Краткие теоретические сведения. Алюминий является важнейшим металлом, широко применяемым для изготовления разнообразных алюминиевых сплавов

Алюминий является важнейшим металлом, широко применяемым для изготовления разнообразных алюминиевых сплавов.

Цвет алюминия серебристо-белый со своеобразным тусклым оттенком. Кристаллизуется алюминий в пространственной решетке гранецентрированного куба, аллотропических превращений у него не обнаружено.

Алюминий имеет малую плотность (2,7 г/см³), высокую электропроводность (составляющую около 60 % электро-проводности чистой меди) и значительную теплопроводность.

В результате окисления алюминия кислородом воздуха на его поверхности образуется защитная оксидная пленка. Наличием этой пленки объясняется высокая коррозионная стойкость алюминия и многих алюминиевых сплавов.

Алюминий достаточно стоек в обычных атмосферных условиях и против действия концентрированной (90-98 %) азотной кислоты, однако он легко разрушается при действии большинства других минеральных кислот (серная, соляная), а также щелочей. Он обладает высокой пластичностью как в холодном, так и горячем состоянии, хорошо сваривается газовой и контактной сваркой, но плохо обрабатывается резанием и отличается низкими литейными свойствами.

Для прокатанного и отожженного алюминия характерны следующие механические свойства: s_в = 80-100 МПа, d = 35-40 %, НВ = 250…300 МПа.

При нагартовке прочность алюминия повышается, а пластичность снижается. Соответственно степени деформации различают отожженный (АД-М), полунагартованный (АД-П) и нагартованный (АД-Н) алюминий. Отжиг алюминия для снятия наклепа проводится при 350…410 °С.

Чистый алюминий находит разнообразное применение. Из технического алюминия АД1 и АД, содержащего соответственно не менее 99,3 и 98,8 % Al, изготовляют полуфабрикаты – листы, трубы, профили, проволоку для заклепок.

В электротехнике алюминий служит для замены более дорогой и тяжелой меди при изготовлении проводов, кабелей, конденсаторов, выпрямителей и т. п.

Важнейшими элементами, вводимыми в алюминиевые сплавы, являются медь, кремний, магний и цинк.

Алюминий с медью образует твердые растворы переменной концентрации. При температуре 0 °С растворимость меди в алюминии равна 0,3 %, а при температуре эвтектики 548 °С она увеличивается до 5,6 %. Алюминий и медь в соотношении 46:54 образуют стойкое химическое соединение CuAl₂.

Рассмотрим состояние сплавов алюминия с медью в зависимости от их состава и температуры (рис. 1). Линия CDE на диаграмме представляет собой линию ликвидуса, а линия CNDF является линией солидуса. Горизонтальный участок линии солидуса NDF называется также эвтектической линией.

Линия MN показывает переменную по температуре растворимость меди в алюминии. Следовательно, линия MN является границей между ненасыщенными твердыми растворами и растворами насыщенными. Поэтому эту линию часто называют также линией предельной растворимости.

В области I любой сплав будет представлять собой однородный жидкий раствор алюминия с медью, т. е. Al Cu.

Рис. 1. Диаграмма состояния системы Al – CuAl₂

 

В областях II и III сплавы будут находиться частично в жидком и частично в твердом состояниях.

В области II твердой фазой будет твердый раствор меди в алюминии, а жидкой – жидкий раствор алюминия и меди, т.е. Al(Cu) + (Al Cu), если твердый раствор ограниченной растворимости меди в алюминии условимся обозначать как Al(Cu).

В области III жидкой фазой будет являться также жидкий раствор алюминия и меди, а твердой – металлическое соединение CuAl₂, т. е. + (Al Cu). Индекс «I» (первичный) показывает, что CuAl₂ образовалось при кристаллизации из жидкого состояния.

В остальных областях полностью затвердевшие сплавы будут иметь следующее строение:

- в области IV – однородный твердый раствор меди в алюминии, т. е. Al(Cu);

- в области V – твердый раствор меди в алюминии и вторичный ;

- в области VI – твердый раствор меди в алюминии, вторичный CuAl₂ и эвтектика, т.е Al(Cu) + + [Al(Cu) + CuAl₂];

- в области VII – первичный CuAl₂ и эвтектика, т. е. +[Al(Cu) + CuAl₂].

