WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Изучение структуры и фазового состава сплавов, определение физических и механических свойств (НВ, В, 0,2, и др.) производилось с использованием стандартного оборудования. Температуры фазовых превращений в сплавах определяли методом дифференциального термического анализа (ДТА). При оценке технологических (литейных) свойств использовались как стандартные испытания, так и метод механических испытаний в твердо-жидком состоянии. В качестве критерия склонности сплавов к образованию горячих трещин использовали показатель горячеломкости (ПГ, мм), определенный по большему диаметру стержня, на котором появилась трещина. При оценке жидкотекучести также использовалась стандартная методика, в которой жидкотекучесть (, мм) определялась по длине спиральной кокильной пробы. При механических испытаниях в твердо-жидком состоянии горячеломкость оценивали по величине минимального значения относительного удлинения (min) и величине температурного интервала хрупкости (tХР) сплава, оценивали также запас пластичности (ЗП) в этом интервале.

При оценке влияния легирующих элементов на свойства литейных сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg использовался метод математического планирования эксперимента.

Глава III. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ Al-Li СПЛАВОВ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ЛИТИЯ Плавка и литье алюминиевых сплавов, легированных литием, сопряжена с рядом трудностей. Эти сплавы активно окисляются, особенно при повышенных температурах и в расплавленном состоянии. Кроме того, алюминиево-литиевые сплавы в значительных количествах растворяют водород. Важнейшим показателем качества алюминиево-литиевых сплавов является также содержание примеси натрия и, как для всех сплавов, содержание неметаллических включений. Пластичность Al-Li сплавов в литом состоянии напрямую зависит от содержания натрия в расплаве. Поэтому применение для плавки литейных алюминиево-литиевых сплавов стандартных покровно-защитных флюсов, которые состоят преимущественно из смеси хлористых и фтористых солей магния, калия и натрия не представляется возможным, так как они активно насыщают расплав натрием и калием.

В связи с этим на основании проведенных экспериментальных исследований для плавки и литья литейных Al-Li сплавов был разработан покровный флюс, в состав которого входит активированный древесный уголь и борная кислота (5% (масс.)). Этот флюс и дополнительное легирование небольшой добавкой бериллия (до 0,05%) обеспечивает рафинирование расплава, защиту его от окисления и проникновения водорода в сплавах с высоким содержанием лития (до 5%). Кроме того, после введения всех легирующих элементов и лития под покровом защитного флюса при температуре 730-740С расплав продували технически чистым аргоном в течение 5-7 минут. Такой режим дегазации обеспечивал удаление из расплава растворенного водорода до концентраций, исключающих образование в отливках газовой пористости. Для повышения качества фасонных отливок в состав кокильной краски добавляли борную кислоту в количестве до 3%.

Эти мероприятия позволили получить качественные фасонные отливки из Al-Li сплавов с высоким содержанием лития.

Глава IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ И ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Al-Li-Cu-Mg Для разработки литейного высокопрочного сплава с пониженной по сравнению со стандартными алюминиевыми сплавами плотностью была выбрана система Al-Li-Cu-Mg. Сплав должен иметь следующий уровень механических и физических свойств: В350 МПа, 5%, <2550 кг/м3. Сплав предназначен для изготовления корпусных деталей радиотехнической аппаратуры специального назначения.

Поскольку для разрабатываемого литейного сплава поставлены очень жесткие требования по значениям плотности, при выборе концентраций основных компонентов (Li, Cu, Mg), промышленные деформируемые сплавы системы Al-Li-Cu-Mg ориентиром быть не могут, т.к. в этих сплавах концентрация тяжелой меди существенно превышает концентрацию лития (Cu/Li=1,5-2,0), и по плотности они не могут удовлетворять поставленным требованиям. Они имеют плотность более 2550-2600 кг/м3.

С учетом того, что литейные сплавы не имеют проблем, связанных с пластической деформацией полуфабрикатов, при разработке на основе системы Al-Li-Cu-Mg нового литейного сплава решено было опробовать предельно высокие концентрации легкого лития ( = 540 кг/м3) – 3,0 … 5,0% при минимально возможном содержании тяжелого металла – меди ( = 8900 кг/м3). Только такой подход позволит разработать сплав с требуемой плотностью. После выбора основной композиции Al-Li-Cu-Mg сплава для дальнейшего улучшения свойств предполагалось использовать дополнительные элементы – это прежде всего переходные металлы Zr, Ti, Mn, Nb и другие, а также Cd и Be.

Исследование по определению содержания основных компонентов проводили в два этапа. Сначала определяли содержание Li и Cu. Кроме основных компонентов в качестве переменного фактора использовалась также небольшая добавка Cd (в среднем 0,18%). Кроме перечисленных элементов в состав сплавов вводили также Zr (0,2%) и Be (0,05%), содержание которых во всех сплавах было постоянным, постоянным было также содержание Mg – 0,5%. Этот эксперимент можно считать предварительным. Важно было определить допустимое содержание Li – главного элемента, определяющего плотность сплавов. Поэтому его содержание изменялось в широких пределах от 3,0 до 5,0%.

