ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА ДЛЯ СТЕКЛОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 669.017.53

ТЕХНОЛОГИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА

ДЛЯ СТЕКЛОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ*

А. Н. ПРУДНИКОВ, доцент, канд. техн. наук,

СибГИУ, г Новокузнецк

Статья посвящена разработке технологии приготовления и обработки (металлургической и термической) алюминиево-кремниевого сплава, легированного кобальтом, предназначенного для получения стеклометаллических соединений с легкоплавкими стеклами типа ЖЗС-18.

Clause is devoted to development of technology of preparation and processing (metallurgical and thermal) the aluminium-silicon alloy alloyed by cobalt, intended for reception of has flown down-metal connections with fusible glasses of type ЖЗС-18.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: СПЛАВ, ОБРАБОТКА, ОТЖИГ, СТЕКЛОМЕТАЛЛИЧЕСКОЕ СОЕДИНЕНИЕ, СВОЙСТВА.

Для создания стеклометаллических зеркал, применяемых в космической технике, обычно используют прецизионные сплавы - инвары на основе системы Бе-№ (29НК, 47НХР и др.). Наиболее широко распространен сплав марки 29НК (ковар), разработанный еще в середине тридцатых годов прошлого столетия, как пара для бо-росиликатных стекол. Этот сплав имеет следующий химический состав, % (вес.): N1 - 28...29, Со - 17.18, Бе - остальное [1] и хорошо согласуется по тепловому расширению с указанными выше стеклами. С развитием специального приборостроения особую актуальность приобретает проблема разработки легких материалов, и в частности, на основе алюминия. Алюминий обладает рядом достоинств, которые делают его наиболее перспективным для стеклометалличе-ских зеркал: малый удельный вес, большая отражательная способность, высокая теплопроводность, относительно высокая химическая стойкость, технологичность механической обработки, высокая коррозионная стойкость.

Ранее [2] авторами был разработан состав алюминиевого сплава для пайки со специальным

стеклом ЖЗС-18. Химический состав включал следующие компоненты, % (вес.): - 18.20; Со - 18.20; РЬ - 0,5.1; А1 - остальное. Причем при разработке сплава добивались получения наиболее согласованного значения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) с коэффициентом стекла, особенно в эксплуатационном диапазоне температур. С этой целью изучено влияние таких легирующих элементов, как Со, N1, Си, БЬ, РЬ на линейное расширение и микроструктуру сплава основы А1 -20 % Б1. При выборе способа кристаллизации сплава исследованы следующие режимы: заливка в алюминиевый кокиль (скорость кристаллизации ~ 20 град/с) и медный (~ 40 град/с), имитация литья под давлением (~ 100 град/с). От заливки сплава в песчано-глинистые формы пришлось отказаться сразу в связи с тем, что при кристаллизации высоколегированных сплавов такого типа при литье с замедленной скоростью охлаждения происходит огрубление структуры, которое не позволяет сохранить удовлетворительный уровень механических характеристик для данного типа изделий. Выбор проводили

* Работа выполнена под руководством д.т.н., проф. В. К. Афанасьева

ТЕХНОЛОГИЯ 19

о -

о

® и

58

jge ~

3 2

4 X

н а

, 18

17

í 5

t = ■&1 м

9 § и S

16

15

14

■ / \

\ / i У

i J / \ J

7 ■

/

50 100 150 200 250 300 350 400 Температура испытания, °С

о S

=Н

CU о

20

са ^ 18

s =

4 н

5

cu =

Я =

m о tí

о

X 16

а

tí s

!S 14

=

I"

10

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

/ / f 4

__¿ -- ■У

л ^ -Л

А 1

50 100 150 200 250 300 350 400 Температура испытания, °С

20 град/с —*— 40 град/с

• 100 град/с

Рис. 1. Влияние скорости кристаллизации на линейное расширение сплавов: а - Л1-15%Со-5%№-5%Си; б - Л1-20%81-15%Со-5%№-5%Си

по результатам определения ТКЛР сплавов различного химического состава, содержащих указанные выше элементы, залитых с различной скоростью кристаллизации. Экспериментальные результаты для двух составов приведены на рис. 1. Для всего семейства исследованных сплавов можно отметить тенденцию к усложнению температурной зависимости ТКЛР, и иногда к появлению на этой зависимости экстремумов: как минимумов, так и максимумов (см. рис. 1,а). При наличии в сплаве характер линейного расширения будет зависеть от его содержания. Так, для сплавов с 11% при увеличении скорости кристаллизации до ~ 100 град/с на кривой а - Т появляется минимум при температуре 350 °С. Для сплавов с 20 % - тенденция усложнения зависимости а - Т также сохраняется,

