Чтобы избежать последствий естественного старения, исследователи разных стран при создании новых сплавов ограничивали содержание магния в них 10%. В целях повышения коррозионной стойкости под напряжением в новые сплавы вводили небольшие добавки переходных элементов. Это способствует образованию частиц соединений типа Al3Ti, Al12Mg2Cr2, Al10Mg2Mn, располагающихся по границам зерен прерывисто. Частицы соединений по отношению к зерну твердого раствора являются катодами, что препятствует развитию процессов коррозионного растрескивания под напряжением.
Следует заметить, что присутствие небольшого количества меди, железа и кремния в сплавах типа магналий также тормозит развитие процессов межзеренного растрескивания. Но такие добавки (или примеси) понижают общую коррозионную стойкость этих сплавов.
2.2 Сплавы системы Al – Mg – Si
Введение кремния в сплавы типа магналий способствует уменьшению чувствительности к образованию трещин, увеличению жидкоте-кучести и плотности литья, а также повышению жаропрочности. Последнее объясняется сравнительно слабым взаимодействием а-твердого раствора с фазой Mg2Si, присутствие которой в структуре понижает интенсивность диффузионных процессов.
Фаза Mg2Si часто кристаллизуется в этих сплавах в разветвленной (паукообразной) форме, способствующей снижению их механических свойств при комнатной температуре. Вместе с тем фаза Mg2Si снижает пластичность сплавов, поэтому содержание кремния в сплавах типа магналий не должно превышать 1,5 %.
Таблица 2.4
Влияние кремния на жискотекучесть сплавов типа магналий с содержанием железа 0,09—0,2% при температуре заливки 700" С [164]
| Химический состав, % (остальное А1) | Средняя длина прутка при 700° С, мм | Химический состав, % (остальное А1) | Средняя дл и н а прутка при 700о С, мм | ||
| М g | Si | Mg | Si | ||
| 4,8 | 0,15 | 168 | 11,0 | 0,15 | 260 |
| 4,8 | 1,15 | 183 | 10,6 | 0,67 | 306 |
| 4,8 | 1,62 | 216 | 11,2 | 1,21 | 375 |
| 5,4 | 1,60 | 250 | 11,8 | 1,68 | 307 |
| 5,4 | 2,18 | 140 | 13,0 | 0,15 | 321 |
| 9,0 | 0,15 | 195 | 13,4 | 0,71 | 369 |
| 8,8 | 0,73 | 288 | 13,0 | 1,25 | 393 |
| 8,7 | 1,21 | 329 | 13,3 | 1,70 | 315 |
| 9,0 | 1,73 | 276 | |||
Введение марганца в сплавы типа магналий повышает их жаропрочность и улучшает коррозионную стойкость.
В табл. 4 приведены данные по жидкотекучести сплавов типа магналий в зависимости от содержания кремния. Максимальная величина жидкотекучести у всех сплавов с содержанием 9, 11 и 13% Mg наблюдается при 1,2% Si. Для сплавов с 5% Mg максимум жидкотекучести смещается к 1,6% Si. Повышение жидкотекучести в сплавах при содержании в них 1,2% Si можно объяснить увеличением количества тройной эвтектики: а + Mg2Si + Р (Al3Mg2), a последующее снижение жидкотекучести связано с увеличением количества первичных кристаллов фазы Mg2Si в расплаве.
В табл. 5 приведены механические свойства сплавов системы Al—Mg—Si в зависимости от содержания в них магния и кремния при разных температурах, из которых видно, что сплав типа АЛ22 имеет преимущество перед другими сплавами.
В сороковых годах немецкие исследователи, особенно Мейер и Росслер, уделяли большое внимание изучению жаропрочности сплавов типа магналий с кремнием и пытались применить их для изготовления поршней авиационных двигателей. При этом была поставлена цель уменьшить плотность до 2,5—2,6 г/см3, повысить твердость и теплопроводность сплавов. Однако испытания показали, что этого достичь невозможно при использовании сплава типа магналий. Был предложен сплав алюминия с содержанием 5—7% Mg и 1,—1,5% Si, обладающий повышенной жаропрочностью. Этому сплаву была присвоена марка Hg51.
В Советском Союзе такой сплав известен под маркой АЛ13. Недостаток его — сравнительно низкая прочность при комнатной температуре.
В настоящее время нашли промышленное применение три сплава типа магналий с кремнием: АЛ13, АМгТЛ (АЛ29) . Соединение Mg2Si образует двойную эвтектику с а-твердым раствором (8,25% Mg; 4,75% Si; остальное Al) с температурой плавления 595° С. При малом содержании магния в сплаве эвтектика располагается по границам зерен твердого раствора (строение ее грубеет с увеличением содержания магния в сплаве), такой характер расположения частиц фазы Mg2Si повышает жаропрочность сплавов.
Растворимость фазы Mg2Si в твердом алюминии во много раз меньше растворимости магния. Следовательно, все промышленные тройные сплавы (АЛ 13, АЛ29, АЛ22) в закаленном состоянии имеют гетерогенную структуру. Поэтому у них не может быть высоких механических свойств, присущих закаленным двойным сплавам АЛ8, АЛ8М, АЛ27-1.
