86861

ЛИТЕЙНЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

В качестве литейных наиболее распространены сплавы на основе системы Al-Si, для которых характерны малые температурные интервалы кристаллизации и очень хорошие литейные свойства. Для фасонного литья применяют также сплавы других систем, не отличающиеся в принципе от деформируемых, но часто с более высоки...

Русский

2015-04-11

675.5 KB

18 чел.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Тульский государственный университет

Кафедра "Физика металлов и материаловедение"

"ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ"

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ЛИТЕЙНЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

для студентов очного обучения

Тула - 2005 г.


Разработали

Е.М.Гринберг

доктор технических наук, профессор

В.Я.Котенева

кандидат технических наук, доцент


1. Цель работы             
 

1. Ознакомиться с классификацией, назначением и свойствами литейных  алюминиевых сплавов.

2. Изучить микроструктуры  литейных алюминиевых сплавов в различных состояниях и установить связь между микроструктурой сплавов и диаграммой состояния "Al – легирующий элемент".

2. Краткие теоретические сведения

Литейные алюминиевые  сплавы, как правило, маркируют буквами АЛ,  после которых стоит число, показывающее порядковый номер сплава. Этот номер не имеет никакой связи ни с составом сплава, ни с его свойствами.

В качестве литейных наиболее распространены сплавы на основе системы Al-Si, для которых характерны малые температурные интервалы кристаллизации и очень хорошие литейные свойства. Для фасонного литья применяют также сплавы других систем, не отличающиеся в принципе от деформируемых, но часто с более высоким содержанием легирующих компонентов (меди и магния), тугоплавких добавок (титана и никеля) и примесей (железа). Однако эти сплавы значительно меньше распространены, чем Al-Si сплавы, в связи с их худшими литейными свойствами.

Сплавы на основе системы Al-Si  (силумины) 

Силумины подразделяют на двойные (или простые), легированные только кремнием, и специальные, в которых, помимо кремния, содержатся в небольшом количестве другие легирующие компоненты (Mg, Cu,  Mn, Ni). Силумины относятся к числу эвтектических или доэвтектических сплавов. Без учета влияния других компонентов их структура представляет собой либо эвтектику +Si (АЛ2), либо первичные кристаллы и эвтектику -  +(+Si) (АЛ4, АЛ9, АЛ5).

Структура эвтектического двойного силумина АЛ2 представляет собой зерна -фазы, на светлом фоне которых беспорядочно разбросаны кристаллы почти чистого кремния, имеющие вид темно-серых иголок.

Кремний имеет переменную растворимость в алюминии, которая возрастает от <0,1 % при комнатной температуре до 1,65 % при эвтектической температуре (577 С). Однако упрочняющий эффект при закалке двойных сплавов крайне мал, и поэтому простые силумины относятся к числу термически не упрочняемых сплавов, обладающих невысокими прочностными характеристиками.

Единственный способ несколько повысить их прочность и пластичность - измельчение эвтектических кристаллов кремния, которое можно достигнуть двумя путями: 1) увеличением скорости охлаждения при кристаллизации и 2) введением в сплавы малых добавок (сотые доли процента) щелочных металлов (Na, Li, Sr). Первый путь дает хорошие результаты. Однако он находит ограниченное применение для тонкостенных деталей, которые могут быть отлиты в металлический кокиль или методом литья под давлением. Второй путь - модифицирование структуры силуминов микродобавками - более универсален. На практике широко применяют модифицирование силуминов натрием.

После модифицирования эвтектика (+Si) имеет точечное строение благодаря дисперсным глобулярным кристалликам кремния. Вместе с тем, поскольку натрий сдвигает эвтектическую точку в сторону более высоких концентраций кремния, эвтектический до модифицирования сплав АЛ2 после кристаллизации становится доэвтектическим. В его структуре появляются первичные кристаллы -твердого раствора кремния в алюминии в виде овальных светлых участков, являющихся сечением ветвей дендритов плоскостью шлифа.

Из дополнительных легирующих компонентов в силуминах наибольшее значение имеют магний и медь, введение которых делает сплавы термически упрочняемыми. Специальные силумины, содержащие магний и медь, подвергают закалке и последующему искусственному старению. В результате прочность сплавов существенно повышается, а пластичность уменьшается по сравнению с простым силумином.

