Развитие литейных алюминиевых сплавов в ВИАМ

Введение

Для развития авиационной и космической техники необходимы разработка и создание новых материалов, в том числе литейных алюминиевых сплавов. В ВИАМ в этом направлении работал Иван Филиппович Колобнев, под руководством которого и при участии сотрудников института: Г.В. Захаровой, З.Н. Неугодской, Н.А. Аристовой, Г.Я. Мишина и других, были разработаны такие сплавы, как АЛ19, АЛ21, АЛ25, АЛ26, ВАЛ1, ВАЛ6, В2243, ВАЛ9, ВАЛ10, В124, АЦР1У. Эти сплавы в зависимости от их свойств нашли широкое применение в авиационной, ракетной и других областях техники [1–8].

Трудовая деятельность

В начале своей трудовой деятельности И.Ф. Колобнев был одним из первых ученых, занимавшихся созданием сплавов отечественных марок. В результате совместных исследований И.Ф. Колобнева и Е.М. Ноткина разработаны сплавы систем Al–Si–Mg–Mn–Cu и Al–Si–Mg–Mn. В 1939 г. эти сплавы были успешно внедрены в производство и получили марки АЛ3 и АЛ4. Сплав АЛ4 вследствие его технологичности и в настоящее время применяют при производстве широкого спектра деталей, работающих при невысоких температурах (до 200°С).

Параллельно с исследованиями влияния состава на жаропрочность алюминиевых сплавов И.Ф. Колобнев занимался проблемой газонасыщения расплавов на основе алюминия. Так, в 1948 г. вышла в свет книга «Газовая пористость и методы борьбы с ней в алюминиевых отливках» [8] – как результат совместной исследовательской деятельности И.Ф. Колобнева и М.Б. Альтмана. В книге описаны причины возникновения пор в отливках и способы борьбы с ними, а также предложена методика определения пористости сплавов в жидком состоянии.

Изучая структуру силуминов, И.Ф. Колобнев пришел к выводу, что благодаря добавкам меди, хрома, магния и марганца можно значительно повысить стабильность α-твердого раствора и температуру его распада. Однако жаропрочность сплавов этого типа практически не повышается по причине содержания в их структуре кремния, находящегося в несвязанном (свободном) состоянии.

Для разработки новых сплавов, способных длительно работать при температурах выше 300°С, И.Ф. Колобнев взял за основу систему Al–Cu–Mn. В результате им совместно с Л.В. Швыревой, Н.А. Аристовой, Г.Я. Мишиным разработан сплав АЛ19 (1958 г.), а совместно с В.М. Лебедевым, Г.Б. Строгановым, Н.Р. Никитиной, Г.Х. Энтиным и другими – сплав ВАЛ10 (1969 г.). Впоследствии коллеги и ученики Ивана Филипповича (В.М. Лебедев, Л.В. Швырева, Н.Р. Никитина, А.И. Николаева и др.) объединили лучшие свойства этих сплавов, разработав не потерявший до настоящего времени своей актуальности сплав ВАЛ14. Вышеуказанные сплавы предназначены для литья в землю, так как они имеют высокую горячеломкость и низкую жидкотекучесть [9]. Известно, что добавка кремния повышает технологичность сплава. Таким образом, в середине 1980-х гг. был разработан (В.М. Лебедев, И.С. Гоцев, А.И. Николаева и др.) высокопрочный сплав ВАЛ15 системы Al–Cu–Mn–Si, применяемый для литья в кокиль [10].

Сплавы на основе алюминия целесообразно применять в поршнях двигателей ввиду их малой плотности. Однако разработанные и применяемые в то время сплавы не обладали необходимой жаропрочностью либо были нетехнологичными. Иван Филиппович Колобнев совместно с М.В. Бусаровым и Л.В. Швыревой разработали технологичные сплавы для поршней системы Al–Si–Cu–Ni, получившие марки АЛ25, АЛ26, ВАЛ6 [11], с рабочей температурой 300°С. Помимо разработки заэвтектических силуминов и режимов термической обработки алюминиевых сплавов И.Ф. Колобнев исследовал методы их модифицирования, так как традиционные модификаторы не позволяли получить необходимые свойства [12].

