Силумины1_ba4b12c7-494d-4342-8293-09261f644a32

1.

Алюминий
Алюминий – самый распространённый металл и третий по
распространенности химический элемент в земной коре (после кислорода
и кремния). Содержание алюминия в земной коре составляет 8%.
Относится к группе легких металлов

2.

Алюминий
a=0,40496 нм при 20°С
Хороший проводник
электричества
и тепла
Высокая коррозийная стойкость

3.

Общая характеристика алюминия
и его сплавов
• Большие запасы (8%Al) в земной коре
• 1-е место среди цветных металлов по объему производства – более
30 млн т/год
• Цена - 1500-2600 $/
• Легкость – уд.вес 2,7 г/см3
• Высокая коррозионная стойкость
• Высокая электропроводность (2/3 от Cu)
• Высокая технологичность при всех видах обработки
• Возможность использования отходов

4.

Области применения алюминия и его сплавов
авиа- и ракетостроение
наземный и водный транспорт
машиностроение
электротехника
строительство
упаковка (для пищи, лекарств и т.д.)
бытовая техника
специальные области
Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность

5.

Основные примеси в алюминии и его сплавах
Железо
Кремний
Fe+Si – фазы Al3Fe, Al5FeSi (β) и Al8Fe2Si (α)
Цинк
Медь
Магний
Свинец и олово
Натрий
Водород

6.

ПЕРВИЧНЫЙ АЛЮМИНИЙ
Химический состав некоторых стандартных марок первичного алюминия (ГОСТ
11069-2001)
«Вторичный алюминий» - Al-сплавы из лома и отходов
Марка
Fe, %
Si, %
Cu, %
Zn, %
Ti, %
Ост., %
Всего
примесей, %
Al, %
не
менее
высокой чистоты
А995
0,0015
0,0015
0,001
0,001
0,001
0,001
0,005
99,995
А99
0,003
0,003
0,002
0,003
0,002
0,001
0,01
99.99
А97
0,015
0,015
0,005
0,003
0,002
0,002
0,03
99,97
А95
0,03
0,03
0,015
0,005
0,002
0,005
0,05
99,95
технической чистоты
А85
0,08
0,06
0,01
0,02
0,01
0,02
0,15
99,85
А7
0,16
0,15
0,01
0,04
0,02
0,02
0,30
99,70
А5
0,30
0,25
0,02
0,06
0,03
0,03
0,30
99,50
A35
0,65 (Fe+Si)
0,05
0,1
0,02
0,03
1,00
99,35
A0
0.95 (Fe+Si)
0,05
0,1
0,02
0,03
1,00
99,00

7.

Физические свойства Al в сравнении с другими металлами
Свойство
Al
Fe
Cu
Mg
Ti
Температура плавления, 0С
660
1539
1083
650
1652
Температура кипения, 0С
2494
2872
2595
1107
3000
Плотность, г/см3
2,7
7,86
8,9
1,738
4,5
Коэфф. терм. расш., 106* К-1
23,5
12,1
17,0
26,0
8,9
Уд. электросопр., 108* Ом*м
2,67
10,1
1,69
4,2
54
Теплопроводность, Вт*м-1*К-1
238
78,2
397
156
21,6
Теплота плавления, Дж*г-1
405
272
205
293
358
Теплота испарения, кДж*г-1
10,8
6,1
6,3
5,7
9,0
Модуль упругости, ГПа
70
220
132
44
112
У чистого Al низкая твердость - 10-15НВ, прочность в=50-70 МПа и высокая
пластичность =30-45%

8.

ОСНОВНЫЕ БАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕГИРОВАНИЯ
ПРОМЫШЛЕННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Al-Si, Al-Si-Mg (силумины)
Al-Si-Cu-Mg (медистые силумины)
Al-Cu [-Mn] (жаропрочные)
Al-Mg (магналии)
Al-Mg-Si (авиали)
Al-Cu-Mg (дуралюмины)
Al-Cu-Mg-Si (ковочные)
Al-Zn-Mg (свариваемые)
Al-Zn-Mg-Cu (высокопрочные)
Al-Li-Cu-Mg (сверхлегкие)
Леги́рование (нем. legieren «сплавлять»
от лат. ligare «связывать») — добавление в
состав материалов примесей для изменения
(улучшения) физических и/или химических свойств
основного материала.

