Влияние примесей на структуру и свойства алюминиевых сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

16

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт цветных металлов и материаловедения

Материаловедение и термическая обработка металлов им. В.С. Биронта кафедра

РЕФЕРАТ

по материаловедению

Влияние примесей на структуру и свойства алюминиевых сплавов

Преподаватель

Меркулова Г.А.

Студент ЦМ19-28М061943758

Мозолевский С.А.

Красноярск 2020

Введение

Алюминий является важнейшим цветным металлом, по объему производства намного опережающим другие цветные металлы, а среди конструкционных материалов уступающим только стали. Стабильно высокий спрос на алюминий и, соответственно, высокие темпы прироста производства обусловлены его уникальными физико-химическими свойствами, благодаря которым он нашел широкое применение в электротехнике, авиа- и автостроении, транспорте, производстве бытовой техники, строительстве, упаковке пищевых продуктов и других отраслях.

Алюминий по содержанию в земной коре (в виде его соединений) занимает первое место среди металлов - 8,13% и третье место после кислорода и кремния. По данным академика А.Е. Ферсмана, насчитывается более 250 минералов алюминия, которые преимущественно сосредоточены вблизи поверхности земли, более 40% из них относится к алюмосиликатам. Практически единственным методом производства металлического алюминия является электролиз криолито-глиноземного расплава. Основное сырье для этого процесса - глинозем (оксид алюминия Al2O3), получают различными гидрохимическими методами путем переработки минералов, содержащих соединения алюминия.

Алюминий - серебристо-белый металл с синеватым оттенком. Уникальное сочетание свойств алюминия - малая плотность, высокая тепло- и электропроводность, коррозионная стойкость, хорошая механическая прочность в сочетании с высокой пластичностью обеспечили широкое применение как чистого металла, так и сплавов на его основе. Металлические примеси попадают в алюминиевые сплавы в процессе их приготовления при использовании возврата, стружки, отходов производства, а также непосредственно из алюминия, который содержит от 0,01 до 2% металлических примесей. Основные металлические примеси в алюминиевых сплавах -- железо и кремний. Кроме того, алюминиевые сплавы часто содержат медь, титан, цинк, никель, магний, марганец, олово, свинец и бериллий.

Влияние металлических примесей на свойства алюминия и его сплавов многообразно. Примеси изменяют не только структуру сплава и механические свойства, но и технологические, физические, химические, коррозионные и другие свойства.

Алюминиевые сплавы

Наиболее распространенные элементы в составе алюминиевых сплавов -- медь, марганец, магний, цинк и кремний. Реже встречаются сплавы с титаном, бериллием, цирконием и литием.

Алюминиевые сплавы условно разделяют на две группы: литейные и деформируемые.

Для изготовления литейных сплавов расплавленный алюминий заливают в литейную форму, которая соответствует конфигурации получаемого изделия. Эти сплавы часто содержат значительные примеси кремния для улучшения литейных свойств.

Деформируемые сплавы сначала разливают в слитки, а затем придают им нужную форму.

Марки алюминиевых сплавов

Для маркировки алюминиевых сплавов согласно ГОСТ 4784-97 пользуются буквенно-цифровой системой, в которой:

А -- технический алюминий;

Д -- дюралюминий;

АК -- алюминиевый сплав, ковкий;

АВ -- авиаль;

В -- высокопрочный алюминиевый сплав;

АЛ -- литейный алюминиевый сплав;

АМг -- алюминиево-магниевый сплав;

АМц -- алюминиево-марганцевый сплав;

САП -- спеченные алюминиевые порошки;

САС -- спеченные алюминиевые сплавы.

После первого набора символов указывается номер марки сплава, а следом за номером -- буква, которая обозначает его состояние:

М -- сплав после отжига (мягкий);

Т -- после закалки и естественного старения;

А -- плакированный (нанесен чистый слой алюминия);

Н -- нагартованный;

П -- полунагартованный.

