точения (наличие на обрабатываемой поверхности отверстий, пазов, инородных включений). Таким образом, инструменты из СТМ на основе нитрида бора и алмаза имеют свои области применения и практически не конкурируют друг с другом.

Цветные металлы и сплавы

К цветным металлам относят металлы и сплавы, не являющиеся черными (то есть все, кроме железа и его сплавов).

Алюминий и его сплавы

Алюминий – серебристо-белый легкий металл с температурой плавления 660°С, плотностью 2,71 г/см3.

Алюминий отличается высокой пластичностью и малой прочностью. Прокатанный и отожженный алюминий высокой чистоты имеет предел прочности при растяжении σ = 58 МПа; твердость НВ = 25; относительное удлинение δ = 40%.

Алюминий кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Параметр решетки при 20°С равен 0,404 нм, атомный радиус – 0,143 нм. Алюминий не имеет аллотропических модификаций, обладает высокой теплопроводностью, электропроводностью, высокой коррозионной стойкостью (благодаря присутствию на поверхности оксида Al2O3) и очень высокой теплотой плавления.

Маркируется алюминий А999 (алюминий особой чистоты, содержащий 99,999% Al); А995, А99, А97, А95 (алюминий высокой чистоты); А85, А8, А7, А6, А5, А0 (технический алюминий, например А0 содержит 99,0% Al; 0,5% Fe; 0,5% Si). Постоянными примесями являются железо и кремний.

По производству и применению алюминий занимает второе место в мире после железа.

Чистый и технический алюминий применяется в виде фольги, как проводниковый материал в электротехнике, для транспортировки и хранения продуктов питания.

В технике используются сплавы алюминия. Различают 3 основные группы сплавов:

1 группа – деформируемые, получаемые путем прокатки из слитков, прессованием. Они делятся на упрочняемые и не упрочняемые термообработкой;

2 группа – литейные (получают переплавкой), которые могут упрочняться термообработкой;

80

3 группа – спеченные (получают из порошков).

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термообработкой,

имеют невысокие механические свойства и высокую пластичность.

Крассматриваемой группе сплавов относят сплавы систем Аl–Мn (сплавы АМц) и Аl–Mg (сплавы АМг).

Кдеформируемым сплавам, упрочняемым термообработкой, от-

носятся дюралюмины, высокопрочные алюминиевые сплавы и ковочные сплавы.

Дюралюмины (в переводе твердый алюминий) содержат Al, Cu (основной легирующий компонент), Mg и Si, Fe как постоянные примеси. Дюралюмины маркируются буквой Д и порядковым номером – Д1, Д16, Д20 (6–7% Cu; 0,05% Mg).

Рассмотримдиаграммусостояниясплаваалюминий– медь(рис. 59). Эвтектика содержит 33% Сu и состоит из α-твердого раствора Cu

вAl и упрочняющей фазы CuAl2.

Cu, %

Рис. 59. Диаграмма состояния сплава Al – Cu

Как видно из рис. 59, при комнатной температуре медь растворяется в алюминии в количестве около 0,2%, а максимальная растворимость при эвтектической температуре 548°С равна 5,7%. Любой сплав, содержащий до 5,7% Сu, можно перевести в однофазное α- состояние закалкой.

Термическая обработка алюминиевых сплавов состоит из двух циклов – закалки и старения. Полученный после закалки твердый раствор является пересыщенным при содержании в нем меди более 0,2%.

81

В таком пересыщенном и неустойчивом твердом растворе происходят изменения, в конечном итоге приводящие к выделению фазы CuAl2 и сохранению в растворе лишь соответствующего равновесной системе количества меди (0,2%). Этот процесс называется старением. Старение при комнатной температуре называется естественным, при повышении температуры – искусственным.

Старение существенно изменяет свойства сплава Al – Сu:

−в отожженном состоянии сплав Al + 4% Сu имеет предел прочности при растяжении 200 МПа;

−в свежезакаленном состоянии (то есть при испытании сразу после закалки) предел прочности несколько повышается до 250 МПа;

−после старения предел прочности возрастает значительно и достигает 400 МПа.

При естественном старении (20°С) прочность становится максимальной через 4–5 сут после закалки.

Структура отожженного сплава после различной термообработки показана на рис. 60, 61.

Рис. 60. Структура сплава Аl + 4% Сu: а, б – отожженный сплав – на фоне алюминиевого твердого раствора (почти чистого алюминия)

видны включения CuAl2 (а – ×900, б – ×120);

в – сплав после закалки – гомогенный твердый раствор (нагрев до температуры закалки привел к полному растворению включений CuAl2, а быстрое охлаждение при закалке зафиксировало пересыщенный твердый раствор), ×100

Структура дюралюминия в отожженном состоянии (рис. 62, а) состоит из твердого раствора и вторичных включений различных интерметаллических соединений (CuAl2, Al3Mg2, Mg2Si и др.).

