Раздел VI. Цветные металлы и сплавы

6.1. Алюминий и его сплавы

Алюминий и его сплавы как конструкционные материалы широко используются в самолетостроении, в строительных конструкциях, холодильной и криогенной технике, судостроении, нефтяной и химической промышленности, электротехнике и т. д. Самое широкое применение алюминиевые сплавы нашли в самолетостроении. До ¾ массы пассажирских самолетов ИЛ – 62, ТУ – 134 и до 90 % сверхзвуковых самолетов составляют сплавы алюминия.

Алюминий — металл серебристого цвета, характеризующийся низкой плотностью (2,7 г/см³), высокой пластичностью (δ = 40 %), низкими прочностью (σ = 80 МПа) и твердостью (НВ 25). Температура плавления — 659°С. Обладает высокой электропроводностью и коррозионной стойкостью. Кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке и полиморфных превращений не имеет. Маркируется буквой А. В зависимости от количества примесей различают алюминий особой чистоты А999 (99,999 % Аl), высокой чистоты А995, А99, А97 и технической чистоты А85, А8, А7, А6, А5, А0. Применяется алюминий для производства фольги, электрических проводов. Как конструкционный материал используется редко вследствие малой прочности.

Сплавы алюминия делятся на литейные и деформируемые.

Алюминиевые литейные сплавы [ГОСТ 1583 - 93].

Согласно ГОСТ 1583–93 литейные алюминиевые сплавы подразделяются по химическому составу на 5 групп (табл. 2.31), которые относятся соответственно к системам (в скобках указаны обозначения марок сплавов по ГОСТ 2685-75):

1. Алюминий  кремний – магний: АК12 (АЛ2); АК13 (АК13); АК9 (АК9); АК9с (АК9с); АК9ч (АЛ4); АК9пч (АЛ4-1); АК7 (АК7); АК7ч (АЛ9); АК7пч (АЛ9-1); АК8л (АЛ34); АК10Су (АК10Су).

2. Алюминий  кремний – медь: АК5М (АЛ5); АК5Мч (АЛ5-1); АК5М2 (АК5М2); АК5М7 (АК5М7); АК6М2 (АК6М2); АК8М (АЛ32); АК5М4 (АК5М4); АК8М3 (АК8М3); АК8М3ч (ВАЛ8); АК9М2 (АК9М2); АК12М2 (АК12М2); АК12ММгН (АЛ30); АК12М2МгН (АЛ25); АК21М2,5Н2,5 (ВЖЛС-2);

3. Алюминий – медь: АМ5 (АЛ19); АМ4,5Кд (ВАЛ10);

4. Алюминий – магний: АМг4К1,5М (АМг4К1,5М1); АМг5К (АЛ13); АМг5Мц (АЛ28); АМг6л (АЛ23); АМг6лч (АЛ23-1); АМг10 (АЛ27); АМг10ч (АЛ27-1); АМг11 (АЛ24); АМг7(АЛ29);

5. Алюминий – прочие компоненты: АК7Ц6 (АЛ11); АК9Ц6 (АК9Ц6р); АЦ4Мг (АЛ24);

О принадлежности конкретного сплава к той или иной группе (системе) можно судить по маркировке, содержащей буквы, цифры и индексы. Первая буква А означает, что сплав алюминиевый. Другие буквы маркировки: К – кремний; М – медь; Мг – магний; Мц – марганец; Н – никель; Ц – цинк; Су – сурьма. После буквы приводится цифра, указывающая на среднее содержание (в процентах) данного элемента в сплаве. Индекс в конце марки даёт дополнительную информацию, например, о степени очистки сплава от примесей и других его характеристик. Так, индекс “ч” означает, что сплав чистый; “пч” – повышенной чистоты; “оч” – особой чистоты; “л” – литейный; “с” – селективный.

В I группу включены сплавы на основе системы алюминий — кремний — магний, обычно называемые силуминами. Они имеют наиболее высокие литейные свойства (жидкотекучесть, стойкость против горящих трещин и др.), объясняемые наличием в их структуре большого количества эвтектики (рис. 6.1), а также герметичность, плотность и достаточную коррозионную стойкость.

Наиболее распространён двойной силумин АК12 (AЛ2), содержащий только алюминий и кремний (10...13 %), является чисто эвтектическим, термически неупрочняемым сплавом и имеет низкие механические свойства (_в = 180 МПа; _0,2 = 80 МПа;  = 7 %).

