Технология конструкционных материалов

Глава 6

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

6.1. Общее понятие оцветныхметаллах

Традиционно к цветным металлам относятся все металлы, кроме же­ леза и его сплавов, которые составляют группу черных металлов.

Цветные металлы и сплавы на ихоснове, несмотря на более высокую стоимость по сравнению со сплавами на основе железа, нашли широ­ кое применение в различных отраслях машиностроения. Это объяс­ няется их уникальными физическими и химическими свойствами, а в ряде случаев высокой удельной прочностью, что является опреде­ ляющим фактором для таких областей, как авиа- и ракетостроение.

Для сравнения в табл. 6.1 приведены прочностные характеристики представителейряда цветныхсплавов, бериллия и стали 03Х18К9М5Т.

Как следует из табл. 6.1, удельная прочность сплавов на основе цветных металлов соизмерима, а иногда и выше, чем у высоколеги­ рованной стали. Если учесть высокую тепло- и электропроводность, хорошую коррозионную стойкость и технологичность большинства сплавов на основе меди, алюминия, титана и магния, можно легко объяснить их широкое распространение в технике.

6.2. Алюминийи его сплавы

Алюминий имеет гранецентрированную кубическую решетку, которая не претерпевает полиморфныхпревращений при нагреве. Температура плавления алюминия 660 °С. Этот металл имеет низкие плотность (2,7 г/см3) и прочность (а„ = 100 МПа), высокие электро- и теплопро­ водность, пластичность (8 = 30 %) и коррозионную стойкость. Высо­ кая коррозионная стойкость алюминия обусловлена образованием на его поверхности плотной пленки оксида А120 3. Легирование медью, магнием, цинком, кремнием и реже лантаном, ниобием, никелем резко улучшает его механические и технологические свойства.

Алюминиевые сплавы широко применяются в пищевой промыш­ ленности, автостроении, электротехнике, строительных конструкциях и криогенной технике, но их основная область применения — само­ летостроение.

Высокочистый алюминий марок А995, А99, А97, А95, содержащий 0,005...0,15 % примесей, используется в лабораторных целях и для приготовления особо чистых сплавов. Алюминий технической чисто­ ты марок А85, А8, А7, А6, А5 и АО с примесями 0,15... 1 % применяют для получения технических сплавов. Постоянными примесями алю­ миния является железо и кремний, сростом содержания которых снижается пластичность, но растет твердость и прочность.

Сплавы на алюминиевой основе характеризуются хорошей техно­ логичностью. Они хорошо обрабатываются резанием, легко сварива­ ются, хорошо куются, многие из них обладают высокими литейными свойствами и коррозионной стойкостью (кроме сплавов А 1 — Си). А л ю ­ м и н и й образует со м но гим и легирующими элементами твердые рас­ творы с ограниченной растворимостью, что позволяет применять для таких сплавов термическую обработку, состоящую из закалки на пере­ насыщенный раствор и последующего старения.

На рис. 6.1 приведена диаграмма, характерная для системы алю­ миний — легирующий элемент. Точка К соответствует предельной растворимости легирующего элемента. Сплавы, расположенные ле­ вее точки К, имеют при нагреве однофазный твердый а-раствор, ко­ торый определяет их высокую пластичность. Эти сплавы относятся к деформируемым и делятся на деформируемые сплавы, неупрочняемые (зона I) и упрочняемые (зона II) термической обработкой.

Зона II расположена на диаграмме правее зоны I. Закалка сплавов зоны II позволяет получать перенасыщенные твердые растворы, что используется для их упрочнения. Искусственное или естественное старение закаленных деталей из этих сплавов приводит к дисперси­ онному твердению, в результате чего повышается их твердость и прочность. Обработка давлением также вызывает выделение из пе­ ренасыщенного раствора дисперсных фаз, которые препятствуют

рекристаллизации и упрочняют сплав. Структурасплавов, имеющих химический состав полегирующему элементу правее точки К, состо­ ит из а-твердого раствора и эвтектики. Такие сплавы обладают хоро­ шими литейными свойствами, которые улучшаются по мере роста количества эвтектики в структуре сплава.

