Изменение содержания кремния в пределах 10—14% существенно не влияет на свойства сплава.
Изменение содержания меди в пределах 0,5—4,5% мало отражается на прочности сплава при комнатной температуре, но повышение содержания меди способствует повышению длительной прочности при 300 С. Это объясняется тем, что медь при высоком содержании участвует в повышении межатомной связи твердого раствора, содержащего марганец, магний и другие аналогичные элементы. Кроме того, при распаде твердого раствора сложного по составу сплава образуются дисперсные частицы, которые участвуют в создания микрогетерогенности внутри зерен твердого раствора, что затрудняет их деформацию. Избыточная медь участвует в образовании никельсодержащей фазы , которая кристаллизуется в разветвленной форме, ее частицы, располагаясь по границе зерен твердого раствора, блокируют их и тем самым обеспечивают значительное повышение жаропрочности сплава. Содержание меди в сплаве следует ограничить 3,0%, так как при ее избытке в структуре сплава появится фаза CuAl, способствующая охрупчиванию сплава, понижению коррозионной стойкости и повышению склонности к объемным изменениям («росту» поршней).
Введение магния повышает прочность сплава при комнатной температуре, но мало сказывается на жаропрочности. Оптимальные свойства сплав имеет при содержании магния 0,75—1,3%.
Таблица 2.9
| Сплав | Содержание элементов, % (остальное А1) | |||||||||||||||||||||
| Si | Сu | Mg | Ni | Мn | Ti | Fe | Zn | Sn | Pb | |||||||||||||
| Сплавы типа ЖЛС | ||||||||||||||||||||||
| 1 | 11,0 | 0,75 | 0,80 | 0,81 | __ | __ | 0,71 | 0,20 | __ | __ | ||||||||||||
| 9 | KS 1275 | 11,0 | 0,80 | 0,90 | 0,82 | — | — | 0,71 | 0,15 | 0,20 | 0,066 | |||||||||||
| 3 | 12,8 | 1,32 | 1,30 | 1,36 | 0,20 | — | 0,72 | 0,15 | — | — | ||||||||||||
| 4 | iCGX | 11,8 | 1,08 | 1,07 | 1,42 | 0,39 | — | 0,56 | — | — | — | |||||||||||
| 5 | 42436 | 12,4 | 1,30 | 0,97 | 1,48 | 0,28 | 0,15 | 0,50 | — | — | — | |||||||||||
| 6 | 5АЕ 328 | 12,0 | 1,50 | 0,80 | — | 0,56 | — | 0,56 | — | — | — | |||||||||||
| Сплав АЛ 10В | ||||||||||||||||||||||
| 7 | 4,45 | 7,05 | 0,36 | __ | 0,48 | __ | 0,78 | _ | — | — | ||||||||||||
| 8 | 4,80 | 6,95 | 0,31 | — | 0,33 | — | 0,80 | — | 0,026 | 0,1 | ||||||||||||
| Сплав типа АЛ25 (ЖЛС1) | ||||||||||||||||||||||
| 9 | 11,0 | 1,50 | 0,80 | 0,80 | 0,30 | 0,05 | 0,70 | 0,15 | 0,02 | __ | ||||||||||||
| 10 | 13,0 | 3,0 | 1,30 | 1,30 | 0,70 | 0,20 | 0,70 | 0,15 | 0,02 | — | ||||||||||||
| 11 | 11,8 | 1,01 | 1,00 | 0,88 | 0,6 | 0,19 | 0,56 | 0,23 | 0,03 | 0,05 | ||||||||||||
| 12 | 11,8 | 2,10 | 1,00 | 0,88 | 0,6 | 0,19 | 0,56 | 0,23 | 0,03 | 0,05 | ||||||||||||
| 13 | 11,8 | 2.6 | 1,00 | 0,88 | 0,6 | 0,19 | 0,56 | 0,23 | 0,03 | 0,05 | ||||||||||||
| 14 | 11,8 | 3,05 | 1,00 | 0,88 | 0,6 | 0,19 | 0,56 | 0,23 | 0,03 | 0,05 | ||||||||||||
| 15 | 11,8 | 3,55 | 1,00 | 0,88 | 0,6 | 0,19 | 0,56 | 0,23 | 0,03 | 0,05 | ||||||||||||
| 16 | 11,6 | 2,52 | 1,01 | 0,82 | 0,35 | 0,19 | 0,55 | 0,23 | 0,021 | 0,048 | ||||||||||||
| 17 | 11,6 | 2,52 | 1,01 | 0,82 | 0,6 | 0,19 | 0,55 | 0,23 | 0,021 | 0,048 | ||||||||||||
| 18 | 11,6 | 2,52 | 1,01 | 0,82 | 0,85 | 0,19 | 0,55 | 0,23 | 0,021 | 0,048 | ||||||||||||
| 19 | 12,0 | 2,42 | 1,07 | 0,89 | 0,55 | 0,18 | 0,80 | 0,23 | 0,04 | 0,026 | ||||||||||||
| 20 | 12,0 | 2,42 | 1,07 | 0,89 | 0,55 | 0,18 | 1,2 | 0,23 | 0,04 | 0,026 | ||||||||||||
| 21 | 11,82 | 2,47 | 1,00 | 0,88 | 0,54 | 0,18 | 0,56 | 0,5 | 0,03 | 0,05 | ||||||||||||
| 22 | 11,82 | 2,47 | 1,00 | 0,88 | 0,54 | 0,18 | 0,56 | 0,8 | 0,03 | 0,05 | ||||||||||||
Введение 0,5—2,0% никеля мало изменяет механические свойства сплава при комнатной температуре, но заметно повышает его жаропрочность. Это объясняется тем, что никельсодержащая фаза способствует упрочнению границ зерен твердого раствора. В сплаве необходимо иметь 0,8—1,3% никеля.
