Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу Материаловедение для студентов направления Металлургия. Юрьева В.А., Горожанкина О.В

Литейные сплавы. Литейные алюминиевые сплавы, в которых растворимость ЛЭ в твердом алюминии изменяется с изменением температуры, можно термически обрабатывать, т.е. подвергать закал-

23

ке с последующим старением, в результате чего прочность сплава повышается. Структура литейных сплавов по сравнению с деформированными сплавами крупнозернистая, грубая, поэтому, чтобы перевести при закалке надлежащее количество интерметаллических соединений в твердый раствор, для литейных сплавов требуется более длительная выдержка, чем для деформируемых.

В качестве литейных используются сплавы алюминия с кремнием Si при содержании кремния от 4 до 13%, медью Cu при ее содержании более 8%, магнием Mg, по химическому составу близкие к эвтектической концентрации.

Наиболее распространенными литейными сплавами являются силумины – сплавы алюминия с кремнием. Они обладают хорошими литейными свойствами – хорошо заполняют форму, имеют малую усадку и не склонны к образованию трещин. Однако силумины склонны к образованию газовой пористости. Угол диаграммы Al-Si приведен на рис.19.

Рис. 19

24

Алюминий с кремнием дает эвтектику, содержащую 11,6 % Si. Большинство применяемых силуминов являются доэвтектическими сплавами, так как заэвтектические сплавы, содержащие в структуре крупные первичные кристаллы кремния, весьма хрупки и обладают малой прочностью.

Структура доэвтектического силумина представляет твердый раствор и эвтектику. При обычном способе литья эвтектика силуминов имеет грубое строение. Кремний в ней находится в виде крупных игл. Если силумины подвергнуть модифицированию, т.е. перед разливкой ввести в жидкий сплав натрий или смесь его солей (2/3 NaF + 1/3 NaCl), то эвтектика становится мелкозернистой. Кроме того, заэвтектический сплав (12-14 % Si) делается по структуре доэвтектическим, т.е. происходит сдвиг эвтектической точки вправо. Модифицирование резко повышает механические свойства: предел прочности _в и относительное удлинение растут одновременно. Термическая обработка простых силуминов дает весьма малое упрочнение, поэтому они термически не обрабатываются.

Простейшим двойным литейным силумином является сплав АЛ2, содержащий 10-13 % Si. На рис. 20 дана микроструктура немодифицированного заэвтектического силумина АЛ2, состоящая из кристаллов кремния (белые) и эвтектики +Si грубого строения, в которой кремний находится в виде крупных игл. Силумин с такой структурой обладает низкими механическими свойствами. Если в жидкий сплав перед его кристаллизацией ввести небольшое количество (0,01-0,1) натрия, это приводит к измельчению включений кремния и значительному улучшению механических свойств силумина. Этот процесс называется модифицированием. Характерным является то, что при модифицировании снижается температура кристаллизации кремния и эвтектики, точка эвтектики сдвигается вправо и заэвтектический сплав становится доэвтектическим (рис. 19). После модифицирования структура силумина АЛ2 мелкозернистая (рис. 21). Видны первичные дендриты твердого раствора (светлый фон) и мелкая (дисперсная) эвтектика +Si (темный фон). Гарантируемые механические свойства модифицированного силумина: _в 160 МПа, 2 %, HB 50 HRB.

25

Рис. 20. Алюминиевый сплав АЛ2, литье немодифицированное:

а – микроструктура (х200); б – схема микроструктуры

Рис. 21. Алюминиевый сплав АЛ2, литье модифицированное:

а – микроструктура (х200); б – схема микроструктуры

Сплав АЛ12 является литейным алюминиевомедным сплавом, содержащим 10-14 %Cu. По механическим свойствам он уступает силумину, но в литье имеет одно преимущество перед ним – образует меньшее количество окисных пленок. Чаще применяется без термической обработки. Сплав АЛ12 является доэвтектическим и при комнатной температуре в равновесном состоянии имеет структуру: алюминиевый твердый раствор (светлый фон) и эвтектику ( +CuAl₂), залегающую по границам зерен твердого раствора.

