Мікроструктура алюмінієвих сплавів Алюміній

Серед металів алюміній по поширеності в природі посідає перше місце, по практичному використанню - друге (після заліза). Алюміній - хімічний елемент, що перебуває в третій групі періодичної системи Д.І. Менделєєва. Атомний номер алюмінію 13, атомна маса 26,98, температура плавлення 660°С, щільність 2,7г/см³, поліморфних перетворень не має, має ґрати гранецентрованого куба з періодом а = 0,4041нм.

Алюміній відрізняється від інших металів малою щільністю, високими пластичними й корозійностійкими властивостями, високими тепло- і електропровідністю, а також відбивною здатністю.

Завдяки таким властивостям алюміній знаходить застосування майже у всіх галузях промисловості - авіаційної, будівельної, хімічної і т.д.

Залежно від змісту домішок алюміній розділяють на сорти: технічний, високої чистоти й особливої чистоти.

У таблиці 1 наведені деякі марки, хімічний склад алюмінію деформуємого (призначеного для виробництва напівфабрикатів методом гарячої або холодної деформації). На алюміній первинний, що поставляється у формі чашок, злитків поширюється стандарт ГОСТ 11069-74, приклади позначення марок якого наведено в таблиці 2. Постійні домішки алюмінію - Fe, Sі, Cu, Zn, Tі, вони погіршують уся його властивості. Механічні властивості алюмінію залежать від його чистоти й стану. Збільшення змісту домішок і пластична деформація підвищують міцність і твердість алюмінію (табл. 3).

Алюміній характеризується високими технологічними властивостями. З нього можуть бути виготовлені будь-які напівфабрикати різних габаритів. Завдяки високій пластичності напівфабрикати з алюмінію легко можна піддавати деформації без істотних нагрівань. Зварювання може здійснюватися практично всіма методами, включаючи зварювання плавленням. Оброблюваність різанням внаслідок високої в'язкості в алюмінію погана.

Він використовується в електротехнічній промисловості й теплообмінниках. Висока відбивна здатність алюмінію використовується для виробництва дзеркал, потужних рефлекторів. Алюміній практично не взаємодіє з азотною кислотою, органічними кислотами й харчовими продуктами. З нього виготовляється тара для транспортування харчових продуктів, домашнє начиння. Аркушевий алюміній широко застосовується як пакувальний матеріал. Значно виросло застосування алюмінію в будівництві й на транспорті.

Класифікація алюмінієвих сплавів

Залежно від способу виробництва промислові алюмінієві сплави діляться на спечені, ливарні й деформуємі (рис. 2).

Ливарні сплави перетерплюють евтектичне перетворення, а деформуємі - немає. Останні у свою чергу бувають термічно незміцнюємими (сплави в яких немає фазових перетворень у твердому стані) і деформуємі, термічно зміцнюємі (сплави, зміцнюємі загартуванням і старінням).

Алюмінієві сплави звичайно легують Сu, Mg, Sі, Мn, Zn, рідше Lі, Nі, Tі.

На діаграмі евтектичного типу алюміній - легуючий елемент показані області ливарних і деформованих алюмінієвих сплавів (рис. 1).

Деформовані сплави Рис. 1. Області складів деформованих і ливарних сплавів

Деформуємі алюмінієві сплави, незміцнюємі термічною обробкою

До цієї групи сплавів ставляться технічний алюміній і термічно незміцнюємі, що зварюються корозійностійкі сплави (сплави алюмінію з марганцем і магнієм). Сплави АМц ставляться до системи А1 - Мn (рис. 3).

Рис. 2. Діаграма станів "алюміній - легуючий елемент":

1- деформуємі, термічно незміцнюємі сплави;

2- деформуємі, термічно зміцнюємі сплави.

Рис. 3. Діаграма стану "алюміній - марганець"

Рис. 4. Мікроструктура сплаву АМц

Рис. 5. Мікроструктура дюралюмiнy після:

а) загартування у воді з температури Т2;

б) загартування й штучного старіння при Т3 (праворуч - схематичне зображення)

Структура сплаву АМц складається з a - твердого розчину марганцю в алюмінії й вторинних виділень фази MnAl₆ (рис. 4). У присутності заліза замість MnAl₆ утворюється складна фаза (MnFe)Al₆, практично нерозчинна в алюмінії, тому сплав АМц і не зміцнюється термічною обробкою.

Склад даних сплавів має дуже вузькі межі: 1 - 1,7% Mn; 0,05 - 0,20%Cu; мідь додають із метою зменшення пітингової корозії.

Допускається до 0,6 - 0,7% Fe і 0,6 - 0,7% Sі, що приводить до деякого зміцнення сплавів без істотної втрати опору корозії.

При зниженні температури міцність швидко росте. Тому сплави цієї групи знайшли широке застосування в криогенній техніці.

Сплави Амг (магналій) ставляться до системи А1 - Mg (рис. 5). Магній утворює з алюмінієм a - твердий розчин і в області концентрацій від 1,4 до 17,4% Mg відбувається виділення вторинної b - фази (MgAl), але сплави утримуючі до 7% Mg, дають дуже незначне зміцнення при термічній обробці, тому їх зміцнюють пластичною деформацією - нагартовкой.

Сплави систем А1 - Мn і А1 - Mg використовуються у відпаленому, нагартованому і напівнагартованому станах. У промислових сплавах магній утримується в межах від 0,5 до 12 - 13%, сплави з низьким змістом магнію мають найкращу здатність до формоутворення, сплави з високим змістом магнію мають гарні ливарні властивості (табл. 5).

Деформуємі алюмінієві сплави, зміцнюємі термічною обробкою

До цієї групи сплавів ставляться сплави високої й нормальної міцності. Склади деяких деформованих термічно зміцнюємих сплавів наведено в таблиці 6. Типовими деформуємі алюмінієвими сплавами є дюралюміни (маркірують буквою Д) - сплави системи А1 - Сu - Mg. Дуже спрощено процеси, що проходять при зміцнюючої термічній обробці дюралюмінів можна розглянути, використовуючи діаграму Al - Сu (рис. 7).

Рис. 6. Діаграма стану "алюміній - магній"

Рис. 7. Фрагмент діаграми стану "алюміній - мідь"

Т₁ - температура оплавлення;

Т₂ - температура загартування;

Т₃ - температура штучного старіння.

Рис. 8. Діаграма стану "алюміній - кремній":

а) загальний вид;

б) після введення модифікатора.

При загартуванні, яке полягає в нагріванні сплаву вище лінії змінної розчинності, витримці при цій температурі й швидкому охолодженні, фіксується структура пересиченого a - твердого розчину (світле тло на рис. 5а) і нерозчинних включенні залізистих і марганцевих з'єднань (темні включення). Сплав у свіжозакаленому стані має невелику міцність s6 = 30 кгс/мм³ (300 МПа); d= 18%; твердість НВ75.

Пересичений твердий розчин нестійкий. Найвища міцність досягається при наступному старінні загартованого сплаву. Штучне старіння полягає у витримці при температурі 150 - 180°С. При цьому з пересиченого a - твердого розчину виділяються зміцнюючі фази CuAl2, CuMgA2, і ін.

Мікроструктура сплаву, що піддавався старінню, представлена на рис. 5б. Вона складається із твердого розчину й включень різних перерахованих вище фаз.