Соединения алюминия

Содержание       Введение..................................................................................................................5 1.Литературный обзор................................................................................................6   1.1.Общие сведения об алюминии .........................................................................6   1.1.1.Сплав АК4-1.....................................................................................................7   1.2.Диаграмма состояния Al-Cu-Mg......................................................................10   1.2.1.Диаграмма состояния Al-Cu..........................................................................10   1.2.2.Диаграмма состояния Al-Mg.........................................................................11   1.3.Фазовый состав сплава.....................................................................................12   1.4.Термическая обработка алюминиевых сплавов.............................................14   1.4.1. Упрочняющая термическая обработка (закалка и старение)...................15   1.5. Постановка задач исследования......................................................................17 2. Материал и методики исследований...................................................................18   2.1. Материал исследования...................................................................................18   2.2.Методы эксперимента.......................................................................................18   2.2.1. Методики подготовки образцов для микроструктурных       исследований.....................................................................................................18         2.2.2.Методика травления сплава..........................................................................19         2.2.3. Методика  определения микротвердости...................................................19        2.2.4. Метод оптико-эмиссионной спектрометрии..............................................20         2.2.5.  Метод исследования структуры в просвечивающем электронном                   микроскопе.....................................................................................................20         2.2.6. Методы определения среднего размера зерна............................................20      3. Результаты исследований.....................................................................................22         3.1. Результаты оптико-эмиссионного анализа....................................................22         3.2. Результаты определения микротвердости.....................................................22         3.2.1.График микротвердости состояния поставки..............................................23         3.2.2.График микротвердости после закалки........................................................23         3.2.3.График микротвердости после старения .....................................................24         3.3.Результаты  исследования структуры  в электронном микроскопе..............24                Выводы..............................................................................................................27                Список литературы...........................................................................................28
Изм	Лист	№ докум.	Подп	Дата
Разраб.		Искандарова И.Р.			Исследование химического состава и структуры образцов сплава АК4-1	Лит.			Лист	Листов
Пров.		Караваева М.В.							4	28
Т. контр.						УГАТУ ФАТС НТ-305
Н. контр.
Утв.

 

Введение

 

Соединения алюминия составляют 80% земной коры. Алюминий является третьим по распространенности металлом после сталей с общим ежегодным выпуском 24 млн. тонн. Кроме первичной продукции, ещё более 7 млн. тонн производится из переработанного алюминия.

Основными примесями, попадающими в алюминий при его производстве, являются кремний и железо, но могут содержаться также медь, цинк, титан и др.

Максимальное содержание легирующих элементов в сплавах алюминия установлено экспериментально и не превышает: марганца-1,6%, кремния-13,0%, меди-5,3%, магния-11,5%, цинка-14,0%, лития-4,5%. Анализ диаграмм состояния показывает, что только сплавы алюминия с кремнием имеют в структуре эвтектику, остальные же имеют структуру твердого раствора и выделения интерметаллидной фазы по границам зерен.

Алюминиевый сплав АК4-1 является  деформированным жаропрочным сплавом, легированный медью, магнием, никелем и железом. Он  относится к классу жаропрочных алюминиевых сплавов. Материал устойчив к воздействию высоких температур, хорошо обрабатывается резанием, удовлетворительно сваривается точечной и роликовой сваркой. Применяется для изготовления деталей реактивных двигателей [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Литературный обзор

1.1 Общие сведения об алюминии

        Алюминий и  сплавы на его основе имеют  широкое применение в машиностроении  благодаря комплексу ценных физико-химических  свойств: малой плотности, высокой  тепло-, электропроводности, пластичности, коррозионной стойкости.

      Чистый алюминий - серебристо-белый металл с температурой плавления 6600 С, плотностью 2710 кг/ , имеет кристаллическую решетку ГЦК, полиморфных превращений не претерпевает. Механическая прочность чистого алюминия невелика (80-100 МПа).Он применяется в виде токоведущих изделий (провода, шины), конденсаторной и пищевой фольги, покрытий для зеркал, рефлекторов и др.

    Основными примесями, попадающими  в алюминий при его производстве, являются кремний и железо, но  могут содержаться также медь, цинк, титан и др. Железо присутствует в структуре алюминия в форме химического соединения FeAl3, кремний соединений не образует, а его кристаллы имеют игольчатую форму.