26

Сплав алюминия с 9,5-11,5 % Mg называют магналием (АЛ8). Этот сплав имеет высокие механические и антикоррозионные свойства. Литейные свойства сплава невысоки. Термическая обработка в промышленных масштабах сплава АЛ8 не применяется, так как эффект от старения незначителен. Обычно магналий подвергают только закалке с целью получения однородной структуры для большей устойчивости против коррозии. Закалка производится с 430 ^оС в горячей воде; выдержка при температуре закалки 15-20 часов. Механические свойства сплава после закалки: _в 270 Мпа, 9 %, HB 60.

Медь и сплавы на ее основе

Чистая медь, обладая высокой электропроводностью и пластичностью, является основным материалом для проводов. Помимо этого медь применяется на прокладки, уплотнительные кольца, шайбы и т.д.

Микроструктура отожженной меди состоит из равноосных зерен меди с наличием двойниковых кристаллов.

Медные сплавы применяются как антифрикционный материал, например, свинцовистая и оловянистая бронза; конструкционный – латуни, алюминиевая и бериллиевая бронза; антикоррозионный – морская (легированная оловом) латунь, а также для электротехнических целей – кадмиевая бронза и т.д.

Специальными элементами, которые вводятся в медь, являются Zn, Sn, Al, Fe, Ni, Mn, Pb, Si, P, Be и другие.

По химическому составу медные сплавы подразделяют на две основные группы: латуни и бронзы.

Латуни. Сплавы меди с цинком называются латунями. Цинк в латунях является основным легирующим элементом (ЛЭ). Практическое применение имеют латуни, содержащие до 45 % Zn. Это обусловлено тем, что при концентрации Zn более 30 % пластичность и прочность латуни начинают снижаться и резко падают при содержании цинка 45 %, что объясняется появлением в структуре хрупкой - фазы, которая представляет собой электронное соединение Cu₅Zn₈.

Латуни подразделяют на двойные и многокомпонентные.

27

По технологическим признакам обработки все латуни делятся на две группы: деформируемые – для производства лент, листов, труб, проволоки и др. и литейные – для фасонного литья.

Двойные латуни в соответствии с диаграммой состояния системы Cu-Zn (рис.22), содержащие до 39 % Zn, имеют однородную структуру - твердого раствора ( - латуни). - фаза является твердым раствором цинка в меди Cu(Zn). Она наиболее богата медью и имеет кристаллическую решетку такую же как и сама медь, т.е. ГЦК. Применяется большей частью в деформированном виде. Из нее изготовляют прутки, трубы, листы, ленты и т.п.

Рис. 22

Структура латуней с концентрацией цинка свыше 39 % представляет собой смесь двух твердых растворов, и ^'. Твердый раствор построен на основе химического соединения CuZn, имеет решетку ОЦК, представляет собой так называемое электронное со-

28

единение. Твердый раствор ^' в отличие от твердого раствора является упорядоченным и имеет меньшую пластичность, чем - и - твердые растворы. Переход ^' происходит при 454 ^оС. ^,- фаза представляет собой твердый раствор цинка в электронном соединении CuZn (фаза Юм-Розери), является твердой и хрупкой структурной составляющей.

Таким образом, в зависимости от структуры при комнатной температуре промышленные типы латуней делятся на две группы: - латуни и + ^'- латуни. Однофазные - латуни хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. Двухфазные + ^'- латуни малопластичны в холодном состоянии. Их подвергают горячей обработке давлением при температурах, соответствующих областям стабильного состояния ^'- или + ^'- фаз. Двухфазные латуни по сравнению с однофазными менее пластичны, однако более прочны и износостойки.

а – микроструктура (х250); б – схема микроструктуры

Рис. 23

Структура - латуни , содержащей 30% Zn, дана на рис. 23 и 24. Микроструктура литой латуни (рис. 23) имеет дендритное строение. Светлые участки – дендриты, богатые медью, затвердевающие первыми из жидкого состояния; темные участки – междендритные пространства, обогащенные цинком. Микроструктура деформирован-

29

ной и отожженной - латуни (рис. 24) имеет зернистое строение и характерные полоски двойников. Зерна имеют различную окрашиваемость вследствие анизотропии.

а – микроструктура (х100); б – схема микроструктуры

Рис. 24

Микроструктура + ^'- латуни (рис. 25), содержащей 40% Zn, состоит из твердого раствора (светлый), окруженного твердым раствором ^' (темный).

