Влияние легирующих элементов и примесей на физические свойства алюминия и его сплавов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Влияние легирующих элементов и примесей на физические свойства алюминия и его сплавов

15.06.2021

Плотность. Относительная легкость алюминия — одна из выдающихся его особенностей. Из числа обычно используемых легирующих элементов магний, литий и кремний снижают плотность алюминиевых сплавов, а хром, медь, железо, марганец, никель, титан и цинк повышают ее.

Зависимость между плотностью сплава и его составом обычно носит почти линейный характер, что позволяет достаточно точно определить расчетную плотность как сумму плотностей каждого из элементов. Отклонение от линейной зависимости между плотностью и составом зависит от многих факторов: пористости, макронеоднородности распределения составляющих, степени растворимости в твердом состоянии, удельных объемов составляющих (которые отличаются от удельных объемов легирующих элементов), а также от таких факторов, как охлаждение от повышенных температур, холодная деформация и рекристаллизация. Условия, в которых проводится определение плотности, должны быть подробно указаны. Ввиду того что влияние многих из указанных выше факторов минимально в отожженном состоянии, данные по плотности сплавов наиболее сравнимы именно в этом состоянии. Влияние некоторых легирующих добавок на плотность алюминия (расчетные значения) показано на рис. 6.2.

Металлы, растворимые в алюминии, влияют на плотность более сложным образом, чем в случае, когда сплав состоит из двух или более фаз и когда плотность определяется по закону смесей. Влияние некоторых элементов на параметр решетки алюминия показано в табл. 1 приложения 2 к I тому трехтомного издания "Aluminum".

В общем, если элемент входит в твердый раствор и сжимает решетку, то плотность алюминия увеличивается. При выделении такого элемента из раствора решетка расширяется и плотность уменьшается (при условии, что выделяющаяся фаза не обладает меньшим удельным объемом, что может вызвать повышение плотности).

Изменения плотности, связанные с присутствием кремния в алюминии, являются примером сложного воздействия легирующего элемента на эту характеристику. Если сплав содержит до 1,65 % Si (что равно его максимальной растворимости в твердом алюминии) и если кремний не входит в твердый раствор, то снижение плотности подчиняется правилу смесей. Закалка переводит весь кремний в твердый раствор, и, поскольку этот элемент уменьшает параметр решетки алюминия, плотность сплава возрастает. Таким образом, эффект влияния кремния на плотность сплава определяется суммарным воздействием двух факторов: степенью растворимости кремния в твердом алюминии и количеством его в гетерогенной смеси.

Аналогичное изменение плотности наблюдается в сплавах системы Al-Mg, но в данном случае положение осложняется выделением фазы Mg2Al3, плотность которой значительно меньше плотности твердого раствора. Другим примером является литий, который сжимает решетку алюминия, но уменьшает его плотность.

На рис. 6.2 пунктирными линиями показаны экспериментальные зависимости плотности от содержания лития и магния при условии, что оба эти элемента находятся в алюминиевом твердом растворе.

Кроме состава и режима термообработки, на плотность сплава оказывает влияние технология его изготовления.

Например, прокатка слитка может повысить плотность за счет устранения пористости. Холодная деформация снижает плотность в результате образования дислокаций, количество которых уменьшается при отжиге, что сопровождается увеличением плотности. Эти изменения находятся в пределах 0,1 %.

Термическое расширение представляет собой обратимое изменение размеров, связанное только с изменением температуры; необратимые изменения размеров вследствие металлургических факторов, такие как остаточные напряжения или поведение растворимых фаз, не рассматриваются в данном случае.

Изменение размеров алюминиевого сплава составляет определенную долю этого изменения у алюминия чистотой 99,996 % (принятого за постоянную величину, равную 1) при испытании обоих материалов в отожженном состоянии (состояние максимальной размерной стабильности).

