Малорастворимые добавки и примеси

Кремний. В ряде случаев максимально допустимое содержание кремния в сплаве оговаривается в технических условиях для сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg, поскольку кремний в этих сплавах оказывает вредное влияние на прочностные свойства.

Железо. В большинстве промышленных литейных сплавов, предназначенных для литья в песчаные формы и в кокиль, допустимое содержание железа ограничено в пределах 0,8-1,0 %, так как при большей концентрации ухудшаются способность расплава к заполнению формы и механические свойства (особенно пластичность). В сплавах системы Al-Mg концентрация железа составляет 0,25-0,5 %, что необходимо для обеспечения требуемых прочностных свойств.

В случае высокопрочных Al-Si-Mg и Al-Mg-Si сплавов допустимое содержание железа не должно превышать 0,2 %, чтобы были обеспечены требуемые значения пластичности и вязкости разрушения. Железо образует с другими элементами в сплавах нерастворимые соединения, которые охрупчивают материал, играя роль острых концентраторов напряжений. Поэтому в тех случаях, где необходима высокая пластичность, содержание железа должно быть сведено к минимуму.

Считается, что в сплавах для литья под давлением желательно содержание железа > 1,0 % для уменьшения налипания расплава на форму. Алюминий имеет сродство к железу, он взаимодействует со стальной литейной формой и растворяет ее, и этот процесс практически сходен с пайкой. При содержании железа > 1 % налипание сплава минимально. Образование тройной Al-Fe-Si эвтектики имеет место при ~0,8% Fe. При содержании > 1 % Fe отсутствует движущая сила для дальнейшего процесса растворения материала формы расплавом алюминиевого сплава.

Бериллий. Добавки бериллия в количестве нескольких сотых долей процента вводят в сплавы системы Al-Mg для защиты расплава от окисления. Такое же количество бериллия добавляют в сплав Al-Si-Mg для изменения морфологии фаз, содержащих железо, таким образом повышая пластичность. Однако в промышленной практике использование бериллия строго ограничивается из-за его токсичности. Такие же жесткие ограничения имеют место в отношении допустимого содержания паров бериллия в атмосфере при сварке сплавов, содержащих бериллий.

Хром и марганец иногда вводят раздельно или совместно, как правило, в количествах менее 1 % для повышения жаропрочности сплавов 240, 243, 328 и 392. Хром и (или) марганец добавляют также в сплавы 363, 535, 705 и 707 для изменения морфологии Al-Fe-Si составляющей, тем самым улучшая механические свойства при комнатной температуре, особенно пластичность.

Никель в количестве до 2,5 % повышает жаропрочность сплавов. Примерами таких сплавов являются сплавы 339 (1 % Ni) и 336, 242, А242 и 243 (2 % Ni).

Титан, бор и цирконий. Небольшие добавки титана используют для измельчения зеренной структуры первичного алюминия в большинстве литейных сплавов, предназначенных для литья в песчаные формы и в кокиль. Бор в количестве нескольких тысячных долей процента часто вводят вместе с титаном для усиления рафинирующего эффекта и сохранения способности к рафинированию при повторном переплаве. Цирконий также играет роль рафинирующей добавки, но для достижения такого же эффекта, как у титана, или при совместном введении титана и бора требуются большие количества циркония.

Натрий, кальций, стронций и сурьма. Каждый из этих элементов используют для изменения строения алюминиево-кремниевой эвтектики в сплавах, содержащих от 5 до 11 % Si. Если не производить модифицирование, колонии эвтектики будут иметь вид грубых игл или пластин. При такой микроструктуре механические свойства, в частности, относительное удлинение, ниже, чем когда эвтектика образуется в виде небольших округлых выделений.

Иглообразные и пластинчатые колонии Al-Si эвтектики при модифицировании становятся мелкими сферическими, при этом улучшаются литейные характеристики и механические свойства. Обычно это происходит при добавках натрия, стронция или других модификаторов.

Натрий обычно вводят в расплав в виде чистого металла, завернутого в алюминиевую фольгу. Как правило, для проведения операции модифицирования достаточно 0,001-0,003 % Na в зависимости от содержания кремния и метода литья (в песчаные формы или в кокиль). Даже при тщательном контроле операции модифицирования обычно приходится несколько раз добавлять натрий, чтобы добиться необходимого его содержания в расплаве.

