Основные системы сплавов алюминия

Al—Cu. Медь является одним из наиболее важных легирующих элементов для алюминия благодаря значительной растворимости в алюминии и упрочняющему эффекту. Многие промышленные сплавы алюминия содержат медь либо в качестве основной добавки, либо наряду с другими легирующими элементами в количествах от 1 до 10 %. Часто медь используют в сочетании с магнием. Система Al—Cu подробно исследована в работе. На диаграмме состояния этой системы со стороны алюминия при температуре 548 °C образуется эвтектика Al—CuAl2. Эвтектическая жидкость, состоящая из Al — 33,2 % Cu, находится в равновесии с алюминиевым твердым раствором, содержащим 5,7 % Cu. Содержание меди в интерметаллической фазе CuAl2 составляет от 52,5 до 53,7 % при температуре эвтектики и от 53,2 до 53,9 % при 400 °C; в обоих случаях имеет место недостаток меди для полного соответствия стехиометрическому составу.

В соответствии с результатами исследования распад пересыщенного твердого раствора происходит следующим образом: пересыщенный твердый раствор —> когерентные пластинчатые зоны Гинье — Престона (ГП) // {001}Al —> когерентные пластинчатые выделения 0'' // {001}Al —> частично когерентные выделения 0' // {001}Al —> некогерентные выделения 0. Структура этих фаз приведена в табл. 2.3.

Al—Li. Двойные сплавы Al-Li обладают интересным сочетанием Пониженной плотности с повышенным модулем упругости. Co стороны алюминия в этой системе образуется эвтектика при 9,9 % Li и температуре 600 °C. Литий растворяется в алюминии в значительных количествах (5,2% макс.), и двойные сплавы имеют существенный эффект закалки. Упрочнение при старении происходит за счет метастабильной фазы b' (Al3 Li) с упорядоченной структурой.

Al—Mg. Двойные сплавы Al—Mg являются основой важного класса — термически неупрочняемых сплавов (серия 5ХХХ). Хотя магний в значительных количествах растворяется в твердом алюминии, в двойных сплавах не проявляется эффект дисперсионного упрочнения (старения) при концентрациях магния менее 7 %. Однако сплавы с магнием значительно упрочняются нагартовкой при холодной деформации, имея при этом высокую коррозионную стойкость и хорошую свариваемость. В системе Al — Mg со стороны алюминия при 450 °C образуется эвтектика при концентрации Mg, равной 35 %. Обычно состав фазы, находящейся в равновесии с алюминием, приводится как Mg2Al3 (37,3 % Mg), хотя он находится за пределами существования этой фазы (от 34,8 до 34,1 %). Составу твердой фазы и большинству из предполагаемых ее структур соответствует формула Mg5Al8 (36 % Mg). Равновесная кристаллизация наблюдается только при скоростях охлаждения менее 5*10в-6 °С/ч. В условиях неравновесной кристаллизации имеет место дендритная ликвация с образованием фазы Mg5Al8 даже при таких небольших содержаниях магния, как 4—5 %. Эта фаза очень хрупка при температурах ниже 330 °C, но при более высоких температурах становится пластичной.

Al—Mn. Термически неупрочняемые сплавы, содержащие марганец в количествах несколько выше 1 %, например сплав 3003, представляют значительный промышленный интерес. Марганец также широко используется в меньших количествах в качестве легирующей добавки в термически упрочняемых сплавах, таких как сплав 2024 с 0,3-0,9 % Mn, и в термически неупрочняемых сплавах, таких как сплав 5182 с 0,20-0,50 % Mn. В общем случае марганец повышает прочность деформируемых сплавов; однако, когда он присутствует в виде нерастворимых интерметаллических соединений, пластичность обычно снижается. Другой важной чертой марганца в его влиянии на алюминий и алюминиевые сплавы является уменьшение склонности к межкристал-литной коррозии и коррозии под напряжением.

В двойной системе Al — Mn марганец лишь незначительно снижает температуру затвердевания алюминия. Эвтектика образуется при 660 °C и 1,9 % Mn. Предел растворимости марганца в а-твердом растворе составляет 1,8 % при эвтектической температуре. Интерметаллическая фаза, находящаяся в равновесии с алюминиевым твердым раствором, имеет состав, точно соответствующий формуле MnAl6, и выделяется в виде первичной фазы из жидкого раствора, содержащего 1,9-4,1 % Mn. В растворах с более высокой концентрацией марганца эта фаза образуется в результате перитектической реакции между MnAl4 и жидкостью при 710 °C.

Единственной метастабильной фазой, точно установленной в сплавах Al - Mn, является MnAl12 с 14,5 % Mn. Железо и кремний в количестве > 0,2 % подавляют образование MnAl12; хром, наоборот, стабилизирует эту фазу. В системе Al-Mn-Cr существует тройная фаза, которая образуется в твердом состоянии по перитектоидной реакции при 590 °C. Эта фаза имеет формулу (CrMn)Al12 и существует в интервале концентраций от 2 % Cr и 12% Mn до 4 % Cr и 10 % Mn. Она изоморфна с фазой MnAl12.

Al—Si. Промышленное значение сплавов Al-Si обусловлено их высокой жидкотекучестью, низкой склонностью к образованию усадки при литье, возможностью пайки и сварки. Твердые частички кремния повышают сопротивление износу. Модифицирование сплавов натрием или стронцием (< 0,02 %) приводит к измельчению частиц кремния в до эвтектических сплавах. Аналогичным образом фосфор (< 0,01 %) может быть использован в качестве модифицирующей добавки в заэвтектических сплавах.

Система Al-Si представляет собой диаграмму состояния обычного эвтектического типа с ограниченной растворимостью обоих компонентов в твердом состоянии. Эвтектика образуется при 580 °C и 12,5 % Si. При эвтектической температуре твердые растворы алюминия и кремния содержат 1,65 % Si и около 0,5 % Al соответственно. В чисто двойных сплавах существование других интерметаллических соединений не обнаружено.

Al—Zn. Двойные сплавы Al-Zn были в числе первых промышленно освоенных алюминиевых сплавов, но затем их вытеснили сплавы систем Al-Cu и Al-Si. Сплавы Al-Zn использовались в первую очередь для электролитической защиты от коррозии. Эффект сверхпластичности, наблюдаемый вблизи эвтектоидного Al-Zn превращения, открывает широкую перспективу для промышленного применения сплавов. В настоящее время цинк обычно используется в сочетании с магнием и медью в производстве деформируемых сплавов.

Цинк образует с алюминием диаграмму эвтектического типа. Эвтектическая реакция проходит при 380 °C, при этом из жидкости, содержащей 94,9 % Zn, образуется твердый раствор на основе алюминия с 82,8 % Zn и твердый раствор на основе цинка с 1,1 % Al.

В a-твердом растворе имеется область, в которой он распадается на два твердых раствора; верхняя температурная граница этой области соответствует 351,5 С при концентрации цинка 60-61,3 %. При 275 °C и 78 % Zn между твердым раствором алюминия в цинке (0,6 % Al) и твердым раствором цинка в алюминии (31,6 % Zn) происходит эвтектоидная реакция.

Al—Cu—Li. Добавка меди в двойных сплавах Al-Li значительно снижает растворимость лития — до 1,5 % Li при 515 °C. На диаграмме состояния со стороны алюминия имеются три соединения, находящиеся в равновесии с алюминием ТВ, T1 и T2. Фаза TВ представляет собой соединение Cu4LiAl7, состав которого соответствует 56,5 % Cu, 1,5 % Li. Структура этой фазы сходна с 0' (CuAl2), образующейся в стареющих Al-Cu сплавах. Фаза T1 — это CuLiAl2, содержащая приблизительно 52,8 % Cu и 5,4 % Li. Фаза T2 имеет состав, близкий к CuLi3Al6 (26,9 % Cu, 8,8 % Li). В зависимости от состава и температуры относительные количества фазы b' и T-фаз могут быть изменены для получения различных механических свойств.

Al—Cu—Si. Некоторые промышленные литейные алюминиевые сплавы содержат медь и кремний в качестве основных легирующих элементов. Горячеломкость при литье или сварке сплавов этой системы сильно зависит от состава. Горячеломкость максимальна при предельной концентрации твердого раствора, когда количество эвтектики в сплаве максимально.

Никаких тройных соединений в этой системе не образуется, в равновесии с алюминием находятся CuAl2 и Si. Сплав эвтектического состава содержит 26-31 % Cu и 5,6-6,5 % Si и затвердевает в интервале от 520 до 525 °C. Считается, что растворимость кремния в CuAl2 в твердом состоянии или меди и алюминия совместно в кремнии крайне мала. Присутствие второго нерастворимого элемента в алюминиевом твердом растворе обычно уменьшает растворимость первого и наоборот. Неравновесная кристаллизация, резкое охлаждение даже от температуры ликвидуса мало влияют на структуру сплавов.

Al—Cu—Mg (—Si). Промышленные сплавы, в состав которых в качестве основных легирующих элементов одновременно входят медь и магний, содержат также и достаточное количество кремния, чтобы рассматривать их не как тройные, а как четверные сплавы.

В сплавы, используемые в промышленности, вводят медь в качестве основной легирующей добавки; в этих сплавах имеют место реакции между алюминиевым твердым раствором и интерметаллическими фазами CuAl2 и CuMgAl2. При 510 °C в системе образуется тройная эвтектика по реакции между жидкостью, содержащей 33,1 % Cu и 6,25 % Mg, CuAl2CuMgAl2 и алюминиевым твердым раствором, содержащим 4,28 % Cu и 1,35 % Mg. Квазибинарное сечение представляет собой систему эвтектического типа (температура эвтектики 520 °C), в которой жидкость с 24,5 % Cu и

10,5 % Mg вступает в реакцию с твердой фазой CuMgAl2 и алюминиевым твердым раствором, содержащим 2,9 % Cu и 2,9 % Mg. При высоких значениях отношения содержания меди к магнию упрочнение при старении происходит по схеме: зоны Гинье - Престона (ГП) — когерентная фаза 0' — CuAl2(0). При низких значениях указанного отношения дисперсионное упрочнение имеет последовательность: зоны ГП — когерентная фаза CuMgAl2.

Добавка кремния в указанной системе приводит к трем четверным нонвариантным превращениям, имеющим место в промышленных сплавах:

Поскольку образование неравновесных эвтектик происходит в твердом состоянии, эти реакции ограничивают верхнюю температуру гомогенизации слитков. В более высокопрочных сплавах эти реакции могут быть равновесными, и тогда ими определяется верхняя граница температуры нагрева под закалку.

В рассматриваемой системе при некоторых составах могут происходить реакции с выделением Si, Mg2Si или 0-фазы (Al4CuMg5Si4), но эти выделения не являются основными упрочняющими фазами в сплавах, где медь - основной легирующий элемент. Железо и марганец в промышленных Al-Cu-Mg-Si сплавах играют важную роль в образовании структурных составляющих и дисперсоидов. Благодаря образованию нерастворимых фаз с медью и кремнием они уменьшают количество этих элементов, участвующих в образовании фаз, обеспечивающих упрочнение при термической обработке.

Al—Mg—Si. Эта система представляет собой основу важного класса термически упрочняемых сплавов (деформируемых и литейных). Эти сплавы обладают сочетанием многих привлекательных свойств: средней прочностью, относительно низкой чувствительностью к скорости охлаждения при закалке, высокой коррозионной стойкостью. Низколегированные сплавы часто используют в строительстве, обычно в виде прессованных профилей, которые не подвергают закалке перед искусственным старением.

Равновесная диаграмма состояния относительно проста и хорошо исследована. В системе имеется псевдобинарный разрез Al-Mg2Si при отношении магния к кремнию 1,73:1. Псевдобинарная эвтектика образуется при 595 °C. Эвтектика, содержащая 8,15 % Mg и 4,75 % Si, находится в равновесии с алюминиевым твердым раствором, содержащим 1,13 % Mg и 0,67 % Si (~ 1,85 % Mg2Si). Псевдобинарная эвтектическая горизонталь делит алюминиевый угол системы на две простые тройные эвтектические системы: Al-Mg2Al3-Mg2Si (эвтектика при 450 °C) и Al-Si-Mg2Si (эвтектика при 550 °C). Растворимость Mg2 Si в твердом алюминии незначительно снижается при увеличении содержания кремния и гораздо больше при увеличении магния. Промышленные деформируемые сплавы содержат от 0,6 до 1,5 % Mg2Si при небольшом избытке магния или кремния.