В сплаве АЛ4, упрочняемом термообработкой, при некотором снижении содержания кремния по сравнению со сплавом АЛ2 достигается благоприятное сочетание литейных свойств: относительно малая усадочная пористость и значительно меньшая концентрированная усадочная раковина. Сплав АЛ9, который не подвергают ни модифицированию перед литьем, ни искусственному старению (отливки только закаливают), довольно широко применяют благодаря сочетанию удовлетворительной прочности, высокой пластичности и хороших литейных свойств.

В литом состоянии в сплавах АЛ4 и АЛ9 структура состоит из светлых первичных кристаллов -раствора кремния и магния в алюминии, имеющих овальную форму,  и точечной эвтектики (+Si), количество которой больше в сплаве АЛ9. В закаленном и состаренном состояниях – на фоне светлых зерен -раствора видны частицы кремния, скоагулирующего при нагреве под закалку из эвтектики. Упрочняющая фаза Mg2Si выделяется при старении в высокодисперсной форме.

Высокопрочный сплав АЛ5 отличается несколько пониженной коррозионной стойкостью из-за присутствия в нем меди. Вместе с тем медь, приводя к образованию сложной интерметаллидной фазы, обусловливает улучшение механических свойств сплава  при повышенных температурах. Сплав не относится к жаропрочным литейным алюминиевым сплавам, но среди силуминов он наиболее прочный при повышенных температурах.

Главные структурные составляющие в литом сплаве – первичные кристаллы -твердого раствора и двойная эвтектика (+Si), обнаруживается также небольшое количество  неравновесной тройной эвтектики (+Si + CuAl2). Магний связан в черные скелетные кристаллы Mg2Si.

Сплав АЛ34 (ВАЛ5), относящийся, так же как сплавы АЛ4 и АЛ9, к системе Al-Si-Mg, превосходит их по прочности, имеет хорошие литейные свойства и отличается высокой герметичностью. Эти свойства обеспечиваются более высоким содержанием магния и дополнительным легированием титаном и бериллием.  Сплав АЛ34 предназначен для литья сложных по конфигурации корпусных деталей, работающих под большим внутренним давлением.

Сплавы на основе системы Al-Cu 

Как видно из диаграммы состояния системы Al-Cu (рис.1), литейные сплавы АЛ7, АЛ19, АЛ33 (ВАЛ1), в которых содержится 4...6,2 %Cu, имеют (без учета других легирующих компонентов и примесей) двухфазную равновесную структуру +(Al2Cu) и относятся к типичным термически упрочняемым сплавам. Высокая прочность после термической обработки, а также высокая жаропрочность являются главными преимуществами этих сплавов. Но, как следует из диаграммы состояния, сплавы типа АЛ7 имеют в отличие от силуминов довольно широкий температурный интервал кристаллизации (90...100 С при неравновесных условиях кристаллизации), что обусловливает значительно худшие литейные свойства этих сплавов по сравнению с силуминами: меньшую жидкотекучесть, большую склонность к образованию трещин при литье и к усадочной пористости. Литейные сплавы системы Al-Cu закаливают в горячей воде и подвергают искусственному старению. Если не требуется максимальной прочности, но важна  повышенная пластичность, ограничиваются одной закалкой.

Сплавы АЛ19 (4,5-5,3 %Cu, 0,6-1,0 %Mn, 0,15-0,35 %Ti) и АЛ33 (5,5-6,2 %Cu, 0,6-1,0 %Mn, 0,8-1,2 %Ni, 0,05-0,2 %Zr, 0,15-0,3 %Ce) относятся к числу наиболее жаропрочных алюминиевых сплавов. По длительной прочности при 300 С эти сплавы значительно превосходят силумины и двойной алюминиевомедный сплав АЛ7 (4-5 %Cu), что обусловлено добавками марганца, титана, никеля, церия и циркония, образующими нерастворимые и малорастворимые интерметаллидные фазы.

