4-х компонентных систем проанализировано формирование. литой структуры силуминов, содержащих железо, медь и магний.
4. Установлено, что все рассмотренные эвтектические фазы, в том
числе содержащие железо, способны при нагревах в интервале
температур 450-600 к фрагментации на мелкие включения и
^следующей их сфероидизэции и коалесценции.. Интенсивность этих
гроцзссов зависит как от растворимости второй фазы валюминиевом
твердом растворе, так и от дисперсности литой структуры (толщины ветвей дендритов второй фазы эвтектики и расстояния между ними). Методом прицельной съемки с поверхности шлифов изучены осоОенности этих процессов.
5. Исследованы фазовые превращения при нагреве в сплавах,
СОДержаЩИХ НераВНОВеСНЫе ЭВТеКТИЧеСКИе фаЗЫ FeAl6 И Fe2SiAla.
Показано, что образование равновесных фаз FeA.i3 и FesiAis происходит на поверхности, а в объеме фазовые превращения затруднены.
6. Предложены научные основы создания литейных алюминиевых
сплавов с высоким содержанием железа. На основе анализа
многокомпонентных фазовых диаграмм рекомендуется* выбирать такие
концентрации легирующих элементов, при которых все железо (не менее
2%) может быть связано в эвтектические фазы. Приведены примеры
реализации ТаКИХ КОМПОЗИЦИЙ С участием фаз FeNiAt9, Fe2CeAl]0, FeAl6 FeaSiAie И Др..
7. Обоснована возможность создания жаропрочных литейных алюминиевых сплавов эвтектического.типа, легированных исключительно переходными металлами и обладающих улучшенным комплексом высоко- и низкотемпературных механических свойств и литейных" характеристик по сравнению с известными сплавами. Оптимальная структура должна представлять сочетание алюминиевой матрицы, максимально легированной такими переходными металлами, растворимость которых может быть достаточно . велика в реальных условиях кристаллизации (zr, сг, мп и др.), и второй жаропрочной фазы, содержаще» малорастворимые в алюминиевом твердом растворе элементы (лі, Fe, се и др.). Последние должны обеспечивать высокие литейные свойства. Для реализации данной структуры необходимо использовать не
только оптимальное легирование различными переходными металлами,- .но и специальные режимы приготовления сплавов и их термообработки для обеспечения*, а)- высокой легированности алюминиевого твердого раСТВОра В ЛИТОМ СОСТОЯНИИ; б)- высокой плотности и устойчивости вторичных алшинидов при рабочих температурах до 40ОС; в)-неизменной (нефрагментированной) морфологии эвтектических фаз.
8. Построены диаграммы состояния многокомпонентных систем
(Al-Si-Fe-Cu-Mg, Al-Si-Mg-Ni, Al-Si-Fe-Ni, Al-Si-Fe-Be^.
Ai-zn-Mg-cu-Fe-si и др. ) в. виде проекций алюминиевого угла, а также политермических и изотермических сечений. Предложен метод . прогнозирования и построения пятикомпонентйых. диаграмм состояния для анализа фазового состава силуминов, который- позволяет одновременно отслеживать влияние трех легирувдих элементов по аналогии с четверными диаграммами. С помощью данного метода построена диаграмма Ai-si-Mg-cu-Fe.
На базе разработанных принципов оптимизации состава и структуры созданы*новые литейные алюминиевые сплавы различного назначения.
I. Высокопрочные сплавы на базе твердого раствора Ai-zn-Mg-cu (АЦ6Н4, АЦ6ЖН, АІГ7Ж).
Сплавы этой группы обладают максимальными прочностными свойствами (аь=450-550 ИПа. НВ=160-180) среди всех стандартных литейных алюминиевых сплавов и превосходят по литейным характеристикам известные высокопрочные сплавы типа ВАЛІ2. .По комплексу эксплуатационных и технологических характеристик сплав АЦ6Н4 может конкурировать с деформируемыми, сплавами системы Ai-zn-MR-cu типа В95. Сплав АЦ7Ж допускает в своем составе до 1.6
Fe. что делает его сравнительно дешевым. По результатам многолетних исследований и испытаний составлено заключение о целесообразности использования новых высокопрочных сплавов в изделиях спецтехники.
2. Эвтектические и доэвтектические силумины с улучшенными механическими свойствами (АК12мг, АК7Мг и AKIIM4).
Предлагаемые силумины имеют прекрасные литейные свойства, что позволяет получать из них отливки сложной формы при использовании любых методов литья. Сплавы АКІ2МГ и АК7Мг превосходят известные безмедистые силумины типа АК9ч (АЛ4) и АК7ч (АЛ9) по прочностным свойствам как в литом . так и в термообработанном состояниях (Т6-<т'=320-380 МПа, НВ=105-120) и не уступают им да пластичности и
вязкости разрушения. Сплав AKIIM4 превосходит по "комплексу механических и литейных свойств высокопрочные стандартные медистые силумины типа ВАЛ8 (АК8Шч).' Данный сплав отличается повышенной прочностью в литом состоянии- (оь=240-280 МПа, НВ=80-90). Сплав АК7Мг с 1992 г. используется на ШЗ "Рассвет" при получении кокильных отливок для изготовления деталей автомобильного насоса. Годовой объем производства отливок в 1993 г„ составил 212 т отливок. 3. малокремнистые силумины с повышенным (1.6-3%) содержанием железа (АК2ЮМ, АК2Х2М2,. АКЗХ2М2 И AK2S2M5 ).
Сплавы этой группы обладают отличной технологичностью при литье под давлением. Для приготовления сплавов может использоваться относительно дешевое сырье, что существенно снижает их себестоимобть по сравнению со стандартными вторичными силуминами типа АК5М2 без ухудшения механических свойств. Жидкоштампованные отливки из сплава АК2Ж2М в термообработанном состоянии по механическим свойствам (о =300-350 МПа, НВ=100-П0, 6=5-10%) могут конкурировать со среднепрочнши деформируемыми сплавами. Иг
-II-
этого сплава на НЛП "Темп"приготовлено более 2000 отливок по заказу ПО "Костроматекстильмаш".
4, Жаропрочные сплавы, легированные исключительно переходными металлами (AH6TI, АН6Т2, АНЖ, АЦрЖ).
Сплавы этой группы обладают качественно улучшениям сочетанием жаропрочности, механических свойств при комнатной- температуре и литейных характеристик. По совокупности основных показателей предлагаемые сплавы превосходят известные жаропрочные литейные, алюминиевые сплавы типа АЛІ9 и. АЛЗЗ, особенно при температурах вше 350С.
Все разработанные сплавы запатентованы, на большинство из них составлены проекты технической документации.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы были представлены на международных и отечественных конференциях и семинарах, в том числе: на 2-ой и 3-ей международных конференциях по алдаиниевым сплавам (1990 г. - КНР, Пекин , 1992 г. - Норвегия, Тронхейм), на 96-ом конгрессе литейщиков в США (1992г.- г.Миллуоки) , на международном семинаре по влиянию железа и кремния на алюминиевые сплавы в Венгрии (1989 г.- Балатонфюред) и др. Материалы работы отражены в 36 статьях. На состав разработанных сплавов и способы их производства получено 5 авторских- свидетельств СССР, 10 патентов Российской Федерации, 18 положительных решений по заявкам на изобретение.
СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из 6 глав, содержит 527стр. машинописного текста, включая"')') таблиц и fpP рисунков.