Виды алюминиевых сплавов и влияния примесей на их свойства

Алюминиево-магниевые сплавы

Эти пластичные сплавы обладают хорошей свариваемостью, коррозийной стойкостью и высоким уровнем усталостной прочности. Магний хорошо растворим в алюминии (Ср = 15,35 %). Для сплавов характерна низкая (449 °C) температура эвтектики и, как следствие, широкий интервал кристаллизации (температура плавления магния 651 °C); при Ср = 15,35 % Mg интервал кристаллизации составляет 150 °C.

В алюминиево-магниевых сплавах содержится до 6% магния. Чем выше его содержание, тем прочнее сплав. Повышение концентрации магния на каждый процент увеличивает предел прочности примерно на 30 МПа, а предел текучести -- примерно на 20 МПа. При подобных условиях уменьшается относительное удлинение, но незначительно, оставаясь в пределах 30-35%. Однако при содержании магния свыше 6% механическая структура сплава в нагартованном состоянии приобретает нестабильных характер, ухудшается коррозийная стойкость.При более высоком содержании магния свыше 8% прочность сплавов заметно понижается. Пластичность сплавов с увеличением содержания магния заметно уменьшается. Такое изменение механических свойств хорошо согласуется с изменением микроструктуры Структура литого образца сплава АМг10 характеризуется равномерным распределением фазы Al3Mg2 в матрице б-тв?рдого раствора (рис. 1). Величина зерна составляет 50-70 мкм.

Рисунок 1- Структура сплава АМг10 после кристаллизации.

Рисунок 2- Диаграмма сплава АМг

Алюминиево-магниевые сплавы обладают малой плотностью, наибольшей удельной прочностью и ударной вязкостью, хорошей обрабатываемостью резанием, пониженной герметичностью и литейными свойствами. Недостатком алюминиево-магниевых сплавов с высоким содержанием магния является то, что их нельзя подвергать длительным нагревам при температурах выше 80 °C вследствие увеличения чувствительности к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением. Максимальная рабочая температура не превышает 100-120 °C при условии, что вводят добавки кремния, несколько повышающие жаропрочность.Для улучшения прочности в сплавы добавляют хром, марганец, титан, кремний или ванадий. Примеси меди и железа, напротив, негативно влияют на сплавы этого вида -- снижают свариваемость и коррозионную стойкость. [1]

Алюминиево-марганцевые сплавы

Это прочные и пластичные сплавы, которые обладают высоким уровнем коррозионной стойкости и хорошей свариваемостью.Для получения мелкозернистой структуры сплавы этого вида легируют титаном, а для сохранения стабильности в нагартованном состоянии добавляют марганец. Основные примеси в сплавах вида Al-Mn -- железо и кремний.Оба этих элемента уменьшают растворимость марганца в алюминии. Для получения мелкозернистой структуры сплавы этой системы легируют титаном.Марганец в пределах от 1 до 2 % является главным легирующим элементом в сплавах вида Al-Mn . Он придает этим сплавам пластичность, что обеспечивает им хорошую формуемость, а также широкий спектр механических свойств в различных нагартованных состояниях.

Рисунок 3-Диаграмма состояния алюминиево-марганцевый сплав.

Рисунок 4-Микроструктура АМЦ

Эти сплавы имеют более высокие прочностные свойства при повышенных температурах. Марганец дает сплавам пластичность, а в комбинации с железом он улучшает литейные свойства сплавов и снижает усадку при затвердевании металла. До содержания 2 % марганец повышает прочность и твердость, но менее эффективно, чем медь или магний.В некоторых сплавах, например, в том же 3004, к упрочняющему эффекту легирования марганцем добавляют эффект от легирования магнием в концентрациях от 0,8 до 1,3 %. Это дает дальнейшее упрочнение твердого раствора.

Рисунок 4- Алюминиево-марганцевый сплав

Сплавы алюминий-медь-кремний также называют алькусинами. Из-за высоких технических свойств их используют во втулочных подшипниках, а также при изготовлении блоков цилиндров. Обладают высокой твердостью поверхности, поэтому плохо прирабатываются.

