Поршневі алюмінієво-кремнієві сплави є важливим конструкційним матеріалом, який широко використовується в автомобілебудуванні.  Найбільш розповсюдженими в Україні є сплави евтектичного типу АК12ММгН і АК12М2МгН (11-13% Si), леговані міддю, магнієм, нікелем. Вони характеризуються високими механічними властивостями при кімнатній і підвищених температурах, при досить великому коефіцієнті термічного розширення. Останнє гальмує їх використання в форсованих двигунах внутрішнього згоряння і пояснює світову тенденцію щодо заміни поршневих  до- і евтектичних силумінів на заевтектичні.

Відомо про негативний вплив заліза на механічні властивості сплавів системи Al-Si внаслідок утворення пластинчатих, голкоподібних у перерізі, залізовмісних фаз кристалізаційного походження, які є концентраторами напружень і причиною руйнування виробів. Тому найбільш поширені в практиці світового автомобілебудування алюмінієві поршневі сплави мають обмеження за вмістом заліза – ≤ 0,5-0,7%. Разом з тим, залізо є ефективним елементом підвищення жароміцності, що використовується в ливарному виробництва, зокрема, для лиття під тиском. Для нейтралізації шкідливої дії заліза використовуються елементи-компенсатори (Mn, Cr, V, Mo тощо), вплив яких доволі детально вивчено на до- і евтектичних алюмінієвих сплавах і недостатньо повно на заевтектичних, в яких проблема управління фазовим складом залізовмісних інтерметалідів тісно пов’язана з процесами  формування первинних кристалів кремнію. Це значно ускладнює одержання високозалізних поршневих сплавів з необхідним рівнем фізико-механічних і експлуатаційних властивостей. В ідеалі потрібно створення економнолегованого заевтектичного силуміну з розгалуженою морфологією залізовмісних фаз, стійкого до високотемпературних навантажень, з дрібнокристалічними первинними кристалами кремнію як головного чинника зниження теплового розширення поршнів.  Вирішення цієї багатофакторної задачі залежить не тільки від вмісту заліза і кремнію в сплаві, але і від багатьох технологічних факторів (температури, швидкості охолодження, способів виплавки, легування, модифікування тощо). Визначення закономірностей їх дії на особливості формування структури, фазового складу має як наукове,  так і практичне значення.

У роботі  досліджено вплив концентрації заліза і швидкості охолодження на  процеси структуроутворення та фазовий склад експериментального сплаву типу АК15. В якості елемента-компенсатора шкідливого впливу заліза вибрано марганець. Розрахований хімічний склад базового сплаву наведено в таблиці 1.

Таблиця 1 –  Хімічний склад базового сплаву АК15, мас. %

Залізо додавали у вигляді порошку в кількості, мас. %: 0,7; 1; 1,2. Важливою характеристикою впливу на склад і морфологію кристалів залізовмісних фаз має співвідношення Mn/Fe. При незмінній концентрації марганцю 0,5%, в залежності від вмісту заліза в сплаві, вони склаливідповідно 0,7; 0,5 і 0,4.

Зміну умов тверднення розплаву досягали охолодженням у клиновидній   та ступінчастій (рис. 1, а; 2) пробницях із записом кривих охолодження, по яких розраховували швидкості охолодження сплаву в інтервалі температур його  кристалізації. Конструкцію та розміри чавунного кокілю для одержання ступінчастої проби (рис. 2, а) підібрано таким чином, щоб забезпечити реалізацію швидкостей охолодження, співмірних з реальними умовами охолодження виливка поршня  в різних його  перетинах, ^оС/с: 1 – 50; 2 – 30; 3 – 20.

а                                                                        б

Рис. 1. Схема клиновидної пробниці з місцями розташування термопар і записаними кривими охолодження (а), зміна швидкості охолодження та часу тверднення по висоті клину (б)

а                                                                    б

Рис. 2. Ступінчаста проба та криві охолодження при твердненні розплаву в різних за висотою перетинах проби (а) та криві ТА сплаву АК15: 1 – 0,7% Fe,                       2 – 1,0% Fe,  3 – 1,2% Fe (б), розшифровку результатів ТА наведено в табл. 2

Таблиця 2 ‒ Параметри кристалізації сплаву АК15 з різним вмістом заліза

Примітка:Т_нл – температура нерівноважного ліквідусу, ^оС; Т₂, Т₃, Т₄, Т₅ – температури фазових перетворень, ^оС; Т_нс – температура нерівноважного солідусу, ^оС; ΔТ_евт – переохолодження евтектики, ^оС; ΔТ – інтервал кристалізації, ^оС; Δτ – час кристалізації, с

Аналіз даних ТА показав, що збільшення вмісту заліза призводить до підвищення температури початку кристалізації первинних кристалів Si, яка відповідає температурі нерівноважного ліквідусу (Т_нл). Порівняно зі сплавом з 0,7% Fe це підвищення склало 6,1 ^оС (1,0% Fe) і 10,3 ^оС (1,2% Fe). Аналогічна тенденція зберігається при формуванні Al-Si евтектик, до складу яких входять залізовмісні фази (Т₂). Причому з підвищенням концентрації заліза зменшується величини переохолодження ΔТ_евт – див. рис. 2, б (вставка). Температури Т₃, Т₄, Т₅, найбільш ймовірно, пов’язані з утворенням мідь- і магнійвмісних фаз. При 1,0% Fe температура нерівноважного солідусу на 1,3 ^оС вища, ніж при 0,7% Fe, і практично не відрізняється від сплаву з 1,2% Fe. Збільшення вмісту заліза призводить до підвищення як інтервалу (ΔТ), так і часу (Δτ) кристалізації сплаву.