Эвтектика состоит из механической смеси кристаллов твёрдого раствора α + Si, и нередко в структуре присутствуют первичные кристаллы Si. Кремний при затвердевании эвтектики выделяется в виде грубых кристаллов игольчатой формы (рис. 6.2), которые играют роль внутренних надрезов в пластичном α – твёрдом растворе. Поэтому такая структура не обеспечивает высокие свойства сплава. При более высоких требованиях к прочностным свойствам применяют доэвтектические силумины с 4...10 % Si и добавками небольших количеств Cu, Mg, Mn.

Рис. 6.1. Диаграмма состояния системы Al- Si

Силумины, содержащие, кроме алюминия и кремния, другие компоненты, называются специальными. Дополнительное легирование магнием (сплав АК7ч (АЛ9)), а также магнием и марганцем (сплав АК9ч (АЛ4)) позволяет повысить механические свойства сплавов в результате упрочняющей термической обработки. Однако, превосходя простой силумин АК12 (АЛ2) по механическим характеристикам, сплавы АК7ч (АЛ9) и АК9ч (АЛ4) уступают ему по технологичности, т. к. имеют повышенную склонность к газонасыщению и пористости.

Рис. 6.2. Микроструктуры силуминов (Х200):

а—до модифицирования; б—после модифицировал

Наиболее прочен из силуминов сплав АК8Л (АЛ34), в котором увеличено содержание магния и введены добавки титана и бериллия.

Для измельчения эвтектических выделений (твёрдый раствор α –кремний) и устранения избыточных кристаллов кремния силумины модифицируют натрием (0,05...0,08 % от массы сплава) путём присадки к расплаву смеси солей 67 % NaF и 33 % NaCl. В процессе затвердевания кристаллы кремния обволакиваются поверхностно - активной плёнкой силицида натрия (Na₂Si), которая затрудняет их рост. В силумины также вводят модифицирующие добавки иттрия, стронция, циркония, бора, титана и др.

Сплавы I-ой группы, обладая наилучшими литейными свойствами, высокой герметичностью, достаточным уровнем механических и коррозионных свойств, силумины широко используются для литья сложных по конфигурации и крупногабаритных деталей всеми способами. Они применяются в планере самолетов (каркасы дверей, детали кабины, соединительные фланцы, кронштейны и т. д.), в турбореактивных двигателях (корпуса насосов, крышки, арматура и др.). В автомобилестроении из этих сплавов отливают блоки цилиндров, картеры рулевого управления и сцепления.

Сплавы II группы на основе системы алюминий  кремний  медь являются термически упрочняемыми, имеют хорошие, хотя и несколько уступающие сплавам I группы, литейные свойства, герметичность и коррозионную стойкость, но превосходят их по жаропрочности и обрабатываемости резанием. Сплавы АК5М (АЛ5), АК5Мч (АЛ5-1) являются не модифицируемыми и в термообработанном состоянии имеют средние показатели прочности при обычных и повышенных (250...275 °С) температурах.

Сплав АК8М (АЛ32) с высоким содержанием кремния (7,5...9 %) целесообразно модифицировать. Он также характеризуется средней прочностью и жаропрочностью и используется до температур, не превышающих 150 °С. Многокомпонентные сплавы АК12М2МгН (АЛ25) и АК12ММгН (АЛ30) могут применяться в литом состоянии (например, в поршнях) без термообработки. Медьсодержащие силумины, имея хорошие литейные свойства, высокую прочность и герметичность, повышенную жаропрочность, предназначены для силовых и герметичных деталей с рабочей температурой до 200… 250 °С. Это корпуса насосов, головки цилиндров, детали коробки передач, турбин, вентиляторов и т. д.

Однако следует иметь в виду, что сплавы АК5М2, АК5М7 имеют широкие пределы по химическому составу и, как следствие, нестабильность механических и литейных свойств. Поэтому их можно использовать только для малонагруженных деталей.

III группа—сплавы на основе системы алюминий  медь: АМ5 (АЛ19) и АМ4,5Кл (ВАЛ10). Для современного машиностроения особый интерес представляют литейные высокопрочные алюминиевые сплавы со свойствами, близкими свойствам деформируемых сплавов, а также жаропрочные сплавы, существенно превосходящие деформируемые по эксплуатационным температурно-временным параметрам. Такими сплавами являются сплавы данной группы. Основные их достоинства: повышенные прочность и жаропрочность, хорошая обрабатываемость резанием. Эти сплавы характеризуются широким интервалом кристаллизации, что обуславливает их пониженные, по сравнению с силуминами, литейные свойства. Им также присущи повышенная линейная усадка, пониженные герметичность и коррозионная стойкость. Поэтому детали из сплавов на основе Al – Cu следует анодировать и защищать лакокрасочными покрытиями. Сплавы системы алюминий  медь относятся к термически упрочняемым сплавам.

