Подход к синтезу алюминиевых литейных сплавов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.715; 669.018.28; 669.7.017

Ю.В. Чапкова, асп., (4872) 33-17-85, [email protected]

(Россия, Тула, ТулГУ)

ПОДХОД К СИНТЕЗУ АЛЮМИНИЕВЫХ ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ

Рассмотрена новая концепция разработки алюминиевого литейного сплава, при помощи которой установлено влияние структуры химических связей (степени ме-талличности, ковалентности и ионности) гетероядерной системы на прочностные характеристики.

Ключевые слова: степень металличности, степень ковалентности, степень ионности, гомоядерные связи, наноструктура, субструктура, микростуктура, макроструктура

В настоящее время отсутствуют литейные алюминиевые сплавы, дающие механические свойства металла отливки, превышающие соответствующие показатели деформируемых термически обрабатываемых сплавов, т.е. временное сопротивление более 650 МПа при относительном удлинении порядка 20 %.

В связи с этим актуально создание нового класса литейных алюминиевых сплавов, имеющих прочность и пластичность (в готовых деталях), превышающие соответствующие показатели для термически упрочняемых деформируемых алюминиевых сплавов.

Для получения требуемых механических свойств металла отливки будет использована имеющая мировую новизну концепция формирования низкоразмерных самоорганизующихся структур непосредственно в процессе кристаллизации отливок.

Одним из главных факторов, влияющих на синтез литейных сплавов, является структура сплава. Иерархию структур сплавов можно изобразить схематически следующим образом (рис. 1).

Из рис. 1 следует, что макроструктуру, микроструктуру, субструктуру, наноструктуру и атомную структуру можно, в свою очередь, рассматривать как элементы системы. Это означает, что между элементами данной системы существует совокупность устойчивых отношений (взаимосвязей), которая не учитывается в настоящее время при разработке литейных сплавов.

На рис. 1 в соответствии с результатами работы [1,2], показано, что атомная структура является базовой для остальных структурных уровней. При этом очевидно, что формирование механических свойств сплава должно носить также иерархический характер, т.е. атомная структура определяет потенциал механических свойств металла, изменяемый при формировании каждого надстраивающегося друг над другом структурного уровня (наноструктура, субструктура, микро- и макроструктура).

е/бот^ггтура

ннчст^утура

ЖЯТЛКЛК

гтрунтургк

Рис. 1. Схематическое представление иерархии структуры сплава

Атомная структура сплава (доля степени металличности, ковалентности и ионности) при комнатной температуре и атмосферном давлении связана с его химическим составом.

Так как атомный уровень является базовым, основные механические свойства чистых металлов зависят от отношения в них степени металличности к степени ковалентности гомоядерных связей См/Ск [1]. Причем максимальные значения данных свойств в различных металлах достигаются при одинаковом значении См~ 0,6 [1].

Следовательно, синтез литейного алюминиевого сплава необходимо начинать на основании корреляции между характеристиками атомной структуры См, Ск и Си, химическим составом сплава, механическими характеристиками сплава, такими, как прочность, твердость, износостойкость, коррозионная стойкость и др., определяя на этой основе требуемый химический состав сплава.

В алюминиевых сплавах, кроме гомоядерных связей А1-А1, присутствуют гетероядерные связи А1-Эл, где Эл - атом легирующего элемента или примеси. В связи с этим, для упрощения расчета См / Ск алюминиевых сплавов сложнолегированный алюминиевый сплав в первом приближении заменялся эквивалентной системой из атома алюминия и обобщенного (приведенного) примесного или легирующего элемента (рис. 2).

Рис. 2. Система из атома алюминия и обобщенного (приведенного) примесного или легирующего элемента, заменяющая реальный

алюминиевый сплав

Расчеты См / Ск для рассматриваемой системы проводились с учетом стехиометрических коэффициентов (для элементов, образующих химические соединения) и координационных чисел (для элементов, дающих твердые растворы) по уравнениям, приведенным в работе [2].

В частности, установлено, что для временного сопротивления для литейных алюминиевых сплавов справедливо уравнение

N

С

Л

м

с,

Хзі,

(1)

/=1\ Ji

где ка - коэффициент;

с,

- отношение степени металличности к сте-

V л Л

пени ковалентности z'-й связи атома алюминия с атомом i-го элемента, входящим в состав сплава; X3i - мольная доля /-го элемента.

Коэффициент кСв по своему физическому смыслу учитывает вклад

наноструктурного, суб-, микро- и макроуровней структурной организации материала в формирование временного сопротивления алюминиевого сплава.

Используя уравнение (1) в патентных алюминиевых сплавах, получим ряд экспериментальных точек (рис. 3, 4). На рис. 3 представлен также график линейного уравнения регрессии, полученного методом наименьших квадратов с помощью программы Origin и аппроксимирующего представленные экспериментальные данные с коэффициентом корреляции R = 0,9.

а . МПа к

эоо п

7 Гг'; . ■

■

- ■\

Г■ и

■100 - ■ . ■ ■

300 - ■ ■ 4

200 -

00 -

$

1 1 1 1 1

4 шл.ґі\. я./ч :*jhi :і w --і її а лхь

Рис. 3. Расчетная зависимость прочности алюминиевых сплавов от СМ/СК, R = 0,9

Полученные достаточно большие значения R = 0,9 и R = 0,67, указывают на возможность адекватного применения уравнения (1) на начальном этапе синтеза новых алюминиевых сплавов.

с .МПа

J = 53 -GOO -J53 -433 -.:5и -3DD -25Э -2ЭЭ -15Э -

С 2 4 & Э 1C

С /('

.£ 'V XV

Рис. Расчетная зависимость прочности алюминиевых сплавов от См / Ск (литье в кокиль без термической обработки),

R = 0,67

Таким образом, предлагаемое дополнение существующего подхода к синтезу алюминиевых литейных сплавов связано, прежде всего, с процедурой определения химического состава, который должен выбираться не как первичный фактор, а как вторичный, обеспечивающий оптимальные параметры атомного структурного уровня сплава.

Список литературы

1. Иванова С.Н. Специфика гомоядерных связей элементов тонкой структуры материалов и ее влияние на некоторые свойства металлов: авто-реф. дис.... канд. техн. наук. Казань: КГЭУ, 2006. 16 с.

2. Сироткин О.С., О соотношении трех компонент химического ге-тероядерного взаимодействия некоторых интерметаллидов // Химия и химическая технология. 2005. Т. 48. Вып. 5. С. 14-16.

J.V. Chapkova

APPROACH ТО THE SYNTHESIS OF ALUMINUM CASTING ALLOYS

It is considered a new concept of aluminum casting alloy development, using which it is established the influence of chemical bonds structures (degree of metallicity, degree of covalency, degree of ionicity) of the heteronuclear system on the strength properties.

Key words: degree of metallicity, degree of covalency, degree of ionicity, homonuclear bonds, nanostructure, substructure, microstructure, macrostructure.

Получено 16.08.11