Сплавы алюминий-магний-кремний

Сплавы алюминия, магния и кремния ( AlMgSi ) — это алюминиевые сплавы — сплавы, которые в основном состоят из алюминия , — которые содержат как магний , так и кремний в качестве наиболее важных легирующих элементов с точки зрения количества. Оба вместе составляют менее 2 процентов по массе. Содержание магния больше, чем кремния, в остальном они относятся к сплавам алюминий-кремний-магний (AlSiMg).

AlMgSi — один из закаливаемых алюминиевых сплавов, то есть тех, которые могут становиться все прочнее и тверже в результате термической обработки. Это отверждение во многом основано на выделении силицида магния (Mg ₂ Si). Поэтому сплавы AlMgSi в стандартах понимаются как отдельная группа (серия 6000), а не как подгруппа алюминиево-магниевых сплавов, которые не подлежат закалке.

AlMgSi — один из алюминиевых сплавов со средней и высокой прочностью, высокой стойкостью к разрушению , хорошей свариваемостью, коррозионной стойкостью и формуемостью . Они прекрасно поддаются экструзии и поэтому особенно часто перерабатываются с помощью этого процесса в строительные профили. Их обычно нагревают, чтобы облегчить обработку; в качестве побочного эффекта их можно сразу после этого закалить, что исключает отдельную последующую термообработку.

Конституция сплава

Фазы и балансы

Система AlMg ₂ Si образует эвтектику при 13,9% Mg ₂ Si и температуре 594 °C. Максимальная растворимость составляет 583,5 °С и 1,9% Mg ₂ Si, поэтому сумма обоих элементов в обычных сплавах ниже этого значения. Стехиометрический состав магния и кремния 2:1 соответствует массовому соотношению 1,73:1. Растворимость очень быстро снижается с понижением температуры и составляет всего 0,08 процента по массе при 200 °C. Сплавы без дополнительных легирующих элементов или примесей тогда присутствуют в двух фазах со смешанным кристаллом и фазой (Mg ₂ Si). Последний имеет температуру плавления 1085 °C и поэтому термически стабилен. Даже кластеры атомов магния и кремния, которые являются только метастабильными , растворяются очень медленно из-за высокой энергии связи этих двух элементов.

Многие стандартизированные сплавы имеют избыток кремния. Он мало влияет на растворимость силицида магния, повышает прочность материала больше, чем избыток Mg или увеличение содержания Mg ₂ Si, увеличивает объем и количество выделений и ускоряет выделение при холодном и горячем отверждении. Он также связывает нежелательные примеси; особенно железо. С другой стороны, избыток магния снижает растворимость силицида магния . ^[1]

Легирующие элементы

Помимо магния и кремния, в стандартизированных разновидностях содержатся и другие элементы.

• Медь применяют для повышения прочности и горячего отверждения в количестве 0,2-1%. Он образует Q-фазу (Al ₄ Mg ₈ Si ₇ Cu ₂ ). Медь приводит к более плотной дисперсии игольчатых, полукогерентных выделений (скопление магния и кремния). Кроме того, существует фаза, предшествующая типичной для алюминиево-медных сплавов . Сплавы с повышенным содержанием меди (сплавы 6061 , 6056, 6013 ) применяются преимущественно в авиации.
• Железо присутствует во всех алюминиевых сплавах в виде примеси в количестве 0,05-0,5%. Он образует фазы Al8Fe2Si, Al5FeSi и Al8FeMg3Si6, которые термически стабильны, но нежелательны, поскольку они делают материал хрупким . Излишки кремния также используются для связывания железа.
• Намеренно добавляют марганец (0,2–1%) и хром (0,05–0,35%). Если оба элемента выделяются одновременно, сумма двух элементов составляет менее 0,5%. После отжига они образуют дисперсию выделений при температуре не менее 400 °С и тем самым улучшают прочность. Хром преимущественно эффективен в сочетании с железом.
• В качестве дисперсообразователей находят применение цирконий и ванадий .