Сплав АМ5 (АЛ19), содержащий, кроме алюминия и меди, ещё марганец и титан, имеет высокие показатели прочности и жаропрочности и может использоваться при температурах до 300 °С. В структуре этого сплава образуются фазы CuAl₂, Al₁₂Mn₂Cu и Al₃Ti, располагающиеся по границам зёрен твёрдого раствора. Присутствие в твёрдом растворе марганца и образование по границам зёрен интерметаллидных фаз повышает жаропрочность сплава. Титан измельчает зерно. Никель способствует повышению жаропрочности (длительной прочности) сплавов системы Al-Cu- Mn, оказывая положительное влияние на свойства сплавов при 400…450 °С, при понижении прочности при 20 °С. Сплав АМ4,5Кл (ВАЛ10), дополнительно легированный кадмием ещё более жаропрочен (до 350 °С). Кадмий приводит к дополнительному упрочнению сплавов системы Al-Cu в присутствии марганца и без него, поскольку в обоих случаях упрочняющей фазой является фаза θ'.

Сплавы на основе системы Al-Cu- Mn по сравнению с алюминиевыми литейными сплавами других систем имеют самую широкую перспективу применения для изготовления литых деталей, используемых в ответственных узлах различных конструкций взамен деталей из деформируемых сплавов (например взамен деформируемых сплавов АК4, АК4-1, АК6, АК8.

В авиации из сплавов систем Cu-Mn можно отливать детали управления, внутреннего набора фюзеляжа, силовые кронштейны и др.

IV группа сплавов – литейные магналии на основе системы алюминий  магний (АМг4К1,5М, АМг5К(АЛ13) и др.). Сплавы данной группы характеризуются малой плотностью, высокой прочностью и пластичностью, коррозионной стойкостью в жестких климатических условиях, свариваемостью, хорошей обрабатываемостью резанием. Эти свойства, а также достаточная технологичность, позволяющая получать сложные отливки всеми способами литья, делают эти сплавы весьма перспективными для деталей, к коррозионной стойкости и декоративной отделки которых предъявляются повышенные требования.

Эти сплавы имеют худшие литейные свойства, чем силумины. Дополнительное легирование сплавов АМг10 (АЛ27), АМг10ч (АЛ27-1) титаном, бериллием и цирконием модифицирует структуру и ещё более повышает механические свойства и устойчивость против коррозии. Структура сплавов состоит из α – твёрдого раствора и грубых включений частиц β (Al₃Mg₂) - фазы, которые располагаются по границам зёрен и охрупчивают сплав. Поэтому эти сплавы используют после нагрева под закалку до 430 ˚С и длительной выдержкой до 12...20 ч с целью полного растворения частиц Al₃Mg₂ в α – твёрдом растворе с дальнейшем охлаждением в масле. После такой обработки указанные сплавы приобретают структуру твердого раствора, не содержат эвтектики и имеют низкие литейные свойства, а также не высокие показатели теплопроводности и жаропрочности (рабочие температуры не превышают 100 °С).

Сплавы средней прочности АМг5К (АЛ13), АМг6л (АЛ23), АМг6лч (АЛ23-1) и др., содержащие 4,5...8 % Mg применяются обычно в литом состоянии без термообработки. Сплавы АМг6л (АЛ23) и АМг6лч (АЛ23-1) могут использоваться и в закалённом состоянии, хотя эффект от закалки невелик. Литейные алюминиево-магниевые сплавы рекомендуются для изготовления деталей различного назначения, от которых требуется высокая коррозионная стойкость. Рабочие температуры этих сплавов не должны превышать 80 °С. Сплавы хорошо свариваются аргонодуговой сваркой.

К V группе относятся сложнолегированные сплавы АК7Ц9(АЛ11), АК9Ц6, АЦ4Мг(АЛ24), содержащие кремний, железо, свинец, никель, марганец и т. д, составляют обширную группу литейных алюминиевых сплавов. Они относятся к самозакаливающимся высокопрочным алюминиевым литейным сплавам и применяются для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах и давлениях. Оптимальные свойства таких сплавов достигаются в результате закалки и искусственного старения.

