Определение коэффициента линейного расширения алюминиево-кремниевых сплавов

Литейные алюминиево-кремниевые сплавы широко применяются в авиационно-космической отрасли для литья деталей сложной геометрии, работающих в условиях высоких эксплуатационных нагрузок. При этом одной из важных характеристик, определяющих надежную их эксплуатацию, является коэффициент линейного расширения (КЛР), который показывает относительное изменение длины тела при нагревании на температуру A T . Значение КЛР можно показать на примере алюминиевого трубопровода –изменение температуры от 293 К до 77

К приводит к изменению его длины на ~4 мм на каждый метр трубы (КЛР алюминия при температуре ~20 ° C составляет 22,9 ■ 10^-6(1/град)).

КЛР определяли относительным методом при помощи дифференциального оптического дилатометра Шеве-нара на сплавах, содержащих 5; 7; 9; 11,4; 18; 25 и 40 % Si, отпрессованных из гранул алюминия А99 и кремния полупроводниковой чистоты.

В результате проведенного исследования было установлено, что по характеру изменения КЛР с нагревом

Технологические процессы и материалы образцов, сплавы можно разделить на две группы: доэвтектические (до содержания кремния 11,4 %), КЛР которых растет при нагреве вплоть до 800 °С, затем уменьшается в области 400. ..425 °С, а при дальнейшем повышении температуры снова возрастает, и заэвтектические (выше 11,4 % Si), КЛР которых при нагреве до 300 °С повышается незначительно, а выше этой температуры растет резко, но в наименьшей степени для сплава Al-40 % Si.

Следует отметить, что характер изменения КЛР сплава Al-9 % Si выпадает из наблюдающейся закономерности КЛР с увеличением содержания кремния, по крайней мере, до области 350 ° С, а при повышении температуры до 425 ° С КЛР оказывается даже ниже, чем при 50 ° С, и близок к величине КЛР заэвтектических сплавов при 315 ° С. Для объяснения такого немонотонного изменения КЛР требуются дальнейшие исследования.

При изучении изменения КЛР с увеличением содержания кремния обнаружены минимумы при всех температурах нагрева в сплаве Al-9 % Si. Причем, в этой области концентраций даже при значительных температурах нагрева величина КЛР оказывается меньше, чем при низких.

Наблюдаемые отрицательные отклонения КЛР от аддитивных значений на температурных зависимостях могут служить признаком существования в этой области интерметаллического соединения, что совпадает с трактовкой [1] коэффициента термического расширения как связанного непосредственно с силами межатомного взаимодействия в твердом состоянии, низкие значения которого указывают на наличие значительных сил сцепления между атомами.

Высказанное с учетом анализа результатов измерений магнитной восприимчивости c (физической величины, характеризующей способность вещества намагничиваться в магнитном поле; х ⁼ J / H , где J — намагниченность единицы объема вещества, Н – напряженность намагничивающего магнитного поля), на изотермах которых обнаруживаются минимумы в жидком и твердом состояниях [2], однозначно свидетельствуют о существовании при 9 % Si интерметаллического соединения.

Здесь обращается особое внимание на магнитную восприимчивость по той причине, что ее величина складывается из восприимчивости ионных остовов и элект- ронного газа, и уменьшение ее величины свидетельствует об изменении энергетического состояния электронов при изменении характера взаимодействия элементов композиции – так, известно, что минимум на концентрационных зависимостях магнитной восприимчивости в твердом и жидком состояниях проявляется на ординатах, соответствующих присутствию химических соединений [3].

Следует обратить внимание и на минимум КЛР в области сплава Al-18 % Si, примерно совпадающий по концентрации с подобным отклонением на изотермах магнитной восприимчивости [2].

Полученная информация об изменении КЛР сплавов системы Al–Si имеет важное значение при выборе марки промышленных сплавов системы Al–Si в качестве достоверного критерия выбора составов для литья деталей, работающих в условиях эксплуатации, где требуется максимально возможное сохранение стабильных размеров литых деталей изделий машиностроения, особенно тех, которые работают в условиях повышенных температур.

Величина КЛР имеет основополагающее значение в случае необходимости изготовления с помощью сварки или пайки изделия из двух сопрягаемых сплавов разного состава с разными его значениями, а также при эксплуатации паяно-сварного узла в условиях изменения температуры, как в виде теплового удара, так и в цикле «нагрев « охлаждение». Неидентичность изменения размеров прочно сопрягаемых сплавов в этих случаях, как правило, приводит к возникновению в изделиях трещин и к их разрушению.