Сплавы на основе алюминия

На алюминиевых заводах выпускается довольно большой перечень сплавов на основе алюминия, имеющих достаточно разнообразные физико-механические свойства. Для производства сплавов в алюминий вводятся легирующие присадки – специально подобранные металлы, активно воздействующие на его свойства. Легирующие металлы хорошо растворяются в алюминии, если они близки к нему по положению в Периодической таблице Менделеева и имеют сходное строение внешних электронных оболочек атомов.

Хорошей растворимостью в алюминии обладают кремний, магний, цинк, медь и литий. Если металлы резко отличаются от алюминия по температуре плавления (железо, бериллий и др.), то их растворение идёт медленнее и требует большого перегрева расплава. Если воздействуют оба фактора (температура плавления и различное строение оболочек), то растворение идёт ещё медленнее (титан, цирконий и др.).

Механизм растворения металлической присадки в сплаве происходит в две стадии и заключается в разрушении кристаллической решетки металла и переходе его атомов в жидкий расплав. На первой, кинетической стадии, происходит разрыв связей атомов в кристаллической решётке твёрдого металла и образование новых связей с атомами жидкого металла. На второй, диффузионной стадии, растворённые атомы металла проникают через пограничный слой в объём расплава.

Все сплавы можно разделить на три группы:

1. Литейные сплавы, предназначенные для фасонного литья.

2. Деформируемые сплавы, направляемые в последующем на прокат, штамповку, протяжку и т.д.

3. Сплавы, получаемые методами порошковой металлургии; эти сплавы на алюминиевых заводах практически не производятся.

Литейные алюминиевые сплавы

Сплавы, относящиеся к этой группе, обладают хорошей текучестью в расплавленном состоянии, небольшой усадкой, не склонны к образованию трещин. Наиболее известными сплавами этой группы можно считать силумины (см. табл. 10.2).

Таблица 10.2

Химический состав силуминов, % (max) *

*Cодержание Cu менее 0,1%

Как видно в табл. 10.2, основу силуминов составляют кремний и алюминий. Производство этих сплавов производится путём плавлении кускового кристаллического кремния фракции менее

100мм в жидком алюминии. Куски менее 5мм желательно отсеять, т.к. они легко шлакуются и теряются как сырьё для производства сплава.

Приготовление силумина начинают с подготовки печи, которая предварительно прогревается и в неё заливается жидкий алюминий. После небольшого отстаивания с поверхности металла снимают всплывший шлак, после чего загружают сухой дроблёный металлический кремний в расчётном количестве. Печь переводится в режим расплавления.

Приготовление силумина можно производить как в индукционной печи, так и в спаренном миксере. В последнем случае кусковой кремний загружают через люк в своде миксера, а жидкий алюминий заливают через карман миксера. После полного растворения кремния и интенсивного перемешивания расплава шумовкой с его поверхности снимают шлак и отбирают пробу на экспресс-анализ для определения содержания кремния и железа. Если обнаруживается недостаток кремния, то производят подшихтовку кремния до требуемого состава и анализ повторяют.

Для очистки сплава от неметаллических примесей в миксер вводят флюс из расчёта 1кг на 1т жидкого сплава. Флюс равномерно разбрасывают по поверхности расплава. После выдержки в течение 4-5 мин снимают шлак. В процессе флюсования и отстоя температуру расплава в миксере выдерживают в интервале 660-730ºС. Продолжительность отстаивания при приготовлении силумина составляет не менее 30 мин.

После растворения кремния готовый сплав переливают в раздаточный миксер. Разливку сплава из миксера производят с использованием пенокерамических фильтров. Температура разливки 680-720ºС. Разливка при более низкой температуре приводит к образованию раковин на поверхности чушек. При завышении температуры разливки повышается пористость сплава и содержание в нём газа.

После завершения разливки всей партии производится выборочная проверка структуры на излом не менее чем на двух чушках. В изломе не должно быть шлаковых и других включений. Допускается наличие в изломе вторично выделенных кристаллов избыточного кремния.

На большинстве предприятий участки получения силумина оснащаются МГД-устройствами для ускорения перемешивания и растворения кремния, а также других легирующих элементов. Производительность литейных агрегатов в таких случаях существенно возрастает.

Магнитогидродинамические устройства для перемешивания расплава работают по принципу линейного электродвигателя. Внизу и сбоку печи располагается обмотка, которая при подаче электрического питания генерирует бегущее магнитное поле. В результате взаимодействия этого поля и наведенного им тока возникает движение металла.

По расположению индуктора МГД-устройства по отношению к ванне с жидким металлом можно выделить 3 способа перемешивания: насосный, канальный и бесканальный. Канальные МГД- перемешиватели показали хорошие результаты по усреднению химического состава и температуры в печах литейных отделений

БрАЗа, КрАЗа и других заводов.

