Szem előtt kell tartani, hogy ezek az arányok megfelelnek a diffúziós folyamatok befejeződésekor bekövetkező egyensúlyi feltételeknek.
A korlátlan oldatok mellett számos fém és elem alkot korlátozott szilárd oldatot egymással, amikor csak bizonyos koncentrációtartományban keletkeznek oldatok, nagyobb koncentrációknál pedig egyéb szerkezeti képződmények.
A korlátozott szilárd oldatok sajátossága, hogy a szilárd oldatok tartománya a tiszta komponensekhez (az ötvözőelem kis koncentrációjához) kapcsolódik az állapotdiagramokon. Ezek a szilárd oldatok megtartják a tiszta fémek szerkezetét, és egyéb szerkezeti képződményeket az állapotdiagramon, ún köztes fázisok vagy intermetallikus vegyületek, szerkezete eltér az alap- és ötvözőfémtől. ábrán. A 13. ábrán példaként az alumínium-magnézium kettős állapotdiagramja látható (a diagram bal oldalán). A magnézium határoldékonysága alumíniumban 449°C-on 17,4% (tömegszázalék), és a minimális oldhatóság 20°C-on csak 1,4% Mg (egyensúlyi állapotra). Csak ebben a tartományban képez a magnézium szilárd oldatot alumíniummal - a. A magnézium alumíniumban való oldhatóságának markáns határkoncentrációi felett egy hozzávetőleges kémiai összetételű köztes fázis (intermetallikus vegyület) jelenik meg.
|
|
|
Rizs. 13. Az Al-Mg állapotdiagramjának bal oldala |
|
|
|
Rizs. 14. Al-Si állapotdiagramja |
Az intermetallikus vegyületek általában növelik az ötvözet keménységét és csökkentik a rugalmasságát.
Az eutektikus állapotdiagramot két fém alkotja, amelyek folyékony halmazállapotban kölcsönös oldatot képeznek, de szilárd halmazállapotban gyakorlatilag oldhatatlanok. Szilárd állapotban az ilyen ötvözetek szerkezete eutektikus - két fém szemcséinek mechanikus keveréke.
Az eutektikus típusú diagramra példa az alumínium-szilícium fázisdiagram. Az ilyen ötvözetrendszert tisztán eutektikus összetétel jellemzi - Al-Si ötvözet esetében az eutektikus összetétel 11,7% Si + Al - a többi.
Az eutektikus ötvözetek szigorúan meghatározott szilárdsági hőmérséklettel rendelkeznek; különösen az Al-Si ötvözetek esetében a szilárdtest hőmérséklete 588 °C.
Ezen a hőmérsékleten következik be a megszilárdulás vége minden szilíciumkoncentrációnál. Ennek a rendszernek egy tisztán eutektikus ötvözete szilíciumkoncentrációja 11,7%, megszilárdulása állandó, 588°C-os hőmérsékleten megy végbe (megszilárdulási időköz nélkül). Az Ak12 öntött ötvözet tisztán eutektikus ötvözetnek számít. A 11,7% Si-nál kisebb szilíciumkoncentrációjú ötvözetek hipoeutektikusak, és a következő szerkezettel rendelkeznek: a + eutektikus, ahol a szilícium szilárd oldata alumíniumban, nagyon alacsony a szilícium koncentrációja és szinte tiszta alumínium. A 11,7%-nál nagyobb szilíciumkoncentrációjú ötvözetek hipereutektikusak, és a szerkezetük jellemzi: szilícium + eutektikus. A hipoeutektikus és hipereutektikus ötvözetek a hőmérséklet-tartományban, de ugyanazon az 588°C-os szilárdsági hőmérsékleten megszilárdulnak.
Lényegesen kevésbé használják a technológiában a peritektikus típusú állapotdiagrammal jellemezhető ötvözetek; valamint a kémiai vegyületeket tartalmazó fázisdiagramokkal ellátott ötvözetek.
