Применение силуминов

Применение силуминов

Введение

1. Применение силуминов

. Объект исследования и методы обработки

. Методы анализа структурно-фазового состояния и механических свойств поверхностных слоев обработанного силумина

. Результаты и обсуждение

Выводы

Литература

Введение

В настоящее время активно разрабатываются и исследуются новые методы модификации состояния поверхностного слоя различных материалов с целью придания им требуемых свойств[1], так как возможности традиционных методов химико-термической обработки практически исчерпаны. Принципиально новые возможности для модификации поверхностных свойств различных материалов и существенного улучшения их эксплуатационных характеристик предоставило использование в промышленности концентрированных потоков энергии (КПЭ) [2]. Особенно актуальным является применение таких методов для модификации алюминиевых сплавов, более широкое применение которых в промышленности сдерживается низкими трибологическими и прочностными характеристиками.

Несмотря на значительный прогресс в материаловедении, в частности в области создания новых сплавов и композитов, превосходящих по свойствам сплавы на основе алюминия, последние еще длительное время будут занимать ведущие позиции во многих отраслях промышленности. В первую очередь это связано с относительно низкой стоимостью данных сплавов и возможностью широкого использования вторичного сырья при их производстве. Учитывая высокие объемы потребления алюминиевых сплавов, борьба даже за сравнительно небольшое улучшение их качества может быть оправданной.

1. Применение силуминов

Одним из важнейших сплавов алюминия является силумин или сплав алюминия с кремнием. Диаграмма состояния силуминов имеет простой эвтектический вид, что видно из рисунка 1, именно поэтому промышленные силумины подразделяются по содержанию кремния на доэвтектические (4-12% Si), эвтектические (12,2% Si) и заэвтектические (свыше 12% Si). Силумины широко используются в авиации, судостроении, автомобилестроении и для бытовых нужд благодаря своим механическим свойствам. По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

Промышленное значение силуминов обусловлено их высокой жидкотекучестью, низкой склонностью к образованию усадки при литье, возможностью пайки и сварки. Однако заэвтектические силумины нашли лишь ограниченное применение из-за наличия в структуре очень твердой кремниевой составляющей, которая значительно снижает стойкость режущего инструмента[3], что в некоторой степени компенсируется повышенным модулем упругости по сравнению с доэвтектическими сплавами, низким температурным коэффициентом линейного расширения, хорошей свариваемостью и обрабатываемостью резанием с точки зрения качества поверхности и низкой стоимостью. Кроме того, еще недостаточно ясны специфика производства и особые требования к сплавам этой системы, необходимые для точного контроля микроструктуры и пористости отливок, которые существуют для доэвтектических промышленных силуминов. В настоящее время чаще всего заэвтектические силумины используются для производства поршней ДВС и ряда других деталей, изготавливаемых методами фасонного литья или жидкой штамповки. Но не смотря на ограниченное применение заэвтектических силуминов, интерес к данным сплавам растет.

Рис. 1. Диаграмма состояния Al-Si[4]

Рис. 2. Применение силуминов: детали автомобилей из доэвтектических (а, б, в, г) и литые поршни из заэвтектических силуминов немецкой фирмы Mahle (д, е)[4]

В авиации например важную роль играет малый удельный вес сплавов на основе алюминия. Расход топлива самолета во многом определяется весом аппарата, что играет определяющую роль в случае частных самолетов, отношение массы к грузу у которых больше, чем например в грузовых авиалайнерах. Стоит отметить еще и то, что при изготовлении различных авиационных узлов и деталей преимущественно применяются деформируемые сплавы на основе алюминия. Объем применения литейных сплавов в связи с их меньшей технологичностью ниже. Вместе с тем, в летательных аппаратах используются сварно-литые конструкции и узлы, например, в поршнях с галерейным охлаждением, насосах и пр.

В судостроении силумины получили распространение благодаря своим коррозийным свойствам в купе с малым удельным весом. Хорошо известно, что морская вода очень богата на содержание различных солей и прочих веществ, которые оказывают пагубное влияние на обшивку корабля. Также хорошо известно, что алюминий и его сплавы применяется и для алитирования (алюминирования) - насыщения поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании, т.е. повышения жароупорности (до 1100 °C) и сопротивления атмосферной коррозии.

