Влияние висмута и свинца на фазовый состав и структуру сплава Al–5%Si–4%Cu–4%Sn

Статья посвящена актуальной на сегодняшний день проблеме создания антифрикционных алюминиевых сплавов, экономнолегированных легкоплавкими металлами. В ранних исследованиях было установлено, что сбалансированным комплексом технологических и физико-механических свойств обладает сплав, содержащий, мас.%: около 5 Si, 4 Cu и 6 Sn. В данной работе в связи с высокой стоимостью олова рассмотрена возможность снижения его концентрации до 4 % и его частичной замены другими легкоплавкими металлами, такими как висмут и свинец. С использованием термодинамических расчетов в программе Thermo-Calc, включая построение политермических и изотермических разрезов, было изучено совместное и раздельное влияние этих элементов на фазовый состав сплава Al—5%Si—4%Cu—4%Sn. Показано, что добавки свинца и висмута приводят к появлению обширной области расслоения жидкости, в связи с чем их суммарная концентрация не должна превышать 1—2 %. С использованием сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа изучены фазовый состав и микроструктура сплава Al-5%Si—4%Cu—4%Sn-0,5%Pb—0,5%Bi. Выявлено, что в литом состоянии легкоплавкие металлы распределены равномерно в структуре экспериментального сплава, а по совокупности свойств этот материал превосходит антифрикционную бронзу БрО4Ц4С17. Термическая обработка по режиму Т6 приводит к существенному повышению твердости исследуемого сплава. Однако в процессе нагрева под закалку при 500 °С происходит локальное оплавление легкоплавкой составляющей, что обуславливает ухудшение микроструктуры при повторной кристаллизации и, как следствие, служит причиной охрупчивания материала.

1. Золоторевский В.С., Белов Н.А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. М.: МИСиС, 2005.

2. Polmear I.J. Light metals: From traditional alloys to nanocrystals. 4th ed. Amsterdam: Elsevier, 2006.

3. Kaufman J. Gilbert, Rooy Elwin L. Aluminum alloy castings: Properties, processes, and applications. Materials Park. ASM International, 2004.

4. Белов Н.А., Гершман Е.И., Гершман И.С, Горячева И.Г, Загорский Д.Л., Котова Е.Г., Маховская Ю.Ю., Мез-рин А.М., Миронов А.Е., Муравьева Т.И., Сачек Б.Я., Столярова О.О., Торская Е.В. Алюминиевые сплавы антифрикционного назначения. М.: Изд. дом «МИСиС», 2016.

5. Mironov A.E., Gershman I.S., Kotova E.G., Ovechkin A.V, Gershman E.I., Zheleznov M.M. Properties of new cast antifrictional aluminum alloys. Russ. Eng. Res. 2017. Vol. 37. No. 1. P. 37—39.

6. Stolyarova O.O., Muravyeva T.I., Zagorskiy D.L., Gubenko M.M. Investigation of the surface of antifriction Al— Cu—Si—Sn—Pb aluminum alloys. J. Surf. Invest.: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2017. Vol. 11. No. 4. P. 832—839.

7. Costa T.A., Dias M., Freitas E.S., Casteletti L.C. The effect of micro structure length scale on dry sliding wear behavior of monotectic Al—Bi—Sn alloys. J. Alloys and Compd. 2016. Vol. 689. P. 767—776.

8. Bertelli F., Freitas E.S., Cheung N., Arenas M.A., Conde A., Juan de Damborenea, Garcia A. Microstructure, tensile properties and wear resistance correlation on directionally solidified Al—Sn (Cu, Si) alloys. J. Alloys and Compd. 2017. Vol. 695 P. 3621—3631.

9. Belov N.A., Akopyan T.K., Gershman I.S., Stolyarova O.O., Yakovleva A.O. Effect of Si and Cu additions on the phase composition, microstructure and properties of Al—Sn alloys. J. Alloys and Compd. 2017. Vol. 695. P. 2730—2739.

10. Belov N.A., Mikhailina A.O., Alabin A.N., Stolyarova O.O. Theoretical and experimental study of the Al— Si—Cu—Sn phase diagram in the range of aluminum alloys. Metal Science and Heat Treatment. 2016. No. 4. P. 195—201.

11. BertelliF., Brito C., Ferreira I.L., ReinhartG., Nguyen-ThiH., Mangelinck-Noel N., Cheung N., Garcia A. Cooling thermal parameters, microstructure, segregation and hardness in directionally solidified Al—Sn—(Si,Cu) alloys. Mater. and Design. 2015. Vol. 72. Р. 31—42.

12. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник. Под общ. ред. Н.П. Лякишева. Т.1. М.: Машиностроение, 1996.

13. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1979.

14. Pilote L., Gheribi A. E., Chartrand P. Study of the solubility of Pb, Bi and Sn in aluminum by mixed CALPHAD/ DFT methods: Applicability to aluminum machining alloys. Calphad. 2018. Vol. 61. P. 275—287.

15. Kaban I., Kohler M., Ratke L., Hoyer W., Mattern N., Eckert J., Greer A.L. Interfacial tension, wetting and nu-cleation in Al—Bi and Al—Pb monotectic alloys. Acta Mater. 2011. Vol. 59. Р. 6880—6889.

16. Costa T.A., Freitas E.S., Dias M., Brito C., Cheung N., Garcia A. Monotectic Al—Bi—Sn alloys directionally solidified: Effects of Bi content, growth rate and cooling rate on the microstructural evolution and hardness. J. Alloys and Compd. 2015. Vol. 653. Р 243—254.

17. Dai R., Zhang J.F., Zhang S.G., Li J.G. Liquid immiscibility and core-shell morphology formation in ternary Al—Bi— Sn alloys. Mater. Charact. 2013. Vol. 81. Р. 49—55.

18. Kamal M., El-Bediwi A., Hameed M.M. Rapid quenching of liquid aluminum-indium-bismuth alloys. Int. J. Eng. Technol. 2014. Vol. 14. No. 4. Р. 23—32.

19. Petzow G., Effenberg G. Ternary alloys: A comprehensive compendium of evaluated constitutional data and phase diagrams. (Editors). Wiley-VCH. 1990. Vol. 3.

20. Термодинамические расчеты. URL: www.thermocalc.com (дата обращения 04.07.2017).

21. Mironov A.E., Gershman I.S., Ovechkin A.V, Gershman E.I. The interrelation of the run-in ability of bronzes and aluminum- based antifricrion alloys with their mechanical properties and degree of alloying. J. Frict. Wear. 2016. Vol. 37. No. 1. P. 23—26.

22. Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: Справочник. М.: Машиностроение, 2004.