Методичні пояснення

Сплави на основі кольорових металів (мідь, алюміній, магній, титан та інші) мають кращі механічні властивості, ніж чисті метали, тому вони знайшли широке застосування у промисловості.

Загальна характеристика алюмінію і сплавів на його основі.

Алюміній – метал сріблясто-білого кольору з температурою плавлення t^о=660^оС.

У відпаленому стані він має велику пластичність =3545%, міцність =78-98 МПа, твердість НВ25, високу корозійну стійкість, високі тепло- і електропровідність (65% від електропровідності міді), добру зварюваність. Холодне пластичне деформування підвищує міцність алюмінію =150 МПа, але при цьому зменшується пластичність =6%. Алюміній легко обробляється тиском, але обробка різання утруднена.

Застосовують технічний алюміній для елементів конструкцій і деталей, які не навантажені, тонких листів, дроту, фольги, хімічної і харчової апаратури, посуду, речей домашнього вжитку, а також для покриття інших металів.

Основну масу алюмінію, що виробляється, використовують для виготовлення сплавів.

Алюмінієві сплави мають суттєві переваги перед іншими сплавами – малу питому вагу, високі тепло- та електропровідності, високий опір корозії у атмосфері та інших середовищах, задовільні механічні та зворотні властивості. Виготовлення із них різних виробів методами лиття, тиском не викликає труднощів.

За технологічними властивостями сплави алюмінію поділяються на деформівні та ливарні.

Деформівні алюмінієві сплави. У свою чергу поділяються на зміцнювані і незміцнювані термічною обробкою.

До сплавів, які зміцнюють ТО належать дюралюміни, високоміцні, ковочні.

Дюралюмінами називають сплави алюмінію з міддю (2,25-5,2%), магнієм (0,2-1,8%) та манганом (0,1-1%). Вони мають достатньо високу міцність, пластичність та поділяються на 3 групи: нормальні дюралюміни, дюралюміни підвищеної пластичності, дюралюміни підвищеної міцності.

Термічна обробка дюралюмінів полягає у гартуванні до температури t^о=495-510^оС. Нагрівання до більш високих температур призводить до перепаду, тобто окислення і часткове оплавлення металу по межі зерен, що знижує міцність. Гартування дюралюмінів проводять у холодній воді. Після гартування дюралюміни піддають природному старінню при кімнатній температурі протягом 5-7 діб, або штучному старінню – нагріванням до температури t^о=100-150^оС. Зниження температури гальмує процес старіння, а підвищення – прискорює швидкість процесу старіння, але знижує пластичність та опір корозії.

Після гартування у дюралюмінію створюється структура перенасиченого -твердого розчину на основі алюмінію. Тому після загартування дюралюміни мають малу міцність, але високу пластичність, яка сприяє значному деформуванню при обробці тиском. Маркують сплави літерою Д (дюралюмін) і цифрою, яка є умовним номером сплаву. У таблиці 1 приведені марки, хімічний склад і механічні властивості дюралюмінів, які використовують у промисловості.

Таблиця 1

Марка	Хімічний склад						Механічні властивості, МПа
	Cu	Mn	Mg	Fe	Si	Al	мц	02	%	НВ	Е
Д1	3,8-4,8	0,4-0,8	0,4-0,8	≤1,0	≤1,0	решта	420	240	15	100	7200	загартов. старін.
							210	110	18	45	7200	відпалення
Д6	4,6-5,2	0,65-1,2	0,65-1,0	≤1,0	≤1,0	решта	460	300	15	105	7200	загартов. старін.
							220	110	15	48	7200	відпалення
Д7	3,0-4,0	0,25-0,5	0,25-0,5	≤0,8	≤0,8	решта	350	200	20	-	7200	загартов. старін.
							250	-	8	-	-	відпалення
Д16	3,6-4,7	1,25-1,75	1,25-1,75	≤0,8	≤0,8	решта	420	280	18	105	7200	загартов. старін.
							180	100	18	42	7200	відпалення
Д17	3,5-4,5	0,4-0,8	0,4-0,8	≤1,0	≤1,0	решта	420	240	18	100	7200	загартов. старін.
							210	110	18	45	7200	відпалення

Сплав Д1 належить до категорії сплавів середньої міцності і пластичності і застосовується для виготовлення силових елементів конструкцій металів, деталей каркасів, стрингерів, лонжеронів, лопаток повітряних гвинтів.

