Алюминий

Степень чистоты алюминия, %       98,0 ^*1   99,0 ^*1    99,5 ^*1   99,996^*1       99, 0

σв, МПа                                               88,3      83,3     73,5        49,0            88,3 ^*2; 137,3 ^*3

б, %                                                       12,5     20,0       29,0        45,0          30 ^*2; 12 ^*3

НВ                                                       274,6   245,2    284,4         137,3         245,2 ^*2; 313,8 ^*3

^{*1 Для  литого в землю  металла. *2 Для литого  в кокиль металла  и для отожженного. *3 Для деформированного металла.}

 

Таблица 5 –Зависимость механических  свойств от температуры отжига

T  °С                              20        100         200       300        400       500       600          625

σв, МПа                        74,4      65,3       55,0      37,3        28,4      21,3      12,2         8,3

б, %                               42,0      42,0        42,6      44,0      44,7      43,3      41,1        36, 0

ψ,%                                94,2      94,8       95,1      96,5       98,1     99,0      99,4        99,7

 

Алюминий обладает высокой  способностью к деформации; его пластичность возрастает с повышением чистоты. Алюминий чистотой 99,995 % можно подвергнуть очень большим вытяжкам, например, с диаметра 80 до диаметра 0,1 мм. При увеличении степени деформации прочность алюминия увеличивается, а удлинение уменьшается.

Однако, в любом случае, технический алюминий это мягкий и непрочный металл. Низкий предел текучести ограничивает применение алюминия по допустимым нагрузкам.    

 Химические  свойства. Обладая большим сродством к кислороду, алюминий на воздухе теряет блеск, покрываясь тонкой, но очень прочной оксидной пленкой. Электронно-микроскопические исследования показывают, что пленка оксида алюминия на поверхности твердого алюминия сплошная и беспористая. Она защищает алюминий от дальнейшего окисления и обусловливает его высокие антикоррозионные свойства. Толщина пленки оксида алюминия на поверхности металлического алюминия ~2·10^-4 мм.

Интенсивность окисления  алюминия зависит от температуры, степени  его раздробленности и примесей других металлов, присутствующих в нем. Алюминий, нагретый на воздухе до температуры, близкой к точке его плавления (660°С), продолжает окисляться, причем степень окисления его при этой температуре пропорциональна квадратному корню из продолжительности окисления. Окисление алюминия существенно ускоряется при температурах выше его точки плавления, мелко же раздробленный металл при нагревании на воздухе энергично сгорает. Присутствие в алюминии примесей магния, кальция натрия, кремния и меди усиливает его окисление. Особенно легко окисляются при нагревании алюминиево-магниевые сплавы, на поверхности которых образуются рыхлые оксидные пленки. В присутствии следов ртути пленка оксида алюминия на поверхности твердого алюминия нарушается, и весь металл полностью окисляется.

С водородом алюминий, по-видимому, химически не взаимодействует, но энергично его поглощает. Водород является основной составляющей газов, присутствующих в алюминии. Водород в алюминии в количествах, превосходящих растворимость в твердом состоянии, рассматривается как вредная примесь. Методам удаления и контроля водорода как в расплаве, так и в твердом состоянии посвящено большое количество исследований.

Коррозионная  стойкость. Одним из самых важных качеств алюминия является его исключительно высокая стойкость к коррозии, значительно возрастающая с повышением степени его чистоты. Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью к морской воде, уксусной, лимонной, винной и другим органическим кислотам. Он практически не взаимодействует с концентрированной азотной и 100 %-ной серной кислотами, но быстро разрушается в разбавленной азотной кислоте, а также в разбавленной серной кислоте при концентрациях более 10 % (максимальная растворимость наблюдается в 80 %-ной серной кислоте). Быстро растворяется алюминий также в растворах щелочей, соляной, плавиковой и бромистоводородной кислотах; слабо взаимодействует с борной кислотой. Алюминий устойчив в нейтральных растворах солей магния и натрия, слабо влияют на алюминий сернистый газ, аммиак и сероводород.

Химическая стойкость  алюминия обусловливается, как указывалось  выше, образованием на его поверхности тончайшей, но плотной беспористой пленки оксида алюминия. Сцепление оксидной пленки с алюминием в местах нахождения примесей в металле значительно уменьшается, и эти места уязвимы для коррозии. У алюминия с ничтожным содержанием примесей оксидная пленка имеет очень прочное сцепление с поверхностью. Поэтому алюминий высокой и особой чистоты чрезвычайно стоек против действия многих химически активных реагентов.

