Лекция 11. Влияние модифицирующих элементов на свойства сплавов на основе цветных металлов

Теоретические аспекты микролегирования и модифицировании металлов и сплавов. Практическое значение металлических сплавов определяется тем. что они своими физико-механическими и технологическими свойствами превосходят чистые металлы. Применение сплавов и улучшение тем или иным способом их свойств полу­чать для производства новые материалы с непрерывно улучшающимися ценными ка­чествами, отвечающими растущим потребностям техники.

Сплавы, применяемые в технике, должны иметь определенный химический состав. Помимо обязательных компонентов они содержат то или иное количество примесей. Все входящие в сплав примеси в зависимости от того, каким путем они попали в сплав, можно разделить на следующие группы: постоянные, или неизбежные, легирующие и случайные. Постоянными, или неизбежными примесями, называют те, которые ос­таются в сплаве после выплавки и зависят от металлургических особенностей. Например, в углеродистой стали такими примесями являются кремний и марганец, вводимые в нее для раскисления, а также неизбежно остающиеся в ней сера и фосфор. Эти приме­си попадают в металл еще при восстановлении железа из руды и производстве чугуна в доменных печах.

Для многих сплавов к группе постоянных примесей могут быть отнесены такие газы, как азот, водород и кислород, являющиеся, как правило, нежелательными.

Легирующими (или специальными) называют те примеси, которые в определенных количествах специально вводят (добавляют) в сплавы, чтобы придать им особые физиче­ские, физико-химические свойства, повысить прочность и т.д. Например, для стали и чугуна такими компонентами могут быть никель, хром, молибден, вольфрам, титан, медь, кобальт и др.; для бронз и латуней - марганец, железо, алюминий, никель, кремний и др. С. развитием процессов легирования было введено понятие микролегирования, под которым понимают введение в сплав легирующих материалов, остаточное содержа­ние которых не превышает 0.1-0,3 %.

Случайными являются примеси, попавшие в тот или иной сплав случайно, наличие которых не является характерным для соответствующих сплавов. Обычно их содержа­ние не должно превышать определенного предела, оговариваемого стандартом или тех­ническими условиями. Например, в углеродистых сталях или обычном сером чугуне к случайным примесям относятся никель (до 0.3%), хром (до 0.2 %). медь (до 0.1 %). Необходимо отметить, что одни и те же элементы в сплавах на одной и той же основе в одном случае могут быть полезными (например, легирующими), а в другом, попав в сплав слу­чайно, вредными и нежелательными.

К отдельной группе следует отнести модификаторы. Модификаторами называют химические вещества, вводимые в сплав в очень малых содержаниях с целью воздействия в желаемом направлении на процесс кристаллизации и получения тех или иных свойств. Способ модифицирования широко применяется как в производстве стали и чугунов. так и в сплавах цветных металлов.

В настоящее время известно два основных метола улучшения свойств металлов и сплавов. Первый из них заключается в получении металлов и сплавов с максимальной степенью чистоты за счет приближения металлов к бездефектному, правильному атомно-кристаллическому строению. Этот путь в технике новый и получил широкое развитие в последние годы.

Второй прямо противоположен первому и заключается в увеличении количества де­фектов строения (т.е. в усилении степени нагружения атомно-кристаллического строения металлов), что широко применяется в литейном производстве.

Таким образом, в зависимости от определенных условий дефекты кристаллической решетки могут ослаблять или упрочнять металлы и сплавы. Задачей инженера, занятого изысканием сплавов, является научное предвидение и умелое использование этого един­ства противоположностей. Необходимо при этом иметь в виду, что основным услови­ем, определяющим степень ослабления пли упрочнения, является количество дефектов. В том случае, когда дефектов очень мало, основным является ослабляющее действие (ри­сунок 40).

Рисунок 40 - Зависимость сопротивления деформации от количества дефектов кри­сталлического строения металлов и сплавов

Одним из существующих факторов, оказывающих действие на теоретическую проч­ность сплавов, является наличие всевозможных примесей, обусловленное их неблагопри­ятным распределением при кристаллизации и формировании структуры металла. Особен­ности влияния примесей на свойства сплавов необходимо рассмотреть, исходя из сле­дующих соображений. Во-первых, реальные литейные сплавы, как правило, являются сложными многокомпонентными системами. Когда говорят о литейных расплавах, необ­ходимо иметь в виду, что в них всегда можно обнаружить определенное количество примесей, находящихся во взвешенном состоянии. Это не относится к твердому со­стоянию литейных сплавов. Таким образом, литейные сплавы, как в жидком, так и в твердом состоянии следует отнести к коллоидным системам.

Известно, что коллоидные системы характеризуются определенными своеобразными физико-химическими свойствами, которые обусловлены наличием весьма развитой по­верхности раздела на границе: дисперсная фаза - дисперсионная среда и. следовательно, большим запасом поверхностной энергии. В коллоидных растворах дисперсная фаза может состоять из частичек одинакового или разного размера. В первом случае кол­лоидной системы называют монодисперсными, а во втором полидисперсными. Металли­ческие сплавы относятся к полидисперсным коллоидным системам. Сплавы не являются устойчивыми коллоидными системами со стабильными свойствами.

Изменение условий, в которых находится сплав, может привести к большому или меньшему диспергированию частиц дисперсной фазы (пептизации) или. наоборот, к объе­динению дисперсных частиц под влиянием молекулярных сил сцепления в агрегаты ( коа­гуляции или при полном исчезновении поверхностей раздела к коалосценции). Мель­чайшие частицы твердых фаз в коллоидно-дисперсном состоянии обычно обладают кри­сталлическим строением и могут быть центрами кристаллизации в затвердевающем спла­ве.

Во-вторых, элементы, существующие в обычных условиях в природе в газообразном состоянии, в металлах и металлических сплавах встречается в виде: а) газовых включений (раковин и сферических пузырей); б) твердых химических соединений с элементами, вхо­дящими в состав сплава (оксидов, нитридов, гидридов); в) жидких и твердых растворов. В этом случав атомы газообразных элементов могут быть расположены между атомами ос­новного металла или могут войти (внедриться) в его кристаллическую решетку; г) тонких слоев, адсорбированных на поверхности металла или сплава. Например, в чугуне ад­сорбция газов может наблюдаться и на поверхности графитовых включений, располо­женных в толще металлической матрицы. Растворимость (адсорбция) газообразных ве­ществ в металлах и сплавах зависят от природы газов, природы состояния металлов и сплавов, температуры, парциального давления газа.

В-третьих, неметаллические включения в затвердевшем сплаве являются телами, нарушающими сплошность и единообразие структуры металла. В абсолютном большин­стве случаев наличие неметаллических включений в отливках или слитках являются не­желательным.

Таким образом, наличие в расплавах вышеуказанных примесей и включений в разно­образных формах оказывает существенное влияние на характер кристатлизации сплавов. Поэтому для отливок и слитков первичная кристаллизация имеет исключительно боль­шое значение и в значительной степени предопределяет не только макростроение метал­ла, но и развитие дефектов усадочного происхождения, ликвацию, содержание газов, ко­личество и природу неметаллических включений и др.