За даними металографічного та рентгеноспектрального аналізу встановлено, що практично у всіх досліджених заевтектичних сплавах  утворюються фази:        α-(Fe,Mn,Cu)₃Si₂Al₁₅, β-FeSi₂Al₅, π-FeMg₃,Si₆Al₃, W-CuMg₃,Si₄Al₄, θ-CuAl₂,                      β-Mg₂,Si. Кількість, морфологія, співвідношення фаз залежать від вмісту заліза та швидкості охолодження. Найбільша об’ємна частка припадає на первинну та евтектичну фази α-(Fe,Mn,Cu)₃Si₂Al₁₅ які відрізняються не тільки формами зростання, але і співвідношенням елементів у фазі (табл. 3).

Таблиця 3 ‒ Хімічний склад фази α-(Fe,Mn,Cu)₃Si₂Al₁₅ в сплаві АК15 з 1% Fe

У грубій первинній фазі α-(Fe,Mn,Cu)₃Si₂Al₁₅ порівняно з евтектичною, перш за все, більший вміст марганцю та заліза, у евтектичній – міді та алюмінію.  Зі збільшенням швидкості охолодження простежується тенденція заміни первинної фази на евтектичну. Найкраща мікроструктура у сплаву з 1% Fe (Mn/Fe = 0,5), в якому залізовмісна фаза α переважно у вигляді  евтектичних розгалужених кристалів. При концентрації заліза 0,7% (Mn/Fe = 0,7) утворюються як первинні, так і евтектичні кристали (рис. 3, а), що свідчить про необхідність зниження концентрації марганцю. В сплаві з 1,2% Fe присутня велика кількість фази β-FeSi₂Al₅, що вказує на його недостатність.

Первинний кремній є однією з основних фаз, яка визначає властивості заевтектичних силумінів. Ентропія його плавлення (ΔS) дорівнює                                           7,4 кал/моль‧град, критерій стійкості К < 1. Згідно з критерієм Джексона (ΔS > 4, К < 1) кремній відноситься до типових речовин з плоскограними формами росту. Його кристали зростають за тангенціальним механізмом і схильні до двійникування (рис. 3, 4).

Рис. 3. Мікроструктура сплаву АК15 з 0,7% Fe при швидкостях охолодження, ^оС/с: а – 12; б – 20; в – 50; г – 180

а                                            б                                            в

Рис. 4. Мікроструктура сплаву АК15 при швидкості охолодження 50 ^оС/с у залежності від концентрації заліза, мас. %: а – 0,7; б – 1,0; в – 1,2

З підвищенням швидкості охолодження (V_охол.) спостерігається тенденція зменшення розміру первинних кристалів кремнію (див. рис. 3). Але ці зміни не пропорційні інтенсивності охолодження розплаву. Так, середній розмір кристалів кремнію в сплаві АК15 з 0,7% Fe при швидкостях охолодження 12, 20, 50, 180 ^оС/с, складають відповідно 40,4; 40; 31,1; 18,4 мкм. Тобто, збільшення швидкості охолодження з 12 ^оС/с до 180 ^оС/с (в 15 разів) сприяє зменшенню розміру  первинних кристалів кремнію лише у 2,2 рази. При цьому в структурі сплаву, охолодженого з максимальною швидкістю (рис. 3, г) виявлено кристали розміром 50 мкм, що перевищує середній розмір первинного кремнію при V_охол. = 12 ^оС/с. До деякого зменшення розміру первинних кристалів кремнію та інших структурних складових призводить додавання до сплаву 1% Fe (рис. 4).

При збільшенні швидкості охолодження утворюються колонії кооперативної Al-Si евтектики (див. рис. 3).  В евтектиці плоскогранні кристали кремнію слабо реагують на зовнішні зміни. Разом з тим, алюміній, який кристалізується з округлою межею розділу, забезпечує квазітропне розгалуження, що є важливою умовою високого ступеня кооперативності парного зростання [1]. Це добре простежується на мікроструктурі, що сформувалася за умов великого переохолодження при V_охол. =180 ^оС/с, (див. рис. 3, г), де спостерігаються колонії сфероподібної евтектики.

Швидкісне охолодження збільшує розчинність легувальних елементів у алюмінії та кремнії.  Зокрема, при V_охол. = 20 ^оС/с (1% Fe) в твердому розчині на основі алюмінію виявлено, мас. %: Si – 2,29; Cu – 0,75; Ті – 0,21. У кремнії – 2,53 мас. % Al, тоді як у рівноважному стані – <0,05%. Можна стверджувати, що розширення області твердих розчинів на основі алюмінію та кремнію в литому стані стане додатковим фактором підвищення механічних властивостей заевтектичних силумінів при їх подальшій термічній обробці.

Література:

1. Таран Ю.М., Мазур В.И. Структура эвтектических сплавов. – М.: Металлургия, 1978. – 312 с.