WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

2,8-3,2%Li; 1,2-1,8%Cu; 0,5-0,9%Mg; 0,15-0,25%Zr; 0,15-0,25%Cd; 0,1-0,5%Mn; 0,050,15%Nb; 0,02-0,08%Be, основа – Al. После термической обработки отливок, состоящей из гомогенизирующего отжига при 540±5С, время выдержки 8-10 часов с последующей закалкой в воде (80-100С) и старение - 150С, 5-6 часов сплав имеет следующий уровня механических свойств (литье в кокиль):

В=360-370МПа; =4,5-6,0%.

Сплав прошел опробование в условиях опытного производства, о чем имеется соответствующий акт. Разработанный сплав по физическим и механическим свойствам и коррозионной стойкости удовлетворяет поставленным требованиям.

Однако при производстве фасонных отливок выяснились технические сложности с введением в сплав очень тугоплавкого ниобия и обладающего высокой упругостью пара кадмия. Определенные трудности также вызывает легирование сплава химически активным магнием. Поэтому дальнейшие исследования проводили без использования этих элементов. В качестве базовой была выбрана система Al-Li-Cu.

Результаты этих исследований приведены в следующей главе.

Глава V. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Al-Li-Cu И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ КОМПОЗИЦИИ ЛИТЕЙНОГО СПЛАВА Сплавы для исследования выбирались с предельно высоким содержанием лития при минимальном содержании тяжелого металла – меди. После выбора основной композиции Al-Li-Cu сплава для дальнейшего улучшения свойств предполагалось использовать дополнительные легирующие элементы – это прежде всего переходные металлы Zr, Ti, Mn, Cr, а также Be.

Были отлиты четыре группы сплавов с постоянным содержанием меди 0,5;

1,5; 2,5 и 3,0%. Содержание лития изменялось от 0,75 до 3%. Нижний предел (0,75% Li) соответствует той концентрации лития, при которой наблюдается минимальный эффект упрочнения при старении в сплавах двойной системы Al-Li, верхний – отвечает предельному содержанию лития в алюминиевом твердом растворе в системе Al-Li-Cu при температуре 545C (рис. 1).

Составы всех исследованных сплавов нанесены на плоскость концентрационного треугольника этой системы. Из рис. 1 следует, что при температуре 545С (штрих-пунктирная линия на диаграмме) в равновесных условиях практически все исследованные сплавы являются однофазными твёрдыми растворами лития и меди в алюминии. Согласно поверхности сольвуса в тройной системе Al-Li-Cu (рис. 1), избыточные интерметаллидные фазы в сплавах с максимальным содержанием лития 2,5% появляются при температуре 502С, а при температуре 327С и ниже все исследованные сплавы являются гетерофазными.

Рис. 1. Составы опытных сплавов системы Al-Li-Cu показаны кружочками:

расположение фазовых областей при 502С – сплошные линии, при 327С – штриховые, а линии совместной растворимости лития и меди в алюминии при 545С – штрих-пунктирная.

Механические свойства сплавов определяли после упрочняющей термической обработки. Для выбора температурных режимов гомогенизации и закалки был проведён дифференциальный термический анализ (ДТА) ряда сплавов, состав которых соответствовал верхнему пределу по содержанию лития и меди.

Искусственное старение осуществлялось по режиму 165С, время выдержки часов.

Результаты механических испытаний представлены на рис. 2. Для сплавов, содержащих 0,5 и 1,5% Cu, наблюдается качественно одинаковая закономерность изменения механических свойств: увеличение содержания лития в исследованном интервале концентраций, приводит к монотонному повышению прочностных свойств и к снижению пластичности (рис. 2а,б). В сплавах, содержащих 2,5%Cu, на кривой изменения предела прочности при концентрации лития 2,5% имеется максимум, дальнейшее увеличение содержания лития приводит к некоторому понижению прочности (рис. 2в). Это, по-видимому, связано с тем, что в сплавах с высоким содержанием лития и меди (2,5% каждого элемента) при температуре закалки фазы, богатые литием ((AlLi), T2(Al6CuLi3)), полностью не растворяются в алюминиевом твердом растворе. Поэтому эффект старения из-за уменьшения пересыщения твердого раствора литием и медью снижается. Увеличение содержания лития у всех сплавов приводит к понижению относительного удлинения (рис. 2).

Рис. 2. Влияние содержания лития на механические свойства сплавов системы Al-Li-Cu (термообработка – режим Т6): а–0,5%Cu; б–1,5%Cu; в–2,5%Cu.

Таким образом, проведенное исследование показало, что в литейных сплавах с высоким содержанием лития концентрация меди не должна превышать 2,5%. В сплавах, содержащих 0,5 и 1,5% Cu, для повышения прочностных свойств и снижения плотности возможно дальнейшее увеличение содержания лития (>2,5%), т.е. соотношение Cu/Li должно быть принципиально иным по сравнению с деформируемыми сплавами этой системы легирования.

