Учебное пособие 800438

Классификация магниевых сплавов

Магниевые сплавы по технологии производства из них полуфабрикатов и изделий разделяют на две основные группы: деформируемые - для производства полуфабрикатов различными методами обработки давлением и литейные - для получения деталей методами фасонного литья.

Деформируемые и литейные магниевые сплавы маркируют соответственно буквами МА и МЛ.

По плотности магниевые сплавы разделяют на легкие и сверхлегкие. К сверхлегким относятся сплавы, легированные литием (МА21, МА18) и к легким - все остальные. Сплавы магния с литием (МА21, МА18) - самые легкие конструкционные металлические материалы.

При классификации по возможным температурам эксплуатации магниевые сплавы подразделяют на следующие группы: сплавы для работы при обычных температурах (сплавы общего назначения); жаропрочные (для длительной эксплуатации при температурах до 200 °С); высокожаропрочные (для длительной эксплуатации при температурах до 250…300 °С); сплавы для криогенных температур.

Магниевые сплавы разделяют также на группы в зависимости от той системы, к которой они относятся по химическому составу. Различают термически упрочняемые и термически неупрочняемые сплавы.

Деформируемые магниевые сплавы

Двойной сплав системы Mg-Mn (МА8) - широко применяемый магниевый сплав. Марганец повышает коррозионную стойкость и свариваемость сплава. Сплав однофазный, термически не упрочняемый, обладает высокой технологической пластичностью. Применяется в виде листов, труб, профилей для деталей обшивки и арматуры бензо- и маслосистем, не склонен к коррозии под напряжением.

131

К наиболее распространенным сплавам системы Mg-А1- -Zn-Мп относится сплав МА2-1 и его разновидность МА2-1пч (повышенной чистоты). Имеет повышенные характеристики прочности и пластичности, высоко технологичен (прокатка, все виды листовой штамповки), хорошо сваривается. Как и сплав МА8, он термически не упрочняется и поставляется в отожженном, полунагартованном или горячекатаном состоянии. Недостаток сплава - склонность к коррозии под напряжением. Резкое снижение в сплаве МА2-1пч содержания наиболее вредных примесей (Fe, Ni, Сu) приводит к повышению пластичности и коррозионной стойкости.

Сплавы системы Mg-Zn-Zr (MA14, MA15, MA19. MA20)

отличаются высокими механическими свойствами из-за упрочняющего действия цинка и модифицирующего действия циркония. Цирконий повышает прочность и коррозионную стойкость магниевых сплавов. Сплавы этой группы дополнительно легируют кадмием и редкоземельными элементами. Редкоземельные элементы, образуя интерметаллиды, повышают жаропрочность сплавов. Сплавы этой группы применяют в горячедеформированном и отожженном состояниях, и в искусственно состаренном состоянии после горячей деформации.

Сплавы системы Mg-РЗМ (МАП, МА12) имеют главным легирующим элементом - неодим и могут дополнительно легироваться марганцем и никелем (МА11), а сплав МА12 — цирконием. Неодим обеспечивает высокую жаропрочность. Механические свойства сплавов МА11 и МА12 могут быть существенно повышены термомеханической обработкой, как НТМО, так и ВТМО.

Прочность сплавов системы Mg-Li уменьшается по мере увеличения содержания лития, но даже β-сплавы (% Li > 10,4 %) отличаются хорошей прочностью, особенно при легировании двойных сплавов Mg-Li добавками других элементов (Al, Zn, Cd, РЗМ). Модуль упругости и предел

132

текучести на сжатие сплавов этой группы (МА18, МА21) выше, чем у других магниевых сплавов.

Сплавы, легированные иттрием, системы Mg-Y-Cd - перспективные. Сплав ИМБ6 технологичен, из него получают все виды деформированных полуфабрикатов, термически упрочняется. Сплав имеет очень высокие прочностные характеристики, особенно после НТМО.

Литейные магниевые сплавы

Химический состав большинства литейных магниевых сплавов близок к составу их деформируемых аналогов, а механические свойства ниже, чем у деформируемых. Механические свойства литейных магниевых сплавов улучшаются при измельчении зерна. Это достигается введением в расплавы перед разливкой различных модификаторов: мела, магнезита, хлорного железа, а также циркония.

