книги из ГПНТБ / Ромадин К.П. Материаловедение [учебное пособие]

Раздел пятый

АВИАЦИОННЫЕ ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ

I. АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Алюминий — металл серебристо-белого цвета с удельным ве­

сом 2,7 z cm? и температурой плавления 660o. C кислородом алю­ миний образует окисел Al2O3, который предохраняет его от даль­ нейшего окисления в атмосферных условиях и от газовой корро­ зии при повышенных температурах, а также от воздействия кон­

центрированной азотной кислоты.

Алюминий обладает высокой электро- и теплопроводностью,

высокой пластичностью, хорошо сваривается, но плохо обраба­ тывается резанием. В литом состоянии алюминий обладает сле­

дующими механическими свойствами: σft = 10 kz mm2, 8 = 30%.,

HB = 20 кгімм2.

Получают алюминий методом электролиза из бокситов, со­ стоящих в основном из гидрата окиси алюминия Al(OH)3.

Алюминий АО и Al применяется для изготовления проводов,

кабелей и конденсаторов, а также для алюминиевых сплавов

высокой прочности и плакирования. Алюминий А2 и A3 идет на изготовление литейных алюминиевых сплавов.

Алюминиевые сплавы можно разделить на четыре основные

группы:

121

1)сплавы высокой прочности, применяющиеся в термически-

обработанном или нагартованном виде для изготовления сило­

вых элементов конструкций летательных аппаратов;

2)сплавы высокой пластичности, предназначенные для изго­

товления деталей методом сварки и штамповки в холодном со­ стоянии;

3) сплавы для ковки и штамповки в горячем состоянии.

Алюминиевые сплавы содержат медь, кремний, магний, мар­

ганец, цинк и реже — железо, никель, хром, титан.

Медь вводится в алюминиевые сплавы для упрочнения в коли­ честве до 5%, с алюминием образует твердый раствор ограни­

ченной растворимости и металлическое соединение CuAl2

(фиг, 87).

Магний вводится в алюминиевые сплавы для повышения

прочности и коррозионной стойкости в количестве до 3%, с алю­ минием образует твердый раствор ограниченной растворимости и металлическое соединение Al3Mg2. В литейные алюминиевые

сплавы магний вводится от 5 до 12%.

Кремний является неизбежной примесью алюминиевых спла­

вов. В сплавах высокой прочности количество' кремния не превы­

шает 0,7—0,8% и лишь в некоторых сплавах содержание его

доведено до 1,0—1,2%. В литейных сплавах кремний содержит­

ся в количестве от 4 до 13%. В алюминиевых сплавах, содержа­

щих одновременно магний и кремний, образуется стойкое метал­

лическое соединение Mg2Si.

Марганец вводится в алюминиевые сплавы для увеличения

коррозионной стойкости в количестве от 0,2 до 1,6%, с алюми­

нием образует твердый раствор ограниченной растворимости и

металлическое соединение MnAl6.

122

Железо, так же. как кремний, является неизбежной примесью

алюминиевых сплавов. В сплавах высокой прочности количество

железа не превышает 0,5—1,0%. Однако в сплавы, работающие при высоких температурах, для повышения жаропрочности оно

вводится в количестве до 1,5%. C алюминием железо образует твердый раствор ограниченной растворимости и металлическоесоединение FeAl3.

Никель в количестве до 1,5% вводится только в жаропрочные сплавы. C алюминием никель образует твердый раствор ограни­ ченной растворимости и металлическое соединение NiAl3,

Цинк вводится в высокопрочные алюминиевые сплавы в ко­ личестве до 7%, с алюминием образует твердый раствор огра­

Al2Mg3Zn3.

Титан в количестве 0,05—0,2% вводится в некоторые алюми­

ниевые сплавы для получения мелкозернистой структуры, с алю­

минием образует твердый раствор ограниченной растворимости

и металлическое соединение TiAl3.

В сплавах, содержащих несколько легирующих элементов, образуются сложные металлические соединения. Например,

в системе алюминий — медь — магний образуется тройное ме­

таллическое соединение Al2CuMg, которое оказывает положи­ тельное влияние на упрочнение сплава при его термической об­

работке.

1. Дуралюмин и его термическая обработка

Сплавы типа дуралюмин, получившие широкое распростране­

ние в авиастроении, можно разделить на три основные группы:

дуралюмин нормального состава марки Д1, высоколегированный

дуралюмин марок Д16 и В65 и низколегированный дуралюмин

марки Д18.

