Расчет критериев диаграмм состояния

Алюминий не имеет аллотропи­ческих превращений и является плохим растворителем (ни с одним элементом он не образует непрерывных растворов). С один­надцатью тугоплавкими элементами он образует в начальных участках диаграмм состояния верхние перитектики. К этим элементам относятся: Ti, V, Сг, Zr, Nb, Мо, W, Re, Hf, Та, Тc. С остальными 83 элементами он образует эвтектики и монотектики.

На рисунках 4.4 – 4.12 представлены диаграммы состояния двойных систем алюминий - легирующий элемент [3, 4], для которых проведена оценка соответствующих критериев (таблица 4.1).

1) Основные легирующие добавки. Основываясь на имеющихся опытных данных для этой группы, можно при­нять α ≥ 0,75 ω ≥ 0,05. Этому условию отвечают девять эле­ментов. Одновременно можно оценить остальные критерии, включая способность сплавов к упрочняющей термообработке γ.

Хотя цинк и занимает первое место в этом ряду, но в ре­зультате монотектического превращения на втором ярусе диа­граммы состояния он не может считаться самым сильным уп­рочнителем ни через растворный механизм, ни через термиче­скую обработку. Второй элемент – серебро – наилучший легирующий элемент алюминия в двойном взаимодействии, но де­фицитен и дорог, поэтому не может применяться, за исключе­нием особых случаев.

Таблица 4.1

Критерии диаграмм состояния сплавов на основе алюминия

По этой же причине нельзя считать основными легирующими добавками литий, галлий и германий. Эффективными упрочнителями через термическую обработку (а также через раствор) являются медь и особенно магний. Кремний и марганец не могут считаться упрочнителями через термическую обработку, но обладают значительным положи­тельным влиянием на другие свойства сплавов.

Таким образом, основные легирующие добавки алюминия образуют следующий ряд:

Mg, Cu, Zn, Si, Mn.

2) Вспомогательные легирующие добавки. Для этой группы элементов можно принять: α = 0,01 ÷ 0,75; ω ≥ 0,05. Этому условию отвечают 22 элемента. Их можно разбить на следующие подгруппы:

а) Пластификаторы. Сюда относятся элементы, имеющие ма­лую растворимость в алюминии (около 0,1 ат. %), и критерий распределения, близкий к единице. Они не влияют существенно на прочность, но могут повышать пластичность. К недорогим добавкам этой подгруппы относятся

Ti, Zr, Cr, Мо, V, Nb.

Из них титан и цирконий наиболее эффективны и часто применяются.

б) Дополнительные упрочнители. Это элементы с повышен­ной ценой, которые могут применяться в особых случаях для допол­нительного упрочнения. Германий является эффективным упроч­нителем. Бериллий вводится для предохранения от окисления в жидком состоянии и при нагреве под закалку при температу­рах, близких к солидусу. Литий является очень легким и эффективен, как возможный упрочнитель через термическую обработ­ку. В подгруппу входят:

Ge, Ве, Li.

в) Модификаторы алюминия. Для достижения эффекта модифи-цирования основы сплава – алюминия элементы должны иметь пониженную растворимость в жидком алюминии β = 0,2 ÷ 0,6 и пониженный критерий распределения ω = 0,2 ÷ 0,05 (таблица 4.2).

Таблица 4.2 Критерии диаграмм состояния сплавов алюминия для оценки влияния на модифицирование

Эти примеси должны скапливаться на границах растущих кристаллов растворов алюминия, тормозить их рост, а следовательно, измельчать зерно. Итак, к данной подгруппе относятся

Са, Cd, Sb, Bi, В, Sr.

3) Вредные примеси. Вредные примеси имеют низкий критерий распределения ω < 0,05 и чаще всего низкую раство­римость в самом алюминии. К этой категории относятся, по крайней, мере 12 элементов. Из них самым вредным и постоянно встречающимся в алюминиевых сплавах является железо. Встре­чаются реже, но явно оказывают вредное влияние Ni, Со, Sn, In, As. Кроме того, к этой группе относятся газы – кислород и водород. Всего 8 элементов:

Fe, Ni, Со, Sn, In, As, О, Н.

Остальные элементы являются нейтральными; они практиче­ски не взаимодействуют с алюминием.

Влияние добавок на технологические свойства имеет смысл рассматривать только при введении их в заметных количест­вах, т. е. в качестве основных легирующих добавок (таблица 4.3). Ниже рассмотрены значения критериев, позволяющие оценивать их влияние на технологические свойства.

Оценка влияния элементов на жидкотекучесть по критерию λ показывает, что все они ее повышают. Особенно интенсивно действует в этом направлении кремний. Может снижать жидкотекучесть титан, но он вводится в слишком малых количест­вах, чтобы оказывать реальное воздействие.

Таблица 4.3 – Критерии диаграмм состояния для оценки технологических свойств

Сам алюминий образует настолько устойчивый оксид Аl₂О₃, что все остальные элементы уже не оказывают влияния на образование плен, за исключением магния.

Увеличению развития пористости, по критерию δ, мо­жет способствовать магний, медь и кремний, Судя по критерию ω, интенсивно снижают пластичность и способствуют образова­нию трещин магний, медь и кремний. Магний, медь и цинк, имеют пониженную температуру эвтектик τ.

Таким образом, существенно могут снижать технологические свойства алюминиевых сплавов в парном взаимодействии медь, магний и кремний.

К элементам, не снижающим или повышаю­щим температуру первого превращения, т. е. способных повы­шать жаропрочность алюминиевых сплавов, то к кремнию, мар­ганцу и меди можно добавить железо, никель, хром. Вредными примесями в этом случае будут цинк, олово, свинец.