СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Свойства антифрикционного сплава АМКО. Изменение свойств при переплавке его дугой

В литературе имеются сведения по результатам исследований диаграмм состояния “алюминий-медь-олово". В работе [ 172] рассмотрена тройная диаграмма “алюминий-медь - олово”. По результатам работы [172] в сплавах этой системы, богатой алюминием, тройные фазы не образуются. В равновесии с твердым раствором находятся химическое соединение СиА12 и чистое олово. Граница области расслоения в жидком состоянии находится за центром концентрационного треугольника. При 527 °С происходит превращение Ж -► А1 + СиА12 + Жл.

Нонвариантная точка отвечает концентрации 20 % меди и 25 % олова.

В области, богатой оловом, имеется тройное эвтектическое превращение при 228 °С:

Ж —> А1 + Sn + Cu6Sn5.

Эвтектика содержит, по-видимому, 0,5 % меди и 99,5 % олова. В работе показаны возможные варианты проекции ликвидуса и фазовых областей в твердом состоянии. По данным работ [173] добавка олова уменьшает растворимость меди в алюминии в твердом состоянии.

В работе [172] приведены результаты исследований сплавов системы “алюминий-медь-олово” в алюминиевом углу в области содержания олова 0,1-0,2 %. Судя по этим данным, в составе сплавов обнаружены а - твердый раствор, фаза CuAl2 и олово.

Система “алюминий-кремний-олово” рассмотрена в работе [172]. Система простая и, кроме фаз “алюминий", “кремний”, “олово”, других не содержит. Тройная эвтектика имеет такой же состав жидкой фазы, как и двойная эвтектика в системе “алюминий-олово” 99,5 олова и затвердевает при 228,3 °С.

По результатам исследований [172], для сплавов системы “алюминий-медь-олово” при постоянном содержании меди 40, 45, 50 % выделяются три области кристаллизации:

1 - сплавы с содержанием олова до15%, содержащие избыточные выделения фазы СиА12 и эвтектики а + СиА12;

2 - сплавы с содержанием 15-20% олова, кристаллизуются с образованием СиА12, двойной и тройной эвтектики;

3 - в сплавах, богатых оловом, вначале кристаллизуется тройная фаза А1жСиу5пг, затем тройная эвтектика.

На рис. 12.1 приведен снимок микроструктуры сплава АМКО 8-1-3, отлитого в кокиль. Шлифы для исследования приготавливались путем механической полировки с последующим электротравлением в растворе:

80 % Н3Р04 + 13 Сг203 + 7 Н20.

Плотность тока 1 А/см2, время электрополирования 20-30 с, катод - нержавеющая сталь.

Изучение микроструктуры проводилось на растровом электронном микроскопе РЭМ-200 при увеличении 400 - 800 крат. При просмотре микрошлифа было обнаружено, что структура сплава представляет собой а - твердый раствор с

выделением эвтектики по границам зерен. В объеме зерен видны интерметаллидные включения округлой формы.

Фрактографическое исследование излома показало, что характер разрушения сплава вязкий с крупными фасетками (рис. 12.2), микродефекты не обнаружены.

Для идентификации структурных составляющих проводились исследования микроструктуры сплава на микроскопах МИМ-7 и МИМ-8.

Для выявления структуры был использован травитель следующего состава: FeCl3 - 1,5 г; HCI - 5 мл; Н20 - 100 мл.

На основании анализа микроструктуры (рис.

12.3) сплава после травления можно сделать следующие предположения о фазовом составе сплава:

основой является а - твердый раствор (1); светлые включения (2) - по-видимому, CuAJ2; темная фаза (темно-коричневого цвета) - фаза на основе олова (3);

одиночные и редко встречающиеся выделения в виде “иероглифов" (4) не идентифицируются с известными фазами в системе "алюминий-медь-олово" Их появление связано, по-видимому, с присутствием примесей, возможно железа.

Анализируя характер выделения фаз, можно отметить следующее:

1 - выделения фазы Си А12 образуют сетку, что должно снижать пластичность сплава и повышать его литейные свойства (жидкотекучесть, заполняемость формы);

2 - форма выделений фазы иа основе олова различная: наряду с глобулярной, отвечающей, по-видимому, чистому олову, встречаются и колонки мелких выделений, которые, по - видимому, представляют собой вырожденную эвтектику состава АІ + СиА12 + или состава АІ + Sn + Cu6Sn5 Измерение микротвердости (Нм ) на приборе ПМТ-3 при нагрузке 1 г показало, что микротвердость твердого раствора составляет в среднем 158,3 МПа и по сечению зерен сильно меняется: от 89,9 МПа до 307,6 МПа, что говорит о значительной неоднородности твердого раствора.

Исследование микротвердости фаз показало, что наибольшая твердость у фазы CuAl2 - 666 МПа, наименьшая (ниже твердого раствора в 2-3 раза) - у фазы на основе олова. Твердость других фаз измерить не удалось, так как их размеры соизмеримы или меньше диагонали отпечатка алмазной пирамиды.

Изучение диаграммы состояния “алюминий-медь-олово" “алюминий-медь-кремний” “алюминий-кремний-олово",

2 - чистый кремний,

3 ( CuA12 + Sn + а) эвтектика,

4 - чистое олово.