а – микроструктура (х150); б – схема микроструктуры

Рис. 25

30

Деформируемые двойные латуни маркируют буквой Л, за которой стоит число, указывающее содержание меди. Наиболее широко применяют двойные латуни марок Л90, Л68 и Л63.

Латунь Л90 (томпак) обладает хорошей стойкостью против коррозии и имеет красивый золотистый цвет. ЕЕ используют для изготовления фурнитуры, знаков отличия и радиаторных трубок.

Латунь Л68 (патронная) прочнее, чем Л90 из-за большего содержания цинка. Ее используют для изготовления изделий холодной штамповкой и вытяжкой.

Латунь Л63 (торговая), среди всех латуней занимает первое место по объему производства. Она прекрасно деформируется в холодном и горячем состоянии, является самой прочной.

Для придания латуням специальных свойств в них вводят Al, Ni, Sn, Mn, Pb, Fe и другие элементы. Свинец, например, облегчает обработку резанием и улучшает антифрикционные свойства сплавов; Алюминий, цинк, кремний увеличивают сопротивление коррозии (многокомпонентные латуни).

Деформируемые многокомпонентные латуни маркируются буквой Л, за которой стоят первые буквы названий легирующих элементов, после чего указывается содержание меди и соответствующих легирующих элементов. Например, свинцовая (α+β) - латунь, ЛС59-1 содержит 59 % Cu и 1%Pb, остальное – Zn.

Латуни, предназначенные для фасонного литья, от которых требуется повышенная прочность, содержат большое количество специальных присадок, улучшающих их литейные свойства. Эти латуни отличаются и лучшей коррозионной стойкостью. Все литейные латуни являются легированными. В марке таких латуней после буквы Л указаны буквы, обозначающие все добавки к меди, начиная с цинка, за которыми следует число, указывающее содержание добавки; концентрация меди в марке не указывается. Например, свинцовая латунь ЛЦ40С является литейной модификацией деформируемой латуни ЛС59-1 и отличается от последней более широким допуском по содержанию примесей.

31

Бронзы. Двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом, бериллием, кремнием, кадмием, хромом и т.д. называются бронзами. Все бронзы обладают высокими параметрами прочности, коррозионной стойкости, хорошей обрабатываемостью резанием. Многие из них обладают высокими литейными и антифрикционными свойствами. Наиболее широко применяются алюминиевые и оловянистые бронзы.

По основному технологическому признаку обработки бронзы делятся на деформируемые и литейные. В марке обрабатывамых давлением бронз после букв Бр стоят буквенные обозначения названий легирующих элементов в порядке убывания их концентрации, а в конце марки в той же последовательности указаны средние концентрации соответствующих элементов. Например, БрАЖН10-3-1,5. В марке же литейных бронз после каждого обозначения названия легирующего элемента указано его содержание. Например, БрА10Ж3Мц2.

Оловянистая бронза. Практическое применение в машиностроении имеют сплавы меди с оловом, содержащие до 12 % Sn. Диаграмма состояния Cu-Sn приведена на рис.26.

Как видно из диаграммы, область - твердого раствора ограничивается сплошными и пунктирными линиями. Сплошные линии относятся к равновесным сплавам, прошедшим после литья очень длительный отжиг, а пунктирные – к литым неотожженным сплавам. Поэтому при изучении структуры литых бронз следует пользоваться пунктирными линиями диаграммы. В этом случае линия пунктирная линия, ограничивающая поле однородного твердого раствора , лежит левее, чем на равновесной диаграмме, и в структуре сплавов, содержащих более 5-6 % Sn, уже содержится эвтектоид.

Фаза является твердым раствором олова в меди и имеет такую же кристаллическую решетку, как у меди, т.е. ГЦК (различаются решетки только параметрами).

32

Рис. 26

Фазы и являются твердыми растворами, построенными на базе интерметаллических соединений электронного типа. Фаза построена на основе Cu₅Sn, а фаза - на основе электронного соединения Cu₃₁Sn₈, имеющего сложную кристаллическую решетку.

