Исследование применения сплавов системы Al-Mg-Si для производства поршней гоночных автомобилей (стр. 2 из 14)
Таблица 2.1
Изменение механических свойств сплава АЛ9 в зависимости от содержания кремния .и температуры испытаний (гагаринские образцы, вырезанные из кокильных заготовок)
| Химический состав, % (остальное А1) | Термическая обработка | Температура испытании, °С | ||||||||||
| 20 | 150 | 200 | 250 | |||||||||
| sbкГ/мм2 | d. % | sbкГ/м.и- | d. % | sbкг/мм- | d. % | sbкГ/ мм2 | d. % | |||||
| Si | Mg | Fe | ||||||||||
| 6,5 | 0,30 | 0,25 | Т5 | 26,7 | 2,3 | 24,2 | 3,0 | 20,1 | 4,3 | 15,8 | 6,7 | |
| 7,2 | 0,30 | 0,25 | Т5 | 26,8 | 2,0 | 23,1 | 3,2 | 19,4 | 4,8 | 14,3 | 7,2 | |
| 8,5 | 0,30 | 0,25 | Т5 | 26,2 | 2,1 | 22,8 | 3,4 | 18,5 | 5,7 | 13,7 8,5 | ||
| 9,1 | 0,3 | 0,25 | Т5 | 26,3 | 1,8 | 22,1 | 3,0 | 18,1 | 5,6 | 13,2 | 9,0 | |
порядке и параметр (4,04 А) образующейся цепочки становится таким же, как у элементарной ячейки матрицы.
При повышенных температурах ряды атомов легирующих компонентов создают строение областей, несколько отличное от строения матрицы. В этом случае фаза B” постепенно превращается в фазу B’. Атомная перестройка сопровождается большим искажением кристаллической решетки матрицы, что является причиной значительного повышения механических свойств сплавов типа силумин. Однако такое напряженное состояние кристаллической решетки способствует понижению жаропрочности сплавов. Это особенно убедительно проявляется в изменении структуры твердого раствора сплава типа АЛ9. И. Ф. Колобнев, Т. И. Решетник и В. К. Мостипан, исследуя тройные сплавы типа силумин электронномикроскопическим методом, показали, что при температуре старения 165о С процесс распада твердого раствора сплава типа АЛ9 (А1 + 8,9% Si + 0,46% Mg) протекает сравнительно быстро.
В процессе старения при температуре 135° С в течение 15 ч образовались скопления ультрадисперсных частиц элементарного кремния. Форма скоплений таких частиц кремния аналогична форме скоплений таких же частиц кремния, полученных в работе Н. Н. Буйнова при старении двойного сплава Al—Si. Кроме скоплений ультрадисперсных частиц кремния, в структуре твердого раствора имеются атомные скопления в виде круглых (белых) точек, очевидно ЗГП2, или, как во многих работах принято обозначать «фазу» B”. Такие продукты распада твердого раствора, образующиеся в виде цепочек, в сплавах системы Al—Si—Mg характерны для начальной стадии старения. Структура сплава АЛ9, состаренного при температуре 150° С в течение 15 ч, подтверждает это.
При более высоких температурах старения количество и величина ультрадисперсных частиц элементарного кремния, а также и белых точечных выделений сильно возрастают. Структура твердого раствора сплава АЛ9 после старения 15 и 25 ч при температуре 165° С характеризуется большим скоплением частиц, кремния и образованием частиц метастабильной фазы B', а также и стабильной Mg2Si.
С повышением температуры распад твердого раствора протекает очень интенсивно и образуются скопления частиц метастабильных фаз повышенной плотности за более короткое время. При этом размер частиц метастабильных фаз значительно увеличивается с удлинением продолжительности старения. Особенно интенсивно твердый раствор распадается при температуре 175оС с выдержкой 10 ч. Частицы силицида магния (в виде белых тонких полос) расположены ориентированно. Распад твердого раствора в процессе старения при температуре 200°С практически заканчивается в течение 10 ч. Поэтому и прочность сплава АЛ9 при температуре 200° С низка.
Данные табл. 1 и 2 позволяют сделать два вывода: для длительной работы при высоких температурах сплав типа АЛ9 рекомендовать не следует; с увеличением содержания кремния в сплаве (модифицированное состояние) прочность этих сплавов с повышением температуры понижается. Дальнейшее повышение времени выдержки при температуре 300° С обусловливает рост частиц продуктов распада твердого раствора.
Все указанные выше процессы протекали в неравновесных условиях.
