Основные легирующие элементы и примеси » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Основные легирующие элементы и примеси

15.06.2021

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 Al-Mg сплавов. 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-Si сплавах 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 обрабатывав мой стали и образованием защитного слоя.

Окисление и изменение цвета у деформированных полуфабрикатов из Al-Mg сплавов 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 дли 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 VAl11, 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-Cu и 6262 системы Al-Mg2Si. Небольшие добавки висмута (20—200 млн.-1) могут быть использованы в сплавах системы Al-Mg для устранения вредного влияния натрия на горячеломкость.

Водород. Растворимость водорода в жидком алюминии при температуре плавления выше, чем в твердом состоянии. 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 % Ga оказывают влияние на коррозионные свойства, а также на поведение некоторых сплавов при 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 % Ga в 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-Cu-Ni для повышения прочности при повышенных температурах.

Индий. Небольшие добавки индия (0,05-0,2 %) существенно влияют на упрочнение сплавов Al - Cu 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 Al - Cu 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 горячеломкость 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 % Cd улучшает 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 CaAl4. Группа сплавов, содержащих около 5 % Ca 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-Si кальций уменьшает эффект старения. Действие кальция в сплавах Al-Si проявляется в увеличении прочности и снижении удлинения, но эти сплавы не становятся термически упрочняемыми. При 0,2 % Ca 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-Si сплавы, содержащие железо, для преобразования игольчатых выделений в-фазы (Al-Fe-Si) в более округлую фазу Al-Co-Fe, благодаря чему улучшаются прочностные и пластические характеристики. Сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu, 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. В деформируемых сплавах кремний используют вместе с магнием в количестве до 1,5 % для образования фазы Mg2Si в термически обрабатываемых сплавах серии 6ХХХ.

Сплавы Al-Si высокой 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-Cu-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-Si сплавов улучшаются при модифицировании, что показано на рис. 6.19. При литье в охлаждаемую изложницу аналогичный эффект достигается путем рафинирования кремниевой эвтектики (рис. 6.20). Модифицирование кремния можно производить посредством добавки натрия в эвтектические и заэвтектические сплавы и фосфора в заэвтектические сплавы. В деформируемые сплавы, предназначенные для плакировки паяемых листов, вводят до 12 % Si. Сплавы, содержащие около 5 % Si, при анодном оксидировании приобретают черную окраску и используются в декоративных целях.

Литий. Содержание примеси лития в алюминии составляет порядка нескольких частей на миллион, но при уровне менее 5 млн.-1 он может вызывать коррозионные поражения на алюминиевой фольге (в виде голубой дымки) во влажной атмосфере. Следовые количества лития сильно увеличивают скорость окисления расплавленного алюминия и изменяют свойства поверхности деформированных полуфабрикатов. Двойные Al-Li сплавы упрочняются старением, но они не нашли промышленного применения. Интерес представляют сплавы системы Al-Mg-Li, прочность которых в термически обработанном состоянии сравнима с прочностью широко используемых в авиации алюминиевых сплавов. При этом плотность сплава снижается, а модуль упругости возрастает. В сплавах указанной системы в значительном количестве содержатся когерентные выделения LiAl3 с упорядоченной структурой. Кроме повышения модуля упругости, также увеличивается сопротивление росту трещины усталости при средних значениях коэффициента интенсивности напряжений.

Магний является основным легирующим элементом в сплавах серии 5ХХХ. Максимальная растворимость магния в твердом алюминии составляет 17,4 %, но содержание его в промышленных деформируемых сплавах не превышает 5,5 %. Литейные сплавы содержат от 4 до 10% Mg. Выделение магния в литейных сплавах с 10 % Mg происходит даже при комнатной температуре. Сплавы, содержащие менее 7 % Mg, достаточно стабильны при комнатной температуре, но становятся неустойчивыми при более высоких температурах. Магний выделяется предпочтительно по границам зерен в виде фаз с высоким анодным потенциалом (Mg5Al или Mg5Al8), которые вызывают склонность к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию. Деформируемые сплавы, содержащие до 5 % Mg, обычно поставляются в стабильном состоянии. Добавка магния значительно повышает прочность алюминия без существенного снижения пластичности. Сплавы алюминия с магнием обладают высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. При деформировании этих сплавов в отожженном состоянии образуются линии Людерса.

