2938

обработкой

К этой группе относятся сплавы алюминия с марганцем (сплавы АМц) и магнием (сплавы АМг). Они имеют невысокую прочность, хорошую пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость. Сплавы могут упрочняться только холодной пластической деформацией. Их применяют для емкостей, бензо- и маслопроводов, а также для заклепок.

Сплавы АМг5 и АМг6 относятся к наиболее прочным сплавам системы алюминий - магний. Они характеризуются высокой технологической пластичностью, а также относительно высокими пределом прочности и текучести (по сравнению с другими алюминиевыми сплавами в отожженном состоянии).

Алюминиево-магниевые сплавы обладают высокой вибрационной стойкостью. Например, сплав АМг2 в отожженном состоянии имеет предел выносливости, близкий к соответствующему значению для дуралюминия.

Благодаря сочетанию удовлетворительной прочности, высокой пластичности, хорошей коррозионной стойкости и свариваемости все сплавы системы алюминий - магний широко применяются для сварных конструкций в самых различных отраслях народного хозяйства.

Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой

Основными в этой группе являются сплавы систем алюминия с медью, магнием, марганцем, кремнием, литием и бериллием: А1-Си-Mg (Д16, Д19 и др.); А1-Zn-Mg-Си (В93, В95, В96 и др.); А1-Си-Mg-Мп-Si (АК6, АК8 и др.); А1-Be и А1-Be-Mg.

Указанные легирующие элементы определяют типичные для данной системы физические, химические и механические свойства. Помимо главных элементов, в сплавы одной системы могут добавляться другие элементы, которые придают сплавам дополнительные свойства без изменения

141

основных.

Сплавы системы А1-Си-Mg

Сплавы на основе этой системы с добавками марганца, названные дуралюминами, имеют широкий интервал прочностных свойств от средних до высоких. Дуралюмины марок Д16 и Д19 применяют для обшивки клепанных конструкций, подвергающихся незначительному аэродинамическому нагреву. Сплавы Д16 и Д19 упрочняются закалкой с 500 ±5 °С и естественным или искусственным старением. Упрочнение дуралюминов Д16 и Д19 при термической обработке достигается в результате образования зон Гинье-Престона сложного состава или упрочняющих фаз. Именно поэтому медь и магний в дуралюминах являются главными легирующими компонентами, определяющими природу сплава.

Марганец введен в данные сплавы для повышения их коррозионной стойкости, а титан (до 0,1 %) в сплав Д19 - для измельчения зерна.

Сплав Д16 при комнатной температуре отличается более высокой прочностью, чем остальные дуралюмины, что является результатом прессэффекта, который характерен для дуралюминов. Прессэффект связан с измельчением зерна твердого раствора при высокотемпературной механической обработке.

Для обшивки клепанных конструкций, предназначенных для работы при температурах до 100 - 125 °С, применяются сплавы Д16 и Д19 после естественного и искусственного старения, а для обшивки, работающей при повышенных температурах (125 - 200 °С), применяются сплавы только после искусственного старения (при 170 - 190 °С), приводящего к более стабильному состоянию.

По сравнению с чистым алюминием все дуралюмины отличаются пониженной коррозионной стойкостью и нуждаются в специальных средствах защиты от коррозии.

142

Применяют в основном два способа защиты: плакирование (покрытие) дуралюмина техническим алюминием (марок А7 и А8) и электрохимическое оксидирование (анодирование). Анодированию подвергают любые полуфабрикаты, а плакированию — только листы. При анодировании (например, в серной кислоте) поверхность изделий покрывается более плотной и толстой, чем в естественных условиях, защитной оксидной пленкой А12О3.

Дуралюмины на основе системы А1-Си-Mg характеризуются низкой технологичностью при литье и обработке давлением (необходимо применение малых скоростей деформации) и требуют использования узкого интервала температур нагрева под закалку. Сплавы относятся к категории несвариваемых плавлением из-за высокой склонности к образованию кристаллизационных трещин.

Сплавы системы А1-Zn-Mg-Си

Сплавы этой системы являются наиболее высокопрочными среди алюминиевых сплавов. Прочность этих сплавов достигает 500 . . . 700 МПа (~ 50 ..70 кгс/мм2), но при меньшей пластичности (δ = 8 - 10 %), чем у дуралюминов.