В табл. 6.1 приведены значения изменения константы алюминия при введении в алюминий различных добавок в пересчете на 1 % (по массе), включая группу металлов (хром, марганец, титан, ванадий и цирконий), для которых информация по этому вопросу очень ограниченна. Более подробные сведения изложены в работе.

Изменение коэффициента термического расширения при введении в алюминий добавок Al2O3, Cu, Fe, Mg. Ni, Si или Zn носит почти линейный характер. Из графиков рис. 6.3 видно, что магний и цинк увеличивает коэффициент термического расширения, в то время как другие добавки снижают его.

Влияние легирующих добавок, за некоторыми исключениями, аддитивно и подчиняется правилу смесей. Однако элементы, присутствующие в твердом растворе, могут образовывать фазы со значительно меньшей растворимостью, например Mg2Si или MgZn2. Эти фазы в основном выделяются из раствора в отожженном состоянии. Поэтому они будут выводить из раствора магний и цинк, которые в бинарных сплавах обычно остаются в твердом растворе. По имеющимся ограниченным данным, расширение, наблюдаемое в сплавах, содержащих Mg2Si или MgZn2, меньше расчетных значений, полученных из условия влияния каждой отдельной добавки.

Состояние сплава оказывает влияние на термическое расширение. Результаты замеров показывают, что термическое расширение сплавов в термообработанном состоянии (Т4 или Т6) примерно на 0,015 выше, чем в отожженном состоянии.

Теплопроводность. Значения теплопроводности, приводимые в литературе, обычно получены расчетным путем на основании измерений электросопротивления. Кэмпф, Смит и Тэйлор установили, что соотношение между тепло- и электропроводностью для отожженных алюминиевых сплавов в интервале от 0 до 400°С мало зависит от состава сплава, за исключением сплавов с кремнием, и описывается уравнением

K = 5,02ЛТ * 10в-9 + 0,03,


где К — теплопроводность; Л — электропроводность; T — абсолютная температура, К.

Влияние кремния является аномальным в том смысле, что отношение К/Т (число Лоренца) для Al-Si сплавов больше, чем для других алюминиевых сплавов, примерно на 0,05 на 1 % (по массе) кремния вплоть до эвтектической концентрации (12,6 %). Влияние химического состава на электро- и теплопроводность сходно.

Электропроводность и электросопротивление. Электропроводность, представляющая собой величину, обратную электросопротивлению, особенно точно отражает изменение химсостава и состояния термообработки. Поэтому очень существенно, что эту характеристику можно замерить легко и с большой точностью.

Все известные металлические добавки снижают электропроводность алюминия, притом в большей степени, если они входят в твердый раствор. Марганец является ярким примером такого влияния. По мере увеличения содержания марганца в твердом растворе происходит быстрое повышение электросопротивления в отличие от медленного его роста при концентрации марганца выше предельной растворимости его в твердом состоянии.

Значения максимальной растворимости различных элементов в алюминии, а также среднего повышения удельного электросопротивления на 1 % (по массе) элемента приведены в табл. 6.2. Например, если сплав содержит 1 % Cr и максимально возможное количество этого элемента находится в твердом растворе, то увеличение электросопротивления алюминия высокой чистоты (р = 2,65 МкОм*см при 20 С) составляет: 0,77*4,0 + 0,23*0,18 = 3,13 мкОм*см. Данные табл. 6.2 свидетельствуют о существенном влиянии добавок хрома, железа, лития, марганца, титана и ванадия на электросопротивление алюминия.

Влияние двух или более добавок на электросопротивление зависит от взаимодействия между легирующими элементами. Как правило, если каждый элемент в отдельности образует твердый раствор с алюминием, то влияние их аддитивно. При образовании соединения растворимость одного или обоих элементов может снизиться или же соединение может иметь свою собственную растворимость. В системе Al-Mg-Zn эффект совместного влияния цинка и магния на электросопротивление занимает промежуточное положение между величиной воздействия каждого из этих элементов в отдельности даже в случае образования фазы MgZn2.

