Исследование применения сплавов системы Al-Mg-Si для производства поршней гоночных автомобилей (стр. 7 из 14)

Поверхностное натяжение тройных сплавов уменьшается при введении магния и кремния. Магний увеличивает, а кремний уменьшает параметр решетки алюминия. Значение параметра решетки твердого раствора магния и кремния в алюминии меньше расчетного значения, полученного суммированием эффектов от раздельного введения магния и кремния. По данным работы, параметр решетки уменьшается в процессе старения. Однако это противоречит общепризнанным сведениям. Изучено изменение параметра решетки при деформации. Термический коэффициент линейного расширения сплавов, близких по составу к разрезу Al—Mg₂Si, практически не отличается от алюминия. При большем содержании магния коэффициент несколько возрастает, при увеличении концентрации кремния снижается, но эти колебания незначительны. При отношении концентраций Mg: Si = 1,73 обнаруживается аномалия электросопротивления. Электросопротивление сплавов, содержащих l%Mg+Si, при 447°С составляет порядка 8,6—8,8 x 10^-8 Ом-м, а в сплавах с отношением Mg:Si=l,73 оно падает ниже 8,5 x 10^-10Ом-м. При комнатной температуре электросопротивление сравнительно невелико: 3—3,2-10^-8 Ом-м у сплавов с 1—1,5% Mg₂Si в полностью состаренном состоянии и 2,8—2,9x10^-8 Ом-м — после отжига. Избыток кремния увеличивает, а избыток магния уменьшает электросопротивление;

Температурный коэффициент электросопротивления составляет 3,6—3,8- 10^-12 Ом-м/°С . Сплавы переходят в сверхпроводящее состояние при

-271,9°С (1,3 К), но после старения до максимальной прочности температура перехода снижается до -272,5°С (0,7 К) .

Увеличение количества фазы Mg₂Si незначительно влияет на модуль упругости алюминия; при избытке кремния он повышается, а при избытке магния— несколько снижается. Скорость распространения ультразвука в алюминии слегка возрастает при увеличении концентраций силицида магния ; этот эффект более ощутим в присутствии избытка кремния. Электродный потенциал (относительно каломельного электрода) фазы Mg₂Si меняется в зависимости от поляризации в интервале 0,7—1,5 В, а потенциал алюминиевого твердого раствора мало меняется при растворении или выделении фазы Mg₂Si. Поэтому при правильном соотношении концентраций магния и кремния сплавы системы Al—Mg—Si обладают очень хорошей коррозионной стойкостью: в термически обработанном состоянии сплавы не чувствительны к межкристаллитной коррозии; к коррозии под напряжением. Межкристаллитная коррозия может возникнуть, если на границах зерен образуется сплошная прослойка выделений Mg₂Si . Избыток магния мало влияет на коррозионную стойкость. При избытке кремния формируется обедненная приграничная зона с электроотрицательным потенциалом по отношению к остальному материалу. Это может вызвать определенную склонность к межкристаллитной коррозии. Сплавы с большим избытком магния имеют несколько более низкую коррозионную стойкость, чем соответствующие композиции системы Al—Mg . Основным фактором, определяющим коррозионное поведение сплавов, богатых кремнием, является пара : алюминиевый твердый раствор — кремний, а малые добавки Mg₂Si обычно оказывают очень слабое влияние.

Скорость диффузии магния и кремния из сплавов, содержащих Mg₂Si (с избытком или без избытка кремния), в алюминий уменьшается при совместном присутствии этих двух элементов, оставаясь пропорциональной градиенту концентрации. В случае направленной кристаллизации квазибинарной эвтектики фаза Mg₂Si имеет такие же ориентационные соотношения с матрицей , как и при выделении из твердого раствора. Процесс выделения при старении начинается с образования сферических зон. На очень ранней стадии старения они удлиняются в направлении матрицы и приобретают иглообразную форму. Диаметр частиц на этой стадии составляет 15—60 А, длина 160—2000 А, а плотность распределения 2-10¹² мм-³ или 3-10¹⁵ мм-³. Образование частиц приводит к возникновению в матрице сжимающих напряжений, величина которых может достигать предела текучести.

Игольчатые выделения растут, приобретая сначала стержневидную, а затем пластинчатую форму фазы MgsSi (рис. приведён ниже). Максимум твердости отвечает моменту старения, предшествующему образованию пластинчатых частиц. Наибольший размер выделений перед началом разупрочнения составляет 0,03 мкм, что в 10 раз меньше, чем в других сплавах, упрочняемых при старении. Промежуточная фаза обладает частичной когерентностью с матрицей.