Рис. 6.1. Диаграмма состояния алюминий — легирующий элемент:

А— деформируемые сплавы; В — литейные сплавы; I, II — сплавы, соответ­ ственно неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой

Железо и кремний Во всех сплавах являются нежелательными при­ месями, так как оНи образуют самостоятельные хрупкие фазы FeAl3 и а(А1, Fe, Si). Легирование марганцем снижает вредное влияние кремния и железа, так Как в этом случае образуется компактная чет­ вертная a(AI, Fe, Si, Мп)-фаза. Но наиболее эффективным приемом является снижение содержания кремния и железа в сплаве. В послед­ нем случае в маркировке сплава добавляется буква Ч (чистый) или ПЧ (повышенной чистоты).

Деформируемыеалюминиевые ставы легированы медью, магнием, марганцем и в отдельных случаях титаном, цинком и кремнием. Они делятся на две группы: упрочняемые и неупрочняемые термической об­ работкой. Склонность к упрочнению зависит от количества и приро­ ды вторичной фазы, выделяющейся из перенасыщенного раствора на базе алюминия при старении.

Диаграммы состояния сплавов алюминия с марганцем, магнием и медью приведены на рис. 6.2, а состав и некоторые свойства — в табл. 6.2.

Для условного обозначения алюминиевых деформируемых спла­ вов (ГОСТ 4784—97) используется следующая система. Буква Д в на­ чале марки обозначает сплавы типа дуралюминов; АК — алюминие­

вый ковочный сплав; В — высокопрочный сплав; АМц — сплав А1-Мп; АМг — сплав Al-Mg. Цифры после букв В, Д и К — услов­ ный номер сплава; цифра после Мг— средняя массовая доля магния в сплаве.

Рис. 6.2. Диаграммы состояния А1—Mn (а), А1—Mg (б), А1—Си (в)

Таблица 6.2

Химический состав и свойства некоторых алюминиевых сплавов

Примечание. Выше штриховой линии указаны сплавы деформируемые,

ниже —литейные.

Сплавы АМц, АМг2 и АМг5 относятся к неупрочняемым терми­ ческой обработкой. Из диаграммы состояния А1—Мп видно, что теоретически упрочнение возможно за счет выделения из перенасы­ щенного раствора дисперсной фазы МпА16. Но присутствие в спла­ вах постоянной примеси (железа) дает вместо нее сложную фазу (Mn, Fe)Al6, нерастворимую в твердом алюминии, что исключает об­ разование перенасыщенного раствора. Тем не менее пластическая де­ формация вызывает заметное упрочнение сплава. Эти сплавы идут на изготовление изделий, получаемых глубокой вытяжкой из листовых заготовок, в виде которых они поставляются.

Сплавы АМг практически не упрочняются термической обработ­ кой, но упрочняются нагартовкой (наклепом). Наличие магния повы­ шает склонность сплавов к окислению, а добавка бериллия устраняет этот недостаток, но способствует укрупнению зерна слитков. Для из­ мельчения зерна необходимо микролегирование титаном и циркони­ ем. Из неупрочняемых термической обработкой сплавов изготавли­ вают баки, трубопроводы, заклепки, корпуса судов и лифты.

Упрочняемые термической обработкой сплавы (дуралюмины) харак­ теризуются сочетанием высокой прочности и пластичности. Это спла­ вы системы А1—Си—Mg. Как следует из диаграммы, приведенной на рис. 6.2, в, максимальная растворимость меди в алюминии составляет 5,65 %, минимальная — 0,1 %. Закалкой фиксируется перенасыщенный твердый раствор на базе алюминия. Выделяющаяся из раствора при старении 0-фаза (СиА12, а в сплавах системы А1—Си—Mg — CuMgAl2), приводит к резкому упрочнению сплавов. Максимум прочности дос­ тигается при содержании 4 % меди и 1 % магния. Термическая обра­ ботка сплавов включает закалку с 500 °С и последующее старение: ес­ тественное — при комнатной температуре, искусственное — при на­ греве до 100... 150 °С. В начальный период старения образуются зоны повышенной концентрации меди — так называемые зоны Гинье — Престона. В этих зонах кристаллическая решетка алюминия искаже­ на, вследствие чего в кристаллах возникают большие напряжения, что увеличивает прочность и твердость материала. Дальнейшее уве­ личение выдержки или повышение температуры старения приводит к укрупнению зон, а затем к выделению мельчайших частиц 0-фазы

изавершению процесса дисперсионного упрочнения.