В отличие от дуралюминов в высокопрочных сплавах (В93, В95, В96) после закалки получается более стабильный твердый раствор. Поэтому сплавы применяют только после искусственного старения. Закалку проводят с 460 - 470 °С в холодной или подогретой (до 80 - 100 °С) воде. Нагретая вода необходима при закалке крупногабаритных профилей и штамповок во избежание их растрескивания.

Сплав В95 является наиболее универсальным конструкционным материалом. Он применяется для изготовления всех видов деформированных полуфабрикатов: листов, плит, профилей, труб, поковок и штамповок. По прочности при нормальной температуре сплав В95 значительно превосходит дуралюмины и широко применяется для обшивки (листы) и внутреннего набора (профили).

143

Сплав В96Ц - наиболее высоколегированный и самый прочный из всех деформируемых алюминиевых сплавов. Однако он уступает сплаву В95 в пластичности и коррозионной стойкости, сопротивлении повторным статическим нагрузкам, в большей чувствительности к надрезам и другим концентраторам напряжений, Низкая пластичность сплава В96Ц позволяет применять его только для производства горячедеформированных полуфабрикатов (профилей, труб, штамповок). Для изделий из сплавов В96Ц и В95 применяют аналогичные режимы термической обработки.

Сплав В93 имеет меньшую прочность, более высокую пластичность и минимальную анизотропию свойств. Поэтому он применяется преимущественно для изготовления крупных поковок и штамповок.

Высокопрочные сплавы В93, В95, В96 имеют ряд существенных недостатков по сравнению с дуралюмином Д16. Они более чувствительны к концентраторам напряжений, обладают меньшей вязкостью разрушения, склонны к коррозионному растрескиванию и характеризуются резким снижением прочности при повышении температуры > 120 °С. Вследствие этого рассмотренные сплавы В93, В95 и В96 не перспективны для скоростных сверхзвуковых самолетов, обшивка которых испытывает аэродинамический нагрев

> 120 °С.

Сплавы системы А1-Си-Mg-Мп-Si

К этой системе относятся сплавы АК6 и АК8, предназначенные для изготовления поковок и штамповок. Они характеризуются высокой технологичностью (хорошо отливаются полунепрерывным методом и обладают повышенной пластичностью в горячем состоянии). По среднему составу эти сплавы близки к дуралюминам и отличаются от них более высоким содержанием кремния. Сплавы подвергают закалке с 520 ± 5 °С (АК6) или с 505 ± 5 °С (АК8) с охлаждением в воде и старению при 160 .. 170 °С,

144

12.. 15 ч.

Сплавы АК6 и АК8 склонны к коррозии под напряжением и к межкристаллитной коррозии. Для повышения коррозионной стойкости изделия из сплавов защищают анодированием и лакокрасочными покрытиями.

Сплав АК8 менее технологичен, чем АК6 и существенно уступает ему по вязкости разрушения, но обладает хорошей свариваемостью. Поковки из сплава АК8 отличаются большой анизотропией механических свойств.

Из сплавов АК6 делают крупногабаритные штамповки для несущих подмоторных рам, фитинги, стойки и другие силовые детали.

Сплав АК8 применяется для высоконагруженных штампованных деталей (рамы, стыковые узлы, пояса лонжеронов и т. д.).

Сплавы системы А1-Ве и А1-Ве-Мg

Сплавы этой системы относятся к числу сплавов с высоким удельным модулем упругости (высокомодульные сплавы). Свойства двойных алюминиево-бериллиевых сплавов существенно улучшаются при легировании их элементами, взаимодействующими только с алюминиевой фазой и упрочняющими ее. При упрочнении алюминиевой фазы уменьшается различие в свойствах составляющих фаз; в результате чего улучшается комплекс свойств сплавов. Так, магний, практически не взаимодействует с бериллием, но растворяется в алюминии и упрочняет его. При этом повышаются прочность и модуль упругости сплавов. Наиболее перспективны сплавы системы А1-Ве-Мg.

Старение сплавов системы А1-Ве-Мg не увеличивает прочностные характеристики, поэтому данные сплавы можно применять без термической обработки.

Сплавы системы А1-Ве-Мg целесообразно применять в тех случаях, когда определяющим конструктивным фактором является жесткость. При создании тонких жестких

145

конструкций (например, оболочковых конструкций) выигрыш в весе по сравнению со стандартными алюминиевыми сплавами составляет 40 .. 60 %.

