CC BY
68
УДК 669.8
Н. Е. Калинина, О. А. Кавац, А. К. Федючук
МИКРОЛЕГИРОВАНИЕ СТРОНЦИЕМ ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ
Аннотация: Рассмотрены литейные алюминиевые сплавы для отечественной и зарубежной ракетно-космической техники. Представлены существующие и возможные способы повышения механических характеристик сплавов. Приведены результаты исследований по микролегированию стронцием сплава АЛ4. Показаны структуры до и после модифицирования, оптимизировано содержание легирующего элемента с целью улучшения механических характеристик литейного сплава.
Вступление
Разработка новых узлов ракетно-космической техники ставит задачи повышения конструкционной прочности и коррозионной стойкости литейных алюминиевых сплавов. В отечественном ракетостроении применяют литейные алюминиевые сплавы АЛ4 и АЛ4С, из которых отливают детали типа "корпус" и "входной патрубок" турбонасосного агрегата ракетных двигателей. Химические составы указанных сплавов приведены в таблице 1.
Существуют аналоги отечественных силуминов, которые применяются в зарубежной ракетно-кос-
мической технике. В ракетах на жидком топливе фасонные отливки получают [1] из алюминиевых сплавов марок С355, А356, А357, 354, 357 и 359, химические составы которых приведены в таблице 2.
Из приведенных зарубежных сплавов наиболее широко применяется в ракетной технике сплав А357, который имеет высокую пластичность в сочетании с удовлетворительными литейными свойствами: стВ = 343 МПа; ст02 = 274 МПа; 8 = 5 %.
Таблица 1 - Химические составы сплавов АЛ4 и АЛ4С
Марка Массовая доля элементов, %
сплава М Si Mg Mn Fe Sb
АЛ 4 Основа 8,0-10,5 0,17-0,35 0,2-0,5 до 1,0 -
АЛ4С Основа 8,5-10,0 0,4-0,7 0,3-0,5 до 0,8 0,1
Марка сплава Массовая доля элементов, %
л1 Si Cu Mg Другие
354 Основа 9,0 1,8 0,5 -
С355 5,0 1,2 0,5 -
А356 7,0 - 0,3 -
357 7,0 - 0,5 -
А357 7,0 - 0,5 0,05 Ве
359 9,0 - 0,6 -
Таблица 2 - Химические составы литейных алюминиевых сплавов, применяемых в зарубежной РКТ
© Н. Е. Калинина, О. А. Кавац, А. К. Федючук 2006 г.
Формулирование проблемы
Современные пути повышения механических и технологических характеристик алюминиевых сплавов развиваются в двух направлениях: введением модификаторов либо физическим воздействием ( электромагнитным перемешиванием, ультра -звуковой обработкой и др.) на жидкий расплав или кристаллизующийся металл.
Модификаторы литейных алюминиевых сплавов делятся на две принципиально различные группы [2]. К модификаторам первого рода для алюминиевых сплавов относятся такие элементы, как Ti, Zr, B, Sb, входящие в состав сплава в количестве до 1 % (мас.). Эти элементы широко применяются в цветной металлургии и положительно себя зарекомендовали. К новейшим исследованиям относится применение порошковых модификаторов: карбида бора, карбида кремния, нитрида или карбида титана и других модификаторов [3, 4].
Модификаторами второго рода для силуминов являются натрий, калий и их соли. Основным недостатком этих легкоплавких модификаторов является то, что после обработки им расплава эффект модифицирования исчезает через 30-40 мин из-за испарения и окисления натрия. Следовательно, при разливке сплавов в производственных условиях необходимо проводить повторные операции модифицирования, что существенно снижает производительность труда, приводит к нерациональному использованию оборудования, перерасходу солей, снижению качества литья. Особенно существенно эти недостатки модифицирования силуминов натрием проявляются при использовании прогрессивных методов литья: литьё в кокиль, литьё под низким давлением, литьё с противодавлением, когда разливка металла из раздаточной печи продолжается в течение 5-6 час. Известно, что за рубежом [5] делаются попытки заменить модификаторы натрия и калия другими щелочноземельными металлами: Ва, Sr, Rb, Cs, Fr, Ка.
ГП ПО "Южный машиностроительный завод" совместно с Днепропетровским национальным университетом провели ряд теоретических и экспериментальных работ по микролегированию сплава АЛ4 добавками стронция.