Уразличных по составу стареющих алюминиевых сплавов упроч­ нение достигается преимущественно за счет зонного либо фазового

старения. Следует отметить, что зонное старение обеспечивает более «мягкое» упрочнение материала, который сохраняет повышенную пластичность и низкую чувствительность к хрупкому разрушению. Выделение 0-фазы сопровождается снижением пластичности и вяз­ кости.

Достоинством дуралюминов является их высокая удельная проч­ ность, благодаря чему они широко используются в самолетостроении, недостатком — их пониженная коррозионная стойкость. Для защиты от коррозии дуралюминий плакируют чистым алюминием либо под­ вергают электрохимическому оксидированию. При этом прочность плакированного или анодированного сплава незначительно снижает­ ся, зато коррозионная стойкость резко возрастает.

Высокопрочные сплавы В относятся к системе А1—Zn—Mg—Си и отличаются высокими значениями о„, достигающими 700 МПа. В хо­ де дисперсионного твердения выделяются сложные фазы интерметаллидов (MgZn, CuMgAl2, Mg3Zn3Al2). Пластичность сплавов невы­ сокая (5 = 7... 12 %), но она может быть увеличена путем повышения температуры старения до 170 °С. В этом случае наблюдается укрупне­ ние и коагуляция дисперсных фаз.

КовочныесплавыАКотличаются высокой пластичностью. По соста­ ву это дуралюмины, но с добавкой кремния. После старения в сплаве образуются фазы AlCuMgSi и Mg^i. Из этихсплавов штамповкой при 450...470 °С получаютдетали самолетов и судов. С ростом содержания меди прочность сплавов увеличивается, а пластичность падает.

Литейные алюминиевые сплавы в первом приближении можно раз­ бить на четыре группы: А1—Si, Al—Си, А1—Mgи сложные, содержащие в разной пропорции кремний, медь, магний и другие элементы. При­ меры сплавов из каждой группы были приведены в табл. 6.2.

Принцип маркировки алюминиевых литейных сплавов (ГОСТ 1583-93) несколько отличается от принципа маркировки деформи­ руемых сплавов. Буква А означает, что сплав — алюминиевый литей­ ный, а остальные буквы — элементы сплава: К— кремний; М — медь; Н — никель; Ц — цинк; Су — сурьма; Мг — магний; Кд — кадмий; Мц — марганец. Цифры после букв обозначают среднюю массовую долю соответствующего элемента (в %).

Наиболее широко применяемые литейные сплавы — это сплавы эвтектической системы Al—Si (силумины), обладающие хорошими ли­ тейными свойствами. Они «герметичны», имеют хорошую жидкотекучесть и не склонны к образованию трещин и усадочных дефектов.

стоящей из закалки с 515...535 °С и старения при 150...180 °С, а мар­ ганец, титан и цинк способствуют получению перенасыщенных рас­ творов, что вызывает упрочнение при старении, даже если закалка не применялась. Из силуминов получают корпуса компрессоров, порш­ ни двигателей, головки и блоки цилиндров, крышки и т. д.

Литейные ставы группы Al—Си имеют высокую прочность при по­ вышенных температурах, хорошо обрабатываются резанием и свари­ ваются, но литейные свойства у них низкие, а отливки из них порис­ тые. Добавки титана и марганца благоприятно влияют на их свойства, особенно после термической обработки. Сплавы этой группы приме­ няются для изготовления поршней, литейной оснастки и других высоконагруженных деталей.

Литейные ставы группы Al—Mg обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошо Обрабатываются реза­ нием. Так как в их структуре нет эвтектики, они имеют низкие литей­ ные свойства, отливки из них негерметичны. Примеси железа и крем­ ния резко снижают их пластичность. Эти сплавы склонны к окисле­ нию при плавке. Дополнительное легирование бериллием, титаном и цинком устраняет этот недостаток. Закалка с 530 °С и последующее старение способствуют существенномуповышению прочности. В ос­ новном эти сплавы применяются для оТливкидеталей приборов и де­ талей, работающих в условиях высокой влажности.