Магний-марганец. Добавки марганца в количестве до 0,75 % в литейные сплавы системы Al-Mg повышают твердость, снижают пластичность и оказывают незначительное влияние на коррозионную стойкость. Деформируемые сплавы этой системы в нагартованном состоянии имеют высокие показатели прочности и коррозионной стойкости и хорошую свариваемость. Повышенное содержание либо магния, либо марганца вызывает трудности при изготовлении полуфабрикатов и увеличивает склонность к трещинообразованию при горячей прокатке, особенно если в сплаве имеются следы натрия. Основными преимуществами добавок марганца являются, во-первых, более однородное распределение по объему магниевой фазы и, во-вторых, то, что для достижения заданного уровня прочности и стабильности сплава при наличии марганца необходимо меньшее содержание магния.

Механические свойства плиты толщиной 13 мм в зависимости от содержания магния и марганца показаны на графиках рис. 6.21 в отожженном состоянии и рис. 6.22 в нагартованном. При повышении содержания магния прирост предела прочности составляет примерно 34 МПа на 1 % Mg; влияние марганца почти вдвое эффективнее.

Магний - Mg2Si. Деформируемые сплавы серии 6ХХХ содержат до 1,5 % Mg и Si в соотношении, соответствующем формуле Mg2 Si, т.е. 1,73:1. Максимальная растворимость Mg2Si в алюминии составляет 1,85 %, и она уменьшается при снижении температуры. Упрочнение при старении происходит за счет образования зон Гинье-Престона и очень дисперсных выделений. Как зоны, так и дисперсные выделения повышают прочность этих сплавов, хотя уровень ее не столь высок, как у сплавов серий 2ХХХ или 7ХХХ.

Сплавы Al-Mg2Si можно разделить на три группы. К первой группе относятся сплавы, в которых суммарное содержание магния и кремния не превышает 1,5 %. Эти элементы присутствуют в указанных сплавах примерно в равных количествах или с небольшим избытком кремния. Типичным примером сплавов этой группы является сплав 6063, широко применяемый в виде прессованных полуфабрикатов в строительных конструкциях. Сплав легко прессуется, номинальное содержание Mg2Si в нем составляет 1,1 %. Температура нагрева под закалку у этого сплава немного выше 500°С, и он мало чувствителен к скорости охлаждения при закалке. Поэтому непосредственно после прессования его можно охлаждать на воздухе, а затем искусственно состарить, после чего материал имеет средний уровень прочности, хорошую пластичность и превосходную коррозионную стойкость.

В сплавах второй группы суммарное содержание магния и кремния более 1,5 %, но, кроме этого, в них имеются другие добавки, например 0,3 % Cu, которая повышает прочность в состоянии Т6. Такие элементы, как марганец, хром и цирконий, используют для регулирования микроструктуры. Сплавы этой группы, так же как конструкционный сплав 6061, имеют предел прочности примерно на 70 МПа выше, чем сплавы первой группы в состоянии Т6. Температура нагрева под закалку у этих сплавов выше по сравнению со сплавами первой группы и они чувствительны к скорости охлаждения при закалке. Поэтому для них необходимо проведение отдельной операции нагрева под закалку с последующим быстрым охлаждением, после чего производят искусственное старение.

Сплавы третьей группы содержат такое количество Mg2Si, которое выше, чем в первых двух группах сплавов, при значительном избытке кремния. Избыток кремния в размере 0,2 % повышает прочность сплава, содержащего 0,8 % Mg2Si, почти на 70 МПа. Более высокое содержание кремния оказывает менее благотворное действие. Однако излишнее количество магния полезно только при низком содержании Mg2Si, поскольку магний снижает растворимость Mg2Si. В сплавах с избытком кремния выделение его по границам зерен приводит к межкристаллитному характеру разрушения в рекристаллизованных полуфабрикатах. Добавки марганца, хрома или циркония нейтрализуют влияние кремния посредством предотвращения рекристаллизации в процессе термообработки. Примером сплавов этой группы являются сплав 6351 и недавно разработанные сплавы 6009 и 6010. Добавки свинца и висмута в сплаве этой группы (6262) улучшают обрабатываемость резанием. Этот сплав имеет более высокую коррозионную стойкость, чем сплав 2011, также применяемый как хорошо обрабатываемый.