Дальнейшие исследования были посвящены изучению влияния переходных металлов на структуру и свойства литейных сплавов системы Al-Li-Cu. Сначала изучали индивидуальное влияние каждого элемента – титана, циркония, марганца и хрома. Содержание основных компонентов во всех сплавах было постоянным и соответствовало установленному на первом этапе составу: Al-2,5%Li-1,5%Сu. Для сравнения был приготовлен модельный сплав (без переходных металлов).

Исследования проводили на отливках, полученных литьем в кокиль. Изучение структуры и определение механических свойств проводили после упрочняющей термической обработки. Для определения индивидуального действия переходные металлы вводили в разных количествах как порознь, так и совместно. Содержание титана в исследованных сплавах изменялось от 0,1 до 0,4%, циркония – от 0,1 до 0,35%, марганца – от 0,15 до 0,5%, хрома – от 0,15 до 0,35%.

Результаты механических испытаний показали, что введение различных переходных металлов приводит к существенному повышению прочностных свойств по сравнению с модельным сплавом. При рассмотрении эффекта упрочнения от введения переходных металлов прослеживается их индивидуальность.

Наибольший эффект упрочнения наблюдается при легировании сплавов системы Al-Li-Cu титаном и цирконием. При введении этих элементов порознь в количестве 0,2% предел прочности увеличивается в среднем на 25-35 МПа при сохранении пластичности на приемлемом уровне. Однако при большем содержании этих элементов (0,35-0,45%) пластичность снижается достаточно резко. Хорошим упрочнителем литейных сплавов системы Al-Li-Cu является также марганец.

Однако эффект упрочнения при легировании марганцем несколько меньший, чем у сплавов с цирконием и титаном. Значительно слабее титана, циркония и марганца проявляется упрочняющее действие хрома. Наибольший эффект упрочнения достигается при комплексном легировании сплавов системы Al-Li-Cu несколькими переходными металлами, например, титаном и цирконием или титаном, цирконием и марганцем.

Установлено, по крайней мере, три наиболее важных фактора структурного упрочнения сплавов под действием переходных металлов.

Во-первых, это модифицирование. Наиболее сильное модифицирующее действие на структуру сплавов системы Al-Li-Cu сказывают титан и цирконий. В отливках, легированных этими переходными металлами, структура сильно диспергирована: резко уменьшаются размеры дендритных ячеек и толщина интерметаллидных фаз на их границах, уменьшается также макрозерно отливок.

Модифицирующее действие марганца и хрома значительно слабее.

Второй фактор – это твердорастворное упрочнение, которое наиболее сильно проявляется при легировании сплавов системы Al-Li-Cu марганцем. Этот элемент имеет наиболее высокую предельную растворимость в твердом алюминии из всех исследованных ПМ и его растворное упрочнение проявляется наиболее резко.

Несколько слабее растворное упрочнение проявляется при легировании хромом, предельная растворимость которого в алюминии в два раза меньше, чем марганца.

Третий фактор упрочнения – это дисперсионное твердение за счет распада пересыщенного ПМ алюминиевого твердого раствора при технологических нагревах отливок. Эффект упрочнения зависит от размера частиц алюминидов ПМ (от их дисперсности), объемной доли выделяющейся фазы и от расстояния между частицами в твердом растворе. Чем дисперснее частицы, тем выше эффект упрочнения. Приоритет в этом отношении имеет Zr. Он образует дисперсные частицы алюминида Al3Zr с кубической решеткой L12 и периодом близким к алюминию. Частицы этой фазы имеют размеры порядка 10-70 нм, они когерентны с матрицей и обеспечивают при дисперсном твердении максимальный эффект упрочнения из всех изученных ПМ. Алюминиды марганца и хрома (Al6Mn и Al7Cr) имеют размеры на порядок больший (~ 100-1000 нм) и соответственно дают меньший эффект упрочнения, чем алюминиды циркония.

Поскольку дальнейшие исследования, которые направлены главным образом на разработку состава сплава с заданными свойствами, требуют комплексного легирования ПМ и другими элементами, что связано с проведением большого количества экспериментов, то задачу решали методом математического планирования эксперимента с матрицей 24. Всего было приготовлено 16 сплавов.

Базовой композицией всех сплавов был найденный на первом этапе исследований состав Al-3,2%Li-2,0%Cu. Содержание марганца, положительное влияние которого на структуру и свойства сплавов этой системы было также установлено, во всех сплавах поддерживалось на постоянном уровне – 0,4%. Для снижения окисляемости сплавов при плавке в их состав вводили бериллий в количестве 0,01%.

С целью повышения механических и технологических свойств в работе использовалось комплексное легирование ПМ. В качестве легирующих элементов применялись те металлы, которые показали наилучшие результаты при оценке их индивидуальной роли в сплавах – титан, цирконий и марганец.

В качестве независимых переменных выбраны: литий (Х1), медь (Х2), титан (Х3) и цирконий (Х4). Параметрами оптимизации являлись механические свойства отливок В и, их определяли на стандартных образцах, отлитых в кокиль. Сплавы исследовались после упрочняющей термической обработки. Основные параметры факторов приведены в таблице 4.

