Исследование применения сплавов системы Al-Mg-Si для производства поршней гоночных автомобилей (стр. 6 из 14)

Эксперименты по модифицированию заэвтектических силуминов трифениловым эфиром ортофосфорной кислоты (трифенилфосфатом) (С₁₀Н₃О₃) РО, хлорофосом С₄Н₈О₄РС1₉ и другими фосфорорганическими соединениями показали, что введение фосфора и углерода (в виде фосфорорганического соединения) в расплав позволяет резко измельчить кристаллы первичного кремния и одновременно модифицировать эвтектику, тогда как существующие в настоящее время модификаторы измельчают первичный кремний, но при этом способствуют огрублению эвтектики.

Исследованный сплав имел следующий химический состав: 21,75% Si; 2,93% Си; 2,04% Ni; 0,52% Мп; 0,38% Сг; 0,24% Ti; 0,68% Mg-0,1% Zr; 0,56% Fe.

Предел прочности при растяжении и относительное удлинение заэвтектических силуминов, модифицированных фосфорорганическими соединениями (в частности, хлорофосом и трифинилфосфатом), выше этих же характеристик сплавов, модифицированных другими способами, в среднем соответственно на 10—15% и на 40—50%. Интересно отметить, что относительное удлинение модифицированных фосфорорганическими соединениями сплавов достигало на целом ряде образцов 2,0—2,5%.

Механизм модифицирования заэвтектических силуминов фосфор-органическими соединениями можно представить следующим образом. Как было показано прямыми экспериментами по фильтрации расплавов, при введении в заэвтектические силумины фосфора образуется фосфид алюминия, параметры кристаллической решетки которого (структурный тип сфалерита ZnS) очень близки к параметрам кристаллической решетки кремния (тот же структурный тип). Вследствие этого, согласно принципу структурного и размерного соответствия, мельчайшие частицы фосфида алюминия служат зародышами для кристаллов кремния. Вместе с тем при введении углерода в расплаве, по-видимому, образуются частицы карбида кремния и карбидов других металлов (TiC, ZrC и др.), которые являются готовой кристаллической подкладкой для кристаллизующегося из расплава первичного кремния. Таким образом, измельчение кристаллов первичного кремния связано с увеличением числа центров кристаллизации.

Проведенные эксперименты показали более высокую эффективность комбинированных фосфорорганических модификаторов по сравнению с другими известными в настоящее время модификаторами, в том числе зарубежными препаратами «Alphosit», «Phoral» и др. Помимо наиболее важного достоинства фосфорорганических модификаторов — одновременное измельчение и кристаллов первичного кремния и эвтектики, эти модификаторы имеют еще следующие достоинства. Операция модифицирования не связана с изменением состава сплава и не требует высокого перегрева расплава.

Введение в расплав правильно подобранных фосфорорганических соединений не сопровождается пироэффектами и выбросами металла, часто происходит при модифицировании заэвтектических силуминов термитными смесями.

2.4. Кратковременные испытания литейных

алюминиевых сплавов при

повышенных температурах

Литые детали из алюминиевых сплавов широко применяются в конструкциях разового назначения, претерпевающих воздействие высоких температур и напряжений. Для таких условий работы требуются не столько жаропрочные сплавы, сколько сплавы с высокой исходной прочностью, так как литые детали можно кратковременно нагревать до высоких температур без существенных изменений их свойств.

В литературе имеется много данных, характеризующих жаропрочность литейных алюминиевых сплавов, однако о сплавах, предназначенных для деталей разовых назначений, сведений не имеется. Поэтому в этой главе приводятся результаты кратковременных испытаний на разрыв (от 10 сек до 60 мин) при температурах 100, 200, 300, 400^о С. Эти данные имеют исключительно важное значение для конструкторов и технологов, создающих изделия разового назначения.

2.4.1. Кратковременные испытания сплавов на

растяжение по обычной методике

Данные исследования механических свойств сплавов АЛ4, АЛ5, АЛ7, АЛ9, АЛ20 и АЛ24 в зависимости от условий испытания заимствованы из работы О. Б. Лотаревой и Л. И. Локтионовой. Испытания при повышенных температурах разделялись на кратковременные и длительные и проводились на образцах диам. 10 мм с литейной коркой. Перед испытанием сплавы подвергали термической обработке по обычно применяемым в промышленности режимам. Сплав АЛ24 испытывали в литом состоянии. Кратковременные испытания проводили при температурах 100, 150, 175, 200 и 250' С по общепринятой методике, заключающейся в прогреве образца без нагрузки в течение 30 мин и в постепенном его нагружении до разрушения.

Полученные результаты показали, что при температуре 100° С предел прочности сплавов АЛ5 и АЛ7 (Т5) практически не изменился, а у сплава АЛ7 (Т4) прочность снизилась. Некоторое повышение предела прочности при этой температуре можно отметить у сплава АЛ24, очевидно, за счет склонности этого сплава к старению. Снижение предела прочности остальных сплавов началось с температуры 100^: С. Относительное удлинение всех сплавов до 200^е С повышается незначительно, но при более высоких температурах оно резко увеличивается. Результаты испытания сплава АЛ7 (Т5) показывают, что предел прочности можно повысить за счет старения.

