Как повысить текучесть алюминия

Жидкотекучесть алюминия

Жидкотекучесть металла

Жидкотекучесть – это чисто литейный термин и он отличается от общенаучного термина «текучесть». В обычной науке «текучесть» – это величина, обратная вязкости и, поэтому, ее можно точно численно измерить.

В литейном деле жидкотекучесть (ее также называют «литейная текучесть») определяют как расстояние, на которое жидкий металл проникнет в полость литейной формы при литье металлов, в том числе, при литье алюминия. Поэтому жидкотекучесть – это не абсолютная, относительная величина.

Когда расплавленный алюминий входит в полость литейной формы, то в ходе этого течения он теряет свою термическую энергию. В конце концов, алюминий начинает затвердевать и в некоторой точке полости прекращает течь.

Рисунок 1 – Для таких сложных отливок с тонким элементами требуется высокая степень жидкотекучести металла

Влияние технологии литья на жидкотекучесть металла

Основными факторами, влияющими на жидкотекучесть металла, являются следующие.
1) Исходная температура металла.
2) Мощность отбора тепла от расплава материалом литейной формы, в том числе влияние термоизоляционных покрытий на литейной форме.
3) Кинетическая энергия металла. Гравитационное литье (литье в кокиль) и литье в песчаные формы полагаются на течение металла сверху вниз под собственным весом. Литье под низким и высоким давлением применяют различное, регулируемое давление для того, чтобы заставить металл течь в литейную форму.
4) Степень чистоты металла, то есть наличие в сплаве посторонних примесей также оказывает большое влияние на жидкотекучесть металла (рисунок 2).

Рисунок 2 – Влияние фильтрования алюминиевого расплава на его жидкотекучесть

Роль жидкотекучести металла при литье

1) Недостаточная жидкотекучесть может приводить к неполному заполнению литейной формы и нечеткому повторению формы изделия.
2) Чрезмерная жидкотекучесть может приводить к проникновению металл сквозь песчаную форму или чрезмерное выплескивание металла при его движении по литейным каналам.
3) На практике жидкотекучесть металла контролируется путем выбора сплава, температурой расплава и температурой литейной формы.
4) Ухудшение жидкотекучести металла могут быть указанием на его загрязненность.
5) Можно ожидать изменения жидкотекучести металла при изменении содержания примесей, введении добавок для измельчения зерна или модификации сплава.

Спиральная проба на жидкотекучесть

Спиральная проба – это заливка металла в спиральную песчаную форму (рисунок 3). Она является самым старым способом оценки жидкотекучести металла. Металл при тщательно контролируемой температуре заливают в литейную форму и измеряют длину, которую прошел металл.

Рисунок 3 – Схема спиральной пробы на жидкотекучесть

Вакуумная проба на жидкотекучесть

Сущность вакуумной пробы на жидкотекучесть заключается в следующем (рисунок 4). Керамическая или кварцевая труба соединяется с вакуумной системой. Эта труба окунается в испытуемый расплав при заданной температуре. По высоте подъема металла судят о его жидкотекучести.

Рисунок 4 – Схема вакуумной пробы на жидкотекучесть

Влияние легирующих элементов на жидкотекучесть алюминия

Влияние на жидкотекучесть алюминия содержания в нем легирующих элементов (медь и кремний) показано на рисунке 5.

Рисунок 5 – Зависимость жидкотекучести алюминия
от содержания кремния и меди

Влияние на жидкотекучесть алюминия модификаторов (стронций), измельчителей зерна (титан, титан/бор) и примесей (железо) показано на рисунке 6.

Рисунок 6 – Влияние на жидкотекучесть алюминиевого сплава А320 изменений содержания примесей, легирующих элементов и модифицирующих добавок

Влияние чистоты алюминия на его жидкотекучесть

Жидкотекучесть алюминия очень чувствительна к уровню его чистоты, как это видно из рисунка 7.

Рисунок 7 – Резкое снижение жидкотекучести чистого алюминия с увеличением общего содержания примесей

Подробнее про литье алюминия в песчаные формы:

Источник

Как упрочняют алюминий?

Аэрокосмические достижения во многом определяются разработкой новых материалов, обладающих рекордными отношениями прочности и жесткости к массе. И это понятно: снижение массы конструкций отзывается многократной экономией топлива или увеличением полезного груза.