     Эти примеси ухудшают  пластичность алюминия и часто  нежелательны в сплавах. Относительное удлинение  для алюминия, содержащего 0,005% примесей составляет 45%, при содержании примесей =25%.

  Cтруктура алюминия технической чистоты состоит из зерен алюминия, включений частиц кремния и FeAl3 на границах.

    Для повышения прочностных  свойств в алюминий вводят легирующие элементы, наиболее распространенными из которых являются медь, цинк, кремний, магний, марганец, литий. Все эти диаграммы состояний алюминия с легирующими элементами одного типа - эвтектические с ограниченной растворимостью второго компонента [3].

              Алюминий характеризуется высокой  химической активностью: энергия  образования его соединений с  кислородом, галоидами, серой и углеродом  очень велика. В ряду напряжений  он занимает место среди наиболее  электроотрицательных элементов (нормальный потенциал его около 1,3 В).

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

                 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 окисные пленки[4].

 

 

1.1.1.Сплав АК4-1

 

                 Марка АК4-1 обозначает деформированный  алюминиевый сплав, легированный  медью, магнием, никелем и железом. Материал устойчив к воздействию  высоких температур, хорошо обрабатывается  резанием, удовлетворительно сваривается  точечной и роликовой сваркой. Сплав АК4-1 используется для изготовления плит, листов, штампованных заготовок; деталей для греющихся авиационных конструкций, в том числе для деталей двигателей, деталей реактивных двигателей; профилей с площадью сечения до 200 см2 и диаметром описанной окружности до 350 мм, предназначенных для применения в авиационной промышленности и специальных отраслях машиностроения; прессованных панелей постоянного сечения с продольным оребрением для авиастроения, изготовленных методом развертки прессованных оребренных труб в плоскость шириной полотна до 2100 мм; прессованных крупногабаритных труб. [5]

                Ниже приведена таблица химического состава АК4-1 по ГОСТУ.

         Таблица №1.  Химический состав в % сплава АК4-1[5]

Легирующие элементы		Примесные элементы
Fe	0,8-1,3	Si	до 0,35
Ni	0,8-1,3	Mn	до 0,2
Ti	0,02-0,1	Zn	до 0,3
Al	92,05-96,08	-	-
Cu	1,9-2,5	-	-
Mg	1,4-1,8	-	-

 

              Алюминий отличается высокой  электропроводностью (четвертое место  среди металлов- после серебра, меди и золота). По данным А.И.Беляева и Р.М.Гольдштейна [4] , удельная электропроводность алюминия чистотой 99,99 % при 20 ºС. равна 37,9 мкСм·м, что составляет 63,7 % от электропроводности меди (59,5 мкСм·м ). Более чистый алюминий (99,999%) обладает электропроводностью, равной 65,9 % от электропроводности меди.

            На электропроводность алюминия  влияет ряд факторов: степень  деформации, режим термической обработки  и т.д., решающую роль играет природа примесей, присутствующих в алюминии. Влияние примесей на удельное электросопротивление представлено на рисунке 1 по данным А.И.Беляева и Р.М.Гольштейна [4]. Примеси по их отрицательному влиянию на электропроводность алюминия можно расположить в следующий ряд: Cr,V,Mn,Ti,Mg,Ag,Cu,Zn,Si,Fe,Ni. [4]

             На рисунке 1 изображено влияние  примесей на электропроводность  алюминия.

Рисунок 1. Влияние примесей на электропроводность алюминия [4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2. Диаграмма состояния Al-Cu-Mg

 

              Система Al-Cu-Mg является основной промышленных сплавов типа дуралюмин. Однако с учетом только тройной системы нельзя определить фазовый состав промышленных сплавов, так как они содержат марганец и в качестве неизбежных примесей- железо и кремний. Свойства промышленных сплавов типа дуралюмин также будут отличаться от свойств тройных сплавов. Однако исследование свойств тройных сплавов системы Al-Cu-Mg дает возможность судить о характере влияния меди и магния на абсолютные значения свойств и на способность сплавов к упрочнению при термической обработке[4].

 

 

1.2.1.Диаграмма состояния Al-Cu

На рисунке 2 представлена диаграмма состояния Al – Cu.

