Материаловедение

ЛЕКЦИЯ 3.

Вопрос 1. Область применения и особенности алюминиевых сплавов.

Алюминий — металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 660 °С, имеет ГЦК решётку, относится к лёгким металлам. Характерными свойствами алюминия являются высокая пластичность, сравнительно малая прочность, высокие теплопроводность, электропроводность, стойкость против окисления. Маркируется алюминий по степени чистоты, например, А99, где 99 — степень чистоты (99,99 %).

Маркировка алюминиевых сплавов включает в себя буквенное обозначение вида сплава (Д — дуралюмины, В или АВ — высокопрочный сплав, АК — ковочный сплав, АЛ — литейный сплав), порядковый номер сплава и буквенное обозначение состояния поставки (М — мягкий, Т — термически обработанный, Н — нагартованный¹, П — полунагартованный). Легирующие компоненты обозначаются буквами (одной или двумя) его русского названия (А — алюминий, Ж — железо, К — кремний, Мц — марганец, Н — никель, О — олово, С — свинец и др.). Кроме буквенно-цифровой маркировки введена четырехцифровая маркировка, например 1420, 1915, 1401. Первая цифра означает основу сплава. Для алюминия принята цифра 1. Вторая цифра характеризует главный легирующий элемент. Третья цифра или третья со второй соответствуют старой маркировке. Четвертая цифра нечётная (включая 0) указывает, что сплав деформированный, чётная — литейный. Четвертой цифрой 9 маркируют металлокерамические сплавы типа САП, а 1 — проволочные сплавы.

Т а б л и ц а 3.1 — Примеры старой и новой маркировки некоторых отечественных сплавов и их американских аналогов

Старая марка	Д16	Д16П	Д16оч	Д19	Д19П	В95	АМц	AMгl	АМг 2	АМг4	АК41
Новая марка	1160	1161	1163	1190	1191	1950	1400	1510	1520	1550	1141
Американская марка	2024	—	—	—	—	7075, Х7080	3003	5500 5050 5405	5052 5454 5252	5056 5456	2618

Алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые, литейные и спечённые. Основными из них являются:

1. Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, сплавы Al-Мn и Al-Mg. Цифра в конце марки означает среднее содержание растворенного элемента, например, АМг2 (около 2% Mg). Упрочняют эти сплавы холодной пластической деформацией. Микроструктура сплавов, содержащих 2% Mg и более, в равновесном (отожжённом) состоянии имеет двухфазный характер и состоит из твёрдого раствора (-фазы) и включений химического соединения Al₃Mg₂ (-фазы). Сплавы этой группы легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью. Применяют их для изготовления сварных и клёпаных конструкций. Для средненагруженных деталей и конструкций применяют сплавы АМг5 и Амг6.

2. Дюралюминий (дуралюмин) и другие деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Дюралюминием называют сплав Al-Сu-Mg-Mn. Прочность дюралюминия после термической обработки, состоящей из закалки и старения, увеличивается более чем в 2 раза. Основными упрочняющими фазами в дуралюминах являются химические соединения CuA1₂ и CuAl₂Mg. Температура нагрева под закалку (обычно проводимую в воде) для сплава Д16 составляет 485–505 °С. Критический диаметр прокаливаемости дуралюмина составляет 120–150 мм. Старение дуралюмина может быть как естественным (несколько суток), так и искусственным (10–20 ч при температуре 150–200 °С).

3. Алюминиевые ковочные сплавы — многокомпонентные сплавы А1-Сu-Si-Mn-Mg. Обычно эти сплавы подвергают закалке и естественному старению.

4. Литейные алюминиевые сплавы — в основном это сплавы Al-Si (силумины), Al-Сu, Al-Mg, иногда с дополнительными элементами (Be, Ti). Для измельчения микроструктуры и соответствующего повышения свойств силумины модифицируют (добавками Ti, B, солей Na и др.).

5. Спечённые — САП1, САП2, САП3. САП — спечённый алюминиевый порошок.

Отливки из алюминиевых сплавов как правило подвергают одному из следующих видов термической обработки:

- искусственное старение (условное обозначение Т1) при температуре (175±5) °С в течение 5–20 ч без предварительной закалки (т.е. при самозакалке в литейной форме). Старение повышает прочность и улучшает обработку резанием;

- отжиг (Т2) при 300 °С (5–10 ч) с охлаждением на воздухе, применяемый для снятия литейных напряжений и остаточных напряжений, вызванных механической обработкой;

- закалка с температуры 510–545 °С и естественное старение (ТЗ, Т4);

- закалка и кратковременное (2–3 ч) искусственное старение при температуре 150–175 °С (Т5). Процесс старения полностью не заканчивается, поэтому отливки приобретают высокую прочность при сохранении повышенной пластичности;

- закалка и полное искусственное старение при температуре 200 °С, 3–5 ч на наибольшую прочность (Т6);

- закалка и стабилизирующий отпуск при температуре 230–250 °С, 3–10 ч (Т7);

- закалка и смягчающий отпуск при температуре 240–260 °С, 3–5 ч (Т8).

Кроме приведенных букв, отражающих в маркировке алюминиевых сплавов особенности термической обработки, технологии изготовления и состава полуфабрикатов используются и другие обозначения: М — отожжённый (мягкий); Т — закаленный и естественно состаренный; Н — нагартованный; H1 — усиленно нагартованный (со степенью нагартовки листа 20%); П — сплав изготовляется только в виде проволоки (Д1611); буквы А, Б, У характеризуют толщину плакированного² слоя (А — нормальная толщина; У — утолщённая плакировка; Б — технологическая плакировка).

Сплавы АМг применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, от которых требуется высокая коррозионная стойкость — сварные топливные баки, бензо- и маслопроводы, кузовные элементы.

Дуралюмины используются для изготовления кузов автомобилей (Д1, Д16), деталей, работающих при нагреве до 200–250 °С (Д19, ВД17).

Ковочные алюминиевые сплавы с пониженным содержанием Cu (АК6) применяются для изготовления средненагруженных деталей, а с повышенным (АК8) — для высоконагруженных деталей несложной формы (пояса лонжеронов, рамы).

Высокопрочные сплавы (системы А1-Zn-Mg-Сu, цифра 9 в обозначении этой группы сплавов обозначает данную систему) применяются для высоконагруженных конструкций, работающих в основном в условиях напряжений сжатия. Следует иметь в виду, что данные сплавы, отличаясь высоким временным сопротивлением, не являются жаропрочными. Максимальная рабочая температура изделий из них не может превышать 100–150 °С.

Алюминиевые конструкционные литейные сплавы подразделяются на:

1) герметичные — силумины АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ34. Предназначены для изготовления герметичных ёмкостей (АЛ2), корпусов компрессоров, картеров двигателей внутреннего сгорания (легированные силумины АЛ4, АЛ9), крупных корпусных деталей (АЛ34), блоков цилиндров (АЛ32);

2) жаропрочные — системы Al-Si-Cu-Mg (АЛ33), Al-Cu-Mn (АЛ19), обладают высокой жаропрочностью до 250–350 °С и используются для изготовления ответственных деталей, работающих в условиях повышенных статических и ударных нагрузок при высоких температурах;

3) коррозионно-стойкие — системы Аl-Mg (АЛ8, АЛ27) и Al-Mg-Zn (АЛ24), сплавы применяются для изготовления силовых деталей, работающих в различных климатических условиях в т.ч. при воздействии морской среды и тумана. Рабочие температуры для АЛ8 и АЛ27 не должны превышать 60 °С, а для АЛ24 — 150 °С.