Микроструктурный анализ цветных сплавов

Микроструктура цветных сплавов в условиях равновесия или близких к ним может быть определена с помощью их диаграмм состояния.

2.1. Микроструктура сплавов на основе алюминия

В качестве характерных представителей деформируемых и литейных алюминиевых сплавов в работе используются соответственно литой дуралюмин марки Д1 и силумин марки АЛ2.

Рисунок 2.- Схема микроструктуры дуралюмина марки Д1 в литом состоянии. a-фаза и Q-фаза. ´340

Основу сплавов типа дуралюмин составляет система Al-Cu-Mg. В соответствии с ней медь и магний имеют ограниченную растворимость в твердом состоянии в алюминии, а избыточными фазами, выделяющимися при охлаждении из a-твердого раствора меди и магния в алюминии в связи с уменьшением растворимости

компонентов при снижении температуры являются соединения CuAl₃ и Al₂MgCu, называемые соответственно Q и S фазами. Поскольку магний в сплаве находится в небольшом количестве, то фаза S при используемых в работе увеличениях микроскопа в структуре не обнаруживается. Поэтому наблюдаемая микроструктура сплава марки Д1 в литом состоянии состоит из светлых зерен a-твердого раствора меди и магния в алюминии и темных включений Q-фазы (соединения СuАl₂), располагающихся по границам зерен a-фазы (рисунок 2). Такую структуру дуралюмина марки Д1 можно предсказать, исходя из двойной диаграммы состояния системы Al-Сu, подобной изображенной на рис.1.

Дуралюмины, как и авиали (сплавы системы Al-Cu-Si) применяют для изготовления горячей или холодной обработкой давлением листов, труб, проволоки, плит и различных профилей.

Микроструктура силуминов соответствует двойной диаграмме состояния системы Al-Si (рисунок 3), доэвтектические сплавы состоят из первичных кристаллов a-твердого раствора кремния в алюминии и зерен эвтектики (a+b). В свою очередь, структура заэвтектических сплавов состоит из крупных первичных кристаллов - твердого раствора алюминия в кремнии в виде игл и зерен эвтектики (a+b). В соответствии с диаграммой состояния Al-Si сплав марки АЛ2, содержащий 12-13%Si, является заэвтектическим.

 

Рисунок 3.- Диаграмма состояния системы алюминий – кремний

Поэтому его микроструктура состоит из более темных крупных игл b-твердого раствора алюминия в кремнии и эвтектики в виде более темных игл b-твердого раствора алюминия в кремнии на светлом поле a-твердого раствора кремния в алюминии (рисунок 4). Сплав в таком структурном состоянии обладает низким комплексом механических свойств

 

(предел прочности при растяжении s_В=130-140МПа, относительное удлинение d=1-2%).

Поэтому для повышения свойств производят модифицирование. Применительно к силуминам оно заключается в обработке перед разливкой сплава смесью фтористых и хлористых солей натрия в соотношении 2/3NaF+1/3NaCl. Это обеспечивает введение в сплав 0,1%Na, который осуществляет модифицирующее действие, затрудняя кристаллизацию b-твердого раствора алюминия в кремнии. Модифицирование вызывает смещение линий на диаграмме состояния Al-Si (см. рисунок 3). Эвтектическая точка (11,6%Si) перемещается вправо, приобретая концентрацию кремния 14,6%, в результате чего сплав становится доэвтектическим, что исключает из структуры крупные первичные иглы b-твердого раствора алюминия в кремнии и тем самым повышает пластичность. Линия эвтектического превращения снижается с 577 до 564^OС, в связи с чем эвтектика (a+b) вместо грубоигольчатой становится мелкозернистой. Поэтому микроструктура сплава марки АЛ2 после модифицирования состоит из светлых первичных зерен a-твердого раствора кремния в алюминии и мелкозернистой эвтектики в виде более темных включений b-твердого раствора алюминия в кремнии на светлом поле a-твердого раствора кремния в алюминии (рисунок 5). Силумины применяются для изготовления корпусов компрессоров, картеров и блоков цилиндров двигателей и др.

