Алюминий и его сплавы

Алюминий и его сплавы

Алюминий – светло-серебристый металл, имеющий кристаллическую решетку гранецентрированного куба с периодом 4,0413 Å. Не испытывает полиморфных превращений. Алюминий – легкий металл, его удельный вес 2,703 г/см3 при 20 ˚С. В связи с этим алюминий является основой сплавов для легких конструкций, например в авиационной технике. Алюминий обладает высокой электропроводностью (65% от меди), поэтому алюминий в большом объеме используется в качестве проводниковых материалов в электротехнике. Чистый алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью в связи с образованием на его поверхности стойкой и плотной окисной пленки Al2O3. Это свойство сохраняется и во многих сплавах, содержащих алюминий в виде легирующих элементов.

Примеси, присутствующие в алюминии, понижают его пластичность, электро- и теплопроводность, снижают защитное действие пленки. В технически чистом алюминии в качестве примесей могут находиться, в основном, Fe и Si.

Железо очень мало растворимо в алюминии, и уже при тысячных долях процента при низких температурах появляется новая фаза FeAl3. Эта фаза, как считают в последнее время, является одной из виновниц высокой устойчивости и наследственности литой структуры алюминия и его сплавов, когда дендритное строение можно наблюдать даже после очень больших степеней пластической деформации (50-90%) и последующего рекристаллизационного отжига. Железо уменьшает электропроводность и химическую стойкость чистого алюминия.

Кремний в алюминии вместе примесями железа образует эвтектику из твердого раствора на основе алюминия и кристаллов FeSiAl5, которая имеет форму китайских иероглифов. Для нейтрализации вредного влияния железа сплавы легируют марганцем, за счет чего в сплавах формируется соединение (Fe, Mn)3Si2Al15, которое первично кристаллизуется из расплава в виде компактных ограненных кристаллов, что способствует повышению пластичности, если эти кристаллы достаточно мелкие. Хром также вводят в силумины для нейтрализации отрицательного влияния железа.

При небольших содержаниях кремния, (до 0,4%) он находится в твердом растворе. Отжигом можно перевести в твердый раствор до 1,3% Si. Кремний является менее вредной примесью в алюминии, чем железо, хотя также как и железо, уменьшает пластичность, электропроводность, коррозионную стойкость сплавов. В больших количествах кремний применяется в сплавах на основе алюминия, как легирующий элемент.

Алюминий и алюминиевые сплавы производят по ГОСТ 11069-74 - Алюминий первичный, ГОСТ 1583-93 - Сплавы алюминиевые литейные, ГОСТ 4784-74 - Алюминий и сплавы алюминиевые, деформируемые.

Литейные алюминиевые сплавы по ГОСТ 1583-93 маркируют буквами и цифрами с указанием среднего химического состава по основным легирующим элементам. В действующем ГОСТе указана и старая система маркировки – условное обозначение марок, содержащее буквы АЛ.

Все литейные алюминиевые сплавы, указанные в ГОСТ 1583-93, в зависимости от химического состава подразделяют на пять групп:

I группа – сплавы на основе системы Al-Si. В нее входят сплавы марок АК12, АК13, АК9, АК9с, АК9ч, АК9пч, АК8л, АК7, АК7ч, АК7пч, АК10Су.

II группа – сплавы на основе системы Al-Si-Cu. В нее входят сплавы марок АК5М, АК5Мч, АК5М2, АК5М7, АК6М2, АК8М, АК5М4, АК8М3, АК8М3ч, АК9М2, АК12М2, АК12ММгН, АК12М2МгН, АК21М2,5Н2,5.

III группа – сплавы на основе системы Al-Cu. В нее входят сплавы марок АМ5, АМ4,5Кл.

IV группа – сплавы на основе системы Al-Mg. В нее входят сплавы марок АМг4К1,5М, АМг5К, АМг5Мц, АМг6л, АМг6лч, АМг10, АМг10ч, АМг11, АМг7.

V группа – сплавы на основе системы алюминий – прочие компоненты. В нее входят сплавы марок АК7Ц9, АК9Ц6, АЦ4Мг.

Термическую обработку литейных алюминиевых сплавов проводят по режимам: Tl - искусственное старение без предварительного нагрева под закалку, Т2 - отжиг, Т4 - закалка, Т5 - неполное искусственное старение, Т6 - полное искусственное старение, Т7 - стабилизирующее старение.

