Новые сплавы. 
Металловедение: макро- и микроструктуры литейных алюминиевых сплавов

Развитие современной техники предъявляет все более высокие требования к материалам. Стандартные литейные сплавы, включая высококачественные, рассмотренные в предыдущей главе, часто не отвечают требуемому современной техникой уровню свойств, что вынуждает использовать более дорогие материалы, в частности полученные по специальным технологиям (сверхбыстрая кристаллизация, механическое легирование, замешивание в расплав ультрадисперсных частиц и т. д.). Высокая стоимость последних существенно ограничивает производство и потребление готовых изделий. В связи с этим разработка новых литейных сплавов, из которых можно получать на имеющемся оборудовании высококачественные фасонные отливки, обладающие существенно более высоким уровнем эксплуатационных свойств по сравнению со стандартными сплавами, является весьма актуальной задачей. В первую очередь это касается повышения прочности при комнатной и повышенных температурах в сочетании с высокой коррозионной стойкостью и хорошей технологичностью при литье всеми прогрессивными методами, в том числе в жесткие формы. Кое-что в этом направлении уже сделано, в частности некоторые из разработанных сплавов имеют промышленное применение, хотя и ограниченное. Большие потенциальные возможности могут быть реализованы при использовании новых подходов к выбору систем легирования, чему в данном параграфе уделено большое внимание.

Сплавы с малым количеством эвтектики

Литейные сплавы с малым количеством эвтектики, в частности на базе систем А1—Си, А1—Mg и А1—Zn—Mg, имеют существенные преимущества перед силуминами по механическим свойствам. В связи с этим в 1970—1980;х гг. были проведены работы по созданию новых высокопрочных сплавов типа твердых растворов. Эти сплавы можно разделить на несколько групп:

• 1) сплавы на основе системы А1—Mg—Zn с примерно равным содержанием магния и цинка;
• 2) сплавы на основе этой же системы, но с соотношением Mg: Zn = 2;
• 3) сплавы на основе системы А1—Zn—Mg—Си, близкие по составу к деформируемым сплавам типа В95;
• 4) сплавы на основе системы А1—Си с малой добавкой кремния (менее 1%);
• 5) сплавы на основе системы А1—Mg с малой добавкой скандия.

Все эти сплавы являются термически упрочняемыми и обладают различным комплексом эксплуатационных свойств, что позволяет получить те или иные преимущества по сравнению с промышленными сплавами. Следует отметить, что разработке составов, приведенных в табл. 4.12, предшествовало построение зависимостей механических и литейных свойств от состава и параметров термообработки с использованием методов математического моделирования. Это позволило обосновать выбор концентраций легирующих элементов и режимов термообработки.

Одними из первых разработок такого рода были сплавы на базе системы А1—Mg—Zn, близкие по составу стандартному сплаву АЦ4Мг (АЛ24), что получило отражение в их обозначении: АЛ24М и АЛ24п. От промышленного аналога эти сплавы отличаются повышенным содержанием магния и переходных металлов (Mn, Cr, Ti и др.) (см. табл. 4.12). Благодаря этому увеличивается эффект дисперсионного твердения за счет закалки и старения. Не уступая сплавам А1—Си по прочности (о_вдо 450 МПа в состоянии Тб), сплавы АЛ24М и АЛ24п имеют более высокую коррозионную стойкость. Сплав АЛ24п имеет рекордно высокие механические свойства в состоянии Т1 (а_в > 340 МПа, 5 > 6%), т. е. может быть использован без высокотемпературного нагрева и закалки. Однако их литейные свойства остаются довольно низкими, что обусловлено широким интервалом кристаллизации. Сплавы АЛ24М и АЛ24п имеют строгие ограничения по примесям железа и кремния.

Установлена перспективная область составов, иногда используемая для разработки деформируемых сплавов: 5—7% Mg и 2—3% Zn (рис. 4.4). Эти сплавы отличаются от магналиев типа АМгбл более высокими прочностными свойствами, которые достигаются после закалки и старения (Т5, Тб) за счет выделений метастабильной фазы V (Al₂Mg₃Zn₃). Среди них следует отметить сплав ВАЛИ (см. табл. 4.11). Сплав ВАЛИ характеризуется хорошей коррозионной стойкостью, а также неплохими показателями горячеломкости и жидкотекучести, более высокими, чем у сплавов типа АЛ24п. К недостатку сплава ВАЛИ следует отнести сильную зависимость его механических свойств от концентраций легирующих элементов (прежде всего цинка), примесей (Fe и Si) и режима старения (эта зависимость существенно сильнее, чем у силуминов). После старения по режимам Тб, Т7 в нем часто формируются грубые зернограничные прослойки вторичных выделений фазы Т, что приводит к резкому снижению механических свойств. Это связано с изменением характера разрушения: от вязкого внутризеренного, характерного для закаленного состояния, до межзеренного. Выплавка сплава ВАЛИ (как магналиев типа АМгбл) требует использования чистых шихтовых материалов.

Состав, %, высокопрочных и коррозионностойких сплавов на основе системы AI—Мд—Zn—Си с низким содержанием примесей железа и кремния.