На рис. 12.4 приведен снимок

дереватограммы образца цилиндрической формы с цилиндрическим отверстием при нагреве до 470 °С. Надереватограмме обнаружен тепловой эффект в районе температур 200-210 °С, соответствующий, по - видимому, плавлению эвтектики Al Sn или тройной эвтектики АІ - Си - Sn.

Качественный анализ присутствующих фаз был проведен с помощью установки “Стереоскан" S - 4-10. С этой целью шлиф из сплава AM КО после травления был изучен в различных характеристических излучениях: К6 - Си; КЛ Sn; а поглощенные электроны (рис. 12.5).

Анализ распределения основных легирующих элементов меди и олова показал, что медь, в основном, присутствует в эвтектических колониях, олово распределено в объеме зерна и в колониях приблизительно в равной мере. По границам зерен наблюдаются незначительные скопления олова. Крупных выделений чистого олова не обнаружено.

я в

Рис. 12.5. Распределение элементов в сплаве ЛМКО: а - распределение олова, Ка - Sn, ; б - распределение меди,

Ка - Си, ; в - общая картина поверхности вблизи замеров микротвердостн, а-поглощенные электроны, х 400

Количественный анализ фаз был произведен на установке МАР-1. Судя по данным марограммы (рис. 12.6), скопления меди и олова обнаруживаются по границам зерен. При этом содержание меди достигает 44 %, олова - 23 %. Значения концентраций меди и олова имеют различные соотношения, что свидетельствует о переменном составе интерметаллидов по границам зерен. Пики концентрации олова (рис. 12.6), очевидно, вызваны

вкраплениями чистого олова.

Приведенные данные, в основном, подтверждают сделанные нами предположения о фазовом составе сплава и характере расположения фаз в закристаллизовавшемся состоянии.

Учитывая фазовый состав и характер распределения фаз, можно сделать некоторые предположения о структурных особенностях сплава АМКО 8-1-3.

Судя по приведенным снимкам, сплав АМКО имеет равноосную гетерогенную структуру с размером зерен в пределах 100 мкм, которая представляет собой матрицу из твердого раствора меди и кремния в алюминии и

сложных эвтектик с выделением интерметаллидов по границам зерен. Эвтектические выделения по границам зерен в рассматриваемом сплаве создают своеобразный армирующий скелет, повышающий сопротивление сплава смятию. Матрица сплава выполняет роль мягкой основы и при одновременном наличии выделений чистого олова и фаз, богатых оловом, обеспечивает антифрикционные свойства и в сочетании со сплошной сеткой эвтектических выделений, равномерно распределяющих нагрузку по площади контакта, требуемый уровень сопротивления износу.

Таким образом, при наплавке рассматриваемого сплава для обеспечения высокой износостойкости необходимо получить наплавленный металл с равноосной гетерогенной структурой, имеющей сплошную сетку интерметаллидов по границам зерен.

Для оценки возможности наплавки деталей, изготовленных из антифрикционных алюминиевых сплавов, в процессе их восстановления исследовались изменения структуры и свойств сплава AM КО при одно - и многократном переплаве дугой неплавящимся электродом в среде аргона. Металлографический анализ шлифа после первого переплава (рис. 12.7) показал, что при кристаллизации переплавленного дугой слоя гетерогенность структуры сохраняется, однако наблюдается направленность роста зерен перпендикулярно границе сплавления. Размер зерен в поперечнике уменьшается до 10 мкм при длине зерна 100-150 мкм. Сплошность сетки эвтектических выделений вдоль границ зерен нарушается, наблюдаются отдельные скопления интерметаллидов у вершин зерен.

При этом из-за наличия большою интервала кристаллизации сплава АМКО формируется неровная

граница сплавления, происходит коагуляция олова и фаз на основе олова и их стягивание к границе сплавления. Трещины по границе сплавления не наблюдаются, что свидетельствует о возможности наплавки этого сплава аналогичным составом.

Повторный переплав приводит к существенному изменению структуры (рис. 12.8). Граница сплавления первого и второго переплавленных слоев имеет дезориентированную структуру без трещин.

В таблице 12.1 приведены результаты испытаний на износ при трении скольжения зон переплавленного металла. Испытания проводились на машине трения МИ-

ЇМ по стандартной методике, которая имитирует условия работы реальных пар трения [173, 174].

Судя по полученным данным, переплавленный дугой металл имеет более высокий в сравнении с литым сплавом коэффициент трения (0,18 против 0,15) и повышенный износ со смазкой (0,20 мг/см2.км против 0,13 мг/см2.км), что свидетельствует о снижении эксплуатационных характеристик материала. При этом кратность переплава не оказывает существенного влияния на свойства слоя.

Ухудшение антифрикционных свойств сплава при переплаве дугой связано, очевидно, с наблюдающимися при этом структурными изменениями.

Полученные данные свидетельствуют о необходимости введения в наплавленный металл модификатора, что следует учесть при разработке состава присадочного материала.

Литейные жаропрочные сплавы АЛ25, АЛ26, АЛЗО согласно литературным данным обладают удовлетворительной свариваемостью. Проведенные эксперименты по одно - и многократному дуговому переплаву поршней из этих сплавов вольфрамовым электродом в среде аргона и последующий металлографический анализ шлифов показал отсутствие трещин и несущественное изменение структуры.

Практический опыт наплавки поршней [175-177] и полученные результаты свидетельствуют о возможности многократной наплавки поршневых сплавов с целью их восстановления и упрочнения.