Сплав АК7Ц9 (АЛ11) называется цинковистым силумином и по своим литейным свойствам не уступает обычным. Сплавы АК7Ц9 (АЛ11) и АЦ4Мг (АЛ24) способны самозакаливаться и упрочняются в процессе охлаждения при заливке в формы (особенно металлические) и последующего естественного старения. Интенсивность старения зависит от содержания в сплаве цинка и магния (медь оказывает меньшее влияние). При повышении температуры нагрева скорость старения цинковистого силумина АК7Ц9 (АЛ11) возрастает. Коррозионная стойкость АК7Ц9 (АЛ11) ниже, чем обычных силуминов, а обрабатываемость резанием лучше. Он хорошо сваривается без потери прочности подваренных мест. Хорошие технологические свойства и способность сохранять прочность, твердость и сопротивление к воздействию знакопеременных нагрузок после разной длительности нагревов до температур 300…350 °С позволяет применять цинковистый силумин в моторостроении, автомобилестроении и других отраслях промышленности.

Сплав АЦ4Мг (АЛ24) имеет наряду с высокой прочностью и коррозионной стойкостью, удовлетворительные литейные свойства, удовлетворительную свариваемость, хорошую обрабатываемость резанием, хорошо полируется. Этот сплав рекомендуется применять для литья в песчаные, оболочковые формы, по выплавляемым моделям свариваемых деталей, работающих при температуре до 150 °С.

К этой группе также относится сплав системы Al-Zn-Mg-Cu ВАЛ12, являющийся наиболее прочным литейным алюминиевым сплавом, не имеющим аналогов в отечественной и зарубежной практике. Высокая прочность сплава достигается оптимальным соотношением макролегирующего комплекса в виде цинка, магния, меди, которые образуют при гомогенизации и закалки предельно легированный твердый раствор. Затем при искусственном старении из пересыщенного твердого раствора выделяются субдисперсные сферические частицы упрочняющих фаз MgZn₂, Al₂ MgZn₃, Al₂CuMg c большой плотностью. Важнейшим условием формирования оптимальной структуры отливок из сплава ВАЛ12 является технология литья, обеспечивающая высокую скорость кристаллизации. Высокая скорость кристаллизации позволяет получать отливки с максимальными механическими свойствами, включая характеристики надежности и долговечности. Поэтому отливки из этого сплава обычно получают под давлением или жидкой штамовкой, можно получать литьем в кокиль. Благодаря высоким механическим свойствам сплав ВАЛ12 может успешно конкурировать не только с деформируемыми алюминиевыми сплавами, но и с малолегированными сталями, бронзами, латунями, что открывает новые возможности в производстве конструкционно-надежных отливок.

Деформируемые сплавы алюминия [ГОСТ 4784 - 90].

Деформируемые сплавы cодержат меньше, чем литейные, легирующих элементов, находящихся в твердом растворе. Деформируемые алюминиевые сплавы по объему производства составляют около 80 %, поскольку они имеют большее применение. Например, в самолетах деформируемые сплавы составляют более 60…70 % массы планера, а литейные – 3…5 %.

В зависимости от назначения деформируемые сплавы алюминия разделяются на сплавы высокой, средней и пониженной прочности, жаропрочные, криогенные, ковочные, заклепочные, свариваемые, со специальными свойствами, декоративные.

Деформируемые сплавы делятся на упрочняемые и не упрочняемые термиче­ской обработкой.

К термически не упрочняемым сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (Аl - Мn) – cплавы типа АМц и с магнием (Аl - Мg) — магналии (АМг2, АМгЗ, АМг6 и др.). Сплавы эти обла­дают средней прочностью, хорошей пластичностью и сва­риваемостью, а также высокой коррозионной стойкостью. Эти сплавы могут упрочняться нагартовкой, т. е. пластическим деформированием.

Они применяются в судо- и авиастроении, в производст­ве сварных емкостей, холодильников и т. д.

Механические свойства сплавов АМц следующие: σ_в= 130 МПа (в отожженном состоянии) и 220 МПа (в нагартованном); δ= 23 и 5% соответственно.

Сплав Амг6 в отожженном состоянии имеет σ_в= 340 МПа, δ= 18 %, а в нагартованном—σ_в= 400 МПа, δ = 10%.

К термически упрочняемым относят следующие алю­миниевые сплавы:

• на основе системы А1—Сu—Мg (дуралюмины Д1, Д16 и др.; σ_в = 410...540 МПа, δ= 11...15 %);

• на основе А1—Сu—Мg—Si; (авиали типа АВ;σ_в= 220 МПа, δ= 22 %);

• на основе А1—Сu—Мg—Zn - (высокопрочные сплавы В95, В96; σ_в= 550...700 МПа, δ= 7...8 %);

• на основе А1—Мg—Ni—Si - (жаропрочные сплавы АК4-1, Д20; (σ_в= 430 МПа, δ= 12 %);

• на основе А1—Сu—Мg—Мn (ковочные сплавы АК-6,

АК-8; σ_в= 480 МПа, δ = 10 %) и др.

Наибольшую известность получили дуралюмины.

