Термически неупрочняемые сплавы

К термически неупрочняемым сплавам принадлежат технический Al, сплавы на основе системы Al – Mn и сплавы системы Al – Mg (магналии).

Технический Al марок АД00 (99,7 % Al), АД0 (99,5 % Al), АД1 (99,3 % Al), АД (98,8 % Al) относится к деформируемым сплавам, в которых отсутствуют специально введенные легирующие элементы, а содержащиеся в них примеси, из которых главные – Fe и Si, дают свои структурные составляющие.

Растворимость железа в твердом алюминии – менее 0,05 % (рис. 3). В промышленных сплавах Fe и Si могут образовывать малорастворимые в твердом алюминии фазы (рис. 4): FeAl₃, a(Al,Fe,Si) и b(Al,Fe,Si). Фазе a(Al,Fe,Si) приписывают формулу Al₁₂Fe₃Si, фазе b(Al,Fe,Si) – Al₉Fe₂Si₂.

Рис. 3. Диаграмма состояния системы Al – Fe

В техническом Al содержание Fe не настолько большое, чтобы указанные соединения первично кристаллизовались из расплава. Состав технического Al марок АД00, АД0, АД1 и АД находится на диаграмме состояния Al – Fe – Si в области первичной кристаллизации Al, т.е. ниже линии e₁P₁ (рис. 4).

Рис. 4. Поверхность ликвидуса системы Al – Fe – Si

Кривые e₁P₁, P₁P₂ и P₂E являются линиями кристаллизации двойных эвтектик Al+FeAl₃, Al+a(Al,Fe,Si) и Al+b(Al,Fe,Si) соответственно. Точка P₁ отвечает перитектической реакции Ж+FeAl₃®Al+a(Al,Fe,Si), точка P₂ – перитектической реакции Ж+a(Al,Fe,Si)®Al+b(Al,Fe,Si) и точка E – эвтектической реакции Ж®Al+b(Al,Fe,Si)+Si.

При высоком процентном соотношении Fe : Si состав расплава к концу первичной кристаллизации алюминия попадает на линию e₁P₁, и кристаллизуется эвтектика Al+FeAl₃. Затем по перитектической реакции может образоваться a(Al,Fe,Si). При меньшем соотношении Fe : Si после первичной кристаллизации алюминия образуется эвтектика Al+a(Al,Fe,Si) по линии P₁P₂, а затем по перитектической реакции может образоваться b(Al,Fe,Si). При малом соотношении Fe : Si после первичной кристаллизации образуется двойная эвтектика Al+b(Al,Fe,Si) и может образоваться тройная эвтектика Al+b(Al,Fe,Si)+Si. Последний случай типичен для силуминов и редко реализуется при кристаллизации деформируемых сплавов, т.к. в них содержание Si относительно низкое.

В структуре технического Al в литом состоянии по границам дендритных ячеек расположены иголки FeAl₃ эвтектического происхождения и (или) a-фаза (Al,Fe,Si) перитектического или эвтектического происхождения. В двойной эвтектике Al+a(Al,Fe,Si) a-фаза (Al,Fe,Si) имеет характерную форму иероглифов, благодаря которой ее обычно называют китайским шрифтом, или скелетную форму. Железосодержащие фазы практически нерастворимы в твердом Al, в полуфабрикатах, отожженных после обработки давлением, они расположены в виде раздробленных темных включений в светлой алюминиевой матрице.

Сплав АМц относится к системе Al – Mn (рис. 5). Он содержит 1,3 % Mn, остальное – Al. Главная избыточная фаза в сплаве – Al₆Mn.

Рис. 5. Диаграмма состояния системы Al – Mn

При анализе структуры следует учитывать наличие примеси Fe (до 0,7 %) и примеси Si (до 0,6 %). Если Si в сплаве очень мало, то структура слитка, в соответствии с диаграммой состояния системы Al – Mn – Fe (рис. 6), состоит из первичных кристаллов a-раствора Mn в Al, двойной эвтектики a+Al₆Mn и тройной эвтектики a+Al₆Mn+FeAl₃. Соединение Al₆Mn способно растворять большое количество Fe и поэтому его обозначают как Al₆(Mn,Fe). Двойная и тройная эвтектики в сплаве АМц металлографически трудно различимы. В присутствии Si образуется железомарганцовокремнистая фаза (Al,Fe,Mn,Si) в форме китайского шрифта.

Рис. 6. Поверхность ликвидуса системы Al – Mn – Fe

Структура деформированных и отожженных полуфабрикатов состоит из зерен раствора Mn в алюминии и темных раздробленных включений интерметаллидных фаз.

Сплав АМг6 относится к группе магнилиев – сплавов на основе системы Al – Mg (рис. 7), широко используемых в современной технике. Они отличаются хорошей свариваемостью, коррозионной стойкостью и большей прочностью, чем сплавы АМц. Сплав АМг6 содержит 6,3 % Mg, 0,6 % Mn, 0,06 % Ti, 0,001 % Be и не более 0,4 % примеси Fe и 0,4 % примеси Si.

Основной структурной составляющей сплава АМг6 является твердый раствор Mg и Mn в алюминии. В литом состоянии по границам дендритных ячеек алюминиевого раствора находятся светлые компактные включения b (Al₃Mg₂). Эта фаза в сплаве, находящемся по составу далеко влево от точки предельной растворимости (17,4 % Mg), образуется при литье слитков из-за неравновесной кристаллизации эвтектики a+b. В структуре слитка эвтектика вырождена в b-фазу. Микродобавки Be (для уменьшения окисляемости) и Ti (модификатора зерна) своих структурных составляющих не дают.

Рис. 7. Диаграмма состояния системы Al – Mg

Примесь Si образует с Mg силицид Mg₂Si, обнаруживаемый в виде черных разветвленных и скелетных кристаллов. Добавка Mn частично находится в алюминиевом растворе, а частично образует с примесью Fe и, возможно, Si коричневатую составляющую в виде иероглифов или пластин с неправильными очертаниями.

В деформированных полуфабрикатах b-фаза (Al₃Mg₂) отсутствует, так как она полностью переходит в алюминиевый раствор во время гомогенизации слитков. При этом силицид Mg₂Si растворяется лишь частично, и в структуре полуфабрикатов остаются скругленные включения силицида, скоагулировавшие при температуре гомогенизации слитка. Кроме того, видны темные угловатые включения в Al железистой фазы.