Puc. 4.4. Изотермическое сечение диаграммы состояния Al—Mg— Zn при 200 °C. Фазы:

T — Al₂Zn₃Mg₃; M — MgZn₂; p —Al₃Mg₂

Наиболее привлекательной для разработчиков новых литейных сплавов была система А1—Zn—Mg—Си, которая является базовой для самых прочных деформируемых сплавов типа В95. Среди нескольких разработок наиболее известен литейный сплав ВАЛ12, нашедший ограниченное промышленное применение. Среднее значение а_в этого сплава в состоянии Тб составляет 570 МПа, что значительно выше, чем у самых прочных стандартных литейных сплавов на основе системы А1—Си. Упрочнение после термообработки достигается за счет дисперсных выделений метастабильных фаз V (Al₂Mg₃Zn₃) и г' (Mg₂Zn). Литейные свойства этого сплава очень низки, что сильно затрудняет получение из него даже относительно простых отливок литьем в кокиль. Наилучшие результаты для сплава ВАЛ12 были получены при использовании метода жидкой штамповки.

Сплав ВАЛ 12 и его модификации имеют высокую чувствительность к примесям железа и кремния, допустимое содержание которых не должно превышать 0,1—0,2%.

Предпринимались также попытки повысить литейные свойства сплавов А1—Си за счет введения кремния в пределах растворимости в (А1) и подбора соотношения малых добавок. Было разработано несколько новых сплавов, в частности ВАЛ15, которые, однако, не проявили заметных преимуществ перед промышленными сплавами типа АМ5. Это связано с тем, что кремний, существенно повышая литейные свойства, оказывает резко отрицательное влияние на характеристики жаропрочности. Кроме того, даже малая добавка кремния, как это следует из диаграммы состояния А1—Си—Si, сильно снижает солидус.

Следует также отметить опытный сплав 1 568 на базе системы А1—Mg—Sc, который близок по составу и свойствам деформируемому аналогу 1570. Уникальное сочетание высокой прочности (а_в > 360 МПа), пластичности (6 > 16%), коррозионной стойкости, свариваемости делает сплавы на базе этой системы весьма привлекательными для изделий ответственного назначения, в частности в области авиастроения и военной техники. Однако чрезвычайно высокая цена скандия делает маловероятным широкое промышленное использование таких сплавов в обозримом будущем.

Достоинства рассмотренных выше сплавов могут быть реализованы в случае обеспечения высокой чистоты по примесям железа и кремния (менее 0,2%).

Для повышения пластичности сплавов, содержащих до 0,5% Fe и Si, были проведены исследования по нейтрализации вредного влияния Feи Si-содержащих фаз. Установлено, что в случае сферической формы частиц фаз и их равномерного распределения отрицательное влияние этих фаз может быть почти полностью нейтрализовано. Для наиболее эффективной нейтрализации вредного влияния железа рекомендуется вводить бериллий в соотношении Fe: Be ~ 2. В этом случае обеспечивается полное связывание этой примеси в глобулярные включения фазы Al₄Be₅Fe₂.

Одним их первых примеров реализации принципов нейтрализации вредного влияния примесей Fe и Si был экспериментальный сплав 1 984 (табл. 4.13), который обладает более высокими прочностными характеристиками по сравнению с ВАЛИ.

Химический состав, %, высокопрочных и коррозионностойких сплавов на основе системы AI—Мд—2п—Си с повышенным содержанием примесей железа и кремния.

Сплав 1 984 содержит в своем составе малую добавку меди, что приводит к существенному упрочнению при сохранении достаточно высокой пластичности. Сплав был успешно опробован при получении жидкоштампованных отливок средней сложности. Однако этот сплав не лишен недостатка своего аналога (ВАЛИ) по высокой чувствительности механических свойств к составу и режиму старения. Более того, эффективная нейтрализация вредного влияния примеси железа требует оптимального соотношения Fe: Be, что служит серьезным препятствием для промышленного применения.

Рассмотренные выше способы нейтрализации вредного влияния примесей железа и кремния были применены также при оптимизации состава и режима термообработки вторичного литейного сплава АМг5К на базе системы А1—Mg. Данный сплав рассчитан на использование в качестве шихты преимущественно лома деформируемых сплавов, прежде всего магналиев и авиалей. В закаленном состоянии (Т4) сплав АМг5К имеет неплохие для магналиев прочностные свойства (а_в > 240 МПа; а₀₂ > 140 МПа) при удовлетворительной пластичности (5 > 2%).

В сплаве 1 976 снижены (по сравнению с ВАЛ12) концентрации цинка и магния для повышения вязкости разрушения, а также в него введены добавки бериллия и кальция для нейтрализации вредного влияния примесей железа и кремния путем их связывания в фазы с компактной морфологией. За счет оптимизации состава и режима термообработки сплав 1 976 при некотором снижении прочности имеет хорошее сочетание основных механических свойств. Из сплава 1 976 были успешно получены различные отливки простой формы преимущественно методом жидкой штамповки. Жидкотекучесть этого сплава существенно выше по сравнению с жидкотекучестью сплавов А1—Си. Однако сплав 1 976 имеет еще более высокую склонность к образованию горячих трещин при кристаллизации, чем сплав ВАЛ 12.

Обобщая характеристику новых сплавов с малым количеством эвтектики, можно выделить следующие их недостатки.

• 1. Все сплавы рассмотренной группы имеют низкие литейные свойства и, следовательно, могут быть использованы только для получения относительно простых отливок. При этом все резервы существенного повышения литейных свойств за счет оптимизации концентрации основных легирующих компонентов и введения малых добавок можно считать практически исчерпанными.
• 2. В составах всех сплавов (кроме вторичных) присутствует добавка бериллия, применение которой в настоящее время ограничено, особенно в массовом производстве, что связано с ужесточением экологических требований.
• 3. Ни один из сплавов не превосходит по жаропрочности стандартные сплавы типа АМ5, т. е. одна из задач так и не решена.