Структура и свойства сплавов специального назначения после отжига

Введение

Сплавы специального назначения на основе системы Al – Si, легированные медью, никелем и другими элементами, все более широко используются в современных отраслях промышленности, в частности, в двигателестроении, приборостроении, электронике и аэрокосмической промышленности [1 – 4]. В различных функциональных узлах приборов эти сплавы зачастую работают в контакте с элементами, изготовленными из различных сталей или керамики, и поэтому их характеристики должны быть согласованы по величине температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). Это обеспечивает размерную стабильность приборов и, если необходимо, вакуум-плотные спаи. Помимо регламентированного значения ТКЛР от специальных сплавов требуются хорошая износостойкость и малая плотность, удельные механические свойства таких сплавов находятся на уровне свойств среднеуглеродистых конструкционных сталей [5; 6]. Поскольку многие изделия приборной техники предназначены для работы в широком диапазоне температур, то свойства специальных сплавов должны быть стабильными вплоть до предельных температур эксплуатации. Для стабилизации свойств сплавы алюминия с кремнием заэвтектического состава легируют тугоплавкими элементами, модифицируют, а также подвергают термической обработке [7 – 9].

Ранее проведенные исследования позволили установить, что низким и стабильным ТКЛР в широком интервале температур обладают сплавы алюминий – кремний заэвтектического состава, легированные медью в количестве, равном или превышающем содержание кремния в сплаве [10].

В связи с этим в настоящей работе изучено влияние изохронного отжига при температурах 100 – 900 °С (время выдержки 11 ч, охлаждение на воздухе) на микроструктуру, плотность и микротвердость сплава Al – 30 % Si – 50 % Cu.

Материалы и методы исследования

Материалами исследования являлись силумины с содержанием кремния 30 %, меди 50 %. Исходным материалом для приготовления сплавов являлись алюминий марки А7, кремний марки Кр0 и медь марки М1.

Алюминий марки А7 расплавляли и добавляли последовательно кремний и медь в количестве 30 и 50 % соответственно. После полного растворения легирующих элементов расплав подвергали обработке влажным доломитом мелкой фракции, температура обработки составляла 880 °С. После выстаивания расплава проводили заливку с температуры 1100 °С в холодный алюминиевый кокиль.

Термическую обработку при температурах 100, 250 и 350 °С проводили в электрических шкафах сопротивления СНОЛ – 3,5.3,5.3,5/3,5 – И2М с рабочим пространством 350×350×350 мм и разбегом температуры в рабочем пространстве ±5 °С. Термическую обработку при более высоких температурах от 500 до 900 °С проводили в электрических печах сопротивления СНОЛ – 1,6.2,5.1/9 – И3 с рабочим пространством 160×250×100 мм и разбегом температуры в рабочем интервале испытания ±5 °С.

Структурный анализ образцов из сплава Al – 30 % Si – 50 % Cu был проведен с помощью микроскопа KYKY EM6900 Std SEM (лаборатория Электронной микроскопии и обработки изображений СибГИУ) в режиме вторичных и обратно рассеянных электронов (SE + BSE) при ускоряющем напряжении HV = 25 ÷ 30 кВ, рабочем расстоянии WD = 15 ÷ 18 мм; увеличение изменяли от 200 до 1000 крат. Для оценки характера распределения элементов между структурными составляющими был проведен микрорентгеноспектральный анализ (МРСА) с использованием модуля энергодисперсионной спектроскопии (EDS).

Плотность определяли методом гидростатического взвешивания с помощью аналитических весов WA-21 с точностью до 0,0001 г. Микротвердость измеряли на цифровом микротвердомере модели HVS-1000 при нагрузке 0,245 Н (25 гс).

Результаты исследования и их обсуждение

Методы сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) нашли широкое применение в решении конкретных научных и технологических задач вследствие их высокой информативности и достоверности получаемых результатов исследования [2 – 5]. Благодаря большой глубине резкости СЭМ позволяет детально изучить строение гетерофазных сплавов с ярко выраженным микрорельефом поверхности шлифа при больших увеличениях, и, что особенно важно, – строение эвтектики (см. рисунок).

