Сплавы системы Al - Mg - Si

Сплавы системы Al - Mg - Si. Введение кремния в сплавы типа магналий способствует уменьшению чувствительности к образованию трещин, увеличению жидкоте-кучести и плотности литья, а также повышению жаропрочности.

Последнее объясняется сравнительно слабым взаимодействием а-твердого раствора с фазой Mg2Si, присутствие которой в структуре понижает интенсивность диффузионных процессов. Фаза Mg2Si часто кристаллизуется в этих сплавах в разветвленной паукообразной форме, способствующей снижению их механических свойств при комнатной температуре. Вместе с тем фаза Mg2Si снижает пластичность сплавов, поэтому содержание кремния в сплавах типа магналий не должно превышать 1,5 . Таблица 2.4 Влияние кремния на жискотекучесть сплавов типа магналий с содержанием железа 0,09-0,2 при температуре заливки 700 С 164 Химический состав, остальное А1 Средняя длина прутка при 700 С, мм Химический состав, остальное А1 Средняя дл и н а прутка при 700о С, мм М g Si Mg Si 4,8 0,15 168 11,0 0,15 260 4,8 1,15 183 10,6 0,67 306 4,8 1,62 216 11,2 1,21 375 5,4 1,60 250 11,8 1,68 307 5,4 2,18 140 13,0 0,15 321 9,0 0,15 195 13,4 0,71 369 8,8 0,73 288 13,0 1,25 393 8,7 1,21 329 13,3 1,70 315 9,0 1,73 276 Введение марганца в сплавы типа магналий повышает их жаропрочность и улучшает коррозионную стойкость.

В табл. 4 приведены данные по жидкотекучести сплавов типа магналий в зависимости от содержания кремния. Максимальная величина жидкотекучести у всех сплавов с содержанием 9, 11 и 13 Mg наблюдается при 1,2 Si. Для сплавов с 5 Mg максимум жидкотекучести смещается к 1,6 Si. Повышение жидкотекучести в сплавах при содержании в них 1,2 Si можно объяснить увеличением количества тройной эвтектики а Mg2Si Р Al3Mg2 , a последующее снижение жидкотекучести связано с увеличением количества первичных кристаллов фазы Mg2Si в расплаве.

В табл. 5 приведены механические свойства сплавов системы Al-Mg-Si в зависимости от содержания в них магния и кремния при разных температурах, из которых видно, что сплав типа АЛ22 имеет преимущество перед другими сплавами.

В сороковых годах немецкие исследователи, особенно Мейер и Росслер, уделяли большое внимание изучению жаропрочности сплавов типа магналий с кремнием и пытались применить их для изготовления поршней авиационных двигателей.

При этом была поставлена цель уменьшить плотность до 2,5-2,6 г см3, повысить твердость и теплопроводность сплавов. Однако испытания показали, что этого достичь невозможно при использовании сплава типа магналий. Был предложен сплав алюминия с содержанием 5-7 Mg и 1 1,5 Si, обладающий повышенной жаропрочностью. Этому сплаву была присвоена марка Hg51. В Советском Союзе такой сплав известен под маркой АЛ13. Недостаток его - сравнительно низкая прочность при комнатной температуре.

В настоящее время нашли промышленное применение три сплава типа магналий с кремнием АЛ13, АМгТЛ АЛ29 . Соединение Mg2Si образует двойную эвтектику с а-твердым раствором 8,25 Mg 4,75 Si остальное Al с температурой плавления 595 С. При малом содержании магния в сплаве эвтектика располагается по границам зерен твердого раствора строение ее грубеет с увеличением содержания магния в сплаве, такой характер расположения частиц фазы Mg2Si повышает жаропрочность сплавов.