В последнее время наметилась перспектива использования силуминов в космической промышленности, где особое место занимают сплавы для приборной техники, от которых требуются низкие значения температурного коэффициента линейного расширения в сочетании с необходимым уровнем механических свойств. Для изготовления различных узлов космических аппаратов нужны сплавы с малым удельным весом и низким температурным коэффициентом линейного расширения. Имеющиеся в настоящее время прецизионные сплавы, построенные на основе системы железо-никель, обладают уникальными физическими свойствами. Однако эти сплавы отличаются рядом недостатков, которые в основном сводятся к сложной технологии получения их и обработки, дороговизне и большому удельному весу. В связи с этим в последнее время в мире уделяется большое внимание поиску композиций сплавов на основе алюминия, среди которых самой перспективной является система Al-Si.

В цветной металлургии силумины подразделяются прежде всего на деформируемые сплавы (доэвтектические и эвтектические) и литейные (заэвтектические). Литейные алюминиевые сплавы имеют ряд особенностей: повышенную жидкотекучесть, обеспечивающую получение тонкостенных и сложных по конфигурации отливок; сравнительно невысокую линейную усадку; пониженную склонность к образованию горячих трещин. Доэвтектические силумины при литье применяют легированные только кремнием либо имеющие также небольшие количества других примесей (Cu, Mn). Структура их представляет собой α-твердый раствор и эвтектику (α+Si). Эвтектика содержит 12,5% Si, Максимальное содержание кремния в твердом растворе при эвтектической температуре (577°С) составляет 1,65%. Закалкой такого насыщенного твердого раствора можно на непродолжительный период времени удержать его в пересыщенном состоянии (растворимость кремния при комнатной температуре - около 0,1%).

При старении выделяются тонкодисперсные частицы легирующего компонента, однако упрочняющий эффект незначителен. Очень быстрой закалкой можно кратковременно удержать в твердом растворе около 16% Si и сдвинуть эвтектическую точку до 17% Si. Эффективный модификатор силуминов - натрий в количестве 0,01%. Модифицированный силумин не рекомендуется применять в сочетании со сплавами Аl - Mg. Возможна также модификация силумина фосфором. Силумины, не содержащие кроме кремния других примесей, термически не упрочняемы. Небольшие количества магния вследствие образования его силицида дают возможность осуществлять термическое упрочнение сплава. В отличие от технического алюминия, небольшие количества примеси железа оказывают на силумины отрицательное влияние, которое частично нейтрализуется марганцем.

Железо с кремнием дает хрупкие пластинчатые образования - α-фазу (Fe₂SiAl₈) и β-фазу (FeSiAl₅). При большом содержании кремния возможно образование δ-фазы (FeSi₂Al₄) и γ-фазы (FeSiAl₃). При большом содержании железа возможно появление наиболее тугоплавкого соединения FeAl₃ (Т_пл=655°С). Марганец с железом дает смешанные менее хрупкие кристаллы (Fe,Mn)₃Si₂Al₅. Легирование медью наряду с магнием позволяет получать более сложные упрочняющие фазы (например, Cu₂Mg₈Si₆Al₅) и соответственно достигать большего эффекта в результате термического упрочнения[3]. Из всех литейных сплавов силумины отличаются наивысшей жидкотекучестью. Вслед за ними идут алюминий-магниевые и алюминий-медные сплавы. Не стоит также забывать об оксидировании алюминия и его сплавов различными кислотами электролитическими методами и химическими методами с целью дополнительной защиты от коррозии.

В работе [2] сообщается о повышении микротвердости заэвтектического силумина (30 ат. %Si) в два раза после обработки сильными импульсными ионными пучками. В данной работе кристаллиты кремния в эвтектике становятся более дисперсными, а границы первичных кристаллов кремния размываются и огрубляются при воздействии ионов p⁺ на поверхность заэвтектического силумина. Также в данной работе было рассчитано смещения пика Al(111) и затем вычислено изменение постоянной решетки алюминия в зависимости от содержания в нем кремния.

В работе [5] указывается на некоторое улучшение коррозийных характеристик после обработки доэвтектических и эвтектических силуминов лазерным излучением.

Одной из важнейших механических характеристик является микротвердость, для повышения которой в силуминах применяются следующие механизмы:

) Улучшение структуры первичных кристаллов кремния (Уменьшение размеров, сфероидизация, равномерное распределение по объему сплава).

) Уменьшение размера всех структурных компонент сплава, включая нерастворимые в матрице интерметаллиды (первичные кристаллы, эвтектики, вторые фазы)

) Улучшение структуры эвтектики (Диспергирование, превращение дендритов в равноосные кристаллы[1])

) Легирование магнием и медью

Для реализации этих механизмов в настоящее время применяются различные традиционные химико-термические методы:

)Быстрое охлаждение расплава[6]:

применение конвективной теплопередачи (ультразвуковое распыление),

контактного охлаждения (Способы "поршня и наковальни", "молота и наковальни")

литье в кокиль (литейный метод)

)Увеличение числа зародышей для кристаллов кремния, а также измельчение частиц кремния путем химической модификации(чаще всего применяется в металлургии)[3]:

Модифицирование натрием (0,006-0,012%), калием, литием, висмутом, сурьмой 0,1-0,3%, стронцием 0,01-0,05% (сурьма и стронций - модификаторы длительного действия), смесью солей (0,1% натрия и 2% смеси фтористого и хлористого натрия) в доэвтектических силуминах.

