Способы повышения качества алюминия

Упрочнение алюминия: 3 механизма

Чистый алюминий – мягкий и пластичный

Чистый алюминий, с содержанием алюминия 99,8 %, в отожженном состоянии имеет предел текучести менее 20 МПа (2 кГ/мм 2 ) и относительное удлинение более 40 %. Чтобы сделать такой алюминий пригодным для применения в качестве конструкционного материала к нему применяют различные методы упрочнения.

Пластическая деформация алюминия

Все металлы – и алюминий тоже – имеют кристаллическую атомную решетку. Пластическая деформация металлов происходит благодаря существованию в их атомной решетке линейных дефектов – дислокаций. Пластическая деформация происходит путем движения этих дислокаций, так, например, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Пластическая деформация путем движения дислокации
через атомную решетку пластичного металла

Три механизма упрочнение алюминия

Сущность упрочнения металла заключается в том, что в его решетку тем или другим образом вводятся препятствия для движения дислокаций.

Для алюминия эффективными являются три основных механизма упрочнения. Это:

• деформационное упрочнение (наклеп, нагартовка);
• упрочнение за счет образования твердого раствора легирующего элемента в алюминии (закалка)
• упрочнение в результате выделения в алюминии вторичных фаз (старение).

В свою очередь, алюминиевые сплавы могут классифицироваться по преобладающему механизму их упрочнения.

Деформационное упрочнение алюминия

Дислокации двигаются по наиболее плотно упакованным плоскостям атомной решетки. Эти плоскости называются плоскостями скольжения. Так как кристаллическая решетка алюминия является гранецентрированной кубической, то у него имеется четыре эквивалентных плоскости скольжения с тремя направлениями скольжения каждая. Это дает в сумме 12 систем скольжения. В зависимости от преобладающего напряженного состояния обычно активными являются несколько систем скольжения. Поэтому при деформации алюминия постоянно происходит взаимодействие дислокаций различных плоскостей скольжения. В результате этого формируются плотные клубки дислокаций, которые представляют собой препятствия для дальнейшего движения дислокаций. Около этих препятствий возникают поля интенсивных локальных напряжений. Этот механизм работает для всех металлических сплавов, которые подвергаются пластической деформации.

Деформационное упрочнение путем холодной прокатки, волочения или растяжения является эффективным способом повышения прочности алюминиевых сплавов, которые не поддаются термическому упрочнению. Кривые деформационного упрочнения – холодной прокатки – отожженных листов из таких алюминиевых сплавов, 1100, 3003, 5050 и 5052 показаны на рисунке 2. Хорошо видно, что увеличение прочности сплавов сопровождается снижением пластичности, которая измеряется в процентах относительного удлинения при испытаниях образцов на растяжение.

Рисунок 2 – Кривые деформационного упрочнения алюминия (1100),
алюминиево-марганцевого сплава 3003 и
алюминиево-магниевых сплавов 5050 и 5052.

Упрочнение путем образования твердого раствора

Легирующие элементы в твердом растворе взаимодействуют с дислокациями в основном путем полей локальных напряжений, которые обеспечивают дополнительные силы трения при движении дислокаций. Этот упрочняющий механизм повышает эффективность деформационного упрочнения (наклепа, нагартовки). Алюминиевые сплавы серий 3ххх и 5ххх являются типичными примерами сплавов, которые получают упрочнение в результате образования твердого раствора соответственно марганца и магния в атомной решетке алюминия.

На рисунке 3 показано влияние содержания магния в твердом растворе алюминия на предел текучести и относительное удлинение для наиболее популярных алюминиево-магниевых промышленных сплавов.

Рисунок 3 – Корреляция между пределом текучести, относительным удлинением и содержанием магния в алюминиевых сплавах серии 5ххх

Упрочнение за счет выделения вторичной фазы

Выделившиеся частицы вторичных фаз в алюминии является очень эффективными препятствиями для движения дислокаций. Эффективность частиц как препятствий для движения дислокаций зависит как от размера частиц, так и от расстояния между ними.

Малые когерентные выделения не являются существенным препятствием для дислокаций – они их просто перерезают. С увеличением размеров частиц вторичной фазы, а также потерей их когерентности с атомной решеткой алюминиевой матрицы, степень сопротивления частиц движению дислокаций возрастает. Возрастание твердости до определенного максимума при искусственном старении алюминиевых сплавов объясняется именно прогрессирующим выделением вторичной фазы. С другой стороны, снижение твердости при перестаривании алюминиевого сплава происходит из-за увеличения расстояния между частицами вторичной фазы.