Растворимость фазы Mg2Si в твердом алюминии во много раз меньше растворимости магния. Следовательно, все промышленные тройные сплавы АЛ 13, АЛ29, АЛ22 в закаленном состоянии имеют гетерогенную структуру. Поэтому у них не может быть высоких механических свойств, присущих закаленным двойным сплавам АЛ8, АЛ8М, АЛ27-1. Один из путей повышения прочности сплава - увеличение скорости кристаллизации, которое может способствовать получению плотной мелкозернистой структуры и более дисперсных частиц фаз Mg2Si. Al3Fe, Al3Ti. Поэтому при литье деталей из этого сплава в песчаные формы особенно желательно применять холодильники или отливать детали в металлические формы.

Исследование механических свойств литых термически не обработанных сплавов табл. 6 показывает, что предел прочности почти не зависит от содержания магния, а относительное удлинение по мере повышения содержания магния, особенно начиная с 9 , значительно снижается.

Т а б л и ц а 2.5 Механические свойства сплавов при повышенных температурах образцы, отлитые в песчаные формы Химический состав, остальное Аl Температура испытания, С 20 250 З00 350 Mg Si sb кГ мм2 d. sb кГ мм2 d. sb кГ мм2 d. sb кГ мм2 d. sb кГ мм2 d. 5 0 2 15 6 12 8 23 10 11 18 17 23 5 1,2 13 4 11 10 18 8 10 16 16 22 9 0,2 16 3 12 12 2 ? 9 13 16 6 19 25 9 1,2 16 2 13 10 14 10 12 15 б 18 23 10 0,2 20 0,8 12 11 25 7 21 18 4 46 36 11 0,2 18 1 12 5 25 8 9 5 44 55 11 1,2 16 2 14 3 11 10 8 14 6 15 26 12 0,2 19 0,7 12 12 26 6 23 20 3 48 38 13 0,2 15 0,5 12 2 27 7 - 5 50 78 13 1,3 16 1,5 14 4 8 12 15 7 21 28 Таблица 2.6 Механические свойства сплавов Al-Mg-Si в литом и закаленном состояниях отдельно отлитые в песчаные формы образцы Химический состав, 0.09-0,2 Fe, остальное А1 В литом состоянии После закалки Mg Si sb кГ мм2 d. sb кГ мм2 d. 4,80 0,15 18,0 4,0 20 4 5,40 0,70 19,0 3,8 21 4,5 8,70 1,20 19,0 1,0 22 4,5 10,60 0,60 19,0 1,0 28 5 11,00 0,15 17,0 0,5 34 12 11,00 0,75 17,0 0,0 30 6 11,00 1,25 20 1,0 22 2 11,80 1,25 20 0,5 23 3 13,40 0,70 18 0,0 25 5 13,00 1,25 16 0,0 23 3 13,30 1,70 17 0,0 22 15 Сплавы с содержанием более 9 Mg и 0,3 Si не рекомендуется применять без термической обработки. В табл. 7 приведены сравнительные типичные механические и технологические свойства четырех сплавов.

Коррозионная стойкость сплава АЛ22 в сравнении с коррозионной стойкостью других сплавов следующая.

При испытании сплавов в течение 30 дней в пресной воде потеря в массе сплава АЛ22 составила 2,5, а сплава АЛ4 8,8 г ж2. При испытании в течение 45 дней методом распыления 3 -ного. раствора NaCl потеря в массе сплава АЛ22 составила 4,9, сплава АЛЗ 16,9, а сплава АЛ1 24,7 г л 2. При испытании в течение 20 дней в особо жестких условиях раствор 3 NaCl 0,2 Н2О2 потеря, в массе неанодированного сплава АЛ22 составила 1,5, а анодированного 0,1 г л2. Из приведенных в табл. 6 и 7 данных видно, что для получения высокой прочности сплава АЛ22 содержание магния при шихтовке должно быть на верхнем пределе до 11 , а кремния - на нижнем пределе не больше 0,8 . Результаты сравнения жаропрочности сплавов АЛ8, АЛ13 и АЛ22 приведены в табл. 8. По жаропрочности сплавы располагаются в следующий восходящий ряд АЛ8 - АЛ 13 - АЛ22. Сплав АЛ8 по жаропрочности очень сильно уступает сплавам АЛ13 и АЛ22 в связи с тем, что процессы распада твердого раствора протекают в нем наиболее сильно.

