Водород в алюминиевых сплавах

Когда коллеги спрашивают, почему лопнула заготовка после отжига – в 80% случаев виноват именно водород. Но многие до сих пор считают, что главная проблема алюминиевых сплавов это лишь оксидные плёнки... Ошибаются.

Как водород становится частью сплава

Запомнил случай на заводе в Новосибирске – плавили алюминиевые сплавы серии 6ххх, всё по технологии, а при прессовании пошли микротрещины. Разбирались неделю. Оказалось, в газовой атмосфере печи был избыток водяного пара. Всего 2% влажности – а водород успел раствориться в расплаве.

Интересно, что в титане или меди водород ведёт себя иначе – там он чаще образует гидриды. А в алюминии он просто занимает междоузлия, создавая внутреннее давление. Особенно критично для алюминиевых сплавов с магнием – там растворимость водорода выше в разы.

Кстати, на сайте https://www.lianxin-metal.ru видел их методику дегазации – используют аргон с 2% хлора. Мы пробовали чисты аргон – эффективность падает на 40%. Но с хлором есть нюанс: если переборщить, получим проблемы с экологией.

Методы контроля – что действительно работает

Вакуумный тест – классика, но на производстве часто недооценивают его вариативность. Например, для алюминиевых сплавов 7075 мы используем не стандартные 10 минут выдержки, а 25 – иначе не увидишь мелкие поры.

Спектральный анализ тут бессилен – водород не показывает себя в эмиссионных спектрах. Приходится комбинировать: сначала вакуумный тест, потом металлография. Дорого, но дешевле, чем брак партии.

Однажды проверяли поставку от ООО 'Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии' – их ленты из алюминиевых сплавов показали водород ниже 0.1 мл/100г. Редкий случай, когда китайские производители выдерживают такие параметры стабильно.

Практические кейсы – где мы теряли металл

2019 год, делали радиаторы для электротранспорта. После пайки в конвейерной печи пошли вздутия. Оказалось, припой содержал органический флюс – при нагреве выделялся водород, который диффундировал в основной металл.

Ещё пример – анодирование. Казалось бы, процесс в водной среде, но водород идёт не из раствора, а из самого металла. При электрохимическом воздействии он 'просыпается' и выходит на поверхность пузырями.

Сейчас для ответственных изделий используем предварительный отжиг – даже если в металле есть водород, он успевает выйти до механической обработки. Технология не новая, но многие её игнорируют в угоду скорости производства.

Специфика разных серий сплавов

Сильно варьируется по сериям. В сплавах 1хххх водород редко проблема – там высокое содержание алюминия, низкая вязкость расплава. А вот в 2хххх (с медью) – настоящий кошмар. Медь катализирует поглощение водорода из атмосферы.

В 5хххх (магниевые) своя особенность – водород образует устойчивые комплексы с магнием. Даже после дегазации остаточный водород может составлять 0.3-0.5 мл/100г. Но интересно, что в этих сплавах он менее опасен – структура более пластичная.

7хххх серия (цинковые) – здесь водород провоцирует стресс-коррозию. Видел образцы, которые прошли все испытания, но через полгода хранения дали межкристаллитное разрушение. При вскрытии – характерные поры вдоль границ зёрен.

Технологические компромиссы

Идеальный уровень водорода – ниже 0.15 мл/100г. Но чтобы его достичь, нужно либо вакуумирование (удорожание на 12-15%), либо использование дорогих флюсов. Для большинства применений достаточно 0.2-0.25.

В ООО 'Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии' для своих алюминиевых сплавов используют многоступенчатую дегазацию – сначала роторным дегазатором, потом покровными флюсами. Результат виден в микроструктуре – пор практически нет даже при 200-кратном увеличении.

Сейчас экспериментируем с ультразвуковой обработкой расплава – метод не новый, но современные генераторы дают стабильные результаты. Пока что для серийного производства дороговато, но для специальных сплавов уже применяем.

Что в итоге

Главное – не бороться с водородом, а управлять им. Полностью удалить его невозможно, да и не нужно. Важно понимать, для какой детали какой уровень допустим.

Для листового проката, который пойдёт на глубокую вытяжку – критично менее 0.1 мл/100г. А для фасонного литья – можно допустить и 0.3. Всё зависит от последующих деформаций.

Смотрю на последние разработки в области алюминиевых сплавов – все идут по пути комплексных решений. Как у тех же китайских коллег из Lianxin: они совмещают контроль водорода с модифицированием структуры. В результате даже при повышенном содержании газа механические свойства остаются стабильными. Наверное, это и есть правильный путь – не идеальная чистота, а сбалансированная технология.