— литейных и деформируемых. Оно попадает в него из нескольких источников и, по крайней мере, для сплавов Al — Si считается по разным причинам вредным. Необходимо отметить, что железо вредно не всегда.

В некоторых деформируемых алюминиевых сплавах , то есть сплавах, предназначенных для ковки, прессования или прокатки, железо может быть намеренным легирующим элементом для улучшения технологических свойств сплава и/или повышения прочности конечного изделия. Однако при изготовлении отливок не применяют эти деформируемые сплавы, а работают с литейными сплавами, которые имеют намного большее содержание легирующих элементов по сравнению с деформируемыми сплавами, а также почти всегда — то или иное количество кремния. Именное кремний делает эти сплавы литейными.

Фазовая диаграмма железо-алюминий

Железо 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, в среднем — от 0,07 до 0,10 %.

Экономичного способа удаления железа из алюминия не существует (см. также ), поэтому эти «первичные» величины являются типичным нижним уровнем содержания железа 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.

Как железо попадает в алюминий

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 — Fe возникает 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. Однако типичные вторичные сплавы Al — Si для литья не под давлением обычно содержат железа намного меньше, в интервале от 0,25 до 0,8 %, а чаще всего – от 0,4 до 0,7 %.

Причина такого низкого содержания железа в сплавах происходит от коммерческого баланса между выгодами от пониженной стоимости металла и приемлемых технологических проблем с его литьем и/или уровнем конечных механических свойств.

Уровень железа в литейных алюминиевых сплавах

1. Насколько это возможно уровень железа в литейных алюминиевых сплавах Al — Si должен быть как можно более низким, чтобы избежать его отрицательного влияния на механические свойства, особенно на пластичность и вязкость разрушения. Это означает, что нужно свести до минимума загрязнения алюминиевых сплавов железом путем тщательного выбора шихты и применения огнеупорных защитных покрытий на всем стальном инструменте, который применяется при приготовлении и обработке расплавов.

2. Необходимо избегать содержания железа выше критического уровня для данного содержания кремния, так как это может привести к серьезной потере пластичности конечного литого изделия и снизить производительность разливки из-за увеличения брака из-за усадочной пористости и, в частности, по герметичности.

3. Предельное содержание железа (в %) для сплава Al — Si приближенно вычисляют по следующей формуле: Fe ≈0,075 x [% Si ] – 0,05.

4. Если скорость затвердевания/охлаждения очень высокая (например, при литье под высоким давлением), высокое содержание железа может быть полезным, но со снижением скорости охлаждения (литье в кокиль -> литье в песчаные формы) вероятность возникновения проблем при высоком содержании железа резко возрастает.

5. Традиционные режимы термической обработки для алюминиевых сплавов Al — Si , например Т6, не меняют природы железосодержащих фаз. В структуре остаются те же интерметаллические соединения и хотя в результате термической обработки общий уровень механических свойств сплава может улучшиться, он будет выше при изначально более низком содержании железа.

6. Часто применяют добавление марганца для «нейтрализации» вредного влияния железа в соотношении содержания марганца к содержанию железа около 0,5. Однако выгоды от этого не всегда очевидны. Избыток марганца может понизить долю β-фазы и способствовать образованию α-фазы железосодержащих соединений. Это может улучшить пластичность, но может привести к образованию так называемых твердых пятен и трудностям при механической обработке. При высоком содержании железа добавки марганца 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.

Источник : www.aomevents.com/conferences/…/Taylor

Железо по праву считается одной из самых вредных примесей в алюминии . Особенно это заметно при производстве изделий из литейных алюминиевых сплавов при литье в кокиль и песчаные формы. Железо вместе с алюминием и другими легирующими элементами, такими как марганец, медь, магний и кремний образует промежуточные железосодержащие фазы, которые существенно снижают механическим свойства конечного изделия.

Железо из алюминиевого лома

Основное загрязнение алюминия железом происходит при переплавке алюминиевого лома, который смешан с железным ломом. Кроме того, алюминиевый лом сам может содержать высокую концентрацию железа. Это относится, например, к отходам литья алюминиевых сплавов под давлением. Чтобы свести к минимуму проблемы с загрязнением алюминия железным ломом, алюминиевая промышленность применяет тщательную сортировку лома перед загрузкой его в плавильную печь. Это включает ручную сортировку, магнитную сортировку, электромагнитную сортировку и так называемый «воздушный нож» для сортировки частиц измельченного лома по плотности.

