Сплавы на основе алюминия

Температура рекристаллизации ряда термически упрочняемых алюминиевых сплавов, подвергнутых горячей обработкой давлением по определенным режимам, превышает температуру нагрева под закалку. В этом случае горячедеформированный металл после закалки имеет нерекристалллизованную структуру, что обеспечивает дополнительный прирост прочности в состаренном состоянии по сравнению с упрочняющей термической обработкой рекристаллизованного (в процессе нагрева под закалку) сплава. Этот эффект получил название структурное упрочнение, а для горячепрессованных полуфабрикатов, у которых он проявляется наиболее ярко,— пресс-эффект.

• Эффект структурного упрочнения термически упрочняемых сплавов значителен — временное сопротивление и предел текучести повышаются в некоторых случаях на 40 %.
• Наиболее сильное повышение температуры рекристаллизации алюминиевых сплавов обеспечивается малыми добавками переходных металлов (Mn, Cr, Fe, Zr, Ti, V), которые вводятся в большинство алюминиевых сплавов или присутствуют в них в качестве примесей.
• Конструкционная прочность алюминиевых сплавов в существенной мере зависит от содержания примесей, в первую очередь, железа и кремния. Снижение их содержания способствует увеличению вязкости разрушения, сопротивления развитию трещин и повышению, таким образом, надежности и долговечности изделий.
• Сплавы на основе системы Al-Cu-Mg с добавками Мп. Термоупрочняемый сплав этой системы явился первым металлическим сплавом, использованным в строительстве самолетов. Позднее на его основе получило развитие целое семейство сплавов, называемых дуралюминами и продолжающих играть важнейшую роль в авиастроении.
• Все промышленные дуралюмины (табл. 1.3.) можно разделить на четыре подгруппы: 1 — классический дуралюмин (Д1); 2 — дуралюмин повышенной прочности (Д16), отличающийся от Д1 более высоким содержанием магния; 3 — дуралюмины повышенной жаропрочности (Д19, ВАД1 и ВД17), главным отличием которых от Д1 является увеличенное отношение Mg/Cu; 4 — дуралюмины повышенной пластичности (Д18, В65), которые отличаются от Д1 пониженным содержанием всех или некоторых компонентов.
• Изделия из дуралюмина обычно подвергают закалке и в большинстве случаев естественному старению. Отличительная особенность термообработкидуралюминов — необходимость жесткого соблюдения рекомендованной температуры нагрева под закалку (± 5 °С).

Нагрев под закалку до температуры  выше допустимых пределов может привести к оплавлению легкоплавких структурных  составляющих (эвтектик) по границам зерен, что сопровождается окислением металла и образованием (при последующей кристаллизации жидкой фазы) усадочной пористости. Подобный брак называется пережогом и является неисправимым.

При закалке дуралюминов важно  обеспечить высокую скорость охлаждения. Даже незначительный распад твердого раствора с выделением промежуточных интерметаллидных фаз по границам зерен, который не влияет на механические свойства, обусловливает повышенную склонность изделий к меж-кристаллитной коррозии (МКК). Во избежание этого дуралюмины при закалке следует охлаждать в холодной воде при минимальном времени переноса нагретых изделий из печи в воду.

Все дуралюмины (за исключением низколегированного Д18) интенсивно упрочняются (после закалки) при естественном старении. Время достижения максимальных прочностных характеристик зависит от соотношения Mg/Cu; чем больше это отношение, тем медленнее идет старение. Так, для сплавов Д1 и Д16 максимальная прочность достигается через четыре дня, для сплава Д19 — через пять суток, а для сплава В АД 1 — через 10 суток.

Естественное  старение дуралюминов обеспечивает сочетание высоких значений временного сопротивления разрыву и относительного удлинения. При искусственном старении временное сопротивление разрыву практически не меняется, предел текучести значительно увеличивается при снижении характеристик пластичности. Из всех дуралюминов наибольшее распространение получили сплавы Д1 и Д16.

 

Таблица 1.3.