исп г 1

но в меньшей мере, чем для сплавов, не содержащих кремний (см. рис. 1,б). Увеличение в составе кремния до 30-40 % приводит к повышению интенсивности расширения с ростом скорости кристаллизации. Кроме того, при высокой скорости кристаллизации (жидкая штамповка) в составе сплава всегда содержится повышенное содержание водорода и других газовых примесей, чем при литье в кокиль или песчано-глинистые формы [3]. Поэтому в процессе спаивания стекла с гозонасыщенным металлом из него при температуре выдержки и охлаждении происходит выделение газов в стекло в виде пузырей, которое находится в вязком состоянии, и при охлаждении эти пузыри остаются в стекле, ослабляя тем

самым прочность сцепления соединения. Таким образом, с целью получения заготовки из высоколегированного сплава на основе системы Al-Si для спаивания его со стеклом ЖЗС-18 был выбран способ кокильного литья.

Одним из эффективных способов регулирования микроструктуры и свойств сплавов является обработка расплава. Поэтому была изучена возможность уменьшения или стабилизации ТКЛР при одновременном модифицировании микроструктуры сплавов Al-Si-Co за счет изменений условий приготовления, в том числе обработки расплава.

Были изготовлены кокильные отливки из сплава Al-20%Si-20 % Co на первичном алюминии А7, более «грязном» в отношении примесей АО и с обработкой расплава водяным паром, оксидом Fe(III) и фосфористой медью МФ1. Заливку сплава проводили с температур 950.. .100° С в холодный алюминиевый кокиль. Результаты дилатометрического анализа приведены в табл. 1. Использование для приготовления сплавов алюминия А0, вместо ранее применявшегося А7, позволяет понизить значение коэффициента во всем температурном диапазоне на 3.8 %, по-видимому, за счет примесей Si, Fe, Cu и Ni, содержащихся в А0 в большем количестве. Совместная обработка расплава водяным паром и порошкообразным оксидом Fe(III) приводит к измельчению в структуре сплава выделений первичного кремния и фазы Co2Al9, что должно положительно сказаться на механических характеристиках отливок. Однако этого не происходит

№ 2 (43) 2009 15

а

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ТЕХНОЛОГИЯ

Таблица 1

Влияние условий приготовления и легирования на линейное расширение сплава А1-20 % 81-20 % Со

Условия приготовления, легирование Коэффициент линейного расширения, а-106, град \ при Т °С

50 100 150 200 250 300 350 400

Приготовление на А7 13,0 14,1 14,7 15,2 15,5 16,4 17,4 18,0

Приготовление на А0 13,0 13,6 13,7 14,0 14,8 15,3 16,6 17,4

То же, обработка водяным паром и оксидом Бе (III) 12,7 13,8 14,8 15,3 15,9 16,6 17,1 17,3

Приготовление на А0 и переплав 13,0 13,5 13,8 14,1 14,5 15,0 15,8 16,4

То же и легирование 1% БЬ 12,9 13,7 14,1 15,1 15,9 16,2 16,6 17,3

То же, но легирование 1% РЬ 11,9 13,1 13,6 14,3 15,0 17,1 18,1 16,6

Приготовление на А0, переплав и обработка 0,5% СиР 13,0 13,5 13,6 14,1 15,2 16,1 17,2 17,3

Приготовление на А0, переплав, легирование БЬ и РЬ по 1 % и обработка 0,5 %х СиР 13,1 13,8 14,0 15,3 15,9 17,0 17,2 17,6

1 Процент от веса расплава

по причине появления пористости в отливках, а значение ТКЛР при такой обработке расплава повышается, начиная уже с температуры испытания 100 °С. Для других видов обработки можно отметить некоторое снижение ТКЛР сплава (добавка РЬ), повышение (добавка БЬ, совместное введение РЬ и БЬ с обработкой СиР) или неизменность в диапазоне температур испытания 50.200 °С, наиболее важном для получения качественного соединения стекло-металл (см. табл. 1).

