Технические науки / 1. Металлургия

Д.т.н. Афанасьев В.К., Горшенин А.В., Старостина М.А., Кибко Н. В., Рудник А.А., Котова М.О.

Сибирский государственный индустриальный университет, Россия

О создании легких сплавов с малым тепловым расширением (Сообщение 1)

Постоянно растущие требования по повышению физических, механических и химических свойств металлических материалов предусматривают необходимость появления новых взглядов на традиционные процессы. Например, во многих отраслях промышленности появляется необходимость применения легких сплавов с инварным эффектом, т.е. с постоянным значением теплового коэффициента линейного расширения (ТКЛР) при различных температурах (50 °С и выше). В некоторых случаях, особенно в космической технике, применение классических сплавов на основе системы Fe-Ni не соответствует устремлениям конструкторской мысли. Применение легких сплавов вместо тяжелых железных инваров даст значительный эффект в результате снижения веса космического аппарата.

Наиболее перспективными легкими сплавами являются сплавы магниевые, алюминиевые и кремниевые. В периодической системе химических элементов Mg, Al и Si составляют триаду, в которой наиболее применяемым в промышленности в качестве металла – основы сплавов является алюминий. Применение магниевых сплавов имеет некоторые трудности, а кремниевые конструкционные сплавы находятся в стадии разработки.

В связи с отмеченым для создания легких сплавов с низким ТКЛР необходимо обратиться к особенностям линейного расширения алюминия А7, на основе которого выплавляется большинство алюминиевых сплавов.

1. Известно что значения ТКЛР алюминия могут быть довольно низкими. Так, для полностью отожженного алюминия чистотой 99,99% получены следующие значения с точностью до 5% при температурах от 100К до температуры плавления [1]

Т, К	α·10^6, К^-1	Т, К	α·10^6, К^-1
25	0,5	350	24,1
50	3,5	400	24,9
75	8,1	500	26,5
100	12,0	600	28,2
150	17,1	700	34,0
200	20,2	800	33,5
250	22,0	900	37,3
293	23,0

По нашему мнению, для технического алюминия А7 (99,7%) определенный вклад в величину ТКЛР могут внести как металлические примеси (Fe 0,13%, Si 0,1%, Cu 0,01%, Zn 0,04%, Ti 0,02%), так и неметаллические – водород, азот, кислород. Поэтому, рассматривая алюминий А7 как сложный микролегированный сплав, следует ожидать изменения значений коэффициента α за счет ряда технологических факторов, определяющих изменение соотношения примесных элементов. Этому обстоятельству, как правило, не уделяется должного внимания.

Обращает на себя особый интерес изучение влияния водорода, азота, кислорода и их соединений на ТКЛР алюминия. Объемный коэффициент линейного расширения Н₂=3661·10^-6 град^-1, N₂=3671·10^-6 град^-1 и О₂=3660·10^-6 град^-1. Несмотря на столь большие значения коэффициента, α Al =23,57·10^-6 град^-1, Al₂O₃ – 8,4·10^-6 град^-1, а AlN – 4,03·10^-6 град^-1. Другими словами, водород, азот и кислород могут быть использованы в качестве легирующих элементов для получения легких сплавов с малым тепловым расширением.

2. Анализ поведения алюминия и его примесей (Zn, Ti, Fe, Si) при минусовых температурах показывает, что все перечисленные, кроме цинка, способны иметь отрицательные и очень низкие значения ТКЛР по сравнению с определяемым при температурах выше комнатной. Это должно быть учтено при разработке теоретических и практических положений о сущности процессов расширения и сжатия.

Литература:

1. Алюминий. Свойства и физическое металловедение: Справ/ под ред. Дж.Е.Хэтча. М.: Металлургия, 1989, 424 с.