Реферат по материаловедению на тему «Силумины: диаграмма алюминий-кремний, состав, структура, свойства, применение»

ВВЕДЕНИЕ В наше время алюминий и его сплавы являются актуальными, современными конструкционными материалами. Использование алюминиевых сплавов обусловлено их уникальным сочетанием свойств. Достаточно высокие прочностные характеристики в сочетании с низкой плотностью сделали данную группу сплавов практически незаменимыми в авиастроении. Чистый алюминий распространен в электротехнической промышленности, где его используют для изготовления кабелей, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока. Благодаря высокой коррозионной стойкости алюминий начали широко применять при изготовлении аппаратуры для производства и хранения крепкой азотной кислоты, пероксида водорода, органических веществ и пищевых продуктов. Области применения алюминиевых сплавов очень разнообразны, как и разнообразны свойства этих сплавов, в зависимости от их состава.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Силумин – литеный сплав алюминия с кремнием, с содержанием кремния в пределах 4-22 %.

1 Основные компоненты силумина

Основными компонентами силуминов являются алюминий и кремний. Данные металлы имеют очень разные свойства. Алюминий (Al) – химический элемент третьей группы периодической системы Д.И. Менделеева; атомный номер алюминия – 13; радиус атома – 0,143 нм; атомная масса – 26,98154. Алюминий имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК), с координационным числом 12. Период кристаллической решетки ≈ 0,404 нм. Аллотропических превращений у алюминия нет. Алюминий обладает высокой электропроводностью Кремний (Si) – химический элемент четвертой группы периодической системы Д.И. Менделеева; атомный номер – 14; радиус атома – 0,134 нм; атомная масса – 28,08. Кристаллическая решетка кремния – кубическая типа алмаза с восемью атомами в элементарной ячейке с периодом 0,54304 нм; координационное число – 4. Плотность кремния в кристаллическом состоянии составляет 2,33 г/см3 . При плавлении плотность кремния в отличие от алюминия возрастает, а его объем уменьшается. Ковалентный тип связи при плавлении меняется на металлический, что вызывает увеличение тепло- и электропроводности.

2 Диаграмма состояния и микроструктура сплавов системы Al-Si

На рисунке 1 приведена диаграмма состояния системы Al-Si. Основные фазы системы: Жидкая фаза – расплав компонентов; α – твердый раствор кремния в алюминии; Si – кристаллический кремний. Растворимость алюминия в кремнии очень мала и наблюдается только при повышенных температурах. При 577 ºС в системе протекает эвтектическая реакция, в ходе которой жидкий расплав кристаллизуется в механическую смесь кристаллов твердого раствора α и кристаллов Si. Силумины это сплавы алюминия с кремнием в количестве 4-22 % Микроструктура силуминов отличается, в зависимости от количества кремния. Доэвтектический силумин (рисунок 2 а) имеет дентритную структуру. Светлые дентриты – α-фаза, между которыми расположена эвтектика игольчатого типа. Эвтектический силумин (рисунок 2 б) имеет структуру эвтектики, в которой кремний имеет вид грубых игл. Заэвтектический силумин (рисунок 2 в) имеет в своей микроструктуре зерна кристаллического кремния, выделившегося первично, то есть из расплава, которые находятся среди эвтектического сплава. Поскольку кристаллический кремний – хрупкий, его присутствие в сплаве значительно понижает его прочностные свойства. Особенно если кристаллы кремния имеют большой размер и игольчатую форму. Для исправления данной проблемы используется модифицирование. Модифицирование представляет собой введение небольшого количества натрия, кальция или бора в расплав. Такая добавка способствует смещению эвтектического состава до ≈15 % Si, а также измельчению микроструктуры эвтектики (рисунок 2 г).

