1.3. Принципы разработки литейных сплавов

В настоящее время в технике применяется свыше 10000 различных сплавов, но и это количество не исчерпывает возрастающие потребности промышленного производства. Постоянно возникают новые требования к уровню и разнообразию рабочих, технологических и специальных свойств материалов. При выборе материала для нового изделия в первую очередь необходимо стремиться выбрать сплав из числа уже существующих. Если это не удается, то можно попытаться улучшить характеристики сплава, наиболее подходящего по комплексу требуемых свойств, т.е. изменить его химический состав, технологию получения отливки, режим термической обработки и т.д. Если это не приведет к требуемым результатам, то необходимо приступать к разработке нового сплава. Длительное время эта задача решалась методом простого перебора вариантов (методом проб и ошибок), требовала больших материальных затрат, времени и не всегда приводила к желанному результату. В 1970 году проф. Гуляев Б.Б. предложил систему разработки сплавов с оптимальными свойствами. Эта система получила название синтеза сплавов. В ее основу положен физико-химический анализ, периодическая система элементов Д.И.Менделеева и технико-экономический анализ. В качестве инструмента для синтеза сплавов применяется построение математических моделей на основе планирования экспериментов и их оптимизация.

1.3.1. Общие положения синтеза сплавов

Синтез сплавов направлен на разработку новых материалов с заранее заданными свойствами, или, правильнее сказать, материалов с оптимальными свойствами, которые обладают наивысшим уровнем одного важнейшего свойства при соблюдении определенных ограничений по другим контролируемым свойствам. Получение сплава с требуемым высоким уровнем нескольких свойств может быть просто неразрешимой задачей.

Можно выделить следующие основные этапы синтеза сплава:

формулировка технического задания на сплав;

выбор основы сплава;

выбор легирующих элементов и определение вредных примесей;

выбор легирующих комплексов;

выбор состава сплава;

выбор режима термической обработки.

Техническое задание на сплав формулируется заказчиком, исходя из условий эксплуатации будущей отливки, и согласовывается с разработчиком. При этом, как указывалось выше, необходимо выделить важнейшее свойство, которым должен обладать сплав и указать допустимый уровень ограничений по другим свойствам. Так если отливка должна работать при высоких температурах и высоких нагрузках, то основное внимание при разработке сплава должно уделяться жаропрочности.

Выбор основы сплава предопределяется техническим заданием на свойства сплава, если при анализе задания остается свобода выбора, то в первую очередь учитывается экономическая сторона. Привести фактическую цену каждого металла не представляется возможным. Подчиняясь рыночным отношениям, они меняются ежедневно. К тому же цены на металлы и сплавы существенно меняются в зависимости от их качества (степени чистоты). По относительной стоимости (если за единицу взять стоимость железа) основные химические элементы можно поделить на несколько групп:

Группа стоимости	Относитель-ная цена	Элементы
Дешевые	0,1 – 1	C, O, N, S, Fe, Si
Недорогие	1,0 – 10	Zn, Mg, Al, Cu, Pb
Дорогие	1. – 100	Ba, B, V, Bi, W, Co, La, Nb, Ce, Th, Zr
Дорогостоящие	100 – 1000	Be, Y, Dy, In, Nd, Pr, Sm, Ta, Ag
Очень дорогие	1000 и более	Gd, Hf, Eu, Yb, Sc, Au, Pt

Надо учитывать, что не всегда самый дешевый металл позволит получить наибольший экономический эффект. Так для деталей транспортных устройств выгоднее применить более дорогой базовый металл, если он имеет меньшую плотность. При снижении массы деталей машина становится легче, экономичнее: снижается расход горючего, растет масса перевозимого груза и снижается стоимость грузоперевозок. Поэтому для наземного транспорта (автомобили) и авиации экономически оправдана замена железных сплавов на детали из алюминиевых и магниевых сплавов. Применение титановых деталей целесообразно в авиации, а бериллиевые сплавы могут оправдать себя в космонавтике.

Выбору легирующего комплекса отводится главное внимание при разработке или модернизации литейного сплава. Выбор осуществляется на основе оценки взаимодействия элементов периодической системы с основой сплава и между собой путем анализа соответствующих диаграмм состояния и зависимостей «состав-свойство». Вид базовых диаграмм состояния и положение особых точек на них позволяют оценивать различные свойства сплава, как литейные, так и механические. При анализе достаточно изучить только начальные участки (блоки) диаграмм состояния. Все виды диаграмм состояния можно свести к нескольким типовым, начальные блоки которых и приведены на рис.2.

Рис.2. Основные типы начальных участков (блоков) диаграмм состояния литейных сплавов.

