• Ключевые слова
  • Keywords
  • Экспериментальные методики
  • Результаты и их обсуждение



  • страница1/5
    Дата17.01.2018
    Размер0.67 Mb.
    ТипИсследование

    Исследование технологических и механических свойств новых литейных эвтектических алюминиевых сплавов типа «естественные композиты»


      1   2   3   4   5

    УДК 669.715

    Исследование технологических и механических свойств новых литейных эвтектических алюминиевых сплавов типа
    «естественные композиты»

    Наумова Е.А.1, к.т.н.; Белов Н.А. 2, д.т.н.; Никитин Б.К. 1; Громов А.В. 1

    Naumova Eugeniya Aleksandrovna, Belov Nikolay Aleksandrovich,


    Nikitin Boris Konstantinovich, Gromov Aleksandr Vasilievich
    jan73@mail.ru, nikolay-belov@yandex.ru
    1МГТУ им. Н.Э. Баумана

    2Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
    Аннотация:

    Исследованы структура, литейные и деформационные свойства эвтектических сплавов тройных систем Al-Ca-Ni, Al-Ca-Cu, Al-Ca-Fe и


    Al-Ca-Si в литом и термически обработанном состояниях. Показано, что тройные эвтектики (Al)+Al4Ca+Х (где Х – тройное соединение) имеют более дисперсную структуру по сравнению с алюминиево-кремниевой эвтектикой, что дает основание на создание так называемых естественных композитов при использовании обычного технологического оборудования

    Ключевые слова:

    системыAl-Ca-Ni, Al-Ca-Cu, Al-Ca-Feи Al-Ca-Si, термообработка, фрагментация, степень деформации, жидкотекучесть, горячеломкость.




    Abstract:

    The structure, castabily and deformabilityof some ternary eutectic alloys (Al-Ca-Ni, Al-Ca-Cu, Al-Ca-Fe and Al-Ca-Si) in the as-cast and heat treated states were studied.The ternary eutectics (Al)+Al4Ca+Х (where X –– ternary compound) had a much finer structure as compared to the Al-Si eutectic, which suggests a possibility for the creation of the so-called natural composites produced by conventional casting.



    Keywords:

    Al-Ca-Ni, Al-Ca-Cu, Al-Ca-Fe and Al-Ca-Si phase diagrams, heat treatment, microstructure,castability, hot tearing, deformability


    Введение

    Известно, что наилучший комплекс механических и эксплуатационных свойств имеют сплавы со структурой композита, состоящего из пластичной матрицы и равномерно распределенных в ней дисперсных твердых частиц с их объемным содержанием 10–30% [1–3]. Такую структуру можно получить при помощи различных современных технологий, например, механическим легированием [4] или методами порошковой и гранульной металлургии [2, 5]. Но все это очень дорогостоящие технологии. Поэтому, наряду с ними, необходимо разрабатывать сплавы с гетерогенной структурой, используя простые технологические процессы.

    В работах авторов [6–8] исследованы эвтектические композиции на основе систем Al-Ni, Al-Fe-Ni [6], Al-Ce-Ni [7], Al-Ce-Cu [8]. В них обоснованы основные принципы создания эвтектических сплавов типа «естественные композиты». Эти сплавы должны удовлетворять следующим условиям:

    – сравнительно невысокая эвтектическая концентрация (до 15%) легирующего элемента (ЛЭ1- эвтектикообразующий) при высоком объемном содержании интерметаллида(20-30%) в эвтектическом сплаве;

    – дисперсное строение эвтектической структуры и способность эвтектических интерметаллидов фрагментировать и сфероидизироваться при сравнительно непродолжительном отжиге (порядка 3–4 часов). Округлые частицы не создают значительных препятствий для деформирования;

    желательно, чтобы эвтектикообразующие элементы (ЛЭ1) имели очень малую растворимость в алюминии для обеспечения возможности легирования твердого раствора элементамиЛЭ2 (упрочнителями алюминиевой матрицы), которые обеспечивают упрочнение при дисперсионном твердении –Cr, Ti, Mn, Sc, Zr и др.