Сплавы системы Mg-А1-Zn (МЛ4, МЛ5) отличаются наилучшими литейными свойствами: малая линейная усадка, хорошая жидкотекучесть, малая склонность к образованию рыхлот. Из них изготавливают сложные ответственные отливки. Разновидности этих сплавов МЛ4пч, МЛ5пч (повышенной чистоты), как и деформируемые, приготавливают на чистейшем магнии, что повышает пластичность и коррозионную стойкость. После литья сплавы подвергаются гомогенизационному отжигу.

Сплавы системы Mg-Zn-Zr (МЛ12, МЛ15, МЛ18) имеют хорошие литейные свойства и отличаются более высокими механическими свойствами, чем сплавы предыдущей группы. Кроме того, прочностные характеристики сплавов имеют малую чувствительность к толщине сечения литой детали. Отливки из них отличаются высокой плотностью.

Сплавы системы Mg-РЗМ-Zr (МЛ9, МЛ10, МЛ11, МЛ 19) отличаются высокой жаропрочностью, могут длительно работать при 250 … 350 °С и кратковременно до 400 °С.

133

Сплавы применяются после упрочняющей термообработки.

Применение магниевых сплавов

Магниевые сплавы уменьшают вес конструкций ЛА. Из них изготавливают колеса и вилки шасси, передние кромки крыльев, различные рычаги, корпуса приборов, насосов, коробок передач, фонари и двери кабин, детали планера самолета, а также корпуса ракет, обтекатели топливные и кислородные баки и др. В приборостроении они используются для корпусов и деталей приборов и оптической аппаратуры.

Высокопрочные литейные сплавы применяют для нагруженных деталей самолетов и двигателей (корпусов компрессоров, картеров, ферм шасси, колонок управления и др.).

3.2. Сплавы на основе бериллия

Весьма перспективным конструкционным материалом для авиации, приборостроения, космической и атомной техники является бериллий [6].

Важнейшее достоинство бериллия заключается в сочетание весьма высокого модуля упругости (Е = 310 ГПа) с низкой плотностью. По значению плотности Be близок к магнию (1840 и 1740 кг/м3,соответственно), но модуль упругости бериллия примерно в 7 раз больше, чем у магния, и близок к модулю упругости молибдена плотностью10200 кг/м3. Жесткость бериллия в 4 раза больше, чем у алюминия, в 2,5 раза больше, чем у титана и в 1,5 раза больше, чем у стали. Бериллий сохраняет жесткость при повышенных температурах и в условиях наличия вибраций. Величина модуля упругости бериллия слабо зависит от температуры до 500 °С.

Бериллий превосходит многие металлы по удельной прочности и жесткости. Он обладает также высокой удельной теплоемкостью, тепло- и электропроводностью. У бериллия достаточно высокие показатели коррозионной стойкости, размерной стабильности, сопротивления износу,

134

демпфирующей способности. Близкие к сталям значения температурного коэффициента линейного расширения и, как следствие, хорошая совместимость с ними, способствуют использованию бериллия в точных приборах и устройствах, в которых необходимо соединять разнородные металлы.

К недостаткам бериллия относятся низкие значения пластичности и его токсичность.

Высокомодульные и высокопрочные бериллиевые сплавы

Легирование бериллия преследует две цели: уменьшить хрупкость и повысить коррозионную стойкость. Так как размер атома бериллия мал, большинство элементов, растворяясь в бериллии, сильно искажают его решетку и увеличивают склонность к хрупкому разрушению.

Повысить пластичность и вязкость позволяют сплавы системы Be-А1. Эти сплавы представляют большой интерес как конструкционные материалы из-за легкости, жесткости, более высокой, чем у бериллия, технологической пластичности, способности прессоваться и прокатываться в тонкий лист при содержании < 50..60 % Be. У подобных сплавов модуль нормальной упругости близок по своему значению к чистому бериллию, но пластичность выше.

В сплавах Be-А1-Mg модуль упругости повышается на 10..12 %. Данные тройные сплавы получают сплавлением, в отличие от двойных, получаемых из порошков. Слитки тройных сплавов подвергают обработке давлением, поставляются сплавы в виде деформированного или отожженного полуфабриката, они хорошо свариваются.

Cu, Ni, Fe упрочняют бериллий, однако при этом существенно снижается технологическая пластичность.

