9.2 Алюминий и его сплавы

Алюминий – легкий ( = 2,7 г/см³) металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 660 С. Полиморфных превращений не имеет, кристаллизуется с образованием ГЦК решетки (а = 0,404 нм.) Механические свойства отожженного алюминия (_в = 60 МПа, твердость 20–25 НВ) зависят от чистоты и состояния. Постоянные примеси, присутствующие в алюминии: Fe, Si, Cu, Zn, Ti. Алюминий особой чистоты содержит менее 0,001 % примесей и предназначен для исследовательских целей. Из алюминия высокой чистоты (0,005–0,05 % примесей) изготавливают фольгу, токопроводящие и кабельные изделия, изделия для химической промышленности. Алюминий технической чистоты (0,15–1 % примесей) применяется для элементов конструкций и деталей, не несущих нагрузки. Алюминий обладает хорошей тепло- и электропроводностью, высокой пластичностью, легко обрабатывается давлением, сваривается газовой и контактной сваркой, плохо обрабатывается резанием, имеет большую литейную усадку (6 %).

Обобщенная диаграмма сплавов цветных металлов представлена на рис. 9.2. По технологическим свойствам сплавы подразделяются на деформируемые 1 (не упрочняемые 1а или упрочняемые термической обработкой 1б) и литейные 2.

А люминиевые сплавы. Механические свойства алюминия можно повысить за счет легирования основными элементами: Cu, Mg, Mn, Zn, Si, а также Ti, Be, Ni, Fe. Легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости и химические соединения. Сплавы маркируются аналогично легированным сталям. Сначала указывается тип сплава (Д – дуралюмин; А – технический алюминий; АК – ковочный алюминиевый сплав; АЛ – литейный сплав; В – высокопрочный сплав). Далее указывается условный номер сплава и обозначение, характеризующее состояние сплава (Т – термически обработанный (закалка плюс старение); М – мягкий (отожженный); Н – наклепанный).

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой. Сплавы систем Al–Mn и Al–Mg применяются вместо чистого алюминия, когда его прочность недостаточна. Магний (0,5–5 %) действует только как упрочнитель, добавка марганца и хрома (1 %) повышает коррозионную стойкость. Дополнительное упрочнение сплавы могут получать в результате наклепа (деформации в холодном состоянии). Для повышения пластичности проводят термическую обработку. Сплавы типа АМц, АМг (_в = 110 МПа, δ = 20 %) применяются в отожженном состоянии и после наклепа для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, средненагруженных конструкций, требующих высокого сопротивления коррозии.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Это многокомпонентные сплавы. В состав вводят различные элементы для повышения механической прочности (Cu, Mg, Zn), жаропрочности (Fe), коррозионной стойкости (Mn). Термическая обработка сплавов – закалка и старение (естественное или искусственное). Старение – выдержка при комнатной или повышенной температуре (ниже линии DF).

Линия DF на рис. 9.2 – линия предельной растворимости компонентов. Закалка проводится с температуры выше DF, охлаждение – со скоростью выше критической; результат – образование пересыщенного твердого раствора легирующего элемента в решетке основы. На этапе старения, за счет процессов диффузии, атомы легирующего элемента образуют зоны с повышенной концентрацией компонента и мелкодисперсные интерметаллические частицы, которые играют роль барьеров для движения дислокаций. Таким образом, упрочнение сплавов происходит как за счет легирования основы, так и распада пересыщенного твердого раствора. Для дополнительного упрочнения используют наклеп, выполняя его между закалкой и старением.

Дуралюмины – сплавы системы Al–Cu–Mg, в которые дополнительно вводят марганец для повышения коррозионной стойкости. Например, сплав Д16 (_в = 540 МПа, δ = 11 %). Дуралюмины применяются для изготовления деталей и элементов конструкций средней и повышенной прочности, требующих высокой надежности и долговечности при переменных нагрузках. Особенно широкое применение они находят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве.

Авиаль – сплавы системы Al–Mg–Si уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях. Например, сплав АВ (_в = 260 МПа, δ = 15 %) обрабатывается резанием (после закалки и старения) и сваривается контактной и аргонодуговой сваркой, обладает высокой сопротивляемостью коррозии. Из него изготовляют элементы конструкций (листы, трубы, профили и т. д.), несущие умеренные нагрузки.

Ковочные сплавы системы Al–Mg–Si–Cu отличаются высокой пластичностью и хорошими литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки для последующей обработки давлением. Сплав АК6 используют для деталей сложной формы со средней прочностью, изготовление которых требует высокой пластичности в горячем состоянии. Сплав АК8 (_в = 480 МПа, δ = 10 %) применяется для изготовления тяжело нагруженных штампованных деталей (табл. 9.1).

Жаропрочные алюминиевые сплавы имеют сложный химический состав, их дополнительно легируют железом, никелем и титаном. Например, сплав Д20 (_в = 400 МПа, δ = 12 %) используется для изготовления деталей, работающих при температуре до 300 °С.