Сплав Д17 має підвищену пластичність, краще обробляється холодним штампуванням, пресуванням, волочінням завдяки зменшенню кількості міді. Із цього сплаву виготовляють обшиття літаків, деталей каркасу, лонжеронів та інших силових елементів літаків.

Обробка різанням сплавів Д1 і Д17 після гартування та старіння не викликає труднощів, у відпаленому стані – утруднена.

Сплави марки Д6 мають підвищену кількість міді, магнію та марганцю, тому пластичність цього сплаву не дуже висока, що утруднює процес холодного штампування. Але механічна міцність вище ніж у інших дюралюмінів. Тому цей сплав використовують де потрібні високі механічні властивості. До недоліків сплаву Д6 належить дуже вузький інтервал загартованих температур і небезпека перепалу при невеликих температурах (508-510^оС), а також низька корозійна стійкість. Тому сплав Д6 використовують дуже рідко.

Сплав Д16 вміщує меншу кількість Mn ніж сплав Д6, але більшу кількість Mg. Таке сполучення елементів сприяє підвищеній міцності та кращій пластичності у відпаленому стані. Із сплаву Д16 виготовляють вироби та елементи конструкцій в середньої та підвищеної міцності від яких вимагають довготривалості при змінних навантаженнях, будівельні конструкції, від яких не вимагають високої корозійної стійкості.

Високо міцні алюмінієві сплави окрім міді та магнію вміщують цинк. Міцність цих сплавів більша ніж у дюралюмінів але менша пластичність, менша межа витривалості та опірність повторному статичному навантаженню.

Сплави загартовують при температурі t^о=465-475^оС (з охолодженням у холодній або гарячій воді) і піддають штучному старінню при температурі t^о=135-145^оС, на протязі 16 годин.

Маркують сплави літерою В (високоміцний з цифрою, яка є умовним номером сплаву).

У таблиці № 2 приведені марки, хімічний склад і механічні властивості високоміцних сплавів, які використовують у промисловості.

Таблиця 2

Сплав	Cu	Mg	Mn	Si	інші елементи	%	02, МПа	мц, МПа
В95	1,4-2,0	1,8-2,8	0,2-0,6	0,5	5-7 Zn; 0,1-0,25 Cr	8	550	600
В96	2,2-2,8	2,5-3,2	0,2-0,5	-	7,6-8,6 Zn; 0,1-0,25 Cr	7	630	670

Високоміцні сплави гарно обробляються різанням та точковим зварюванням.

Сплав В-95 використовують для виготовлення навантажених конструкцій, лонжеронів літаків, лопаток, шпангоутів.

Сплав В-96 використовують у вигляді пресованих та кованих виробів для стиснутих зон конструкції або для деталей без концентраторів напружень.

Сплави для кування та штампування поряд з елементами, що містяться у дюралюмінах, до складу цих сплавів входить нікель, та інколи титан.

Кування та штампування сплавів провадить при температурі t^о=450-475^оС. Для підвищення міцності поковки та штамповки піддають гартуванню при температурі t^о=510-530^оС з охолодженням у воді, а потім штучному старінню при температурі 150-160^оС протягом 6-15 годин.

Маркують сплави літерами АК і цифрою, яка є умовним № сплаву.

У табл. 3 приведені марки, хімічний склад і механічні властивості ковочних сплавів, які використовують у промисловості.