Искусственному старению преимущественно подвергают сплавы на основе системы Al-Si. Обработка по режиму Tl возможна в тех случаях, когда при ускоренном охлаждении отливки по окончании ее затвердевания, например при литье тонкостенных деталей в кокиль, образуется пересыщенный твердый раствор. Такая обработка экономически эффективна, но упрочнение при старении невелико, так как из-за дендритной ликвации сердцевина дендритных ячеек имеет низкую концентрацию легирующих элементов. Обработке по режиму T1 наиболее целесообразно подвергать детали, полученные литьем под давлением. Такие детали, как правило, нельзя закаливать из-за того, что при нагреве под закалку на их поверхности образуются вспучивания в результате расширения газа, захваченного при литье под давлением. Отжиг отливок (режим Т2) проводят, в основном, для сплавов I группы. Этот вид термообработки применяют для уменьшения литейных напряжений. Температура такого отжига около 300°С, выдержка 2...4 ч. Закалке без последующего искусственного старения (режим Т4) подвергают сплавы на основе системы Al-Mg. Термическую обработку по режиму Т4 применяют в тех случаях, когда необходима повышенная пластичность при прочности меньшей, чем после искусственного старения, или же повышенная стойкость против коррозии. Обработка по режиму Т6 включает закалку и полное искусственное старение для достижения максимального упрочнения. Обработка по режиму Т5 состоит из закалки и неполного искусственного старения при температуре более низкой, чем при обработке по режиму Т6. Цель такой обработки - обеспечить повышенную пластичность (по сравнению с обработкой Т6). Термическая обработка по режимам Т5 и Т6 проводится в основном для сплавов системы Al-Si. Режим Т7 - это закалка и стабилизирующее старение (перестаривание), проводимое при температуре более высокой, чем по режиму Т6 для стабилизации свойств и размеров деталей первых трех групп литейных алюминиевых сплавов. Время выдержки при нагреве под закалку разных сплавов колеблется от 2 до 16 ч. Отливки закаливают в холодной воде. Для уменьшения закалочных напряжений воду подогревают до 80...100°С.

Кремний является одним из основных легирующих элементов в литейных алюминиевых сплавах (силуминах). Силумины обычно содержат от 5 до 14% Si, т.е. на несколько процентов больше или меньше эвтектической концентрации. Эти сплавы обычно имеют грубую игольчатую эвтектику, состоящую из ( + Si)э и первичные кристаллы. Типичным силумином является сплав АЛ2 (АК12) с содержанием 10-13% Si. В литом состоянии он состоит в основном из эвтектики и некоторого количество избыточных кристаллов кремния. Механические свойства такого сплава очень низки: в = 120 – 160 МПа при относительном удлинении   1% (таблица 2).

Однако эти сплавы обладают очень важными свойствами, которые с трудом удается достичь в других более прочных сплавах: высокой жидкотекучестью, свариваемостью. Они имеют малую усадку при литье, в связи с чем становится низкой их склонность к образованию усадочных трещин. Силумины, вследствие малого различия по растворимости кремния при высокой и низкой температуре, практически не упрочняются термической обработкой, поэтому важнейшим методом улучшения его механических свойств является модифицирование. Модифицирование осуществляется обработкой жидкого силумина небольшими количествами металлического натрия или солями натрия. При модифицировании происходит значительное измельчение частичек эвтектической смеси, что связывают со способностью натрия обволакивать образовавшиеся зародыши кремния и тормозить их рост.

Кроме того, в процессе модифицирования отмечено некоторое переохлаждение, соответствующее протеканию эвтектического превращения, а эвтектическая концентрация сдвигается вправо. Таким образом, заэвтектические сплавы, лежащие несколько правее эвтектической точки, после модифицирования оказываются доэвтектическими. Структура сплава после модифицирования оказывается состоящей из избыточных кристаллов -твердого раствора и очень дисперсной, практически точечной эвтектики (рисунок 3).

Таблица 2 - Механические свойства силуминов

Механические свойства после модифицирования АЛ2 (АК12) составляют: в = 170 - 220 МПа, при  = 3 – 12%.

Обладая высокими литейными свойствами, силумины являются основным исходным материалом для создания технологичных и, в то же время, высокопрочных литейных алюминиевых сплавов, которые могут подвергаться упрочняющей термической обработке. При создании таких сплавов используют дополнительное легирование силуминов с целью образования в структуре силумина новых фаз, способных приводить к упрочнению при термической обработке. В качестве таких элементов применяют Mg, Cu и Mn. На основе такого легирования в настоящее время созданы и используются литейные алюминиевые сплавы: АЛ4 (9% Si, 0,25% Mg и около 0,4% Mn) и АЛ5 (5% Si, 1,2 Cu и 0,5% Mg).

