СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
Состав и свойства жаропрочных алюминиевых сплавов
Вопросы теории жаропрочности алюминиевых сплавов следует рассматривать на основе достижений физики твердого тела в познании механизмов пластического деформирования и разрушения кристаллических тел в широком интервале температур. Другой стороной теории жаропрочности алюминиевых сплавов является изучение зависимости механических свойств сплавов от их состава и особенностей фазового и структурного состояния.
Легирующие добавки, сильно искажающие кристаллическую решетку твердого раствора, способствуют повышению жаропрочности алюминиевых сплавов в меньшей степени, чем добавки, значительно усиливающие прочность межатомной связи без существенного увеличения искажения кристаллической решетки.
При длительном воздействии высокой температуры и нагрузки наибольшее сопротивление пластическому деформированию будет у твердых растворов с максимальной прочностью межатомной связи и с минимальным искажением кристаллической решетки [1].
Этот фактор следует учитывать при разработке новых алюминиевых сплавов в зависимости от области их применения. Например, чем выше планируется температура, при которой длительное время будет работать новый сплав, тем сильнее должна быть межатомная связь между основой сплава и легирующими элементами, имеющими низкий коэффициент диффузии в твердом алюминии.
Особенно повышает жаропрочность сплавов легирование элементами переходной группы, которые способствуют увеличению сил межатомной связи с алюминием, устойчивости зон Гинье-Престона (ЗГП) метастабильных фаз, а также росту и коагуляции стабильных фаз. Все это увеличивает торможение движения дислокаций, что повышает жаропрочность сплавов.
Важнейшими структурными факторами, влияющими
на жаропрочность алюминиевых сплавов, являются:
количество и характер распределения дефектов кристаллической решетки и их взаимодействие между собой и с атомами легирующих элементов; величина зерна твердого раствора, протяженность и состояние их границ;
количество, температура и форма кристаллизации эвтектики;
количество, величина и форма кристаллизации частиц вторых фаз, их расположение, а также их взаимодействие с твердым раствором в процессе нагрева; устойчивость твердого раствора, скорость формирования и укрупнения продуктов его распада.
Следует также отметить большое влияние на жаропрочность литейных алюминиевых сплавов ряда технологических факторов (скорость кристаллизации отливок, режима термической обработки и др.), которые могут сильно изменять как фазовый состав, так и величину, и характер расположения структурных составляющих в деталях. Изменяя те или иные технологические параметры, можно воздействовать как на структурные, так и на физикохимические характеристики сплава, что в определенных пределах обусловливает изменение его жаропрочности [2].
На жаропрочность алюминиевых сплавов сильно влияют количество, размеры и характер распределения вторых фаз. А. А.Бочвар указывал, что жаропрочность при температурах выше 0,6 Т достигается в основном за счет гетерогенизации структуры [3]. На повышение жаропрочности алюминиевых сплавов наиболее сильно влияют металлические соединения, в состав которых входят переходные металлы: AlgMn, А17Сг, AlyFeNi, Al12Mn}Cu, Al6CUjNi и др. Эти соединения устойчивы при повышенных температурах, они мало взаимодействуют с твердыми растворами, их частицы не склонны к укрупнению и коагуляции. Они препятствуют передвижению дислокаций. Дислокации внутри зерен твердого раствора вынуждены обходить их с образованием петель или переползанием. В обоих случаях дислокации перемещаются под воздействием
значительно больших напряжений, чем при скольжении.
В работе [2] показано, что жаропрочность гетерофазной смеси в сильной степени зависит от жаропрочности каждой из составляющих фаз; считается, что присутствие в сплавах жаропрочной избыточной фазы способствует повышению жаропрочности сосуществующего с ней твердого раствора, присутствие нежаропрочной избыточной фазы понижает высокотемпературную жаропрочность сосуществующего раствора и всей смеси. Поэтому для обеспечения высокой жаропрочности избыточная фаза должна быть тугоплавкой, сложной по строению и не содержать в своем составе металла - растворителя.