Модифицирование фосфором 0,05-0,1% или серой в заэвтектических силуминах

. Объект исследования и методы обработки

Объектом исследования являлся заэвтектический силумин (Si 19,71%, Fe 0,25% Mn 0,11%, Cu 0.32%, Ni 0,13%, Mg 1,29%)

Для улучшения механических характеристик заэвтектического силумина были использованы компрессионные плазменные потоки (КПП)

Значительные перспективы в обработке материалов представляет использование в качестве источников КПЭ квазистационарных плазменных ускорителей с собственным азимутальным магнитным полем, генерирующих направленные плотные плазменные потоки с малой расходимостью и относительно большой длительностью существования (на уровне сотен микросекунд) в отличие от других источников КПЭ. Воздействие КПП на материалы приводит к формированию глубоких (десятки и сотни микрометров) модифицированных слоев за счет быстрой закалки из расплава. Сверхбыстрая закалка обеспечивает измельчение микроструктуры и образование новых метастабильных фаз. Еще одним важным аспектом использования КПП для модификации материалов, кроме теплового воздействия, является насыщение поверхностных слоев плазмообразующим веществом.

Обработку образцов конденсированными плазменными потоками (КПП) осуществляли в газоразрядном магнитоплазменном компрессоре компактной геометрии[7]. Длительность разряда составляла ~100 мкс. Эксперименты проводили в режиме “остаточного газа”, при котором предварительно откаченную вакуумную камеру магнитоплазменного компрессора заполняли рабочим газом (азотом) до давления 400 Па.

Исходя из поставленных в работе задач и с учетом особенностей используемых методов анализа, образцы изготавливались в виде шайб диаметром 1,5 мм и толщиной 5 мм. Параметры обработки образцов, изменение которых позволяет варьировать энергию, поглощенную поверхностью образца даны в таблице 1.

Табл.1. Параметры обработки образцов

. Методы анализа структурно-фазового состояния и механических свойств поверхностных слоев

Анализ морфологии поперечных сечений проводился на растровом электронном микроскопе (РЭМ) LEO1455VP при ускоряющем напряжении 20 кВ с разрешающей способностью 10 нм.

Концентрация легирующих элементов в поверхностных слоях силумина определялась с помощью рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) на установке Röntec, сопряженной с растровым электронным микроскопом LEO1455VP. Использовались следующие режимы работы: ускоряющее напряжение 20 кВ, SiLi - полупроводниковый детектор, время записи спектра не менее 300 сек. Количественный анализ спектров осуществлялся с использованием программного обсчета спектров по методике, в основе которой лежит отношение пика к фону.

Исследование структуры и фазового состава проводилось с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА) на рентгеновском дифрактометре ДРОН-4 при следующих режимах работы установки: излучение CuKα, напряжение на рентгеновской трубке 30 кВ, ток через трубку 20 мА. Исследование осуществлялось в интервале углов отражения рентгеновских лучей 2θ =20-100º. При этом использовалась нормальная геометрия съемки при фокусировке по Бреггу-Брентано (изменяется угол падения лучей за счет углового движения образца).

Расчет микротвердости H проводился по формуле:

где Р - нагрузка на индентор (г); d - длина диагонали отпечатка (мкм).[8]

Трибологические тесты проводились при возвратно-поступательном движении индентора, изготовленного из сплава ВК8(92%WC, 8%Co), а также стального индентора с меньшей твердостью Х9В(9% Cr) по поверхности образца при нагрузке 0,1 Н в условиях сухого трения.

. Результаты и обсуждение

Результаты исследования методом растровой электронной микроскопии образца В2 приведены на рисунках 3 (общий вид) и 4 (обработанный слой)

Рис. 3. Морфология поперечного сечения. (1) - обработанный слой, (2) - эвтектика, (3) - α-раствор

Рис. 4. Морфология поперечного сечения. Обработанный слой

Из полученных фотографий видно, что обработанный слой обладает особой структурой по сравнению с остальной частью обработанного образца имеет глубину около 30 мкм. В обработанном слое не наблюдается эвтектика, вторые фазы и др. компоненты исходного сплава. На рисунке 13 явно заметна мелкодисперсная структура обработанного слоя со средним размером зерна около 300 нм.