Наиболее характерным для литейных сплавов является блок 2. Это часть диаграммы состояния сплавов с ограниченной растворимостью и эвтектическим превращением. Элементы, образующие с базовым металлом такой блок, широко используются как основные или вспомогательные добавки. Элементы, образующие блок 1, т.е. неограниченные твердые растворы, в качестве основы сплава используются редко. Их применяют в виде вспомогательных добавок. Если растворимость элемента менее 0,05 % и его поведение описывается типовым блоком 3, то чаще всего он будет вредной примесью. Полезными легирующими добавками или модификаторами I рода могут оказаться элементы, образующие блоки 4 и 5 (с перитектическими превращениями). Элементы, образующие блоки 6, с монотектическим превращением (расслоение в жидком состоянии) для литейных сплавов нежелательны. Легкоплавкие включения ухудшают прочность. Подобные добавки иногда могут играть роль модификаторов. Блоки 7,8,9 показывают те случаи, когда фазовые превращения протекают и в твердом состоянии. Блоки 7,8 указывают на полиморфное превращение в системе и на возможность проведения упрочняющей термической обработки. Блок 9 характеризует наличие эвтектоидного превращения, в результате которого обычно достигается упрочнение сплава, поэтому элементы, образующие с базовым компонентом эвтектоидные системы можно использовать в качестве основных или вспомогательных добавок.

На начальных блоках диаграмм, приведенных на рис.2, обозначены три важнейшие точки: С_р (предельная растворимость в твердом состоянии), С_э или С_п (концентрация, соответствующая первой эвтектической или перитектической точкам) и С_хс. концентрация, соответствующая образованию первого химического соединения). Координаты этих точек (их концентрация и температура) позволяют более полно оценить возможное влияние элемента на свойства сплава.

Предельная растворимость элемента в твердом состоянии С_р является наиболее важной характеристикой двухкомпонентной системы для прогнозирования свойств сплавов. На совмещенных диаграммах состав – свойство всех изученных систем на эту точку приходятся экстремальные значения свойств или отчетливо видные перегибы. Чем больше предельная растворимость, тем больше упрочняется твердый раствор. Снижение растворимости при понижении температуры указывает на возможность проведения упрочняющей термической обработки.

Концентрация первой эвтектической С_э или перитектической С_п точки показывает растворимость элемента в жидком сплаве при соответствующих температурах эвтектического или перитектического превращения. Если эвтектическая точка С_э находится ближе к С_р, чем к точке С_хс, то сплавы эвтектического состава будут обладать оптимальным соотношением литейных и эксплуатационных свойств.

Концентрация, при которой образуется первое химическое соединение С_хс отделяет на диаграммах состояния участок, который является перспективным для разработки сплава. По положению этой точки можно определить содержание хрупкого интерметаллида в эвтектике. Близость точек С_э и С_хс указывает на то, что эвтектические сплавы будут не пригодны для промышленных целей.

Коэффициент распределения К_р в общем случае показывает различие концентраций элемента в твердой и жидкой фазах (К_р = С_т/С_ж). При температурах эвтектического или перитектического К_р можно определить через координаты точек С_р и С_э или С_п (К_р = С_р/С_э или К_р = С_р/С_п). Коэффициент распределения характеризует склонность сплава к дендритной ликвации, от степени развития которой зависят прочностные и пластические свойства сплава.

Для конструкционного материала главным критерием является уровень механических свойств, а точнее соотношение прочности и пластичности. Упрочнение сплавов при изменении их химического состава может быть достигнуто: увеличением в основе количества растворенных добавок (растворное упрочнение); образованием дисперсных фаз, выделяющихся в ходе термической обработки, (дисперсионное упрочнение); ограничением содержания вредных примесей; модифицированием сплавов, термической обработкой. Каждый из этих путей упрочнения может быть реализован при выборе определенного ряда легирующих добавок и примесей. Рассмотрим выбор легирующего комплекса, обеспечивающего растворное упрочнение.

Растворение любого элемента в основе всегда повышает прочностные характеристики: твердость, пределы прочности, текучести и пропорциональности. Решающую роль при упрочнении оказывает не природа элемента, а величины его предельной растворимости в твердой (С_р) или жидкой (С_э, С_п) фазах при температуре превращения. Другими словами, это координаты точек С_р и С_э или С_п. На пластичность оказывает влияние и значение коэффициента распределения К_р = С_р/С_э.

На рис 3 показано изменение прочности и пластичности двойного сплава в зависимости от положения на диаграмме состояния. Максимальное упрочнение сплава наблюдается при концентрации добавки, соответствующей точке С_р. (рис.3, а) От коэффициента распределения прочность не зависит. Пластичность твердых растворов (рис. 3, б) при увеличении концентрации второго компонента может резко падать, если К_р →0, в меньшей степени снижается при К_р = 0,01 ÷ 0,1, а при больших численных значениях К_р пластичность может возрастать. Максимум пластичности достигается у сплава концентрации С_р, а потом наблюдается снижение пластичности.