3 Примеси и легирующие добавки

Наличие примесей ощутимо изменяет свойства алюминиевого сплава. В сплаве могут присутствовать постоянные примеси, которые были внесены в него в процессе выплавки или из шихтового материала. Кроме того в сплав могут специально вводиться легирующие элементы, для получения необходимых свойств будущего изделия. Рассмотрим основные примеси и легирующие элементы силуминов: Железо (Fe) является постоянной вредной примесью. Как правило, при изготовлении отливок ответственного назначения. количество железа четко регламентируется. Железо входит в состав эвтектики и или может образовывать кристаллы первичных соединения. Наиболее вредными считаются кристаллы Al5FeSi, имеющие игольчатую форму. Для силуминов с малым содержанием кремния возможно образование менее опасного соединения Al8Fe2Si, которое располагается в эвтектике и имеет скелетоообразное строение. Для получения самой безопасной формы железистый включений – глобулярной – сплавы легируют бериллием. Добавка магния приводит к образованию соединения Al8FeMg3Si6. Добавка марганца в сплав позволяет получить соединение Al15(FeMn)3Si2, которое имеет скелетообразный вид, вместо игольчатого Al5FeSi. При добавке марганца необходимо учитывать, что его суммарное количество с железом должно быть не более 1,5 %, иначе образуются крупные кристаллы Al15(FeMn)3, ухудшающие характеристики сплава. Такие примеси, как олово и свинец, наблюдаются в сплаве в очень малом количестве, однако их необходимо учитывать, если предполагается работа изделия при повышенных температурах. Поскольку данные металлы легкоплавкие, они понижают жаропрочность сплава. Кроме того, олово понижает коррозионную стойкость. Кальций позволяет избавиться от неметаллической примеси – окиси алюминия. Вступая в реакцию, получается окись кальция и металлический алюминий. Однако, присутствие окиси кальция в силумине понижает его жидкотекучесть, и механические свойства; повышает теплопроводность. Цинк практический полностью растворяется в α-твердом растворе. Его влияние на сплав в виде примеси не значительно, однако в больших количествах он может понизить литейные свойства и повысить механические. Добавка магния, как правило не превышает 1 %. Это обусловлено образованием эвтектических фаз в сплаве. Количество получаемой эвтектики типа Mg2Si должно быть мало, чтобы повысить пластичность сплава, не вызывая понижения других механических характеристик. Также магний способствует упрочнению при старении, поскольку входит в состав упрочняющих фаз. Медь входит в состав твердого раствора и вызывает упрочнение сплава в процессе старения. Если количество добавляемой меди больше, чем ее предел растворимости в алюминии, то происходит выделения эвтектических фаз, которые негативно сказываются на прочностных свойствах сплава. Такие добавки, как ванадий, хром, марганец, кобальт, молибден, никель способствуют устранению вредного влияния железа, приводят повышению прочностных свойств, жаропрочности и снижению пористости сплава. Кроме того, для модифицирования структуры – ее измельчения – в сплав в очень малых количествах вводят особые добавки. Назначение каждых добавок различно. Так, введения стронция и натрия позволяет модифицировать структуру эвтектики. а добавки титана и бора способствуют образованию более мелких зерен первичных зерен α-фазы в доэвтектических сплавах рассматриваемой системы. Если необходимо модифицировать сплав заэвтектического состава, то есть получить более мелкие зерна первичного кремния, то обычно используется фосфор. В зависимости от конечного химического состава, условий его охлаждения, последующей термообработки, в состав силуминов могут входить различные фазы, которые могут быть представлены как самостоятельными первичными кристаллами, так и входить в состав эвтектик. Основные образующиеся фазы представлены в таблице 1.

4 Маркировка

Маркировка силуминов по старому стандарту ГОСТ 2685 — 75 выглядела – АЛ##, где А – алюминиевый сплав; Л – литейный; ## – порядковый номер сплава в стандарте. Сейчас данный стандарт устарел, для маркировки литейных алюминиевых сплавов используется ГОСТ 1583 – 93, согласно которому маркировка выглядит следующим образом – АК##**, где А – алюминиевый сплав; К## – содержит кремний; ## – количество кремния, % масс.; ** – другие легирующие элементы и их количество.