Ряд деталей, изготовляемых литьем под давлением, из сплавов АЛ22, АЛ20 и АЛ5 работает при повышенных температурах. На квазибинарном разрезе Al—Mg₃Sb₂ имеется эвтектика, содержащая примерно 0,5% Mg₃Sb₂ (0,38% Sb и 0,12% Mg), с температурой плавления 658°С [3]. Максимальная растворимость в твердом состоянии составляет порядка 14% Mg, растворимость сурьмы в алюминии пренебрежимо мала (менее 0,0 *%Sb). Высокотемпературная форма, по-видимому, кубическая.

Параметр решетки твердого раствора сплавов, богатых алюминием, зависит главным образом от содержания магния. Добавка сурьмы уменьшает поверхностное натяжение на границе раздела жидкость — газ сплавов системы Al—Mg; сурьма способствует улучшению коррозионной стойкости в морской воде. Подробности приведены в ч. II.

2.5. Диаграмма Al — Mg — Si

Эта простая по строению диаграмма состояния тщательно изучена. Хороший обзор по системе А1—Mg—Si выполнен авторами работ. В равновесии с алюминиевым твердым раствором находится соединение Mg₂Si. Оно лежит на квазибинарном разрезе Аl—Mg₂Si, отвечающем отношению концентраций Mg: Si=l,73. В табл. 10 приведены двойные и тройные нонвариантные реакции в области, богатой алюминием.

Таблица 2.10

НОНВАРИАНТНЫЕ РЕАКЦИИ В АЛЮМИНИЕВОМ УГЛУ ДИАГРАММЫ Al-Mg-Si

Точки реакций на диаграмме	Реакция	Содержание элементов, %				t, ^оC
		жидкость		А1
		Мg	Si	Мg	Si
A	Ж - AI+Si	—	12,5	—	1,65	577
B	Ж - А1 + Мg₅Аl₈	34,0	—	17,4	—	450
C	Ж - AI +Mg₂Si	8,15	7,75	1,17	0,68	595
D	Ж - Al + Mg₂Si + Si	4,96	12,95	0,85	1,10	555
Е	Ж - А1 + Мg₂Si+ Мg₅Аl₈	32,2	0,37	15,3	0,05	449

Химический состав фаз Si, Мg₅Аl₈ и Mg₂Si, участвующих в реакциях по-видимому, незначительно отличается от стехиометрического. Атомы магния и кремния в алюминиевом твердом растворе стремятся к образованию «молекул» Mg₂Si. Растворимость Mg₂Si в твердом алюминии в твердом состоянии несколько уменьшается, если содержание кремния превышает отношение концентраций Mg : Si=l,73

Алюминиевый угол диаграммы Аl—Mg—Si:

а — проекция поверхности ликвидус; б — распределение фазовых областей в твердом состоянии. Концентрации, отвечающие точкам А, В, С, D и Е, приведены в табл. 11 — линия квази-бинарного разреза

Соединение Mg₂Si (63,2% Mg и 36,8% Si) обладает кубической решеткой (12 атомов в элементарной ячейке) с параметром а = 6,35н-6,40 А. Оно изоморфно фазам Mg_sGe, Mg₂Pb, MgsSri, но имеет очень узкую область существования. Его температура плавления составляет 1087°С, плотность - 1,88 г/см³.

Таблица 2.11

ИЗМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ АЛЮМИНИЕВОГО ТВЕРДОГО РАСТВОРА, В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

t. °c	A, Mg	B		C		D		E, Si
t. °c	A, Mg	Mg	Si	Mg	Si	Mg	Si	E, Si
595	-----	-----	-----	1,17	0,68	----	__	__
577	___	-----	____	1,10	0,63	-----	—	1,65
552	___	-----	____	1,00	0,57	0",83	1,06	1,30
527	___	__	____	0,83	0,47	0,6	0,8	—
502	___	__	___	0,70	0,40	0,5	0,65	0,80
452	17,4	15,3	0,1	0,48	0,27	0,3	0,45	0,48
402	13,5	11	0,0x	0,33	0,19	0 22	0,3	0,29
302	6,7	5	0,0x	0,19	0,11	0,1	0,15	0,06

В неравновесных условиях (после кристаллизации с большой скоростью охлаждения) появляется тенденция к локальной ликвации. При этом кристаллы кремния могут появляться в сплавах, где кремний должен входить в соединение Mg₂Si. Благодаря ликвации соединение Mg₂Si или Mg₅Al₈ может присутствовать в сплавах, которые в равновесном состоянии являются однофазными. Однако при получении материалов в полностью неравновесных условиях значительное различие в структуре отсутствует.