Высокие температуры, необходимые для приготовления сплава, и значительные количества легирующих компонентов способствуют растворению большого количества водорода в металле, который является причиной появления пористости при затвердевании отливок. Одним из способов уменьшения газосодержания является переплав [4]. Поэтому серия опытных сплавов была изготовлена по технологии, предусматривающей приготовление

первичного сплава Л1-20%81-20%Со на алюминий А0, его заливка с температур 950.1000 °С и дальнейшее использование в качестве основы для приготовления конечного сплава. После переплава первичного сплава проводили легирование (РЬ, БЬ) или модифицирование и заливку с температур 820.850 °С в алюминиевый кокиль. Все указанные выше обработки расплава модифицируют микроструктуру отливок и повышают временное сопротивление разрыву до 51 МПа и плотность сплава (табл. 2). Содержание водорода, определенное методом вакуум-нагрева, снижается после переплава и переплава с легированием (РЬ, БЬ) с 2,2 см3/100 г до 1,5.1,7 см3/100 г .

В результате экспериментов по пайке ЖЗС-18 с образцами из сплавов, приготовленных с различной обработкой расплава и легированием, были получены стеклоалюминиевые соединения без трещин и сколов. Однако в этих соединениях

Таблица 2

Механические свойства, плотность и содержание водорода в сплаве А1-20 % 81-20 % Со в зависимости от условий приготовления и легирования

Условия приготовления, легирование Временное сопротивление разрыву, сВ, МПа Плотность, кг/м3 Содержание водорода, см3/100 г

Без обработки 40 3110 2,2

Переплав 40 3118 1,5

Переплав, 1% РЬ 46 3140 1,7

Переплав, 1% БЬ 44 3125 1,6

Переплав, 0,5% СиР 48 3122 1,8

Переплав, 1 % РЬ и 1 % БЬ, 0,5 % СиР 51 3160 2,0

ТЕХНОЛОГИЯ

65

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

60

55

« а

„ 50

45

40

35

т, ч

20

^ 18

« и g » ~

s

4 X 16

н а -

а К

5 В

| В 14

S «

± я

м

в В 12

О О 12

Ов

* &

10

/ к

— к

V п \

50 100 150 200 250 300 350 400 Температура испытания, °С

—♦—Без нагрева; —а— т=3 ч; —■—т=5 ч; —*—т=7 ч

а б

Рис. 2. Влияние времени выдержки при температуре отжига 560 °С на временное сопротивление разрыву

(а) и ТКЛР (б) сплава Al-20%Si-20%Co-1%Pb

присутствовал другой вид дефектов - пузыри в затвердевшем после пайки стекле, которые, с одной стороны, ослабляют прочность сцепления стекла с металлом, а с другой - ухудшают оптические свойства стеклометаллических соединений. Образование пузырей в стекле объясняется тем, что степень дегазации сплава оказалась недостаточной, и при нагреве под пайку проходит активная дегазация, удаляющиеся газы образуют пузыри на границе стекло-металл, которые вследствие высокой вязкости расплавленного стекла сохраняются в нем при охлаждении спая.

Таким образом, содержание водорода в сплаве на уровне 1,5.1,7 см3/100 г является избыточным и необходимо для получения качественных соединений использовать дополнительную термическую обработку. Причем термическая обработка должна уменьшать газосодержащие заготовки, повышать уровень прочности подложки и не увеличивать способность сплава к расширению. С этой целью было изучено влияние закалки на линейное расширение и паяемость сплава системы Л1-Б1-Со. Закалка проводилась с температур 500 °С и далее через 10 °С до 570 °С со временем выдержки 1.5 ч и охлаждением в холодную воду, кипящую и масло. При всех режимах закалки в холодную воду на поверхности образцов появляется сетка мелких закалочных трещин. Использование более «мягких» сред охлаждения уменьшает размер и количество этих трещин, но

полностью их не устраняет. Поэтому была исследована возможность использования отжига в качестве предварительной термообработки. Температура отжига составляла 500, 560 °С, время выдержки - 1.7 ч. Результаты определения механических свойств и ТКЛР образцов из сплава Л1-20%81-20%Со-1,0%РЬ после отжига при 560 °С приведены на рис. 2. Видно, что способность сплава к расширению после отжига образцов остается на уровне литого металла, а временное сопротивление разрыву возрастает с увеличением времени выдержки до 5 ч. Снижение прочности отожженных в течение 7 ч образцов объясняется наступлением ранних стадий пережога, что проявляется в укрупнении промежуточных фаз, наблюдаемом в микроструктуре сплава при металлографическом анализе.

