3.3. Деформівні алюмінієві сплави

3.3.1 Деформівні алюмінієві сплави, які зміцнюються

термічною обробкою

Вироби з таких сплавів піддають зміцнюючій термічнії обробці – гартуванню на пересичений твердий розчин з подальшим старінням. Серед таких сплавів виділяють кілька групп.

Дуралюміни.

Це сплави системи Al - Cu - Mg, які містять 2,5...5% Cu, 0,5...2% Mg, 0...1% Mn. Вони характеризуються гарним поєднанням міцності і пластичності і, як видно зі схеми на рис. 3.1, можуть бути суттєво зміцнені термічною обробкою за рахунок виділення з пересиченого твердого розчину при штучному старінні дисперсних часток надлишкових фаз - CuAl₂ () з твердістю HV близько 530 од., а в сплавах, які додатково леговані Mg -фази S (CuMgAl₂) з твердістю HV близько 564 од. На рисунку 3.2 наведено структуру найбільш розповсюдженого дуралюміну Д16 у різному стані. Механічні властивості дуралюмінів Д1, Д16, Д 18 наведені в таблиці 3.1. З наведених даних виходить, що підвищення концентрації міді і магнію забезпечує зміцнення дуралюмінів. Це пояснюється збільшенням долі відповідних зміцнюючих фаз в структурі сплавів.

а б в

а – литий сплав:світлі дендрити - твердого розчину, світлі включення фази CuAl₂ і темні – фази S (Al₂MgCu): х150;

б – сплав після деформації і відпалу: на фоні - твердого розчину видно частинки зміцнюючих фаз CuAl₂ і фази S: х1000;

в – сплав після гартування і природного старіння: х200

Рисунок 3.2 – Мікроструктура дуралюміну Д16 у різному стані.

Таблиця 3.1 - Хімічний склад та механічні властивості ряду

деформівних алюмінієвих сплавів

Марка спла-ву	Вміст елементів, % мас.				Вид напів­фаб- рикату	Механічні властивості
	Cu	Mg	Mn	інші		в Н/мм2	т Н/мм2	, %	Твер- дість,НВ
Сплави, які зміцнюються термічною обробкою (після гартування і старіння):
Д1 Д16 Д18 В95 АК6 АК8	3,8-4,8 3,8-4,9 2,2-3,0 1,4-2,0 1,8-2,6 3,9-4,8	0,4-0,8 1,2-1,8 0,2-0,5 1,8-2,8 0,4-0,8 0,4-0,8	0,4-0,8 0,3-0,9 - 1,0-0,6 0,4-0,8 0,4-1,0	- - - 5-7Zn до 0,25 Cr 0,7-1,2 Si 0,6-1,2 Si	Штаби Пр.прут. Штаби Пр.прут. Дріт Штаби Пр.прут. Поковки Поковки	400 480 440 530 300 540 600 400 480	240 320 330 400 170 470 560 299 380	20 14 18 11 24 10 8 12 9	95 105 70 150 100 135
Сплави, які не зміцнюються термічною обробкою (після відпалу):
АМц АМг2 АМг6	- - -	- 1,8-2,6 5,8-6,8	1,0-1,6 0,2-0,6 0,5-0,8	- - до 0,1 Ti, 0,005 Be	Штаби Штаби Штаби	130 190 340	50 100 170	20 23 20	30 45 70

Примітка: Пр. прут. - пресовані прутки.

Після гартування (від 495-510С) і природного старіння впродовж 5-7 діб відбувається утворення зон Гінье - Престона, збагачених атомами міді і магнію. Дуралюміни використовують для виготовлення деталей літаків, гвинтокрилів, кузовів автомобілей, корпусів катерів, човнів та ін. Для підвищення корозійної стійкості дуралюмінів штаби з них піддають плакуванню чистим алюмінієм.

Сплави “авіаль”.

Сплави “авіаль” (АВ) - це сплави системи Al - Si - Mg; вони містять 0,5-1,5% Si, 0,5-0,9% Mg, а також додатково 0,1-0,5% Cu, 0,2-0,4% Mn. Ці сплави мають в порівнянні з дуралюмінами меншу міцність (примірно в 2 рази), але кращу пластичність в холодному і гарячому станах, більшу корозійну стійкість, задовільно обробляються різанням і зварюються. Основною зміцнюючою фазою у таких сплавах є Mg₂Si. Крім того, у невеликій кількісті присутня фаза CuAl₂ (рисунок 3.3).