Беляев и Гольштейн [9] исследовали влияние на коррозионную стойкость алюминия содержания основных примесей в первичном алюминии — железа и кремния, а также небольших добавок редких металлов (Be, Ga, Nb, Re и Ti), которые специально вводили в алюминий технической и высокой чистоты. С увеличением содержания суммы примесей Fe и Si коррозионная стойкость алюминия (в 5 %-ном растворе HCl) с очень малым содержанием меди (<0,005%) постепенно падает. Для алюминия с высоким содержанием Fe и Si (0,9%), которое соответствует стандартной марке А0, скорость коррозии равна 27— 31,5 г/(м²-ч), для металла технической чистоты марки А7 — всего лишь 0,24— 1,07 г/(м²-ч), а для алюминия марки А6— 1,19—1,64 г/(м²-ч). Исследования позволили установить отрицательное влияние примеси железа на коррозионную стойкость алюминия, которая уменьшается с увеличением содержания железа. Увеличение содержания кремния от 0,0003 до 1—2 % практически не сказывается на коррозионной стойкости металла. Алюминий с очень низким содержанием железа (0,003%) в 5 %-ном растворе НС1 корродирует очень медленно [0,10—0,157 г/(м²-ч)], независимо от увеличения содержания в нем кремния от 0,003 до 0,5—1 %. Даже при большем содержании кремния (до 2%) скорость коррозии алюминия невелика.

 Добавки редких металлов влияют на коррозионную стойкость алюминия следующим образом: 0,01—0,19% Ti заметно не влияют на коррозионную стойкость алюминия этих марок в 5 %-ном растворе НСl. Бериллий в малых количествах (0,05—0,5%) незначительно снижает коррозионную стойкость алюминия высокой и технической чистоты в 5 %-ном растворе НСl. Ниобий же, введенный в такой алюминий, более ощутимо снижает его коррозионную стойкость. Если в присутствии 0,03—0,09 % Nb это снижение невелико, то при более высоком содержании ниобия (0,14—0,19 %) оно уже значительно. Весьма отрицательно влияют на стойкость алюминия против коррозии не- большие добавки галлия и рения. Для алюминия стандартной марки А7, содержащего 0,5% Ga, скорость коррозии достигает 120 г/(м²-ч), а содержащего 0,3% Re — 250 г/(м²-ч). Для сравнения укажем, что скорость коррозии бессортного алюминия, богатого железом (1 % Fe+0,03 % Si), составляет около 100 г/(м2-ч).

Технологические свойства. Алюминий обладает высокой технологической пластичностью, сваривается всеми методами. Обрабатываемость резанием плохая вследствие высокой вязкости. Высокая пластичность алюминия позволяет производить фольгу (толщиной до 0,004 мм),  изделия глубокой вытяжкой, использовать его для заклепок. Алюминий технической чистоты при высоких температурах проявляет хрупкости.

Свариваемость. Трудности сварки алюминия обусловлены: 1) наличием прочной инертной окисной пленки; 2) высокой теплопроводности. Тем не менее алюминий считается хорошо свариваемым металлом. Сварной шов имеет прочность основного металла (в отожженном состоянии) и такие же коррозионные свойства.

 

Способы устранения проблем  в техническом алюминии

 

Железо  и кремний является естественной примесью, которая возникает в ходе производства первичного алюминия – превращения бокситов в глинозем и глинозема в расплавленный алюминий. В зависимости от качества исходной руды, степени контроля технологии и качества других исходных материалов жидкий первичный алюминий обычно содержит от 0,03 до 0,15 % железа и кремния, в среднем — от 0,07 до 0,10 %.

Экономичного способа  удаления железа и кремния из технического алюминия не существует, поэтому эти «первичные» величины являются типичным нижним уровнем содержания железа и кремния в литейных и деформируемых алюминиевых сплавах, а все последующие обработки расплава могут только увеличивать его. Железо может попадать в расплав при его обработке по следующим двум основным механизмам. 

1. Жидкий алюминий способен  растворять железо не защищенного  от расплава стального плавильного  инструмента, а также стального  печного оборудования. При длительном  контакте алюминия со сталью  уровень железа в расплаве  может достигать 2 % при температуре  расплава 700 °С (эвтектика Al-Feвозникает при содержании железа 1,7 % и температуре 655 °С). Если расплав держать при температуре 800 °С, то уровень железа может достигнуть 5 %.

2. Железо может попадать  в алюминиевый расплав через  добавки не слишком чистых  легирующих элементов, например, кремния, а также при добавлении  лома, который обычно содержит  значительно большее содержание  железа, чем первичный металл.

По этим причинам уровень  железа в алюминиевых сплавах  продолжает увеличиваться с каждым переплавом. Поэтому вторичные алюминиевые  сплавы, особенно те сплавы Al-Si, которые предназначены для литья под высоким давлением, ограничивают содержание железа величиной 1,5 %. В случае литья под высоким давлением высокое содержание железа как раз не так уж и плохо, так как оно помогает минимизировать дорогостоящую проблему налипания металла на матрицу.