До 1950 г. самым жаропрочным литейным алюминиевым сплавом считался сплав АЛ1, однако для некоторых отраслей промышленности требовались сплавы с рабочей температурой, существенно превышающей 300°С. Исследования, проведенные И.Ф. Колобневым, показали, что сплавы с высоким содержанием меди и сплавы системы Al–Cu–Ni обладают наиболее высокой жаропрочностью. Разработанные им совместно со специалистами ВИАМ сплавы получили марки АЛ21 (Г.В. Захарова, З.Н. Неугодова и др.) и ВАЛ1 (Н.А. Аристова, Н.М. Филатова и др.). Рабочая температура этих сплавов составляет 350°C. Установлено также, что в повышении жаропрочности не последнюю роль играют редкоземельные элементы [13]. Таким образом, И.Ф. Колобнев совместно с Г.Я. Мишиным разработали жаропрочный литейный алюминиевый сплав АЦР1У системы Al–Ce–Cu с рабочей температурой до 400°C – самый жаропрочный в то время сплав в мире.

Механические свойства сплавов систем Al–Cu–Mn, Al–Cu–Ni и Al–Ce–Cu приведены на рис. 1 (сплавы расположены по дате разработки). Для сравнения на рис. 1 приведен также сплав АЛ1 системы Al–Cu–Mg–Ni – аналог «британского сплава», разработанного ровно 100 лет назад. Видно, что, сплавы практически не теряют прочности при повышении температуры. При температуре 250°С сплав ВАЛ10 уступает по жаропрочности остальным сплавам, а сплав АЦР1У по свойствам уже сравним с характеристиками сплава ВАЛ1. При температуре 350°С (на рис. 1 данные не приведены) сплав АЦР1У превышает по жаропрочности сплавы ВАЛ1 (на 10 МПа) и АЛ21 (на 20 МПа).

Рис. 1. Механические свойства высокопрочных и жаропрочных сплавов при комнатной и высоких температурах: а – жаропрочность при 250°С на базе 100 ч (■) и температура эксплуатации (▬♦▬); б – предел прочности при 20 (■) и 200°С (■)

Отдельно следует упомянуть о коррозионностойких сплавах систем Al–Mg и Al–Zn–Mg. Их основной недостаток – низкие рабочие температуры, не превышающие 80–150°С. Изучая возможности повышения рабочих температур данных сплавов, И.Ф. Колобнев разработал сплавы АЛ22 (система Al–Mg–Si) и АЛ24 (система Al–Zn–Mg). Однако значительно повысить жаропрочность этих сплавов технически невозможно [13].

В своих разработках Иван Филиппович уделял большое внимание унификации сплавов (для уменьшения их номенклатуры на производстве) и получению сложных отливок (вместо поковок с последующей механической обработкой), что экономически более выгодно. Так, были разработаны медистые силумины АЛ4М и В124 [14], сохранившие положительные свойства обычных силуминов, но имеющие более высокую температуру эксплуатации (до 250°C), а также обеспечивающие герметичность свыше 300 ат. Типичная отливка из сплава В124 (получена центробежным способом литья) показана на рис. 2.

Рис. 2. Крыльчатка из сплава В124

Свойства сплавов типа силумин и медистый силумин приведены на рис. 3. Видно, что прочность сплавов значительно снижается с повышением температуры (рис. 3, а), а жаропрочность (рис. 3, б) для медистых силуминов несколько выше, чем для сплавов системы Al–Si–Mg. Сплавы АЛ5 и АЛ9 приведены для сравнения – это аналоги американских сплавов, разработанных фирмой Alcoa в 1925 и 1937 гг. соответственно.

Очевидно, что указанные в паспортах гарантированные свойства выше для тех сплавов, в составе которых содержится меньше вредных примесей. Например, относительное удлинение сплава АЛ9-1 в 2 раза выше, чем аналогичная характеристика сплава АЛ9 [15]. Однако получить сплав с узкими интервалами содержания легирующих элементов и низким содержанием примесей в производственных условиях сложнее, чем в лабораторных. Таким образом, И.Ф. Колобнев совместно с Е.М. Ноткиным разработали сплав АЛ10В, при изготовлении которого можно использовать вторсырье. Сплав АЛ10В внедрен в промышленное производство в 1941 г. – в экономически сложное для страны время. Эта работа получила третью премию МАП (Министерство авиационной промышленности). Другой сплав, при изготовлении которого можно использовать отходы производства, загрязненные железом, – жаропрочный сплав АЛ20 сложной системы Al–Cu–Mg–Si–Fe–Mn–Cr (И.Ф. Колобнев, Д.А. Петров, Г.В. Захарова и др.).

Рис. 3. Механические свойства силуминов и медистых силуминов: а – предел прочности при 20 (■) и 200°С (■); б – жаропрочность при 250°С на базе 100 ч (■)

Перспективы развития литейных сплавов

Работы по совершенствованию сплавов не прекращались. Помимо сплавов ВАЛ14 и ВАЛ15 разработаны: жаропрочный сплав ВАЛ18 (система Al–Cu–Ni), технологичный медистый силумин АЛ4МС, коррозионностойкие сплавы ВАЛ16 и ВАЛ19 (система Al–Mg), высокопрочные сплавы ВАЛ12 (система Al–Zn–Mg) и ВАЛ20 (система Al–Cu–Mg).

