6. Титан и сплавы на его основе. Термическая обработка титановых сплавов

Титан – металл серебристо-белого цвета, температура плавления 1665±5^о С. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882^о С существует: α-титан, который кристаллизуется в г.п.у. решетку, а при более высоких температурах – β-титан, имеющий о.ц.к решетку. Технический титан (ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-1), имеет σ_в = 300-500 Мпа и δ = 20-30%. Чем больше примесей, тем выше прочность и ниже пластичность.

Для получения сплава титан легируют Al, Mo, V, Mn, Cr, Sn, Fe, Zr, Nb. Титан легируют для улучшения механических свойств, реже для повышения коррозийной стойкости. Легирующие элементы оказывают большое влияние на температуры полиморфного превращения и расширяют α-область – их называбт α-стабилизаторами. Некоторые элементы этой группы образуют с титаном химические соединения Mo, V, Mn, Cr, Fe, понижают температуру полиморфного превращения и расширяют область существования β-фазы – их называют β-стабилизаторами. При легировании титана Mn, Cr, Fe, Si и некоторыми другими элементами образуются химические соединения; в таких сплавах протекает эвтектоидное превращение β → α + Ti_xM_y. Образование эвтектоида охрупчивает сплав. Как правило, все промышленные сплавы титана содержат алюминий. Алюминий повышает временное сопротивление, но уменьшает пластичность сплавов.

Титановые сплавы в зависимости от их состава и назначения можно подвергать отжигу, закалке, старению и химико-термической обработке (азотирование, цементация и т.п.). Титан и α-сплавы титана не упрочняются термической обработкой, их подвергают только рекристаллизационному отжигу. Такая обработка обеспечивает более высокую пластичность и наибольшую термическую стабильность структуры.

Для некоторых α+β-сплавов применяют упрочняющий двойной отжиг, который отличается от изотермического тем, что после нагрева до температуры отжига следует охлаждение на воздухе и новый нагрев до 550-650^о С. Такая обработка вызывает повышение прочности при некотором снижении пластичности.

Для снятия внутренних напряжений, возникающих при механической обработке α- и α+β-сплавов, применяют неполный отжиг при 500-600^о С.

α+β-сплавы в отличии от α-сплавов могут быть упрочнены закалкой с последующим старением.

7. Алюминий и сплавы на его основе. Термическая обработка алюминиевых сплавов

Алюминий – металл серо-белого цвета, температура плавления 660^о С. Алюминий обладает высокой электропроводностью, составляющей 65 % от электропроводности меди. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты А999 (99.999% Al), высокой чистоты А995-А95 и технической чистоты А85-А0. Механические свойства отоженного алюминия высокой чистоты σ_в = 50 МПа и δ = 50%.

Все сплавы алюминия можно разделить на две группы: деформируемые и литейные. Деформируемые предназначенные для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков и т.п.), а также поковок и штамповок путем прокатки, прессования, ковки и т.д. Деформируемые сплавы, по способности упрочняться термической обработкой, делят на сплавы: не упрчняемые термической обработкой и упрочняемые термической обработкой;

Литейные сплавы предназначенные для фасонного литья. Наибольшее распространение получили сплавы Al-Mn, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si, а также Al-Zn-Mg-Cu.

В зависимости от характера отливок и условий ее работы используется один из следующих видов термической обработки:

1. Искусственное старение (условное обозначение Т1), чаще при 175±5^о С в течении 5-20 ч., без предварительной закалки.

2. Отжиг (Т2) при 300^о С в течении 5-10 ч., в зависимости от назначения отливки. Отжиг применяют для снятия литейных напряжений, а также остаточных напряжений, вызванных механической обработкой. Этот отжиг несколько повышает пластичнсоть.

3. Закалка и естественное старение (Т3, Т4). Температура закалки 510-520 ^о С. Закалку проводят в горячей воде (40-100^о С). Так как после закалки отливки выдерживают достаточно длительное время при комнатной температуре, режим (Т1) практически соответствует закалке и естественному старению.

4. Закалка и кратковременное (2-3 ч.) искусственное старение обычно при 175^о С. При данной температуре и продолжительности процесс старения полностью не заканчивается. После такой обработки отливки приобретают высокую прочность при сохранении повышенной пластичности.

5. Закалка и полное искусственное старение (Т6); чаще проводят при 200^о С, 2-5 ч. Старение повышенной температуре и более длительной выдержке по сравнению с режимом Т5 придает наибольшую прочность, но пластичность снижается.