Рисунок 4.- Схема микроструктуры силумина марки АЛ2 до модифицирования, b-фаза и эвтектика (a+b). ´250		Рисунок 5.- Схема микроструктуры силумина марки АЛ2 после модифицирования. a-фаза и эвтектика (a+b). ´250

 

2.2. Микроструктура сплавов на основе меди

В качестве характерных представителей сплавов на медной основе в работе используются сплавы марок Л68 и Л59 (латуни) и БрО10 и БрС30 (бронзы).

Микроструктура двойных низколегированных латуней в условиях равновесия определяется диаграммой состояния системы Сu-Zn. На рисунке 6 приведен фрагмент этой диаграммы, отражающей фазовые равновесия в сплавах с содержанием цинка до 50%, поскольку промышленное применение находят латуни, содержащие до 45%Zn. В соответствии с этой диаграммой состояния латуни по структуре делятся на однофазные (a-латуни), содержащие до 39%Zn и состоящие из зерен a-твердого раствора цинка в меди, и двухфазные (a+b)-латуни, содержащие от 39 до 45%Zn и состоящие из зерен a-твердого раствора цинка в меди и зерен b-твердого раствора на основе соединения CuZn.

Однофазные a-латуни обладают высокой пластичностью при нормальной (комнатной) температуре. Поэтому однофазные латуни выпускают в виде полуфабрикатов, полученных холодной обработкой давлением (штамповкой, прокаткой или протяжкой) листов, труб,

Рисунок 6.- Фрагмент диаграммы состояния системы медь-цинк

лент, проволоки, из которых методом глубокой вытяжки изготавливают радиаторные трубы, снарядные гильзы, сильфоны, трубопроводы, а также производят детали (шайбы, втулки, уплотнительные кольца), не требующие высокой твердости. Холодная обработка вызывает наклеп. В наклепанном состоянии латунь с содержанием цинка 20% и выше подвержена растрескиванию по границам зерен, имеет низкую коррозионную стойкость. Поэтому ее подвергают рекристаллизационному отжигу, в результате чего однофаз-

 

ная латунь приобретает зеренную структуру с характерными для пластичных сплавов двойниками. На рисунке 7 показана микроструктура однофазной латуни марки Л68. Поскольку зерна a-фазы выходят на поверхность микрошлифа различными кристаллографическими плоскостями, степень их травимости реактивом различна и они имеют неодинаковую окраску.

Микроструктура двухфазной латуни марки Л59 в литом состоянии, представленная на рисунке 8, состоит из светлых зерен a-твердого раствора цинка в меди и темных (более богатых цинком и травящихся сильнее) зерен b-твердого раствора на базе химического соединения CuZn. Присутствие в структуре b- фазы, имеющей низкую пластичность и высокую твердость, повышает характеристики прочности латуней. Двухфазные латуни являются более пластичными при температурах выше 500^ОС. Поэтому эти латуни выпускают в виде полуфабрикатов, полученных горячей обработкой давлением, - листов, прутков, труб, штамповок, из которых изготавливают втулки, гайки, тройники, штуцеры, токопроводящие детали электрооборудования и др.

Рисунок 7.- Схема микроструктуры однофазной латуни марки Л68 после холодной пластической деформации и рекристаллизационного отжига, a-фааза. ´440		Рисунок 8.- Схема микроструктуры двухфазной латуни марки Л59 в литом состоянии. a-фаза и b-фаза. ´440

Легированные латуни применяют в качестве деформируемых и литейных. Последние, как правило, содержат большое количество цинка и легирующих элементов.

В промышленности находят применение как двойные – оловянные, свинцовистые и др. бронзы, так и многокомпонентные, содержащие кроме основных легирующих элементов добавки свинца, цинка, фосфора и никеля.

Микроструктура двойных оловянных бронз определяется диаграммой состояния системы Сu-Sn. На рисунке 9 приведен фрагмент этой диаграммы для сплавов с содержанием олова до 30%, поскольку промышленное применение имеют сплавы, содержащие до 20%Sn. Сплошными линиями показаны границы фазовых областей равновесной системы.