Жаропрочные и коррозионностойкие бериллиевые спла-

вы

К сплавам с повышенной жаропрочностью и коррозионной стойкостью в средах СО2 и водяного пара относятся спла-

135

вы бериллия с 0,25..0,95 % Са. Дополнительное легирование Zr, Nb, V и Ti повышает их прочность.

Для повышения жаропрочности в бериллий вводят примерно 0,5 % Ni. Наибольшей жаропрочностью обладают сплавы системы Ве-ВеО, получаемые методом порошковой металлургии, в которых содержание ВеО достигает 4 %. Эти сплавы удовлетворительно работают в напряженном состоянии до 450..480 0С.

До очень высоких температур сохраняют достаточную прочность бериллиды - это группа интерметаллидных соединений бериллия с Та, Zr, Hf и другими тугоплавкими элементами. Соединения обладают высокой температурой плавления (≈ 2000 °С), относительно малой плотностью (2700

.. 5000 кг/м3), модуль упругости их имеет значения Е = 300 .. 350 ГПа. Рабочие температуры бериллидов на 40 ... 50 % выше, чём у сплавов никеля. Они обладают высокой твердостью, стойкостью против окисления и при t - 1650 °С могут работать в течение 10 ч.

К недостаткам бериллидов относится их крайне низкая пластичность.

Из бериллидов получают различные мелкие изделия и детали типа профилей, прутков, труб. Детали из бериллидов изготавливают горячим прессованием порошков, холодным прессованием и спеканием, точным литьем по выплавляемым моделям.

Применение бериллия и его сплавов

Бериллий, как конструкционный материал, перспективен для авиационной и ракетной техники.

Особенно выгодно применение бериллия в конструкциях самолетов со скоростями полета 2 ... 3 М, экономия в массе может достигать 30 ... 40 %. Из-за низкой пластичности он рекомендуется для деталей самолетов, работающих в условиях сжимающих напряжений.

Пригоден в ряде случаев бериллий и для деталей

136

ракетных двигателей, в том числе камер сгорания и сопел, благодаря рекордной теплопроводности и теплоемкости сопло из него не разрушается при рабочей температуре до 3000 °С.

Высокая удельная жесткость бериллия позволяет снизить массу конструкций, имеющих высокую резонансную частоту собственных колебаний и относительно малую кучность вибраций при аэродинамическом возбуждении - это важное достоинство Be, как материала для двигателестроения.

Высокая замедляющая способность, малое сечение поглощения нейтронов, большое сечение их рассеяния и достаточная стойкость в условиях облучения делают бериллий незаменимым материалом для замедлителей и отражателей нейтронов в атомной технике.

Бериллий и бериллиды используют в системах управления и наведения ракет, в гироскопах. Более 90 % выпускаемых гироскопов высшего класса изготавливают из бериллия.

Очень перспективно применение бериллия в зеркалах оптических приборов, используемых в космосе.

В космических кораблях и спутниках из бериллия изготавливают системы антенн, рули космических аппаратов, в космических кораблях «Аполлон» изготавливался командный отсек лунной кабины. В космических аппаратах из бериллия выполняют крупногабаритные панели с солнечными батареями, теплозащитные экраны.

Для изготовления антенн спутников, игл индикаторов точных приборов, а также для армирования композиционных материалов с алюминиевой, титановой и медной матрицей используют бериллиевую проволоку, получению которой уделяется все большее внимание. По сравнению с композициями, армированными хрупкими волокнами бора, графитом или карбидом кремния, бериллиевые композиции обладают более высоким сопротивлением баллистическому удару, большей вязкостью и лучшей способностью к

137

формоизменению при обработке давлением.

Проволока из бериллия высокой чистоты при температурах < 200 К имеет электропроводность, близкую к электропроводности меди и алюминия и ее можно применять в качестве проводов в различных криогенных преобразователях.

3.3. Сплавы на основе алюминия

Алюминиевые сплавы были первыми из металлических конструкционных материалов, примененными в авиации. И в настоящее время алюминиевые сплавы остаются важнейшими авиационными материалами и составляют до 80 % массы конструкции пассажирских и транспортных самолетов [6]. По объему производства алюминий занимает второе место после железа и характеризуется невысокой стоимостью. Благодаря своим ценным свойствам (высоким удельным параметрам и технологичности) и широкой доступности алюминий и его сплавы находят применение почти во всех отраслях промышленности.

