Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
В качестве основных присадок в эти сплавы входят кремний и медь, а за последнее время также и магний.
Влияние кремния. Кремний является составляющей большинства алюминиевых сплавов, применяемых для литья под давлением. Он придает им большую пластичность при высоких температурах, что особенно важно при отливке полых деталей, когда металлические стержни, выполняющие полости, препятствуют свободной усадке сплава.
По данным акад. А.А. Бочвара, основным условием обеспечения хорошей сопротивляемости сплава усадочным напряжениям является наличие в сплаве достаточно большого количества эвтектики (от 15 до 25%) или другой составляющей, кристаллизующейся в последнюю очередь и при постоянной температуре. При той концентрации сплава, начиная с которой во время кристаллизации не наблюдается линейной усадки, происходит резкое возрастание сопротивляемости напряжениям.
При соответствующем количестве эвтектики уменьшается степень дендритности кристаллов и увеличивается контактная поверхность зерен. Эвтектическая жидкость кристаллизуется при постоянной температуре, т. е. без создания новых напряжений; она имеет способность свободно перемещаться между осями дендритов. Трещины, возникающие в эвтектических сплавах, благодаря этому сейчас же заполняются жидкостью и не развиваются до конца кристаллизации.
Кремний обладает способностью образовывать с алюминием твердый раствор с весьма ограниченной растворимостью кремния в алюминий. При 578° — температуре образования эвтектики — растворяется всего 1,65% Si. С охлаждением сплава до комнатной температуры растворимость кремния, значительно уменьшаясь, доходит в некоторых случаях почти до 0,2%.
При увеличении содержания кремния он образует эвтектику с твердым раствором кремния в алюминии. В сплавах, содержащих 11,7% Si, твердый раствор образует с кремнием эвтектическую смесь. В структуре заэвтектического сплава (при содержании кремния выше 11,7 %) появляются кристаллы свободного кремния, количество которых увеличивается по мере увеличения содержания кремния.
Кроме наличия эвтектики в литье под давлением, большое значение имеет пластичность сплава ниже температуры его затвердевания.
В табл. 35 приводятся механические свойства двух алюминиевых сплавов при высоких температурах. Они показывают, что удлинение сплавов алюминия с кремнием сильно возрастает с температурой.
Значение удлинения сплава Al+12% Si относится к модифицированному сплаву, отлитому в песчаную форму. При литье под давлением удлинение при низких температурах будет несколько меньшим.
Сочетание в алюминиевых сплавах с кремнием (типа силумин) большого количества эвтектики с высокой пластичностью при повышенной температуре делают эти сплавы нечувствительными к горячим и холодным трещинам.
Сплавы системы алюминий—кремний приобретают высокую пластичность в нагретом состоянии уже при содержании кремния 4,5%. Добавление кремния в количестве от 1 до 3,5% к сплавам типа алюминий—медь во всех случаях улучшает их пластичность. Кремний повышает литейные свойства алюминиевых сплавов., увеличивает их жидкотекучесть и уменьшает усадку.
Жидкотекучесть сплавов алюминий—кремний возрастает с повышением содержания в них кремния и достигает своего максимума вблизи эвтектической точки (11,7% Si).
При литье в песчаные формы сплавы алюминия с кремнием обычно приобретают грубокристаллическое игольчатое строение и обнаруживают сравнительно невысокие механические свойства вследствие выделения кремния, игольчатых кристаллов FeAl3 и твердого раствора R (Fe+Si), которые появляются в эвтектическом силумине уже при 0,9% Fe в виде первичных кристаллов.
Главным способом улучшения механических свойств сплава является его модифицирование, т. е. измельчение его структуры при помощи химических реагентов (натрия или фторидов щелочных металлов). В литье под давлением модифицирование не применяется, потому что вследствие долгого выдерживания металла в котле машины или в раздаточной печи модифицирование теряет свое действие — происходит демодифицирование; кроме того, при впуске металла в форму под давлением и быстром его охлаждении возникает большое количество центров кристаллизации и Si, FeAl3 и β (Fe—Si) не успевают вырасти до размера игл или пластинок; в результате силумин приобретает повышенную прочность и твердость.