9.

Кремний
Гранецентрированная
кубическая решетка типа
алмаза с периодом
а=0,54304 нм
Тпл=1415 С
Плотность – 2,328 г/см3
Относится к полупроводникам

10.

Кремний – второй по распространенности после кислорода химический элемент, его
содержание (по массе) в земной коре – 27,6%.
В природе кремний встречается только в виде диоксидов (кремнезёма) и солей кремниевой
кислоты (силикатов). Наиболее широко распространены алюмосиликаты
Кремний – химический элемент, который не встречается в природе в чистом виде (Si). Кремень –
минерал, основная часть которого представлена оксидом кремния (SiO2).

11.

1. Общие понятия о сплавах
Сплавами называют сложные вещества, получаемые сплавлением или спеканием нескольких простых
веществ (компонентов).
Виды взаимодействия атомов в сплавах
Твердый раствор
Твердый раствор
замещения
Твердый раствор
внедрения
Химическое соединение
Механическая смесь
− Имеют определенный химический
состав (АmВn).
образуется, если в твердом
состоянии компоненты не
растворимы и не образуют
химических соединений.
− Специфическая
кристаллическая
решетка, отличающаяся от решеток
обоих компонентов.
− Свойства химического соединения
резко отличаются от свойств
образующих его компонентов.

12.

2. Понятие о диаграммах состояния сплавов
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение структурного или фазового
состава всех сплавов системы, состоящей из двух компонентов А и В, в зависимости от температуры и
химического состава сплава (соотношения содержаний компонентов А и В).
Диаграмма состояния сплавов, состоящих из двух
компонентов А и В: Ж – жидкий раствор компонентов
А и В; α – твердый раствор компонентов А и В
Пример диаграммы состояния «золото Au – серебро
Ag»: L – жидкий раствор Au и Ag; α – твердый раствор
Au и Ag

13.

3. Основные линии диаграммы состояния
Линия ликвидус – это геометрическое место точек на диаграмме состояния, соответствующее температурам начала
кристаллизации всех сплавов компонентов А и В. Выше линии ликвидус чистые компоненты и сплавы находятся в
жидком состоянии.
Линия солидус – это геометрическое место точек на диаграмме состояния, соответствующее температурам окончания
кристаллизации всех сплавов компонентов А и В. Ниже линии солидус чистые компоненты и сплавы находятся в твердом
состоянии.

14.

4. Основные типы диаграмм состояния двойных сплавов
Диаграмма состояния I типа
Для каких сплавов
характерна
для сплавов, компоненты которых полностью взаимно растворимы в жидком состоянии,
нерастворимы в твердом состоянии и не образуют химических соединений.
Линии диаграммы
acb – линия ликвидус; dce – линия солидус.
Примеры:
Pb – Sb, Sn – Zn.
доэвтектические
сплавы
заэвтектические
сплавы
Диаграмма состояния Pb-Sb (I тип)

15.

4. Основные типы диаграмм состояния двойных сплавов
Диаграмма состояния II типа
Для каких сплавов
характерна
для сплавов, компоненты которых полностью взаимно растворимы в жидком состоянии,
неограниченно взаимно растворимы в твердом состоянии и не образуют химических
соединений.
Линии диаграммы
ab (по верху) – линия ликвидус; ab (по низу) – линия солидус.
Примеры:
Cu – Ni, Ag – Au.
Диаграмма состояния Bi-Sb (II тип)

16.

4. Основные типы диаграмм состояния двойных сплавов
Диаграмма состояния III типа
Для каких сплавов
характерна
для сплавов, компоненты которых полностью взаимно растворимы в жидком состоянии,
ограниченно взаимно растворимы в твердом состоянии и не образуют химических
соединений.
Линии диаграммы
acb – линия ликвидус; adceb – линия солидус.
Примеры:
Pb – Sn, Cu – Ag.

