Водородная хрупкость и линейное расширение

ГЛАВА 8 ВОДОРОДНАЯ ХРУПКОСТЬ И ЛИНЕЙНОЕ РАШИРЕНИЕ

В связи с развитием приборной техники появляется необходимость разработки алюминиевых сплавов с низкими значениями коэффициента линейного расширении.

Решение такой сложной задачи в настоящее время проходит через использование спеченных алюминиевых сплавов, что не является удачным, поскольку, прежде всего отмечается очень малый коэффициент полезного использования металла при изготовлении изделий, который часто достигает сотых долей процента.

Имеются также и другие причины считать задачу нерешенной, так как уменьшение веса и стоимости конструкций требует поиска составов новых литейных сплавов, для чего необходима определенная информация по влиянию легирующих элементов на расширение алюминия.

Имеющиеся сведения в основном относятся к поведению системы Al-Si, где известно, что сплав Al - 40%Si обладает низким значением коэффициента [178]. Однако этот сплав настолько хрупок, что даже изготовление из него дилатометрических образцов представляет серьезную техническую трудность. Более того, задача осложняется еще и отсутствием каких-либо общих закономерностей по формированию указанного физического свойства.

Развитие представлений о водородной хрупкости, возникающей при кристаллизации и термической обработке, позволяет наметить пути по разработке литейных и деформируемых алюминиевых сплавов с необходимым значением коэффициента.

Так при рассмотрении особенностей линейного расширения двойных сплавов Al - 11-19%Mg было определено наличие в них аномалии, заключавшейся в резком уменьшении расширения при нагреве [71].

На основании сравнения поведения сплавов, приготовленных на обычном и специально наводороженном алюминии, было сделано заключение, что аномалию линейного расширения в сплавах Al – Mg следует рассматривать как эффект, обусловленный перераспределением водорода в твердом растворе, молизацией и частичным выходом его в атмосферу. Важным также в этой работе было определение отсутствия связи интервала аномалии с температурой перехода сплавов в однофазное состояние. Более того, как было показано ранее, приготовление сплавов на наводороженном алюминии, если оно предусматривает повышение содержания водорода, обусловливает появление и увеличение количества выделений β-фазы (водородная хрупкость I вида).

С другой стороны, было замечено, что увеличение содержания водорода усиливает снижение значения коэффициента линейного расширения, а предварительная дегазация (длительная гомогенизация) – практически  устраняет.

На основании изложенного можно считать, что в сплавах Аl - Mg водород приводит к локальному снижению коэффициента линейного расширения, а удаление его из сплавов повышает коэффициент. Для сплавов системы Аl-Si-Fe-Ni установлено, что для получения низких значений коэффициента линейного расширения и теплопроводности необходимо содержание кремния 21,0 – 28 %, железа 1,6 - 2,0 %, никеля 4,5 - 5,0 % [225].

Замечены некоторые особенности связи микроструктуры с линейным расширением деталей из промышленного сплава АМг10  после их длительной эксплуатации [71]. Наиболее полно особенности расширения силуминов с учетом изменения химического совтава и содержания водорода изложены в [226].

В связи с острой необходимостью создания легких материалов с низким коэффициентом линейного расширения совместно с рядом предприятий проведена разработка серии литейных и деформируемых сплавов на основе системы Al – Si.

8.1 Новые литейные сплавы с низким значением коэффициента линейного расширения.

Литейные алюминиевые сплавы системы Al-Si рассмотрены ранее с позиций определяющего влияния водорода на их структуру и механические свойства. Установлено, что на линейное расширение сплавов оказывает существенное влияние обработка шихтового кремния и обработка расплава [227].

В таблице 8.1 в качестве примера приведены данные по влиянию предварительной обработки шихтового кремния на коэффициент линейного расширения сплава Al-30%Si. Видно, что изменение содержания водорода за счет выдержки шихтового кремния в атмосфере водородосодержащих паров снижает коэффициент на 12-16%.

Значительное снижение коэффициента может быть получено также за счет кипячения шихтового кремния в кислородосодержащей среде (Н₂О₂). Данные, свидетельствующие о высокой эффективности этого способа, приведены в таблице 8.2.

Разработка литейных сплавов проводилась по трем направлениям:

-  во-первых, в качестве основы были выбраны сплавы алюминия с низким содержанием кремния (8-13%);

-  во-вторых, в качестве основы были выбраны сплавы со средним содержанием кремния (15-35%);

-  в-третьих, в качестве основы были выбраны сплавы с высоким содержанием кремния (45-50%) и сплав на основе кремния.

Выбор остальных легирующих элементов проводился исходя из данных по активности иx взаимодействия с водородом.

Исходя из представлений о связи водородной хрупкости с линейным расширением алюминия и его сплавов, был разработан литейный сплав, имеющий низкие значения коэффициента линейного расширения. В табл. 8.3 и 8.4 приведены химический состав и значения коэффициента линейного расширения разработанного сплава в сравнении с известным на основе системы Al-Si. Видно, что предложенный литейный сплав обладает более низким значением коэффициента линейного расширения, чем известный, что является важным при использовании его в узлах приборов, точность измерения которых зависит от коэффициента линейного расширения деталей.