Элементный состав по длине просвечивания и соответствующие фотографии сканирующей микроскопии даны на рисунках 5-10

Рис. 5. (1) - эвтектика, (2) - упрочняющая фаза Mg₂Si, (3) - Интерметаллид

Из полученных данных, в частности из рисунков 6 и 7 следует вывод о том, что в обработанном слое присутствует достаточно равномерное распределение элементов по глубине, что говорит о дисперсности структуры обработанного слоя.

Рис. 6. Распределение характеристического рентгеновского излучения по длине линии на рис. 17 (1) - Al, (2) - Si, (3) - Mg, (4) - незначительные легирующие примеси - Mn, Fe, Ni, Cu.

Рис. 7. (1) - Обработанный слой, (2) - эвтектика, (3) - α-Твердый раствор.

Рис. 8. Распределение характеристического рентгеновского излучения по длине линии на рис. 19 (1) - Al, (2) - Si, (3) - Mg, (4) - незначительные легирующие примеси - Mn, Fe, Ni, Cu.

Рис. 9. Эвтектика

Рис. 10. Распределение характеристического рентгеновского излучения по длине линии на рис. 21 (1) - Al, (2) - Si, (3) - Mg, (4) - незначительные легирующие примеси - Mn, Fe, Ni, Cu.

Результаты рентгеноструктурного анализа всех образцов даны на рисунке 11.

Рис. 12. Рентгенограммы обработанных: (1) - В5, (2) - B4, (3) - B3, (4) - B2 и исходного образца (5) - B1

Из сравнения рентгеновских спектров следует, что пики характерные для кремния практически отсутствуют на рентгенограмме образца В2. Также наблюдается некоторое смещение пиков характерных для алюминия относительно эталонных линий. Например на рис 13 изображены участки рентгенограмм пика Al(110) для всех образцов.

Такое смещение пиков можно объяснить образованием пересыщенного твердого раствора кремния в алюминии (т.е. свыше 1,65 ат% [2]). Если исходить из данных работы[2] и расчитать значение параметра решетки из полученных линий алюминия, то оказывается, что в данном образце в приповерхностном слое образуется пересыщенный раствор с содержанием кремния около 6%, о чем также свидетельствует наличие слабых линий кремния (на уровне фона) у обработанного образца. Зависимость постоянной решетки от содержания кремния в твердом растворе, которая была взята из работы [2] изображена на рисунке 14.

Рис. 14 Зависимость постоянной решетки алюминия от содержания кремния в твердом растворе

Проведенные исследования механических характеристик показали, что обработка КПП приводит к изменению микротвердости силумина при массе груза 100 г., так поверхностная микротвердость образца, обработанного 5 импульсами на расстоянии 10 см до катода и давлении газа 3 тор повысилась примерно на 30% по сравнению с исходным образцом, что видно из графика на рис. 15:

Рис. 15. Микротвердость образцов. (1),(5) - B1 и В6 соответственно - необработанные образцы, (2) - В2 (l=100 мм, p=3 тор), (3) - В3 (l=100 мм, p=20 тор), (4) - В4 (l=140 мм, p=3 тор).

Исходя из полученных результатов дальнейшие исследования на микротвердость проводились для масс 50, 100, 150 и 200 грамм для исходного и обработанного образца В2. Результаты этих измерений даны на рисунке 16.

Рис. 16. Зависимость микротвердости от глубины проникновения индентора для исходного В1-(1) и обработанного-В2 (2) образцов.

Следует отметить также, что обработанный слой имеет вероятнее всего сильную связь с остальным сплавом т.к. при данном режиме обработки не были использованы легирующие элементы и поэтому обработанный слой имеет такую же плотность, что и остальная часть образца

Для трибологических тестов были выбраны исходный В1 и два обработанных В2 и В5. Образец В2 был выбран как обладающий наибольшей твердостью, а В5 как образец с наиболее далекими режимами обработки КПП по сравнению с образцом В2. Результаты трибологических тестов образцов В1, В2, В5 при выборе индентора изготовленного из сплава ВК8(92%WC, 8%Co) даны на рисунках 5, 6, 7. Сравнение трех зависимостей дано на рисунке 8. Для наглядности графики зависимостей сглажены кривыми Безье.

Рис. 17. Зависимость коэффициента трения от длины пути пройденного индентором для исходного образца В1

Рис. 18. Зависимость коэффициента трения от длины пути пройденного индентором для обработанного образца В2

Результаты трибологических тестов образцов В1, В2, В5 при выборе индентора изготовленного из сплава Х9В (9% Cr) даны на рисунках 21, 22. Сравнение зависимостей полученных от разных образцов при использовании двух инденторов дано на рисунке 23.