На втором этапе исследования определялось влияние на свойства сплавов всех трех основных компонентов (Li, Cu, Mg), а также оценивалось влияние переходных металлов – Zr, Mn и Nb. Причем верхний и нижний уровень по содержанию лития и меди выбирали с учетом результатов исследования на первом этапе.

Учитывая большое количество переменных факторов, исследования проводили с использованием метода математического планирования эксперимента.

В качестве параметров оптимизации были выбраны предел прочности В (МПа) и относительное удлинение (%) сплавов. В качестве факторов, влияющих на механические свойства, были взяты концентрации легирующих элементов: лития, меди и кадмия. Использовали регрессионный анализ. Уровни и интервалы варьирования факторов приведены в таблице 1.

Таблица Уровни и интервалы варьирования факторов Натуральные величины Характеристика факторов Li (X1) Cu (Х2) Cd (Х3) Основной уровень 4,0 1,75 0,Интервал варьирования 1,0 0,75 0,Верхний уровень 5,0 2,5 0,Нижний уровень 3,0 1,0 0,Для реализации выбранного плана факторного эксперимента было выплавлено 8 сплавов. Механические свойства определяли после упрочняющей термической обработки.

После реализации полного факторного эксперимента и отбрасывания статистически незначимых коэффициентов получены следующие уравнения регрессии:

Y{B}=264,1–65,7X1–21,1X2+12,7X3–36,9X1X2–17,4X1X3+13,8X2X3+13,9X1X2X3 (1) Y{} = 1,6–1,13X1–0,8X2+0,5X3+0,72X1X2-0,45X2X3 (2) Полученные уравнения регрессии ((1) и (2)) не дали ответа на вопрос, при каком содержании основных компонентов (лития и меди) достигаются максимальные значения механических свойств. Они лишь указывают на направление поиска. Это связано с тем, что основной уровень по содержанию основных компонентов, прежде всего лития (4%), был завышен (табл. 1).

Задача оптимизации химического состава по основным компонентам была решена методом крутого восхождения по поверхности отклика. С учетом проведенных дополнительных экспериментов было установлено, что основной уровень по содержанию лития должен быть снижен до 3%, а меди – до 1,5%.

С учетом этих результатов проводились дальнейшие исследования (второй этап). Они были направлены на отыскание состава литейного сплава на основе системы Al-Li-Cu-Mg, базовая композиция которого (Al–3%Li–1,5%Cu–0,6%Mg) была определена на основании предыдущих исследований. Для решения поставленной задачи было изучено влияние магния (основной уровень – 0,6%), а также переходных металлов – марганца, циркония и ниобия на структуру, механические и технологические (литейные) свойства, уточнялось также содержание лития и меди.

Исследования проводились с использованием метода математического планирования эксперимента. В качестве параметров оптимизации вновь были выбраны механические свойства отливок: В (МПа) и (%).

Задача решалась с использование регрессионного анализа с выбором плана факторного эксперимента по методу Плакетта-Бермана, что позволило выплавить всего 8 сплавов. Химический состав и механические свойства исследованных сплавов приведены в таблице 2.

Таблица Химический состав сплавов и результаты механических испытаний Натуральные величины факторов, % Параметры оптимизации Номер сплава Li (Х1) Cu (Х2) Mg (Х3) Zr (Х4) Mn (Х5) Nb (Х6) В, МПа, % 301 3,2 1,8 0,9 0,15 0,5 0,05 362 2,302 2,8 1,8 0,9 0,25 0,1 0,15 340 3,303 2,8 1,2 0,9 0,25 0,5 0,05 304 4,304 3,2 1,2 0,3 0,25 0,5 0,15 309 3,305 2,8 1,8 0,3 0,15 0,5 0,15 292 3,306 3,2 1,2 0,9 0,15 0,1 0,15 337 2,307 3,2 1,8 0,3 0,25 0,1 0,05 353 2,308 2,8 1,2 0,3 0,15 0,1 0,05 277 2,После отбрасывания статически незначимых коэффициентов получены следующие уравнения регрессии:

Y(B) = 321,73 + 18,54X1 + 14,81X2 + 13,84X3 + 4,76X4 + 5,19X5 (3) Y() = 3,44 – 0,59X1 – 0,29X2 + 0,19X4 + 0,19X5. (4) Анализ математических моделей показал, что концентрации легирующих элементов выбраны правильно. Литий, медь и магний значительно увеличивают прочность при незначительном снижении пластичности, а марганец увеличивает пластичность. Введение циркония обеспечивает повышение обоих параметров оптимизации за счёт выделения дисперсных интерметаллидов и модифицирующего действия. Влияние ниобия на механические свойства оценить не удалось, но на основании проведённых дополнительных исследований можно считать, что в своём влиянии на свойства он близок к марганцу.

