Алюминий: свойства и физическое металловедение: Справочник

Хэтч Дж.Е. (ред.)

Металлургия, 1989 г.

6.4. ОСНОВНЫЕ ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ПРИМЕСИ

Свойства наиболее важных легирующих элементов и примесей кратко описаны ниже (в алфавитном порядке). Относительно некоторых свойств, особенно касающихся примесей, информация недостаточна и имеющиеся данные относятся только к определенным сплавам или состояниям. Более подробные сведения о промышленных сплавах приведены в других главах.

Бериллий вводят в алюминиевые сплавы, легированные магнием, для уменьшения окисления при повышенных температурах. Окисление и взаимодействие расплава с формой предотвращаются при содержании бериллия от 5 до 50 млн.-¹, что дает возможность использовать непросушенные песчаные формы для литья А1 — Mgсплавов. Небольшие добавки бериллия (0,01 — 0,05 %) применяют в алюминиевых литейных сплавах для улучшения жидкотекучести и литейных свойств в производстве деталей двигателей, например поршней и головок цилиндров. В модифицированных эвтектических литейных Al— Siсплавах добавки бериллия способствуют сохранению в расплаве натрия, являющегося модификатором.

Бериллий в количестве до 0,1 % используют в ваннах алитирования стали для улучшения адгезии пленки алюминия и ограничения образования вредных соединений железа с алюминием. Механизм такого воздействия бериллия связывают с диффузией его на поверхности обрабатывавмой стали и образованием защитного слоя.

Окисление и изменение цвета у деформированных полуфабрикатов из Al —Mgсплавов значительно уменьшаются при небольших добавках бериллия благодаря диффузии бериллия к поверхности и образованию окисла с высоким объемным отношением. Бериллий не влияет на коррозионную стойкость алюминия. Обычно содержание бериллия составляет менее 8 млн.-¹ в присадочной проволоке; количество бериллия должно быть ограничено и в деформируемых сплавах, предназначенных для сварки.

Интоксикация бериллием проявляется в виде аллергии, степень которой зависит от интенсивности и длительности контактов с бериллием. Вдыхание пыли, содержащей частицы бериллия, может привести к острому отравлению. Бериллий не вводят в сплавы, используемые в контакте с пищевыми продуктами и напитками.

Бор применяют в производстве алюминия и его сплавов в качестве рафинирующей добавки и для повышения электропроводности путем образования соединений с ванадием, титаном, хромом и молибденом (вес указанные элементы, присутствующие в алюминии промышленной чистоты, снижают электропроводность). Как рафинирующую добавку при кристаллизации бор можно использовать только в количестве 0,095 - 0,1 %. но действие его эффективнее при совместном введении с титаном, при этом количество титана должно быть больше, обычно в соотношении 5:1. Бор имеет большое сечение захвата нейтронов и вводится в алюминиевые сплавы, используемые в атомной энергетике, но его содержание должно быть ограничено очень малыми количествами в сплавах, применяемых в реакторах, где указанное свойство играет отрицательную роль.

Ванадий содержится в количестве 10—200 млн.^-1 в алюминии промышленной чистоты. Поскольку он снижает электропроводность, в сплавах, предназначенных для электрокабелей, стремятся к образованию вы делений соединений ванадия с бором. Равновесная диаграмма состояния Al —V со стороны алюминия имеет перитектический тип, вследствие чего

можно ожидать рафинирующий эффект интерметаллида VAl, однако действие его менее эффективно, чем титана и циркония. Ванадий повышает температуру рекристаллизации.

Висмут. Металлы с низкой температурой плавления, такие как висмут, свинец, олово и кадмий, вводят в алюминий для улучшения обрабатываемости резанием. Эти элементы имеют ограниченную растворимость в твердом алюминии и образуют мягкие, легкоплавкие фазы, которые способствуют ломкости стружки и смазыванию режущего инструмента. Преимущество висмута состоит в том, что увеличение его объема при затвердевании компенсирует усадку свинца. Свинец и висмут в соотношении 1 : 1 содержатся в сплавах 2011 системы Al-Cuи 6262 системы Al-Mg₂Si. Небольшие добавки висмута (20-200 млн.^-1) могут быть использованы в сплавах системы Al- Mgдля устранения вредного влияния натрия на горячеломкость.

Водород. Растворимость водорода в жидком алюминии при температуре плавления выше, чем в твердом состоянии (см. гл. 1). Это является причиной образования газовой пористости при затвердевании. Водород образуется при восстановлении алюминием водяного пара атмосферы и при разложении гидрокарбонатов. Поглощение водорода как твердым, так и жидким алюминием усиливается в присутствии определенных примесей на поверхности и в атмосфере, например соединений серы. Наличие гидридообразующих элементов в металле вызывает увеличение поглощения водорода расплавом. Другие элементы (бериллий, медь, олово и кремний) уменьшают поглощение водорода.

Кроме образования первичной пористости в слитках, водород приводит к возникновению вторичной пористости, пузырей и усиленному газовыделению при термической обработке. По-видимому, водород играет определенную роль в процессе разрушения по границам зерен при коррозионном растрескивании. Обеспечение регламентированного содержания водорода в расплаве производят путем продувки нейтральными газами или вакуумной дегазацией.

Галлий обычно присутствует в алюминии в качестве примеси в количестве 0,001 — 0,02 %. При таком содержании влияние его на механические свойства очень незначительно. Установлено, что 0,2 % Gaоказывают влияние на коррозионные свойства, а также на поведение некоторых сплавовпри травлении и полировании. Жидкий галлий в контакте с алюминиевым сплавом очень быстро проникает в образец, диффундируя по границам зерен. Это может привести к полному межкристаллитному разрушению. Добавка 0,01 — 0,1 % Gaв расходуемые аноды предохраняет их от пассивации.