а б

а – литий сплав: на світлому фоні - твердого розчину видні включення фази Mg₂Si (темні) і у невеликій кількісті - фази CuAl₂ (сірі): х250;

б – сплав після гартування і штучного старіння при 150С, 6 год.: в середині і на межах зерен - твердого розчину видні темні включення фази Mg₂Si: х500

Рисунок 3.3 – Мікроструктура сплаву „авіаль”.

Сплави „авіаль” піддають гартуванню від 515-525°С з охолодженням у воді з подальшим природним чи штучним (160°С, 12 год.) старінням. Використовують для виготовлення штаб, труб, лопастей гвинтів гвинтокрилів та інших виробів.

Високоміцні сплави.

Високоміцні сплави (В 95, В 96) є сплавами системи Al - Zn - Cu - Mg і містять 5-8,5% Zn, 1,4-3% Cu, 2-3% Mg, а також 0,2-0,6% Mn і інколи – невелику кількість хрому. Як виходить з даных табл.3.1, високоміцні сплави у термічно обробленому стані (гартування від 460-470С і штучне старіння при 140°С, 16 год.) характеризуються високими характеристиками міцності, але більш низькою пластичністю в порівнянні з дуралюмінами, поступаючись ним і по корозійній стійкості під напруженням. Цинк, магній і мідь утворюють фази, які мають змінну розчинність в алюмінії: M (MgZn₂ ), S (CuMgAl₂), T (Mg₃Zn₃Al₂). Мікроструктура сплаву В 95 наведена на рисунку 3.4.

а б

а – литий сплав: на фоні світлих кристалів - твердого розчину складного складу видні виділення S-фази (сіра), фази MgZn₄ і T-фази (темні): х250;

б – сплав після деформації, гартування і штучного старіння: зерна - твердого розчину і зміцнюючі фази - S, фази MgZn₄ і T: х500

Рисунок 3.4 – Мікроструктура високоміцного сплаву В95.

При нагріванні під гартування ці фази розчинюються у твердому розчині. При подальшому старінні загартованого сплаву відбувається розпад пересиченого твердого розчину з утворенням дисперсних часток метастабільних M`, T` и S` - фаз, що обумовлює максимальне зміцнення сплавів. При підвищенні в таких сплавах концентрації цинку, магнію і міді (наприклад, сплав В 96 в порівнянні зі сплавом В 95) забезпечується підвищення міцностних характеристик (_в - до 700 Н/мм², _т - до 650 Н/мм²) при зниженні їх пластичности ( - біля 7%). Високоміцні сплави використовують для виготовлення високонавантажених конструкцій, які працюють переважно в умовах напружень стискання (обшивка, шпангоути, лонжерони літаків).

Сплави для кування і штампування.

Сплави для кування і штампування (або кувальні сплави) маркують літерами АК (АК 6, АК 8). Вони є сплавами системи Al - Cu - Si - Mg і містять 2-5% Cu, 0,6-1,2% Si, 0,4-1% Mg, а також 0,4-1% Mn. Вони мають гарну пластичність і володіють стійкістю проти утворення тріщин при гарячій пластичній деформації. За хімічним складом вони близькі до дуралюмінів, відрізняючись від них підвищеним вмістом кремнію, що, як видно з рисунку 3.5, забезпечує присутність не тільки фази CuAl₂, але й надлишкових фаз, які містять кремній, зокрема, силіциду магнію  (Mg₂Si).

Ці сплави використовують для виготовлення деталей складної форми. Кування і штампування здійснюють при температурі 450-475С. Вироби піддають гартуванню від 500-520°С і щтучному старінню (150-165°С, 6-15 год.).

а б

а – литий сплав: світлі кристали - твердого розчину, сірі включення фази CuAl₂, темна складова скелетоподібної будови - фаза Mg₂Si: х250;

б – сплав після гартування від 510С і штучного старіння при 150С, 12 год.: в середині і на границях зерен - твердого розчину видні включення зміцнюючих фаз CuAl₂ та Mg₂Si: х500

Рисунок 3.5 – Мікроструктура кувального сплаву АК8.