Они представляет собой сплав алюминия с медью (до 5 %), марганцем (до 1,8 %) и магнием (до 0,9 %). Маркируется буквой Д и цифрой, показывающей порядковый номер (Д1, Д16 и др.). Термическая обработка дуралюминов заключается в закалке при температуре 500°С с охлаждением в воде и последующим естественным или искусственным старением.

В результате такой обработки прочность повышается в два раза (с 200…240 МПа до 450…500 МПа), а пластичность практически не меняется. Достоинством дюралюминия является высокая удельная прочность (отношение преде­ла прочности к плотности), что особенно важно в самолетостроении, Дюралюминий выпускается в виде листов и прутков.

Для рассмотрения превращений в алюминиевых сплавах и происходящих структурных изменений следует обра­титься к диаграмме состояния системы алюминии — медь (рис. 6.3).

Как видно из рисунка, максимальная растворимость меди в алюминии в твердом состоянии составляет 5,7 % при температуре 548 °С. С понижением температуры растворимость уменьшается и при комнатной температуре становится равной 0,2...0,5 %. Это указывает на то, что сплавы, ограниченные линией АВ, могут тер­мически обрабатываться и упрочняться. Упрочнение происходит за счет распада термодинамически неустойчивого перенасыщенного α-твердого раствора меди в алюминии. Путем диффузии внутри зерен α-твердого раствора образуются упрочненные участки, обогащенные медью (зоны Гинье—Престона).

Кроме того, в сплаве возникают дисперсные частицы избыточной упрочняющей фазы СuА1₂. Этот процесс называют старением. На рис. 6.4 представлены микроструктуры дуралюмина Д16 в разных состояниях.

Рис.6.4. Микроструктура дуралюминия Д16 (х300): а – литой сплав

(α -раствор, CuAl₂, Al₂MgCu-фаза S); б – деформируемый сплав после закалки (пересыщенный α -раствор); в – сплав после закалки и старения

Различают старение искусственное (выдержка при определен-ной температуре в течение нескольких часов) и естественное (выдержка в течение нескольких суток при комнатной температуре).

В последнее время получили распространение гранулированные и порошковые алюминиевые сплавы. Гранулирование производится распылением расплава; при этом получаются частицы сферической или овальной формы—гранулы. Скорость охлаждения зависит от толщины частиц, которая может меняться от де­сятых долей до сотен микрометров. Достигнуты скорости охлаждения 10⁵…10⁸ С/с. В гранулируемых алюминиевых сплавах повышаются как -, так и физические свойства. Гранулы брикетируют, а затем подвергают пластическому деформированию.

Методами порошковой металлургии изготавливают спеченные алюминиевые порошки (САП) и спеченные алюминиевые сплавы (САС). Первые состоят из порошка алюминия и дисперсных частиц Аl₂О₃, которые повышают прочность сплава и снижают его пластичность. Сплавы обладают высокой жаропрочностью до 500 °С. Содержание Аl₂О₃ в САПах колеблется от 6 до 22 %.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС-1, САС-2 и др.) относятся к сплавам системы А1—Si—Ni. Исполь­зуются они в основном в приборостроении как материа­лы с низким коэффициентом линейного расширения. САСы в врвде порошков получают пульверизацией жид­ких сплавов при высоких скоростях охлаждения. В струк­туре САС содержатся мелкие включения кремния и ин­терметаллиды. Механические свойства этих сплавов оп­ределяются формой и размерами частиц (σ_в= 230... ...400 МПа, δ= 0,5...4 %).

Высокопрочные сплавы алюминия содержат кроме меди и магния дополнительно цинк (до 10 % ). Эти сплавы маркируются буквой В (В95, В96). Подвергаются термообработке, аналогичной термообработке дю­ралюминия, но старение используется только искусственное, заключающимся в выдержке при температуре 120…140 °С в те­чение 16…24 ч. В результате предел прочности доходит до 600…700 МПа.

Ковочные сплавы алюминия предназначены для производства деталей ковкой и штамповкой. Маркируются буквами АК и числом, показывающим порядковый номер. По химическому составу близки к дюралюминию (сплав АК1 совпадает по составу с Д1), иногда от­личаясь более высоким содержанием кремния (АК6, АК8). Подвер­гаются аналогичной термообработке.

Малая плотность и высокая удельная прочность обусловили ши­рокое применение алюминиевых сплавов в самолетостроении. Они составляют до 75 % массы пассажирских самолетов. Из дюралюминия изготовляются обшивки, каркасы, из высокопрочных сплавов — тя­желонагруженные детали, из ковочных — кованые и штампованные детали (например, лопасти винта).