Прочность этих сплавов после закалки и старения оказывается выше 200-230 МПа при удлинении   2-3%. Эффект упрочнения сплавов при закалке и старении объясняется образованием при старении зон Гинье-Престона и промежуточных фаз сложного состава, отличающихся по составу и кристаллической решетке от равновесной, например Mg2Si, и когерентных с твердым раствором своими кристаллическими решетками.

К литейным сплавам относятся также медистые сплавы АЛ-19 и ВАЛ10 содержащие 4-5% Cu и 9-11% Cu (таблица 3).

Эти сплавы в связи с более высокой температурой солидуса по сравнению с силуминами, являются более жаропрочными сплавами.

Литейными высокопрочными алюминиевыми сплавами являются сплавы системы Al-Mg (АЛ-23, АЛ-27). Эти сплавы содержат 6-13% Mg. Прочность этих сплавов в закаленном и состаренном состоянии может достигать значений 300-450 МПа при  = 10-25%. К преимуществам этих сплавов относятся: высокая коррозионная стойкость в атмосферных условиях и при действии морской воды.

Таблица 3 - Механические свойства некоторых литейных алюминиевых сплавов

Однако эти сплавы имеют следующие недостатки: повышенная склонность к окислению в жидком состоянии; повышенная чувствительность к примесям Fe, в результате образования нерастворимых соединений Al, Mg с Fe происходит значительное снижение пластичности; повышенная склонность сплавов к хрупкому разрушению при длительном действии внутренних или внешних напряжений на твердый раствор сплава; большая склонность к резкому снижению прочностных характеристик при совместном действии нагрузок и температуры; большая склонность к понижению механических свойств по мере увеличения сечения стенок деталей.

Деформируемые алюминиевые сплавы (ГОСТ 4784-74) подразделяются на термически не упрочняемые и термически упрочняемые.

В зависимости от назначения и требований в отношении механических, коррозионных, технологических, физических и других свойств деформируемые сплавы разделяют на сплавы высокой, средней и малой прочности, жаропрочные, криогенные, ковочные, заклепочные, свариваемые, со специальными физическими свойствами, декоративные.

Все применяемые в промышленности сплавы можно также разделить по системам, в которых основные легирующие элементы будут определять типичные для данной системы физические и химические свойства.

Среди термически упрочняемых деформируемых сплавов необходимо выделить следующие основные группы:

а) Двойные сплавы Al-Cu.

б) Дуралюмины (на основе Al-Cu-Mg-Mn).

в) Жаропрочные сплавы (на основе Al-Cu-Mg-Ni).

г) Высокопрочные сплавы (типа В95 на основе Al-Zn-Mg-Cu-Mn).

К термически не упрочняемым относятся сплавы Al-Mg (с небольшим соединением магнием (до 5-6%) (АМг-3, АМг6, АМг5В и т.д.) и марганца (АМц).

Эти сплавы с точки зрения металлографии не представляют большого интереса. Их структура после пластической деформации и последующего отжига при температуре  320-370 °С для снятия напряжений имеют структуру однофазного (в некоторых случаях несколько пересыщенного) твердого раствора, не выделяющего вторичной фазы. Эти сплавы обладают высокой пластичностью, коррозионной стойкостью и пониженной прочностью. Используется для изготовления деталей глубокой вытяжкой.

В сплаве АМц основным легирующим элементом является марганец. Марганец имеет довольно высокую растворимость в алюминии при эвтектической температуре 658 °С (которая составляет 1,4%Mn), которая резко уменьшается в интервале 550-450 °С. Несмотря на переменную растворимость марганца в алюминии, сплавы термообработкой не упрочняются. Нагревом до 640-650 °С и быстрым охлаждением можно получить пересыщенный твердый раствор марганца в алюминии, который распадается при последующих нагревах. Однако даже начальные стадии распада твердого раствора не сопровождаются заметным повышением прочности. Марганец сильно повышает температуру рекристаллизации алюминия, поэтому сплавы отжигают при более высоких температурах, чем алюминий. Марганец имеет малую скорость диффузии в алюминии, что приводит к образованию аномально пересыщенных твердых растворов и сильно выраженной внутридендритной ликвации. Марганец, из-за малой скорости диффузии, приводит к получению крупного рекристаллизованного зерна, размер которого можно уменьшить дополнительным легированием титаном.