7.2. Алюминиевые сплавы

7.2.1. Классификация алюминиевых сплавов

Технический алюминий в качестве конструкционного материала применяется для изготовления слабонагруженных деталей, когда главную роль играют малая плотность, высокая пластичность, коррозионная стойкость, удовлетворительная свариваемость. Высокая электропровод­ность алюминия в сочетании с малой плотностью дают возможность его широкого использования в электротехнике в качестве материала для проводников. Благодаря высокой теплопроводности из технического алюминия изготавливаются теплообменники в холодильных установках. Высокая отражательная способность содействует его широкому применению при изготовлении рефлекторов, зеркал, экранов. Коррозионная стойкость позволяет широко применять алюминий в строительстве, пищевой промышленности, химическом машиностроении.

Наибольшее количество алюминия расходуется для производства сплавов на его основе, которые благодаря малой плотности и высокой прочности дают возможность значительно снижать массу изделий.

Д

Рис. 74. Схема диаграммы состояния сплавов на основе алюминия

ля получения сплавов с различными свойствами алюминий легируют другими компонентами. Наиболее часто для этих целей используются медь, марганец, магний, цинк, кремний и др. Благодаря этому в промышленности в настоящее время используется более пятидесяти марок сплавов, диаграммы состояния которых подобны диаграмме, схема которой представлена на рис. 74.

В зависимости от способа получения полуфабрикатов и изделий алюминиевые сплавы можно разделить на три группы: деформируемые, литейные и порошковые (рис. 75).

Рис. 75. Классификация алюминиевых сплавов

Маркируются алюминиевые сплавы следующим образом. Буква А в начале марки обозначает технический алюминий, а буква Д – дюралюмины (сплавы системы Al–Cu–Mg). Буквы АМц и АМг показывают, что сплавы относятся к группам, в которых основными легирующими элементами являются марганец и магний соответственно. Буквы АК, стоящие в начале обозначения, присвоены ковким алюминиевым сплавам, В – высокопрочным сплавам. Литейные сплавы обозначаются индексом АЛ. После букв проставляется условный номер сплава. Часто за условным номером следуют обозначения, характеризующие состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный закалкой и старением; Н – нагартованый; П – полунагартованный и др. Например, сплав АМг5Н – алюминиевый сплав системы Al–Mg , условный номер 5, с сильным наклепом (нагартованный). Из деформируемых алюминиевых сплавов изготавливаются полуфабрикаты и готовые изделия методами обработки давлением (прокаткой, прессованием, ковкой, штамповкой и др.). Такие сплавы должны иметь однородную структуру, высокую пластичность.

Литейные сплавы предназначаются для фасонного литья. Они должны обладать высокой жидкотекучестью, малой склонностью к образованию горячих трещин, способностью заполнять литейные формы сложной конфигурации.

Порошковые алюминиевые сплавы: САПы (спеченные алюминиевые порошки) и САСы (спеченные алюминиевые сплавы) изготавливаются методами порошковой металлургии с последующей обработкой давлением. Поэтому порошковые алюминиевые сплавы в общем случае можно рассматривать как разновидность деформируемых.

Деформируемые и литейные сплавы подразделяются на термически упрочняемые и термически неупрочняемые. Термическое упрочнение может осуществляться закалкой с последующим естественным и искусственным старением.

Кроме того, все применяемые в промышленности и на транспорте алюминиевые сплавы можно сгруппировать по системам, в которых определенные легирующие элементы формируют необходимые физико-химические и эксплуатационные свойства. Помимо основных элементов, в сплавы одной системы могут входить различные добавки других элементов, которые сообщают сплаву какие-то новые свойства, но не изменяют их основной природы.

Принадлежность алюминиевого сплава к той или иной группе определяется характером взаимодействия алюминия и легирующих элементов, т. е. типом диаграммы состояния. Часть легирующих элементов (медь, кремний, магний, цинк) очень сильно изменяют свойства алюминия. Другие (никель, марганец, хром) – улучшают свойства только при наличии основных легирующих компонентов. Некоторые элементы (натрий, бериллий, титан, ниобий) используются в качестве модифицирующих добавок.

Большинство легирующих элементов образуют с алюминием ограниченные твердые растворы, в которых растворимость элемента с понижением температуры уменьшается, в результате чего выделяются избыточные вторичные кристаллы. Так, в системе Al–Si избыточной фазой являются кристаллы кремния, в системе Al–Cu – химическое соединение CuAl₂, в системе Al–Mg – соединение Mg₂Al₃. В многокомпонентных сплавах могут образовываться тройные или четверные соединения (например, CuMgAl₂ , AlCuMgSi), растворимость которых в алюминии ограничена и с понижением температуры понижается.

Рассмотрим структурные составляющие алюминиевых сплавов, схема диаграммы состояния которых приведена на рис. 74. Те из них, которые имеют суммарное количество легирующих элементов меньше количества, соответствующего точке N, в твердом состоянии будут однофазными, то есть представляют собой твердый раствор . Такие сплавы пластичны, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях. В связи с тем, что в них не происходит никаких фазовых превращений, упрочнить такие сплавы термической обработкой не представляется возможным.

При содержании в сплавах легирующих элементов больше концентрации, соответствующей точке N, при охлаждении выделяются избыточные фазы в виде вторичных кристаллов. Их состав и структура определяются составом сплава в целом. Избыточные фазы всегда упрочняют сплав, делают его более твердым и прочным, но понижают пластичность.

В сплавах, лежащих правее точки М имеется равновесная эвтектика, которая не устраняется никакой термической обработкой. В результате этого существенно снижается способность к пластической деформации, но возрастают литейные свойства.

Итак, все сплавы, имеющие концентрацию легирующих элементов меньше концентрации, соответствующей точке m, относятся к деформируемым, а сплавы с большей концентрацией – к литейным.

Все алюминиевые сплавы (как деформируемые, так и литейные) классифицируются по свойствам: с повышенной пластичностью, высокопрочные, жаропрочные, коррозионно-стойкие и др. (см. рис. 75).