Стронций при использовании в качестве модификатора вводят в виде лигатуры Al-Sr или Al-Si-Sr. Добавки стронция составляют 0,01-0,03 %.

В поведении натрия и стронция после их введения в расплав наблюдается различие. Модифицирующий эффект обоих элементов постепенно исчезает при выстаивании расплава. Эффект модифицирования пропадает непосредственно после выгорания натрия. Что касается стронция, то его действие как модификатора усиливается при выстаивании расплава в течение нескольких часов, после чего оно сохраняется до тех пор, пока содержание стронция не станет очень низким. Необходимо обратить внимание на то, что не следует вводить избыточное количество натрия или стронция, поскольку это может привести к отрицательному результату. Обычно для этого требуется очень большой избыток элементов-модификаторов по сравнению с рекомендуемыми количествами. Для быстрого модифицирования и сохранения эффекта модификаторов допустимо совместное введение натрия и стронция, а в некоторых случаях это желательно.

Действие сурьмы как модификатора проявляется в превращении алюминиево-кремниевой эвтектики в пластинчатые колонии при сохранении всех особенностей процесса модифицирования, свойственных другим элементам-модификаторам. Вместе с тем сурьма не имеет широкого применения из-за токсичности и гигиенических соображений. Однако сурьма обладает наиболее устойчивым модифицирующим эффектом по сравнению с натрием или стронцием.

В качестве модификаторов Al-Si сплавов можно рассматривать кальций и ряд других элементов, однако действие их менее эффективно и используют их реже, чем рассмотренные выше модификаторы.

Висмут, свинец и олово. Такие элементы, как висмут или свинец, образуют мелкие нерастворимые глобули в литой микроструктуре, что способствует ломкости стружки и уменьшает ее длину при обработке резанием. Установлено, что, если свинец и висмут присутствуют в сплаве в достаточном количестве (обычно по 0,5 % каждого), это позволяет повысить скорость резания и уменьшить расход охлаждающей эмульсии. Для олова характерно также улучшение обрабатываемости резанием литейных сплавов, но основное его назначение — улучшение свойств подшипниковых сплавов, что описано ранее на примере сплавов серии 8ХХ.

Фосфор. Рафинирующее влияние фосфора в количестве 0,01-0,03 % в отношении первичных выделений кремния проявляется в заэвтектических силуминах, содержание кремния в которых > 12 %. Фосфор в расплаве соединяется с алюминием и образует нерастворимые частицы фосфида алюминия, кристаллографическое строение которых очень сходно с кремнием, благодаря чему эти частицы играют роль зародышей для первичного кремния. Как фосфид алюминия, так и кремний имеют кристаллическое строение алмаза и близкие параметры решетки (у кремния а = 0,543 нм, у фосфида алюминия 0,545 нм). Находясь вместе в расплаве, фосфор и натрий стремятся к взаимодействию друг с другом. Иногда один из этих элементов делает присутствие другого неэффективным. Так, в заэвтектических силуминах для обеспечения рафинирующего действия фосфора с целью измельчения выделений кремния необходимо, чтобы содержание натрия было на нижнем уровне. Аналогичным образом содержание фосфора в доэвтектических сплавах должно быть минимальным для проявления в полной мере модифицирующего эффекта натрия.

Перспективы развития литейных сплавов. За последние 50 лет разработано несколько сотен литейных алюминиевых сплавов. Некоторые из них устарели, их сейчас не используют в промышленности. Многие другие сплавы специального назначения, применяемые в ограниченном объеме или поставляемые по техническим условиям отдельных компаний, не рассмотрены в этом разделе. Свойства ряда сплавов, находящихся в стадии разработки и опытного опробования, также не приведены.

Всегда будет существовать потребность в сплавах, имеющих свойства или специальные характеристики, необходимые именно для данного конкретного случая применения материала. Однако количество промышленно применяемых сплавов должно периодически сокращаться совместными усилиями поставщиков и потребителей материала, поскольку это экономически выгодно для всей промышленности в целом.