17.

Силумины
Заэвтектические
Si > 13 %
Доэвтектические силумины
Si < 11 %
Предельная растворимость кремния в (Al)
составляет 1,65%, а алюминия в (Si) – менее 0,5 %.
Эвтектические силумины

18.

Модифицирование структуры малыми
добавками
Сущность модифицирования состоит в том, что небольшие добавки определенных
элементов измельчают выделения первичного и эвтектического кремния. Одним из
эффективных модификаторов эвтектики является натрий. Кроме него действенными
эвтектическими модификаторами являются калий, висмут, свинец, кадмий, сурьма, кальций,
литий, магний, хром, марганец, цинк, сера, никель, стронций.
Пластинчатая структура эвтектического
кремния до модифицирования
Гранулярная структура эвтектического
кремния после модифицирования фосфором
Модифицированная структура
эвтектического кремния

19.

Легирование силуминов
Al-Si
Al-Si-Mg
Al-Si-Mg-Mn
Al-Si-Cu-Mg
Al-Si-Cu-Mg-Mn

20.

Марочные сплавы силуминов
Марки силуминов начинаются с буквы A, за которой следуют
буквы, обозначающие легирующий элемент: K – Si, M – Cu,
Мг - Mg, Ц - Zn, Н – Ni, Су – Sb.
Марка
Si
Fe
Mg
Mn
Cu
Zn
AK12
10-13
0,7-1,5
0,1
0,5
0,6
0,3
AK12ч
10-13
0,5
-
0,4
0,02
0,06
АК5M
4,5-5,5
0,4
0,4-0,55
0,5
1-1.5
0,3
АК6M2
5,5-6,5
0,6
0,3-0,45
0,1
1,8-2,3
0.06
АК12ММгН
11-13
0,7
0,7-1,3
0,3-0,6
0,8-1,5
Ni
0,8-1,3

21.

Применение силуминов

22.

Требования предъявляемые к поршневым
силуминам
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Высокая статическая и динамическая прочность, в том числе при рабочих температурах поршня
Высокая усталостная прочность
Достаточная твердость при нормальных и повышенных температурах
Высокая теплопроводность
Невысоких коэффициент линейного расширения
Низкий удельный вес
Хорошие антифрикционные свойства и высокая износостойкость

23.

Твердость при температуре работы поршня наряду с
другими характеристиками материала определяет
увеличение зазора компрессионное кольцо-канавка
поршня в процессе эксплуатации, т.е. долговечность
указанного сопряжения
Загрязнения и масляные отложения в кольцевой
канавке образуют абразивную пасту
Расширение кольцевой канавки поршня из-за изношенного
под действием загрязнений поршневого кольца

24.

25.

Методы
модификации
поверхности

26.

Обработка компрессионными плазменными
потоками

27.

Большая часть вещества во вселенной (~ 90%) находится в плазменном
состоянии
Плазма в космосе
Плазма в земных условиях
27

28.

I. Плазма: основные понятия
Плазма – частично или полностью ионизованный газ, в котором локальные
концентрации отрицательных и положительных зарядов (электронов и ионов)
практически одинаковы, т.е. сохраняется квазинейтральность ионизованного газа.
кристалл
жидкость
плавление
испарение
плазма
газ
ионизация
28

29.

Принципиальные отличия плазмы от других видов материи, позволяющие
идентифицировать ее как новое (четвертое) состояние вещества :
Взаимодействие частиц плазмы между собой характеризуется
кулоновскими
силами притяжения и отталкивания (т.н. "дальнодействующими" силами).
Взаимодействие частиц в плазме является "коллективным" (а не "парным"), т.е.
одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц (согласованное
движение частиц).
Сильное влияние на плазму оказывают электрические и магнитные поля,
позволяющие управлять ее параметрами и свойствами.
Плазма проводит электрический ток (проводящий газ).
29

30.