Таблиця 3

Марка	Хімічний склад
	Cu	Mg	Mn	Ni	Fe	Si	Cr	Ti	Al
АК1	3,8-4,8	0,4-0,8	0,4-0,8	-	до 0,7	до 0,7	-	-	решта
АК2	3,5-4,5	0,4-0,7	до 0,2	1,8-2,3	0,5-1,0	до 0,8	-	-	решта
АК3	1,4-2,5	0,4-1,0	до 0,2	1,0-1,5	1,1-1,6	0,5-1,2	-	0,05-0,12	решта
АК4	1,9-2,5	0,45-0,8	до 0,2	1,0-1,5	1,1-1,6	0,5-1,2	-	0,05-0,12	решта
АК5	0,2-0,6	0,45-0,8	0,15-0,35	-	до 0,6	0,6-1,2	до 0,2	-	решта
АК6	1,8-2,6	0,4-0,8	0,4-0,8	-	до 0,6	0,6-1,2	до 0,2	-	решта
АК7	3,9-4,9	0,6-1,2	0,6-1,2	-	до 0,7	0,6-1,2	-	-	решта
АК8	3,0-5,0	0,5-1,1	0,5-1,1	-	до 1,0	0,5-1,1	-	-	решта
АК9	0,8-1,2	0,6-1,2	0,6-1,2	-	до 0,5	11-12,5	-	до 0,1	решта

Таблиця 3а

Марка	Механічні властивості
	мц, МПа	%	НВ	ут, МПа
АК1	380	10	90	90
АК2	360	8	90	90
АК3	380	6	100	
АК4	380	4	100	
АК5	300	12	85	60
АК6	360	7	95	90
АК7	350	12	95	90
АК8	460	10	130	90
АК9	320	4	100	80

Сплав АК1 використовують для виготовлення деталей двигунів, лопаток, крильчаток.

Сплав АК2 зберігає свою міцність при підвищених температурах. Тому його використовують для виготовлення поршнів та інших деталей, які працюють при підвищених температурах.

Сплави АК3 та АК4 використовують при виготовленні деталей, які працюють при нормальній температурі – шатуни, гвинти для літаків, картери двигунів.

Сплав АК4 також як і сплав АК2 має високу міцність при підвищених температурах, але меншу схильність до ліквації, більшу жаростійкість при температурах до 350^о, менше зношення при експлуатації.

Сплав АК5 має достатньо високу міцність у сполученні з високою пластичністю. Тому його використовують для кування та штампування складних фасонних деталей-картера, зіркоподібних двигунів та іншого.

Сплав АК6 має пластичність з достатньо високою міцністю, тому із нього штампують повітряні гвинти, картери, крильчатки та інші складні деталі.

Сплав АК7 має високу пластичність, що дозволяє обробку у гарячому стані і дозволяє робити процес штампування з малим припуском. Високі пластичні властивості обумовлюються відсутністю магнію. Тому для зміцнення сплаву використовують тільки штучне старіння. Високі пластичні властивості дозволяють використовувати його для виготовлення повітряних гвинтів, крильчаток. До недоліків сплаву АК7 належить велика схильність до ліквації, неоднорідність механічних властивостей, схильність до інтеркристалітної корозії.

Сплав АК8 має обмежене використовування тому, що має низьку пластичність та схильність до інтеркристалітної корозії.

Сплав АК9 має малий коефіцієнт термічного розширення і його використовують для виготовлення поршнів.

Деформовані алюмінієві сплави, які не зміцнюються термічною обробкою мають у своєму складі манган або магній. Для підвищення міцності їх додатково легують ванадієм або титаном разом із берилієм. Ці сплави мають високу пластичність, легко прокатуються, штампуються, гарно зварюються тиском, корозійностійкі. Ці сплави використовують для виготовлення елементів конструкцій, на які діють невеликі навантаження і від яких вимагається високий опір корозії – баки для палива, вітражі, перегородки, двері, віконні рами. Маркують сплави літерами АМц, АМг та цифрами.