5 Безмедистые силумины

Безмедистые силумины – не легированные дополнительно медью силумины. Среди них можно выделить сплавы: АК12, АК9, АК9ч, АК9пч, АК7, АК7ч, АК7пч. Буквы «ч» и «пч» в конце маркировки обозначают чистый и повышенной чистоты соответственно и говорят о пониженном содержании примесей в сплаве. Сплав эвтектического состава – АК12. Структура сплава состоит преимущественно из эвтектики, с небольшим количеством α-твердого раствора. Примесь железа в сплаве, в сочетании с низким количеством марганца может привести к формированию иглообразных зерен β-FeSiAl5. Данный сплав имеет хорошие литейные характеристики, хотя его прочностные характеристики не высоки. У сплава удовлетворительная технологичность и коррозионная стойкость. Сплав нашел применение в машиностроении для получения герметичных отливок, а также литых деталей сложной конфигурации, работающих при температуре не выше 200 °С. Сплав АК9 в литом состоянии может содержать следующие фазы: α-Al, Si, (FeMn)3Si2Al5, β-FeSiAl5, θ-CuAl2, β-Mg2Si, π-FeMg3Si6Al3. Данный сплав обладает хорошими литейными и механическими свойствами при удовлетворительной коррозионной стойкости. Для сплава используется термическая обработка, включающая в себя закалку и полное искусственное старение. Применяют для ответственных крупногабаритных деталей, от которых требуются повышенные прочностные свойства, например для картеров двигателей внутреннего сгорания. Сплавы АК9ч и АК9пч обладают более высокой чистотой от примесей, в том числе от примеси железа, соответственном в нем меньше вредных фаз. Сплав подвергают термической обработке, аналогично сплаву АК9. Они имеют хорошие литейные и механические свойства при удовлетворительной коррозионной стойкости. Отливки из этих сплавов обладают хорошей герметичностью. Сплавы используются для получения ответственных крупногабаритных и корпусных деталей. Сплавы находят применение в автомобильной промышленности и сельскохозяйственном машиностроении, а также в самолето- и ракетостроении при изготовлении деталей, работающих при температуре не выше 200 °С. Структура сплава АК7 в литом состоянии состоит из дендритов α-Al и эвтектики (Al+Si). Основные фазы в литом состоянии: α-Al, Si, (FeMn)3Si2Al5, β-FeSiAl5, θ-CuAl2, β-Mg2Si, W-CuSi4Mg6Al4, π-FeMg3Si6Al3. Сплав подвергают термической обработке – закалке и неполному искусственному старению. Сплав обладает удовлетворительными литейными и механическими свойствами, хорошей коррозионной стойкостью. Применяется в различных областях промышленности для литья тонкостенных деталей средней нагруженности сложной конфигурации: корпусные детали, крышки, радиаторы отопительных систем. Сплавы с меньшим содержанием примесей АК7ч и АК7пч более высокие механические свойства, лучшую герметичность и коррозионную стойкостью по сравнению с АК7. Сплавы используют для изготовления тонкостенных деталей средней нагруженности сложной формы по технологии литья. Такими деталями могут быть узлы и детали самолетов и ракетных двигателей.

6 Малокремнистые медистые силумины

К малокремнистым медистым силуминам относятся сплавы АК5М, АК5М2, АК5ч, АК6М2. Наиболее широкое применение находят сплавы АК5М2 и АК6М2. Сплав АК5М2 в литом состоянии имеет следующие фазы: α-Al, Si, (FeMn)3Si2Al15, β-FeSiAl5, θ-CuAl2, β-Mg2Si, π-FeMg3Si6Al8. Магний- и медьсодержащие фазы встречаются в виде эвтектических прожилок. Сплав может подвергаться термообработке. первый вид возможной термообработки – закалка и неполное искусственное старение. Второй вид – закалка и смягчающий отпуск. Сплав имеет удовлетворительные литейные и механические свойства, а также коррозионную стойкость. Сплав используют для изготовления разнообразных отливок при производстве бытовых и промышленных швейных машин, кабельных барабанов, строительных и отделочных машин, небольших корпусных деталей и т.д. Сплав АК6М2 в литом состоянии имеет следующие фазы: α-Al, Si, Fe2SiAl8, β-FeSiAl5, θCuAl2, β-Mg2Si, W-Cu2Mg8Si6Al5, π-FeMg3Si6Al8. Сплав подвергается искусственному старению, в том числе и без предварительной закалки. Сплав имеет удовлетворительные литейные, механические и эксплуатационные свойства. Используется для изготовления средненагруженных деталей разнообразного назначения. В качестве примера в автомобилестроении можно привести – головка блока цилиндров двигателей. Сплавы с добавкой меди в больших количествах АК5М4 и АК5М7 соответственно содержат больше фаз с медью – θCuAl2 и W-Cu2Mg8Si6Al5. Данные сплавы отличаются повышенной жаропрочностью. Применяются для изготовления поршней насосов, тормозной аппаратуры, реже – для поршней тракторных и автомобильных двигателей.