Модифицирование, повышая прочность сплава, одновременно увеличивает и его удлинение; при литье под давлением удлинение обычно падает, находясь у силумина в пределах 1,5—3,0% (табл. 36).
Следует иметь в виду, что сплавы с высоким содержанием кремния вступают в реакцию с железом плавильных тиглей.
Влияние меди. Сплавы типа алюминий—медь, несмотря на свои высокие литейные свойства, мало пригодны для литья под давлением из-за своей склонности к образованию трещин.
Из этих сплавов отливают в металлических формах детали средней сложности, и не имеющие больших полостей, ни резких переходов от толстых сечений к тонким, ни местных скоплений металла.
В сплавах типа силумин с высоким содержанием кремния влияние меди (до 0,8%) сказывается увеличением предела упругости, прочности и твердости; при дальнейшем увеличении содержания меди значение предела прочности и упругости уменьшается. Удлинение при добавлении меди (уже при 0,4%) прогрессивно падает. В сплавах, содержащих до 7% Si, медь в количестве 1,0—2,0% улучшает чистоту поверхности отливок под давлением.
Добавление к силумину до 0,8% Cu практикуется при отливке деталей, предназначенных работать в условиях вибраций и при динамических нагрузках. Медь в силумине понижает его коррозионную устойчивость.
Влияние железа. Взаимодействие между алюминием и железом, происходящее в процессе литья под давлением, следует рассматривать с двух точек зрения.
Железо неизменно присутствует во всех алюминиевых сплавах и при небольшом его содержании (оно различно для разных типовых сплавов) является даже полезным. Например, сплавы системы Al—Cu при содержании железа не больше 1,4% имеют повышенные предел прочности и удлинение, в то же время они менее склонны к усадке и образованию трещин в горячем состоянии. В сплавах типа силумин—железо при содержании его не выше 0,6% также способствует увеличению прочности. В ряде алюминиевых сплавов умеренное содержание железа значительно улучшает их обрабатываемость резанием.
При значительном содержании железа в алюминиевых сплавах их литейные и механические свойства ухудшаются. Сплав делается менее жидкотекучим и требует для хорошего заполнения формы повышенной температуры перегрева. Кроме того, происходит ликвация сплава, т. е. разделение сплава в процессе кристаллизации на зоны с различной концентрацией железа. Это приводит к получению отливок с неоднородными механическими свойствами. Железо присутствует в виде химического соединения FeAl3, которое образует пластинки, выпадающие первыми, что вызывает образование крупных кристаллов и сопровождается резким снижением механических свойств сплава и появлением хрупкости.
Оптимальное содержание железа в различных алюминиевых сплавах зависит от способности того или иного сплава образовывать эвтектику с растворенным в нем железом. Из диаграммы затвердевания сплавов тройных систем Al—Si—Fe, Al— Cu—Fe и четверной системы Al—Cu—Si—Fe следует, что эвтектическое содержание железа в алюминиевых сплавах уменьшается с увеличением содержания меди или кремния. Это же показывают данные об эвтектическом содержании железа в некоторых алюминиевых сплавах, применяющихся на практике (табл. 37).
В литье под давлением вредное влияние избыточного железа частично парализуется огромной быстротой кристаллизации. Поэтому в сплавах допускаются более значительные количества железа, особенно для тонкостенного литья.
Алюминий и его сплавы обладают высокой способностью растворять в себе различные металлы, в частности, железо, что должно особенно учитываться при литье под давлением на машинах с горячими камерами прессования. Здесь металл постоянно находится в чугунных или стальных котлах, вмонтированных в машины, а так как это обстоятельство требует производства заливки при более высокой температуре, то, следовательно, растворение железа в алюминии будет происходить достаточно быстро. Поэтому при работе на машинах с горячими камерами прессования допускается содержание железа в сплавах до 2—2,5%.
При работе на машинах с холодными камерами металл содержится в отдельной раздаточно-подогревательной печи и соприкасается с камерой прессования и формой только в течение короткого периода, поэтому здесь содержание железа может находиться в пределах его эвтектической концентрации в сплаве.