Алюминиево-медные сплавы

Механические свойства сплавов этого вида в термоупрочненном состоянии порой превышают даже механические свойства некоторых низкоуглеродистых сталей. Их главный недостаток -- невысокая коррозионная стойкость, потому эти сплавы обрабатывают поверхностными защитными покрытиями. Алюминиево-медные сплавы легируют марганцем, кремнием, железом и магнием. Последний оказывает наибольшее влияние на свойства сплава: легирование магнием значительно повышает предел текучести и прочности. Добавление железа и никеля в сплав повышает его жаропрочность, кремния -- способность к искусственному старению.Эти сплавы являются термически упрочняемыми и могут достигать довольно высокой прочности и пластичности, особенно если они получены из слитков с содержанием железа не более 0,15 %. Алюминиево-медные сплавы являются однофазными. В отличие от сплавов алюминия с кремнием здесь нет вторичной фазы с высокой жидкотекучестью, которая бывает так полезна на последних стадиях затвердевания отливок. Когда такая фаза присутствует, она помогает заполнять металлом пустоты, которые возникают при усадке, а также компенсирует напряжения, которые возникают в отливке при ее затвердевании. Из-за этогоалюминиево-медные сплавы проявляют весьма низкие литейные свойства и требуют более тщательного проектирования литейных форм, чтобы получить хорошую отливку. Эти сплавы применяют главным образом для литья в песчаные формы. Если есть необходимость их литья в металлические формы, то в них добавляют кремний для увеличения текучести и снижения горячего растрескивания. Однако добавки кремния существенно снижают пластичность материала отливки.

Рисунок 4-Диаграмма состояния системыАl - Сu

Сплавы алюминий-медь-кремний также называют алькусинами. Из-за высоких технических свойств их используют во втулочных подшипниках, а также при изготовлении блоков цилиндров. Обладают высокой твердостью поверхности, поэтому плохо прирабатываются. Сплавы алюминий-медь с более высоким содержанием меди (7-8 %) когда-то были самыми популярными. В настоящее время их почти полностью заменили сплавы алюминия-медь-кремний. Единственным преимуществом сплавов алюминий-медь с высоким содержанием меди является их нечувствительность к примесям. Однако они имеют очень низкую прочность и весьма посредственные литейные свойства. Очень ограниченное применение имеют алюминиево-медные сплавы, которые содержат 9-11 % меди. Они сохраняют высокую прочность при повышенных температурах и имеют высокую износостойкость, что очень привлекательно для применения в авиационных головках цилиндров и автомобильных блоках цилиндров.

Алюминий-кремниевые сплавы

Сплавы этого вида иначе называют силуминами. Некоторые из них модифицируют добавками натрия или лития: наличие буквально 0,05% лития или 0,1% натрия увеличивает содержание кремния в эвтектическом сплаве с 12% до 14%. Сплавы применяются для декоративного литья, изготовления корпусов механизмов и элементов бытовых приборов, поскольку обладают хорошими литейными свойствами.

Рисунок 5-Диаграмма состояния «алюминий - кремний»

Микроструктура литых доэвтектических силуминов состоит из светлых дендритов a - твердого pacтворa кремния в алюминии и двойной эвтектики a + Si игольчатого типа, рис. 8в (т.к. растворимость Al в Si при комнатной температуре составляет 0,05 % , допустимо считать, что в структуре сплавов при низких температурах присутствует не b -твердый раствор, а кремний).

Рисунок 6- Микроструктура силуминов (справа - схематическое изображение):

· а) доэвтектический,

· б) эвтектический

· в) заэвтектический,

· г) модифицированный.