7 Медистые силумины с повышенными литейными свойствами

Сплавы данного класса: АК8М3, АК8М3ч, АК8М, АК9М2, АК12М2. Сплав АК8М3 в литом состоянии характеризуется следующими фазами: α-Al, Si, β-FeSiAl5, (FeMn)3Si2Al15, θ-CuAl2, Cu4NiAl7, W-Cu2Mg2Si6Al5, π-FeMg3Si6Al8. Поскольку в сплаве содержится много меди, в его составе присутствуют 3 медьсодержащих фазы. Сплав подвергают закалке и полному искусственному старению. Предназначен в основном для литья под давлением. Обладает высокими прочностными свойствами. Применяется в автотракторном и электромашиностроении для изготовления ответственных сложных деталей. Сплав АК8М3ч считается высокопрочным литейным сплавом. В литом состоянии имеет следующие фазы: α-Al, Si, β-FeSiAl5, F-Fe2Al4Be5, ψ-(Fe,Si,Al,Be), θ-CuAl2, W-Cu2Mg8Si6Al5. Примесь железа, допускаемая концентрация которой жестко регламентирована, может присутствовать в виде трех фаз. Прочностные свойства сплава выше. Применяется в автомобильной, электротехнической и оборонной промышленности для производства тонкостенных, крупногабаритных, сложных по конструкции герметичных деталей. АК9М2 в литом состоянии представлен следующими фазами: α-Al, Si, βFeSiAl5, (FeMn)3Si2Al15, θ-CuAl2, Mg2Si, W-AlMgCu4Si4, πFeMg3Si6Al8. Сплав подвергается искусственному старению, в том числе без предварительной закалки. Механические свойства сплава находятся на среднем уровне, сплав нашел применение в автомобилестроении. АК12М2 в литом состоянии представлен фазами: α-Al, Si, (FeMn)3Si2Al15, θ-CuAl2, Mg2Si. Поскольку количество кремния в сплаве превышает эвтектическое, в его структуре наблюдаются зерна первичного кремния. Единственная возможна термообработка сплава – искусственное старение без предварительной закалки. Характеристики сплава находятся на удовлетворительном уровне, а область его применения – машиностроение.

8 Поршневые силумины

К группе поршневых силуминов относятся сплавы АК12М2МгН, АК12ММгН и АК21М2,5Н2,5. АК12М2МгН в литом состоянии имеет в структуре следующие фазы: α-Al, Si, β-FeSiAl5, (FeMn)3Si2Al15, FeNiAl9, θ-CuAl2, (CuNi)2Al3, CuNiAl6, Mg2Si, W- CuSi4Mg5Al4, π-FeMg3Si6Al8. Имеет высокие литейные свойства и жаропрочность по сравнению с другими промышленными силуминами. Предназначен исключительно для поршней дизельных двигателей и двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В сплаве АК12ММгН в отличие от вышеописанного отсутствует фаза (CuNi)2Al3, поскольку количество меди в сплаве меньше. Состав сплава четко регламентирован, поэтому его механические выше, однако жаропрочность ниже. АК21М2,5Н2,5 в литом состоянии включает фазы: α-Al, Si, β-FeSiAl5, FeNiAl9, W- CuSi4Mg5Al4, π-FeMg3Si6Al8. Данный сплав имеет заэвтектический состав, соответственно в его структуре имеются зерна первичного кремния. Для предотвращения крупных размеров этих зерен и понижения свойств сплава его модифицируют. Применяется для производства поршней дизельных двигателей, к которым предъявляются повышенные требования по жаропрочности и линейному расширению. Все сплавы поршневой группы подвергаются искусственному старению.

ВЫВОДЫ

Силумины нашли применение во многих отраслях нашей жизни. Наибольшее распространение они нашли в самолето-, ракето- и машиностроении. Использование силуминов позволяет получить изделия сложной формы по технологии литья. Получение качественных отливок сложной геометрической формы позволяет значительно экономить металл, в сравнении с получением изделий процессами механической обработки. Низкая плотность, достаточно высокая удельная прочность, коррозионная стойкость – эти преимущества делают силумины отличными конструкционными материалами. На ряду с силуминами, не подвергающимися термической обработке, есть силумины, которые подвергают старению. Введение легирующих элементов способствует образованию упрочняющих фаз в процессе старения, которые значительно повышают прочностные свойства сплава, а так же его жаропрочность, позволяя значительно расширить области его применения.

Список литературы

1. Гуляев А.П. Металловедение: учебник для вузов. – Москва: Металлургия, 1986. – 544 с. 2. Белецкий В.М., Кривов Г.А. Алюминиевые сплавы: состав, свойства, технология, применения. Справочник. – Киев: Коминтех, 2005. –365 с. 3. Никитин К.В. Модифицирование и комплексная обработка силуминов: учеб. пособие. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2016. – 92 с. 4. Беляев, А.И. Металловедение алюминия и его сплавов: Справ. изд. / А.И. Беляев, О.С. Бочвар, Н.Н. Буйнов – М.: Металлургия, 1983. – 280 с. 5. ГОСТ 1583-93 СПЛАВЫ АЛЮМИНИЕВЫЕ ЛИТЕЙНЫЕ Технические условия. Дата введения 1997-01-01