Алюминиевые сплавы для заклепок

Сплавы, применяемые для заклепок, должны иметь повышенную пластичность и высокое сопротивление срезу. Для коррозионной стойкости конструкции лучше всего, когда заклепки сделаны из того же материала, что и склепываемые детали. Однако некоторые сплавы, например, Д16 и Д19, неудобны в производстве, поскольку заклепки из них должны расклепываться в свежезакаленном состоянии. Длительное естественное старение указанных сплавов снижает пластичность и в заклепках при расклепывании могут появиться трещины. Тем не менее в конструкциях, работающих при повышенных температурах (до 200 °С), применяют заклепки из жаропрочного сплава Д19. Для сохранения пластичности заклепки из этого сплава после закалки необходимо хранить при температуре < 15 °С.

Сплавы для заклепок имеют особое значение, так как метод клепки является одним из основных методов соединения деталей авиаконструкций из алюминиевых сплавов. Количество заклепок в конструкциях планера доходит до двух миллионов штук. Марки сплавов для заклепок: АМг5П, Д18, В65, В4

Жаропрочные алюминиевые сплавы

Жаропрочные алюминиевые сплавы имеют более сложный химический состав, чем остальные алюминиевые сплавы. Повышение жаропрочности сплавов типа дуралюмин - Д16, ВД17, ВАД2 было достигнуто путем увеличения содержания в них магния, а сплавов Д20 и Д21 - меди. Кроме того, применяют специальные добавки титана, циркония, железа, никеля и других элементов, положительно влияющих на жаропрочность сплавов. Марки основных жаропрочных деформируемых алюминиевых сплавов: Д20, 1210, ВАД1Т,

146

ВД17Т1, АК4-1.

Механические свойства сплавов Д20 и 1201 почти одинаковы, поскольку по составу они отличаются незначительно. Однако сплав 1201 по сравнению со сплавом Д20 более перспективен из-за лучшей свариваемости. Сплав Д20 по длительной прочности при 250 - 350 °С превосходит сплавы Д16 и ВД17, однако он менее прочен при 20 °С. Он используется для изготовления изделий длительно работающих при повышенных температурах деталей двигателей: дисков и лопаток компрессоров, крыльчаток, воздухозаборников, поршней и др. Кроме того, из сплавов Д20 и 1201 делают сварные детали и емкости (баллоны и др.), работающие при комнатной и кратковременно при повышенных температурах.

Сплав АК4-1 при температурах до 200 С не имеет преимуществ по прочности перед жаропрочными дуралюминами (ВАД1, Д19 и даже Д16), но при 250 .. 300 °С преобладают примерно такие же характеристики как у сплавов Д20 и 1201. Сплав АК4-1 широко применяется для изготовления деталей реактивных двигателей (лопатки и диски компрессора, заборники и др.). В настоящее время сплав АК4-1 находит значительное применение для изготовления обшивки и силового каркаса сверхзвуковых самолетов, работающих длительное время в условиях знакопеременных напряжений при 130 - 150 °С.

Сплав ВД17 применяется преимущественно для изготовления лопаток осевых компрессоров для работы до

250 °С.

Из сплава ВАД1 изготовляют сварные конструкции, работающие кратковременно при повышенных температурах (до 2 .. 3 ч при 250 °С) и длительно в течение сотен часов при 175 °С. Этот сплав после сварки не требует термической обработки, отличается стабильностью свойств, но имеет несколько пониженную коррозионную стойкость.

147

Литейные алюминиевые сплавы

Литейные алюминиевые сплавы должны иметь хорошую жидкотекучесть, малую усадку, низкую склонность к образованию горячих трещин и пористости, а также высокие механические и антикоррозионные свойства.

Лучшие литейные свойства имеют сплавы, содержащие в своей структуре эвтектику. Эвтектика обеспечивает наибольшую жидкотекучесть при минимальной пористости, минимальной неоднородности и минимальном трещинообразовании. В качестве литейных чаще применяют сплавы на основе систем А1-Si, А1-Сu и А1-Mg.

Наилучшими литейными свойствами и малым удельным весом обладают сплавы системы А1-Si, называемые силуминами (АЛ2, АЛ4, ВАЛ5).

Сплав АЛ2, содержащий 10 - 13 % Si, практически целиком состоит из эвтектики, имеет наилучшие литейные свойства и применяется для мелкого и тонкостенного литья (деталей агрегатов и приборов). Термической обработкой не упрочняется. Для улучшения механических свойств сплава АЛ2 его подвергают модифицированию путем введения в

жидкий сплав перед разливкой ~ 1 % смеси солей фтористого и хлористого натрия. Модифицирование вызывает переохлаждение и увеличение содержания кремния в эвтектике. В результате структура эвтектики измельчается и появляются округлые зерна пластичных кристаллов твердого раствора кремния в алюминии. При этом в 1,5 раза повышается прочность и в 2 - 3 раза относительное удлинение.