Дисперсии

Пластическое разрушение сплава AlMgSi

Хрупкое разрушение алюминиевого сплава

Частицы дисперсии мало влияют на прочность. Если магний или кремний выделяются на них при охлаждении после отжига в растворе и, таким образом, не образуют желаемого силицида магния , они даже снижают прочность. Они повышают чувствительность к сдерживающим факторам. Однако если скорость охлаждения недостаточна, они также связывают избыток кремния, который в противном случае образовал бы более крупные выделения и тем самым снизил бы прочность. Частицы дисперсии активируются дальше даже после отверждения. Плоскости скольжения позволяют повысить пластичность и, прежде всего, предотвратить межкристаллитное разрушение . Поэтому сплавы с более высокой прочностью содержат марганец и хром и более чувствительны к сдерживающим факторам. ^[2]

Следующее относится к влиянию легирующих элементов на образование дисперсии:

• Прочность при комнатной температуре практически не меняется. Однако предел текучести при более высоких температурах резко возрастает, что делает реформируемость ограниченной и, прежде всего, неблагоприятной при экструзии, поскольку она увеличивает минимальную толщину стенки.
• Рекристаллизация затрудняется, что предотвращает образование крупных зерен и положительно влияет на формуемость .
• Движения дислокаций блокируются при низких температурах, что повышает вязкость разрушения .
• Дисперсии AlMn связывают пересыщенный кремний при охлаждении после отжига в растворе. Это улучшает кристаллизацию и позволяет избежать зон без выделений, которые в противном случае возникают на границах зерен. Это улучшает характер разрушения от хрупкого до пластичного и внутризеренного. ^[3]
• Чувствительность к закалке возрастает, поскольку для закалки требуется осажденный кремний. Поэтому сплавы, содержащие Mn или Cr, должны охлаждаться быстрее, чем сплавы без этих элементов.

6000 серия

Серия 6000 легирована магнием и кремнием. Они легко поддаются механической обработке, свариваются и подвергаются дисперсионной закалке, но не до такой высокой прочности, которой могут достичь марки 2000 и 7000. Сплав 6061 — один из наиболее часто используемых алюминиевых сплавов общего назначения. ^[4]

Границы зерен

к границам зерен предпочитается выделение кремния, так как у него возникают проблемы с прорастанием . Кроме того, там выделяется силицид магния. Процессы, вероятно, аналогичны процессам в сплавах AlMg, но для AlMgSi все еще относительно неисследованы до 2008 года. Фазы, выделяющиеся на границах зерен, приводят к склонности AlMgSi к хрупкому разрушению границ зерен.

Композиции стандартизированных сортов

Вся информация в массовых процентах. EN означает европейский стандарт, AW — деформируемый алюминиевый сплав; никакого другого значения это число не имеет.

Механические свойства

Условия:

• O мягкий (мягкий отжиг , термически обработанный или нет, с теми же пределами прочности).
• T1: закалена при температуре горячей штамповки и передана на аутсорсинг в холодном состоянии.
• T4: раствор отожжен и передан на холодную аутсорсинг
• T5: закалена от температуры горячей штамповки и передана на аутсорсинг в теплом состоянии.
• T6: раствор отожжен, закален и передан на горячую аутсорсинг.
• T7: отжиг на раствор, закалка, передача в горячем состоянии и закалка.
• T8: отжиг в растворе, холодное затвердевание и горячая передача на аутсорсинг.

Термическая обработка и отверждение

AlMgSi можно использовать двумя различными способами: благодаря термической обработке можно укрепить твердость и прочность, а также пластичность и удлинение при разрыве. Оба начинаются с отжига на раствор и могут также использоваться с механическими процессами (ковка) с различными эффектами:

1. Отжиг на раствор: При температурах около 510-540 °С проводят отжиг с легирующими элементами в растворе.
2. Закалка почти всегда следует немедленно. В результате легирующие элементы изначально остаются в растворе даже при комнатной температуре, тогда как при медленном охлаждении они будут образовывать осадки.
   • Холодное отверждение: при комнатной температуре постепенно образуются выделения, увеличивающие прочность и твердость. В первые часы после закалки прирост очень высокий, в последующие дни снижается, затем лишь ползет, но еще не завершается даже через несколько лет.
   • Горячее отверждение: при температуре 80–250 °C (обычно 160–150 °C) материалы повторно нагреваются в печи. Время затвердевания обычно составляет 5–8 часов. Таким образом, легирующие элементы быстрее выделяются и повышают твердость и прочность. Чем выше температура, тем быстрее достигается максимально возможная для этой температуры прочность, но чем ниже, чем выше температура, тем ниже.

