Сплавы на основе алюминия

К этой группе отнесены сплавы, изделия из которых не могут быть получены традиционными технологическими приемами (литье слитка с последующей его обработкой давлением или фасонное литье). Для обеспечения необходимого состава, структуры и свойств этих сплавов применяют специальные технологические процессы — порошковую или гранульную металлургию.

Специальные алюминиевые сплавы содержат в качестве упрочняющих компонентов либо А1₂0₃, либо в большом количестве тугоплавкие очень мало растворимые или практически нерастворимые в твердом алюминии металлы: Cr, Zr, Fe, Ni и др. При традиционных технологиях грубые включения подобных компонентов отрицательно влияют на свойства сплавов. Однако если эти включения высокодисперсны и равномерно распределены в матрице, их влияние на свойства, напротив, оказывается благоприятным. Более того, в некоторых случаях удается получить уникальные свойства, которых невозможно было достигнуть при традиционных способах упрочнения.

Сплавы, спеченные из алюминиевых  порошков, называют САП (спеченный алюминиевый порошок или спеченная алюминиевая пудра). Заготовки (или изделия) из этих сплавов получают прессованием и последующим спеканием алюминиевого порошка, состоящего из чешуек толщиной около 1 мкм (алюминиевой пудры).

Механические  свойства САП значительно отличаются от свойств литого или деформированного технического алюминия (а_в = 250...400 и 60...90 МПа, а₀₎₂ = 200...300 и 20...30 МПа, 5 = 5...8 и 20...40 % соответственно). Это объясняется тем, что каждая частичка пудры, из которой получают САП, покрыта тонким (0,01...0,1 мкм) слоем окиси алюминия, выступающей в роли упрочняющей фазы. Чем тоньше пудра, тем больше в САП окиси алюминия.

При нормальной температуре многие деформируемые алюминиевые сплавы имеют лучшие характеристики механических свойств, чем САП. Основное преимущество последних перед прочими алюминиевыми сплавами — высокая жаропрочность: они сохраняют высокую прочность при температурах 350...500 °С. При таких температурах даже жаропрочные алюминиевые сплавы (ВД17, Д20, АК4-1) разупрочняются в столь сильной степени, что о применении их не может быть и речи (для сплавов, например, ВД17 и Д20 при 500 °С а_в= 1...5МШ).

По  своей структуре САП представляет собой смесь алюминия с мельчайшими чешуйками окиси алюминия. Такая структура и обусловливает особые свойства этого материала. Процессы рекристаллизации в САП, содержащем больше 7...8 % А1₂0₃, не идут. Наклеп, вызванный холодной деформацией, не удается снять даже отжигом при 450 °С в течение сотен часов. И только выдержка при температурах выше 500 °С в течение 100 ч приводит к частичному снятию наклепа. Составы разработанных в стране сплавов типа САП и свойства полученных из них полуфабрикатов представлены в табл. 1.5.

По  характеристикам длительной прочности при повышенных температурах САП также значительно превосходит обычные жаропрочные алюминиевые сплавы. САП, имеет такую же высокую коррозионную стойкость, как мягкий технический алюминий и к тому же не склонен к коррозии под напряжением. Для дополнительного повышения коррозионной стойкости САП можно подвергать анодному оксидированию по обычной для алюминиевых сплавов технологии.

Таблица 1.5

 

Состав и типичные механические свойства прессованных прутков

из сплавов типа САП

 

Сплав	Компоненты, % (А1-основа)		Температура испытаний, °С
				20			500
		А12Оэ	Fe	МПа	а0,2> МПа	6,%	МПа	°0,2> МПа	5,%	аюо> МПа
САП-1	6-9	0,25	300	200	8	80	—	2	45
САП-2	9,1-13,0	0,20	330	230	4	90	80	1	50
САП-3	13,1-18,0	0,20	400	340	3	120	—	1	55

 

По технологическим свойствам  САП значительно отличается от большинства деформируемых алюминиевых сплавов. Вследствие низкой пластичности холодная деформация его весьма затруднена. Так, все операции штамповки листов из САП проводят при 420...470 °С (для обычных деформируемых алюминиевых сплавов эти операции не требуют нагрева). Хотя относительное удлинение САП падает с повышением температуры, все показатели технологической пластичности (минимальный радиус гиба, предельные коэффициенты вытяжки и отбортовки) улучшаются.