В значительной мере жаропрочность алюминиевых сплавов определяется структурой эвтектики и температурой ее плавления. С повышением температуры плавления эвтектики ее вклад в жаропрочность сплава увеличивается. Так как кристаллизация эвтектики происходит в последнюю очередь, она окружает зерна первичного твердого раствора, образуя между ними эвтектические прослойки [4]. В структуре многокомпонентных алюминиевых сплавов содержатся сложные эвтектики. Если отдельные составляющие эвтектики кристаллизуются в виде тонких игл, то роль эвтектики в упрочнении границ зерен может стать даже отрицательной, так как в этом случае составляющие эвтектики являются концентраторами напряжений. Наиболее благоприятна разветвленная форма кристаллизации устойчивых соединений, входящих в состав эвтектики. Этим обеспечивается надежное блокирование зерен твердого раствора. В системе АІ - Си Ni такой эвтектикой является, например, тройная эвтектика
а + Al}(CuNi)2 + AltiCUjNi
Экспериментальные данные показывают: сравнительно жаропрочными могут быть лишь те сплавы, которые отвечают по составу устойчивым первичным твердым растворам, комплексно легированным элементами с низким коэффициентом диффузии. К таким элементам относятся переходные металлы [5]. Повышенной жаропрочностью обладают сложнолегированные эвтектические сплавы алюминия AJI25, АЛ 26, АЛЗО.
Существенно воздействовать на жаропрочность позволяют скорость кристаллизации отливок, зависящая от способа литья, режимы термической обработки. В промышленных условиях в процессе литья с повышенной скоростью кристаллизации диффузия компонентов сплава не успевает полностью пройти. Обычно в отливках при комнатной температуре фиксируется метастабильное состояние пересыщенного твердого раствора. Поэтому структура и фазовый состав литых сплавов обычно существенно отличаются от указанных в диаграмме равновесного состояния.
Важная особенность сплавов алюминия с переходными металлами образование при повышенных скоростях кристаллизации пересыщенных твердых растворов на основе алюминия, содержание легирующих компонентов, в которых может во много раз превосходить предельную растворимость, указанную в равновесных диаграммах состояния [6].
Эвтектический силумин наряду с достаточно высокими прочностными характеристиками обладает относительно малым удельным весом, что позволяет облегчить детали и снизить инерционные силы, а также сравнительно высокой теплопроводностью, что дает возможность избежать их перегрева в процессе работы. Сравнительно низкий коэффициент линейного расширения дает возможность уменьшить холодный зазор между сопрягаемыми деталями, ликвидировать стуки при работе.
Следует отметить, что эвтектические легированные силумины (А/125, А/130), аналогичные зарубежным сплавам типа Low-Ex [7], отличаются сравнительно хорошими технологическими характеристиками. С точки зрения обрабатываемости резанием они лишь незначительно уступают алюминиево-медным сплавам. Сплав АЛ 25 имеет более высокую жаропрочность при 300°С по сравнению со сплавами АЛЗО и АЛ10В, хорошие физико-механические и технологические свойства, аналогичные свойствам сплава АЛЗО [8].
В связи с тем, что коэффициент линейного расширения и удельный вес бинарных сплавов системы Al-Si уменьшаются с увеличением концентрации кремния в сплаве, в настоящее время наблюдается тенденция применять для тяжелонагруженных деталей силумины с высоким содержанием кремния. С повышением концентрации кремния в сплаве, кроме того, повышаются износостойкость и коррозионная стойкость.
Сравнительно низкий коэффициент линейного расширения и высокая жаропрочность заэвтектических силуминов определили их преимущественное применение для рабочей температуры до 573-593 К, несмотря на то, что теплопроводность этих сплавов ниже, чем у эвтектических. Состав заэвтектических силуминов отличается от состава сплавов эвтектических силуминов, в основном содержащих кремний [ 1 ], который так же, как Zn и Mg, не повышает длительную твердость алюминия при 573 К, а коэффициенты диффузии их в алюминии очень высокие [9].
Исследования показали, что комплексное легирование медью, никелем и марганцем (или1 кобальтом) соответствует значительному повышению жарбпрочности сплавов типа силумин.
