Состав и свойства жаропрочных алюминиевых сплавов

Вопросы теории жаропрочности алюминиевых сплавов следует рассматривать на основе достижений физики твердого тела в познании механизмов пластического деформирования и разрушения кристаллических тел в широком интервале температур. Другой стороной теории жаропрочности алюминиевых сплавов является изучение зависимости механических свойств сплавов от их состава и особенностей фазового и структурного состояния.

Легирующие добавки, сильно искажающие кристаллическую решетку твердого раствора, способствуют повышению жаропрочности алюминиевых сплавов в меньшей степени, чем добавки, значительно усиливающие прочность межатомной связи без существенного увеличения искажения кристаллической решетки.

При длительном воздействии высокой температуры и нагрузки наибольшее сопротивление пластическому деформированию будет у твердых растворов с максимальной прочностью межатомной связи и с минимальным искажением кристаллической решетки [1].

Этот фактор следует учитывать при разработке новых алюминиевых сплавов в зависимости от области их применения. Например, чем выше планируется температура, при которой длительное время будет работать новый сплав, тем сильнее должна быть межатомная связь между основой сплава и легирующими элементами, имеющими низкий коэффициент диффузии в твердом алюминии.

Особенно повышает жаропрочность сплавов легирование элементами переходной группы, которые способствуют увеличению сил межатомной связи с алюминием, устойчивости зон Гинье-Престона (ЗГП) метастабильных фаз, а также росту и коагуляции стабильных фаз. Все это увеличивает торможение движения дислокаций, что повышает жаропрочность сплавов.

Важнейшими структурными факторами, влияющими на жаропрочность алюминиевых сплавов, являются:

• количество   и   характер   распределения   дефектов кристаллической решетки и их взаимодействие между собой и с атомами легирующих элементов;
• величина зерна твердого раствора, протяженность и состояние их границ;
• количество, температура и форма кристаллизации эвтектики;
• количество, величина и форма кристаллизации частиц вторых фаз, их расположение, а также их взаимодействие с твердым раствором в процессе нагрева;
• устойчивость твердого раствора, скорость формирования и укрупнения продуктов его распада.

Следует также отметить большое влияние на жаропрочность литейных алюминиевых сплавов ряда технологических факторов (скорость кристаллизации отливок, режима термической обработки и др.), которые могут сильно изменять как фазовый состав, так и величину, и характер расположения структурных составляющих в деталях. Изменяя те или иные технологические параметры, можно воздействовать как на структурные, так и на физико-химические характеристики сплава, что в определенных пределах обусловливает изменение его жаропрочности [2].

На жаропрочность алюминиевых сплавов сильно влияют количество, размеры и характер распределения вторых фаз. А.А.Бочвар указывал, что жаропрочность при температурах выше 0,6 T_сол достигается в основном за счет  гетерогенизации структуры [3]. На повышение жаропрочности алюминиевых сплавов наиболее сильно влияют металлические соединения, в состав которых входят переходные металлы: Al₆Mn, Al₇Cr, Al₉FeNi, Al₁₂Mn₂Cu, Al₆Cu₃Ni и др. Эти соединения устойчивы при повышенных температурах, они мало взаимодействуют с твердыми растворами, их частицы не склонны к укрупнению и коагуляции. Они препятствуют передвижению дислокаций. Дислокации внутри зерен твердого раствора вынуждены обходить их с образованием петель или переползанием. В обоих случаях дислокации перемещаются под воздействием значительно больших напряжений, чем при скольжении.

В работе [2] показано, что жаропрочность гетерофазной смеси в сильной степени зависит от жаропрочности каждой из составляющих фаз; считается, что присутствие в сплавах жаропрочной избыточной фазы способствует повышению жаропрочности сосуществующего с ней твердого раствора, присутствие нежаропрочной избыточной фазы понижает высокотемпературную жаропрочность сосуществующего раствора и всей смеси. Поэтому для обеспечения высокой жаропрочности избыточная фаза должна быть тугоплавкой, сложной по строению и не содержать в своем составе металла-растворителя.

В значительной мере жаропрочность алюминиевых сплавов определяется структурой эвтектики и температурой ее плавления. С повышением температуры плавления эвтектики ее вклад в жаропрочность сплава увеличивается. Так как кристаллизация эвтектики происходит в последнюю очередь, она окружает зерна первичного твердого раствора, образуя между ними эвтектические прослойки [4]. В структуре многокомпонентных алюминиевых сплавов содержатся сложные эвтектики. Если отдельные составляющие эвтектики кристаллизуются в виде тонких игл, то роль эвтектики в упрочнении границ зерен может стать даже отрицательной, так как в этом случае составляющие эвтектики являются концентраторами напряжений. Наиболее благоприятна разветвленная форма кристаллизации устойчивых соединений, входящих в состав эвтектики. Этим обеспечивается надежное блокирование зерен твердого раствора. В системе Al - Сu Ni такой эвтектикой является, например, тройная эвтектика

а + Al₃(CuNi)₂ + Al₆Cu₃Ni

Экспериментальные данные показывают: сравнительно жаропрочными могут быть лишь те сплавы, которые отвечают по составу устойчивым первичным твердым растворам, комплексно легированным элементами с низким коэффициентом диффузии. К таким элементам относятся переходные металлы [5]. Повышенной жаропрочностью обладают сложнолегированные эвтектические сплавы алюминия АЛ25, АЛ26, АЛ30.