На основании проведенных исследований установлено, что оптимальное сочетание прочностных свойств и пластичности имеет сплав следующего химического состава:

Al-3%Li-1,5%Cu-0,8%Mg-0,4%Mn-0,2%Zr-0,2%Cd-0,1%Nb-0,05%Be.

Поэтому дальнейшие исследования по уточнению режимов термической обработки и изучению технологических (литейных) свойств проводились применительно к сплаву данного состава.

Оценку литейных свойств проводили как по показателям стандартных технологических проб, так и по результатам механических испытаний в твердожидком состоянии. Механическим испытаниям в твердо-жидком состоянии подвергались сплавы, составы которых приведены в таблице 3. В этой же таблице приведены литейные свойства, определенные по показателям стандартных технологических проб.

Анализ полученных данных показывает (табл. 3), что наиболее резко повышается склонность к образованию горячих трещин при увеличении содержания лития до верхнего предела (5%). Сплавы 202 и 208, содержащие 5%Li, имеют наиболее широкий интервал хрупкости и наиболее низкие значения относительного удлинения в этом интервале (0,32 и 0,24% соответственно).

Увеличение содержания кадмия практически не влияет на эти характеристики, а медь действует подобно литию, но её влияние в исследованных концентрациях значительно слабее.

Таблица Химический состав, параметры кристаллизации и литейные свойства сплавов системы Al-Li-Cu-Mg Содержание компонентов, % Литейные свойства Номер сплава Li Cu Mg Cd прочие min,% ПГ, мм ЗП tХР, С, мм 201 3 1,0 0,6 0,1 - 24 0,43 4,0 415 202 5 1,0 0,6 0,1 - 34 0,32 6,0 400 0,203 3 2,5 0,6 0,1 - 29 0,36 4,0 400 205 3 1,0 0,6 0,25 - 25 0,44 4,0 430 208 5 2,5 0,6 0,25 - 36 0,24 10,0 445 0,Опти- 0,2Zr;

мальный 3 1,5 0,8 0,2 0,3Mn; 30 0,55 2,0-4,0 425 0,состав 0,1Nb Сплав оптимального состава по стойкости против образования горячих (кристаллизационных) трещин и по жидкотекучести превосходит все исследованные сплавы. При величине интервала хрупкости 30°С он характеризуется самым высоким относительным удлинением в этом интервале (min=0,55%) и самым высоким запасом деформационной способности. Это несомненно связано с комплексным легированием переходными металлами – цирконием, ниобием и марганцем и оптимальным содержанием основных компонентов. Переходные металлы оказывают модифицирующее действие на структуру литейных сплавов. Все это улучшает литейные свойства сплава оптимального состава.

Дальнейшие исследования были направлены на отыскание режима термической обработки, обеспечивающего получение оптимального уровня механических свойств отливок. Все образцы закаливали в воде с температуры 530С, выдержка при этой температуре составляла 10 часов. Этот режим был определен на основании результатов ДТА образцов, микроструктурных исследований и определения механических свойств отливок в свежезакаленном состоянии.

Для выбора режима старения, обеспечивающего получение оптимального сочетания прочностных свойств и пластичности, изучали кинетику старения сплава.

Теоретической основой выбора температурно-временных условий искусственного старения являлась диаграмма фазовых превращений при старении (ДФПС) сплава системы Al-Li-Cu-Mg наиболее близкого химического состава к исследуемому (Al2,4%Li-1,4%Cu-0,5%Mg-0,15%Zr). С учетом этой диаграммы были выбраны три температуры старения – 120, 150 и 200С. Время выдержки при старении изменялось от 1 до 16 часов. Как следует из этой диаграммы, при температурах старения ниже 175С у сплава наблюдается одинаковая последовательность распада пересыщенного -твердого раствора:

пер+++S.

По-видимому, такая последовательность распада твердого раствора наблюдается и у опытного сплава при 120 и 150С. Распад твердого раствора приводит к существенному упрочнению сплава, но разупрочняющей стадии старения при выбранной ее длительности старения еще нет. При температуре 150С эффект упрочнения выше, чем при 120С. Это связано с большей плотностью выделений дисперсных частиц и S при 150С.

При 200С при незначительном упрочнении при малых выдержках (1ч) следует довольно резкое разупрочнение сплава при дальнейшем увеличении выдержки. Как следует из ДФПС при температуре 200С распад осуществляется по более сложной схеме:

пер++S ++S(S)+T1.

Разупрочнение при этой температуре связано с появлением равновесной Т1(Al2LiCu)-фазы и коагуляцией – укрупнением основных упрочняющих - и Sфаз.

Таким образом, в результате проведенных исследований и уточнения допусков по основным и дополнительным компонентам разработан новый высокопрочный сплав системы Al-Li-Cu-Mg с хорошими литейными свойствами и пониженной плотностью ( = 2520-2540 кг/м3) следующего химического состава:

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»