Разбавлять вторичный алюминий первичным?

Простым путем снижения содержания железа в алюминии является разбавление его первичным алюминием. Однако часто это невыгодно.

Железосодержащие частицы в жидком и твердом алюминии

При затвердевании обычных алюминиево-кремниевых литейных сплавов первой обычно начинает затвердевать алюминиевая фаза. Другие составляющие сплава скапливаются в оставшихся жидкими областях между зернами первичной фазы. Загрязнение железом может приводить к изменениям в порядке затвердевания фаз: первыми появляются частицы железосодержащей промежуточной фазы, а уж затем происходит кристаллизации зерен алюминия. Когда эти частицы образуются раньше алюминия, то они имеют возможность свободного роста и поэтому вырастают в грубые кристаллы, окруженные жидкой фазой.

Влияние марганца на эффективность удаления железа

В литейных алюминиевых сплавах обычно применяют кремний для снижения вязкости алюминиевого расплава. Сплавы системы алюминий-железо-кремний имеют относительно высокую растворимость железа в жидкой фазе даже после удаления первичных кристаллов, содержащих железо. Поэтому, для снижения содержания железа в жидкой фазе в сплав добавляют марганец, который трансформирует систему алюминий-железо-креминий в систему алюминий-железо-марганец-кремний.

Добавление марганца дает изменение механизмов затвердевания, способствуя выделению промежуточных фаз, содержащих железо, а также снижению остаточной концентрации железа в жидкой фазе до приемлемым для литейных сплавов пределов. Расплавленный алюминий поддерживается при промежуточной температуре между образованием промежуточной фазы и появлением алюминия. Отделение твердой фазы от жидкой происходит путем фильтрования расплава при этой температуре.

Процесс удаления железа из алюминия

Эффективность добавок марганца на кинетику образования первичных фаз при затвердевании алюминиевых литейных сплавов дает способ удаления железа путем осаждения промежуточных фаз с последующим фильтрованием через керамический фильтр. Однако легким и дешевым его не назовешь. Тем не менее, он дает возможность применять алюминиевый лом из любого источника, независимо от первоначального содержания в нем железа, для применений, которые требуют низкого содержания железа, таких как литье алюминия в кокили или в песчаные формы.

Каждый состав вторичного алюминиевого расплава требует определенного количества добавок марганца и кремния (до состава литейных сплавов) для достижения высокой эффективности удаления железа. Количество добавленного марганца зависит от содержания в расплаве железа.

Удаление железа из алюминия производят в четыре этапа (рисунок):
1) добавление в расплав марганца и, при необходимости, кремния;
2) контролируемое охлаждение расплава для выделения в расплаве частиц промежуточной фазы Al(FeMn)Si;
3) отстаивание расплава для осаждения железосодержащих частиц на дно печи;
4) фильтрование расплава через керамический фильтр.

Рисунок — Схема процесса удаления железа из алюминия

Materials Transactions, Vol. 47, No. 7 (2006)

Использование: для холоднокатаной ленты, при изготовлении магнитострикционных преобразователей, применяемых в ультразвуковой технике, в гидроакустике, в аппаратах для химической очистки деталей от загрязнений и т.д. Сущность изобретения: сплав на основе железа содержит, мас. алюминий 5,0 8,5; марганец 0,35 0,60; сера 0,1 0,3; углерод 0,01 0,03; кремний 0,05 0,30; хром 0,01 0,15; никель 0,1 0,20; фосфор 0,005 0,020; азот 0,002 - 0,010; железо остальное. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, а точнее сплавам на основе железа, предназначенным для получения холоднокатаной ленты, используемой при изготовлении магнитострикционных преобразователей, применяемых в ультразвуковой технике, в гидроакустике, в аппаратах для химической очистки деталей от загрязнений и т.д.

Известны магнитострикционные сплавы на основе железа и никеля. В этих сплавах величина магнитострикции имеет отрицательный знак, что не всегда удобно для применения сплава в приборах, так как это усложняет их конструкцию. Кроме того, никель, входящий в его состав, делает сплав дорогим и малодоступным.

Известен магнитострикционный сплав 49К2Ф на основе железа, содержащий 49% кобальта и 2% ванадия. Высокое содержание кобальта также делает этот сплав дорогим и малодоступным.