Из  спеченных брикетов САП можно  получать горячим прессованием прутки, профили и другие полуфабрикаты. Листы САП-1, плакированные другими алюминиевыми сплавами, удовлетворительно свариваются контактной сваркой. Сварка плавлением вызывает значительные трудности. САП рекомендуется для изготовления деталей, работающих при температурах 300...500 °С.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС), содержащие наряду с А1₂0₃ другие легирующие компоненты, пока не нашли широкого применения. В то же время спеченные сплавы на основе системы А1+25...30 % Si — САС-1 (содержащий дополнительно 5...7 % Ni) и САС-2 (5...7 % Fe) — представляются весьма перспективными по своим физическим свойствам (очень низкий ТКЛР при удовлетворительных механических характеристиках).

Гранулированные алюминиевые  сплавы. Гранулами называют литые частицы, диаметр которых колеблется в пределах от десятых долей до нескольких миллиметров. При литье гранул центробежным методом капли жидкого металла охлаждаются в воде со скоростью порядка 10³...10⁴ °С/с и более. При таких скоростях кристаллизации в сплавах алюминия с переходными металлами образуются пересыщенные твердые растворы, содержание легирующих элементов в которых значительно превышает их равновесную предельную растворимость (для марганца, например, растворимость возрастает с 1,4 до 5 %). Это позволяет увеличить в сплавах алюминия содержание таких легирующих элементов, как Mn, Cr, Zr, Ti, V (вводимых обычно в десятых и даже сотых долях процента), в несколько раз.

Из гранул можно изготавливать  прессованные полуфабрикаты и листы любых алюминиевых сплавов. Эти листы по свойствам не уступают прокатанным из слитка. При определенных условиях такая технология имеет некоторые преимущества — не требуется сложного литейного оборудования, мощных прокатных станов, металлорежущих станков для обработки слитков.

В процессе технологических операций горячего компактирования сплавов (400-450 °С) из пересыщенного твердого раствора выпадают дисперсные частицы интерметаллидных фаз (А1₆Мп, А1₇Сг, Al₃Zr и др.), которые повышают температуру рекристаллизации (рис. 1.7), увеличивают прочность при обычных (рис. 1.8) и повышенных температурах

Примером  дисперсионно твердеющего гранулируемого сплава может служить сплав 01419 (1,5 % Сг; 1,5 % Zr; ост. А1). Гранулы из этого сплава имеют гомогенную структуру и относительно низкую твердость (55 НВ), а полученные из гранул прутки вследствие выделения дисперсных фаз Al₃Zr и А1₇Сг — 120 НВ, а_в = 350 МПа, а₀₂ = 300 МПа, 5 = 10...15 %. Высокая стабильность структуры сплава определяет его повышенную жаропрочность (по длительной прочности при температурах выше 300 °С этот сплав уступает только САП-1).

Другим  перспективным вариантом применения гранульной технологии является изготовление полуфабрикатов из термически упрочняемых сплавов типа Д16, В95, В96Ц с повышенным содержанием переходных металлов, что обеспечивает дополнительное повышение прочности сплавов. Как показали исследования, на подобных сплавах можно получить наиболее высокие значения прочности (до а_в = 800 МПа) при удовлетворительной коррозионной стойкости.

 

2. Литые композиционные материалы  на основе алюминиевого сплава для машиностроения[3]

Повышение долговечности  и надежности работы трибодеталей автомобилей и других агрегатов и машин является актуальной и важной проблемой. Применяемые крупными автомобильными фирмами методы модифицирования, термическая обработка, жидкая штамповка, армирование стенки первой канавки поршневою кольца вставкой из сплава Neresist и др. часто не дают необходимых эксплуатационных характеристик или сложны в исполнении. Все более широкое применение в автомобиле- и авиастроении находят литые композиционные материалы (ЛКМ) системы Al-SL'SiC, поскольку они отличаются повышенной износостойкостью, крипоустойчивостью, высоким сопротивлением к зарождению трещин, более низким КТЛР, улучшенными прочностными показателями, теплостойкостью и теплопроводностью, хорошими технологическими свойствами. Факторами, сдерживающими распространение композитов, являются усложнение технологии и некоторое увеличение производственных затрат . В связи с этим для получения КМ мы рекомендуем использовать методы композиционною литья in-situ (армирование матричного сплава выделившимися спонтанно в процессе кристаллизации фазами), а для снижения себестоимости КМ использовать замешивание в расплав (in-vilro) недорогих и недефицитных армирующих добавок.

Как показали исследования, для изготовления деталей шатунно-поршневой  группы применяют сплавы на основе системы Al-Si и. как правило. специальные силумины, в которых помимо кремния, содержатся в небольшом количестве такие компоненты, как Mg, Си, Mn, Ni (табл.2.1). Сплавы этой системы характеризуются высокими литейными и коррозионными свойствами. Для поршней дизельных двигателей и двигателей внутреннею сгорания в странах СНГ наибольшее рас и рос гране н не нашел сплав марки АК12М2Мг11. Российские заводы для изготовления поршней легковых автомобилей используют доэвтектнческие силумины (I группа), содержащие добавки Си, Mg. Близкие но составу к ним сплавы поршней автомобилей Мицубисн-Галан и Опель-Рекорд. Сплав АК12М2МгП с повышенным количеством железа вызывает появление в структуре железосодержащей фазы, что обуславливает снижение его пластичности и механических свойств. В меньшей степени используют эвтектические силумины, по составу приближающиеся к и жесткому поршневому сплаву AKI2M2MM1I группа.