Ráadásul a legtöbb ötvözet többkomponensű, pl. nem egy, hanem több ötvözőelemet tartalmaznak. Ebben az esetben az állapotdiagram nem ábrázolható lapos képpel. Tehát a három elemből álló ötvözeteket állapotdiagram ábrázolja egy háromdimenziós képen: egy egyenlő oldalú háromszög határozza meg az ötvözetek összetételét, a háromszög síkjának sarkainál lévő merőlegesek pedig a hőmérsékleti értéket tükrözik; A háromkomponensű ötvözet fázisátalakulását egy egyenlő oldalú háromszög síkja feletti felületek ábrázolják. Lapos képhez az ilyen diagramok elemzésekor politermikus metszeteket (függőleges sík metszet) és izoterm metszeteket (vízszintes sík metszete) használunk. A többkomponensű ötvözetet azonban leggyakrabban kétkomponensű ötvözetnek tekintik, a fázisdiagram lapos ábrázolásával. Az ötvözőelemek hatásukban fázisátmenetek figyelembe veszik redukciós tényezők bevezetésével a fő ötvözőelembe.
ábrán. az Al-Mg fázisdiagramja látható. A diagram középső része kinagyítva látható.
A rendszerben kialakulnak a β(Al3Mg2), γ(Al12Mgl7), ζ(Al52Mg48), ε(Al30Mg23) fázisok. A β és γ fázisok egybevágóan olvadnak 453, illetve 460 °C hőmérsékleten. Az ε és ζ fázis 450, illetve 452°C hőmérsékleten lejátszódó peritektikus reakciók során jön létre.
A rendszerben három eutektikus egyensúly van: L ↔Mg+ γ 438°C-on, L ↔(A1) + β 450°C-on, L ↔ε + β 448°C-on és két eutektoid egyensúly εζ β + -428 °C és ζ ↔β + γ 410 °C-on.
Az Mgv (A1) oldhatóságát számos munkában tanulmányozták.
Oldhatóság Mg:
% (nál nél.) ......................
% (tömeg) ..............
A Mg maximális oldhatósága (A1)-ben 16,5% (at.), valamint számos más olyan munkában, ahol nem alkalmaztak röntgenanalízis módszert. Az A1 (Mg)-ban való oldhatóságára vonatkozó, különböző vizsgálatokban kapott adatok is eltérőek. A legvalószínűbb értékek a következők:
Oldhatóság Al:
% (nál nél.) .....................
% (tömeg) ..............
Források:
- Vas alapú bináris és többkomponensű rendszerek állapotdiagramjai. Bannykh O. A., Budberg P. B., Alisova S. P. et al. Metallurgy, 1986
- Réz alapú kettős és többkomponensű rendszerek. szerk. Shukhardina S.V. Tudomány, 1979
- Bináris fémes rendszerek állapotdiagramjai szerk. Lyakisheva N.P. Gépészet, 1996-2000
Az alumínium az egyik legfontosabb elektronikai iparban használt anyag, mind tiszta formájában, mind számos, erre épülő ötvözet részeként. A tiszta alumíniumnak nincs allotróp módosulása, magas a hő- és elektromos vezetőképessége, amely a rézének 62-65%-a. Az alumínium olvadáspontja 660 °C, forráspontja 2500 °C. A tiszta alumínium keménysége 25 HB Brinell. Az alumínium könnyen feldolgozható vágással, húzással, nyomással.
Levegővel érintkezve az alumínium felületén körülbelül 2 nm vastag (20 A) nem porózus védőoxid film képződik, amely megvédi a további oxidációtól. Az alumíniumnak alacsony a korrózióállósága lúgos oldatokban, sósavban és kénsavban. A szerves savak és a salétromsav nem hatnak rá.
Az ipar több minőségű alumíniumot gyárt: különleges tisztaságú, nagy tisztaságú és műszaki tisztaságú. A nagy tisztaságú, A999 minőségű alumínium legfeljebb 0,001% szennyeződést tartalmaz; nagy tisztaságú A995, A99, A97 és A95 - legfeljebb 0,005; 0,01; 0,03 és 0,05% szennyeződések; műszaki tisztaság A85 - legfeljebb 0,15% szennyeződés.