Средний состав промышленных дуралюминов

 

Сплав	Содержание легирующих элементов, %
		Си	Mg	Мп	Прочие
Д1	4,3	0,6	0,6	—
Д16,Д16ч	4,3	1,5	0,6	—
Д19	4,0	2,0	0,75	—
ВАД1	4,1	2,5	0,60	0,06Ti; 0,15 Zr
ВД17	3,0	2,2	0,55	—
ВД18	2,6	0,35	—	—
В65	4,2	0,25	0,4	—

 

 

Согласно  диаграмме состояния Al-Cu (рис. 1.3,в) медь с алюминием образуют твердый раствор, максимальная концентрация меди в котором 5,65% при эвтектической температуре. С понижением температуры растворимость меди уменьшается, достигая 0,1 %  при 20 °С. При этом из твердого раствора выделяется фаза 9 (СиА1₂), содержащая ~54,1% Си. Она имеет объемно-центрированную тетрагональную кристаллическую решетку и обладает сравнительно высокой твердостью (HV 5310). В сплавах, дополнительно легированных магнием, помимо 6 образуется еще фаза S (CuMgAl₂) с ромбической кристаллической решеткой (HV 5640). На рис. 1.4 показано влияние соотношения фаз 0 и S на прочность. Чем больше меди содержится в сплаве, тем большее количество фазы 9 будет в его структуре (Д1). Увеличение содержания магния приводит к росту количества фазы S и повышению прочности сплавов (Д16). Разница в свойствах особенно значительна после упрочняющей термической обработки (см. табл. 1.3), состоящей из закалки и естественного старения. При закалке сплавы Д16 и Д18 нагревают до 495-505 °С, Д1-до 500 — 510 °С, затем охлаждают в воде при 40 °С. После закалки структура состоит из пересыщенного твердого раствора и нерастворимых фаз, образуемых примесями. При естественном старении происходит образование зон Гинье — Престона, богатых медью и магнием.

 

 

 

 

 

 

Ковочные алюминиевые сплавы маркируют буквами АК. Они обладают хорошей пластичностью и стойки к образованию трещин при горячей пластической деформации. По химическому составу сплавы близки к дуралюминам, отличаясь более высоким содержанием кремния. Поэтому в их структуре вместо фазы S присутствуют кремнийсодер-жащие фазы — четверная фаза (А1, Си, Mg, Si) и силицид магния (3(Mg₂Si). Ковку и штамповку сплавов ведут при температуре 450-475 °С. Их применяют после закалки и искусственного старения. Сплавы с пониженным содержанием меди (АК6) отличаются лучшей технологической пластичностью, но меньшей прочностью (а_в = 360 МПа).

Высокопрочные алюминиевые  сплавы маркируют буквой В. Они отличаются высоким временным сопротивлением (600-700 МПа) и близким к нему. Высокопрочные сплавы принадлежат к системе Al-Zn-Mg-Cu табл.(1.4) и содержат добавки марганца и хрома или циркония. Эти элементы, увеличивая неустойчивость твердого раствора, ускоряют его распад, усиливают эффект старения сплава, вызывают пресс-эффект. Цинк, магний и медь образуют фазы, обладающие переменной растворимостью в алюминии: M(MgZn₂), S(CuMgAl₂), T(Mg₃Zn₃Al₂). При температуре 480 ^СС эти фазы переходят в твердый раствор, который фиксируется закалкой. 

При искусственном старении происходит распад пересыщенного твердого раствора с образованием тонкодисперсных частиц метастабильных М\ Т и S' фаз, вызывающих максимальное упрочнение сплавов. Наибольшее упрочнение вызывают закалка (465-475°С) и старение (140 °С, 16 ч). После такой обработки сплав В95пч имеет а_в = 560 -f- 600 МПа; а_{0 2} = 480 - 550 МПа; 5 = 9-12%; К_% с = 30 МПам^1/2; КСТ= 30 кДж/м²; НВ 1500. Подобные сплавы, отличающиеся более высоким содержанием цинка, магния и меди, обладают повышенной прочностью. К недостаткам сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu относятся: большая чувствительность концентраторам напряжений, меньшая вязкость разрушения, большая склонность к КПН и меньшая жаропрочность, чем дюралюминий.

 

Таблица 1.4

Средний состав промышленных сплавов  системы Al-Zn-Mg-Cu

 

Сплав	Содержание легирующих элементов, %
		Zn	Mg	Си	Mn	Прочие
В95, В95пч	6	2,3	1,7	0,4	1,18 Сг
В96Ц	8,5	2,7	2,3	—	0,15 Zr
B93	7,0	1,9	1,0	—	—

1.3.Литейные алюминиевые сплавы.

Химический состав и механические свойства некоторых промышленных литейных сплавов приведены в табл. 12.4. Они маркируются буквами АЛ, что значит алюминиевые литейные. Для литейных алюминиевых сплавов наиболее распространена классификация по химическому составу (Al — Si, Al —Си и Al — Mg).

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Al-Si (силумины). Высокая жидкотекучесть, малая усадка, отсутствие или низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов. В двойных сплавах алюминия с кремнием эвтектика состоит из твердого раствора и кристаллов практически чистого кремния (рис. 12.5, а), в легированных силуминах (АЛ4 и др.) помимо двойной имеются тройные и более сложные эвтектики.