Закалка сплава обычно приводит к самому низкому уровню электропроводности, поскольку большая часть компонентов фиксируется в твердом растворе. Однако в сплавах, стареющих при комнатной температуре, может иметь место последующее снижение электропроводности на начальных стадиях старения, обусловленное образованием зон Гинье-Престона. Распад твердого раствора при старении (в особенности при повышенных температурах) и в большей степени при отжиге вызывает увеличение электропроводности.

Изменение удельного электросопротивления 99,996 % Al с температурой составляет примерно 0,0115 мкОм*см/°С в интервале от 160 до 300°С. Поскольку зависимости между электросопротивлением и температурой для различных сплавов представляют собой семейство линий, параллельных линии алюминия, то на эту зависимость по существу не влияет состав сплава. Величина 0,0115 мкОм*см/°С может быть использована для расчета удельного электросопротивления всех алюминиевых сплавов при любой температуре, если известно значение электросопротивления при другой температуре при условии, что в сплаве не происходит никаких структурных изменений.

Специального рассмотрения заслуживает алюминий для электрических проводов марки ЕС (чистотой >99,6 %). В данном случае влияние малых концентраций примесей на электропроводность является фактором значительной экономической важности. К обычным примесям в алюминии марки ЕС относятся медь, железо, кремний, титан и малые количества некоторых других элементов. Электропроводность уменьшается на 0,8 % IACS в расчете на 0,01 % от общего содержания Ti и V. Бор в количествах, равных половине весового содержания титана и ванадия, образует соединения TiB2 и VB2, которые нерастворимы в жидком и твердом алюминии. Основная часть этих соединений оседает из расплава, а оставшееся небольшое количество не оказывает существенного влияния на электропроводность.

Магнитная восприимчивость алюминиевых сплавов зависит от магнитных характеристик, количества легирующих элементов и формы, в которой они присутствуют. Например, Al2O3 образует с алюминием простую механическую смесь; железо в виде фазы FeAl3 парамагнитно примерно в такой же степени, как и алюминий, и поэтому влияние малых его добавок незаметно; ванадий снижает парамагнитную восприимчивость с 0,628*10в-6 Гc при V = O % до 0,582*10в-6 Гc при V = 0,36 %. Марганец и хром повышают эту характеристику выше значений, которые могли бы иметь место по правилу смесей: до 0,959*10в-6 Гc при Mn = 1,38% и до 0,669*10в-6 Гc при Cr = 0,63 %.

Магнитная восприимчивость меняется при распаде твердого раствора, поскольку эта характеристика зависит от того, находится ли добавка в твердом растворе (например, в закаленном состоянии) или присутствует в виде выделившейся фазы (в отожженном состоянии), что имеет место в бинарных Al-Cu сплавах (рис. 6.4). В этой системе магнитная восприимчивость закаленного материала зависит от количества растворенного вещества, оставшегося в твердом растворе после старения, и нечувствительна к различным фазам—продуктам распада твердого раствора.

Магнитная восприимчивость чувствительна к скорости охлаждения при закалке. Например, старение сплавов с 3-5 % Cu при различных температурах, как следует из замеров магнитной восприимчивости, подчиняется линейному закону относительно логарифма времени в случае закалки сплава в холодной воде, но протекает как двухступенчатый процесс при закалке сплава в кипящей воде.

Магнитная восприимчивость нечувствительна к нагартовке, к таким дефектам структуры, как вакансии, дислокации или границы зерен, к остаточным или внешним приложенным напряжениям, а также к тому, в каком состоянии находится сплав: литом или деформированном.

Отражательная и излучательная способность. Так как полное отражение белого света (видимой части спектра) и излучательная способность алюминия являются характеристиками поверхности, легирующие добавки лишь косвенно влияют на эти характеристики. Наличие пленок или покрытий на алюминии изменяет эти свойства в зависимости от состава и прозрачности пленок (покрытий) от значений, присущих металлической поверхности, до значений, соответствующих пленке или покрытию. Анодные покрытия на полированном алюминии имеют примерно такую же способность к отражению излучения видимой части спектра, как и непокрытый алюминий; рассеянное отражение значительно уменьшается с увеличением толщины пленки (рис. 6.5).