При рассмотрении диаграммы состояния виден значительный интервал температур между линиями солидуса и ликвидуса, вследствие чего оловянистая бронза весьма склонна к ликвации (неоднородность состава и структуры по объему слитка). В этом случае разница в концентрации жидкой и твердой фаз значительна, так как расстояние по горизонтали между ликвидусом и солидусом велико. Образующийся твердый раствор имеет вид дендритов с неодинаковым составом в различных точках (дендритная ликвация). Если литой

33

сплав с дендритной структурой твердого раствора отжечь, то образуются однородные зерна. Оловянистая литая бронза применяется в промышленности как антифрикционный материал.

На рис.27 показана структура литой - бронзы с содержанием 6 % Sn. Структура состоит из дендритов твердого раствора . Оси дендритов (темные участки) наиболее богаты медью, так как они кристаллизовались первыми. Междуосные поля (светлые участки), наоборот, более богаты оловом, так как они затвердевают последними.

а – микроструктура; б – схема микроструктуры

Рис. 27

Неоднородная структура является антифрикционной, обеспечивает небольшой коэффициент трения и применяется в качестве подшипниковых сплавов для вкладышей подшипников скольжения.

К антифрикционным сплавам предъявляются следующие требования. Они должны:

-иметь низкий коэффициент трения;

-хорошую прирабатываемость, т.е. минимальное время до принятия подшипником очертаний конфигурации вала;

-выдерживать большое удельное давление, т.е. быть достаточно прочным и пластичным;

-иметь более низкую твердость по сравнению с валом;

34

-обладать высокой теплопроводностью и сопротивлением коррозии;

-иметь хорошие технологические и литейные свойства.

Для удовлетворения указанных требований антифрикционные сплавы должны иметь разнородную структуру, т.е. состоять из мягкой, пластичной основы, в которую вкраплены твердые частички.

Двухфазная структура оловянистой бронзы отличается от однофазной тем, что она содержит эвтектоид ( +Cu₃₁Sn₈), дендритность же твердого раствора сохраняется.

Деформируемые оловянные бронзы – это трех- и четырехкомпонетные сплавы, в которые помимо олова,могут входить фосфор, цинк и свинец. Как правило, они или полностью однофазные, или содержат в виде включений небольшое количество второй фазы (Cu₃₁Sn₈, Cu₃P).

Литейные оловянные бронзы имеют широкий интервал кристаллизации, который обусловливает большую склонность к образованию рассеянных усадочных пор и соответственно, малую линейную усадку. В сочетании с коррозионной стойкостью в воздушной атмосфере и красивым цветом это сделало оловянную бронзу незаменимым материалом для художественного литья.

Алюминиевая бронза. Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами. Их преимущества перед оловянистыми бронзами – меньшая стоимость, более высокие механические и некоторые технологические свойства. Например, небольшой интервал кристаллизации обеспечивает алюминиевым бронзам высокую жидкотекучесть, концентрированную усадку и хорошую герметичность отливок, малую склонность к дендритной ликвации. Вместе с тем из-за большой усадки иногда трудно получить сложную фасонную отливку.

Практическое применение имеют сплавы меди с алюминием, содержащие до 10-11 % Al (рис.28). Сплавы, отвечающие по составу области , - однофазные сплавы, термически не обрабатываемые, весьма пластичные; структура их состоит из однородных зерен твердого раствора . Сплавы, отвечающие по составу области + ₂, - двухфазные сплавы, термически обрабатываемые, значительно менее

35

пластичны, чем сплавы области ; в структуре содержат эвтектоид + ₂. Вследствие большой хрупкости фазы ₂ двухфазные алюминиевые бронзы применяются только доэвтектоидные, т.е. с содержанием Al меньше 11,8 %.

Рис. 28

На рис.29 показана структура алюминиевой бронзы с 10 % Al. Структура состоит из зерен твердого раствора (светлый фон) и эвтектоида + ₂ (темный фон).

При большом увеличении строение эвтектоида напоминает структуру перлита, т.е. содержит смесь и ₂- фаз.

36

а – микроструктура (х500); б – схема микроструктуры

Рис. 29

Наличие эвтектоидного превращения позволяет двухфазную алюминиевую бронзу термически обрабатывать, т.е. подвергать закалке и отпуску. При нагреве доэвтектоидной бронзы до области - фазы с последующей закалкой в воде образуется мартенситоподобная (игольчатая) структура. На рис.30 показана структура алюминиевой бронзы с 10 % Al после закалки с 930 ^оС в воде. Структура игольчатая, мартенситная.