Если готовятся многокомпонентные силумины типа АК9пч, АК9ч и др., то в предварительно разогретую печь загружают расчётное количество меди, никеля, титана и заливают в необходимом количестве жидкий алюминий. Затем загружают необходимое количество кремния. При помощи дырчатого короба или шумовкой под зеркало расплава вводят расчётное количество магния. После загрузки магния расплав подогревают и интенсивно перемешивают до полного растворения всех присадок.

От полученного сплава отбирается проба на химический анализ. При получении удовлетворительного результата, соответствующего требованиям стандарта, готовый сплав переливают в чистый литейный ковш, в который предварительно загружен флюс в количестве 1-2кг в расчёте на 1т сплава. После выдержки до 10 минут в ковше с поверхности расплава снимают шлак, а сплав переливают в миксер для разливки на чушки.

Сплавы поршневой группы готовят в индукционных печах с последующей продувкой готового сплава азотом и отливкой чушек через раздаточный миксер. В очищенную от шлака печь загружают расчётное количество никеля и заливают расплавом алюминия сорта А8. Печь подогревают и загружают заданное количество кристаллического кремния и меди. После их растворения вводят 10-процентную лигатуру алюминий-ванадий, прессованные таблетки алюминий-цирконий с содержанием циркония 85% и фосфорную медь. Далее печь подогревают и при помощи дырчатого короба под «зеркало» расплава вводят расчётное количество металлического магния.

После промешивания, отбора проб на экспресс-анализ и корректировки состава на поверхность расплава подают смесь флюса с солью фтористого алюминия. Когда сплав готов, с поверхности снимают шлак и расплав в течение 20 минут продувают азотом. После повторного снятия шлака сплав переливают в разливочный миксер для последующей разливки в чушки. Отливку производят через пенокерамический фильтр при температуре 750-800ºС.

Деформируемые алюминиевые сплавы

Сплавы этой группы содержат меньшее количество добавок, чем литейные. Для их приготовления используются более высокие сорта алюминия-сырца. Легирующие элементы Mg, Zn, Cu вводятся в виде чистых металлов; Mn, V, Ti, Fe – в виде лигатур. Производство сплавов этой группы требует повышенного внимания, т.к. в процессе плавки они легко окисляются, насыщаются газами и неметаллическими примесями. Готовый к литью металл подвергают рафинированию продувкой инертными газами или смесью активного газа с инертным (хлор-аргон или хлор-азот).

Для устранения неметаллических примесей и включений в процессе литья применяют фильтрование сплава через сетчатый, кусковой, пенокерамический или жидкий фильтр. Повышение эффективности очистки достигается при использовании флюсов из cмеси солей CaF₂, MgF₂, NaCl и др.

Сплавы этой группы используются непосредственно на алюминиевых заводах для производства не переплавляемых видов изделий. К ним относятся:

- плоские слитки больших сечений (например, 420х1240мм и др.) для проката листа; производство ведётся полунепрерывным методом в кристаллизаторы скольжения на МПЛ с различными видами привода;

- слитки сечением 100х100 мм из алюминия марки А5е – для производства электрического провода, марки АБЕ6061 - для кабельной промышленности;

- цилиндрические слитки различных диаметров (от 145 до 298мм) из алюминия марки А7 для кабельной промышленности и др.;

- катанка на основе сплава АВЕ.

Добавляя в сплав различные модифицирующие добавки, можно улучшить свойства сплава. Модифицирование означает воздействие на механизм формирования кристаллической структуры на стадии зарождения кристаллитов в жидком металле. Например, модифицирование титаном, стронцием, натрием приводит к измельчению структурного зерна и получению отлитых деталей с повышенной плотностью. Модифицирование магнием позволяет упрочить сплав после термической обработки, марганец нейтрализует вредное воздействие железа.

Лигатуры

Лигатурой называют промежуточный сплав, содержащий в достаточно большом количестве легирующий металл, используемый для более облегчённого введения этого элемента в получаемый сплав. Необходимость применения лигатур обусловлена малой скоростью растворения тугоплавких и слаборастворимых металлов в жидком алюминии в чистом виде, а также повышением степени усвоения легко окисляющихся компонентов. В большинстве лигатур легирующий элемент находится в виде кристаллов интерметаллических соединений.

Для лигатуры характерна более низкая температура плавления, чем тугоплавкого компонента. Это позволяет ввести в состав сплава тугоплавкий металл при более низкой температуре, избежать угара и снизить энергетические затраты. Более того, некоторые легирующие элементы невозможно ввести в сплав напрямую, без использования лигатуры.