6.3. Магнии и его сплавы

Магний имеет низкую плотность (1,73 г/см3); у него гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка, которая не претерпе­ вает превращений до температуры плавления (650 °С).

Выпускается несколько марок чистого магния: Мг96 (99,96 % Mg), Мг95 и Мг90. Примеси железа, кремния, никеля, меди снижают и без того низкую пластичность И коррозионную стойкость. На воздухе нагрев свыше 623 °С приводит к его воспламенению. Склонность к окислению объясняется не только высокой химической активностью магния, но и растрескиванием пленки оксидов, плотность которой выше, чем у чистого магния. Изменение растворимости различных легирующих элементов по мере повышения температуры, показан­ ное на рис. 6.5, свидетельствует о возможности упрочнения сплавов закалкой и старением. Необходимо отметить, что термическая обра­

ботка сплавов затруднена в связи с медленной диффузией примесей. Так, нагрев и выдержка деталей перед закалкой протекают в течение 25...30 ч. По той же причине естественного старения не происходит, требуется нагрев и длительная выдержка при 200 °С. Закалку можно производить, охлаждая детали на воздухе.

0 2 4 6 8 10 12 14..., %

Рис. 6.5. Растворимостьлегирующих элементов

Дополнительного повышения прочности можно добиться термо­ механической обработкой, т. е. пластической деформацией закален­ ных заготовок перед их старением.

Основным достоинством магниевых сплавов является их высокая удельная прочность. Легирование магния алюминием, цинком, мар­ ганцем и дополнительно цирконием, кадмием, церием и неодимом

всочетании с термической обработкой позволяет достичь ств свыше 400 МПа. При этом цирконий, обладая структурным и размерным по­ добием кристаллической решетки, служит хорошим модификатором, а марганец устраняет вредное влияние железа и никеля.

Марки магниевых сплавов, их составы и свойства приведены

втабл. 6.3. Магниевые сплавы легко обрабатываются резанием и хо­ рошо свариваются в защитных средах. Их общие недостатки: низкая коррозионная стойкость, малые модули упругости, склонность к газонасыЩению и воспламенению. Добавки бериллия уменьшают склон­ ность к окислению. Все сплавыделятся на две группы: деформируемые (МА) и литейные (МЛ).

Если в процессе производства в сплавах снижается содержаниежелеза, никеля и меди, то после марки ставят буквы ПЧ — повышен­ ной чистоты (МЛ5ПЧ).

Таблица 6.3

Составы и свойства магниевых сплавов

По мере увеличения содержания алюминия в сплавахгруппы Mg—Al прочность возрастает вначале за счет легирования a -фазы, а затем вследствие появления дисперсной упрочняющей фазы M g ^ . Но бо­ лее 10 % алюминия обычно не вводят, так как резко снижается пла­ стичность сплавов. Термическая обработка сплавов позволяет повысить прочностные характеристики. Из сплавов этой группы штамповкой изготавливают крыльчатки, жалюзи и другие ответственные авиаде­ тали. Присутствие в них марганца обязательно, так как он устраняет вредное влияние железа.

Сплавы группы Mg—Zn относятся к высокопрочным. Фаза MgZn2 упрочняет сплав, но снижает пластичность. Цинк рафинирует и мо­ дифицирует сплав. Кроме того, взаимодействуя с водородом, он спо­ собствует повышению плотности прессованных деталей. Старение после закалки для этих сплавов нежелательно, так как при нем снижа­ ется наклеп и упрочнение за счет выделениядисперсной фазы не ком­ пенсирует этой потери. Сплавы Mg—Zn плохо свариваются, а плавка их затруднена из-за медленного растворения цинка.

Литейные магниевые сплавы близки по составу к деформируе­ мым. Отливки из них характеризуются грубозернистой структурой, что отрицательно сказывается на механических характеристиках. Применение чистых исходных материалов, перегрев расплава, вы­