В литом виде структура дуралюмина состоит из твердого раствора и металлических соединений CuAl21 Mg2Si, Al2CuMg и

После горячей обработки давлением, проводимой при 450—

42.0°, механические свойства дуралюмина повышаются:

стойкость дуралюмин приобретает после‘закалки и последую­ щего естественного старения.

Для повышения коррозионной стойкости листовой дуралю­

мин подвергается плакированию. Плакирование заключается

123-

в создании на поверхности листа тонкого защитного слоя из чис­ того алюминия толщиной 3—5% от толщины листа на каждую сторону. Слой защитного металла приваривается к дуралюмину во время проката, проводимого при температуре 420—450°.

Закалка дуралюмина основана на переменной по температуре

растворимости меди, магния и других элементов в алюминии.

Фиг. 88. Выбор температуры закалки дуралюмина .

.Для закалки дуралюмин нагревают выше линии MN диаграммы

Al—CuAl2, т. е. до температуры, при которой получается одно­ родный твердый раствор (фиг. 88). Практически для сплава Д1

эта температура равна 490—510°. Влияние температуры закалки

на механические свойства дуралюмина показано на фиг. 89.

Температура закалки,o C

Фиг. 89. Влияние температуры закалки на маханические свойства дуралюмина.

124

Нагрев изделий при закалке производится в расплавленной селитре (50% KNO3 и 50%. NaNO3), температура плавления

смеси равна 218°. Селитра обеспечивает быстрый прогрев дура-

люмина и предохраняет его от окисления.

Выдержка при температуре закалки для изделий толщиной

от 0,3 до 6,0 мм должна быть не более 5 минут. Более длитель­ ная выдержка ведет к диффузии меди в плакирующий слой

чистого алюминия, что ухудшает его коррозионную стойкость.

Охлаждение дуралюмина при закалке производится в холод­

ной воде и фиксирует структуру пересыщенного твердого раст­

прочный материал.

Упрочнение свежезакаленного дуралюмина происходит в ре­

зультате последующего старения. Различают естественное ста­ рение, происходящее при обычной температуре, и искусственное

старение, происходящее при повышенных температурах.

При естественном старении в твердом растворе возникают

зоны с повышенным содержанием меди.

Наличие этих зон вызывает искажение кристаллической ре­ шетки твердого раствора, что приводит к изменению механиче­ ских свойств.

Установлено, что зоны, обогащенные медью, устойчивы при

той температуре, при которой они образовались. Развитие этих

6g, кг/мм1

зон ведет к увеличению твердости и прочности сплава, но к не­

которому уменьшению пластичности. В сплаве Д16 в образова­

нии зон участвует не только медь, но и магний.

Наиболее интенсивное увеличение прочности при естествен­

ном старении происходит после «инкубационного» периода в те­

125-

чение последующих 5—15 часов (фиг. 90), «Инкубационный» период, в течение которого механические свойства почти не ме­ няются, имеет большое практическое значение, так как позволяет

производить холодную обработку давлением (прокатку, штам­ повку, постановку заклепок). Этот период для разных марок

дуралюмина различен. Поэтому заклепки из сплава Д16 ставят­

ся не позже 20 минут после закалки, из сплава Д1 — не позже

2 часов и из сплава Д18 — в течение четырех суток.

люмин может быть подвергнут путем холодной обработки давле­

нием, т. е. нагартован.

Дуралюмин Д1 применяется для изготовления штампованных узлов крепления, лопастей воздушных винтов, заклепок, болтов.

Дуралюмин Д16 применяется для изготовления основных

элементов конструкции самолета: лонжеронов, шпангоутов, нер­ вюр, обшивки, заклепок»

Дуралюмин Д18 применяется исключительно для изготовле­

ния заклепок. Дуралюмин В65 применяется для заклепок кон­ струкций работающих при температурах до 100°.

При искусственном старении вначале также образуются зоны,

обогащенные медью, но с течением времени эти зоны переходят

в стабильную фазу, близкую по своему строению к CuAl2. Обра­

126

зование этой фазы ведет к'разупрочнению сплава, так как твер­

дый раствор становится менее насыщенным, решетка его прибли­

жается к нормальному, неискаженному состоянию (фиг. 91).

Восходящие ветви кривых старения связаны преимущественно с образованием зон, обогащенных медью, а нисходящие ветви —

Фиг. 91. Кривые старения дуралюмина (С. Μ. Воронов)

с образованием стабильной фазы. Повышение температуры уско­

ряет процессы старения, но максимум на кривых старения пони­ жается, так как стабильная фаза, разупрочняющая материал,

образуется раньше, чем заканчивается формирование зон, обо­

гащенных медью. При низких температурах процесс старения

протекает очень медленно (фиг. 91, кривые —5 и —50°).