Классификация плазмы
Плазма характеризуется чрезвычайно широким диапазоном изменения своих
основных параметров, таких как концентрация заряженных частиц, температура,
характерные времена и размеры плазменных образований.
Однако прежде всего различают космическую и лабораторную плазму, т.е. плазму
естественного и искусственного происхождения, которые значительно отличаются
пространственными и временными масштабами.
30

31.

Для космических объектов, таких например, как солнечная корона, характерные
масштабы составляют L0 ~ 106 км, а для межзвездного пространства –
L0 ~ 1017 км.
Лабораторная плазма характеризуется значительно меньшими масштабами. Для
нее не столь существенны гравитационные эффекты или, например, давление
излучения плазмы, которые при рассмотрении процессов в космической плазме
играют заметную роль.
31

32.

33.

Диаграмма плазменных состояний
ПУ
33

34.

Магнитоплазменный компрессор компактной геометрии
Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова
НАН Беларуси
Рабочий газ – азот
Длительность разряда – 100 мкс
Скорость потока – (4…7)*106 см/с
Концентрация заряженных частиц – (5..10) )*1017см-3
Температура плазмы – 1..3 эВ
34

35.

Разработан и создан специальный экспериментальный стенд КСПУ П12х2
для исследований процессов столкновения двух встречно направленных
компрессионных плазменных потоков.
35

36.

Прикладные возможности КПП
Создание функциональных поверхностных слоев
КПП
Осаждение
покрытий
Прямое воздействие
• Модификация морфологии
поверхности
Перемешивание
материалов
• Диспергирование
структуры
• Легирование
• Азотирование
• Фазовые
превращения
• Упрочнение
• Синтез наноструктури-
рованных покрытий

37.

Прямое воздействие
Модифицирование морфологии
КПП: 13 Дж/cм2
Диспергирование структуры
400 Pa, n=5, 13 J/cm2
Si
Al
Steel
20μm
Формирование поверхностных
периодических структур
Многозонная структура
с размером зерен 1 – 2 мкм

38.

Структурные изменения: углеродистая сталь
Слой
Толщина,
мкм
Средний
размер зерна,
мкм
I
6-9
3
II
12-18
6
III
25-30
10
Структурные изменения: сталь Р6М5
Число
импульсов
КПП
Слой
Толщина слоя,
мкм
1
I
11
II
9
I
17-20
II
10
5

39.

Синтез легированных слоев
I этап:
Осаждение покрытий
II этап:
Обработка КПП
Ti, Cr, Fe, Zr, Mo
Формирование
глубоких
(10 – 20 μm)
легированных слоев
Ti, Si, Hard alloy

40.

41.

КПП: осаждение покрытий
Схема эксперимента
Всыпание порошка
Ударно-сжатый слой
Электроды
Компрессионный
плазменный поток
Подложка

42.

Методика эксперимента

43.

Морфология исходного образца
Растровая электронная микроскопия
Твердый раствор Al(Si)
Эвтектика Al(0,7Cu; 0,4Ni) - Si
Mg2Si
Al7Cu4Ni
Al8Si6Mg3Fe
Оптическая микроскопия
Включения Si размером до 40мкм

44.

Калориметрические измерения
Q=cm(t2-t1)/S
с – удельная теплоемкость; m – масса; t1 –
температура до обработки; t2 – температура после
обработки; S – площадь поверхности образца.
Q – плотность поглощенной энергии, Дж/см2
L – расстояние между катодом и образцом, см
Зависимость величины плотности энергии, поглощенной
образцом, от расстояния до катода.

45.

Параметры обработки
Параметры :
•Плазмообразующее вещество – азот
•Давление рабочего газа – 400 Па
•Напряжение на конденсаторах – 4 кВ
•Длительность разряда – ~100 мкс
•Количество импульсов - 3
•Расстояние между катодом и образцом – 10 см
•Плотность поглощенной энергии(Q) – 35 Дж/см2

46.

Структура модифицированного слоя