Известны железо-алюминиевые сплавы с содержанием алюминия 8-10% у которых магнитострикция очень сильно зависит от направления и находится в пределах (3-95)х10 -6 , при этом максимальная величина соответствует кристаллографическому направлению (100). Получение поликристаллического материала с четкой кристаллографической текстурой (100) в металлах с объемноцентрированной кубической решеткой, к которым относятся указанные сплавы, представляет значительные трудности.

Наиболее близким является сплав на основе железа, содержащий, алюминий 6-8; марганец 0,2-0,3; сера 0,05-0,2; углерод менее 0,01; кремний менее 0,1. Этот сплав предназначен для получения холоднокатанной ленты и обладает высокими магнитострикционными свойствами. Это сравнительно дешевый сплав, а величина его магнитострикции сохраняется на том же высоком уровне ( (50-70)х10 -6), что и у кобальтсодержащих сплавов.

Однако указанный сплав имеет низкую теплопроводность, что приводит к появлению внутренних термических напряжений в слитке и появлению в нем трещин, что делает невозможным его последующую прокатку. Кроме того, в процессе дальнейшей переработки слитков и изготовления холоднокатанной ленты состав сплава изменяется, в частности уменьшается содержание серы, что вызывает изменение физических свойств. Состав и необходимость получения текстуры сплава-прототипа не позволяет сохранить достаточное количество серы, необходимое для получения высоких магнитострикционных свойств конечного продукта.

В основу изобретения положена задача создать дешевый сплав с высокой магнитострикцией ( (50-70)х10 -6) за счет стабилизации получения совершенной кристаллографической текстуры сплава и более высокой теплопроводностью и технологической пластичностью.

Поставленная задача решается тем, что сплав на основе железа, содержащий алюминий, марганец, серу, углерод, кремний, согласно изобретению дополнительно содержит хром, никель, фосфор, азот при следующем соотношении компонентов, мас. Алюминий 5,0-8,5 Марганец 0,35-0,60 Сера 0,1-0,3 Углерод 0,01-0,03 Кремний 0,05-0,30 Хром 0,01-0,15 Никель 0,01-0,20 Фосфор 0,005-0,020 Азот 0,002-0,010 Железо Остальное.

Введение в сплав алюминия в количестве, меньшем, чем 5% приводит к уменьшению магнитострикции и увеличению электропроводности. Введение алюминия в количестве большем, чем 8,5% приводит к появлению трещин и затрудняет изготовление слитка и его последующую прокатку. Марганец в сплаве связывает в химические соединения серу, в значительной степени влияющие на величину магнитострикции. Введение марганца в количестве меньшем чем 0,35% резко уменьшает магнитострикцию сплава, а увеличение свыше 0,6% приводит к нестабильности образования кристаллографической текстуры.

Кроме того, экспериментально установлено, что введение серы в количестве меньшем чем 0,1% приводит к резкому уменьшению внутренних напряжений в готовой ленте из-за снижения количества сульфидов, что имеет следствием значительное уменьшение магнитострикции. Увеличение количества серы свыше 0,3% приводит к тому, что при горячей ковке и прокатке сплава происходит его разрушение ("красноломкость"). Введение углерода, хрома, никеля, фосфора, азота в сплав в указанных пределах обеспечивает стабильность получения совершенной ребровой текстуры в готовой ленте, что обеспечивает достижение требуемой магнитострикции.

В таблице приведены примеры конкретной реализации изобретения и полученные свойства сплавов.

Описанные составы характеризуются отсутствием трещин при горячей деформации (при последующей прокатке). При этом выплавку сплавов указанных составов осуществляют в индукционной вакуумной печи емкостью 500 кг, ковку на трехтонном молоте, горячую прокатку на полосовом стане "400".

Таким образом, заявляемый сплав на основе железа является относительно дешевым, так как содержит никель, хром и марганец в небольших количествах, имеет высокие значения магнитострикции (50-70)х10 -6 , имеет совершенную кристаллографическую текстуру, и обладает высокой пластичностью, что позволяет его использовать для получения холоднокатанной ленты.

СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА, содержащий алюминий, марганец, серу, углерод, кремний, хром, никель и фосфор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит азот при следующем соотношении компонентов, мас.

Алюминий 5,0 8,5 Марганец 0,35 0,60 Сера 0,01 0,3 Углерод 0,01 0,03 Кремний 0,05 0,30 Хром 0,01 0,15 Никель 0,01 0,20 Фосфор 0,005 0,020 Азот 0,002 0,010
Железо Остальное

Цветные металлы и сплавы.