Существенно воздействовать на жаропрочность позволяют скорость кристаллизации отливок, зависящая от способа литья, режимы термической обработки. В промышленных условиях в процессе литья с повышенной скоростью кристаллизации диффузия компонентов сплава не успевает полностью пройти. Обычно в отливках при комнатной температуре фиксируется метастабильное состояние пересыщенного твердого раствора. Поэтому структура и фазовый состав литых сплавов обычно существенно отличаются от указанных в диаграмме равновесного состояния.

Важная особенность сплавов алюминия с переходными металлами образование при повышенных скоростях кристаллизации пересыщенных твердых растворов на основе алюминия, содержание легирующих компонентов, в которых может во много раз превосходить предельную растворимость, указанную в равновесных диаграммах состояния [6].

Эвтектический силумин наряду с достаточно высокими прочностными характеристиками обладает относительно малым удельным весом, что позволяет облегчить детали и снизить инерционные силы, а также сравнительно высокой теплопроводностью, что дает возможность избежать их перегрева в процессе работы. Сравнительно низкий коэффициент линейного расширения дает возможность уменьшить холодный зазор между сопрягаемыми деталями, ликвидировать стуки при работе.

Следует отметить, что эвтектические легированные силумины (АЛ25, АЛЗО), аналогичные зарубежным сплавам типа Low-Ex [7], отличаются сравнительно хорошими технологическими характеристиками. С точки зрения обрабатываемости резанием они лишь незначительно уступают алюминиево-медным сплавам. Сплав АЛ 25 имеет более высокую жаропрочность при 300⁰С по сравнению со сплавами АЛЗО и АЛ10В, хорошие физико-механические и технологические свойства, аналогичные свойствам сплава АЛЗО [8].

В связи с тем, что коэффициент линейного расширения и удельный вес бинарных сплавов системы Al-Si уменьшаются с увеличением концентрации кремния в сплаве, в настоящее время наблюдается тенденция применять для тяжелонагруженных деталей силумины с высоким содержанием кремния. С повышением концентрации кремния в сплаве, кроме того, повышаются износостойкость и коррозионная стойкость.

Сравнительно низкий коэффициент линейного расширения и высокая жаропрочность заэвтектических силуминов определили их преимущественное применение для рабочей температуры до 573-593 К, несмотря на то, что теплопроводность этих сплавов ниже, чем у эвтектических. Состав заэвтектических силуминов отличается от состава сплавов эвтектических силуминов, в основном содержащих кремний [ 1 ], который так же, как Zn и Mg, не повышает длительную твердость алюминия при 573 К, а коэффициенты диффузии их в алюминии очень высокие [9].

Исследования показали, что комплексное легирование медью, никелем и марганцем (или кобальтом) соответствует значительному повышению жаропрочности сплавов типа силумин.

Источник: Зусин В.Я. "Сварка и наплавка алюминия и его сплавов", Мариуполь, 2005.

1.   Колобнев И.Ф. Жаропрочность литейных алюминиевых сплавов/ И.Ф. Колобнев.- М.: Металлургия, 1973.- 320 с.
2.   Захаров М.В. Жаропрочные сплавы / М.В. Захаров, A.M. Захаров.-М.: Металлургия, 1972.- 384 с.
3.   Мальцев М.Е. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов / М.Е. Мальцев.- М.: Металлургия, 1970.-368 с.
4.   Алюминий. Металловедение, обработка и применение алюминиевых сплавов. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1972.-663 с.
5.   Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами / В.И. Елагин.- М.: Металлургия, 1975.- 247 с.
6.   Вол А.В. Двойные металлические системы / А.В. Вол.- М.: Металлургиздат, 1959.- 597 с.
7.   Насыров Н.А. Повышение надежности работы поршней тепловозных двигателей / Н. А. Насыров. - М.: Транспорт, 1977. -236 с.
8.   Колачев Б.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов / Б.А. Колачев, В.А. Ливанов, В.И. Елагин.- М.: Металлургия, 1972.- 480 с.
9.   Колобнев И.Ф. Пути повышения прочностных характеристик высокопрочных алюминиевых сплавов / И.Ф. Колобнев // Сплавы цветных металлов.- М.: Наука, 1972.- С. 205-210.
10.  Петриченко В К. Антифрикционные материалы и подшипники скольжения/ В.К Петриченко.-М.:Машгиз, 1954.-302 с.
11.  Буше Н.А. Подшипниковые сплавы для подвижного состава/ Н.А. Буше.- М.: Транспорт, 1974.- 268 с.
12.  Зильберг Ю.Я. Алюминиевые сплавы в тракторостроении / Ю.Я.   Зильберг,   К.М.   Хрущева,   Г.В.   Гершман.-М.: Машиностроение, 1971.- 198 с.
13.  КурицынаА.Д. Алюминиевыеантифрикционныесплавы/А.Д. Курицына.- М.: Металлургия, 1963.-197 с.
14.  Алюминиевые сплавы: Справочник/Под ред. А.Ф.Белова, Ф.И.Квасова.- М.: Металлургия, 1985.- 350 с.