Хотя легирующие добавки незначительно влияют на отражательную и излучательную способности, они могут сказываться на образовании поверхности пленок в процессе производства, термообработки и эксплуатации. Пленки обычно снижают способность к отражению и увеличивают излучательную способность.

При определенных процессах производства присутствие магния или Mg2Si в алюминии приводит к снижению отражательной способности с 85-90 до примерно 70 %. В этих же условиях добавка 1,25 % Mn не изменяет излучательную способность алюминия, но добавки 3,5 % Mg или 1,6 % Mg2Si повышают значения этой характеристики с 3 до 6 %.

Между повышением излучательной способности и содержанием MgO в поверхностной пленке в присутствии магния или Mg2Si наблюдается корреляция. Более того, излучательная способность алюминия возрастает примерно на 10 % при добавках магния или Mg2Si, если эти сплавы подвергнуть термообработке при температурах 260-510°С во влажном или сухом воздухе или в атмосфере гелия.

Отражательная способность излучения видимой части спектра в отличие от полного отражения белого света может быть повышена путем полировки и уменьшения шероховатости поверхности. Способ полировки, используемый для получения высокой отражательной способности (порядка 90 %), зависит от определенных легирующих добавок. Все сплавы можно полировать механическим способом; применение химического или электрохимического полирования ограничено теми сплавами, в которых оно не вызывает растрава поверхности. Магний в твердом растворе упрочняет алюминий, не снижая его высокой отражательной способности после полировки, что позволяет широко использовать эти сплавы в рефлекторах.

Промышленный интерес представляет отражательная способность алюминия и его сплавов после осветляющего травления и сернокислотного анодирования. Применение алюминия высокой чистоты ограничено его низкой твердостью, крупнозернистой структурой и стоимостью. Для повышения твердости и прочности алюминия часто используют магний или магний вместе с цинком, поскольку они оказывают незначительное влияние на отражательную способность: в пределах 2—3%. Самым отрицательным образом сказывается добавка железа, при этом снижение отражательной способности пропорционально его содержанию при концентрациях свыше 0,008 %. Минимальное содержание железа в промышленном алюминии и сплавах составляет 0,10—0,12 % в зависимости от стоимости и сорта материала. Влияние марганца несущественно в пределах до 0,30 %, при более высокой концентрации его в сплаве снижение отражательной способности возрастает. Магний и кремний в прессованных профилях из сплава 6063 ухудшают отражательную способность, если выделения Mg2Si образуют скопления. Применение закалки на прессе и старения при низких температурах позволяет повысить отражательную способность.

Поверхностное натяжение. Истинное поверхностное натяжение расплавленного алюминия трудно замерить из-за погрешности, связанной с образованием очень тонкой окисной пленки на поверхности алюминия даже в строго контролируемых условиях с использованием высокого вакуума или инертной атмосферы. Окисная пленка и натяжение на поверхности раздела между жидкой и твердой фазами являются причиной завышенных значений поверхностного натяжения при определении этой характеристики методами погружающегося цилиндра, висящей капли и капилярным методом. Из-за трудности определения поверхностного натяжения возникают осложнения при сравнении результатов, полученных различными исследователями, поскольку сильное расхождение данных может быть связано с разницей в способах определения и используемом оборудовании.

Легирующие добавки в алюминии могут понижать, повышать поверхностное натяжение или практически не влиять на него. На рис. 6.6 показаны результаты определения поверхностного натяжения капиллярным методом в интервале 700—740°С в атмосфере аргона. Как следует из приведенных графиков, висмут, кальций, литий, магний, свинец, сурьма и олово значительно снижают поверхностное натяжение алюминия чистотой 99,99 %, в то время как серебро, медь, железо, германий, марганец, кремний и цинк слабо влияют на эту характеристику. Поверхностное натяжение уменьшается с повышением температуры.