Рис. 110. Микроструктура сплава Аl — 0,9% Mg – 0.6% Si:

а — медленное охлаждение при закалке и старение при 177°С, 5 ч; грубые частицы (5-фазы, образовавшиеся в процессе охлаждения, мелкие выделения В-фазы, возникшие при старении, и зона, свободная от выделений вокруг частиц В’-фазы, х8000; б — закалка в воде и старение при 177°С, 5 ч; присутствует только В’-фаза, х40000 (данные Research Laboratory, Granges, Essem. Швеция): в — закалка в воде и старение при 302°С. 1 ч, крупные квадратные пластинки В-фазы, х25000 (данные-Bnnbury Research Center, Alcan Int. Ltd.)

Избыток кремния, увеличивая пересыщение матрицы, приводит к повышению плотности распределения зон. При этом эффект упрочнения при старении возрастает. Скорость старения в условиях приложения высокого давления уменьшается .

Влияние факторов, определяющих процесс старения носит обычный характер. Наибольшие скорость старения и максимум упрочнения отвечают содержанию Mg₂Si, несколько превышающему предельную растворимость в твердом состоянии. Холодная деформация ускоряет старение и уменьшает эффект упрочнения, но при достаточно большой степени деформации упрочнение превышает снижение эффекта дисперсионного отвердения. Холодная деформация после старения может привести к уменьшению прочности. На механические свойства состаренного материала существенно влияет также текстура. Закалка с очень высокой скоростью охлаждения способствует образованию весьма дисперсных выделений, поэтому для получения максимальных прочностных свойств требуется возможно большая скорость закалки. Закалка на воздухе уменьшает упрочнение при старении. Особенно это относится к сплавам с содержанием Mg₂Si, отвечающим предельной растворимости. Сплавы с меньшей концентрацией можно закаливать на воздухе, особенно в случае применения последующего искусственного старения для повышения прочностных свойств. Закалка в среде с температурой старения может улучшить или ухудшить механические свойства в зависимости от температуры старения. Большое влияние на свойства оказывает перерыв между закалкой и искусственным старением. Если низкотемпературное старение происходит до образования зон определенного размера, то при последующем искусственном старении зоны растворяются не полностью, а максимум на изотермах прочностных свойств уменьшается и носит размытый характер. Эффект тем

значительнее, чем ниже температура старения и выше содержание Mg₂Si. Это явление возникает уже через 1 ч старения при комнатной температуре. Нагрев до 227—277°С приводит лишь к частичному возврату в сплавах, состаренных при 127—177°С. Но путем использования специальной обработки возможно многократное получение эффекта возврата. Кратковременное предварительное старение (в течение нескольких минут при температуре выше комнатной) сразу после закалки подавляет старение при комнатной температуре. Небольшое повышение прочностных свойств, обусловленное интенсификацией процесса образования зародышей, возможно в результате кратковременной низкотемпературной (—33°С) обработки; при проведении всех этих обработок требуется очень точное соблюдение режима. Добавки меди, хрома, марганца и золота также влияют на эффект перерыва между закалкой и старением. Термомеханическая обработка с низко-, а затем высокотемпературным старением и пластической деформацией между этими ступенями старения улучшает свойства, но если содержание Mg₂Si превышает 1% (ат.), кратковременное предварительное старение приводит к ухудшению механических свойств . Циклическое нагружение вызывает растворение и повторное образование зон ГП в течение каждого цикла

2.6. Быстрозакристаллизованные сплавы на основе алюминия и способы их получения

Способы обеспечения быстрой кристаллизации расплава, разработанные в нашей стране и за рубежом открыли возможность получения совершенно нового класса сплавов, свойства которых значительно превосходят свойства сплавов, изготовляемых по традиционной технологии, через слиток. В зависимости от способа отвода тепла из металлического расплава методы быстрой кристаллизации можно разделить на две группы:

1) с конвективной теплопередачей;

2) с контактным охлаждением.

1. Кристаллизация с конвективной теплопередачей:

Основным процессом получения сплавов с конвективной передачей тепла при кристаллизации частицы, является метод распыления. Этот способ заключается в том, что струя расправленного металла подается в форсунку и дробится струей газа или воды высокого давления. Образующиеся при этом мельчайшие капельки затвердевают налету. Скорость охлаждения частиц зависит от размера капель, сечения и скорости струи металла, теплопроводности и давления распыляющего газа или жидкости. Ее величина может меняться от 1*10² до 1*10⁷ град/с. Размер частиц от 50 до 500 мкм. Одной из разновидностей процесса распыления является ультразвуковое газовое распыление, заключающееся в дополнительном воздействии на струю металла ультразвуковых колебаний. При этом удалось получить порошок с размером основной фракции 50 мкм. Скорость охлаждения при этом составляла 10⁵ град/с.