Один из путей повышения прочности сплава — увеличение скорости кристаллизации, которое может способствовать получению плотной мелкозернистой структуры и более дисперсных частиц фаз Mg2Si. Al3Fe, Al3Ti. Поэтому при литье деталей из этого сплава в песчаные формы особенно желательно применять холодильники или отливать детали в металлические формы.
Исследование механических свойств литых термически не обработанных сплавов (табл. 6) показывает, что предел прочности почти не зависит от содержания магния, а относительное удлинение по мере повышения содержания магния, особенно начиная с 9%, значительно снижается.
Т а б л и ц а 2.5
Механические свойства сплавов при повышенных температурах (образцы, отлитые в песчаные формы)
| Химический состав,% (остальное Аl) | Температура испытания, °С | ||||||||||
| 20 | 250 | З00 | 350 | ||||||||
| Mg | Si | sbкГ/мм2 | d. % | sbкГ/мм2 | d. % | sbкГ/мм2 | d. % | sbкГ/мм2 | d. % | sbкГ/мм2 | d. % |
| 5 | 0 2 | 15 | 6 | 12 | 8 | 23 | 10 11 | 18 | 17 | 23 | |
| 5 | 1,2 | 13 | 4 | 11 | 10 | 18 | 8 10 | 16 | 16 | 22 | |
| 9 | 0,2 | 16 | 3 | 12 | 12 | 2'? | 9 13 | 16 | 6 | 19 | 25 |
| 9 | 1,2 | 16 | 2 | 13 | 10 | 14 | 10 12 | 15 | б | 18 | 23 |
| 10 | 0,2 | 20 | 0,8 | 12 | 11 | 25 | 7 21 | 18 | 4 | 46 | 36 |
| 11 | 0,2 | 18 | 1 | 12 | 5 | 25 | 8 9 | __ | 5 | 44 | 55 |
| 11 | 1,2 | 16 | 2 | 14 | 3 | 11 | 10 8 | 14 | 6 | 15 | 26 |
| 12 | 0,2 | 19 | 0,7 | 12 | 12 | 26 | 6 23 | 20 | 3 | 48 | 38 |
| 13 | 0,2 | 15 | 0,5 | 12 | 2 | 27 | 7 | - | 5 | 50 | 78 |
| 13 | 1,3 | 16 | 1,5 | 14 | 4 | 8 | 12 | 15 | 7 | 21 | 28 |
Таблица 2.6
Механические свойства сплавов Al—Mg—Si в литом и закаленном состояниях (отдельно отлитые в песчаные формы образцы)
| Химический состав, % (0.09—0,2) Fe, остальное А1) | В литом состоянии | После закалки | |||
| Mg | Si | sbкГ/мм2 | d. % | sbкГ/мм2 | d. % |
| 4,80 | 0,15 | 18,0 | 4,0 | 20 | 4 |
| 5,40 | 0,70 | 19,0 | 3,8 | 21 | 4,5 |
| 8,70 | 1,20 | 19,0 | 1,0 | 22 | 4,5 |
| 10,60 | 0,60 | 19,0 | 1,0 | 28 | 5 |
| 11,00 | 0,15 | 17,0 | 0,5 | 34 | 12 |
| 11,00 | 0,75 | 17,0 | 0,0 | 30 | 6 |
| 11,00 | 1,25 | 20 | 1,0 | 22 | 2 |
| 11,80 | 1,25 | 20 | 0,5 | 23 | 3 |
| 13,40 | 0,70 | 18 | 0,0 | 25 | 5 |
| 13,00 | 1,25 | 16 | 0,0 | 23 | 3 |
| 13,30 | 1,70 | 17 | 0,0 | 22 | 15 |
Сплавы с содержанием более 9% Mg и 0,3% Si не рекомендуется применять без термической обработки.
В табл. 7 приведены сравнительные типичные механические и технологические свойства четырех сплавов. Коррозионная стойкость сплава АЛ22 в сравнении с коррозионной стойкостью других сплавов следующая. При испытании сплавов в течение 30 дней в пресной воде потеря в массе сплава АЛ22 составила 2,5, а сплава АЛ4 8,8 г/ж2.
При испытании в течение 45 дней методом распыления 3%-ного. раствора NaCl потеря в массе сплава АЛ22 составила 4,9, сплава АЛЗ 16,9, а сплава АЛ1 24,7 г/л;2. При испытании в течение 20 дней в особо жестких условиях (раствор 3% NaCl + 0,2% Н2О2) потеря, в массе неанодированного сплава АЛ22 составила 1,5, а анодированного 0,1 г/л2.
Из приведенных в табл. 6 и 7 данных видно, что для получения высокой прочности сплава АЛ22 содержание магния при шихтовке должно быть на верхнем пределе (до 11%), а кремния — на нижнем пределе (не больше 0,8%). Результаты сравнения жаропрочности сплавов АЛ8, АЛ13 и АЛ22 приведены в табл. 8. По жаропрочности сплавы располагаются в следующий восходящий ряд: АЛ8 —> АЛ 13 —> АЛ22. Сплав АЛ8 по жаропрочности очень сильно уступает сплавам АЛ13 и АЛ22 в связи с тем, что процессы распада твердого раствора протекают в нем наиболее сильно.
Таблица 2.7