О структурных превращениях в сплавах Al-Si в твердом и твердо-жидком состояниях (статья)
Постоянное повышение требований к литейным алюминиевым сплавам в авиа- и двигателестроении, а также ужесточающиеся экологические требования стимулируют углубленные исследования в области создания новых сплавов и технологии их производства.
Основные технологические процессы литья. обработки давлением и термообработки этих сплавов сформированы достаточно давно, и в настоящее время они не отвечают требованиям по допустимому уровню воздействия на окружающую среду энергосбережению, возросшим рыночным требованиям, такими как более высокие эксплуатационные качества, надежность, понижение массы изделий и издержек производства.
Развитие новых технологических направлений, таких как полужидкая штамповка, сверхпластическая деформация в твердом состоянии наряду с их перспективностью вскрыло и проблемы, связанные, в основном, с недостаточной изученностью процессов структурообразования в области технологических температур, а также с отсутствием специально разработанных для этих процессов сплавов, которые к тому же удовлетворяли бы и рыночные требования.
Эти обстоятельства определяют актуальность исследований структурных превращений в сплавах на основе системы Al-Si в широком интервале температур, охватывающем твердое и твердо-жидкое состояния.
Материалы и методика
Сплавы Al-Si с содержанием 1.4; 3; 6; 12; 21,5 и 36 масс. % Si изготовили путем сплавления чистых алюминия и кремния в индукционной печи в графитовом тигле. Для одинаковой металлургической наследственности полученные сплавы затем нагрели до 1037 °С в печи сопротивления, охладили до 830 °С со скоростью 10 °С/мин в той же печи, изотермически выдержали при 830 °С в течение 15 мин. затем залили в стальной кокиль. Температура кокиля к началу заливки составляла 20 °С. Образцы для дальнейших исследований изготовили из этих отливок обработкой резанием при охлаждении струей проточной воды. Образцы для дифференциальной сканирующей калориметрии для исследования микроструктуры представляли собой цилиндры диаметром 4 мм и длиной 3,5 мм. Цилиндрические образцы для дилатометрии того же диаметра имели длину 10 мм. Дилатометрические исследования проводили на приборе NETZCH DIL 402C в атмосфере чистого аргона при постоянной нагрузке 0,30 N со скоростью 10 К/мин. Для дифференциальной сканирующей калориметрии использовали прибор NETZCH STA 449C Jupiter с атмосферой чистого аргона. Во время изменения температуры со скоростью 10 К/мин вес и тепловые потоки регистрировались с частотой 20 сек"1. Для микроструктурного анализа изготовили термически обработанные образцы исследуемых сплавов. Для этого образцы нагрели в массивных алундовых тиглях в программируемой печи сопротивления до заданных температур, затем изотермически выдержали их при этих температурах в течение 120 минут и после этого закалили в 5 % водном растворе уксуса со льдом при температуре около 0 °С. При закалке приняли меры против образования паровой рубашки. Скорость снижения температуры в процессе закалки была около 1000 К/сек.
При структурном анализе использовали металлограф iFiecKiin микроскоп «Olimpus PMG-3» и сканирующий электронный микроскоп LEO 1450 с системой LINK EDS, откалиброванной по эталонным Si и Со.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Сводные трехмерные карты температурных зависимостей теплоемкости и термического расширения экспериментальных сплавов Al-Si представлены на рис. 1.
В низкотемпературной области у всех сплавов отмечено значительное изменение температурных зависимостей теплового потока, генерированного структурными и фазовыми превращениями, и теплового расширения с максимумами, приходящимися на температуры около 250 °С. В дальнейшем графики зависимостей монотонны до температур порядка 400 °С, после чего резко изменяются. Следующий интервал нестабильности наблюдается в узком температурном интервале 490.. .520 °С, а затем выше 540 ° Рентгеноструктурный анализ закаленных образцов показал, что во всем температурном интервале в структуре всех образцов были только фазы на основе алюминия и кремния.
Эти результаты хорошо согласуются с данными EDX-спектроскопии кристаллов кремния в сплаве Al-6,87Si [1] в ходе термообработки по режиму Т7 (8 час при 495 °С, закалка в воде, старение 5 час при 260 °С). В кристаллах кремния обнаружены наночас-тицы избыточной фазы, содержащей Si, A1 и О с кристаллической решеткой А1. Этот факт экспериментально подтверждает гипотезу, изложенную в [2] о решающей роли внутреннего окисления Al-Si сплава, в результате которого в кремниевой фазе при кристаллизации образуются кластеры с направленными межатомными связями Si-0-Al. Они вносят локальные искажения в кристаллическую решетку кремния и способствуют образованию аномально больших (до 2.. .3 %) концентраций растворенного алюминия. Таким образом, изменение микротвердости кристаллов кремния при низких температурах обусловлено выделением наночастиц с решеткой А1, а при более высоких температурах - их укрупнением в результате коалесценции, очищением кристаллов кремния от примесей и образованием на их основе кристаллов с более совершенной (в смысле дефектности) структурой.
Как следует из результатов предыдущей работы [3], при низких температурах в сплаве А1 -21,5 % Si происходит распад пересыщенного до 2,6...3,2 ат. % Si твердого раствора на базе алюминия, который образовался в процессе кристаллизации отливки. При этом в результате восходящей диффузии образуются пакеты пластин кремния и практически чистая алюминиевая матрица.
При температурах выше 420 °С начинаются структурные изменения эвтектических фаз, обусловленные коалесценцией ветвей кремниевых дендритов - рис. 2, а, 6. В ходе изотермической выдержки при 505 °С зафиксировано огранение первоначально округлых ветвей кремниевых дендритов - рис. 2, в. Рис. 2, г демонстрирует начальную стадию процесса огранения, когда на округлой поверхности начинают формироваться слои роста, характерные для гранных кристаллов.
Для выяснения сущности структурных изменений в интервале 490...580 °С сопоставили кривые теплового потока (рис. 3) с графиками теплового расширения (рис. 4). На кривых ДСК отчетливо различаются экзотермические эффекты в низкотемпературной области, однако в сплавах Al-l,4Si и Al-21,5Si они минимальны.