Небольшие добавки магния к литейным сплавам системы Al-Si, например сплаву 356,0 (7 % Si, 0,3 % Mg), делают их термически упрочняемыми и позволяют повысить прочность без снижения коррозионной стойкости.

Марганец является обычной примесью в первичном алюминии, при этом содержание его колеблется в пределах от 5 до 50 млн.-1. Марганец снижает электросопротивление алюминия (см. табл. 6.2). Марганец увеличивает прочность сплава либо посредством упрочнения твердого раствора, либо путем образования дисперсных интерметаллических фаз без снижения коррозионной стойкости. Растворимость марганца в твердом алюминии в присутствии обычных примесей очень ограниченна, но при литье в водоохлаждаемую изложницу марганец удерживается в твердом растворе, так что большая часть вводимого в сплав марганца, по существу, остается в твердом растворе даже в крупногабаритных слитках. В качестве добавки марганец используется для повышения прочности и регулирования микроструктуры (рис. 6.23). Влияние марганца проявляется в повышении температуры рекристаллизации и создании благоприятных условий для образования волокнистой микроструктуры при горячей деформации. Частицы марганцовистых дисперсоидов замедляют процесс рекристаллизации и препятствуют росту зерен. Выделения марганцовистых фаз увеличивают чувствительность к скорости охлаждения термически упрочняемых сплавов.

Марганец используют также для корректировки формы игольчатых или пластинчатых выделений фазы, содержащей железо, и ослабления охрупчивающего влияния этих частиц. При концентрациях до 1,25 % марганец является основным легирующим элементом в сплавах серии 3ХХХ, где он присутствует либо один, либо вместе с магнием. Сплавы этой серии используются в больших количествах для изготовления упаковки для напитков и в виде листового материала в народном хозяйстве. Даже в сильно нагартованном состоянии из этих сплавов изготавливают консервные банки.

Суммарное содержание марганца, железа, хрома и других переходных металлов необходимо ограничивать во избежание образования крупных первичных интерметаллидов в процессе выстаивания расплава или при разливке слитков. В сплавах 3003 и 3004 суммарное содержание железа и марганца не должно превышать 2,0 и 1,7 % соответственно для предотвращения образования первичной фазы (Fe, Mn) Al6 в процессе литья.

Медь. Сплавы Al-Cu, содержащие от 2 до 10 % Cu, в сочетании с другими добавками образуют важное семейство сплавов. Как литейные, так и деформируемые сплавы этой системы восприимчивы к закалке и последующему старению, при этом прочность и твердость возрастают, а относительное удлинение снижается. Максимальное упрочнение достигается при содержании 4-6 % Cu в зависимости от влияния других присутствующих элементов.

Влияние меди на механические свойства отливок, полученных литьем в песчаные формы, показано на рис. 6.24. Свойства листов при различных видах термообработки в зависимости от содержания меди приведены на графиках рис. 6.25. Кинетика старения двойных Al-Cu сплавов исследована более подробно, чем все другие системы, однако промышленное применение нашли только несколько двойных Al-Cu сплавов. Большинство промышленных сплавов содержит другие легирующие элементы.

Медь-магний. Введение магния в сплавы Al-Cu приводит к значительному эффекту упрочнения в результате естественного старения после закалки. У ряда деформируемых сплавов этой группы повышение прочности при естественном старении сочетается с высокой пластичностью. При искусственном старении можно достигнуть дальнейшего повышения прочностных свойств, особенно предела текучести при существенном снижении относительного удлинения. Добавка магния в литейные Al-Cu сплавы также повышает прочность, но снижает пластичность. Как в литейных, так и в деформируемых сплавах этой группы такое небольшое содержание магния, как 0,05 %, эффективно влияет на процесс старения. Коррозионные свойства сплавов Al-Cu с добавкой магния зависят от типа полуфабриката и режима термообработки.

Медь - магний с добавками других элементов. Для литейных Al-Cu-Mg сплавов, содержащих железо, характерны размерная стабильность и хорошие антифрикционные свойства в сочетании с высокими показателями прочности и твердости при повышенных температурах. Однако в деформируемом сплаве Al-4 % Cu-0,5 % Mg железо даже при небольшой концентрации (около 0,5 %) снижает прочностные свойства в термообработанном состоянии, если содержания кремния недостаточно для связывания железа в фазу типа a — (FeSi). В этом случае избыток железа соединяется с медью, образуя фазу Cu2FeAl7, при этом уменьшается количество меди, обеспечивающее эффект упрочнения при термической обработке. Если кремния достаточно для связывания железа, то свойства сплава не меняются. Кремний также образует соединение с магнием (Mg2Si) и тем самым участвует в процессе упрочнения при старении.

