Алюминиевые сплавы
Алюминий относится к легким металлам. Температура плавления алюминия 658°С, плотность 2,7 г/см3. Алюминий обладает высокой пластичностью и низкой прочностью: σв=100 МПа, δ=40%. Чистый алюминий хорошо сопротивляется коррозии, так как на его поверхности образуется защитная (плотная) пленка окиси алюминия (А12О3).
Основными примесями являются кремний и железо, которые повышают прочность, но снижают пластичность и стойкость против коррозии. Кроме того, железо с алюминием образует химическое соединение FeAl,, которое ухудшает обрабатываемость давлением.
Алюминий марок А00 (99,7% А1), А0 (99,6% А1) применяют в электропромышленности для изготовления фольги и покрытий.
Алюминий марок А1 (99,5% А1), А2 (99,0% А1), A3 (98% А1) используют для изготовления посуды и других предметов широкого потребления.
В результате наклепа прочность алюминия повышается до 160-180 МПа, но при этом уменьшается пластичность. Для снятия наклепа применяют рекристаллизационный отжиг при 330—360°С.
По диаграмме состояния алюминий — легирующий элемент (рис.2) алюминиевые сплавы можно классифицировать на деформируемые и литейные.
Деформируемые сплавы делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.
Литейные сплавы могут упрочняться в результате термической обработки, но степень упрочнения тем меньше, чем больше легирован литейный сплав, т.е. чем больше эвтектики в структуре.
Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, характеризуются невысокой прочностью, высокой пластичностью и высокой коррозионной стойкостью. К ним относятся сплавы алюминий — марганец (АМц) и алюминий — магний (АМг). Указанные сплавы являются однофазными. Они применяются для изготовления малонагруженных деталей, изготавливаемых холодной штамповкой, для сварных деталей и деталей, работающих в агрессивных средах.
Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой, являются двухфазными.
Рис. 2. Классификация алюминиевых
сплавов
Рис. 3 Зависимость прочности дюралюминия от температуры продолжительности старения
Наиболее распространенным представителем алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой, является дюралюминий.
Дюралюминий — это сплав А1—Сu—Mg—Mn. Маркируется дюралюминий буквой Д —дюралюминий, за которой следуют цифры, указывающие условный номер. Дюралюминий хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях. После холодной деформации дюралюминий подвергают смягчающему отжигу при 340-370 °С
Термическая обработка дюралюминия состоит из закалки с температуры 490—510 °С с охлаждением в воде. После закалки структура дюралюминия представляет пересыщенный α-твердый раствор и нерастворенные соединения железа.
Нагрев выше 510-520°С; вызывает окисление и частичное оплавление границ зерен, что резко снижает прочность и пластичность. Недогрев дюралюминия до оптимальных температур закалки не обеспечивает получение необходимых свойств.
После закалки дюралюминий подвергают старению, что обеспечивает получение высоких прочности и твердости
Естественное старение происходит при обычных (комнатных) температурах в течение 5—7 сут.
Искусственное старение проводят при 150-180°С в течение 2—4 ч.
На рис.3 показано изменение прочности дюралюминия в зависимости от температуры старения. При понижении температуры процесс старения замедляется и, наооборот, с повышением температуры — ускоряется.
Если после закалки и естественного старения дюралюминий подвергнуть кратковременному нагреву (20—40 с) при 200—250°С, то он разупрочняется и приобретает свойства, соответствующие свежезакаленному состоянию. Это явление называется возвратом. Процесс возврата может повторяться многократно, однако при этом происходит ухудшение коррозионной стойкости дюралюминия.
Дюралюминий поставляется в виде профилей, прутков, листов и др.
Сплавы авиалъ (А1—Mg—Si—Сu) уступают по прочности дюралюминию, но обладают лучшей пластичностью в горячем и холодном состояниях. Авиаль подвергают закалке с 515-528°С в воде, а затем естественному или искусственному старению Искусственное старение осуществляют при 150—170 °С. Из авиаля изготовляют листы, трубы и другие изделия.
Для ковки и штамповки применяют алюминиевые сплавы АК (АК1, АК6, АК8 и т.д.), обладающие высокой пластичностью при температурах ковки. Ковку и штамповку сплавов проводят при 450-4750С.
Термическая обработка состоит из закалки с 490—515°С в воде и старения при 150—160°С в течение 5-15 ч.
Литейные сплавы алюминия — сплавы системы Al-Si — называются силуминами. Маркируются силумины буквами АЛ, за которыми следуют условные цифры.
Наиболее широкое применение получил сплав АЛ-2, в котором 10—13%Si. Этот сплав имеет малую усадку и высокую жидкотекучесть.
Для повышения свойств сплава его модифицируют. Перед самой разливкой вводят в сплав соли натрия (2/3 NaF + 1/3 NaCl) в количестве 1 % от массы жидкого сплава. В результате температуры выделения кремния и кристаллизации эвтектики понижаются. Кристаллизация эвтектики происходит при более низких температурах, а, следовательно, продукты кристаллизации становятся дисперснее. Кроме того, заэвтектический сплав с 12-13% кремния становится доэвтектическим. Измельчение эвтектики и отсутствие хрупких включений кремния улучшают механические свойства сплава: до модифицирования σв= 140 МПа, δ= 30%, после модифицирования σв= 180 МПа, δ= 8%.
Сплав АЛ-2 применяется для отливок сложной формы, от которых не требуются высокие механические свойства.
Силумины с добавками меди, магния и марганца обладают более высокими механическими свойствами. Для повышения механических свойств их подвергают термической обработке.
Термическая обработка литых сплавов отличается от термической обработки деформируемых тем, что у литых сплавов структура более грубая и крупнозернистая, чем у деформируемых.
По этой причине силумины для закалки нагревают до более высоких температур 520—540°С и дают более длительную выдержку для того, чтобы полнее растворить грубые интерметаллические соединения и выровнять концентрацию по всему объему.
Искусственное старение проводят при 150—180 °С в течение 10— 20 ч. Например, сплав АЛ-4 после закалки с 535 0С, старения при 175 °С в течение 15ч имеет σв= 260 МПа, δ = 4%.