Влияние германия и стронция на микроструктуру и механо-технологические свойства сплава АК9М2

Литейные алюминиевые сплавы находят все более широкое применение в автомобильной промышленности. Из них изготавливают блоки цилиндров, картеры, корпуса коробок передач, диски колес, детали тормозных устройств и т. д. Сочетание высоких физикомеханических свойств с превосходными литейными свойствами позволяет осуществить перевод ряда деталей автомобиля, изготавливаемых из стали и чугуна, на алюминиевое литье.

В основу легирующего комплекса наиболее распространенных литейных алюминиевых сплавов входит кремний и различные легирующие компоненты (магний, медь, марганец, титан, цирконий, цинк и другие). Выбор легирующих компонентов зависит от назначения сплава.

Основной задачей легирования является получение высокопрочных сил межатомных связей, устойчивой микрокогерентности 2-го порядка, выделение вторичных фаз сетчатой или каркасной формы. Эти задачи при их выполнении обеспечивают достаточное торможение диффузионных процессов и движения дислокаций для создания сплавов, работающих при температурах до 0,6 от температуры плавления. Как известно, германий образует с алюминием область твердых растворов до 7,2 % (по массе) при температуре эвтектики (424 °С), с уменьшением растворимости до 0,5 % (по массе) при 20 °С [1, 2].

Однако по данным работы [3] присадка германия к малолегированным сплавам типа АЛ9 не приводит к улучшению свойств, не изменяет сколько-нибудь значительно характера затвердевания сплавов, не влияет на структуру металла в отливках. В то же время введение германия в сплавы, легированные медью, титаном и другими переходными металлами, приводит к положительному эффекту. Однако большой интерес представляет возможность улучшения литейных и механических свойств алюминий-кремниевых сплавов. Практически важным представляется также опробование совместного введения в силумины германия и стронция, имеющего целью как повышение физико-механических свойств сплава, так и плотности отливок и уменьшение коэффициента линейного расширения сплавов [4, 5]. В работах [6–29] сообщается о положительном влиянии стронция на различные физико-химические свойства силуминов различных марок.

В настоящей работе приведены результаты исследования влияния совместной добавки стронция и германия на свойства вторичного алюминиевого сплава АК9М2 (ГОСТ I583–93), используемой в автомобильной промышленности.

Материалы и методики исследований

Исследование совместного влияния стронция и германия на механические и технологические свойства силуминов проводилось на сплаве АК9М2 следующего химического состава: Cu – 1,62, Si –9,0, Fe – 0,43, Zn – 0,21, Mg – 0,32, Mn – 0,24, Ni – 0,14, Ti – 0,08 % (по массе), приготовленного на Подольском заводе цветных металлов. Плавки проводились в электропечи сопротивления с графитошамотным тиглем, масса плавки 3,5 кг. Германий вводился в виде лигатуры Al – 50 % по массе Ge. Стронций вводился в виде лигатуры Al – 5 % Sr, специально приготовленной нами в лабораторных условиях. Температура введения лигатур 750 °С. Во избежание значительного угара стронция дегазация расплава проводилась до введения Al–Sr лигатуры. Образцы для испытаний на растяжение отливались в кокиль (ГОСТ 1538–93) не менее пяти на состав каждого сплава. Объемная усадка определялась по шаровой пробе, жидкотекучесть оценивалась по прутковококильной пробе. Для проведения исследований все образцы заливались при температуре (720 ± 5) °С.

Образцы для механических испытаний подвергались термической обработке по режиму Т6: нагрев до (535 ± 5) °С, выдержка 5 ч, охлаждение в холодной воде, старение при температуре 120 °С в течение 10 ч на воздухе.

Микроструктура сплавов изучалась при помощи оптического микроскопа «Неофот-30» на шлифах, приготовленных из головок отдельно отлитых образцов.

Изучение совместного действия германия и стронция на механические и технологические свойства силуминов проводилось на образцах сплавов, содержание германия варьировалась от 0,1 до 1,0 % (по массе) при постоянном содержании стронция в количестве 0,05 %.

Обсуждение результатов

На рис. 1 представлена зависимость предела прочности на растяжение и относительного удлинения сплава АК9М2, а микроструктуры сплавов приведены на рис. 3. Как предел прочности, так и относительное удлинение образцов легированных германием сплавов достигают максимального значения при его содержании около 0,1 % в присутствии стронция и сохраняют достаточно высокие значения до 0,5 % (по массе) основного легирующего элемента. Результаты металлографических исследований согласуются с данными механических испытаний, т. е. максимальный уровень механических свойств приходится на составы сплавов с 0,1–0,3 мас. % германия и 0,05 мас. % стронция. Именно эти сплавы характеризуются высокой степенью дисперсности микроструктуры (рис. 3 б , г ).