Наиболее известным легким металлом является, вне сомнения, алюминий. Он занимает второе место после черных металлов по объему потребления.

Больше всего алюминия используют в строительстве, почти столько же — для изготовления различной тары, немного меньше — на транспорте. Остальное потребляет электротехническая промышленность, машиностроение и другие отрасли. В последние годы возросло нетрадиционное потребление алюминия — для производства банок для напитков.

Наиболее важное значение имеет алюминий в самолето- и ракетостроении. Ни один современный летательный аппарат не обходится без него.

Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и технологии производства. Увеличение содержания примесей и пластическая деформация повышают его прочность и твердость. Чистый алюминий находит ограниченное применение: идет на изготовление ненагруженных деталей и конструкций. Намного шире использование многочисленных сплавов алюминия, характеризующихся высокой прочностью. По этому показателю некоторые алюминиевые сплавы близки к высокопрочным сталям.

Наиболее часто алюминиевые сплавы легируют медью, магнием, марганцем, кремнием, цинком, реже — литием, никелем, титаном. Один из наиболее известных сплавов на основе алюминия — дюралюминий (Al-Cu-Mg). Его часто используют в самолетостроении для изготовления лопастей воздушных винтов, нервюр, шпангоутов

Популярны высокопрочные алюминиевые сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu. Из них делают высоконагруженные детали, в основном работающие в условиях напряжения сжатия (лонжероны, обшивка самолетов и др.).

Сплавы алюминия с кремнием (силумины) легки, прочны и технологичны. Учитывая широкое распространение в природе кремния и алюминия, можно на фоне истощения месторождений других металлов предсказать этой группе металлов большое будущее. Из легированных силуминов изготавливают крупные литые детали, например, картеры, головки цилиндров и др.

Упрочнить алюминий и его сплавы можно, применяя особые технологические приемы, направленные на образование в металле дисперсных включений.

Такой материал, например, получают прессованием и спеканием окисленного с поверхности тонкодисперсного порошка алюминия. Он так и называется — спеченный алюминиевый порошок (САП). Он может содержать до 22% равномерно распределенного в металлической матрице оксида алюминия.

Известно, что процесс деформирования металлов сопровождается перемещением линейных дефектов кристаллической решетки — дислокаций. Дисперсные частицы оксида алюминия являются препятствием для перемещения дислокаций, а значит, упрочняют металл.

Причем, поскольку оксид алюминия тугоплавок, при повышении температуры он практически не растворяется в матрице, не исчезает, в отличие от других барьеров на пути дислокаций. Это означает, что САП сохраняет свою работоспособность при более высоких температурах, нежели чистый алюминий. Так, алюминий заметно разупрочняется уже при 200 градусах, в то время как САП успешно работает при 400, а то и 500 градусах.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) получают по той же технологии. Преимущества их по сравнению с обычными алюминиевыми сплавами — отсутствие литейных дефектов, равномерное распределение зерен. Отсюда — улучшенные механические свойства.

Подводим итоги. Алюминий далеко не исчерпал возможностей по повышению прочности. Нам предстоит еще много узнать о нем…

Источник

Упрочнение алюминия: 3 механизма

Чистый алюминий – мягкий и пластичный

Чистый алюминий, с содержанием алюминия 99,8 %, в отожженном состоянии имеет предел текучести менее 20 МПа (2 кГ/мм 2 ) и относительное удлинение более 40 %. Чтобы сделать такой алюминий пригодным для применения в качестве конструкционного материала к нему применяют различные методы упрочнения.

Пластическая деформация алюминия

Все металлы – и алюминий тоже – имеют кристаллическую атомную решетку. Пластическая деформация металлов происходит благодаря существованию в их атомной решетке линейных дефектов – дислокаций. Пластическая деформация происходит путем движения этих дислокаций, так, например, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Пластическая деформация путем движения дислокации
через атомную решетку пластичного металла

Три механизма упрочнение алюминия

Сущность упрочнения металла заключается в том, что в его решетку тем или другим образом вводятся препятствия для движения дислокаций.

Для алюминия эффективными являются три основных механизма упрочнения. Это:

• деформационное упрочнение (наклеп, нагартовка);
• упрочнение за счет образования твердого раствора легирующего элемента в алюминии (закалка)
• упрочнение в результате выделения в алюминии вторичных фаз (старение).

В свою очередь, алюминиевые сплавы могут классифицироваться по преобладающему механизму их упрочнения.