Az elektronikában tiszta alumíniumot használnak elektrolitkondenzátorok, fóliák gyártásában, valamint célpontként mikroelektronikai eszközök alumínium vezetőpályáinak kialakításában termikus, ionplazma és magnetronos porlasztásos módszerekkel.
Az elektronika számára leginkább az „alumínium-réz” és „alumínium-szilícium” rendszeren alapuló ötvözetek érdekesek, amelyek a szerkezeti anyagként használt kovácsolt és öntött ötvözetek két nagy csoportját alkotják.
ábrán. A 2.7 az "alumínium-réz" rendszer állapotának egyensúlyi diagramját mutatja az alumínium oldaláról. Ebben a rendszerben az eutektikus ötvözet 33% rezet tartalmaz, és olvadáspontja 548 °C. Az ötvözet intermetallikus tartalmának növekedésével az ötvözet szilárdsága nő, de megmunkálhatósága romlik. A réz oldhatósága alumíniumban szobahőmérsékleten 0,5%, eutektikus hőmérsékleten eléri az 5,7%-ot.
A legfeljebb 5,7%-os réztartalmú ötvözetek egyfázisú állapotba vihetők át a vonal feletti hőmérsékletről történő kioltással B.D. Ugyanakkor az edzett ötvözet megfelelő rugalmassággal rendelkezik, közepes szilárdsággal, és deformációval feldolgozható. A kioltás után keletkező szilárd oldat azonban nem egyensúlyi állapotú, és benne intermetallikus vegyületek kiválási folyamatai mennek végbe, az ötvözetek szilárdságának növekedésével együtt. Szobahőmérsékleten ez a folyamat 4-6 napig tart, és az ötvözet természetes öregedésének nevezik. Az anyag öregedési folyamatának felgyorsítását emelt hőmérsékleten tartás biztosítja, ezt a folyamatot mesterséges öregítésnek nevezzük.
Rizs. 2.7. Az alumínium-réz rendszer állapotdiagramja Egyéb csoport alumíniumötvözetek Az alumíniumöntvény ötvözetek vagy sziluminok az alumínium-szilícium rendszeren alapuló ötvözetek. Ennek a rendszernek az állapotdiagramja az ábrán látható. 2.8.
Rizs. 2.8.
Az eutektikus ötvözet 11,7% szilíciumot tartalmaz, olvadáspontja 577 °C. Ez a rendszer nem képez intermetallikus vegyületeket. Az eutektikus ötvözetek jó öntési és kielégítő mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek javulnak, ha az ötvözetbe legfeljebb 1% nátriumvegyületet visznek be.
Az alumínium bázisán nagyszámú különféle ötvözetet állítanak elő, amelyek alacsony sűrűségűek (3 g / cm 3 -ig), nagy korrózióállósággal, hővezető képességgel, elektromos vezetőképességgel, hőállósággal, szilárdsággal és alacsony hőmérsékleten való rugalmassággal, jó fényvisszaverő képesség. A védő- és díszítőbevonatok könnyen felvihetők az alumíniumötvözetből készült termékekre, könnyen megmunkálhatók, kontakthegesztéssel hegeszthetők.
Az alumíniumötvözetek az alapfém alumíniummal együtt az öt fő ötvözőkomponens közül egyet vagy többet tartalmazhatnak: réz, szilícium, magnézium, cink és mangán, valamint vas, króm, titán, nikkel, kobalt, ezüst, lítium, vanádium , cirkónium, ón , ólom, kadmium, bizmut stb. Az ötvöző komponensek teljesen feloldódnak a folyékony alumíniumban kellően magas hőmérsékleten. Az oldhatóság szilárd állapotban, szilárd oldat képződésével minden elem esetében korlátozott. A fel nem oldott részecskék vagy független, leggyakrabban kemény és törékeny kristályokat képeznek az ötvözet szerkezetében, vagy tiszta elemek (szilícium, ón, ólom, kadmium, bizmut), vagy intermetallikus vegyületek formájában vannak jelen az alumíniummal ( A 2 Cu; Al 3 mg2 ; Al 6 Mn; AlMn; Al 3 Fe; A 7 Kr.; Al3Ti; Al3Ni; AllLi).