У таблиці 4 приведені марки, хімічний склад і механічні властивості деяких деформованих сплавів.

Таблиця 4

Сплав	Cu	Mg	Mn	Si	Ti	%	02, МПа	мц, МПа
АМц			1,0-1,6	0,6		23	50	130
АМг5		4,6-5,8	0,3-0,6		0,02-0,1	18	50	300
АМг6		5,8-6,8	0,5-0,8	0,4	0,02-0,1		30	400

Алюмінієві ливарні сплави крім алюміній вміщують кремній, мідь, цинк. Ці сплави використовують для фасонного лиття і мають високу рідкотекучість, невелику усадку, малу схильність до утворення гарячих тріщин і пористості у сполученні з високими механічними властивостями, опору корозії.

Найбільш відомі ливарні сплави системи Al – Si одержали назву "сілуміни". Маркують сплави літерами АЛ (алюміній ливарний) та цифрами, які є умовним номером сплаву. Сілуміни, крім ливарних властивостей, добре зварюються газовим зварюванням, задовільно обробляються різанням. Добре опираються корозії у вологій атмосфері.

Механічні властивості ливарних сплавів підвищуються термічно обробкою – гартуванням при температурі t^о=510-545^оС та охолодженням у гарячій воді, а потім природному старінню.

Для деталей, які повинні витримувати підвищені навантаження, дію морської води і повітряної атмосфери використовують ливарні сплави, до складу яких входить магній. Після гартування при температурі t^о=430С структура сплаву стає однорідним твердим розчином магнію у алюмінію, що дає високу корозійну стійкість. Ці сплави добре обробляються різанням, зварюванням, але мають знижені ливарні властивості. У розплавленому вигляді сплав легко окислюється. Для зменшення здатності до окислення в нього вводять берилій, а для одержання дрібнозернистості структури – титан.

У таблиці 5 приведені марки, хімічний склад, механічні властивості ливарних сплавів.

Таблиця 5

Сплав	Хімічний склад, %				Механічні властивості
	Cu	Mg	Si	Інші елементи	НВ, МПа	, %	мц, МПа
АЛ1	3,75-4,5	1,25-1,75	-	1,7-2,2 Ni	210	3	600
АЛ2 АЛ24 АЛ20	  3,5-4,5	 1,3-1,4 0,7-1,2	1,2-1,8  1,5-2	7-12 Zn 1,8-2 Mn <0,8 Ti	200	5	600
АЛ2	<0,8		10-13	<0,7 Fe	150	3	500
АЛ4	<0,2	0,17-0,3	9-10,5	<0,5 Fe 0,25-0,5 Mn	160	4	500
АЛ9	<0,2	0,2-0,4	6,5-7,5	<0,6 Fe	180	4	500
АЛ8 АЛ13		9,5-11,5	<0,25	<0,3 Fe	280	8	600
АЛ7 АЛ19	4,0-5,0				230	6	500

Сплав АЛ1 має задовільні ливарні властивості. Тривалий час зберігає механічні властивості при високих температурах t^о=275-320^оС, непогано обробляється різанням, але герметичність та корозійна стійкість низька. Застосовують сплав для виготовлення литих поршнів, головок циліндрів до двигунів повітряного охолодження, які гріються до температури t^о=275^оС.

Сплав АЛ2 застосовують після модифікування для виливок навантажених деталей складної конфігурації (гальмувальні колеса), арматури, обладнання літаків, а також деталей, які працюють у несприятливих атмосферних умовах. Сплав має високі ливарні властивості (температура лиття t^о=680-780^оС), але схильний до шпаристості, тому лиття необхідно проводити у автоклаві. Обробляється різанням та зварюється сплав АЛ2 задовільно.

Сплав АЛ4 застосовують для виготовлення високонавантажених деталей авіаційних двигунів (картери авіаційних двигунів водяного охолодження, циліндрові блоки, блоки головок). Ливарні властивості сплав АЛ4 має задовільні – схильний до утворення шлаку і шпаристості, тому виливки необхідно проводити у автоклаві. Сплав гарно обробляється різанням і має високий опір корозії.