Механические свойства литейных сплавов ниже по сравнению с обрабатываемыми давлением, особенно низки показатели пластичности и вязкости.

Для повышения механических свойств отливки из алюминиевых сплавов подвергают следующим видам термической обработки: Т1искусственное старение обычно

148

при 175 ± 5 °С, выдержка 5 - 20 ч без предварительной закалки, так как при литье сплавов в песчаную форму или в кокиль происходит частичная закалка; Т2 - отжиг при 300 ±10 °С, выдержка 5 - 10 ч, охлаждение на воздухе; ТЗ, Т4 - закалка и естественное старение. Нагрев под закалку для сплава АЛ7 при 510 - 520 °С; Т5 - закалка и частичное искусственное старение (3 - 5 ч) обычно при 175 °С; Т6 - закалка и полное искусственное старение до максимальной твердости (чаще проводят при 200 °С в течение 3 - 5 ч); Т7 - закалка и стабилизирующее старение при 230 или при 250 °С в течение 3 - 10 ч; Т8 - закалка и смягчающее старение при 240 - 260 °С в течение 3 - 5 ч.

Сплав АЛ2 имеет низкую прочность, применяется для малонагруженных деталей (корпуса приборов, кронштейны, детали авиационных колес, барабаны и др.).

Сплав средней прочности АЛ4 применяется для отливки крупных и средних нагруженных деталей авиадвигателя: корпусов компрессора, картеров, блоков и др.

Сплав АЛ7 применяется для небольших отливок несложной формы, работающих при средних нагрузках до 200 °С (арматура, кронштейны и др.).

Сплавы ВАЛ5, АЛ27 и АЛ32 относятся к высокопрочным литейным сплавам. Сплав ВАЛ5 предназначен для литья сложных по конфигурации и крупных корпусных деталей, работающих под большим внутренним давлением газа или жидкости и испытывающих при эксплуатации большие напряжения. Сплав АЛ27 применяют для нагруженных деталей, работающих в условиях высокой влажности. Из него изготовляют вилки шасси и хвостового оперения, детали приборов, штурвалов и др.

А1-Si и особенно А1-Mg сплавы резко разупрочняются при нагреве. Поэтому при повышенных температурах применяют жаропрочные литейные сплавы АЛ1, АЛ19, АЛ20, АЛ21, ВАЛ1 и др. Так сплав АЛ20 предназначен для литья

149

деталей, работающих при температурах до 300 °С. К недостаткам сплава относятся пониженные коррозионные стойкость и пластичность.

Спеченные алюминиевые сплавы типа САП и САС

САП (спеченный алюминиевый порошок или спеченная алюминиевая пудра) - алюминий, упрочненный частицами оксида алюминия. Получают САП путем холодного, а затем горячего брикетирования при 500 - 600 °С тонкого окисленного алюминиевого порошка (пудры) и последующей деформации (прокатке, ковке, прессовании) горячепрессованных брикетов. Пудра имеет форму чешуек толщиной < 1 мкм.

Содержание А12О3 в САП составляет в различных марках от 6 - 9 % (САП1) до 18 - 22 % (САП4). С увеличением содержания оксида алюминия предел прочности повышается от 300 - 320 для САП1 и до 440 - 460 МПа для САП4. Относительное удлинение соответственно снижается от 5 - 8 % до 1,5 - 2 %.

Важнейшим свойством САП является повышенная жаропрочность по сравнению со всеми деформируемыми алюминиевыми сплавами. Причем его свойства почти не изменяются в зависимости от длительности эксплуатации. Например, 100-часовая длительная прочность САП при 500 °С равна 450 - 550 МПа, тогда как жаропрочные деформируемые и литейные алюминиевые сплавы при температурах > 350 °С вообще длительно не работают.

САС (спеченные алюминиевые сплавы) получают горячим брикетированием с последующим прессованием при температуре ~ 500 °С порошков, окисленных алюминиевых сплавов. Сплавы САС-1 (25 - 30 % Si, 5 - 7 % Ni) и САС-2 (25 - 30 % Si, 5 - 7 % Fe) обладают низким коэффициентом линейного расширения и применяются для изготовления отдельных деталей приборов взамен более тяжелых сталей. САС-1 характеризуется удовлетворительными пределом

150