Вязкость


Замеры вязкости или внутреннего трения в жидком металле можно использовать для прогнозирования типа фаз, образующихся в твердом состоянии. Максимальные значения вязкости имеют место при предельной концентрации твердого раствора, а минимальные соответствуют эвтектическим составам в системах Al-Cu, Al-Mg, Al-Ni и Al-Si.

Вязкость служит также мерой оценки влияния легирующих добавок на жидкотекучесть алюминия. Графики рис. 6.7 показывают, что при 700°С медь, железо и титан увеличивают вязкость. Цинк слабо влияет на эту характеристику, а магний и кремний уменьшают внутреннее трение алюминия. Во всех случаях вязкость снижается с повышением температуры, и кривые для различных сплавов по существу параллельны друг другу.

Удельная теплоемкость. Алюминий имеет относительно высокую удельную теплоемкость по сравнению с другими металлами, если исходить из массы. Значения удельной теплоемкости низко- и среднелегированных алюминиевых сплавов, полученные экспериментально, мало отличаются от величин, рассчитанных по теплоемкостям компонентов с учетом их концентрации. Поскольку измерять удельную теплоемкость сложно, значения ее для сплавов часто получают расчетным путем, при этом принимается, что удельная теплоемкость сплава в отожженном состоянии линейно изменяется с составом.

Удельная теплоемкость алюминия увеличивается почти линейно с повышением температуры от комнатной до точки плавления. Несмотря на ограниченные данные, считают, что влияние легирующих элементов на теплоемкость алюминия может быть представлено семейством параллельных кривых, по которым удельная теплоемкость каждого сплава при любой температуре может быть рассчитана по известному значению теплоемкости алюминия при этой температуре.

Предполагают, что удельная теплоемкость алюминия мало изменяется с температурой в присутствии нерастворимых фаз. Температурная зависимость удельной теплоемкости (включающей теплоту выделения и растворения структурных составляющих) алюминиевых сплавов типа твердых растворов, в особенности сплавов Al-Cu и Al-Mg2Si, не подчиняется линейному закону.

Модуль упругости. Статический модуль упругости (модуль Юнга) алюминиевых сплавов зависит от состава сплава. Для малолегированных сплавов модуль упругости может быть приближенно рассчитан по значениям этой характеристики каждого из входящих в сплав элементов, исходя из их объема (за исключением лития и магния). Если образуется вторая равновесная фаза, как это имеет место с кремнием и бериллием, то правило смесей (закон аддитивности) для определения модуля применимо и для более легированных сплавов. Если добавляемый элемент образует с алюминием интерметаллические соединения или другие фазы, то упругие свойства этих фаз оказывают влияние на модуль упругости сплава.

На рис. 6.8 показано увеличение модуля Юнга алюминия, вызванное добавлением бериллия, кобальта, марганца, никеля, кремния и лития.

Метод порошковой металлургии позволяет получать алюминиевые сплавы, легированные в большей степени, чем это достижимо при обычных способах изготовления сплавов. Значения модуля упругости для некоторых порошковых сплавов приведены в табл. 6.3.


Модуль упругости определяют не только статическим, но и динамическим методом, причем результаты этих измерений не всегда совпадают. В работе сообщается, что магний, цинк, кремний и медь снижают динамический модуль упругости алюминия в .убывающей последовательности от магния к меди, исходя из атомных процентов. В другой работе указывается, что динамический модуль чистого алюминия сохраняет более высокие значения до температуры 370°С, чем модуль упругости сплавов Al-Cu, Al-Mg и Al-Zn. Кроме того, более высокие концентрации магния и цинка вызывают несколько большее снижение модуля упругости при повышении температуры по сравнению с малолегированными сплавами этих же систем.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: