Влияние легирующих элементов и примесей на свойства алюминия и его сплавов

При наличии свыше 100 легирующих элементов, исключая очень редкие или сильно токсичные, были бы возможны миллионы комбинаций составов сплавов. Однако эти возможности очень ограниченны, если не считать небольших отклонений в составе. Легирующие элементы вводят в алюминий для повышения прочности, хотя улучшение других свойств также очень важно. Наиболее часто используют два способа повышения прочности алюминиевых сплавов:

1) образование дисперсных выделений (дисперсоидов) или упрочнение твердого раствора и нагартовка сплава (для термически неупрочняемых сплавов);

2) растворение легирующих элементов в твердом растворе и последующее выделение их в виде субмикроскопических когерентных частиц (дисперсионно стареющие сплавы).

Отметим, что только у девяти элементов максимальная растворимость в твердом алюминии составляет более 1 %, и она существенно уменьшается при снижении температуры. Из этих девяти элементов Ag, Ga и Ge — дорогостоящие металлы, а литий как легирующая добавка осложняет технологию производства и в настоящее время используется только в сплавах специального назначения. Остальные пять элементов (Zn, Mg, Cu, Mn, Si) составляют основу промышленных алюминиевых сплавов и используются в различных сочетаниях, что показано на рис. 6.1.

Все сплавы, упрочняемые старением, содержат легирующие элементы, которые растворяются при повышенных температурах (при нагреве под закалку) и выделяются при снижении температуры (в процессе старения), благодаря чему значительно увеличиваются прочностные свойства. В большинстве литейных сплавов основной легирующей добавкой является кремний, поскольку сплавы Al-Si обладают высокой жидкотекучестью и нечувствительны к образованию "горячих" трещин. В литых полуфабрикатах кремний незначительно повышает прочность вследствие того, что при кристаллизации большая объемная доля его выделяется в виде грубых частиц. Сплавы, упрочняемые нагартовкой, делятся на два основных типа: сплавы системы Al-Mn, в которых образуются мелкодисперсные частицы интерметаллидов, незначительно повышающие прочность, и сплавы системы Al-Mg, в которых магний находится в твердом растворе и оказывает большее упрочняющее действие, особенно после деформации. Сочетание алюминия с магнием и марганцем широко используется в производстве алюминиевых сплавов для пищевых контейнеров. Все легирующие элементы повышают эффект деформационного упрочнения, но широко используются две выше указанные системы, так как сплавы Al-Mn и Al-Mg сохраняют стабильность в процессе производства и имеют исключительную коррозионную стойкость.

Переходные металлы с ограниченной растворимостью в твердом алюминии, такие как марганец, хром и цирконий, вводят в алюминиевые сплавы потому, что они выделяются в виде мелкодисперсных частиц (диаметр частиц менее 1 мкм), не растворяющихся при горячей деформации или отжиге. Эти мельчайшие стабильные частицы дисперсоидов играют роль в закреплении границ зерен или субзерен, повышении прочности и вязкости и улучшении коррозионной стойкости под напряжением.

Большинство элементов имеет очень низкую растворимость в твердом алюминии и выделяется по границам дендритных ячеек в процессе литья. Если концентрация этих элементов достаточно велика, они образуют частицы вторых фаз размером около 10 мкм в поперечном сечении, которые сохраняются в сплаве при операциях последующей обработки. Наиболее часто встречающимися выделениями такого типа являются интерметаллические соединения, обогащенные железом, которое всегда присутствует в промышленном алюминии как примесь. Эти относительно крупные частицы вносят незначительный вклад в прочностные свойства сплава и могут снижать вязкость м коррозионную стойкость. Элементы с низкой растворимостью в твердом алюминии также могут быть полезными, как, например, свинец и висмут, которые добавляют в некоторые сплавы для улучшения обрабатываемости резанием.