Примесь олова (до 0,08%) заметно не отразилась на изменении механических свойств. Однако содержание его следует ограничить 0,02%, так как в массивных сечениях отливок возможно скопление легкоплавкой эвтектики (Al + Sn), резко снижающей жаропрочность сплава.
Введение свинца (до 0,15%) не сказалось на свойствах сплава, но содержание его следует ограничить 0,1% вследствие повышенной склонности к ликвации, которая способствует снижению жаропрочности сплава.
Таким образом, содержание легирующих элементов и примесей в сплаве АЛ25 (ЖЛС1) установлено следующее: 11,0—13,0% Si, 1,5—3,0% Си, 0,8—1,3% Mg, 0,8—1,3% Ni, 0,3—0,6% Mn, 0,05— 0,2% Ti, до 0,8% Fe, до 0,5% Zn, до 0,02% Sn, до 0,1% Pb, остальное — алюминий.
2.3.2. Жаропрочность высококремниевых
легированных сплавов
Для исследования были изготовлены высококремнневые сплавы типа KS280 с кобальтом (условная марка АК21), типа KS280 с хромом (условная марка АЛ26) и другие сплавы.
Испытания проводились на отдельно отлитых (в песчаные формы) образцах диам. 10 мм с литейной коркой. Сплавы АК21 и АЛ26 имеют практически одинаковые механические свойства при комнатной температуре и длительную прочность при 300о С.
Исследования показали, что комплексное легирование медью, никелем и марганцем (или кобальтом) значительно повышает жаропрочность сплавов типа силумин (АЛ25 и АЛ26). По жаропрочности сплав АЛ25 превосходит сплав АЛ10В, жаропрочность сплава АЛ26 еще выше. Повышенная жаропрочность сплава АЛ26 обеспечивается увеличением степени легирования твердого раствора элементами с низким коэффициентом диффузии, а также упрочнением границ зерен твердого раствора частицами вторых фаз которые до 300о С мало взаимодействуют с а-твердым раствором. Кроме того, мелких частиц кремния, склонных к коагуляции, в сплаве АЛ26 меньше. Сплавы АЛ25 и АЛ26 отличаются меньшим (в два раза) содержанием меди по сравнению со сплавом АЛ10В, поэтому они имеют небольшие величины коэффициента термического расширения, объемного изменения во время работы поршней и более высокие жаропрочность и литейные свойства. Следовательно, можно давать меньший зазор между поршнем из новых сплавов и цилиндром. Этот фактор играет важную роль в снижении расхода масла и горючего.
Были установлены верхние пределы примесей олова и свинца, что позволяет приготовлять сплавы АЛ25 и АЛ26 с применением большего количества вторичных металлов.
К недостаткам сплава АЛ26 следует отнести грубокристаллическую структуру (содержание большого количества крупных первичных кристаллов кремния), что снижает относительное удлинение до 0,2% . Повысить эту величину можно модифицированием. Существующие в настоящее время способы модифицирования заэвтектических (особенно, содержащих более 20% Si) силуминов весьма разнообразны. Модифицирование осуществляют фосфористой медью, красным фосфором, различными неорганическими соединениями фосфора, термитными смесями и т. д. За рубежом для модифицирования заэвтектических силуминов применяют сложные препараты, содержащие фтортитанат и фторцирконат калия и другие вещества.
Однако имеющиеся в настоящее время модификаторы не позволяют получить нужные структуру и механические свойства заэвтектических силуминов. Общий недостаток всех известных модификаторов — это то, что при измельчении кристаллов первичного кремния огрубляется структура эвтектики a – Al3Si, вследствие чего относительное удлинение даже хорошо модифицированных сплавов, содержащих более 22% кремния, очень низкое (не превышает 0,5%). С целью устранения этого недостатка И. Ф. Колобневым и В. А. Ро-тенбергом для заэвтектических силуминов предложены комбинированные модификаторы, содержащие фосфор и углерод (в виде фосфорорганнческих соединений).