Во время гомогенизационного отжига интерметаллиды, образуемые малыми добавками и примесями, почти совсем не растворяются и мало меняют свою морфологию.  Например, частицы  фаз,  содержащие  малорастворимые  в  (Al)  элементы  и имеющие иглообразную  морфологию,  как  правило,  остаются  неизменными  даже  после длительных  нагревов  вблизи  равновесного  солидуса.  В  связи  с  этим  использование сфероидизирующий  термообработки  для  устранения  их  вредного  влияния  не  дает никакого  эффекта.  Примером  могут  служить  частицы  фазы  Al 5 FeSi, резко  снижающие  механические  свойства  силуминов. 

Слабое выравнивание концентраций железа и др. переходных металлов при гомогенизации литых  алюминиевых  сплавов  связано  с  относительно  низкими  значениями  их коэффициентов диффузии при используемых температурах отжига (табица 6) [2].

 

Таблица 6- Коэффициенты диффузии (D) некоторых элементов в алюминиевом твердом растворе при 500 °С

Элемент    Zn        Mg      Cu         Si         Mn          Fe          Ni            Cr

D, см ² /c  9·10 ^-10   10 ^-9   7·10 ^-10   2·10 ^-9   8·10 ^-13   7·10 ^-13   2·10 ^-12     7·10 ^-14  

 

 Видно,  что  у  основных  легирующих  элементов  они  на  несколько  порядков больше. В результате, того времени отжига, которое используется на практике (часы- десятки часов), оказывается вполне достаточно для выравнивания их концентрации, а ликвация марганца, хрома , железа не успевает за это время существенно измениться.

 Работа [7] посвящена математическому моделированию преобразования пластинчатой β-AlFeSi фазы  в компактную α-Al(FeMn)Si фазу путем интеграции шагов кристаллизации и гомогенизации на примере алюминиевого сплава серии 6ххх

(рисунок 3).

 

Рисунок 3-Последовательность расчета

 

В данной работе также описывается  зависимость превращения β-AlFeSi фазы  в компактную α-Al(FeMn)Si фазу от времени  и температуры гомогенизации (рисунок 4).

Рисунок4-Зависимость доли превращенной β-AlFeSi фазы от времени и температуры гомогенизации.

 

В работе [8] для нейтрализации вредного влияния железа в алюминиевые сплавы вводят добавки марганца, хрома, которые образуют компактные равноосные полиэдры фазы стехиометрического состава Al₁₂(Fe,MnCr)₃Si₂, в отличие от фазы, Al₅(Fe,MnCr)Si ,которая кристаллизуются в игольчатой форме, что уменьшает пластичность сплавов. Марганца необходимо вводить более 0,2%,хрома более 0,1% [8].

При высоком содержании железа добавки марганца, хрома не всегда улучшают жидкотекучесть (литейного) алюминиевого сплава и снижают его пористость. Кроме того, добавление марганца в расплав с высоким содержанием железа может способствовать чрезмерному образованию шлака [9].   

Из работы [9] следует, что добавление Sr эффективнее нейтрализует вредное влияние железа и кремния в  алюминиевых сплавах серии 3xxx. Добавка Sr уменьшает объемную долю и размеры интерметаллидных фаз, что приводит к уменьшению градиента концентраций легирующих элементов. То есть Sr замедляет образование интерметаллидных фаз в расплаве, а также уменьшает скорость  их оседания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

 

1 ГОСТ 11069-2001.Алюминий первичный. Марки. - М.: Издательство стандартов,2001;

2    Новиков И.И., Золоторевский В.С.Портной В.К. Металловедение. Термическая обработка. Сплавы- М.: МИСиС, 2008;

3   Беляев А.И., Бочвар О.С., Буйнов Н.Н. Металловедение алюминия и его сплавов -М.: Металлургия, 1983;

4    ГОСТ 4784-97. Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки сплавов.- М.: Издательство стандартов,1997;

5    Мараев С. Е., Беляков Ю. И. и др.- Литье и обработка алюминия и его

сплавов. Науч. тр./ВАМИ, 1979;

6     Беляев А.  И., Жемчужина Е. А., Фирсанова Л.  А. Металлургия чистых    металлов и элементарных полупроводников-М.: Металлургия, 1969;

7  G.N.Haidemenopoulos, H.Kamoutsi, A.D.Zervaki. Simulation of the transformation of iron intermetallics during homogenization of 6xxx series extrudable aluminum alloys-2012;

8   E. S.G. Shabestari . The effect of iron and manganese on the formation of intermetallic compounds in aluminum–silicon alloys// Materials Science and Engineering.-2004.-V.383.-P. 289-298;

9    S.G. Shabestari , M. Keshavarz, M.M. Hejazi .Effect of strontium on the kinetics of formation and segregation of intermetallic compounds in A380 aluminum alloy// Journal of Alloys and Compounds.-2009.-V.477.-P. 892-899;