Высокопрочный высокотехнологичный литейный алюминиевый сплав АЛ4МС Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ЛЕГКИЕ СПЛАВЫ

УДК 669.715

Е.С. Гончаренко, И.С. Корнышева, И.И. Вавилова, И.Л. Николаева

ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫЙ ЛИТЕЙНЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ АЛ4МС

Развитие современного машиностроения, в том числе авиационной и космической техники, автомобилестроения, требует создания новых конструкционных материалов с повышенными характеристиками прочности и пластичности.

Литейные алюминиевые сплавы системы Л1-Б1-М§ (силумины), обладающие достаточно высокими литейными свойствами в сочетании с высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, применяются для деталей и приборов сложной конфигурации средней нагруженности.

Добавка меди к силуминам позволила разработать сплавы (медистые силумины), отличающиеся более высокими по сравнению с силуминами значениями прочности (на ~10%). Более высокую прочность медистых силуминов в термообработанном состоянии (закалка + старение) обеспечивает сочетание двух упрочняющих фаз М§2Б1 и СиЛ12.

Введение малых добавок переходных металлов (Т и 2г) в силумины и медистые силумины приводит к повышению механических свойств вследствие измельчения зерна при кристаллизации за счет уменьшения первичных зерен а-твердого раствора, что благоприятно сказывается на форме кристаллизации эвтектик.

В работе, с учетом положительного опыта введения скандия в деформируемые алюминиевые сплавы, проведено исследование влияния введения малых добавок скандия на структуру и свойства силуминов и медистых силуминов.

В сплав системы Л1-Б1-М§ (сплав типа Б357 или АК7п.ч.) вводили скандий в количестве от 0,1 до 0,3% из лигатуры Л1-2%Бс.

Влияние скандия исследовали с помощью адиабатического сканирующего калориметра 8Н-3000 («Синку-Рико», Япония). Образцы из сплава системы Al-Si-Mg без скандия и с добавкой скандия в литом и термообработанном состояниях нагревали в атмосфере аргона со скоростью 3 град/мин.

Установлено, что добавка скандия в таких пределах не меняет ход кривых удельной теплоемкости во всех четырех случаях. На рис.1 схематично представлен ход кривой изменения удельн ой теплоемкости при нагреве. Следовательно, добавка скандия не влияет на температуру нагрева под закалку. Поэтому образцы скандийсодержащего сплава системы Л1-Б1-М§ подвер гались термообработке по стандартному для этих сплавов режиму Т5: после нагрева до температуры 540±5°С и выдержки в течение 10 ч закалка в воде 20°С, старение при температуре 175±5°С в течение 6 ч, охлаждение на воздухе. Термообработанные образцы подвергали механическим испытаниям - изменение предел а прочности и относительного удлинения приведены на рис. 2 и 3.

Рис.1. Схематичный вид кривой изменения теплоемкости сплава

а„, МПа

400

300'

----

о

0 0,1 0,2

Содержание скандия, %

Рис. 2. Влияние содержания скандия на изменение предела прочности силумина (• — система А1—81-и медистого силумина (о — система А1—81—1Си—'Т1—&) в термообработанном состоянии (режим Т5)

0,3

0,1 0,2 0,3

Содержание скандия, % Рис. 3. Влияние содержания скандия на изменение относительного удлинения силумина (• — система А1—81—и медистого силумина (о — система А1—81—Си—М^'Т1—2г) в термообработанном состоянии (режим Т5)

Анализ полученных данных показал, что введение скандия в сплав системы Al—Si—Mg приводит к повышению прочности на ~16%, относительного удлинения — на ~30%.

Из работ И.Ф. Колобнева известно, что легирование силуминов медью приводит к повышению степени пересыщения твердого раствора второй упрочняющей фазой. Но медь приводит к огрублению эвтектики а+81, а следовательно, к снижению относительного удлинения. Для повышения и прочности, и пластичности сплавов системы А1—81—М^ их необходимо комплексно легировать медью, титаном, цирконием. С целью дополнительного повышения прочности и пластичности в сплав А1—81—Си—М^—'Т1—2г дополнительно вводили скандий из лигатуры А1—2%8с.

В таком многокомпонентном сплаве в процессе кристаллизации образуются следующие эвтектики: а+81+М§281+СиА12+'^А1хМ§5Си4814) — с температурой плавления 498°С; а+Mg28i+CuAl2+W — с температурой плавления 505°С; а+М§281+СиАЬ — с температурой плавления 517°С; а+81+СиА12 — с температурой плавления 525°С; а+81 — с температурой плавления 577°С.

Поэтому во избежание пережога нагрев под закалку такого сплава осуществлялся в три стадии.

Результаты испытаний образцов из сплава А1—81—Си—Mg—Т1—2г с добавками скандия от 0,1 до 0,3%, отлитых в кокиль, в закаленном и состаренном состоянии показали (см. рис. 2 и 3), что введение скандия позволило повысить на ~20% предел прочности, а относительное удлинение — на ~30%. Это повышение можно объяснить тем, что скандий (переходный металл), являясь дополнительным центром кристаллизации, приводит к измельчению структуры при кристаллизации. После термической обработки (закалка + искусственное старение) в структуре образуются мелкие частицы А138с.

Проведеное исследование микроструктуры сплава А1—81—Си—Mg—'Т1—2г с добавкой скандия в состоянии Т5 позволило подтвердить оптимальность трехступенчатого режима нагрева под закалку. По структуре сплава после термической обработки видно (рис. 4), что все упрочняющие фазы переведены в твердый раствор, пережога нет.

Рис. 4. Микроструктура (*500) сплава А1-81-М-Си-8с-Т-2г в состоянии Т5 (литье в кокиль, травление в 0,5%-ном растворе плавиковой кислоты)

На основании проведенных исследований разработан высокопрочный высокотехнологичный литейный алюминиевый сплав, которому присвоена марка АЛ4МС. Сплав АЛ4МС обладает хорошими литейными свойствами: жидкотекучесть 370 мм, линейная усадка 1%, не склонен к образованию горячих трещин. Сплав АЛ4МС при литье в кокиль в состоянии Т5 обеспечивает предел прочности 360—400 МПа, относительное удлинение 4—6%.