Необходимо указать, что применение технически чистого сплава, т. е. сплава с очень малым содержанием железа (ниже 0,6%), тоже имеет недостатки; реакция такого сплава с железом формы идет особенно интенсивно; следовательно, интенсивнее будет износ формы и в больших размерах происходит налипание металла на форму.
Влияние цинка. Алюминиевые сплавы с присадкой цинка становятся красноломкими, поэтому цинк редко применяют для алюминиевых сплавов литья под давлением, где отливку приходится снимать с выступающих частей формы и стержней в горячем состоянии. Исключением является гидроналий, содержащий 0,15—0,25% Zn, а также сплав AЛ11, применяемый для некоторых отливок при особых требованиях к условиям резания и к чистоте поверхности.
Влияние никеля. Никель, увеличивая прочность и твердость отливки, не делает ее хрупкой. При наличии никеля прочность сплава мало уменьшается при повышении температуры примерно до 350°.
Никель способствует свариваемости металла (что весьма важно при отливке тонкостенных деталей) и ослабляет разъедающее действие расплавленного металла на стальные формы и стенки камеры прессования. Кроме того, под влиянием никеля (1,0—1,5%) отливка лучше воспринимает полирование и поверхность ее приобретает яркий блеск. Применение никеля ограничивается его дефицитностью.
Влияние магния. Растворимость магния в алюминии при температуре эвтектики достигает 12—15%; при комнатной температуре она составляет, по данным разных авторов, от 3 до 10%. Присадка магния к алюминию в количестве от 4 до 10% дает сплавы, отличающиеся высокой коррозионной стойкостью и пластичностью. Механические свойства сплавов улучшаются по мере увеличения содержания магния до 10%.
Введение магния в небольшом количестве (0,2—0,3%) в сплавы типа силумин способствует повышению их предела прочности и твердости, предела упругости и предела усталости при некотором снижении относительного удлинения. Благодаря этим свойствам магний находит применение в литье под давлением в тех случаях, когда требуется получить отливки высокой прочности.
Влияние марганца. Марганец смягчает влияние железа. В сплавах алюминия с кремнием допускается до 0,5% Mn. Марганец в количестве до 0,4% увеличивает удлинение сплава. В сплаве гидроналий (см. табл. 38) марганец в количестве — 0,5 % применяется для увеличения коррозионной стойкости и уменьшения вредного влияния железа.
Твердые включения в сплавах алюминия с кремнием. Сплавы типа алюминий—кремний ввиду их непревзойденных литейных свойств, высоких механических свойств, а также достаточно высокой коррозионной стойкости нашли преобладающее применение в литье под давлением среди других алюминиевых сплавов. Опыт применения вторичных сплавов для литья деталей из сплава алюминий—кремний показал, что посторонние металлические и неметаллические примеси, имеющие место в этом исходном материале не ухудшают литейных свойств, что создало ошибочное представление о целесообразности его применения в значительном ряде случаев. Производственный опыт и исследование последних десяти лет показывают, что чистота сплавов типа алюминий—кремний, получаемая в результате применения исходных материалов, лишенных примесей, а также в результате применения рациональных методов шихтовки и плавки, имеют решающее значение для обеспечения высоких механических свойств и коррозионной стойкости, а также для условий резания и получения при этом высокой чистоты поверхности деталей.
Вопрос о влиянии посторонних примесей на механические и коррозионные свойства сплавов освещен выше.
Изучение причин плохой обрабатываемости сплавов типа «силумин» показывает, что она хуже в больших сечениях, где кремний содержится в более крупных кристаллах в результате менее интенсивного охлаждения.
Плохая обрабатываемость объясняется также наличием твердых включений. Твердость различных структурных составляющих сплава, измеренная на приборе для определения микротвердости следующая:
Наличие Al2O3 и Si затрудняет обработку и приводит к быстрому затуплению инструмента. Наличие в структуре разнообразных по твердости составляющих препятствует получению чистой поверхности.