Серебро значительно повышает прочность сплавов Al-Cu-Mg в термически обработанном состоянии. Никель увеличивает прочность и твердость литейных и деформируемых сплавов Al-Cu-Mg при повышенных температурах. Добавка около 0,5 % Ni снижает прочностные свойства термически обрабатываемого деформируемого сплава Al-4 % Cu-0,5 % Mg при комнатной температуре.

Сплавы, содержащие марганец, образуют наиболее важную группу промышленных высокопрочных деформируемых сплавов системы Al-Cu-Mg; свойства этих сплавов рассматриваются далее. Заметное влияние марганца на свойства сплавов Al-Cu с 0,5 % Mg показано на рис. 6.26. Из рассмотрения графиков этого рисунка следует, что нет такого состава сплава, при котором сочетались бы максимальные прочность и пластичность. Как правило, прочность повышается при раздельном или совместном увеличении содержания магния и марганца, при этом предел текучести также возрастает, но в меньшей степени. Дальнейшее повышение прочности и, в особенности, предела текучести имеет место при холодной деформации после упрочняющей термообработки. Добавки марганца и магния ухудшают технологические характеристики сплавов Al-Cu, а марганец вызывает также потерю пластичности; поэтому концентрация марганца в промышленных сплавах не превышает около 1%. Легирование кобальтом, хромом или молибденом деформируемого сплава Al - 4 % Сu - 0,5 % Mg повышает его прочностные свойства в термообработанном состоянии, но не дает преимуществ по сравнению с добавкой марганца.

Для обеспечения высокой технологической пластичности при формообразовании для нужд автомобильной промышленности разработаны сплавы с более низким содержанием меди, чем в широко применяемых сплавах 2024 и 2014. Такими сплавами являются 2002, АИ2С и 2036. Они обладают достаточно высокой формуемостью, хорошо свариваются точечной сваркой и удовлетворительно сваркой плавлением, имеют высокую коррозионную стойкость, в них не образуются линии Людерса при деформации. Операция сушки покрытия одновременно является и старением, обеспечивая необходимые механические свойства.

Медь и малые добавки. Свойства литейных сплавов системы Al-Cu рассматриваются в гл. 8. В деформируемые сплавы этой системы вводят небольшие добавки некоторых элементов (Mn, Ti, V, Zr) для повышения температуры рекристаллизации. Сплавы с указанными добавками сохраняют высокие свойства при повышенных температурах, имеют хорошие технологические, литейные и сварочные характеристики. На графиках рис. 6.27 показано влияние концентрации меди в пределах от 3 до 8 % на свойства сплава Al - 0,3 % Mn - 0,2 % Zr - 0,1 % V при комнатной температуре и после двух различных выдержек при нагреве при 315°С. Следует отметить стабильность свойств сплава, выражающуюся в незначительном снижении прочности во времени.

Молибден. Концентрация этой примеси в алюминии очень мала (от 0,1 до 1,0 млн.-1). В силу того что диаграмма состояния Al - Mo со стороны алюминия имеет перитектический тип, молибден при концентрациях до 0,3 % используют как рафинирующую добавку, а также в качестве модификатора для фазы, содержащей железо; однако промышленного значения эта добавка не имеет.

Мышьяк. Соединение AsAl является полупроводником. Мышьяк очень токсичен (в виде AsO3), поэтому его содержание должно быть строго ограниченно на очень низком уровне и его необходимо контролировать, если алюминий используется для изготовления фольги, предназначенной для упаковки пищевых продуктов.

Никель. Растворимость никеля в твердом алюминии не превышает 0,04 %. При большем содержании он присутствует обычно в виде нерастворимого интерметаллического соединения с железом. Никель при концентрациях до 2 % увеличивает прочность алюминия высокой частоты, но уменьшает пластичность. Двойные сплавы Al-Ni не находят промышленного применения, но никель вводят в сплавы Al-Cu и Al-Si для повышения твердости и прочности при повышенных температурах и уменьшения коэффициента линейного расширения. Никель способствует питтинговой коррозии низколегированных сплавов, например таких, как 1100. Содержание никеля ограничивается в сплавах, используемых в атомных реакторах, из-за высокого поглощения нейтронов, но в других случаях он является желательной добавкой (вместе с железом), поскольку улучшает коррозионную стойкость сплавов при высоких давлениях.