6. Закалка и стабилизирующее старение (Т7) при температуре 230^о С (для сплавов АЛ6, АЛ1 и др.) и при 250^о С (для сплава АЛ19) в течение 3-10 ч. Этот вид обработки используют для стабилизации структуры и объемных изменений отливки, при сохранении достаточной прочности.

7. Закалка и смягчающее старение (Т8) при 240-260^о С в течение 3-5 ч. Высокая температура старения заметно снижает прочность, но повышает пластичность и стабильность размеров.

Сплавы алюминия с кремнием известны под названием силумины. Микроструктура силуминов различного состава приведена в атласе, где на фоне игольчатой эвтектики α+Si видны кристаллы первичных выделений α-твердого раствора или β(Si) в зависимости от положения сплавов относительно эвтектического состава. Силумины с грубоигольчатой эвтектикой вследствие большой хрупкости кремния характеризуются невысокими механическими свойствами (σ_β=130-140 Мпа, δ=1-2 %) и пониженными литейными и коррозионными свойствами.

Для улучшения структуры силуминов и повышения механических и технологических свойств их перед отливкой подвергают обработке смесью фтористых и хлористых солей натрия.

Сплавы алюминия с медью (АЛ7, АЛ12) в отличие от силуминов или вовсе не содержат в своем составе эвтектики, или имеют небольшое количество эвтектической составляющей.

Сплав АЛ 7 в литом виде находится в однофазном состояния, однако в его структуре в некотором количестве появляется эвтектика α+CuAl₂, образующаяся вследствие неравновесной кристаллизации.

Кроме этого появляются включения фазы CuAl₂, вследствие распада α-твердого раствора. Повышенное содержание меди приводит к увеличению эвтектики в сплаве. Сплава с 12% Cu (АЛ 12) в настоящее время практически не применяется.

Сплавы алюминия с магнием – наиболее прочные среди литейных алюминиевых сплавов. Они имеют высокую коррозионную стойкость и наименьший удельный вес по сравнению с другими алюминиевыми сплавами. Однако по своим литейным свойствам алюминиево-магниевые сплавы значительно уступают силуминам. Вследствие малого количества эвтектики и большого интервала кристаллизации эти сплавы имеют меньшую жидкотекучесть и склонны к образованию усадочной рыхлоты.

Дуралюмины. Дуралюминами называют сплавы Al-Cu-Mg, в которые дополнительно вводят марганец (табл. 20). Типичным дуралюмином является сплав Д1, однако вследствие сравнительно низких механических свойств производство его заметно сокращается; сплав Д1 для листов и профилей заменяется сплавом Д16. Упрочнение дуралюмина при термической обработке достигается в результате образования зон ГП сложного состава или метастабильных фаз S’ и О. Марганец, хотя и не входит в состав упрочняющих фаз, но его присутствие в сплавах полезно. Он повышает стойкость дуралюмина против коррозии, а присутствуя в виде дисперсных частиц фазы Т(Al₁₂Mn₂Cu), повышает температуру рекристаллизации и улучшает механические свойства дуралюмина. В качестве примесей в дуралюмине имеются железо и кремний. Железо, образуя соединение (Mn,Fe,Al₆), кристаллизующееся в виде грубых пластин, понижает прочность и пластичность дуралюмина. Кроме того, железо образует соединение Al₇Cu₂Fe нерастворимое в алюминии. Связывая медь в этом соединении, железо снижает эффект упрочнения при старении. Поэтому содержание железа не должно превышать 0,5-0,7 %.

Сплавы авиаль (АВ). Эти сплавы уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях, хорошо свариваются и сопротивляются коррозии. Авиаль обладает высоким пределом выносливости. Упрочняющей фазой в авиале является соединение Mg₂Si.

Авиаль закаливают с 515-525⁰С с охлаждением в воде, а затем подвергают естественному старению (АВТ) или искусственному при 160⁰С, 12ч (АВТ1).

Искусственное старение надо выполнять сразу после закалки и началом искусственного старения прочность сплава после старения уменьшается.

Высокопрочные алюминиевые сплавы. Эти сплав относятся к системе Al-Zn-Mg-Cu. В настоящее время известно несколько промышленных композиций сплавов: В93, В94, В96, В65-1, В92. В искусственно состаренном состоянии сплавы обладают большей прочностью, чем сплавы типа дуралюминий (В95: σ_β=600 МПа, В96: 700 МПа). В отличие от дуралюмина жаропрочные сплавы в естественно состаренном состоянии менее стойки против коррозии, чем после искусственного старения.