Таблица 2.7 Типичные свойства литейных алюминиевых сплавов, отлитых под давлениемПоказатели Ал13 4, 5-5,5 Mg 0,8-1,3 Si 0,1-0,4 Mri, остальное Аl Сплавы АЛ22 8-13,0 Mg 0,8-1,25 Si 0,03-0,05 Be 0,03-0,07 Ti остальное Al АЛ8 9,5- ll,5 Mg АЛЗ 4,5-5,5 Si 1,5-3,0 Cu 0,6-0,9 Mn 0,35-0,6 Mg Плотность, г см3 Жидкотекучесть при 700 С, мм Линейная усадка, Склонность к образованию горячих трещин в процессе кристаллизации и последующего охлаждения ширина кольца, при которой образуются трещины, мм Давление, при котором появляется течь или разрушение, am Условия ведения плавки 2,68 2,50 2,60 2,75 322 470 490 418 470 1,3 370-390 1,2 318 1,4 370 1,2 15 12 22,5 12 118 130 118 Под Без флюса 55 Под 100 Без флюса флюсом флюсом Предел прочности, кГ мм-Предел текучести, кГ мм-Относительное удлинение, Твердость НВ, кГ мм2 Модуль упругости, кГ мм2 Сопротивление срезу, кГ мм-Предел прочности, кГ мм, при кратковременных испытаниях на растяжение после 100-ч стабилизации при температурах, С 15-17 23-30 29-35 25-27 9-11 14-17 15-19 13-15 1,3 2-6 9-12 0,5-1,0 55-60 75-90 75-95 75-90 6700 7000 7000 7000 14-16 20-22 23-25 - 250 10 - 11 15 - 16 11- 13 15 -17 300 7-8 12-13 8-9 11 - 12 З50 5 -6 8- 10 5- 6 7-8 Для сложного литья под давлением содержание магния может быть понижено до 8 . Таблица 2.8 Длительная прочность сплавов АЛЗ, АЛ 13 и АЛ22 при температуре 300о С s кГ мм2 Длительность испытании, ч АЛЗ А Л 13 ал22 5 4 3 9 Разрушается при нагружении 0,5-1 10-20 60-80 0,5-3 15-30 85-120 250-300 0,5-2 10-20 95-150 300-350 В структуре сплава ВАЛ1 еще явное преобладание продуктов зонной стадии распада твердого раствора.

При дальнейшем повышении температуры на 25 град значительно изменяется структура сплава АЛ 19. Увеличиваются участки зерен твердого раствора без продуктов его распада, тогда как на других участках зерен твердого раствора наблюдается группировка продуктов распада вокруг частиц стабильной фазы Т А112Мп Си. Фаза Т также коагулирует.

Изменение в структуре сплава А19 после З-ч выдержки при температуре 300 С приводит к дальнейшему развитию процессов растворения мелких выделений фазы 0 и коагуляции частиц фазы Т, но в зернах твердого раствора еще частично хорошо видны скопления продуктов его распада.

Увеличение длительности выдержки при 300оС до 10ч приводит к интенсивному процессу коагуляции частиц фазы Т и образования частиц стабильной фазы CuAl2. В структуре твердого раствора сплава ВАЛ1, несмотря на длительное 10 ч старение при температуре 275 С, наблюдаются довольно мелкие, равномерно расположенные в виде цепочек.

При этом частицы фазы Т несколько коагулируют.

Структура сплава ВАЛ1 после 10-ч выдержки при температуре 300 С резко отличается от структуры сплава АЛ19. В твердом растворе с высокой плотностью распределены точечные и мелкие пластинчатые продукты распада.

Заторможенность распада твердого раствора и присутствие тугоплавких фаз Al6Cu3Ni и А112Мп.2Си обеспечивают сплаву ВАЛ1 высокую жаропрочность.

С изменением тонкой структуры соответственно изменяются и механические свойства, поэтому жаропрочность сплава ВАЛ1 на 30 выше, чем у АЛ 19. 2.3