Характеристики алюминия

Алюминий — металл серебристо-белого цвета с малой плотностью 2700 кг/м3 и невысокой температурой плавления 660 °С. По чистоте первичный алюминий делится на три класса: особой чистоты А999 (99,999 % А1, а сумма всех примесей не более 0,001 %); высокой чистоты А995, А99,

А97, А95 (99,995 . . . 99,95 % А1) и технической чистоты А85, А8, А7, А6, А5, АО (99,85 . . . 99,0 % А1). В качестве постоянных примесей в алюминии присутствуют железо, кремний, медь, марганец, цинк и титан.

Алюминий - химически активный металл, однако он обладает достаточной коррозионной стойкостью вследствие образования на поверхности плотной оксидной пленки А12Оа. Алюминий стоек в концентрированной азотной кислоте и

138

некоторых органических кислотах, а также в контакте с пищевыми продуктами. Соляная, плавиковая и другие кислоты, а также щелочи разрушают алюминий. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная стойкость.

Из технического алюминия (примеси < 1,0 %) изготовляют листы, профили, проволоку, прутки и другие полуфабрикаты.

Литейные свойства алюминия не высоки (усадка при затвердевании 6 %). Он хорошо обрабатывается давлением, сваривается газовой и контактной сваркой, но плохо обрабатывается резанием.

Ввиду низкой прочности алюминий применяется для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от материала требуется легкость, свариваемость, пластичность, коррозионная стойкость.

Классификация и маркировка алюминиевых сплавов

Вкачестве основных легирующих элементов в алюминиевых сплавах применяют медь, магний, кремний, марганец, цинк; реже никель, литий, титан, бериллий, цирконий и др. Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления, способности к термической обработке и свойствам. Все сплавы алюминия можно разделить на три группы: 1) деформируемые сплавы (неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой; 2) литейные сплавы; 3) сплавы, получаемые методом порошковой металлургии (САП - спеченные алюминиевые порошки, САС - спеченные алюминиевые сплавы).

Внастоящее время принята смешанная буквенная и буквенно-цифровая маркировка алюминиевых сплавов. Например, деформируемые сплавы обозначаются буквами Д, АД, АК, AM, АВ; литейные - АЛ. Буквой Д обозначают сплавы дуралюминия Д1, Д16 и т. д.

Буквы АВ означают сплав авиаль. Буквы АМг и АМц обозначают сплав алюминия с магнием (Мг) и марганцем

139

(Мц), причем цифры, следующие за буквами АМг1; АМг6 соответствуют примерному содержанию магния в этих сплавах. Буквы АД отвечают алюминию деформированному, цифра указывает чистоту алюминия. Некоторые ковочные сплавы обозначены буквами АК (алюминий ковочный) — сплавы АК4-1, АК6, АК8 и т. д. Такая маркировка алюминиевых сплавов не отличается системой и единообразием. Поэтому в настоящее время вводится единая четырехцифровая маркировка алюминиевых сплавов. Первая цифра обозначает основу всех сплавов. Алюминию присвоена цифра один. Вторая цифра характеризует главный легирующий элемент или группу главных легирующих элементов. Третья цифра или третья со второй соответствует старой маркировке. Четвертая цифра - нечетная (включая 0) указывает, что сплав деформируемый. Так, сплав Д16 маркируют 1160, Д19 - 1190. Опытные сплавы обозначают цифрой 0, которая ставится впереди единицы, т. е. для опытных сплавов в виде исключения применяется пятизначная маркировка. Например, сплав марки 01420. Эта цифра исключается из маркировки, когда сплав становится серийным. Литейные сплавы имеют последнюю четную цифру. Металлокерамический способ производства характеризуется последней цифрой 9, проволочные сплавы обозначают цифрой 7.

Чистота сплавов обозначается следующими буквами, стоящими после маркировки сплава: Пч, Ч, Оч — соответственно практически чистый, чистый и очень чистый, по примесям железа, кремния и других контролируемых элементов. Состояние полуфабрикатов из алюминиевых сплавов обозначается следующей маркировкой: М - мягкий, отожженный; Т - закаленный и естественно состаренный; Т1 - закаленный и искусственно состаренный; Н - нагартованный; H1 - усиленно нагартованный (нагартовка листа ~ 20 %) и т. д.

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической

140