Таблица 2.2
Изменение длительной прочности сплава АЛ9 в зависимости от температурь:. и приложенного напряжения (образцы диам. 10 мм, отлитые в песчаные формы)
| Температура испытания , оС | Длительность испытания до разрушения, ч | ||||
| s = 9 кг/мм2 | s = 6 кг/мм2 | s = 3 кг/мм2 | s = 1,5 кг/мм2 | ||
| 175 | 60 | 96 | 287 | 569 | |
| 200 | 40 | 84 | 193 | 378 | |
| 250 | 23 | 47 | 128 | 235 | |
| 300 | Разрушились при нагружении | 56 | 100 | ||
Таблица 2.3.
Влияние легирующих элементов на жаропрочность сплава типа АЛ9, термически обработанного по режиму Т5
| Химический состав, %(остальное А1) | Меха- нические свойства при 20° С | Механические свойства при З00 оС | |||||||
| Si | Mg | Mn | Сu | Fe | sb кГ/мм2 | d% | sзоо кГ/мм2 | Время, ч | d* % |
| 6 | 0,3 | 0,2 | 22 | 6,0 | 3 | 50 | 12,5 | ||
| 7 | 0,3 | — | — | 0,2 | 24 | 6,0 | 3 | 60 | 12 |
| 8 | 0,3 | __ | — | 0,2 | 26 | 5,0 | 3 | 65 | И |
| 9 | 0,3 | 0,2 | 28 | 5,0 | 3 | 75 | 70,5 | ||
| 6 | 0,5 | — | — | 0,2 | 27 | 4,0 | 3 | 65 | 11 |
| 7 | 0.5 | — | — | 0,2 | 28 | 4,0 | 3 | 70 | 11 |
| 8 | 0,5 | — | — | 0,2 | 29 | 3,5 | 3 | 85 | 10 |
| 9 | 0,5 | — | — | 0,2 | 31 | 3,5 | 3 | 85 | 9 |
| 7 | 0,5 | 0,5 | - | 0,2 | 28 | 3,5 | 3 | 80 | 8 |
| 8 | 0,5 | 0,5 | — | 0,2 | 29 | 3,0 | о | 95 | 8 |
| 9 | 0,5 | 0,5 | — | 0,2 | 29 | 3,0 | 3 | 110 | 7 |
| 9 | 0,5 | 0,5 | __ | 0,2 | 32 | 2,5 | 3 | 155 | 6 |
| 9 | 0,5 | 0,5 | — | 0,2 | 33 | 2,0 | 4 | 140 | 5 |
| 9 | 0,5 | 0,5 | 0,2 | 34 | 2,0 | 4 | 230 | 5 | |
| 9 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | 0,2 | 34 | 1,5 | 4,5 | 190 | 4 |
| 1,0 | |||||||||
| 1,5 | |||||||||
| 2,0 | |||||||||
Сплавы испытывали в немодифицнрованном состоянии, поэтому пластичность их занижена.
При температуре 400° С растворимость Mg2Si примерно в два раза выше растворимости кремния в твердом алюминии, тогда как в интервале температур закалки растворимости их практически одинаковы. Однако эффект термической обработки сплавов без магния и с магнием весьма различен. Это объясняется тем, что частицы фазы кремния формируются быстрее, чем частицы фазы Mg2Si, имеющей более сложный состав. Очевидно, при этом увеличивается межатомная связь по сравнению с межатомной связью двойных твердых растворов магния в алюминии и кремния в алюминии.
Один и тот же упрочнитель, например Mg2Si, неодинаково влияет на свойства сплавов. Так, содержание магния в сплаве АЛ9 на 30°о больше, чем в сплаве АЛ4, однако прочность последнего выше. Это можно объяснить более высоким содержанием кремния. Избыточное количество кремния не влияет на растворимость фазы Mg2Si, но благоприятно сказывается на форме ее выделения при старении. Очевидно, этим можно объяснить более высокую (на 25%) прочность сплава АЛ4 по сравнению со сплавом АЛ9.
По химическому составу сплав ВАЛ5 отличается от сплава АЛ9 небольшими добавками бериллия и титана, незначительно влияющими на структуру твердого раствора. Поэтому его жаропрочность близка к жаропрочности сплава АЛ9. Сплав ВАЛ5 имеет -следующий фазовый состав: a, Si, Mg2Si, Al3Ti, Be3SiFe.
 |
Диаграмма состояния системы Аl—Mg:
а — по Н. С. Курнакону п В. Н. Михеевой; б — по Мондольфо
Чем выше степень пересыщения твердого раствора сплавов системы Al—Mg, тем более они склонны к естественному старению, что приводит к резкому снижению пластичности сплавов и коррозии их под напряжением.