Кремний хрупок, поэтому силумины имеют низкие механические свойства (s b = 120 - 160 МПа, d = 1 - 2 %). Чтобы избавиться от грубой эвтектики и первичных кристаллов, сплавы модифицируют, т.е. перед разливкой в расплав вводят небольшое количество натрия (0,05 - 0,08 % к массе сплава) или кальция, бора. В результате модифицирования увеличивается концентрация кремния в эвтектике (с 11,7 % до 15 %) и сплавы переохлаждаются относительно равновесно эвтектической температуры 577 °С. Силумины заэвтектического состава, содержащие 11,7 - 15 % Si, становятся доэвтектическими, и в их структуре вместо первичных хрупких кристаллов кремния имеются дендриты пластического a -твердого раствора (рис. 6г). Переохлаждение приводит к формированию в структуре мелкозернистой эвтектики.Модифицирование улучшает не только механические свойства силуминов (s b = 170 - 200 MПа, d = 3 - 5 %), но и литейные. Модифицированные силумины хорошо свариваются и имеют высокую коррозионную стойкость.

Для повышения прочности двойные силумины легируют магнием, медью и подвергают термической обработке.

По назначению конструкционные литейные алюминиевые сплавы условно делятся на следующие группы:

· 1) сплавы, отличающиеся высокой герметичностью (АК12, АК8);

· 2) высокопрочные жаропрочные сплавы (АМ5, АК5М);

· 3) коррозионно-стойкие сплавы (АМг10; АЦ4Мг).

Сплавы алюминий-цинк-магний

Прочные и хорошо обрабатываемые. Типичный пример высокопрочного сплава этого вида -- В95. Подобная прочность объясняется высокой растворимостью цинка и магния при температуре плавления до 70% и до 17,4% соответственно. При охлаждении растворимость элементов заметно снижается.

Рисунок7- Фазовая диаграмма алюминий-цинк

Алюминиевые литейные сплавы, легированные цинком и магнием, термически упрочняются в процессе обычного вылеживания, то есть естественного старенения. При этом максимальная прочность достигается через 20-30 суток после разливки и при выдержке при комнатной температуре. Это процесс упрочнения может быть ускорен искусственным старением.

В принципе для достижения оптимальных свойств эти сплавы не требуют высокой температуры нагрева под закалку и резкого охлаждения как другие термически упрочняемые сплавы, например, сплав алюминий-медь и алюминий-кремний-магний. Однако из-за проблем в этих сплавах с микросегрегацией фазы магний-цинк обычно их подвергают быстрому затвердеванию. Литейные свойства литейных алюминиевых сплавов системы алюминий-цинк-магний весьма посредственные. Поэтому для получения хороших отливок требуется жесткий контроль условий затвердевания. Чтобы предотвратить усадочные дефекты применяют охлаждение с умеренными и высокими температурными градиентами. Чаще для этих сплавов применяют литье в песчаные формы, а при литье в постоянные формы можно столкнуться со значительными трудностями.

Основной недостаток этих сплавов -- низкую коррозионную стойкость во время механического напряжения -- исправляет легирование медью.

Авиаль

Авиаль -- группа сплавов системы алюминий-магний-кремний с незначительными добавлениями иных элементов (Mn, Cr, Cu). Название образовано от сокращения словосочетания «авиационный алюминий».

Применять авиаль стали после открытия Д. Хансоном и М. Гейлером эффекта искусственного состаривания и термического упрочнения этой группы сплавов за счет выделения Mg2Si.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью и удовлетворительной коррозионной стойкостью. Из авиаля изготавливают кованые и штампованные детали сложной формы. Например, лонжероны лопастей винтов вертолетов. Для повышения коррозионной стойкости содержание меди иногда снижают до 0,1%.