Kettős ötvözetekben vagyhárom ötvöző komponens, az intermetallikus vegyületek a kettős ( mg2 Si, Zn 2 , Mg), hármas [α (AlFeSi )] és összetettebb fázisok.
A keletkező szilárd oldat és a heterogén szerkezeti komponensek jelenléte meghatározza az ötvözetek fizikai, kémiai és technológiai tulajdonságait. Az ötvözés hatását az ötvözetek szerkezetére egy fázisdiagram írja le, amely meghatározza a megszilárdulási folyamat lefolyásának jellegét, a keletkező fázisok összetételét, valamint a szilárd halmazállapotú különféle átalakulások lehetőségét. ábrán. A bináris és háromkomponensű alumíniumötvözetek 1-9 állapotdiagramját vizsgáljuk.
Ötvözet Al-Cu rendszerek. A diagramból látható, hogy ha a réztartalom 0 és 53% között van, akkor van egy egyszerű eutektikus rendszer Al(α ) - Al 2 Cu(θ) eutektikummal 548°C hőmérsékleten és 33% Cu tartalommal. A réz maximális oldhatósága (eutektikus hőmérsékleten) α -szilárd oldat - 57%. A réz oldhatósága a hőmérséklet csökkenésével csökken, 300°C-on pedig 0,5%. A fel nem oldott réz A 2 Cu fázis formájában egyensúlyban van. Közepes hőmérsékleten a túltelített szilárd oldat bomlása következtében metastabil köztes fázisok képződnek (θ " és θ ").
Ötvözet Al rendszerek -Si. A rendszer tisztán eutektikus, 577 °C hőmérsékleten és 12,5%-os tartalommal rendelkezik. Si. α-ban - szilárd oldat ezen a hőmérsékleten 1-et old,6 % Si . Az eutektikus szilícium kristályosodását enyhe nátrium hozzáadása befolyásolhatja. Ebben az esetben a megszilárdulási sebességtől függő túlhűtés és az eutektikus pont elmozdulása következik be az eutektikus szerkezet megfelelő finomításával.
Ötvözet szisztémás Al-Mg. Az ötvözet magnéziumtartalmának tartománya 0-37,5% eutektikus. Az eutektikum 449°C-os hőmérsékleten és 34,5%-os tartalommal létezik mg . A magnézium oldhatósága ezen a hőmérsékleten maximális, 17,4%. 300°C hőmérsékleten in α - szilárd oldat 6,7%-ot old Mg; 100 °C-on - 1,9% Mg . A fel nem oldott magnézium leggyakrabban formában található meg a szerkezetbenβ-fázis (Al 3 Mg 2 ).
Ötvözet Al-Zn rendszerek. Ennek a rendszernek az ötvözetei 380°C hőmérsékleten eutektikus rendszert alkotnak 97%-os cinkben gazdag eutektikummal. Zn . A cink maximális oldhatósága alumíniumban 82%. Valaminek a területén α -szilárd oldatban 391°C hőmérséklet alatt rés van. cinkkel dúsított α -fázis 275°C hőmérsékleten lebomlik, és 31,6%-os alumínium eutektikus keveréke képződik Zn és cink 0,6% Al-val. Továbbá a cink oldhatósága csökken, és 100°C-on már csak 4%.
Ötvözet állapot diagramok Al-Mn rendszerek, Al - Fe jelzik az eutektikumok létezését nagyon alacsony ötvözőelem-koncentráció esetén. A mangán kivételével az elemek oldhatósága szilárd állapotban elhanyagolható, például a vas< 0,05%.
ötvözetekben Al-Ti rendszerek (lásd 1.14. ábra), Al- C raz elemek oldhatósága tized százalék.
NÁL NÉL ötvözet Al-Pb rendszerek A hőmérséklet csökkenésével a komponensek már az olvadékban szétválnak, két folyadékfázis képződik. A megszilárdulás csaknem az alumínium olvadáspontján kezdődik és az ötvözőelem olvadáspontján ér véget (monoeutektikus kristályosodás).