Сплави зі зниженим вмістом міді (АК6) відрізняються кращою технологічною пластичністю, але меншою міцеістю (таблиця 3.1). Їх використовують для середньонавантажених деталей: великих і малих крильчаток, фітінгів, качалок, кріпильних деталей. Сплави з підвищеним вмістом міді (АК8) гірше обробляються тиском, але мають більшу міцність і використовуються для виготовлення високонавантажених виробів нескладної форми: підмоторних рам, поясів лонжеронів, лопастей гвинтів гвинтокрилів та ін.

Жароміцні сплави.

Жароміцні сплави системи Al - Cu - Ni (Fe) - Mg - Mn вміщують до 7% Cu, до 2% Mg, до 1% Mn і додатково - Fe (до 1,5%), Ni (до 1,5%) і Ti (до 0,2 %). Мікроструктура жароміцного сплаву АК2, який містить 4% Cu, 0,6% Mg, 2% Ni, 1% Fe, 0,6% Si, наведена на рисунку 3.6.

Їх використовують для виготовлення виробів, які працюють при температурах до 300°С (поршні, головки циліндрів, деталі компресорів). Їх піддають зміцнюючій термічній обробці - гартуванню від 530°С з охолодженням у воді і штучному старінню при 200°С.

3.3.2. Деформівні алюмінієві сплави, які не зміцнюються

термічною обробкою

До них відносяться сплави систем Al - Mn ( АМц – 1...1,6 % марганцю) і Al - Mg (2...6 % магнію): АМг2, АМг3,..., АМг6. Зміцнення таких сплавів досягається за рахунок легування. Сплави відрізняються високою пластичністю, високою корозійною стійкістю, але мають помітно більш низькі в порівнянні, наприклад, з дуралюмінами, характеристики міцності (див. табл. 3.1). Фрагменти діаграм стану таких систем наведені на рисунку 3.7.

а б

а – литий сплав: світлі кристали - твердого розчину, світло-сіра фаза CuAl₂, фаза NiFeAl₉ сітчастої будови і невелика кількість темної фази S: х250;

б – сплав після гартування і штучного старіння: основа - - твердий розчин, крупні включення фази NiFeAl₉, дрібні включення фази CuAl₂, (світлі) та S-фази (темні): х500;

Рисунок 3.6 – Мікроструктура жароміцного сплаву АК2.

ж

 +ж

17.4

+Mg₂Al₃ ()

Al 1,4 Mg,%

T,°C

ж

600  ж+

1.95

400

+MnAl₆

200

Al 1 2 Mn,%

ж

+ж

578°C



+(Si)

Al 1.65 11.6 Si,%

а б в

Рисунок 3.7 - Ділянки діаграм стану сплавів систем Al-Mn (a),

Al-Mg (б), Al - Si (в)

Сплави АМц мають структуру, яка складається з кристалів  - твердого розчину і вторинних виділень надлишкової фази MnAl₆ (рисунки 3.7, а, 3.8). Сплави використовують у відпаленому стані. Пластична деформація зміцнює сплав майже в два рази.

Рисунок 3.8 – Мікроструктура сплаву АМц після деформації і відпалу; на фоні зерен - твердого розчину видно частинки фази MnAl₆: х250.

Деформівні сплави системи алюміній - магній, як виходить з рисунку 3.8, б, при вмісті до 7% Mg можуть дати незначне зміцнення при термічній обробці. Магній утворює з алюмінієм  - твердий розчин, його концентрація в якому з підвищенням температури може зрости від 1,4 до 17,4%.

При кімнатній температурі структура сплавів складається з кристалів твердого розчину  і надлишкової фази Mg₂Al₃. В цих сплавах характеристики зростають з підвищенням вмісту Mg (див. табл. 3.1) за рахунок збільшення кількості надлишкової фаз. Сплави АМг, як і сплави АМц, часто застосовують у нагартованому стані, коли за допомогою пластичної деформації забезпечується їх помітне зміцнення. Однак, пластичні характеристики при цьому різко знижуються, що обмежує застосування нагартованих сплавів.

Сплави типу АМц і АМг використовують для виробів, які виготовляють методом глибокої витяжки, зварюванням, від яких вимагається висока корозійна стійкість (трубопроводи для бензину і мастила, зварні баки), а також для заклепок, переборок, корпусів и мачт суден, лифтів, вузлів підйомних кранів, рам вагонів, кузовів автомобілей та ін.