Эвтектика этих сплавов представляет собой особую механическую смесь чередующихся мельчайших кристаллов твердого раствора меди в алюминии и металлического соединения CuAl₂, т.е. [Al(Cu) + CuAl₂].

Все сплавы системы Al – CuAl₂ по структуре и концентрации можно разделить на четыре группы:

1-я группа содержит меди от 0 до 0,3 %;

2-я группа содержит меди от 0,3 до 5,6 %;

3-я группа содержит меди от 5,6 до 33,8 %;

4-я группа содержит меди от 33,8 до 54 %.

Рассмотрим строение сплавов системы Al – CuAl₂. На рис. 2, а показана структура сплава первой группы, состоящая из зерен твердого раствора меди в алюминии. Структура сплава второй группы приведена на рис. 2, б: видны зерна твердого раствора меди в алюминии и кристаллы вторичного CuAl₂,

Структура доэвтектического сплава (твердый раствор меди в алюминии, кристаллы вторичного CuAl₂ и эвтектика) приведена на рис. 2, в. Структура эвтектического сплава – эвтектика, состоящая из мельчайших кристалликов твердого раствора меди в алюминии и CuAl₂ дана на рис. 2, г. На рис. 2, д приведена структура заэвтектического сплава, состоящая из первичных кристаллов CuAl₂ и эвтектики.

В сплавах, содержащих эвтектику, можно по структуре определить содержание меди. Однако в этом случае надо учитывать количество меди, находящееся в эвтектике и в твердом растворе. Например, в доэвтектическом сплаве, содержащем 30 % эвтектики и 70 % твердого раствора, количество меди в эвтектике

,

а в твердом растворе

.

 

Следовательно, исследуемый сплав содержит

k_x + k_y = 14,06 % меди,

что соответствует точке А, лежащей на оси абсцисс диаграммы состояния системы Al – CuAl₂ (рис. 1).

При определении состава заэвтектических сплавов рассчитывают количество меди, находящееся в эвтектике и в химическом соединении . Сумма этих количеств будет соответствовать содержанию меди в заэвтектическом сплаве. Химическое соединение CuAl₂ отличается большой твердостью и хрупкостью.

В технике применяются преимущественно алюминиевые сплавы, содержащие 2…5 % меди, которые называются дуралюминами. Они хорошо обрабатываются давлением и имеют высокие механические свойства после термической обработки и нагартовки. Дуралюмины применяют для изготовления деталей и элементов конструкций средней и повышенной прочности
(s_в = 420…520 МПа), требующих долговечности при переменных нагрузках, в строительных конструкциях. Из дуралюмина изготовляют обшивки, шпангоуты, стрингеры и лонжероны самолетов, силовые каркасы и кузова грузовых автомобилей и т.д.

Сплавы Al с Si называют силуминами. Они обладают хорошими литейными свойствами и содержат 4…13 % Si. Из диаграммы состояния этих сплавов (рис. 3) следует, что силумины представляют собой доэвтектические или эвтектические сплавы, содержащие в структуре значительные количества эвтектики.

Однако при литье в обычных условиях эти сплавы приобретают неудовлетворительное строение, так как эвтектика получается грубопластинчатой, с крупными включениями хрупкого кремния, что сообщает сплавам низкие механические свойства.

На рис. 4, а представлена структура силумина марки АЛ2, содержащего 11…13 % Si. В соответствии с диаграммой состояния алюминий – кремний сплав такого состава имеет эвтектическое строение. Эвтектика состоит из a -твердого раствора кремния в алюминии (светлый фон) и игольчатых крупных и хрупких кристаллов кремния. Игольчатые выделения частиц кремния создают внутренние острые надрезы в пластичном алюминии и приводят к преждевременному разрушению при нагружении.