Основная структурная составляющая сплавов АЛ7 и АЛ19 -твердый раствор меди, марганца и титана в алюминии. В литом состоянии по границам зерен -фазы располагаются светлые включения CuAl2 из неравновесной эвтектики + CuAl2 и черные включения Al12Mn2Cu, охрупчивающие сплав. При нагреве под закалку интерметаллиды растворяются в -фазе и не успевают выделиться из нее при последующем быстром охлаждении. Фаза Al3Ti формируется внутри зерен -фазы и повышает жаропрочность сплава.

Сплавы на основе системы Al-Mg 

Литейные сплавы на основе системы Al-Mg отличаются такими же характерными особенностями, как и деформируемые сплавы, - при высокой прочности они имеют высокую пластичность и, что наиболее важно, высокую коррозионную стойкость.

Основной легирующий компонент во всех сплавах этой группы (АЛ13, АЛ8, АЛ27) - магний, большая часть которого находится в твердом растворе. Как видно из диаграммы состояния системы Al-Mg (рис.2), фазовый состав рассматриваемых сплавов (без учета других легирующих компонентов) +(Al3Mg2). Несмотря на переменную растворимость -фазы в алюминии, двойные сплавы, содержащие до 7...8 % Mg, не упрочняются при термообработке. Вследствие этого сплавы АЛ13 (4,5-5,5 %Mg, 0,8-1,3 %Si, 0,1-0,4 %Mn) и АЛ28 (4,8-6,3 %Mg, 0,4-1,0 %Mn, 0,05-0,15 %Ti) обычно применяют в литом состоянии без всякой термообработки.

Сплавы АЛ8 (9,5 -10,0 %Mg, <0,1 %Cu) и АЛ27 (9,5-10,5 %Mg, 0,05-0,15 %Ti, 0,05-0,20 %Zr, 0,05-0,15 %Be) с более высоким содержанием магния упрочняются при термообработке, причем в основном после закалки, т.е. вследствие растворения магния в алюминии. При последующем старении прочность изменяется незначительно, а пластичность заметно снижается. В литом состоянии структура сплавов состоит из светлых зерен -твердого раствора магния в алюминии, по границам которых располагаются темные выделения (Mg2Al3)-фазы, охрупчивающие сплав. При длительном нагреве под закалку происходит растворение этих выделений, что способствует повышению пластических характеристик.

Уменьшая допустимое содержание примесей железа и кремния в сплаве АЛ27 по сравнению со сплавом АЛ8, а также вводя дополнительные добавки циркония и титана, преследуют цель - повысить исходную пластичность сплава, стабилизировать твердый раствор, замедлить диффузионные процессы в нем и, в конечном счете, уменьшить естественное старение. Кроме того, цирконий и титан модифицируют структуру, несколько повышают прочность, присутствуя после закалки в виде дисперсных интерметаллидных частиц Al3Zr и Al3Ti, и улучшают коррозионную стойкость. Основное назначение бериллия, как и в других алюминиевых сплавах с высоким содержанием магния, - уменьшение окисляемости сплавов, особенно, в жидком состоянии.

К числу недостатков алюминиевомагниевых сплавов относится их резкое разупрочнение с повышением рабочей температуры. Это в меньшей степени относится к сплаву АЛ13, добавка кремния в котором несколько повышает прочность. Сплав АЛ8 - наименее жаропрочный из всех литейных сплавов.

3. Порядок выполнения и оформления работы

  1.  Ознакомиться с краткими сведениями из теории, законспектировав основные положения.

2. Зарисовать  диаграмму  состояния  "Al - Si", указать  фазовый состав во всех областях диаграммы,  дать характеристику  всех фаз  системы.

3. Получить  комплект  микрошлифов, в который входят образцы технического алюминия  А-85 и алюминиевых сплавов АЛ-2, АЛ-8 и др. в различных состояниях.

4. Изучить микроструктуры всех образцов с использованием оптического металлографического    микроскопа,  зарисовать    микроструктуры,    указать   структурные  составляющие, сравнив их с атласом микроструктур, описать характерные особенности структурообразования всех сплавов.     

5. Определить   по микроструктуре    принадлежность сплавов к тому или иному классу по структуре, способу производства и способности к упрочнению термической обработкой..