В качестве армирующих элементов были выбраны более дешевые и недефицитные порошки алюмосиликатов, отходов камнелитейного и огнеупорного (алюмосиликат) производств, а для сравнения более дорогой карбид кремния, а так же элементы стружки медного сплава. Выбранные материалы армирования имеют низкую плотность, приближающуюся к плотности расплавленного алюминия, обладают достаточно высокой температурой плавления, твердостью, характеризуются более низким, чем алюминиевые сплавы, коэффициентом линейною термического расширения, что позволяет прогнозировать повышение термостабильности ЛКМ.

 

Исследования, выполненные  на установке ПРТ 1000м и дилатометре ДВК показали, что температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) снижается соответственно содержанию введенных частиц (рис. 2.1).

 

 

 

 

При получении ЛКМ замешиванием армирующих частиц в алюминиевый расплав (in-vitro), были использованы частицы размером 100-300 мкм (алюмосиликат) и 10-150 мкм (SiC), которые в количестве 3-15% вводили в жидкий расплав сплава АК12М2МЖ при температуре 750 ± 20 °С и перемешивали образующуюся гетерогенную смесь. После выдержки расплав заливали в графитовую форму.

Установили, что введение армирующих частиц в алюминиевые сплавы приводит к повышению их износостойкости. На показатели триботехнических характеристик влияют количественный и качественный состав материала армирующих элементов и условия проведения экспериментов как при сухом, так и при жидкостном трении. Однако закономерно в ЛКМ физико-механические характеристики существенно выше, чем традиционных порошковых сплавов (рис. 2.2).

Опыты показали, что «экономные»  армирующие элементы по эффективности воздействия не уступают, а в большинстве случаев превосходят SiC (рис. 2, 3).

По сравнению с показателями для сплава автобуса «Икарус», уменьшение изнашивания композиционных материалов, армированных частицами карбида кремния и алюмосиликата, происходит в 5-17 раз. Тенденция стабильного снижения износа у композита наблюдается при всех значениях нагрузки при ее увеличении от 40 до 100 Н/м.

Для получения  КМ с более равномерным распределением армирующей фазы использовали метод in-silu. Испытания экономно армированных композиционных материалов типа алюминий -интермсталлид сложного состава с использованием дискретных элементов бронз различных марок показали, что полученные композиционные материалы, включающие в качестве армирующей фазы, выделившиеся в результате кристаллизации дискретные интерметаллиды (рис. 2.4). имеют более высокую износостойкость, чем исходный алюминиевый сплав (рис. 2.5). Наибольшей износостойкостью при повышенных нагрузках обладал композиционный материал, имеющий в структуре два вида интерметаллндов в виде тройных "и четверных соединений систем Cu-Fe-Si. Cu-Fe-Mn-Si.

Представленные результаты показывают, что разработанные литые экономиоармированные композиционные материалы являются перспективными для использования в качестве деталей шатунно-поршневой группы автомобилей, тракторов и других трибодеталей с целью повышения их дееспособности и долговечности. Применение дешевых армирующих элементов взамен дорогостоящих керамических и борных волокон, частиц карбида кремния, являющихся к тому же дефицитными, позволит снизить стоимость ЛКМ на основе атюмннневых сплавов, сделать их более доступными для массового производства.

 

 

Заключение:

 

Алюминиевые сплавы являются доминирующим конструкционным материалом в авиации. Их применяют для изготовления силовых элементов самолета (обшивки, шпангоутов, лонжеронов и пр.), а также топливных и масляных баков. Эти сплавы широко используют в конструкциях ракет и искусственных спутников Земли.

Все более широкое применение алюминиевые  сплавы находят в судостроении: алюминиевые корпуса не обрастают ракушками, поэтому, хотя их первоначальная стоимость и выше стальных, в эксплуатации они дешевле и первоначальные избыточные затраты быстро окупаются.

Высокая электропроводность алюминия обусловливает широкое применение его для массивных проводников электрического тока (линии передач, оболочки высоковольтных кабелей, шины распределительных устройств). В промышленно развитых странах примерно 15 % всего производимого алюминия расходуется на электротехнические нужды. Алюминиевые сплавы используют в автомобилестроении, строительстве, в криогенной технике, в качестве упаковочных материалов в пищевой промышленности.