Сплав АЛ5 має у своєму складі Mg, Cu, що підвищує міцність, але знижує пластичність. Після ТО із цього сплаву виготовляють навантажені деталі авіаційних двигунів, картери, блоки головок, сорочки двигунів рідинного охолодження, а без ТО – арматуру. Сплав АЛ5 зберігає високі механічні властивості при температурах до 200 С. Має задовільні корозійні та зварювальні властивості, гарно обробляється різанням.

Сплави АЛ7 і АЛ12, які вміщують Cu. Завдяки великій кількості міді дефіцитні та дорого коштують. Ці сплави мають велику однорідність та щільність, корозійні властивості задовільні, але завдяки ТО їх можливо підвищити. Сплави гарно обробляються тиском, до того ж механічні властивості деталей, які одержують тиском вищі ніж у тих, що одержують литвом. Механічні властивості можна підвищити ТО.

Сплави АЛ8, АЛ13, АЛ22 вміщують у своєму складі Mg, має низьку цільність (майже у 3 рази легше ніж сталь), високі механічні властивості та корозійну стійкість. Їх використовують для виготовлення різного обладнання транспортних машин. ТО обробка покращує механічні властивості цих сплавів.

Спечені алюмінієві сплави САП одержують методом порошкової металургії. Вони складаються з алюмінію діференних часток оксиду алюмінію Al₂O₃, який не розчиняється у алюмінії, рівномірно розподіляється у алюмінієвій матриці. Така будова гальмує рух дислокацій та запобігає повзучості, знижує пластичність, підвищує міцність. У різних марках САПів оксиду алюмінію вміщується від 6 до 22 %, що визначає межу міцності від 300 до 460 МПа, та відносного подовження від 8 до 1,5 %. По жароміцності САПи перевищують усі алюмінієві сплави. САПи також добре обробляються тиском, різанням, задовільно зварюється контактним та аргонно-дуговим зварюванням. Із САПів виготовляють різні напівфабрикатні листи, профілі, штамповні заготовки, труби, фольгу. Цей матеріал використовують для виготовлення деталей, які працюють при температурі 300-500^оС, від яких вимагають високу питому міцність і корозійну стійкість – поршневі штоки, лопатки компресорів, лопасті вентиляторів і турбін, у хімічній на нафтовій промисловості, конденсатори, обмотки трансформаторів.

У таблиці 6 приведені марки, хімічний склад, механічні властивості спечених алюмінієвих порошків.

Таблиця 6

матеріал	Вміст Al2O3	мц, МПа	мц (pg), км	02, МПа	, %	Е, Г Па	Е (pg) 10-3, км
САП-1	6-8	300	11	220	7	67	2.1
САП-2	9-12	350	13	280	5	71	2.6
САП-3	13-17	400	15	320	3	76	2.8
САП-4	18-20	450	17	370	1.5	80	2.9

Спечені алюмінієві сплави САС

Виготовляють з тією ж технологією, що і САП із порошків, які одержують розпилюванням сплавів заданого сплаву. До складу САС1 входить до 25-30 % Si; 5-7% Ni, решта алюмінію. САС застосовують у тих випадках, коли шляхом лиття і обробки тиском важко одержати відповідний вироб. Із САС1 виготовляють деталі приладів, які працюють у парі із сталлю при температурі 20-200 ^оС, коли необхідні поєднання низького коефіцієнту лінійного розширення і малої теплопровідності.

В оптико-хімічних та інших приладах знайшли застосування високоміцні порошкові сплави, системи Al – Zn – Mg – Co (ПВ90, ПВ90Т). Ці сплави мають високі механічні властивості, гарну обробляємість різанням і релаксаційні стійкість. Вироби з цих сплавів піддають ТО – відпал та штучне старіння.