6. Проанализировать  изменение  структуры  и  свойств алюминиевых сплавов  с изменением  качественного и количественного содержания легирующих элементов и условий охлаждения.

7. Сделать выводы по работе.

4. Контрольные вопросы

  1.  Назовите характеристики основных физических, механических, технологических, свойств алюминия.
  2.  Какие элементы являются постоянными примесями алюминия и как они  влияют на свойства алюминия?
  3.  В каких отраслях промышленности особенно перспективно применение алюминия и его сплавов, почему?
  4.  На какие группы по технологическим свойствам подразделяются сплавы "Al-легирующий элемент"? Укажите эти группы на обобщенной  диаграмме состояния "Al-легирующий элемент".
  5.  Какие по составу сплавы системы "Al – Si" имеют оптимальные литейные свойства ?
  6.  Какие структуры типичны для силуминов?
  7.  С какой целью и чем проводят модифицирование силуминов и как это влияет на их структуру и свойства?
  8.  Каким образом можно повысить прочность, пластичность, жаропрочность, коррозионную стойкость  силуминов?
  9.  Какие другие (помимо силуминов)  сплавы алюминия являются литейными? Чем они отличаются от силуминов?
  10.  Как маркируются литейные алюминиевые сплавы?

Литература

1. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В,А. Металловедение и термическая обработка  цветных металлов и сплавов. Учебник для вузов / М.: *МИСИС*, 1999.- 416 с.

2. Материаловедение. Учебник для  вузов / Б.Н. Арзамасов,  И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др.; Под  общ.  ред. Б.Н. Арзамасова. -  М.:  Машиностроение, 1986.- 384 с.

3. Мальцев  М.В., Барсукова Т.Я., Боряк Ф.А.   Металлография цветных металлов и сплавов (с атласом микроструктур).- М.: ГНТИЛ по черной и цветной металлургии, 1960. - 372 с.

4. ГОСТ 1583 – 93 «Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия»

Рассмотрено на заседании кафедры

протокол №___ от "___" ______2001 г.

Зав.кафедрой___________А.Е.Гвоздев


Рисунки к лабораторной работе № 3

Рис.1. Алюминиевый угол диаграммы состояния системы Al-Cu

Рис.2. Диаграмма состояния системы Al-Mg


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

50311. ДОСЛІДЖЕННЯ КОМУТАЦІЙНИХ ПОЛІВ ТИПІВ Ч-Ч ТА Ч-П-Ч СИСТЕМИ МТ-20/25 643.5 KB
  GTR – блок часової комутації прийому. GTE – блок часової комутації передачі. SG – блок просторової комутації. Цифрове комутаційне поле призначене для комутації розмовних зумерних сигналів і сигналів управління.
50313. Дослідження цифрового комутаційного поля (SN) системи EWSD 402.5 KB
  Мета роботи: Вивчити принципи побудови з’єднувальних шляхів в ЦКП системи EWSD. У процесі самопідготовки вивчити призначення апаратних засобів ЦСК EWSD. Ознайомитися з варіантами побудови КП ЦСК EWSD.
50315. Дослідження підсистеми комутації та керування системи Alcatel 1000 E-10 759.5 KB
  Мета роботи: Вивчити принципи побудови функції підсистеми комутації та керування ОСВ283 lctel 1000 E10 призначення мультипроцесорних станцій. У процесі самопідготовки вивчити призначення апаратних засобів ОСВ283. Ознайомитися з функціональною архітектурою ОСВ283.3 Розглянути програмні засоби ОСВ283 lctel 1000 E10.
50317. Учбова установка АТСЕ «КАРПАТИ» 498.5 KB
  Призначення основних блоків структурної схеми АТСЕ КАРПАТИ.Привести структурну схему АТСЕ КАРПАТИ ємністю менше 720 абонентів з призначенням її основних блоків. Структурна схема учбової установки АТСЕ КАРПАТИ†ємністю менше 720 АЛ БАЛ – блок абонентських ліній; САК – блок спарених абонентських комплектів; БФСЛ1 БФЗЛ1 – блок фізичних з’єднувальних ліній...