В соответствии с этой диаграммой состояния бронзы по структуре делятся на однофазные, состоящие из зерен a-твердого раствора олова в меди, и двухфазные, состоящие из зерен a-твердого раствора олова в меди и зерен эвтектоида (a+d), в котором d-фаза представляет собой соединение Cu₃₁Sn₈.

Рисунок 9.- Фрагмент диаграммы состояния системы медь-олово

При очень медленном охлаждении протекает равновесная кристаллизация и граница между однофазными и двухфазными бронзами соответствует 14% олова. В реальных заводских условиях при литье в металлические и земляные формы происходит ускоренное охлаждение сплавов, в связи с чем диффузия атомов олова в меди затрудняется и сплавы ведут себя так, как если бы растворимость олова в меди была постоянной, равной 6-8%, и не менялась с температурой (пунктирные линии на рисунок 9). Исходя из этого, однофазными являются бронзы с содержанием олова не более 5-6%. Такие сплавы имеют высокую пластичность и являются деформируемыми.

Рисунок 10.- Схема микроструктуры двухфазной бронзы марки БрО10 в литом состоянии. a-фаза и эвтектоид (a+d). ´600

Бронзы, содержащие олово в большем количестве, по структуре являются двухфазными. Микроструктура двухфазной бронзы марки БрО10 состоит из темных зерен a-твердого раствора олова в меди и зерен эвтектоида (a+d) (рисунок 10). Основой эвтектоида является d-фasa (химическое соединение Сu₃₁Sn₈), на белом поле которой расположены мелкие темные выделения a-фазы. Наличие твердой и хрупкой d-фазы исключает возможность обработки давлением, поэтому такие бронзы применяют только в литом состоянии.

Для повышения свойств в оловянистые бронзы вводят различные добавки: цинк для улучшения жидкотекучести и повышения плотности отливок; фосфор как раскислитель для устранения нежелательной окиси олова SnO₂, присутствующей в бронзах в виде твердых и хрупких включений; свинец для улучшения обрабатываемости резанием и повышения уровня антифрикционных свойств. Оловянистые бронзы с перечисленными добавками находят в промышленности более широкое применение, чем двойные сплавы. В качестве примера можно назвать литейные бронзы марок БрО5Ц5С5, БрО10Ф1 и др., деформируемые бронзы марок БрОФ6,5-0,4, БрОЦ4-3 и др. Оловянистые бронзы используются для изготовления паровой и водяной арматуры, подшиников скольжения, втулок, зубчатых колес, деталей приборов.

Микроструктуру свинцовистых бронз можно охарактеризовать с помощью двойной диаграммы состояния системы Сu-Pb (рисунок 11). Как видно из диаграммы состояния, свинцовистая бронза марки БрС3О с содержанием свинца 30% является доэвтектическим сплавом и его структура при нормальной (комнатной) температуре должна состоять из зерен a-твердого раствора свинца в меди и эвтектики, состоящей из a-твердого раствора свинца в меди и b-твердого раствора.

Однако эвтектика по составу совпадает с чистым свинцом (99,98%), а a-фаза - с чистой медью, поэтому можно сказать, что фактически микроструктура сплава состоит из зерен двух металлов - свинца и меди.

 

Рисунок 11.- Диаграмма состояния системы медь-свинец

Рисунок 12.- Схема микроструктуры свинцовистой бронзы марки БрС3О в литом состоянии. a-фаза и эвтектика (a+b). ´340

 

На рисунке 12 представлена микроструктура свинцовистой бронзы марки БрС3О, состоящая из светлых зерен a-фазы (фактически меди) и темных зерен эвтектики (фактически свинца). Свинцовистые бронзы являются высококачественными антифрикционными материалами и применяются для изготовления опорных и шатунных подшипников мощных турбин, авиационных моторов, дизелей и других машин.

 

2.3. Микроструктура сплавов на основе магния

Микроструктура магниевых сплавов в равновесном состоянии определяется соответствующими диаграммами состояния. В качестве примера на рисунке 13 приведена микроструктура сплава МЛ5, содержащего помимо магния 8%Al; 0,8%Zn и 0,3%Мn. Алюминий и цинк введены в сплав для упрочнения, а марганец - для повышения коррозионной стойкости.