Возрастание предела прочности на 8–10 % при содержании германия 0,1 % (по массе) можно объяснить его упрочняющим действием на алюминиевый твердый раствор (рис. 1 а ). Содержание его, однако, недостаточно для выделения эвтектики в ориентированной каркасной форме (рис. 3 а ). Модифицирование стронцием уменьшает растворимость германия в алюминии, с одной стороны, и измельчает эвтектику α-Al + Si – с другой. Суммарное влияние этих факторов ведет к повышению мелкодисперсности эвтектики в сплаве, что в свою очередь вызывает рост пластичности на 20–25 % (рис. 1 б ).

На рис. 2 приведена зависимость жидкотекучести и объема концентрированной усадочной раковины сплава АК9М2, модифицированного германием и стронцием. Видно, что введение германия в количествах 0,1–0,3 %

Рис. 1. Зависимость предела прочности на растяжение ( а ) и относительного удлинения ( б ) от содержания германия: ○ – без стронция; • – со стронцием

Рис. 2. Зависимость жидкотекучести ( а ) и объема концентрированной усадочной раковины ( б ) сплава АК9М2 от содержания германия: ○ – без стронция; • – в присутствии стронция

увеличивает жидкотекучесть сплава АК9М2 более чем в 1,3 раза (в отсутствие стронция).

Дальнейшее увеличение содержания германия от 0,3 до 1,0 % (по массе) влечет за собой резкое снижение жидкотекучести и рост объема концентрированной усадочной раковины, по всей вероятности, за счет увеличения интервала кристаллизации. Введение стронция благоприятно сказывается на жидкотекучести сплавов лишь при содержании германия 0,1 % (по массе). При росте концентрации германия введение стронция вызывает снижение жидкотекучести, поскольку, в свою очередь, уве- личивает интервал кристаллизации сплавов и склонность их к переохлаждению.

Влияние стронция на уменьшение объема концентрированной усадочной раковины объясняется, по-видимому, ростом микроусадоч-ной пористости за счет увеличения интервала кристаллизации.

Увеличение содержания германия до 0,3– 0,5 % (по массе) само по себе (в отсутствие стронция) приводит к измельчению и изменению формы выделения эвтектики Al–Si благодаря образованию германием твердого раствора как с алюминием, так и с кремнием

а)

б)

в)

г)

д)

е)

ж)

Рис. 3. Микроструктуры ( х 200) сплава АК9М2 с добавками стронция и германия (% по массе) в литом состоянии: а) 0,1 % Ge; б) 0,1 % Ge + 0,05 % Sr; в) 0,3 % Ge; г) 0,3 % Ge + 0,05 % Sr;

д) 0,5 % Ge; е) 0,5 % Ge + 0,05 % Sr; ж) 1,0 % Ge; з) 1,0 % Ge + 0,05 % Sr

з)

(рис. 3 г ), что вызывает подъем прочности и как следствие – снижение пластичности.

Дальнейший рост содержания германия в интервале 0,5–1,0 % (по массе) ведет к огрублению эвтектики, отрицательно сказываясь на механических свойствах и микроструктуре сплавов (рис. 1 и 3ж). Введение стронция ста- билизирует пластичность сплава, не оказывая заметного влияния на предел прочности. Микроструктура оптимально легированного сплава состоит из α-твердого раствора, тонко дифференцированной эвтектики (α-Al + Si), отдельных включений железосодержащих фаз в виде китайских иероглифов.

Заключение

Совместное введение в сплав АК9М2 стронция и германия обеспечивает высокую кооперативность совместного роста фаз в эвтектике, а также максимальное упрочение алюминиевого α-твердого раствора. Таким образом, путем введения во вторичный алюминиевый сплав АК9М2 0,1–0,3 % Ge (по массе) удалось значительно повысить его механические свойства, особенно относительное удлинение. Кроме того, легирование сплава АК9М2 германием в указанных количествах приводит к существенному улучшению литейных свойств – повышению жидкотекучести в 1,3 раза, уменьшению объема концентрированной усадочной раковины на 10–12 %. Указанное положительное влияние германия на механические и литейно-технологические свойства сплава АК9М2 усиливается в присутствии стронция.