Упрочнение алюминиевых сплавов за счет старения – естественного или искусственного – происходит именно по механизму упрочнения за счет выделения вторичных фаз из перенасыщенного твердого раствора (рисунок 4). Этот перенасыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии создается путем нагрева алюминиевого сплава до полного растворения легирующих элементов и быстрого его охлаждения, например, до комнатной температуры.

Рисунок 4 – Кривые естественного и искусственного старения
прессованных профилей из сплава 6082

В интервале температуры от комнатной до 60 °С происходит образование «кластеров», которые остаются когерентными с атомной решеткой алюминия. Этот процесс называется «естественным старением». Он приводит к состояниям алюминиевых сплавов Т1 и Т4.

В интервале температуры от 60 до 220 °С происходит образование промежуточных когерентных и полукогерентных вторичных фаз. Это процесс называется «искусственным старением». Он дает состояния алюминиевых сплавов Т5 и Т6.

Кривые старения на рисунке 4 показывают влияние температуры старения на прочностные свойства и удлинение прессованного сплава 6082. Отметим более высокую пластичность и более низкую прочность после старения при комнатной температуре.

Источник

Способы повышения качества алюминия

УДК 669.7 Технические науки / 1. Металлургия

К.т.н. Конунникова С.Г., к.т.н. Жукебаева Т.Ж., м.т.н. Аубакиров Д.Р., м.т.н. Кобеген Е.

Карагандинский Государственный технический университет, Казахстан

Способы повышения качества алюминиевых сплавов

Сплавы на основе алюминия делятся на две группы – литейные и деформируемые. Согласно ГОСТ 2685-75 установлено 37 марок литейных алюминиевых сплавов.

Литейные алюминиевые сплавы имеют ряд особенностей: повышенную жидкотекучесть, что обеспечивает получение тонкостенных и сложных по конфигурации отливок; сравнительно невысокую линейную усадку, пониженную склонность к образованию горячих трещин. Кроме того, алюминиевые сплавы обладают высокой склонностью к окислению, насыщению водородом, что приводит к таким видам брака отливок, как газовая пористость, шлаковые включения и оксидные включения. Поэтому при разработке технологии плавки и изготовлении фасонных отливок любым из способов литья необходимо учитывать особенности отдельных групп алюминиевых сплавов.

Наибольшее распространение в литейном производстве получили алюминиевые бронзы. Они имеют хорошую коррозионную стойкость в пресной и морской воде, хорошо противостоят разрушению в условиях кавитации, обладают меньшим, чем оловянные бронзы, фрикционным износом.

Сплавы Cu – Al кристаллизуются в узком температурном интервале (46 ºС), что приводит к последовательному затвердеванию и образованию в отливках столбчатой структуры, в результате чего ухудшается пластичность. В связи с этим все алюминиевые бронзы содержат добавки 1-4 % Fe [1].

Железо вводилось в сплав для измельчения зерна и упрочнения твёрдого раствора, замедления эвтектоидного распада β-фазы, предотвращающей тем самым явление самопроизвольного отжига ( «самоотжига») при литье крупногабаритных фасонных отливок в песчаные формы.

Установлено, что марганец хорошо растворяется в алюминиевой бронзе, повышает её коррозионную стойкость, повышает прочность и пластичность [2].

Никель в алюминиевых бронзах образует фазы Ni ₃ Al и NiAl с переменной растворимостью в твёрдом состоянии, смещает однофазную область при понижении температуры в сторону медного угла, что позволяет упрочнять алюминиевые бронзы термической обработкой.

Цинк несколько снижает технологические свойства сплава и поэтому в алюминиевых бронзах применяется редко.

Наибольшее распространение в промышленности имеют сплавы Al — Si , Al — Si — Mg (АЛ2, АЛ4, АЛ4-1, АЛ9, АЛЗЧ, АК9, АК7), которые отличаются хорошими технологическими свойствами, определяемыми видом диаграмм состояния. Литейные свойства обеспечиваются наличием в сплавах большого количества двойной эвтектики α + Si (40-75 %) каркасно-матричного типа, основой которой является α-твёрдый раствор, что обуславливает высокую жидкотекучесть сплавов, а также низкую литейную усадку и пониженную склонность к образованию горячих трещин [2].