Таблица 9.1

Химический состав упрочняемых алюминиевых сплавов

Сплавы	Марка	Химический состав, %
		Cu	Mg	Si	Zn	Fe	Mn	Ni
Дуралюмин	Д16	3,8–4,9	1,2–1,8	< 0,5	< 0,3	< 0,5	0,3–0,9	0,1
Авиаль	АВ	0,2–0,6	0,4–0,9	0,5–1,2	< 0,2	< 0,5	0,1–0,3	–
Ковочные	АК6	1,8–2,6	0,4–0,8	0,7–1,2	< 0,3	< 0,7	0,4–0,8	< 0,1
Жаропрочные	АК2	3,5–4,5	0,4–0,8	0,5–1,0	< 0,3	0,5–1,0	< 0,2	1,8-2,3
Высокопрочные	В95	1,4–2,0	1,8–2,8	–	5-7	–	0,2–0,6	–

Высокопрочные алюминиевые сплавы системы Al–Zn–Mg–Cu. При увеличении содержания цинка и магния прочность сплавов повышается, пластичность и коррозийная стойкость снижаются. Добавки марганца и хрома улучшают коррозийную стойкость. Например, сплав В95 (_в = 560–600 МПа, δ = 8 %) хорошо обрабатывается резанием и сваривается точечной сваркой. Применяется в самолетостроении и судостроении для тяжело нагруженных конструкций.

Литейные алюминиевые сплавы. Сплавы для фасонного литья должны иметь высокую жидкотекучесть, небольшую усадку, малую склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами и сопротивлением коррозии.

Силумины – сплавы систем Al–Si, Al–Si–Mg, содержащие 10–13 % кремния, отличаются высокими литейными свойствами, отливки – большой плотностью. Силумины делятся на двойные (легированные только Si) и специальные (с небольшими добавками – Mg, Cu, Mn, Ni и др.). Легирование магнием и медью повышает эффект упрочнения при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность. Сплавы системы Al–Si типа АЛ12, АЛ9 (_в = 200 МПа) легко обрабатываются резанием. Термической обработкой упрочняются только специальные силумины, которые применяются для изготовления средне- и крупногабаритных литых деталей ответственного назначения: корпусов компрессоров, картеров двигателей внутреннего сгорания и т. д.

Высокопрочные жаропрочные сплавы систем Al–Cu–Mn, Al–Cu–Mn–Ni, Al–Si–Cu–Mn. Широко применяется сплав АЛ1 (_в = 260 МПа). Из него изготавливают поршни, головки цилиндров и другие детали, работающие при повышенных температурах. Из сплава AЛ19 системы Al–Cu – детали, работающие в условиях высоких статических и ударных нагрузок при температурах до 300 °С.

Коррозионностойкие сплавы систем Al–Mn и Al–Mn–Zn имеют низкие литейные, повышенные механические свойства и хорошую обрабатываемость резанием. Сплавы АЛ8 (_в = 350 МПа, δ = 10 %), АЛ13 и АЛ22 предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере (судостроение, авиация).

Гранулированные алюминиевые сплавы. Плавлением трудно, иногда невозможно получить сплавы из металлических и неметаллических компонентов, не смешивающихся в расплавленном виде (железо-свинец, вольфрам-медь и т. д.). Метод порошковой металлургии позволяет изготовить материалы с особыми физическими характеристиками и структурой, не только в виде заготовок и полуфабрикатов, но и в виде готовых изделий, не требующих дальнейшей обработки резанием. Эти материалы имеют более высокие механические свойства, чем аналогичные материалы, получаемые плавлением.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) получают методом порошковой металлургии. Частицы имеют диаметр от нескольких микрон до миллиметров и характеризуются малой ликвацией. Высокая скорость охлаждения частиц (100 °С/с) достигаемая, например, распылением жидкого металла струей нейтрального газа, позволяет получать аномально пересыщенные твердые растворы: предельная растворимость легирующих элементов увеличивается в 2,5–5 раз. Особый интерес представляют САС с элементами, которые практически нерастворимы в алюминии при обычных условиях. Сплавы представляют собой алюминиевую матрицу с равномерно распределенными дисперсными включениями второй фазы. В процессе технологической операции горячего прессования (400–450 °С) из пересыщенного твердого раствора выпадают дисперсные частицы интерметаллидных фаз, которые и увеличивают прочность при нормальных и повышенных температурах. Прочность материалов при повышенном содержании переходных металлов достигает 800 МПа, предел текучести – 330 МПа.

Спеченная алюминиевая пудра (САП) упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия, нерастворимой в алюминии. При размоле пудры в шаровых мельницах (в атмосфере азота с регулируемым содержанием кислорода) на ее частицах образуется тончайшая пленка окислов алюминия. Различают САП по содержанию Al₂O₃. Марки САП, применяемые в России, содержат 6–23 % Al₂O₃. Различают САП-1 с содержанием 6–9, САП-2 – 9–13, САП-3 – 13–18 % Al₂O₃. С увеличением объемной концентрации оксида алюминия возрастает прочность композиционных материалов. При комнатной температуре характеристики прочности САП-1: σ_в = 280 МПа, σ_0,2 = 220 МПа; САП-3 – σ_в = 420 МПа, σ_0,2 = 340 МПа. Помол осуществляется с добавкой стеарина, по мере его улетучивания происходит сращивание мелких частиц в более крупные конгломераты, в результате образуется не воспламеняющаяся на воздухе тяжелая пудра. Пудру брикетируют (в холодном и горячем виде), спекают и подвергают дальнейшей деформации – прессованию, прокатке, ковке. По коррозионной стойкости САП не уступает чистому алюминию. Прочность САП возрастает при увеличении содержания первичной окиси алюминия (возникшей на первичных порошках) до 20 %, при большем содержании снижается. САП обладает высокой прочностью при температурах 300–500 °С и не изменяет своих свойств даже после длительного (до 10000 часов) прогрева при 500 °С. При добавлении небольшого количества железа и никеля (до 1,5 %) САП способна длительно работать в паровоздушной среде при температурах до 350 °С. Например, предел прочности при повышении температуры снижается с 380 МПа при комнатной до 105 МПа при 500 С. Листовая САП сваривается контактной (точечной и роликовой) и аргонодуговой сваркой, легко обрабатывается резанием.