Железо является самой обычной примесью в алюминии и имеет высокую растворимость в жидком алюминии. Растворимость железа в твердом состоянии очень мала (~0,04 %) и если содержание его в сплаве выше указанного, то железо присутствует в виде интерметаллических соединений с алюминием, а часто и с другими элементами. Благодаря своей ограниченной растворимости железо используется в электротехнических сплавах для проводов, где оно несколько повышает прочность (рис. 6.18) и улучшает характеристики ползучести при умеренно повышенных температурах. Хотя небольшие количества железа в алюминии могут уменьшить прилипание металла к стенкам формы при литье в кокиль, присутствие его в литейных сплавах системы Al —Si(силумины) обычно нежелательно, поскольку при этом образуются грубые выделения фаз, обогащенных железом, которые снижают пластичность.

Железо уменьшает размер зерна в деформированных полуфабрикатах. Сплавы алюминия с железом и марганцем, состав которых близок к тройной эвтектике, например 8006, имеют хорошее сочетание прочности и пластичности при комнатной температуре и сохраняют прочность при повышенных температурах. Такие свойства достигаются благодаря мелкозернистой структуре, которая стабилизируется очень дисперсными выделениями второй фазы, обогащенной железом. Железо добавляют в сплавы системы Al —Си —Niдля повышения прочности при повышенных температурах.

Индий. Небольшие добавки индия (0,05 — 0,2 %) существенно влияют на упрочнение сплавов А1 — Си при старении, особенно при низком содержании меди (2 — 3 %). Характер воздействия индия очень сходен с кадмием в том отношении/что он уменьшает эффект естественного старения, но увеличивает эффект искусственного. Добавка магния ослабляет влияние индия. Считается, что небольшие добавки индия (0,03 — 0,5 %) полезны в алюминиево-кадмиевых подшипниковых сплавах.

Кадмий — относительно легкоплавкий элемент, который находит ограниченное применение в производстве алюминия и его сплавов. В количестве до 0,3 % кадмий вводят в сплавы А1 — Си для ускорения процесса искусственного старения, повышения прочности и улучшения коррозионных свойств. Добавки кадмия (0,005 — 0,5 %) используют для сокращения продолжительности старения сплавов системы Al — Zn — Mg. Считается, что следовые количества кадмия снижают коррозионную стойкость чистого алюминия. При содержании свыше 0,1 % кадмий вызывает горяче-ломкость в некоторых сплавах. Ввиду сильного поглощения нейтронов кадмием содержание его должно быть ограничено на очень низком уровне в сплавах, предназначенных для атомной энергетики. Кадмий используют для улучшения обрабатываемости резанием, в частности сплавов системы Al— Zn- Mg, причем он предпочтительнее висмута и свинца из-за более высокой температуры плавления. Добавка 0,1 % Cdулучшает обрабатываемость резанием. Кадмий используют в подшипниковых сплавах наряду с кремнием. Соединения кадмия высокотоксичны. Пары кадмия при плавке, литье и обработке флюсами представляют опасность.

Кальций имеет очень низкую растворимость в алюминии и образует интерметаллид СаАЦ. Группа сплавов, содержащих около 5 % Са и 5 % Zn, обладает эффектом сверхпластичности. Соединение кальция с кремнием (CaSi₂) почти нерастворимо в алюминии и поэтому несколько повышает электропроводность алюминия промышленной чистоты. В сплавах системы Al-Mg-Siкальций уменьшает эффект старения. Действие кальция в сплавах Al— Siпроявляется в увеличении прочности и снижении удлинения, но эти сплавы не становятся термически упрочняемыми. При 0,2 % Са изменяется поведение сплава 3003 в процессе рекристаллизации. При очень малых содержаниях кальция (10 млн.^-1) увеличивается склонность расплавленных алюминиевых сплавов к насыщению водородом.

Кобальт не является широко используемой добавкой в алюминиевых сплавах. Его вводят в некоторые Al— Siсплавы, содержащие железо, для преобразования игольчатых выделений /3-фазы (Al — Fe — Si) в более округлую фазу Al-Co-Fe, благодаря чему улучшаются прочностные и пластические характеристики. Сплавы системы Al —Zn —Mg — Си, легированные кобальтом в количестве 0,2- 1,9 %, получают методом порошковой металлургии.

Кремний. Содержание кремния как примеси в электролитическом алюминии (0,01-0,15 %) самое высокое после железа. Кремний является также наиболее часто используемой добавкой в литейных сплавах (см. гл. 8). В деформируемых сплавах кремний используют вместе с магнием в количестве до 1,5 % для образования фазы Mg₂Siв термически обрабатываемых сплавах серии 6ХХХ.

Сплавы Al — Siвысокой чистоты горячеломки при содержании кремния до 3 %, причем критический интервал соответствует 0,17 — 0,8 % Si. Кремний в количестве 0,5 — 4 % уменьшает склонность к трещинообразованию в сплавах системы Al— Си — Mg. Целый ряд алюминиевых литейных сплавов, содержащих кремний с медью и (или) магнием, находит промышленное применение. Небольшие добавки магния к любому сплаву, содержащему кремний, обеспечивают возможность его упрочнения посредством термообработки, при обратном соотношении картина меняется, поскольку при избытке магния по сравнению с количеством, необходимым для образования соединения Mg₂Si, резко снижается растворимость этой фазы в твердом состоянии. Механические свойства литейных Al —Siсплавов улучшаются при модифицировании, что показано на рис. 6.19. При литье в охлаждаемую изложницу аналогичный эффект достигается путем рафинирования кремниевой эвтектики (рис. 6.20) .