Таблица 3.8. Плотность и модуль Юнга исследуемых гранулированных сплавов
Микроструктура сплавов 2R, 3R и 4R состояла из звездообразных частиц Mg2Si фазы, размером около 2…3 мкм, которые однородно распределены в твёрдом растворе. На микроструктуре сплава 6R вдобавок были видны частицы первичного Si. Результаты испытаний показали, что сплавы №№ 3R – 6R обладают низкой пластичностью при комнатной температуре. В итоге, лучшим комплексом свойств обладал сплав 2R. Все сплавы обладали высоким модулем Юнга, низким коэффициентом линейного расширения, но теплопроводность оказалась ниже, чем ожидалось, причину этого в ходе данного этапа исследования выявить не удалось. Наибольшую теплопроводность имеет сплав № 5R – 144…150 W/mK при температуре 250…350оС .
Однако, сплав № 2R, содержащий больше алюминия, чем сплав № 5R, имеет теплопроводность ~ 135 W/mK при той же температуре. Очевидно, одной из причин этого является наличие в сплаве свободного магния. Соотношение Mg : Si в этом сплаве больше, чем 1,73. На кривой графика коэффициента линейного расширения для этого сплава где изменения зависят от температуры, наблюдается значительное отклонение (рис.2 пункта 3.3). Возможно, всякие примеси тоже оказывают негативное влияние на теплопроводность. Электропроводность сплава № 2R почти такая же, как у сплава Д16Т. Рекомендуется подробное исследование всех факторов.
Плотность сплавов достаточно низкая (2,55…2,63 г/см3), очевидно, что она может быть ещё более снижена с помощью оптимизирования содержания тяжелых металлов – Zr, Ni, Fe в сплаве (в сплавах №№ 1R – 6R содержание этих компонентов около 4…5 %).
Итак, в ходе проведённой исследовательской работы стало очевидно, что состав сплава № 2R может стать базой для дальнейшего исследования.
3.3 Коэффициент линейного расширения исследуемых сплавов
Таблица 3.9. Коэффициент линейного расширения исследуемых сплавов в зависимости от температуры.
3.4. Выводы
В результате проведённой исследовательской работы можно сделать следующие выводы:
1) Исследование на текущем этапе можно считать успешным, так как среди выбранных для исследования сплавов многие обладали хорошим комплексом технологических свойств. Анализ остаточной твёрдости показал, что все сплавы систем Al – Mg2Si и Al - Mg2Si – Si обладают более высокой твёрдостью после воздействия высоких температур (300, 350оС), чем промышленный сплав АК4-1. Структура сплавов при высокой температуре очень стабильна – остаточная твёрдость после 250, 300 и 350оС почти такая же, как в состоянии после прессования. Высокая жаропрочность сплавов подтвердилась результатами исследования «длительной прочности». Все сплавы обладали высоким модулем Юнга, низким коэффициентом линейного расширения, но теплопроводность оказалась ниже, чем ожидалось, причину этого в ходе данного этапа исследования выявить не удалось.
2) Выбранный для литья сплавов метод высокоскоростной кристаллизации оправдал себя, предварительные результаты показали, что твёрдость всех сплавов достаточно высока в прессованном состоянии, высокая скорость кристаллизации упрочнила сплавы.
3) Сплав №2R обладает наилучшим комплексом свойств, что можно увидеть на основании табличных данных, и он рекомендован для дальнейшего исследования.
4. ЭКОНОМИКА
4.1 Технико - экономическое обоснование НИР.
В современном мире индустрия спортивных состязаний гоночных автомобилей прочно внедрилась во многие отрасли экономики. Для некоторых государств проведение гонок класса Formula – 1 является огромным источником доходов (например, гран-при Монако). В XXI веке всё более остро становится вопрос использования новых материалов для двигателей гоночных автомобилей, мощности которых достигают 700 лошадиных сил и количество тактов в секунду доходит до 650 (пример для соревнований Формула – 1), скорости превышают 300 км/час. После проведения гонки некоторые части двигателя гоночного болида приходится полностью заменять из-за того, что за такой короткий промежуток времени соревнования (1-2 часа) они полностью приходят в негодность из-за развития микротрещин в структуре двигателя в следствие огромных термических и циклических механических нагрузок. Наиболее изнашиваемой частью двигателя гоночного автомобиля является поршень цилиндра. По утверждению специалистов немецкой фирмы Mahle, являющейся лидером в производстве поршней гоночных автомобилей, «стоимость поршня болида Formula –1 практически можно приравнять к цене золота». Основными материалами, используемыми в двигателях Формулы-1, являются алюминиевые магниевые, титановые и стальные сплавы.
Целью данной работы является получение более высокого уровня свойств промышленных алюминиевых сплавов, являющихся основным материалом в производстве современных поршней гоночных автомобилей, за счёт использования мало изученных ранее соотношений составов сплавов и легирующих компонентов , использования современных методов литья (высокоскоростное затвердевание), когда скорость охлаждения сплава достигает 106 К/с. Результатом такого оптимизирования должны стать низкий коэффициент линейного расширения, высокая прочность и жаропрочность, износостойкость и, соответственно, высокая технологичность и эффективность при производстве. В данной работе исследовались 6 сплавов на основе алюминий – магний – кремний (Al – Mg –Si ), полученные путём высокоскоростного затвердевания расплава в виде гранул с последующим их прессованием в прутки с целью последующего изучения различного комплексов их свойств для выбора наиболее оптимального соотношения. Сплавы подвергались различным технологическим процедурам типа дегазации, отжига и искусственного старения. Затем изучалась микроструктура прутков, а также их непосредственного «сырья» - гранул, с целью выявить источники, влияющие на физические свойства образцов. Магний хорошо растворим в твёрдом растворе и понижает теплопроводность и жаропрочность. Для сохранения положительного влияния Mg на плотность и удаления негативного влияния на теплопроводность, он должен находиться во всех фазах в виде соединений, например, Mg2Si. Растворимость Mg2Si в алюминии намного ниже, чем у Mg.
Соединение сплавов системы Al – Mg с Si способствует повышению жаропрочности серии алюминиевых сплавов, что достигается в результате плохого взаимодействия a - твердого раствора с Mg2Si фазой. Это понижает интенсивность процесса диффузии. В то же время, Mg2Si фаза уменьшает вязкость сплавов. При использовании метода высокоскоростного затвердевания расплава всё количество фазы Mg2Si во время охлаждения оказывается в растворённом виде (пропитка раствором) и, после искусственного старения, выпавшие в осадок фазы укрепляют сплав.