Все металлы за исключением железа и его сплавов относят к цветным.

Для производства бытовых металлохозяйственных товаров наиболее часто используют алюминий, медь, никель, хром, цинк, свинец, олово, титан.

Алюминий , металл серебристо-белого цвета, обладает малой плотностью (2700 кг/м3), низкой температурой плавления (660 ° С), а также высокой электро- и теплопроводностью. Для алюминия характерна высокая пластичность, химическая стойкость и малая прочность. Высокая химическая стойкость алюминия обусловлена образованием на поверхности металла тонкой защитной пленки из оксида алюминия. Промышленность выпускает несколько марок алюминия. Чистый алюминий применяют для производства зеркал, электрических конденсаторов, проводов и шнуров и т.д.

Алюминиевые сплавы по способу переработки их в изделия делят на деформируемые (подвергаются обработке давлением) и литейные.

К 1 группе относят сплавы алюминия с медью –дюралюмины (от фран. «Дюр»-«твердый). По прочности и твердости дюралюмины более чем в 2 раза превосходят чистый алюминий. Недостаток дюралюминов -низкая коррозионная стойкость, поэтому их подвергают специальной операции -плакированию. При плакировании сплав покрывают тонким слоем алюминия и нагревают. Дюралюмины широко используют в машино- и самолетостроении, для изготовления оборудования в пищевой промышленности, для изготовления мебели, а также столовых приборов.

К сплавам 2 группы относят сплавы на основе системы Al-Si, которые получили название силумины. Силумины являются наиболее распространенными алюминиевыми сплавами, так как обладают хорошими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью и малой усадкой. Из этих сплавов можно изготовить фасонные отливки любой сложности всеми видами литья. Сплавы этой группы обладают высокой коррозионной стойкостью и достаточно высокой прочностью (меньше чем у дюралюмина, но выше чем у алюминия). Силумины применяют для изготовления посуды, деталей холодильников, велосипедов, машин.

Медь и ее сплавы.

Медь -металл красно-бурого цвета, легкоплавкий (Тпл.-1083С), тяжелый (плотность-8940кг/м3), обладает высокой электро- и теплопроводностью. При взаимодействии с пищевыми кислотами медь образует токсичные соединения, поэтому посуду из чистой меди изготавливать нельзя. Медь используют как гальваническое покрытие в металлургии, в электронной и радиотехнической промышленности.

Сплавы меди:

Латуни - сплавы меди с цинком (4-40%) и другими металлами (алюминием, железом, кремнием, марганцем и свинцом). Латуни обладают достаточно большой прочностью и пластичностью, заготовки можно получать методом литья. Их применяют для деталей ответственного назначения, работающих в морской воде (гребные винты, их лопасти), для различной арматуры, втулок, подшипников, при изготовлении изделий сложных форм (посуды, музыкальных инструментов и т. д.).

Бронзы- сплавы меди с оловом, кремнием, алюминием или бериллием называются бронзами. Например, сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы. Бронзы обладают высокой прочностью, коррозионной стойкостью и жидкотекучестью. Из бронзы изготовляют литые изделия сложных конфигураций.

Мельхиор- сплав меди с никелем (18-20%), имеет серебристый цвет, прочен, пластичен, хорошо вытягивается в нити. Применяют мельхиор для изготовления чайной посуды, предметов сервировки стола, ювелирных изделий.

Нейзильбер- сплав меди с никелем и цинком (никель-13-17%, цинк-18-22%). Сплав имеет серебристый цвет с синеватым отливом, высокую прочность, твердость, коррозионную стойкость. Применяется для производства посуды и столовых приборов, сувениров, медицинских инструментов.

Алюминий отличают низкая плотность, высокие тепло– и электропроводность, хорошая коррозийная стойкость во многих средах за счет образования на поверхности металла плотной оксидной пленки Аl 2 0 3 . Технический отожженный алюминий АДМ упрочняется холодной пластической деформацией.

Алюминий высокопластичен и легко обрабатывается давлением, однако при обработке резанием возникают осложнения, одной из причин которых является налипание металла на инструмент.

В зависимости от того, какие примеси присутствуют в алюминии, наблюдаются изменения его коррозионных, физических, механических и технологических свойств. Большинство примесей отрицательно сказываются на электропроводности алюминия. Наиболее распространенные примеси: железо, кремний. Железо, наряду с электропроводностью, снижает пластичность и коррозионную стойкость, повышает прочностные свойства алюминия. Присутствие железа в сплавах алюминия с кремнием и магнием отрицательно сказывается на свойствах сплава. Только в тех сплавах алюминия, где присутствует никель, железо считается полезной примесью.