Изучение микроструктуры высоколегированного сплава Al – 30 % Si – 50 % Cu при различных увеличениях позволило установить, что в ее формировании ведущую роль играют кристаллы первичного кремния (КПК), имеющие пластинчатую форму. В областях между КПК располагаются участки тройной эвтектики (α + Si + CuAl₂) мелкоигольчатого строения, образованием которой завершается кристаллизация сплава. Дополнительно было проведено картирование по площади шлифа для определения элементного состава структурных составляющих. По результатам картирования установлено, что кремний преимущественно располагается в КПК и его небольшая часть содержится в эвтектике. Большое количество меди находится именно в эвтектике тройного сплава Al – 30 % Si – 50 % Cu. Алюминий также равномерно распределен по эвтектике. Небольшое увеличение концентрации железа можно наблюдать в эвтектике в виде фаз игольчатой формы.

Как показал МРСА в различных точках эвтектики, а также при сканировании вдоль линии (см. рисунок, а), преобладающим элементом в составе эвтектики является медь (57 – 80 %), содержание кремния не превышает 35 %, алюминия – 8 – 13 %. Наиболее высокое содержание меди – в темных участках (80 %), наименьшее – в игольчатых кристаллах размерами до 1 мкм (57 %). Темные области соответствуют местонахождению интерметаллидов равновесного (CuAl₂) и неравновесного (Cu₄Al₉ и CuAl) составов.

В работе установлено, что отличительной особенностью высокомедистого сплава Al – 30 % Si – 50 % Cu является его высокая температурная стойкость, вследствие которой возможно проведение длительного отжига не только в интервале 400 – 500 °С (как для двойных силуминов), но и при 700 – 900 °С.

Электронно-микроскопический анализ показал, что длительный отжиг при температуре 710 °С приводит к изменению строения эвтектики с тонкоигольчатого на мелкодисперсное, частицы эвтектического кремния приобретают округлую форму (см. рисунок, б). Топографический контраст подчеркивает рельеф поверхности образца. Темные округлые кристаллы – это кремний, в остальном объеме эвтектики преимущественно находятся медь (53 – 68 %) и алюминий (8 – 18 %).

После высокотемпературного отжига при 900 °С в эвтектике формируются довольно крупные кристаллы кремния (до 10 мкм) с четкими гранями (см. рисунок, в). Между кристаллами в светлой зоне сегрегирует медь (до 75 %) и определяется до 17 – 20 % алюминия. В некоторых участках содержатся все легирующие элементы, что подтверждает наличие тройной эвтектики (α + Si + CuAl₂).

Было изучено влияние температуры отжига на плотность (ρ) и микротвердость (μ) сплава Al – 30 % Si – 50 % Cu (см. таблицу). Микротвердость измеряли по эвтектике, усредняя результаты не менее четырех измерений.

Из полученных данных следует, что с повышением температуры отжига сплава происходит уменьшение его плотности и микротвердости. Так, если плотность и микротвердость исходного сплава составляют 4,4113 г/см³ и 413,6 HV соответственно, то после отжига при 900 °С плотность уменьшается до 4,2067 г/см³, микротвердость – до 345,5 HV. Небольшое уменьшение плотности (не более 5 %) можно объяснить увеличением растворимости водорода, поглощенного сплавом из атмосферы печи, а также увеличением скорости диффузионных процессов. Уменьшение микротвердости (не более 16 %) связано с коагуляцией эвтектического кремния и увеличением неоднородности распределения легирующих элементов.

Выводы

Отличительной особенностью высокомедистого сплава Al – 30 % Si – 50 % Cu является его высокая термическая стойкость, вследствие которой возможно проведение длительного отжига в интервале 700 – 900 °С, что неприемлемо для двойных силуминов.

Электронно-микроскопический анализ позволил установить, что с повышением температуры отжига высоколегированного сплава Al – 30 % Si – 50 % Cu происходят изменение формы частиц эвтектического кремния и их коагуляция, которая сопровождается изменением характера распределения меди и ее сегрегацией в отдельных участках эвтектики. После отжига при 710 и 900 °С процессы восходящей диффузии приводят к усилению гетерогенизации сплава. Кроме того, с повышением температуры отжига сплава происходит небольшое уменьшение его плотности и микротвердости, что также объясняется увеличением скорости диффузионных процессов.