Рис. 3. Диаграмма состояния системы Al – Si

 

 

а б

Рис. 4. Силумин: а – до модифицирования, грубоигольчатая эвтектика (Al-Si) и первичные выделения кремния; б – после модифицирования, мелкодисперсная эвтектика

(Al-Si) и дендриты твердого раствора
кремния и других элементов в алюминии

 

Введение модификатора меняет характер кристаллизации. Происходит смещение линий диаграммы состояния так, что сплав с 11…13 % кремния становится доэвтектическим. В структуре появляются избыточные светлые зерна a -твердого раствора (рис. 4, б). Модификатор изменяет форму частиц кремния: вместо игольчатых выпадают мелкие равноосные, не создающие опасных концентраций напряжений при нагружении.

В результате модифицирования предел прочности у данных сплавов повышается с 130 до 160 МПа, а относительное удлинение с 2 до 4 %.

В сплавах, обрабатываемых давлением, содержание кремния менее 1 %. В алюминиевых сплавах, содержащих магний, кремний связывается с ним в устойчивое металлическое соединение Mg₂Si; оно образует с алюминием диаграмму состояния эвтектического типа с ограниченными твердыми растворами (рис. 5).

Соединение Mg₂Si отличается высокой твердостью, его переменная растворимость в алюминии позволяет достигать значительного упрочнения при термической обработке.

В электротехнике применяют алюминиевые сплавы типа альдрей, легированные магнием и кремнием. При старении закаленных сплавов Mg₂Si выпадает из твердого раствора и упрочняет его. В результате такой обработки удается получит предел прочности до 350 МПа при относительном удлинении 10-15 %. Существенно, что электрическая проводимость такого сплава составляет 85 % электрической проводимости проводникового алюминия. Это обусловлено тем, что из твердого раствора при старении почти полностью удаляется Mg₂Si и сплав состоит из чистого алюминия и упрочняющей фазы (Mg₂Si).

 

Рис. 6. Диаграмма состояния системы Al – Mg

 

Магний образует с алюминием твердые растворы, а также b -фазу на основе соединения Mg₂Al₃. В большинство алюминиевых сплавов вводится магния не более 3 %, но в некоторых литейных сплавах типа магналия содержание его доходит до 12 %.

Как видно из рис. 6, в сплавах алюминия с магнием образуется эвтектика. Растворимость магния в алюминии сильно меняется с изменением температуры. В качестве примера можно привести сплав АЛ8. В литом состоянии он имеет структуру, состоящую из зерен твердого раствора магния в алюминии и включений хрупкого соединения Al₃Mg₂. После литья проводится гомогенизация при температуре 430 °С в течение 15…20 часов, затем следует закалка в масле.

В процессе гомогенизации включения Al₃Mg₂ полностью переходят в твердый раствор. Закаленный сплав приобретает достаточную прочность (s_в = 300 МПа) и большую пластичность. Одновременно сплав приобретает высокую коррозионную стойкость. Старение для сплава АЛ8 является вредным: резко снижается пластичность и ухудшается коррозионная стойкость.

Цинк вводится в некоторые высокопрочные алюминиевые сплавы в количестве до 9 %. В двойных сплавах с алюминием при температуре выше 250 °С цинк (в этих пределах) находится в твердом растворе (рис. 7).

Рис. 7. Диаграмма состояния системы Al – Zn

 

 

Все высокопрочные сплавы имеют сложный химический состав. Так, сплав В95 содержит 6 % Zn, 2,3 % Mg, 1,7 % Cu,
0,4 % Mn и 0,15 % Cr. Цинк, магний и медь образуют с алюминием твердые растворы и металлические соединения MgZn₂, Al₂CuMg – S-фаза, Mg₄Zn₃Al₃ – T-фаза. При нагревании эти металлические соединения растворяются в алюминии.

Например при температуре 475 ºС растворимость MgZn₂ в алюминии повышается до 18 % (рис. 8).

После закалки и искусственного старения сплав В95 имеет s_в = 600 МПа, d = 12 %. Марганец и хром усиливают эффект старения и повышают коррозионную стойкость сплава.

(мас.)

Рис. 8. Диаграмма состояния системы Al – MgZn₂