Резьба получается нечистая с рваными нитками, такая, что не обеспечивает плавности хода винтовых соединений в точных приборах.
Оптимальное для условий резания содержание кремния определяется в зависимости от количества включений, которое, с одной стороны, пропорционально содержанию кремния, а с другой стороны, зависит от других структурных составляющих сплава и прежде всего железа.
На фиг. 163 видна железосоставляющая в бедном силумине. На основном фоне светлых кристаллов α-раствора с небольшим участком эвтектики выделяется темная, резко очерченная железосоставляющая и в ней единичные белые иглы FeAl3 и черные включения шлака.
Присутствие железосоставляющей в сплаве указывает на высокое содержание в нем железа при достаточно большом количестве кремния и наличии меди. Такие составляющие имеются, например, в сплавах, содержащих 7.5% Si, 1,4% Cu и 1,6% Fe.
Кремний. Кремний вкрапливается в сплав в виде отдельных кристаллов голубоватого цвета, чаще всего в форме квадратов и треугольников, придавая блеск поверхности детали (фиг. 164). Наличие в сплавах кристаллов свободного кремния является следствием насыщенности алюминиевого раствора железом и медью, под влиянием которой сплав хуже удерживает кремний в твердом растворе, и длительного нагрева при повышенной температуре, вызывающего укрупнение кристаллов кремния.
Кристаллы свободного кремния чаще наблюдаются в силуминах, близких по составу к эвтектическому (11,7% Si).
Включения окиси алюминия. При работе на гидравлических поршневых машинах возникают условия для насыщения сплава окисью алюминия. Вследствие длительного нахождения расплавленного металла в тигле раздаточной печи его поверхность окисляется и образуется пленка окислов. Борьба с окисью алюминия требует очень тщательной заливки, так как вследствие перемешивания металла и постоянного черпания окислы в нем замешиваются, образуя твердые включения, взвешенные в металле, благодаря своему удельному весу, приближающемуся к весу сплава.
Включения окиси алюминия и свободного кремния, образующиеся при плавке и разливке, а также наличие железосоставляющей затрудняют механическую обработку отливок и пагубно действуют на резцы. Согласно последним исследованиям наилучшим условиям резания отвечают силумины с содержанием 8,0—9,5% Si. По своей структуре эти сплавы приближаются к силумину эвтектического состава.
Хорошо обрабатываются сплавы эвтектического состава только при полном отсутствии в них кристаллов свободного кремния. Так как в условиях литья под давлением не всегда возможно получить требуемую структуру и полностью устранить включения, следует иметь в виду, что практически лучшая обрабатываемость получается у силумина, содержащего 8—9% Si. При малом содержании в сплаве меди и железа (суммарно до 0,9%) наилучшей надо считать обрабатываемость, которая достигается при 10—10,5% Si.
В табл. 38 приводятся данные об алюминиевых сплавах для литья под давлением.
Стандартные алюминиевые сплавы, в которых основными легирующими элементами являются кремний и медь, не лишены недостатков, которые нередко затрудняют использование этих сплавов для литья ответственных деталей.
К таким недостаткам относятся:
1) невысокое удлинение;
2) невысокая коррозионная стойкость, особенно при наличии в силумине примесей меди и железа;
3) затрудненная механическая обрабатываемость сплава с высоким содержанием кремния.
Из сплавов, в значительной мере лишенных этих недостатков и одновременно обладающих свойствами, которые необходимы для литья под давлением, следует отметить алюминиевые сплавы, содержащие магний (сплав АЛ13 и гидроналий).
Сплавы алюминия с магнием превосходят по коррозионной стойкости и по пластичности в холодном состоянии все другие литейные алюминиевые сплавы, применяемые для литья под давлением, и очень хорошо обрабатываются резанием, давая гладкую блестящую поверхность.
Испытания гидроналия на открытом воздухе, во влажной атмосфере и в «тумане» морской воды во всех случаях показали высокую стойкость против коррозии.
Детали из гидроналия могут применяться без покрытий при эксплуатации внутри помещений. Блестящая поверхность, получаемая при полировании, сохраняется практически неограниченное время при незначительном уходе.