Изменение механических свойств алюминиевых бронз Cu — Al в зависимости от содержания алюминия:

а – полосы, деформированные на 40% и отожжённые при температуре 650°С в течение 30 мин.;

б – прессованные прутки и трубы из алюминиевой бронзы БрАЖМц10-3-1,5

При увеличении количества эвтектики в сплавах уменьшается склонность к образованию усадочных микрорыхлот, что повышает герметичность отливок.

Сплавы Al — Si при испытании на герметичность разрушаются без течи, что обусловлено их прочностью и пластичностью. Процесс кристаллизации этих сплавов протекает в узком температурном интервале и идёт сплошным фронтом от периферийной зоны (стенок формы) к внутренним зонам отливок, что вызывает образование между первичными кристаллами сплошного слоя мелкозернистой эвтектики. Это препятствует образованию сквозных усадочных каналов между зёрнами твёрдого раствора [3].

С повышением содержания кремния в сплавах понижается коэффициент термического расширения и получается более грубая структура, что приводит к охрупчиванию сплава и ухудшению обрабатываемости резанием.

Для измельчения включений кремния в эвтектике проводили модифицирование сплава Na , Li , CaSr , повышающее пластические свойства (δ = 5-8 %).

Для модифицирования силуминов применяли смесь хлористых и фтористых солей натрия и калия различного состава, при этом сплавом усваивается около 0,01 % Na .

При модифицировании натрием замечено переохлаждение эвтектики на 15-30 ºС, а эвтектическая точка сдвигается к 13-15 % Si . Эффект модифицирования тем больше, чем выше содержание Si в сплаве, так как модификатор воздействует только на эту фазу [4].

Для силуминов, содержащих менее 5-7 % Si , модифицирование не оказывает влияния на механические свойства.

Для получения эффекта упрочнения при термической обработке в двойные сплавы вводят добавки Mg и Cu раздельно или совместно, при этом компоненты сплава образуют интерметаллиды с переменной растворимостью в твёрдом состоянии, которые являются эффективными упрочнителями при термической обработке [5].

Зависимость температуры от содержания алюминия при термической и горячей обработке давлением алюминиевых бронз:

1 – температура термической обработки;

2 – температура горячей обработки давлением

Кроме того, установлено, на фазовый состав сплавов типа силумина специфическое влияние оказывает железо, содержание которого как примеси в промышленных сплавах составляет обычно не менее 0,4-0,5 %. Железо в сплавах Al — Si образует соединение β ( Al — Fe — Si ) в виде хрупких пластин, которые резко снижают пластичность.

Отрицательное влияние железа хорошо снижает добавка 0,2-0,5 % Mn , при этом образуется новая фаза α ( Al — Fe — Si — Mn ) в виде компактных равноосных включений, которые в меньшей степени влияют на пластичность.

Положительным свойством сплавов на основе системы Al — Si является повышенная коррозионная стойкость во влажной и морской атмосферах – это сплавы марок АЛ2, АЛ4 и АЛ9 [1].

Недостатки этих сплавов – повышенная газовая пористость и пониженная жаропрочность. Технология литья этих сплавов более сложная и требует применения операций модифицирования и кристаллизации под давлением в автоклавах.

1. Б. Альтман, А.Д. Андреев, Г.А. Балахонцев и др. Справочник «Плавка и литьё алюминиевых сплавов», М.: Металлургия, 1983 г.

2. А.М. Липницкий, И.В. Морозов, А.А. Яценко «Технология цветного литья», Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986 г.

3. Н.Д. Орлов, В.М. Чурсин, Справочник литейщика «Фасонное литьё из сплавов тяжёлых цветных металлов», М.: Машиностроение, 1971 г.

4. Галдин Н.М., Чернега Д.Ф., Иванчук Д.Ф., «Цветное литье»: справочник / — М.: Машиностроение, 1989 г.

5. Курдюмов А.В., Пикунов М.В., «Производство отливок из сплавов цветных металлов», Учебник для вузов. — 2-е изд., доп. и перераб. — Москва: МИСИС, 1996 г.

Источник

Повышение качества сплава

На качество литых алюминиевых деталей влияет множество факторов.