Ниобий. Как и другие элементы, образующие с алюминием диаграмму перитектического типа, ниобий обычно играет роль рафинирующей добавки, но этот эффект незначителен.

Олово. Содержание олова как легирующего элемента следующее: в деформируемых сплавах - от 0,03 % до нескольких процентов, в литейных сплавах - до 25 %. При небольших концентрациях олова (0,05 %) заметно увеличивается эффект искусственного старения в сплавах после закалки, в результате чего повышается прочность и улучшается коррозионная стойкость. При больших концентрациях олова в сплавах Al-Cu возникает склонность к "горячим" трещинам. В присутствии даже очень небольшого количества магния в сплаве эффект искусственного старения сильно снижается, вероятно, вследствие образования некогерентной фазы - соединения магния с оловом.

Олово улучшает обрабатываемость резанием алюминия и его сплавов, и это используется в литейных сплавах Al-Cu, Al-Cu-Si и Al-Zn (при концентрациях до 1 %).

Подшипниковые сплавы Al-Sn с добавками других металлов (Cu, Ni, Si) применяются для изготовления подшипников, работающих при высоких скоростях, нагрузках и температурах. Добавки меди, никеля и кремния повышают несущую способность и износостойкость подшипников, а мягкая оловянистая фаза предохраняет от эрозии.

При содержании олова до 0,01 % в промышленном алюминии возможно потемнение поверхности полуфабрикатов и увеличение склонности к коррозии, что связано, по-видимому, с миграцией олова к поверхности. Этот эффект может быть уменьшен введением малых добавок меди (0,2 %). Сплавы Al-Zn с малыми добавками олова применяются для протекторных анодов в солевых растворах.

Ртуть. Этот элемент вводят в количестве до 0,05 % в алюминий, используемый для изготовления протекторных анодов, предназначенных для защиты стальных конструкций. Во всех остальных случаях контакт с ртутью или ее солями вызывает ускоренную коррозию большинства алюминиевых сплавов. При использовании ртути в качестве добавки следует учитывать ее токсичность.

Свинец. Обычно свинец присутствует в следовых количествах в алюминии промышленной чистоты, но в некоторые сплавы (например, 2011 и 6262) вводят по 0,5 % Pb и Bi для улучшения обрабатываемости резанием. Добавки свинца могут создать затруднения при изготовлении сплава, поскольку свинец склонен к ликвации и вызывает горячеломкость сплавов Al-Cu-Mg. Соединения свинца токсичны.

Сера. В алюминии промышленной чистоты сера присутствует в количестве от 0,2 до 20 млн.-1. Считается, что серу можно использовать для модифицирования доэвтектических и заэвтектических сплавов Al-Si.

Серебро имеет очень высокую растворимость в твердом алюминии (почти 55 %). Из-за высокой стоимости серебра двойные сплавы Al-Ag не нашли промышленного применения; однако небольшие добавки (0,1-0,6 % Ag) эффективны для повышения прочности и сопротивления коррозионному растрескиванию под напряжением сплавов Al-Zn-Mg.

Стронций. В алюминии промышленной чистоты обнаруживают следы стронция (0,01-0,1 млн.-1). Стронций используют вместе с натрием для модифицирования литейных сплавов Al-Si.

Сурьма присутствует в промышленном первичном алюминии в виде следов (0,01-0,1 млн.-1). Растворимость сурьмы в твердом алюминии очень мала (<0,01 %). Установлено, что при добавке сурьмы в сплавы Al-Mg образуется защитная пленка из оксихлорида сурьмы, благодаря чему повышается коррозионная стойкость в солевом растворе. Некоторые подшипниковые сплавы содержат от 4 до 6 % Sb. Сурьму можно использовать вместо висмута для предотвращения горячих трещин в сплавах Al-Mg. В заэвтектических литейных сплавах Al-Si сурьма препятствует образованию первичных выделений кремния. В количестве 0,05-0,2 % сурьму применяют для рафинирования эвтектического кремния в литейных сплавах. Модифицирующее действие сурьмы выражено слабее, чем у натрия или стронция, но сурьма не выгорает при выстаивании расплава или переплаве.