Поскольку растворимость цинка в магнии в твердом состоянии составляет не менее 1,7% и, следовательно, все количество цинка входит в твердый раствор, не присутствуя в сплаве как самостоятельная структурная составляющая, а марганцовистая фаза при используемых в работе увеличениях ввиду малого ее количества не выявляется, то микроструктура сплава марки МЛ5 может быть определена в соответствии с двойной диаграммой состояния системы Mg-Al (рисунок 14).

 

Рисунок 13.- Схема микроструктуры сплава марки МЛ5 в литом состоянии, a-фаза и g-фазa (Mg4Al3). ´600

Рисунок 14.- Фрагмент диаграммы состояния системы магний - алюминий

 

Микроструктура сплава марки МЛ5 (см. рисунок 13) состоит из светлых зерен a-твердого раствора алюминия в магнии и более темных включений g-фазы (соединения Mg₄Al₃), располагающихся по границам зерен a-фазы.

2.4. Микроструктура сплавов на основе олова

Микроструктура сплавов на основе олова в равновесном состоянии также может быть определена с помощью соответствуощих диаграмм состояния, например, оловянистого баббита марки Б83 - с помощью тройной диаграммы состояния системы Sn-Sb-Cu. Микроструктура этого сплава в литом состоянии состоит из тройной эвтектики в виде основного темного поля a-твердого раствора сурьмы в олове и равномерно распределенных светлых мелких включений соединения SnSb и Cu₆Sn₅, светлых крупных кристаллов соединения SnSb и светлых мелких кристаллов соединения Cu₆Sn₅ в виде игл или звездочек (рисунок 15).

Рисунок 15ю- Схема микроструктуры баббита марки Б83 в литом состоянии. SnSb, Cu6Sn5 и тройная эвтектика (a+SnSb+Cu6Sn5). ´200

Соединение Cu6Sn5 кристаллизуется в первую очередь и равномерно распределяется в объеме жидкости, образуя своеобразную сетку, препятствующую ликвации по удельному весу легких кристаллов SnSb. При этом вся медь, находящаяся в сплаве, расходуется на образование соединения SnSb.

 

Мягкая, пластичная основа в виде тройной эвтектики и твердые включения соединений SnSb и Cu₆Sn₅ обеспечивают высокий уровень антифрикционных свойств и применяются для заливки подшипников газовых турбин, турбокомпрессоров, турбонасосов и др.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ PAБOTЫ

3.1. Уясните цель работы.

3.2. Изучите классификацию, характеристику и особенности формирования структуры цветных сплавов в условиях равновесия.

3.3. Изучите микроструктуру цветных сплавов.

3.4. Изобразите схемы микроструктур изученных цветных сплавов.

3.5. Выполните микроструктурный анализ цветных сплавов.

3.6. Проследите, используя диаграмму, за формированием структуры одного из сплавов при охлаждении из жидкого состояния.

3.7. Составьте отчет о работе.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

- Цель работы.

- Классификация и краткая характеристика изученных сплавов.

- Схемы микроструктур цветных сплавов.

- Микроструктурный анализ цветных сплавов.

- Схемы вероятных микроструктур в процессе охлаждения из жидкого состояния одного из цветных сплавов.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

- 1. По какому принципу цветные сплавы делят на литейные и деформируемые?

- 2. Какие сплавы называются дуралюминами, какие - силуминами?

- 3. В чем заключается модифицирование силумина, какое изменение в структуре и свойствах оно вызывает?

- 4. Какие сплавы называются латунями, какие бронзами?

- 5. В чем различие по составу, структуре и свойствам однофазных и двухфазных латуней?

- 6. Каково влияние олова на структуру и свойства оловянистых бронз?

- 7. Какой состав, структуру и свойства имеет свинцовистая бронза марки БрС3О?

- 8. Какие легирующие элементы используются в магниевых сплавах?

- 9. Каковы требования, предъявляемые к антифрикционным материалам? Какова структура баббита марки Б83?

- 10. Каковы принципы маркировки цветных сплавов?