82

Высокопрочные алюминиевые сплавы системы Al – Mg – Zn – Cu – Mn. Маркируются В95, В96. Они более прочные, чем дюрали, используются в самолетостроении, для силовых каркасов строительных изделий. В сплаве Аl + 10% Zn + 2% Mg (сплавы В95, B96) предел прочности при растяжении может достигать 600 МПа.

Алюминий ковочный – АК1, АК6, цифра – его номер, Al + Mg + + Cu, Mn, Si. Эти сплавы близки по составу к дюралюминию. Подвергаются закалке и старению. Используются для ковки и штамповки. Применяют для двигателей, лопастей винтов, крыльчаток.

Литейные сплавы. Применяются для изготовления малонагруженных корпусов деталей (детали патрубков, барабанов, корпуса тормозов).

Силумины – наиболее распространенные литейные алюминиевые сплавы, широко применяемые только в литом виде (например, в авто- и авиастроении). Кроме силуминов, в качестве литейных алюминиевых сплавов применяют сплавы алюминия с медью, магнием и цинком.

Диаграмма состояния сплава Аl – Si приведена на рис. 63.

Кремний не образует химических соединений с алюминием. Растворимость алюминия в кремнии очень мала, поэтому можно считать, что в системе Аl – Si присутствует чистый кремний.

84

Растворимость кремния в алюминии при эвтектической температуре достигает 1,65% и при комнатной температуре почти равна нулю (0,09% при 300°С). Эвтектика содержит 11,7% Si и состоит из чередующихся включений обеих фаз.

Обычный силумин содержит 12–13% Si и по структуре является заэвтектическим сплавом. Структура такого сплава состоит из игольчатой грубойэвтектикиАl + Si ивключенийпервичногокремния(рис. 64, а).

Но если перед самой отливкой внести в сплав незначительное количество натрия или некоторых других веществ (например, 2/3NaF + + 1/3NaCl), то структура резко изменится. Сплав становится доэвтектическим, состоящим из светлых первичных выделений алюминия и мелкозернистой эвтектики (рис. 64, б). Этот процесс называется мо-

дифицированием.

Введение модификатора (то есть указанных выше веществ в количестве до 1% от массы жидкого сплава) затрудняет кристаллизацию кремния. В результате температура выделения кремния и кристаллизации эвтектики понижается (рис. 65). Кристаллизация эвтектики происходит при более низких температурах, и, следовательно, продукты кристаллизации становятся более мелкозернистыми. Заэвтектический сплав с 12–13% Si, как показано на рис. 65, в результате смещения линии начала кристаллизации кремния и кристаллизации эвтектики к более низкой температуре становится доэвтектическим.

Измельчение структуры и отсутствие первичных выделений хрупкого кремния улучшают механические свойства. Так, немодифицированный сплав с 13% Si имеет предел прочности при растяжении 140 МПа, относительное удлинение – 3%. После модифицирования эти характеристики принимают следующие значения – 180 МПа и 8%.

а б

Рис. 64. Микроструктура литейных сплавов алюминия (×200):

а – немодифицированный силумин; б – модифицированный силумин

85

Рис. 65. Влияние модифицирования на кристаллизацию в системе Al – Si: 1 – до модифицирования; 2 – после модифицирования

Алюминиево-кремниевые сплавы с 10–13% Si (сплав АЛ2) применяют для отливок сложной формы, от которых не требуются высокие механические свойства. При более высоких требованиях к прочностным свойствам применяют специальные силумины – доэвтектические силумины с 4–10% Si с добавкой меди, магния и марганца (спла-

вы АЛ3, АЛ4, АЛ5, АЛ6, АЛ9 (6–8% Si; 0,4% Mg; 0,2% Cu; 0,5 Mn)).

Механические свойства специальных силуминов в результате термической обработки следующие: σ = 200–250 МПа, δ = 1–6%, но ниже механических свойств деформированных сплавов. Это является следствием болеегрубойструктуры, нераздробленнойпластическойдеформацией.

Среди литейных сплавов наиболее высокими механическими и антикоррозионными свойствами обладает сплав алюминия с магнием– магналий (АЛ8), содержащий 9,5–11,5% Mg. После закалки прочность его достигает 300 МПа при удлинении 12%. Однако этот сплав обладает болеенизкимилитейнымисвойствами, чемдругиеалюминиевыесплавы.

Жаропрочные алюминиевые сплавы. Некоторые детали, изготав-

ливаемые отливкой или штамповкой из алюминиевых сплавов, работают при температурах порядка 200–300 и даже 350°С (например, поршень, головка цилиндра и т. п.).

Применяемые для этих целей алюминиевые сплавы легируют та-

кими элементами, как медь, магний, никель, железо, титан. Специ-

ально вводимые присадки железа и никеля отличают их от остальных алюминиевых сплавов.

86