Отжиг дуралюмина применяется в целях получения пластич­

ного состояния. Температура отжига для закаленного и естест­

венно состаренного дуралюмина, а также для нагартованного

в отожженном состоянии составляет 350—370°. Отжиг нагарто­

ванного в закаленном состоянии дуралюмина вначале произво­

В последние годы получил широкое применение в авиастрое­

нии высокопрочный алюминиевый сплав марки В95. В среднем

он содержит Cu—1,6%, Mg — 2,2%, Zn — 6%, Mn — 0,4%,

Cr-0,2%, Si≤ 0,5% и Fe <0,5%.

127

Высокая прочность сплава обеспечивается наличием меди,

магния и цинка, которые с алюминием образуют твердый раст­

вор и металлические соединения. Марганец и хром повышают

коррозионную стойкость сплава; марганец, кроме того, умень­ шает зерно и затрудняет выделение металлических соединений по границам зерен твердого раствора. Для плакировки сплава

В95 применяется сплав алюминия с 1 % цинка.

Термическая обработка сплава В95 состоит в закалке с 465—480° в воде и последующего старения для плакированного материала при температуре 120° в течение 24 часов, а для неплакированного — при 140° в течение 16 часов. Прессованные про­

фили после закалки и старения имеют следующие механические

свойства: ab = 58 кг/мм2-, δ — 6%; HВ = 150 кг/мм2. Отжи­ гается сплав В95 при 420°, с последующим охлаждением с печью

до 150°.

Сплав В95 применяется для изготовления основных элемен­ тов конструкции самолета: лонжеронов, стрингеров, шпангоутов,

нервюр, обшивки, рам, стыковых гребенок, деталей шасси и т. д.

2. Сплавы для глубокой штамповки и сварки

Важнейшими сплавами для глубокой штамповки и сварки являются сплавы марок AMr и АМц.

Эти сплавы обладают большой стойкостью против коррозии и очень высокой пластичностью. Медь отрицательно влияет на

коррозионную стойкость.

Степень 3 е формации, °Л

Отжиг нагартованного материала с целью разупрочнения произ­ водится при 350—410°.

128

В табл. 30 приведены состав и свойства сплавов для глубо­ кой штамповки и сварки.

Таблица 30

Состав и свойства сплавов AMr и АМц

Сплав АМц хорошо сваривается всеми видами сварки. Сплав: AMr хорошо сваривается атомноводородной и контактной свар­ кой, удовлетворительно — газовой. Резанием сплав АМц обраба­

тывается плохо, сплав AMr обрабатывается плохо в отожженном

состоянии, в нагартованном — удовлетворительно. Сплав AMr

хорошо полируется. Характерной особенностью сплава AMr яв­

ляется его высокая вибрационная прочность.

Сплавы АМц и AMr применяются для изготовления сварных

авиационных баков, бензо- и маслопроводов и других деталей,

изготовляемых глубокой штамповкой и вытяжкой.

3. Сплавы для ковки и горячей штамповки

Алюминиевые сплавы, применяющиеся для изготовления де­

талей путем ковки, штамповки, прессования и других методов

горячей обработки давлением, можно разделить на две группы:

сплавы, предназначенные для работы при обычных температу­ рах, и жаропрочные сплавы.

К сплавам первой группы относятся сплавы марок АВ, АК6,

Д1, В95 и АК8 (здесь эти сплавы перечислены в порядке убы­

вания пластичности в горячем состоянии от AB к АК8).

Сплавы Д1 и В95, состав, термическая обработка и свой­ ства которых были рассмотрены выше, применяются для штам­

повки лопаток компрессора, дисков компрессора, барабанов,

крыльчаток компрессора, лопастей воздушных винтов, рычагов,

тяг. Ковка сплава Д1 проводится при 450—475°, а В95 — при

380—430°, Штамцы перед ковкой подогреваются до 200—250°. После ковки детали подвергаются закалке и последующему ста­ рению.

Сплавы АВ, АК6 и АК8 получили наибольшее распростра­ нение из всех сплавов, подвергающихся ковке и штамповке.

Сплав AB в горячем состоянии обладает весьма высокой пластичностью. Применяется он для изготовления деталей слож­ ной конфигурации. Из него штампуются картеры турбореактив-