Деформационное упрочнение алюминия

Дислокации двигаются по наиболее плотно упакованным плоскостям атомной решетки. Эти плоскости называются плоскостями скольжения. Так как кристаллическая решетка алюминия является гранецентрированной кубической, то у него имеется четыре эквивалентных плоскости скольжения с тремя направлениями скольжения каждая. Это дает в сумме 12 систем скольжения. В зависимости от преобладающего напряженного состояния обычно активными являются несколько систем скольжения. Поэтому при деформации алюминия постоянно происходит взаимодействие дислокаций различных плоскостей скольжения. В результате этого формируются плотные клубки дислокаций, которые представляют собой препятствия для дальнейшего движения дислокаций. Около этих препятствий возникают поля интенсивных локальных напряжений. Этот механизм работает для всех металлических сплавов, которые подвергаются пластической деформации.

Деформационное упрочнение путем холодной прокатки, волочения или растяжения является эффективным способом повышения прочности алюминиевых сплавов, которые не поддаются термическому упрочнению. Кривые деформационного упрочнения – холодной прокатки – отожженных листов из таких алюминиевых сплавов, 1100, 3003, 5050 и 5052 показаны на рисунке 2. Хорошо видно, что увеличение прочности сплавов сопровождается снижением пластичности, которая измеряется в процентах относительного удлинения при испытаниях образцов на растяжение.

Рисунок 2 – Кривые деформационного упрочнения алюминия (1100),
алюминиево-марганцевого сплава 3003 и
алюминиево-магниевых сплавов 5050 и 5052.

Упрочнение путем образования твердого раствора

Легирующие элементы в твердом растворе взаимодействуют с дислокациями в основном путем полей локальных напряжений, которые обеспечивают дополнительные силы трения при движении дислокаций. Этот упрочняющий механизм повышает эффективность деформационного упрочнения (наклепа, нагартовки). Алюминиевые сплавы серий 3ххх и 5ххх являются типичными примерами сплавов, которые получают упрочнение в результате образования твердого раствора соответственно марганца и магния в атомной решетке алюминия.

На рисунке 3 показано влияние содержания магния в твердом растворе алюминия на предел текучести и относительное удлинение для наиболее популярных алюминиево-магниевых промышленных сплавов.

Рисунок 3 – Корреляция между пределом текучести, относительным удлинением и содержанием магния в алюминиевых сплавах серии 5ххх

Упрочнение за счет выделения вторичной фазы

Выделившиеся частицы вторичных фаз в алюминии является очень эффективными препятствиями для движения дислокаций. Эффективность частиц как препятствий для движения дислокаций зависит как от размера частиц, так и от расстояния между ними.

Малые когерентные выделения не являются существенным препятствием для дислокаций – они их просто перерезают. С увеличением размеров частиц вторичной фазы, а также потерей их когерентности с атомной решеткой алюминиевой матрицы, степень сопротивления частиц движению дислокаций возрастает. Возрастание твердости до определенного максимума при искусственном старении алюминиевых сплавов объясняется именно прогрессирующим выделением вторичной фазы. С другой стороны, снижение твердости при перестаривании алюминиевого сплава происходит из-за увеличения расстояния между частицами вторичной фазы.

Упрочнение алюминиевых сплавов за счет старения – естественного или искусственного – происходит именно по механизму упрочнения за счет выделения вторичных фаз из перенасыщенного твердого раствора (рисунок 4). Этот перенасыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии создается путем нагрева алюминиевого сплава до полного растворения легирующих элементов и быстрого его охлаждения, например, до комнатной температуры.

Рисунок 4 – Кривые естественного и искусственного старения
прессованных профилей из сплава 6082

В интервале температуры от комнатной до 60 °С происходит образование «кластеров», которые остаются когерентными с атомной решеткой алюминия. Этот процесс называется «естественным старением». Он приводит к состояниям алюминиевых сплавов Т1 и Т4.

В интервале температуры от 60 до 220 °С происходит образование промежуточных когерентных и полукогерентных вторичных фаз. Это процесс называется «искусственным старением». Он дает состояния алюминиевых сплавов Т5 и Т6.

Кривые старения на рисунке 4 показывают влияние температуры старения на прочностные свойства и удлинение прессованного сплава 6082. Отметим более высокую пластичность и более низкую прочность после старения при комнатной температуре.

Источник