 

Плотность   большинства   силуминов 2650 кг/м³-меньше плотности чистого алюминия (2700 кг/м³). Они хорошо свариваются. Хорошо обрабатываются резанием только силумины, легированные медью.

В двойных силуминах с увеличением  содержания кремния до эвтектического состава снижается пластичность и повышается прочность. Появление в структуре сплавов крупных кристаллов первичного кремния вызывает снижение прочности и пластичности (рис. 12.6). Несмотря на увеличение растворимости кремния в алюминии от 0,05% при 200 °С до 1,65% при эвтектической температуре, двойные сплавы не упрочняются термической обработкой. Это объясняется высокой скоростью распада твердого раствора, который частично происходит уже при закалке, а также большой склонностью к коагуляции стабильных выделений кремния. Единственным способом повышения механических свойств этих сплавов является измельчение структуры путем модифицирования.

Силумины обычно модифицируют натрием, который в виде хлористых

и фтористых солей вводят в жидкий сплав в количестве 2-3 % от массы  сплава.

Модифицируют как двойные, так  и легированные силумины, содержащие более 5-6 % Si. Для легирования силуминов часто используют Mg, Си, Мп, Ti; реже-Ni, Zr, Сг и др. Растворяясь в алюминии, они повышают прочность и твердость силуминов. Кроме того, медь улучшает обрабатываемость резанием, титан оказывает модифицирующее действие. Медь и магний, обладая переменной растворимостью в алюминии, способствуют упрочнению силуминов при термической обработке, как правило, состоящей из закалки и искусственного старения. Температура закалки различных силуминов находится в пределах 515-535 °С, температура старения-В интервале 150-180°С. Грубо-кристаллическая   структура   литейных сплавов требует больших выдержек при нагреве под закалку (5-10 ч) и при старении (10 — 20 ч).

Из  легированных силуминов средней  прочности наибольшее применение в промышленности нашли сплавы с добавками магния (АЛ9), магния и марганца (АЛ4). Наибольшее упрочнение вызывает метастабильная фаза P'(Mg₂Si). Легированные силумины применяют для средних и крупных литых деталей ответственного назначения: корпусов компрессора, картеров, головок цилиндров.

Сплавы  системы Al-Cu (АЛ7, АЛ 19) характеризуются высокой прочностью при обычных и повышенных температурах; они хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Вместе с тем из-за отсутствия эвтектики сплавы обладают плохими литейными свойствами, имеют низкую герметичность. Как и деформируемые сплавы этой системы, они имеют структуру твердого раствора, но отличаются повышенным содержанием меди (см. рис. 1.3, в). Эвтектика в данной системе (в отличие от силуминов) образуется при высоком содержании меди (33%), поэтому имеет большое количество твердой и хрупкой фазы 0(СиА1₂), вызывающей хрупкость эвтектических сплавов. Литейные и механические свойства сплавов алюминия с медью улучшаются в результате легирования титаном и марганцем (АЛ 19). Марганец, образуя пересыщенный твердый раствор при кристаллизации из жидкого состояния, способствует значительному упрочнению сплава. Во время нагрева сплава под закалку наряду с растворением 0-фазы из твердого раствора выпадают мелкодисперсные частицы фазы Al₁₂Mn₂Cu, увеличивающие прочность при обычных и повышенных температурах. Сплавы алюминия с медью используют для деталей, работающих при температурах до 300 °С.

Сплавы  системы Al-Mg (АЛ8, АЛ27) обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошей обрабатываемостью резанием. Они не содержат в структуре эвтектики по той же причине, что и сплавы системы Al-Cu, и характеризуются невысокими литейными свойствами, пониженной герметичностью и, кроме того, повышенной чувствительностью к примесям Fe, Si, которые образуют в этих сплавах нерастворимые фазы, снижающие пластичность сплавов.

Для того чтобы предотвратить окисление, плавку и разливку двойных сплавов алюминия с магнием (АЛ8) необходимо вести под защитными флюсами. Легирование двойных сплавов Be, Ti, Zr не только устраняет их склонность к окислению и росту зерна, но и тормозит естественное старение, вызывающее снижение пластичности и вязкости сплавов. Наилучшие механические свойства сплавы А1 —Mg приобретают после закалки от 530 °С, когда весь магний  находится в твердом растворе.

Сплавы  систем Al-Mg применяют для изготовления деталей, работающих в условиях высокой влажности, в судо-, самолето- и ракетостроении. Из них делают детали приборов, вилки шасси и хвостового оперения, штурвалы и др.

1.4. Специальные алюминиевые сплавы.