Титан присутствует в количестве от 10 до 100 млн.-1 в промышленно чистом алюминии. Титан снижает электропроводность алюминия, но степень этого снижения может быть уменьшена путем добавки в расплав бора, образующего нерастворимый борид титана (TiB2). Основное назначение титана в алюминиевых сплавах — измельчение зерна в отливках и слитках. Модифицирующее действие титана уменьшается по мере выстаивания расплава и при переплаве, если он является единственной модифицирующей добавкой. Эффект модифицирования сохраняется и усиливается при введении бора. Титан обычно добавляют в сварочную проволоку для измельчения структуры сварного шва и уменьшения склонности к трещинообразованию при сварке. При литье слитков, предназначенных для изготовления листов или прессованных полуфабрикатов, титан вводят в расплав один или вместе с TiB2 для измельчения литой структуры и предотвращения образования трещин.

Углерод как примесь редко встречается в алюминии в виде оксикарбидов или карбидов, среди которых наиболее распространенный Al4C3; однако при наличии таких примесей, как титан, возможно образование карбидов. Соединение Al4C3 разлагается в присутствии воды и водяного пара, и это может привести к питтинговой коррозии. Обычно при перемешивании и флюсовании расплава содержание углерода снижается до миллионных долей.

Фосфор. Содержание фосфора в промышленном алюминии составляет 1-10 млн.-1. Его растворимость в жидком алюминии очень мала (-0,01 % при 660°С) и еще меньше в твердом. Фосфор применяется как модификатор в заэвтектических сплавах Al-Si, где фосфид алюминия играет роль зародыша для первичного кремния, благодаря чему измельчаются выделения кремния и улучшается обрабатываемость резанием. Следовые содержания фосфора препятствуют действию натрия как модификатора в доэвтектических литейных сплавах Al-Si. Соединение алюминия с фосфором вступает в реакцию с водяным паром, образуя фосфин (PH3), но, поскольку концентрация фосфора в алюминии очень мала, это не представляет опасности для здоровья, если используется достаточная вентиляция при механической обработке слитков, модифицированных фосфором. Образование фосфина может иметь место при разборке печи, огнеупорная кладка которой была выполнена с помощью фосфатсодержащего связующего.

Хром как примесь присутствует в алюминии в количестве от 5 до 50 млн.-1. Он оказывает значительное влияние на электросопротивление. Хром широко используют как легирующую добавку в сплавах Al-Mg, Al-Mg-Si и Al-Mg-Zn, где его содержание обычно не превышает 0,35 %. При большем содержании наблюдается тенденция к образованию очень грубых интерметаллидов с другими примесями или легирующими добавками, например, с марганцем, железом и титаном. Допустимое содержание хрома снижается по мере увеличения концентрации переходных металлов. В литейных сплавах избыток хрома при выстаивании расплава образует шлам (по перитектической реакции).

Хром имеет малую скорость диффузии и образует мелкодисперсные выделения в деформированных полуфабрикатах, которые препятствуют образованию и росту зерен при рекристаллизации. Добавку хрома используют для регулирования микроструктуры и предотвращения роста зерен в сплавах Al-Mg как актирекристаллизатор в сплавах Al-Mg-Si или Al-Mg-Zn при горячей деформации или термической обработке. Полосчатая или волокнистая структура, образующаяся благодаря присутствию хромистых дисперсоидов, приводит к снижению склонности к коррозии под напряжением и улучшению вязкости. Хром в твердом растворе и в виде мелкодисперсных выделений незначительно повышает прочность сплавов. Основным недостатком хрома в термически упрочняемых сплавах является повышение чувствительности к скорости охлаждения при закалке, когда упрочняющая фаза выделяется на ранее образовавшихся частицах хромистых соединений. Хром в сплаве придает золотистый оттенок анодной пленке.

Церий добавляют в литейные сплавы в основном в виде мишметалла (смесь редкоземельных металлов, содержащая 50-60 % Ce) для повышения жидкотекучести и уменьшения налипания металла на стенки формы. Установлено, что в сплавах с содержанием железа 0,7 % добавка церия изменяет форму игольчатых выделений FeAl3.