Временное хранение и стабилизация

Если после закалки и горячей вулканизации проходит время (так называемое промежуточное хранение), то при горячей вулканизации достижимая прочность снижается и наступает только позже. Причины – изменение холодного отверждения материала при временном хранении. Однако эффект затрагивает только сплавы с содержанием Mg2Si более 0,8% (исключая излишки Mg или Si) и сплавы с содержанием Mg2Si более 0,6%, если присутствуют излишки Mg или Si.

Для предотвращения этих негативных последствий AlMgSi можно подвергнуть отжигу после закалки при температуре 80 °С в течение 5–30 минут, что стабилизирует состояние материала и временно не меняет его. При этом сохраняется термическое отверждение. Альтернативно, возможна ступенчатая закалка, при которой первоначально закаливаются температуры, применяемые во время горячего отверждения. Температуру поддерживают от нескольких минут до нескольких часов (в зависимости от температуры и сплава), а затем полностью охлаждают до комнатной температуры. Оба варианта позволяют некоторое время обрабатывать заготовки в застопоренном состоянии. Холодное отверждение начинается в случае более длительного времени ожидания. Более длительная обработка увеличивает возможный срок хранения, но снижает формуемость . Некоторые из этих процедур защищены патентами.

Стабилизация имеет и другие преимущества: материал находится в определяемом состоянии, что позволяет получить повторяемые результаты при последующей обработке. В противном случае, например, время временного аутсорсинга окажет влияние на отскок при изгибе, так что постоянный угол гибки будет невозможен для нескольких заготовок.

Влияние холодной штамповки

Преобразование ( ковка , прокатка , гибка ) приводит к деформационному упрочнению металлов и сплавов — важной форме повышения прочности. Однако в случае AlMgSi он также оказывает влияние на последующее потепление. С другой стороны, холодная штамповка в горячеотвержденном состоянии невозможна из-за низкой пластичности в этом состоянии.

Хотя холодная штамповка непосредственно после закалки увеличивает прочность за счет деформационного упрочнения, она снижает прирост прочности за счет деформационного упрочнения и в значительной степени предотвращает его для степеней деформации  [de] от 10%.

С другой стороны, холодная штамповка в частично или полностью закаленном состоянии также увеличивает прочность, так что оба эффекта суммируются.

Если за холодной штамповкой (в закаленном или нагарченном состоянии) следует горячая штамповка, то это происходит быстрее, но достигаемая прочность снижается. Чем выше деформационное упрочнение, тем выше предел текучести , но предел прочности не увеличивается. С другой стороны, если холодная штамповка происходит в стабилизированном состоянии, достижимые значения прочности улучшаются. ^[10]

Приложения

AlMgSi — один из алюминиевых сплавов со средней и высокой прочностью, высокой стойкостью к разрушению , хорошей свариваемостью, коррозионной стойкостью и формуемостью . ^[11]

Они используются, среди прочего, для бамперов , кузовов и больших профилей в железнодорожном транспорте. В последнем случае они во многом ответственны за изменение конструкции рельсового транспорта в 1970-е годы: раньше использовались клепаные трубчатые конструкции. Благодаря хорошей экструзионной совместимости AlMgSi теперь можно производить большие профили, которые затем можно сваривать. ^[12] Они также используются в самолетостроении, но там они предпочтительнее AlCu и AlZnMg, но не свариваются или плохо поддаются сварке. Свариваемые более прочные сплавы AlMgSiCu (AA6013 и AA6056) используются в моделях Airbus A318 и A380 для ребристых листов в корпусе самолета, где за счет лазерной сварки возможна экономия веса и затрат. ^[13] Сварка дешевле обычных в авиастроении заклепок; Нахлесты, необходимые при клепке, можно устранить при сварке, что позволяет сэкономить массу детали. ^{[14] [15] [16]}