Таблица Основные параметры факторов Факторы Li(X1), % Cu(X2), % Ti(X3), % Zr(X4), % Основной уровень 3,2 2,0 0,15 0,Интервал варьирования 0,6 0,6 0,10 0,Верхний уровень 3,8 2,6 0,25 0,Нижний уровень 2,6 1,4 0,05 0,После реализации полного факторного эксперимента и отбрасывания статистически незначимых коэффициентов получены следующие уравнения регрессии:

Y(В)=316+16Х1+5,6Х2+6,4Х4+6,3Х1Х2+5,0Х2Х3-4Х1Х2Х3-4Х1Х2Х4+11,7Х2Х3Х4 (5) Y()=4,54-0,61Х1+1,03Х3+1,12Х4+0,4Х1Х3-0,4Х3Х4-0,3Х2Х3-0,3Х1Х3Х4 (6) Анализ математической модели показал, что увеличение содержания лития, меди и циркония сопровождается повышением предела прочности. Положительное влияние титана проявляется значительно слабее и выражается только через парное взаимодействие с литием и медью.

Положительное влияние Li, Cu и Zr на прочностные свойства литейных сплавов находятся в хорошем соответствии с ролью этих элементов в деформируемых сплавах системы Al-Li-Cu, а литий кроме других замечательных качеств обеспечивает максимальный эффект повышения прочности, т.к. образует важнейшую фазу-упрочнитель – (Al3Li). Это и проявилось в величинах и знаках цифровых коэффициентов перед факторами, определяющими содержание соответствующих элементов в уравнении (5). Именно литий наиболее существенно повышает прочностные свойства сплавов. К сожалению, увеличение его концентрации приводит к снижению пластичности (уравнение (6)).

Дальнейшее улучшение механических свойств обеспечивается легированием титаном и цирконием. Введение титана и циркония приводит к существенному измельчению макро- и микрозерен. Наибольший эффект модифицирования обеспечивается при совместном введении в сплав добавок титана и циркония.

На основании анализа проведенных исследований для дальнейшей работы был выбран сплав следующего химического состава:

Al-3,5%Li-1,8%Сu-0,4%Mn-0,15%Ti-0,15%Zr-0,01%Be.

Оценку литейных свойств сплавов системы Al-Li-Cu проводили как по результатам механических испытаний в твердо-жидком состоянии, так и по показателям стандартных технологических проб на жидкотекучесть и горячеломкость. Результаты этих испытаний представлены в таблице 5 и на рис. 3.

Таблица Химический состав и литейные свойства сплавов системы Al-Li-Cu Содержание компонентов, % Литейные свойства Номер сплава Li Cu Mn Прочие ПГ, мм ЗП, мм tХР, С min,% 1 4 1,5 0,3 8,0 440 33 0,25 0,2 3,5 2,0 0,3 6,0 410 29 0,34 0,3 3,0 2,0 0,3 0,15Zr 4,0 420 26 0,45 0,4 2,5 1,5 0,3 4,0 420 24 0,48 0,5 3,0 1,0 0,3 0,2 Ti 4,0 435 25 0,50 0,Опти- 0,2 Ti;

мальный 3,2 1,5 0,3 0,2 Zr; 4,0 442 27 0,57 0,состав 0,4 Zr Анализ полученных данных показывает, что наиболее резко повышается склонность к образованию горячих трещин при увеличении содержания лития до верхнего предела (до 4%). Медь действует подобно литию, но ее влияние значительно слабее. Результаты эксперимента показывают, что исследованные ПМ повышают стойкость сплавов против образования горячих кристаллизационных трещин: относительное удлинение и запас деформационной способности у них выше, чем у сплавов без титана и циркония. Особенно сильно повышается стойкость сплавов против образования кристаллизационных трещин при комплексном легировании титаном и цирконием. Сплав оптимального состава, дополнительно легированный титаном и цирконием, имеет максимальное min в твердо-жидком состоянии и самое высокое значение запаса деформационной способности, которая характеризует стойкость сплавов против образования кристаллизационных трещин (табл. 5, рис. 3). Это несомненно связано с модифицирующим действием этих переходных металлов.

Рис. 3. Температурная зависимость относительного удлинения в интервале плавления сплавов системы Al-Li-Cu (цифры у кривых – номера сплавов, составы которых приведены в таблице 5).

Все промышленные сплавы системы Al-Li-Cu подвергаются упрочняющей термической обработке – закалке в воде и искусственному старению. Поэтому для определения возможности получения высоких механических свойств изучали кинетику старения литейного сплава оптимального состава. Исследования проводили на образцах диаметром 12 мм. Все образцы после длительной гомогенизации в течение 10 часов закаливали с температуры 540С. Искусственное старение проводилось при температурах 120, 150, 175 и 200С, выдержки изменялись от одного часа до 50 часов. Температурно-временные режимы старения выбирали с учетом ДФПС сплавов системы Al-Li-Cu.

Результаты механических испытаний (рис. 4) показывают, что при температурах 150 и 175С в исследованном диапазоне выдержек существует только упрочняющая стадия старения. Максимальное значение предела прочности для опытного сплава составляет 375-385 МПа, при значениях относительного удлинения 3-5%.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






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