Ötvözet Al - Mg - Si rendszerek két hármas eutektikából áll. Háromszoros eutektikus Al - Mg 2 S i - 12% Si-t és 5% Mg-t tartalmazó Si 555 °C-on olvad. eutektikus Al - Mg 2 Si-AlbMg2 451°C olvadáspontú szinte nem különbözik a kettős rendszertől Al - Al 3 Mg2 . A két hármas eutektikus pontot összekötő likviduszvonal 595°C hőmérsékleten maximumon halad át pontosan a kvázi-bináris keresztmetszet mentén (8,15%) Mg és 4,75% Si ). A magnéziumtöbblet miatt (a mg 2 Si ) szilícium oldhatósága α - a szilárd oldat nagymértékben csökken. Ötvözetek Al - Mg , különösen az öntödék, néhány tized százalék szilíciumot tartalmaznak, ezért részrendszerhez tartoznak Al - Mg 2 Si - Al 3 Mg 2 .
Ötvözet Al-Cu-Mg rendszerek. Ennek a rendszernek az állapotdiagramja azt mutatja, hogy a kettős fázisokkal együtt A 3 mg 2 (β ) és Al 2 Cu(θ) szilárd oldattal egyensúlyban α két hármas fázist tartalmazhat S és T. A nagy réztartalom melletti peritektikus átalakulás mögött a kvázi-binárishoz közeli keresztmetszet alakul ki. A l-S (eutektikus hőmérséklet 518°C) és részleges eutektikus régió Al - S - Al 2 Cu (eutektikus hőmérséklet 507°C). Magnéziumban gazdag T fázis ( Al 6 Mg 4 Cu ) szakasz alapján merül fel S 467°C hőmérsékleten végbemenő peritektikus négyfázisú reakció eredményeként. 450°C hőmérsékleten egy következő peritektikus négyfázisú reakció játszódik le, melynek értelmében a T-fázis β-vá alakul.
Ötvözet Al-Cu-Si rendszerek. Az ötvözet állapotdiagramja azt mutatja, hogy az alumínium a szilíciummal és az A 2 Cu fázissal egy egyszerű hármas eutektikus részrendszert alkot (eutektikus hőmérséklet 525°C). A réz és a szilícium együttes jelenléte nem befolyásolja kölcsönös oldhatóságukat α -szilárd megoldás.
Ötvözet Al-Zn-Mg rendszerek. A rendszer alumínium sarkának kialakításában kettős fázisok vesznek részt Al 3 Mg 2 , MgZn 2 és az átlagos kémiai összetételnek megfelelő T terner fázis Al 2 Mg 3 Zn 3 . Keresztmetszetek Al - MgZn 2 és Al -T kvázi bináris marad (eutektikus hőmérséklet 447°C). Részleges területen Al-T-Zn 475°C hőmérsékleten peritektikus négyfázisú reakció megy végbe, melynek értelmében a T-fázis fázissá alakul MgZn 2 . Ezt követően egy négyfázisú reakció során 365 °C hőmérsékleten a fázisból MgZn2 magas cinktartalomnál fázis keletkezik MgZn 5 , amely alumíniummal és cinkkel együtt eutektikus reakcióval kristályosodik 343°C hőmérsékleten.
Az alumínium alapú ötvözetekben a fő komponensekkel való ötvözést úgy biztosítják, hogy azok össztartalma a maximális oldhatóság alatt maradjon. Kivételt képez a szilícium, amelyet az eutektikum kedvező mechanikai tulajdonságai miatt eutektikus és hipereutektikus koncentrációban alkalmaznak.
A szennyeződések és adalékok csak kis mértékben módosíthatják a fázisdiagramot. Ezek az elemek szilárd oldatban leggyakrabban kevéssé oldódnak, és heterogén csapadékot képeznek a szerkezetben.
Az alumínium szilárd oldat primer kristályain belüli koncentrációnak a megszilárdulása során történő tökéletlen beállása miatt eutektikus régiók jelenhetnek meg a szerkezetben a maximális oldhatóság alatti koncentrációban, különösen öntött állapotban. Az elsődleges szemcsék határain helyezkednek el, és zavarják a megmunkálhatóságot.