Е.С. Гончаренко усовершенствовала сплав АЛ4М, добавив в него скандий. Новый сплав получил марку АЛ4МС [16, 17]. В настоящее время этот сплав обладает самым высоким и оптимальным сочетанием механических свойств (предела прочности и относительного удлинения) из существующих медистых силуминов (рис. 4, а). Сплав АЛ4МС – высокопрочный высокотехнологичный материал системы Al–Si–Cu–Mg, обеспечивающий при литье в кокиль σ_в=360–400 МПа и δ≥4%, не склонный к трещинообразованию, работоспособный при температуре 250°С, из которого можно отливать детали любыми способами, в том числе прогрессивными способами литья по газифицируемым и выжигаемым моделям.

Рис. 4. Предел прочности (■) и относительное удлинение (▬♦▬) при 20°С медистых силуминов (а), коррозионностойких (б) и высокопрочных сплавов (в)

Другая группа сплавов – коррозионностойкие (на рис. 4, б представлены сплавы разных составов: АЛ24 системы Al–Zn–Mg; АЛ13, АЛ22 – системы Al–Mg–Si, остальные – системы Al–Mg). Наличие кремния в составе сплавов способствует уменьшению чувствительности к образованию трещин, увеличению жидкотекучести и плотности литья, а также повышению жаропрочности, но вместе с тем – резко снижает их пластичность. Максимальная рабочая температура сплавов системы Al–Mn–Si составляет 150°С. Отличительная особенность сплава АЛ13 – возможность его использования в литом состоянии (без применения термообработки). Сплав АЛ24 (другие названия – ВАЛ4, В15), разработанный И.Ф. Колобневым, М.Б. Альтманом, О.Б. Лотаревой, благодаря оптимальному содержанию цинка и магния имеет еще более высокую температуру эксплуатации – до 200°С, самую высокую для коррозионностойких сплавов. Остальные сплавы этой группы называются магналиями, рабочая температура которых составляет всего 80°С (для сплавов АЛ8, АЛ23-1, АЛ27-1). Традиционные магналии подвержены естественному старению, которое невозможно зафиксировать, в результате чего резко снижается относительное удлинение этих сплавов [18]. С целью улучшения эксплуатационных характеристик разработаны сплавы ВАЛ16 и ВАЛ19 (содержащий скандий) со стабильными свойствами и температурой эксплуатации 140 и 125°С соответственно. Сплавы ВАЛ16 и ВАЛ19 также являются свариваемыми: коэффициент ослабления сваркой составляет0,8–0,95.

Следующая группа сплавов – высокопрочные. Сплавы данной группы обладают самыми высокими механическими свойствами при комнатной температуре, но не являются жаропрочными (рис. 4, в). В основном это сплавы системы Al–Cu–Mn. Наибольшей прочностью обладает сплав ВАЛ12 системы Al–Zn–Mg–Cu: σ_в>540 МПа при литье в кокиль, однако вследствие высокой склонности к насыщению водородом его не применяют для литья в песчаные формы.

Среди новых разработок – сплав ВАЛ20 системы Al–Cu–Mg типа твердого раствора – высокопрочный технологичный сплав с оптимальным сочетанием свойств [19, 20], предназначенный для литья в песчаные формы фасонных отливок сложной конфигурации деталей внутреннего набора (корпуса, качалки, кронштейна), работоспособный при температурах 200 (длительно) и 250°С (кратковременно), обладающий следующим уровнем механических свойств: σ_в≥420 МПа, δ≥7,0%, =120 МПа, =100 МПа, =60 МПа. По сравнению со сплавами-аналогами (ВАЛ10 и ВАЛ14) сплав ВАЛ20 с жидкотекучестью 300 мм является более технологичным, а также в его составе не содержится кадмий.

Заключение

Под руководством и при непосредственном участии Ивана Филипповича Колобнева разработано большое количество сплавов, которые вследствие высоких технологических и экономических показателей востребованы в различных отраслях промышленности и в настоящее время. Впоследствии большее развитие получили высокопрочные, технологичные и коррозионностойкие сплавы, меньшее – жаропрочные и сплавы для поршней (АЦР1У, АЛ25, АЛ26, ВАЛ6) в связи с тем, что свойства этих сплавов, достигнутые И.Ф. Колобневым, повысить не удается.

Результаты исследований по повышению жаропрочности алюминиевых сплавов, отраженные в книгах Ивана Филипповича Колобнева, можно использовать и в настоящее время для разработки новых и усовершенствования существующих алюминиевых сплавов.