Рекомендации

1. Смит, Эндрю В.Ф. (2002). Рекристаллизация и текстура сплавов алюминия, магния и кремния (Диссертация). OCLC  643209928. Архивировано из оригинала 11 марта 2023 года . Проверено 10 марта 2023 г.
2. Джейкобс, MH (август 1969 г.). Зарождение и рост выделений в алюминиевых сплавах (Диссертация). OCLC  921020401. Архивировано из оригинала 9 декабря 2022 года . Проверено 11 марта 2023 г.
3. Харрис, ИК; Варлей, ПК (апрель 1954 г.). «Факторы, влияющие на хрупкость алюминиево-магниево-кремниевых сплавов». Журнал Института металлов . 82 : 379–393. ОСЛК  4434286733. ОСТИ  4402272.
4. «Алюминий в морском применении - алюминиевые сплавы, используемые в судостроении» . AZoM.com . 1 мая 2008 г. Архивировано из оригинала 2 октября 2022 г. . Проверено 10 марта 2023 г.
5. «Лист из сплава 6013, повышенная прочность и улучшенная формуемость» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 22 декабря 2017 года . Проверено 8 марта 2023 г.
6. «Новый, более изящный смартфон Samsung, сделанный еще прочнее благодаря авиокосмическому алюминию Alcoa» . Business Wire (Пресс-релиз). Алкоа. 4 июня 2015 г.
7. «Лист из сплава 6022, повышенная прочность и улучшенная формуемость» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 августа 2017 года . Проверено 8 марта 2023 г.
8. Дэвис, Г. (ноябрь 1988 г.). Проводники из алюминиевого сплава (6201, 6101А). 1989 Международная конференция по проектированию и строительству воздушных линий связи: теория и практика. Лондон. стр. 93–98. ISBN 978-0-85296-371-5. Архивировано из оригинала 11 марта 2023 года . Проверено 11 марта 2023 г.
9. Остерманн, Фридрих (2014). Anwendungstechnologie Aluminium [ Технология применения алюминия ] (на немецком языке). дои : 10.1007/978-3-662-43807-7. ISBN 978-3-662-43806-0.^{[ нужна страница ]}
10. Суинделлс, Н.; Сайкс, К. (1938). «Специфические кривые нагревания и температуры некоторых стареющих сплавов». Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 168 (933): 237–264. Бибкод : 1938RSPSA.168..237S. дои : 10.1098/rspa.1938.0172. JSTOR  97238. S2CID  94528199.
11. Везер, А (2010). «Гидоксиды щелочноземельных металлов». В Шютце, Михаэль; Визер, Дитрих; Бендер, Роман (ред.). Коррозионная стойкость алюминия и алюминиевых сплавов . Джон Уайли и сыновья. С. 37–45 [39]. ISBN 978-3-527-33001-0. Архивировано из оригинала 11 марта 2023 года . Проверено 11 марта 2023 г.
12. Экши, Мурат (2012). Оптимизация механических и микроструктурных свойств сварных соединений алюминий-магний и алюминий-магний-кремниевые сплавы различной толщины (Диссертация). hdl : 11511/22296.
13. Мазерс, Джин (2002). «Стандарты материалов, обозначений и сплавов». Сварка алюминия и его сплавов . С. 35–50 [44]. дои : 10.1533/9781855737631.35. ISBN 978-1-85573-567-5. Архивировано из оригинала 11 марта 2023 года . Проверено 11 марта 2023 г.
14. Остерманн, Фридрих (2014). «Märkte und Anwendungen» [Рынки и приложения]. Anwendungstechnologie Aluminium [ Технология применения алюминия ] (на немецком языке). стр. 9–67. дои : 10.1007/978-3-662-43807-7_2. ISBN 978-3-662-43806-0.
15. Гийодис, А. (1 марта 1975 г.). «Некоторые аспекты коррозионной стойкости алюминиевых сплавов в морской атмосфере». Антикоррозионные методы и материалы . 22 (3): 12–16. дои : 10.1108/eb006978.
16. Рамбабу, П.; Ишвара Прасад, Н.; Кутумбарао, В.В.; Ванхилл, RJH (2017). «Алюминиевые сплавы для авиационно-космического применения». Аэрокосмические материалы и технологии материалов . Серия Индийского института металлов. стр. 29–52. дои : 10.1007/978-981-10-2134-3_2. ISBN 978-981-10-2133-6.

дальнейшее чтение

• Хирш, Юрген; Скроцкий, Биргит; Готтштейн, Гюнтер, ред. (2008). Алюминиевые сплавы: физико-механические свойства . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-3-527-32367-8.
• Гали, Эдвард (2010). Коррозионная стойкость алюминиевых и магниевых сплавов: понимание, характеристики и испытания . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-470-53176-1.