Наиболее распространенная примесь в алюминиевых сплавах – кремний. Данный металл, а также медь, магний, цинк, марганец, никель и хром вводят в алюминиевые сплавы как основные компоненты. Соединения CuAl 2 , Mg 2 Si, CuMgAl 2 – эффективно упрочняют алюминиевые сплавы.

Основные легирующие элементы в алюминиевых сплавах. Марганец повышает коррозионную стойкость. Кремний является основным легирующим элементом в ряде литейных алюминиевых сплавов (силуминов), поскольку он участвует в образовании эвтектики.

Ni, Ti, Сг, Fе повышают жаропрочность сплавов, затормаживая процессы диффузии и образуя стабильные сложнолегированные упрочняющие фазы. Литий в сплавах способствует возрастанию их модуля упругости. Вместе с тем магний и марганец снижают тепло– и электропроводность алюминия, а железо – его коррозионную стойкость.

Маркировка алюминиевых сплавов. В настоящее время одновременно применяют две маркировки сплавов: старую буквенно-цифровую и новую цифровую. Наряду с этим имеется буквенно-цифровая маркировка технологической обработки полуфабрикатов и изделий, качественно отражающая механические, химические и другие свойства сплава.

Классификация алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы в основном подразделяются на деформируемые и литейные, поскольку в производстве порошковых сплавов и композиционных материалов используются процессы пластической деформации и литья.

Алюминиевые сплавы разделяют по способности упрочняться термической обработкой на упрочняемые и не упрочняемые. Они могут подвергаться гомогенизационному, рекристализационному и разупрочняющему отжигу.

Хорошим сочетанием прочности и пластичности отличаются сплавы системы Аl-Сu-Мg – дюралюмины Д1, Д16, Д18, Д19 и др. Термическая обработка упрочняет дюралюмины, повышает их свариваемость точечной сваркой. Они удовлетворительно обрабатываются резанием, но имеют склонность к межкристаллитной коррозии после нагрева. Значительное повышение коррозионной стойкости сплавов достигается плакированием.

В авиации дюралюмины применяют для изготовления лопастей воздушных винтов (Д1), силовых элементов конструкций самолетов (Д16, Д19).

Высокопрочные сплавы системы Аl-Zn-Мg-Сu (В93, В95, В96Ц) характеризуются большими значениями временного сопротивления (до 700 МПа). При этом достаточная пластичность, трещиностойкость и сопротивление коррозии достигаются режимами коагуляционного ступенчатого старения (Т2, ТЗ), а также применением сплавов повышенной (В95кч) и особой (В95оч) чистоты.

Высокомодульный сплав 1420 обладает благодаря легированию алюминия литием и магнием (система Аl-М–Li) пониженной (на 11 %) плотностью и одновременно повышенным (на 4 %) модулем упругости.

Ковочные сплавы АК6 и АК8 (система Аl-М–Si-Cu) при горячей обработке давлением обладают высокой пластичностью. Они удовлетворительно свариваются, хорошо обрабатываются резанием, но под напряжением склонны к коррозии. Для обеспечения коррозионной стойкости детали из сплавов АК6 и АК8 анодируют или покрывают лакокрасочными материалами. Из ковочных сплавов изготавливают ковкой и штамповкой детали самолетов, работающие под нагрузкой. Эти сплавы способны работать при криогенных температурах.

Жаропрочные алюминиевые сплавы системы А1-Си-Мп (Д20, Д21) и Аl-Сu-Мg-Fе-Ni (АК4-1) применяют для изготовления деталей (поршни, головки цилиндров, диски), работающих при повышенных температурах (до 300 °C). Жаропрочность достигается за счет легирования сплавов никелем, железом и титаном, затормаживающими диффузионные процессы и образующими сложнолегированные мелкодисперсные упрочняющие фазы, устойчивые к коагуляции при нагреве. Сплавы обладают высокой пластичностью и технологичностью в горячем состоянии.

Литейные алюминиевые сплавы.

Основные требования к сплавам для фасонного литья – это сочетание хороших литейных свойств (высокой жидкотекучести, небольшой усадки, малой склонности к образованию горячих трещин и пористости) с оптимальными механическими и химическими (сопротивление коррозии) свойствами. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы эвтектического состава.

| |