Известно [5], что с помощью использования сред, в которых проводят нагрев и выдержку образцов, можно интенсифицировать процессы, идущие при термической обработке. Поэтому для сокращения длительности выдержки отжиг проводили в среде кварцевого песка (8Ю2) при температуре 560 °С в течение 1.7 ч. Результаты определения временного сопротивления разрыву и ТКЛР после отжига в среде БЮ2 для образцов из сплава Л1-20%Б1-20%Со-1,0%РЬ приведены на рис. 3. Видно, что максимум прочности достигается после отжига в среде БЮ2 в течение 2 ч. Увеличение времени выдержки при отжиге в среде

№ 2 (43) 2009 1 7

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ

65

60

03

О

. 55

50

45

20

о 'н и 9 о S 8 & 18 SB « ' s 2 ч х16 а

н =

о S

я

S

п о

и

к

я 14

щ

&

S

Ц 12

й

10

/ \

____^ / Л к

И >

0

Рис.

50 100 150 200 250 300 350 400 Температура испытания, °С

12 4 —»—Без нагрева; —Я— т=1 ч;

т, ч —■— т=2 ч; —т=4 ч

а б

3. Влияние времени выдержки при температуре отжига 560 °С в среде SiO2 на временное сопротивление разрыву (а) и ТКЛР (б) сплава Al-20%Si-20%Co-1%Pb

8Ю2 не приводит к дальнейшему упрочнению и вместе с тем увеличивает значение ТКЛР сплава. Газовый анализ образцов показал, что в результате отжига содержание водорода снижается до уровня 0,7.1,1 см3/100 г .

Достигнутые значения содержания водорода являются достаточными для получения качественного паяного соединения со стеклом ЖЗС-18 (отсутствие пористости на границе металл-стекло). В микроструктуре сплава после отжига в кварцевом стекле (2 ч) наряду с алюминиевым твердым раствором присутствуют первичные кристаллы кремния, выделение фазы Со2А19 и тройная эвтектика А1-8ьСо (рис. 4). Удельный вес сплава после отжига составляет 3118.3140 кг/м3, что в 2,5 раза меньше, чем у сплавов системы Бе-№ (например, ковара).

Рис. 4. Микроструктура сплава А1-20%8ь20%Со-1%РЬ после отжига в среде 8Ю2 в течение 2 ч х 100

Вывод. Разработана технология приготовления и обработки сплава А1-20%81-20%Со-1,0%РЬ для получения стеклометаллических соединений с легкоплавкими стеклами типа ЖЗС-18. Установлено, что газосодержание сплава перед пайкой со стеклом не должно превышать 1,1 см3/100 г . Процесс получения литых заготовок из сплава А1-81-Со включает приготовление первичного сплава, его заливку в кокиль с температуры 950.1000 °С, дальнейший переплав, легирование свинцом и заливку в кокиль с температуры 820. .850 °С. Кроме того, процессу пайки должен предшествовать отжиг заготовок в среде кварцевого песка в течение 2 ч с охлаждением на воздухе.

Список литературы

1. Прецизионные сплавы: справочник / под ред. Б.В. Молотилова. - М.: Металлургия. - 1983. - 439 с.

2. А. с. 1340197 СССР, МКИ3 С 22 С 11/04. Сплав на основе алюминия/ В.К. Афанасьев, А.Н. Прудников, И.А. Сушкова, В.Г. Плотников (СССР). - Заявл. 15.08.85: опубл. 10.10.08. Бюл. № 28.

3. Водород и свойства сплавов алюминия с кремнием / В.К. Афанасьев, И.Н. Афанасьева, М.В. Попова и др. - Абакан: Хакасское кн. изд-во, 1998. - 192 с.

4. Копобнев И.Ф. Газовая пористость и методы борьбы с ней в алюминиевых сплавах/ И.Ф. Копобнев, М Б. Альтман. - М.: ИТЭИН, 1948. - 136 с.

5. Патент 2007494 РФ. Способ термической обработки алюминиевых сплавов / В.В. Ушакова, С.С. Шараев, М.В. Попова, К.А. Воротынцев. - заявл. 05.05.91; опубл. 26.07.94. Бюл. № 3.