Модифицирующие лигатуры можно разделить на два типа. К первому относятся лигатуры, содержащие двойные интерметаллиды-алюминиды (Al-Ti, Al-Zr и др.), ко второму – лигатуры с тройными интерметаллидами (Al-Ti-B, Al-Sc-B, Al-Ti-C и др.).

Лигатуры первого типа применяются для легирования сплавов тугоплавкими металлами, но одновременно они оказывают модифицирующее воздействие на расплав, т.е. на формирование кристаллической структуры на стадии жидких кристаллитов. Лигатуры второго типа применяют только для модифицирования расплава, т.е. для регулирования размера зерна.

Лигатуры вводятся в расплавы в жидком или твердом виде. В последнем случае это чушки, прутки, гранулы. Также эффективно вводить лигатуру в виде порошков или мерных отформованных заготовок – брикетов или таблеток, содержащих в своём составе добавки титана, бора и других элементов. Применение жидкой лигатуры облегчает процесс введения и усреднения легирующих элементов в расплаве.

Основные легирующие элементы по характеру влияния на свойства алюминиевых сплавов можно разделить на три группы:

1. Cu, Si, Мg, Zn растворяются в алюминии в большом количестве и образуют эвтектики с высоким содержанием легирующего компонента. Их можно вводить в сплав в большом количестве (Cu, Мg, Zn - до 15% каждого, Si – до 20% и более). Эти элементы оказывают сильное воздействие на свойства сплавов.

2. Mn, Ni, Cr, Co в твёрдом состоянии плохо растворяются в алюминии, но образуют с ним ряд химических соединений, которые упрочняют сплав. Сюда же относится железо, которое является вредной примесью для большинства сплавов, но в некоторые сплавы добавляется для повышения жаропрочности. Элементы этой группы вносятся в сплавы в количестве не более 1-3%.

3. Ti, Na, Ce, B и некоторые другие элементы по отдельности не вызывают заметного легирующего и модифицирующего воздействия, но существенно улучшают свойства сплавов алюминия в совокупности с другими элементами.

Пять элементов (Zn, Si, Mg, Cu, Mn) составляют основу промышленных алюминиевых сплавов и используются в различных сочетаниях в чистом виде или в виде лигатур. Кремний улучшает литейные свойства сплава, а в деформируемых сплавах в количестве до 1,5% снижает склонность к образованию трещин. Цинк дает повышение прочности в деформируемых сплавах, особенно в сочетании с добавкой магния. Магний является основным легирующим элементом в целом ряде сплавов; добавка магния значительно повышает прочность алюминия без заметного снижения пластичности.

Медь в количестве от 2 до 10% в сочетании с другими добавками повышает твёрдость и прочность деформируемых и литейных сплавов, а их относительное удлинение снижается. Марганец в количестве до 1,25% один или вместе с магнием увеличивает прочность сплава без снижения коррозийной стойкости; это позволяет использовать такие сплавы для производства листа для упаковки пищевых продуктов и напитков.

Лигатуры получают двумя способами: сплавлением чистых компонентов и восстановлением легирующего металла. Метод сплавления основан на введении того или иного компонента в расплав другого или на смешении их в расплавленном виде. Второй метод основан на восстановлении тем или иным способом легирующего металла из оксидов или достижении того же результата методом электролиза.

Часть лигатур производится непосредственно в литейных отделениях путём сплавления в жидком виде в индукционных печах типа ИАТ, это сплавы Al-Cr; Al-Mn. Другие лигатуры (Al-B;

Al-Ti-B; Ti губчатый и др.) производятся на специализированных предприятиях.

Часть элементов можно вводить в виде таблеток Al-Cr; Al-Ti. Этот способ введения легирующих элементов получает всё большее распространение. Таблетки на 80% состоят из легирующего элемента и на 20% из связки – порошкового алюминия или солевых флюсов. Таблетки на основе порошкового алюминия имеют большее распространение, т.к. они не образуют шлаки. Масса одной таблетки, как правило, не более 0,8-1,0кг.

Ванадий, титан, марганец, хром – наиболее вредные примеси в электротехническом алюминии. Важной задачей легирования металла бором можно считать удаление этих примесей. Возможен вариант введения бора в алюминий непосредственно в электролизёрах с помощью борной кислоты или другого борсодержащего соединения. Это не рационально, т.к. образующиеся при взаимодействии с алюминием тугоплавкие соединения оседают на подину, бор распространяется по всему технологическому циклу, превышая допустимые нормы в товарном металле.

Более рационально вводить борсодержащую лигатуру непосредственно в миксер, работающий на производстве катанки. В таком случае тугоплавкие борсодержащие соединения оседают на подину миксера и локализируются в замкнутом производственном участке.

На предприятиях, специализирующихся на выпуске разнообразных сортов сплавов, всегда имеется соответствующий набор указанных лигатур.