Точка D характеризует максимальную растворимость (5,7%) меди в алюминии, которая наблюдается при температуре 548º С. При комнатной температуре в равновесных условиях алюминий может растворить медь в количестве только 0,5% (точка F).

Рисунок 2. Диаграмма состояния Аl-Сu [6]

 

Любой сплав, содержащий до 5,7% Cu, соответствующим нагревом можно перевести в однофазное состояние - a- твердый раствор замещения меди в алюминии с ГЦК решеткой. Это  состояние  можно  зафиксировать быстрым охлаждением. Такой твердый раствор называется переохлажденным  или пересыщенным. Полученное состояние неустойчиво, поэтому в твердом растворе идут изменения, приводящие к выделению из S-фазы частиц CuAl2    (интерметаллидное соединение). Повышение температуры активизирует процесс выделения интерметаллидных частиц, что составляет суть искусственного старения [6].

 

 

 

1.2.2.Диаграмма состояния Al-Mg

           

              Алюминиевые деформируемые сплавы на основе системы Al—Mg являются термически неупрочняемыми. Они имеют невысокие прочностные характеристики — временное сопротивление и, в особенности, предел текучести, но отличаются высокой пластичностью, хорошей коррозионной стойкостью в различных средах [6].

              На рисунке 3 изображена диаграмма состояния Al-Mg.

Рисунок 3. Диаграмма состояния Al-Mg [6]

           Промышленные сплавы этой системы в соответствии с равновесной диаграммой состояния представляют собой α -твердый раствор с частицами второй фазы Al3Mg2. Кроме того в сплавах могут присутствовать фазы, содержащие марганец, и фаза Mg2Si [6].

 

 

1.3.Фазовый состав сплава

 

              Жаропрочный алюминиевый сплав  АК4—1 по своему  фазовому составу весьма близок к сплавам типа дуралюмин, которые основаны на системе Al—Си—Mg, и основными упрочняющими фазами при термической обработке служат фазы S-Al2CuMg и Cu

              На рисунке 4 показаны поверхности ликвидуса этой диаграммы, где сплошными линиями очерчены границы поверхностей первичной кристаллизации - алюминиевого раствора (α), Сu и фаз S (А12СuМg), Т и β.

               На рисунке 5 в большом масштабе представлены изотермические разрезы системы, отвечающие 500 и 20° С.

Рисунок 4. Поверхность ликвидуса системы Al - Cu – Mg [9]

Рисунок 5. Изометрические разрезы системы Al - Cu – Mg [9]

 

              Согласно изотермическим разрезам тройной диаграммы состояния А1 - Сu - Мg с повышением температуры область α-твердого раствора сильно расширяется и сплавы при низких температурах, будучи трехфазными (разрез при 20°С), становятся при температуре 500°С гомогенными твердыми растворами. Фазы Сu и S при этом переходят в твердый раствор. Железосодержащие фазы и марганцовистая фаза остаются нерастворенными.

                Фазовый состав сплава АК4-1 следующий: основные упрочняющие фазы при термической обработке – S-фаза и ее метастабильные модификации. Железо и никель связываются в основном в тройную фазу с алюминием : в зависимости от избытка железа или никеля против соотношения 1:1 могут образовываться соответственно фазы и .Кремний с магнием образуют фазу . Присутствие фаз , и снижает механические свойства сплавов.

                Основные упрочняющие фазы сплава - Сu и S. Никель связывается с медью и образует фазу за счет избыточных фаз Сu и S, не перешедших в твердый раствор при нагреве под закалку. Железо и кремний образуют тройную фазу α(AlFeSi), кремний с магнием может образовывать также фазу . Высокая жаропрочность сплава АК4-1 определяется прежде всего их фазовым составом, наличием упрочняющей жаропрочной фазы S- , достаточно устойчивой и менее склонной к коагуляции при повышенных температурах, чем фазы Сu и . Доказано так же положительное влияние тройной фазы на жаропрочность сплава. Меньшая легированность твердого раствора сплава АК4-1 способствует меньшей скорости его распада, а следовательно, получению структуры с более тонким строением, обеспечивающей высокие механические свойства при повышенных температурах. В сплавах АК4-1 более низкая скорость распада малолегированного твердого раствора, позволяет так же сохранять большую концентрацию остаточного твердого раствора.[17]