Методика исследований
Стронций оказывает влияние на все стадии кристаллизации - зарождение кристаллов и их рост. В соответствии с современными представлениями, жидкие силумины вблизи температуры плавления имеют микронеоднородное строение и состоят из гетерофазных комплексов атомов кремния и микрообластей со статическим распределением атомов алюминия и кремния [6]. В отсутствие модификатора в гетерофазных комплексах преобладают направленные ковалентные связи Si-Si, что при-
водит к интенсивному зарождению и росту грубых дендритов кремния. Введение в расплав стронция, как элемента-донора, способного легко отдавать валентные электроны, приводит к металлизации ковалентной связи и распаду гетерофазных комплексов атомов кремния, что затрудняет зарождение кристаллов кремния. На стадии роста кристаллов решающее значение имеет накопление стронция на фронте кристаллизации, что приводит к кооперативному росту фаз, характерному для модифицированной структуры.
Стронций можно вводить как в металлическом виде (Тпл = 1043 К, ТКиП = 1643 К), так и в виде лигатур различного состава. Добавки стронция обеспечивают стабильный эффект модифицирования до 8 часов в широких пределах его содержания в расплаве (0,008-0,1 %).
Результаты исследований
С целью уточнения оптимального количества стронция в промышленном сплаве АЛ4 проведена серия плавок, в которых количество добавок стронция в виде алюминиево-стронциевой лигатуры А1-10 %Бг изменялось от 0,01 до 0,1 % (мас.). Результаты исследования показали, что оптимальное содержание стронция в сплаве АЛ4 составляет 0,05 % мас. (см. рис. 1). При этом прочность и пластичность сплава АЛ4 составляет соответственно ав = 322 МПа, 8 = 3%. Сплав без стронция обеспечивает более низкий комплекс механических характеристик: ств = 280 МПа; 8 = 1,6 %. На рис. 2 показаны микроструктуры немодифицированного и модифицированного стронцием алюминиевого сплава АЛ4.
Рис. 1. Зависимость прочности и пластичности сплава АЛ4 от добавки стронция
Рис. 2. Микроструктура сплава АЛ4: а - немодифициро-ванный; б - модифицированный 0,05 % Sr.
Микролегирование стронцием сплава АЛ4 до 0,01 % (мас.) лишь локально модифицирует эвтектику (а+Б1). Увеличение количества Бг до 0,02 % сильно измельчает эвтектический кремний. Добавки 0,03 и более вызывают полное модифицирование двойной эвтектики по всему объёму отливки, в структуре измельченной эвтектики появляются мелкие компактные выделения избыточной фазы БгД!2Б12, располагающейся на границах колоний.
Выводы
Стронций является эффективным модификатором второго рода для литейных алюминиевых сплавов. Добавки стронция обеспечивают стабильный
эффект модифицирования алюминиевых расплавов. Установлено, что стронций можно вводить как в металлическом виде, так и в виде лигатур. Оптимальное содержание стронция в алюминиевом сплаве АЛ4 составляет 0,05% (мас.), что обеспечивает повышение предела прочности на 15 % и относительного удлинения на 87 % по сравнению с исходным немодифицированным сплавом.
Список литературы
1. Smith A., William F. Structure and properties of engineering alloys. USA, 1981, Р. 204-205.
2. Металловедение алюминия и его сплавов. Справочник под ред. И.Н. Фридляндера. М.: Металлургия, 1983. - 522 с.
3. Михаленков К.В. Формирование структуры алюминия, содержащего дисперсные частицы нитрида титана / К.В. Михаленков, В.Г. Моги-латенко и др. // Процессы литья. - 2001.- №1. - С. 40-47.
4. Золоторевский В.С. Структура и прочность литых алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1981. - 315 с.
5. The Effect of Some Additions on the Modification characteristics of Al-Si Eutectic Alloys. - 50th International Foundry Congress, 1983, №11.
6. Мозберг Р.К. Материаловедение. М., Высшая школа, 1991. - 448 с.
Поступила в редакцию 22.02.2006 г.
Анотаця: Розглянуто ливарн1 алюм1н1ев1 сплави для в1тчизняно!'iзакордонно!ракетно-косм1чно1 технiки. Представлено iснуючi i можливi способи пiдвищення механiчних характеристик сплавiв. Наведено результати досл'джень по мiкролегуванню стронцем сплаву АЛ4. Показано структури до i п'1сля модифiкування, оптимiзований змiст легуючого елемента з метою полiпшення механiчних характеристик ливарного сплаву.
Abstract: The foundry aluminium alloys for domestic and foreign space-rocket engineering are considered. The existing and possible ways of increase of the mechanical characteristics of alloys are submitted. The results of researches on микролегированию стронцием of an alloy АЛ4 are given. The structures before modifying are shown, the contents легирующего of an element is optimized with the purpose of improvement of the mechanical characteristics of a foundry alloy.