На рис. 4 приведены общие зависимости прочности и пластичности любых сплавов на пределе растворимости (т.е. при концентрации второго компонента, соответствующей точке предельной растворимости) от критериев диаграмм состояния. Из-за очень большого диапазона растворимостей шкала концентраций построена в логарифмическом масштабе. При этом концентрации выражаются в атомных процентах. Прочность основы при добавлении в нее элементов с малой растворимостью С_р < 0,1 практически не меняется. При дальнейшем увеличении растворимости прочность сплава прогрессивно растет. Наибольшее упрочнение происходит при введении элементов, предельная растворимость которых лежит в пределах от 0,8 до 20 – 30 ат. %. Прочность сплава достигает максимума при введении добавок, имеющих С_р = 50 ат. %. В случае если С_р > 50 ат % добавка становится основой сплава. Пластичность твердых растворов при увеличении растворимости может резко падать, если коэффициент распределения Кр 0, или не превышает значения 0,1 (поле 1 на рис. 4). При больших численных значениях коэффициента распределения (К_р  1) пластичность может сохраняться, а при определенном сочетании С_р и К_р она даже повышается, проходит максимум и затем падает (поле 3 на рис 4.). Это наблюдается при добавлении к основе элементов с малой растворимостью, составляющей десятые доли ат процента, и с высоким значением К_р. Коэффициент распределения определяет степень дендритной ликвации элемента. Чем меньше значение К_р, тем выше концентрация этого элемента по границам зерен. При К_р = 1 элемент распределяется равномерно по всему зерну.

Если построить такие диаграммы, как на рис. 4, для различных промышленно важных металлов и сравнить между собой, то окажется, что положение кривых на диаграммах может несколько смещаться по отношению друг к другу, но их общий характер сохраняется.

По характеру влияния на механические свойства основы сплава, т.е. в зависимости от величины критериев С_р и К_р, все химические элементы можно разбить на четыре группы.

Рис. 3. Зависимость прочности (а) и пластичности сплава (б) от его положения на диаграмме состояния: 1– Кр→0; 2– Кр = 0,01 ÷ 0,1; 3 ÷ Кр→1.

Рис. 4. Схема изменения прочности и пластичности основы сплава при введении добавок на пределе растворимости

Основные легирующие элементы: С_р  1 %, К_р ограничивается предельной величиной, ниже которой элементы становятся вредными примесями. Эти элементы являются главными упрочнителями, они не вызывают резкого снижения пластичности и их можно вводить в единственном числе.

Вспомогательные легирующие элементы: С_р  0,01 – 1,0 %, К_р также ограничивается некоторой предельной величиной. Эти элементы больше увеличивают пластичность, чем прочность. Их называют пластификаторами. При введении вместе с основными добавками они усиливают их действие.

Нейтральные примеси: Это малорастворимые элементы (С_р  0,01 %). Реального влияния на свойства сплава не оказывают.

Вредные примеси: при любой не слишком малой растворимости они имеют значение К_р меньше допустимого критического значения.

Границы между этими четырьмя группами несколько условны. Для каждого базового элемента могут быть свои граничные значения критериев С_р и. К_р Их определяют по параметрам элементов, влияние которых на данную основу уже изучено. К основным легирующим добавкам (по влиянию на прочность) могут быть отнесены элементы у которых С_р 1 и К_р 0,05, к вспомогательным легирующим добавкам элементы у которых С_р  0,01 – 1,0 и К_р  0,05, к вредным примесям С_р  0,001 и К_р 0,05.

На рис. 5 приведена классификация влияния различных элементов на алюминий.

Рис.5. Диаграмма отсеивания легирующих элементов для алюминия.

Подобные диаграммы Б.Б. Гуляев назвал статистическими диаграммами отсеивания. Каждый элемент на диаграммах обозначается точкой в соответствии со своими координатами (значениями С_р и К_р на диаграмме с базовым элементом). Пороговые значения С_р и К_р для проведения границ четырех групп устанавливаются по экспериментальным данным. Итак, на рис. 5 выделены четыре поля, которые делят все проанализированные элементы по отношению к алюминию на четыре группы: 1 – основные легирующие элементы; 2 – вспомогательные легирующие элементы; 3 – нейтральные примеси; 4 – вредные примеси.

Более подробный разбор этой диаграммы будет сделан в разделе 2.1.3 .

Дисперсионное упрочнение (твердение) возникает при образовании в твердом растворе дисперсных частиц твердой фазы. Выделение этих частиц происходит в результате уменьшения растворимости легирующих элементов в твердом состоянии. Как и при растворном упрочнении, наибольший эффект достигается при концентрациях легирующих добавок вблизи точек предельной растворимости. Упрочняющими фазами обычно являются различные металлические и интерметаллические соединения легирующих элементов с базовым компонентом или между собой.

Выбор состава сплава представляет собой задачу выбора конкретного оптимального состава сплава, который может быть включен в нормативный документ. На этой стадии устанавливаются допуски по содержанию каждого легирующего элемента, устанавливаются ограничения на содержание вредных примесей. Так как на предыдущих этапах синтеза число компонентов, входящих в сплав сведено до минимума, то оптимальный состав сплава можно находить путем планируемого эксперимента с построением математических моделей состав – свойство.

Выбор режима термической обработки осуществляется для тех сплавов, строение которых принципиально позволяет проводить упрочняющую термическую обработку. Обязательным условием для этого является изменение растворимости упрочняющей фазы при понижении температуры.