Литейные дефекты появляются вследствие наличия газов и примесей в расплаве, а также из-за ошибок при проектировании либо изготовлении отливки. Одна из причин появления дефектов — качество литейного сплава. Марка сплава и соответствующий ей химический состав определяются по ГОСТ 1583-93. Однако наличие в сплаве нужных элементов не всегда является гарантией качества литья.

В ходе изготовления чушек, при хранении и в ходе плавки в сплав попадают вредные примеси, которые снижают качество металла. Вредные примеси всегда присутствуют в расплавленном металле. Значительную долю составляют примеси газов, растворенные в расплаве. Водород переходит в расплав из окружающей среды и при попадании влаги. В дальнейшем растворенный в расплаве водород, выделяясь при кристаллизации, вызывает образование газовой пористости. Определенное количество примесей находится в виде инородных частиц — оксидов компонентов сплава, частиц шлака, огнеупорной футеровки. Нерастворимые примеси находятся в расплаве в виде частиц разных размеров — от миллиметров до долей микрометра, в большинстве своем это оксиды. Такие частицы называются неметаллическими включениями.

Проблема неметаллических включений — одна из главнейших в металлургии и литейном производстве. Неметаллические включения резко снижают пластические и прочностные свойства металла, являются причиной образования очагов коррозии и возникновения трещин, способствуют развитию усадочных рыхлот и пористости. Отливки с такими включениями не выдерживают испытаний на герметичность и пневмоплотность — в местах расположения обнаруживается течь. Наличие включений значительно ухудшает качество механической обработки, приводит к износу инструмента.

Инженеры компании Алюмлит используют все современные методы очистки металла при литье в формы на основе холодно-твердеющих смесей (ХТС).

Для удаления вредных примесей в ходе каждой плавки проводится очистка сплава флюсованием. В расплавленный металл вводятся специальные добавки — флюсы. Флюс погружается в расплав, “обволакивает” вредные примеси в объеме расплава и выводит их на поверхность, в шлак. Перед заливкой расплава в форму плавильщик удаляет шлак и заливает уже очищенный металл. Флюсы, которые применяются на производстве компании Алюмлит, помимо очищающего действия, дополнительно обладают модифицирующим эффектом. Модифицированием называют достаточно сильное изменение структуры твердого металла, достигаемое путем введения специальных добавок. Изменяя структуру сплава, модификатор улучшает его пластичность и повышает механические свойства.

Флюсование убирает порядка 60% вредных примесей. Особенно эффективно выводятся крупные неметаллические включения, попадание которых в отливку часто ведет к появлению неисправимого брака.

Флюс убирает основные неметаллические включения, но иногда требуется более глубокая очистка расплава. В этом случае инженеры компании Алюмлит используют продувку расплава инертными газами (аргоном). Пузырьки вводимого в расплав газа прилипают к встретившимся инородным включениям и выносят их на поверхность расплава. Также в пузырьки аргона переходят растворенный в расплаве водород и другие газы. После продувки с расплава повторно снимается шлак. Продувка аргоном позволяет снизить содержание неметаллических включений до 1,0 — 0,5 мм2/см2, содержание водорода до 0,2 — 0,15 см3 на 100 г металла.

Флюсование и продувка позволяют получить чистый расплав высокого качества. Для ответственных отливок этого может оказаться недостаточно. В таком случае инженеры компании Алюмлит проводят дополнительную очистку при заливке металла в форму. Для этого используется самый эффективный способ очистки — пористые керамические фильтры на основе огнеупорных материалов. Фильтр устанавливается в литейную форму на пути заливаемого металла. Фильтр не позволяет вредным примесям попасть в тело отливки, даже мельчайшие частицы “прилипают” к нему за счет высокой адгезии. Фильтры позволяют отделить до 30-40% тонкодисперсных взвесей и на 10-20% снизить содержание водорода в сплавах, подвергнутых рафинированию флюсом.

Различные способы очистки расплава позволяют существенно снизить количество вредных примесей и получать максимально качественное литье. В ходе разработки технологии для каждой отливки выбирается свой способ очистки, исходя из технических требований.

Компания Алюмлит специализируется на выпуске отливок из алюминиевых сплавов высокого качества. Для получения более подробной информации позвоните +7 (495) 789-01-90 .

Источник