Рис. 19. Зависимость коэффициента трения от длины пути пройденного индентором для обработанного образца В5

Рис. 20. Аппроксимированные зависимости коэффициента трения от длины пройденной индентором для исходного образца В1 (3), обработанного В2 (2) и обработанного B5 (1).

Для наглядности графики зависимостей сглажены кривыми Безье.

Рис. 21. Зависимость коэффициента трения от длины пути пройденного индентором для исходного образца В1.

Рис. 22. Зависимость коэффициента трения от длины пути пройденного индентором для обработанного образца В2

Из сравнения пяти графиков на рисунке 8 видно, что зависимости коэффициента трения от длины пути пройденного индентором для двух обработанных образцов с различными параметрами обработки отличается от зависимости для исходного образца. Наблюдается заметное увеличения коэффициента трения, что можно объяснить адгезионным износом силумина при использовании более мягкого индентора. Также следует отметить тот факт, что при данных параметрах обработки заэвтектического силумина КПП его трибологические свойства остались неизменными.

Рис. 23. Аппроксимированные зависимости коэффициента трения от длины пройденной индентором. (1) -B1, (2) - B2 стальной индентор, (3) - B5, (4) - B2, (5) - B1 вольфрамовый индентор.

силумин микротвердость заэвтектический

Выводы

В процессе исследования установлено, что воздействие КПП приводит к увеличению микротвердости поверхностного слоя исследуемого силумина в среднем на 30% при параметрах обработки образца: расстояние от катода до образца - 100 мм, давление газа - 3 тор.

Увеличение микротвердости объясняется тем, что обработанный слой представляет собой дисперсную структуру с малым размером зерна (300 нм), образовавшуюся после растворения структурных компонент сплава: вторых фаз, эвтектики в приповерхностном слое.

Оказалось что трибологические свойства исследуемого силумина остались неизменными.

Смещение линий алюминия относительно эталонных линий может свидетельствовать о наличии пересыщенного твердого раствора кремния в алюминии в обработанном слое образца В2, о чем также свидетельствует «исчезновение» линий кремния(растворение первичных кристаллов и переход в пересыщенный твердый раствор), однако к такому выводу следует относиться пока осторожно, т.к. изменение параметра решетки измерялось с большой погрешностью ввиду использования зависимости интенсивности рентгеновского излучения для углов ориентировки образца 20-100 градусов. Дальнейшие исследования требуют более детального изучения каждого пика.

Литература

1. H.K. Feng, S.R. Yu, Y.L. Li, L.Y. Gong. Effect of ultrasonic treatment on microstructures of hypereutectic Al.Si alloy. Journal of materials processing technology 208 (2008) 330-335.

. H. Akamatsu, H. Tanaka, T. Yamanishi, S. Egawa, T. Yamasaki, M. Miki, M. Yatsuzuka. Increase of Si solution rate into Al matrix by repeated irradiation of intense pulsed ion beam. Vacuum 65 (2002) 563-569.

. Кузцова В.З., Носко О.А., Шерстобитова А.С. Влияние легирования на структуру, фазовый состав и свойства промышленных заэвтектических поршневых силуминов. Стародубовские чтения 2008 стр 1-6

. Белов Н. А., Савченко С.В., Хван А.В. Фазовый состав и структура силуминов: Справочное изд.- М.: -МИСИС-, 2007.-283 с.

. T,T. Wong, G.Y. Liang. Effect of Laser Melting Treatment on the Structure and Corrosion Behaviour of Aluminium and Al-Si Alloys. Journal of Materials Processing Technology 63 (1997) 930-934

. Jun Wang, Shuxian He, Baode Sun, Ke Li, Da Shu, Yaohe Zhou. Effects of melt thermal treatment on hypoeutectic Al/Si alloys Materials/ Science and Engineering A338 (2002)101-107

7. Асташинский В.М., Баканович Г.И., Кузьмицкий А.М., Минько Л.Я. Выбор режимов работы и параметры плазмы магнитоплазменного компрессора. Инж.-физич. журнал, 1992, т.62, c.386-390.

. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов: Учебник для вузов 2-е изд.-М.: Металлургия, 1983.-352 с.

. Петров С.С., Пригунова А.Г., Ключник Д.Н., Пригунов С.В. Формирование структуры в системе Al-Si. Научный и информац. журнал МТОМ - № 1, 2008, с. 43 - 52