Гидроналий поддается анодному оксидированию, причем получаемый блестящий слой окиси отличается высокой твердостью и износоустойчивостью, а также повышенной коррозионной стойкостью.
Технология плавки и отливки этих сплавов более сложна, чем других алюминиевых сплавов. Сплавы алюминия с магнием обладают расширенным интервалом кристаллизации, что может явиться причиной повышенной пористости и требует упрочнения и подпитки при высоком давлении. Для этого необходимо применять литниковую систему с утолщенными впускными литниками, более значительные удельные давления и более длительную выдержку под давлением.
Уступая по своим литейным свойствам сплавам алюминия с кремнием, эти сплавы более чувствительны к напряжениям при затрудненной усадке на стержнях, но практически не принадлежат к красноломким сплавам и при соблюдении правильной технологии не дают трещин на глубоких стержнях.
Менее высокие литейные свойства вынуждают вести отливку при более высокой температуре формы (220—250°) и металла (700—750°).
Стержни необходимо нагревать сильнее, чтобы уменьшить влияние усадки. Охват металлом стержней более сильный, что требует быстрого удаления стержней (без резких толчков и ударов).
Несмотря на более сложную технологию, сплавы алюминия с магнием успешно внедряются в производство благодаря отмеченным выше преимуществам.
За последние два года советскими исследователями (А.А. Иванкин) проведены работы по улучшению литейных свойств алюминиево-магниевых сплавов и повышению их коррозионной стойкости.
Добавки до 1 % Si позволили повысить литейные свойства. Приготовление этих сплавов на чистом алюминии без добавок цинка, а также понижение содержания магния до 7% (±1) дали возможность получить высокие прочностные характеристики в сочетании с достаточно высокой пластичностью.
Для изготовления деталей средней сложности, подлежащих обработке, в частности, нарезке резьбы, за последнее время нашел широкое применение сплав АЛ11, отличающийся от сплавов системы Al—Si хорошими условиями резания и отсутствием дефектов поверхности, так называемый «мороз». Согласно ведомственным нормалям в целях улучшения условий обрабатываемости содержание цинка в этом сплаве понижено до 6—11%, а кремния — до 6-9%.
В табл. 39 приведены данные об алюминиевых сплавах применяемых для наиболее ответственных деталей. Эти сплавы благодаря высокой чистоте имеют несколько повышенные значения относительного удлинения и коррозионной стойкости.
Термическая обработка отливок из алюминиевых сплавов, полученных литьем под давлением
Алюминиевые (а также магниевые) сплавы, нагреваемые до температуры немного ниже солидуса, имеют склонность к образованию воздушных пузырей, поэтому долгое время термическая обработка отливок из алюминиевых сплавов с переводом компонентов в твердый раствор считалась невозможной в промышленных условиях.
Сплавы на алюминиевой основе теряют свою прочность при температуре выше 400° С и не могут сопротивляться расширению сжатого воздуха, находящегося в отливке в значительно сжатом состоянии.
Термическая обработка при более низких температурах, не превосходящих 400° С, не позволяет полностью переводить компоненты в твердый раствор, но способствует получению механических свойств сплавов, более высоких, чем до указанной термической обработки.
В этом направлении необходимо изучать вопрос о термической обработке алюминиевых сплавов, литых под давлением.
Так, например, применяемое на практике охлаждение отливок из гидроналия в воде непосредственно после их выталкивания из формы является подобием полузакалки, которая, несколько повышая предел прочности и твердость, улучшает обрабатываемость сплава.
Опыт термической обработки алюминиевых сплавов, отлитых при очень больших удельных давлениях (7000 кг/м2), с получением деталей без воздушных включений показал, что в результате такой обработки повышены механические свойства сплава гидроналий до следующих показателей: предел прочности 42—49 кг/мм2, удлинение до 15%.
Если будут созданы условия, при которых станет возможной термическая обработка литья из алюминиевых сплавов для повышения их низких пластических свойств и получения более устойчивых механических свойств, то область применения процесса для изготовления ответственных изделий будет значительно расширена.