Al—Mg—Li. Добавка магния к двойным сплавам Al-Li приводит к уменьшению плотности, но мало влияет на модуль упругости. Добавки магния уменьшают растворимость лития. Добавки лития ограничивают область существования фаз Mg5Al8 и E (AlMg) и расширяют фазовую область Mg17Al12 при 470 °C. Таким образом, алюминий находится в равновесии как с Mg5Al8 и Mg17Al12, так и с LiMgAl2 и LiAl. Тройная фаза LiMgAl2 образуется приблизительно при 8,5 % Li и 28,2 % Mg. Старение сплава с 5 % Mg и 2 % Li в интервале температур от 130 до 180 °C происходит с выделением фаз b' (Al3Li) и LiMgAl2. В сплавах Al-Mg-Li магний играет двойную роль в упрочнении. Растворяясь в алюминии, он упрочняет твердый раствор; уменьшая растворимость лития, он увеличивает объемную долю фазы 5' .

Al-Mg-Zn и Al-Cu-Mg-Zn. Сплавы указанных систем образуют важный класс термически упрочняемых сплавов, при этом четверные сплавы - наиболее прочные из всех известных промышленных алюминиевых сплавов. Почти во всех сплавах этих систем основным легирующим элементом является цинк.

На характеристики тройных сплавов системы Al-Zn-Mg влияет растворимость обоих элементов в твердом алюминии. В тройных системах инвариантные реакции происходят при таких высоких содержаниях цинка и магния, что неравновесное расплавление редко имеет место. У промышленных сплавов этих систем температура сольвуса обычно ниже, чем у термически упрочняемых сплавов других систем.

В промышленных сплавах в равновесии с твердым раствором находятся фазы MgZn2 (фаза М), Mg3Zn3Al2 (фаза Т), Mg5Al3 ((3-фаза). Состав первой фазы меняется в интервале от MgZn2 до Mg4Zn7Al. Фаза T имеет широкую область гомогенности - от 74 % Zn и 16 % Mg до 20 % Zn и 31 % Mg. Фаза в появляется только в том случае, когда содержание магния значительно выше, чем цинка. Такие сплавы упрочняются в основном за счет магния, находящегося в твердом растворе.

Старение сплавов, в которых содержание цинка выше, чем магния, происходит путем последовательного образования зон когерентных выделений и фазы М. В сплавах с избытком Mg по сравнению с Zn последовательность образования выделений такая же, но стабильной фазой является фаза Т.

В промышленных четверных сплавах с медью основным легирующим элементом является цинк, а содержание магния, как правило, выше, чем меди. Состав фазы M в четверных сплавах меняется от MgZn2 до CuMgAl и может быть обозначен как Mg (Al, Cu, Zn)2. Фаза T в четверных сплавах существует в интервале составов, соответствующем тройным системам, и имеет состав CuxMg4Al6; эта фаза изоморфна фазе T состава Mg3(Al, Cu, Zn)5. Третьей фазой в промышленных сплавах является CuMgAl2 (фаза S), существующая в узком интервале концентраций. Фаза CuAl2 появляется только в случае, когда содержание меди значительно выше, чем магния.

В высокопрочных четверных сплавах имеют место несколько неравновесных инвариантных реакций в жидком состоянии. В реакции, происходящей при 475 °C, участвуют фазы М, T и S, но по мере увеличения содержания меди плавление может происходить при более низкой температуре, вплоть до 460 °С. Как правило, фаза J имеет самую высокую температуру сольвуса, и она медленно исчезает в процессе гомогенизации слитков.

Стабильной фазой, выделяющейся при старении высокопрочных сплавов, является фаза М. В сплавах, содержащих медь, в небольших количествах образуются зоны и когерентные выделения; количество выделений увеличивается в перестаренном состоянии. Добавки железа, марганца и кремния взаимодействуют между собой, а также с медью и магнием. Хром вступает в реакцию с алюминием и магнием и образует дисперсоиды.