    Всем этим требованиям удовлетворяют композиции на основе системы Al-Ca.Алюминий образует с кальцием систему эвтектического типа при 7,6%Са и температуре 617°С [9]. Эвтектика (Al)+Al4Ca, где (Al) – это алюминиевый твердый раствор, очень дисперсна в литом состоянии, а согласно расчетам в программе Thermo-Calc, объемная доля эвтектической фазы Al4Ca в сплаве Al-7,6%Ca около 29 масс. %. В эвтектических силуминах доля кремниевых частиц не превышает 10% [10]. Поэтому можно ожидать от сплавов с кальцием более высоких значений тех свойств, которые в многофазных системах подчиняются правилу аддитивности (например, коэффициент термического расширения, модуль упругости). Мы предполагаем, что эти сплавы должны обладать хорошими литейными свойствами, а также их можно подвергать пластической деформации. Исходя из этого, были сформулированы задачи этой работы:

    – Исследовать структуру и свойства (твердость) сплавов систем


    Al-Ca-Ni, Al-Ca-Cu, Al-Ca-Fe и Al-Ca-Si в литом и отожженном состоянии;

    – Подвергнуть экспериментальные сплавы горячей прокатке и исследовать их механические свойства в деформированном состоянии;

    – оценить некоторые литейные свойства экспериментальных композиций и сравнить их с известными промышленными силуминами.
    Экспериментальные методики

    Составы экспериментальных сплавов представлены в таблице 1.


    Таблица 1

    Составы экспериментальных сплавов





    Ca, масс. %

    X, масс. %

    1

    4

    5 Cu

    2

    4

    4Ni

    3

    6

    1 Ni

    4

    6

    0,7Fe

    5

    6

    0,6 Si

    Сплавы плавили в электропечи сопротивления фирмы LAC в графитошамотных тиглях. Заливку осуществляли в графитовую форму при температуре расплава 730–740°С, получая плоские отливки с размерами 15х30х180 мм (скорость охлаждения при кристаллизации 10°С/с).

    Термообработку отливок проводили в муфельных электрических печах SNOL 8,2/1100 с точностью поддержания температуры 5°С.

    Микроструктуру литых, термообработанных и деформированных образцов изучали на оптическом микроскопе OlympusGX51 (ОМ) и сканирующем электронном микроскопе TESCANVEGA 3 (СЭМ). Для приготовления шлифов применяли как механическую, так и электролитическую полировку.

    Твердость измеряли по Бринеллю, которую определяли (согласно ГОСТ 9012-59) на твердомере WilsonWolpert 930N при следующих параметрах: шарик – 2,5 мм, нагрузка – 306 Н, время выдержки – 30 с.

    Горячую прокатку осуществляли на лабораторном стане 260. Тип стана Дуо, реверсивный, максимальная ширина проката 250 мм, скорость прокатки 0,2 м/с.

    Предел прочности и относительное удлинение прокатанных образцов определяли по ГОСТ1497-84 на универсальной испытательной машине FP100/1.

    Горячеломкость оценивали с использованием пробы «арфа». Жидкотекучесть определяли с помощью комплексной пробы с вертикальным U-образным каналом.


    Результаты и их обсуждение

    Системы для исследования были выбраны из следующих соображений:

    – система Al-Ca-Cu, поскольку в работе [11] есть данные о существовании в ней тройной эвтектики (Al)+Аl4СаСu+Аl2Сu, которая может служить основой сплавов композитного типа;

    – система Al-Ca-Ni, поскольку в работе [11] есть данные о существовании в ней тройной эвтектики (Al)+Al4Ca+Al8NiCa. Кроме того, эвтектика (Al)+Al3Niявляется основой уже известных высокопрочных и жаропрочных никалинов [6];

    – предварительные исследования структуры сплавов системы Al-Ca-Fe показало наличие в них высокодисперсной эвтектики, возможно, тройной, поэтому стоит исследовать технологические свойства этих композиций;

    – в системе Al-Ca-Si, по данным [9], существует тройная эвтектика (Al)+Al4Ca+Al2Si2Ca. Сплавы на ее основе, как мы предполагаем, должны быть весьма технологичны.



    Экспериментальные сплавы должны иметь доэвтектическую структуру (дендриты алюминиевого твердого раствора и дисперсную эвтектику), поскольку в заэвтектических сплавах хрупкие первичные интерметаллиды являются местами зарождения трещин при деформировании. Композиции выбирали на основании предыдущих исследований фазового состава и структуры кальцийсодержащих сплавов [12–14], для которых с помощью программы Thermo-Calc (база данных TTAL5) [15], были построены тройные диаграммы состояния Al-Ca-Х (где Х – это Cu, Ni, Fe, Si) в области, богатой алюминием (рис. 1).

    а б


    в г

      1   2   3   4   5

    Коьрта
    Контакты

        Главная страница


    Исследование технологических и механических свойств новых литейных эвтектических алюминиевых сплавов типа «естественные композиты»