Mivel az ötvöző adalékok szilárd oldatban oldódnak, a heterogén szerkezeti komponensek hosszú ideig tartó magas hőmérsékleten történő hevítéssel (homogenizálás) diffúzióval eltávolíthatók. A forró deformáció során a szemcsehatárok mentén a törékeny csapadékok mechanikusan megsemmisülnek és vonalas módban oszlanak el a szerkezetben. Ez a folyamat az öntött szerkezet deformált szerkezetté alakulására jellemző.
Az alumíniumötvözeteket a feldolgozás módja szerint kovácsolt és öntött csoportokra osztják.
Jelenleg új alumínium alapú födémek fejlesztése folyik ezen anyagok körének további bővítése érdekében. Tehát egy folyékony hidrogénnel üzemelő környezetbarát repülőgép projektjéhez (a hőmérséklete -253 ° C) olyan anyagra volt szükség, amely ilyen alacsony hőmérsékleten nem válik rideggé. Az Oroszországban kifejlesztett, lítiummal és magnéziummal ötvözött alumínium alapú O1420 ötvözet megfelel ezeknek a követelményeknek. Ezen túlmenően, mivel ebben az ötvözetben mindkét ötvözőelem könnyebb, mint az alumínium, csökkenthető az anyag fajsúlya, és ennek megfelelően a gépek repülési tömege. A duralumíniumban rejlő jó szilárdság és az alacsony sűrűség ötvözésével az ötvözet magas korrózióállósággal is rendelkezik. Így a modern tudomány és technológia olyan anyagok létrehozása felé halad, amelyek a hasznos tulajdonságok lehető legnagyobb halmazát egyesítik.
Azt is meg kell jegyezni, hogy jelenleg a hagyományos alfanumerikus jelölés mellett az alumíniumötvözetek új digitális jelölése is létezik - lásd az ábrát. 3 és táblázat. tíz.
3. kép - Alumíniumötvözetek digitális jelölésének elve
10. táblázat
Példák az új jelöléseket használó megnevezésekre
|
ötvöző elemek |
Jelzés |
|
|
Hagyományos | ||
|
Al (tiszta) | ||
Bibliográfia
1. Kolachev B.A., Livanov V.A., Blagin V.I. Fémtudomány és színesfémek és ötvözetek hőkezelése. M.: Kohászat, 1972.-480 p.
2. Lakhtin Yu.M., Leontieva V.P. Anyagtudomány. M.: Mashinostroenie, 1990.-528 p.
3. Gulyaev A.P. Fémtudomány. M.: Kohászat, 1986.-544 p.
4. Szervetlen anyagok enciklopédiája. 1. évfolyam: Kijev: Az Ukrán Szov. Enc. főszerkesztője, 1977.-840 p.
5. Szervetlen anyagok enciklopédiája. 2. kötet: Kijev: Főszerkesztő Ukrán Szov. Enc., 1977.-814 p.
6. Anyagtudomány és anyagtechnológia. Fetisov G.P., Karpman M.G., Matyunin V.M. stb. M. - V.Sh., 2000.- 182.o
1. melléklet
Az Al-Mg (a) állapotdiagramja és a mechanikai tulajdonságok függése
magnéziumtartalmú ötvözetek (b)
2. melléklet
állapotdiagramAl - Cu:
szaggatott vonal – az ötvözetek keményedési hőmérséklete
3. függelék
állapotdiagramAl – Si(a) és a szilícium hatása
a mechanikai tulajdonságokötvözetek
Bevezetés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……… négy
1 Alumínium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……négy
2 Alumínium alapú ötvözetek. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……5
2.1 Kovácsolt alumíniumötvözetek,
hőkezeléssel nem keményedik meg. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .......6
2.2 Kovácsolt alumíniumötvözetek,
hőkezeléssel keményedik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .......7
2.3 Öntött alumíniumötvözetek. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ......tizenegy
2.4. Porkohászattal nyert ötvözetek…………………..14
Következtetés………………………………………………….………………..……..16
Hivatkozások……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
1. melléklet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …. . . . . . . . . . . . . . . . . . . ….19
2. melléklet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . ….. húsz
3. melléklet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . ….21
Anyagtudományi Elméleti Alapok Tanszék