Рисунок 8- Диаграмма состояния Al-Mg2Si

На свойства авиалей оказывают влияние и другие металлические элементы, обычно присутствующие в сплавах в качестве примесей. При содержании железа в сплаве до 0,3% практически не изменяются механические свойства авиалей, большие же количества железа (0,5-0,7%) вызывают снижение прочности и пластичности из-за образования нерастворимых интерметаллических фаз Al-Si-Fe, Al-Fe-Mn-Si, Al-Cr-Fe-Si и Al-Mn-Fe. Вместе с тем при повышенном содержании железа в сплавах измельчается структура полуфабрикатов и уменьшается их склонность к горячим трещинам при литье. Наличие титана также способствует уменьшению склонности сплавов к горячим трещинам и, кроме того, приводит к повышению прочности к пластичности слитков из-за измельчения их зерна и выравниванию их свойств по сечению. Цинк в тех количествах, в которых допускается его содержание в авиалях, не оказывает влияния на их механические, коррозионные и технологические свойства. Содержание меди в авиалях, когда онa присутствует в качестве примеси, ограничивается 0,1%, чтобы не допустить появления склонности к межкристаллитной коррозии у сплавов. Чрезвычайно малое допустимое содержание примесей в сплаве САВ-1, связано с необходимостью в максимально возможной степени уменьшить его сечение захвата нейтронов, так как этот сплав используется для изготовления элементов атомных реакторов.

Фазовый состав авиалей зависит прежде всего от соотношения концентраций в них основных легирующих элементов - магния и кремния. Общую характеристику авиалей можно дать в следующем виде. Авиали - группа деформируемых алюминиевых сплавов повышенной пластичности, низкой и средней прочности, с хорошими технологическими свойствами, высокой коррозионной стойкостью, низким электросопротивлением, способных подвергаться цветному анодированию и другим видам декоративной поверхностной обработки. Высокая пластичность в горячем состоянии позволяет изготавливать из них тонкостенные полые прессованные полуфабрикаты сложной формы. Авиали можно подвергать также штамповке, вытяжке и другим видам обработки давлением при комнатной температуре со значительными степенями пластической деформации. Авиали обладают хорошей пластичностью в холодном и горячем состоянии, удовлетворительно обрабатываются резанием после закалки и старения.

сплав алюминий цинк марганец

Заключение

В зависимости от того, какие примеси присутствуют в алюминии, наблюдаются изменения его коррозионных, физических, механических и технологических свойств. Большинство примесей отрицательно сказываются на электропроводности алюминия. Наиболее распространенные примеси: железо, кремний. Железо, наряду с электропроводностью, снижает пластичность и коррозионную стойкость, повышает прочностные свойства алюминия. Присутствие железа в сплавах алюминия с кремнием и магнием отрицательно сказывается на свойствах сплава. Только в тех сплавах алюминия, где присутствует никель, железо считается полезной примесью.

Наиболее распространенная примесь в алюминиевых сплавах - кремний. Данный металл, а также медь, магний, цинк, марганец, никель и хром вводят в алюминиевые сплавы как основные компоненты. Соединения CuAl2, Mg2Si, CuMgAl2- эффективно упрочняют алюминиевые сплавы.

Основные легирующие элементы в алюминиевых сплавах. Марганец повышает коррозионную стойкость. Кремний является основным легирующим элементом в ряде литейных алюминиевых сплавов (силуминов), поскольку он участвует в образовании эвтектики.

Ni, Ti, Сг, Fе повышают жаропрочность сплавов, затормаживая процессы диффузии и образуя стабильные сложнолегированные упрочняющие фазы. Литий в сплавах способствует возрастанию их модуля упругости. Вместе с тем магний и марганец снижают тепло- и электропроводность алюминия, а железо - его коррозионную стойкость.

Список литературы

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник, 3-е издание. М.: Машиностроение, 1990, 528 с.

2. Технология металлов:Металлургия/ Б.В. Кнорозов, Л.Ф. Усова, А.В. Третьяков [и др.]; под ред. Б.В. Кнорозова. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: 1978. - 903 с.

3.Алюминиевые сплавы. Свойства, обработка, применение: справочник / отв. ред.: Х. Нильсен, В. Хуфнагель, Г. Ганулис; пер. с нем. под ред. М. Е. Дриц. - 13-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1979. - 679 с.:

4. НикитинВ.И.,Жаропрочность, пластичность и коррозия авиаля /. - М.: Металлургия, 1978. - 152 с.

5.Мальцев М. В., Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. 2-е изд. Изд-во Металлургия, 1970, 364 с.

Размещено на Allbest.ru