Цинк. Сплавы Al-Zn известны уже много лет, но горячеломкость литейных сплавов и чувствительность к коррозионному растрескиванию деформируемых сплавов ограничивали их применение. Легирование алюминия только одним цинком не приводит к улучшению литейных свойств. У деформируемых сплавов имеет место некоторое повышение прочности в термообработанном состоянии, что следует из графиков рис. 6.28. С другой стороны, сплавы Al-Zn, легированные добавками других элементов, обладают большими преимуществами по прочности в литом состоянии и наивысшей прочностью среди деформируемых алюминиевых сплавов. Усилия, направленные на преодоление отмеченных выше ограничений для применения, увенчались успешно, и в настоящее время расширяется промышленное использование литейных и деформируемых сплавов с цинком и магнием. Присутствие цинка в алюминии вызывает повышение его потенциала растворения, благодаря чему двойные сплавы применяют в качестве защитной плакировки (сплав 7072) и для протекторных анодов.

Цинк-магний. Введение магния в сплавы Al-Zn приводит к значительному повышению прочности этой системы, особенно при концентрации цинка от 3 до 7,5 %. Магний и цинк образуют фазу MgZn2, которая существенно повышает способность сплавов подвергаться упрочняющей термообработке по сравнению с двойными сплавами Al-Zn. Хотя литейные характеристики сплавов Al-Zn-Mg хуже, чем у сплавов Al-Si, их прочностные свойства в литом состоянии достаточно высокие, и некоторые из этих сплавов нашли промышленное применение.

Прочность деформируемых Al-Zn сплавов также существенно возрастает при легировании магнием. Увеличение концентрации MgZn2 с 0,5 до 12 % приводит к непрерывному повышению пределов прочности и текучести листов толщиной 1,6 мм после их закалки в холодной воде. При избытке магния (на 100 и 200 %) сверх концентрации, необходимой для образования MgZn2, происходит дальнейшее упрочнение, что показано на графиках рис. 6.29.

С другой стороны, увеличение концентрации цинка и магния снижает общую коррозионную стойкость алюминия настолько, что часто для обеспечения требуемого сопротивления коррозионному растрескиванию под напряжением и расслаивающей коррозии необходим строгий контроль микроструктуры, режимов термической обработки и химического состава. Например, в зависимости от сплава коррозионная стойкость под напряжением контролируется одним или всеми из ниже перечисленных факторов:

- перестариванием;

- скоростью охлаждения при закалке;

- сохранением нерекристаллизованной структуры посредством введения таких добавок, как цирконий;

- легированием медью или хромом (см. сплавы Al-Zn-Mg-Cu);

- корректировкой величины отношения концентрации цинка к магнию, близкой к 3:1.

Цинк-магний-медь. Легирование медью сплавов системы Al-Zn-Mg совместно с хромом и марганцем привело к созданию наиболее высокопрочных промышленных алюминиевых сплавов. Свойства сплавов этой группы после соответствующей каждому сплаву термообработки показаны на рис. 6.30.

В сплавах этой системы цинк и магний контролируют процесс старения. Влияние меди проявляется в увеличении скорости старения посредством повышения степени пересыщения и, вероятно, образования фазы CuMgAl2. Добавка меди приводит также к увеличению чувствительности к скорости охлаждения при термообработке. В общем, медь снижает сопротивление общей коррозии сплавов Al-Zn-Mg, но повышает коррозионную стойкость под напряжением. Малые добавки, такие как хром и цирконий, оказывают существенное влияние на механические и коррозионные свойства.

Цирконий. Добавки циркония в количестве 0,1-0,3 % используют для образования мелкодисперсных выделений интерметаллических фаз, препятствующих возврату и рекристаллизации. Увеличивается число сплавов, особенно в системе Al-Zn-Mg, в которых добавки циркония используют для повышения температуры рекристаллизации и регулирования величины зерна в деформированных полуфабрикатах. При легировании цирконием сплавы этой системы менее чувствительны к скорости охлаждения, чем в случае использования добавок хрома. Более высокие концентрации циркония используют в некоторых сверхпластичных сплавах для сохранения необходимой мелкозернистой субструктуры при операциях формообразования при высоких температурах. Добавки циркония применялись для измельчения зерна в литом состоянии, но они менее эффективны, чем титан. Кроме того, цирконий ослабляет модифицирующее действие титана и бора, что вызывает необходимость введения титана и бора в больших количествах в сплавах с цирконием.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: