Производство отливок из сплавов цветных металлов. Раздел оптимизация состава плавильной шихты. Учебное пособие

Окончание табл. 3.14

* В числителе – в чушке, в знаменателе – в отливке.

** З – литье в песчаные формы, В – по выплавляемым моделям, К – в кокиль, Д – под давлением.

51

Сплавы группы IV отличаются низкой плотностью, высокими прочностными свойствами и коррозионной стойкостью. Их используют для изготовления отливок, испытывающих вибрационные нагрузки. Эти сплавы имеют низкие литейные свойства: повышенную склонность к окислению и образованию усадочных трещин и рыхлот, низкую жидкотекучесть, также они взаимодействуют с влагой литейных форм. Основными структурными составляющими сплавов этой группы являются твердый раствор магния в алюминии Al и двойная эвтектика Al + Al8Mg5 [5, 7].

Для повышения механических свойств и снижения газовыделения при кристаллизации эти сплавы легируют цирконием (0,05…0,20 %), а для предохранения от загорания используют присадки бериллия. Однако бериллий способствует росту зерна, поэтому для нейтрализации отрицательного влияния бериллия сплавы дополнительно легируют титаном в количестве 0,05…0,25 %. Комплексное легирование сплавов этой группы малыми количествами бериллия, титана и циркония позволяет повысить механические и литейные свойства [8, 9]. Сплавы IV группы дополнительно упрочняются при термической обработке.

Сплавы V группы (табл. 3.15) относятся к системам Al–Si–Zn (АК7Ц9 и АК9Ц6) и Al–Zn–Mg (АЦ4Мг).

Таблица 3.15

Химический состав алюминиевых литейных сплавов по ГОСТ 1583–93 (сплавы группы V на основе системы Al – прочие компоненты)

52

Окончание табл. 3.15

* В числителе – в чушке, в знаменателе – в отливке; ** З – литье в песчаные формы, В – по выплавляемым моделям, К – в кокиль, Д – под давлением.

Сплав АК7Ц9 содержит 6…8 % кремния и 7…12 % цинка. Поскольку цинк растворяется в твердом растворе на основе алюминия Al, то присутствие кремния определяет его как цинковистый силумин. Как силумин сплав обладает хорошими литейными свойствами, а наличие цинка, входящего в твердый раствор Al, повышает его механические свойства. Сплав АК9Ц6 содержит больше кремния (8…10 %), что обеспечивает ему более высокие литейные свойства. Но он содержит меньше цинка (5…7 %), что обусловливает снижение прочностных свойств. Для компенсации этого эффекта сплав дополнительно легирован небольшими количествами марганца, меди и железа.

Сплав АЦ4Мг разработан на базе системы алюминий – цинк – магний. Легирующие элементы хорошо растворяются в твердом алюминии, что обеспечивает его высокие механические свойства. При высоких коррозионных свойствах, хорошей свариваемости и обрабатываемости резанием сплав имеет пониженные литейные свойства. В структуре сплава наряду с основной составляющей – твердым раствором Al присутствуют избыточные фазы Т (Al2Zn3Mg3) и (MgZn2). Добавка марганца (до 0,5 %) образует фазу MnAl6, в которой может растворяться примесь железа (до 0,5 %). Также возможно образование других железосодержащих фаз ((Fe, Mn)Al3 или AlMnFeSi).

53

В сплаве АК7Ц9 основными примесями являются Fe, Mn и Cu, в сплаве АК9Ц6 – Ni и Pb с Sn, а в сплаве АЦ4Мг – Fe, Cu, Si, а также Be и Zr (см. табл. 3.15).

3.2.2. Сплавы алюминиевые деформируемые

Согласно ГОСТ 4784–2019 алюминиевые сплавы, предназначенные для обработки давлением, классифицируются на 42 марки. Они предназначены для изготовления из литых заготовок методом последующей горячей или холодной деформации полуфабрикатов в виде лент, листов, плит, полос, прутков, профилей, шин, труб, проволоки и поковок. По химическому составу они подразделяются на пять групп.

Первую группу образуют сплавы, созданные на основе систем алюминий – медь – магний и алюминий – медь – марганец (табл. 3.16).

Таблица 3.16

Алюминиевые сплавы систем алюминий – медь – магний и алюминий – медь – марганец по ГОСТ 4784–2019

54

В первой группе сплавов алюминий – медь – магний (Д1, Д16, Д16ч, В65, Д18, Д19 и Д19ч), называемых дуралюминами, основным легирующим элементом является медь: в разных марках ее содержится от 2,2…3,0 до 3,5…4,9 %. Массовая доля второго легирующего элемента – магния в низколегированном варианте сплава составляет 0,15…0,80 %, а в высоколегированном варианте достигает 1,2(1,7)…1,8(2,3) %. Для повышения коррозионной стойкости дуралюмины дополнительно легируют марганцем в количестве от 0,3…0,5 до 5…1,0 %. Дуралюмины подергаются термической обработке (закалке и старению). Они имеют высокую прочность, в том числе жаропрочность, и пластичность, но плохую свариваемость.

К алюминий-медь-магниевым относятся также сплавы АК4, АК4-1, АК4-1ч, в которых содержание меди составляет 0,8(0,9)…2, (2,7) % , а магния – 1,2(1,4)…1,8 %. Эти сплавы ле-

55

гированы меньшим количеством железа и никеля – по 0, (0,9)… 1,2(1,4) %, а также кремнием (АК4 и АК4-1ч) и титаном (АК4-1

иАК4-1ч). Такое комплексное легирование обеспечивает этим сплавам повышенную жаропрочность, а также высокие пластические свойства при температурах горячей обработки (380… 450 С).

Основной вредной примесью в дуралюминах является железо. Оно образует с алюминием и марганцем интерметаллид (Mn, Fe) Al6, который снижает прочностные и пластические свойства дуралюминов. Кроме того, железо связывает медь в интерметаллидное соединение CuFeAl, вследствие чего снижается эффект упрочнения сплава при старении, поэтому содержание примеси железа в дуралюминах не должно превышать 0,2…0,7 %. Кремний, обычно присутствующий в них как примесь, уменьшает вредное влияние железа, связывая его в фазу AlFeSi. Однако при небольшом содержании железа кремний снижает эффективность естественного старения, поэтому в сплавах В65, Д16ч,

иД19ч, содержащих 0,2…0,3 % железа, допускается не более 0,20…0,25 % кремния.

Всплавах серии АК4 вредными примесями являются цинк (не более 0,1…0,3 %), марганец (в сплавах АК4 и АК4-1), а также кремний и хром в сплаве АК4-1.

Всплавах алюминий – медь – марганец основным легирующим элементом также является медь. В низколегированном медью сплаве АК6 содержание ее составляет 1,8…2,6 %, в высоколегированных сплавах этой серии АК8 и 1105 – 2,0(3,9)…5,0 %, а в сплаве 1201 – 5,8…6,8 %. Содержание марганца в этих сплавах составляет от 0,2 (0,4) до 0,4 (1,0) %. Сплавы 1201 и 1105 дополнительно легированы соответственно 0,02…0,10 % титана, 0,4…2,0 % магния, а сплавы АК6 и АК8 – кремнием от 0,5 (0,7) до 1,2 % и магнием – от 0,2 (0,4) до 0,8 %.

Сплав АК8, называемый супералюминием, близок по составу к дуралюмину Д1, но дополнительное легирование кремнием обеспечивает ему более высокую пластичность в нагретом состоянии и прочность. Менее легированный сплав АК6 уступает по прочности сплаву АК8, но более пластичен. Суперпрочным вследствие высокого легирования медью является сплав 1201.

56

Вредными примесями во всех алюминий-медь-марганцевых сплавах являются железо и цинк. Кроме того, в сплаве АК6 примесями являются титан (≤ 0,1 %) и никель (≤ 0,1 %), в сплаве АК8 – хром (≤ 0,10 %), титан (≤ 0,15 %) и сумма титана и циркония (≤ 0,20 %), а в сплаве 1105 – никель (≤ 0,2 %), кремний (≤ 3,0 %) и сумма титана, хрома и циркония (≤ 0,20 %).

Вторую группу сплавов системы алюминий – марганец составляют четыре марки – ММ, АМц, АМцС и Д12 (табл. 3.17).

Таблица 3.17

Алюминиевые сплавы систем алюминий – марганец по ГОСТ 4784–2019

В них содержится 1,0…1,4 (1,5) % основного легирующего элемента – марганца. Наиболее представительным для этой группы является сплав АМц, поскольку он легирован только марганцем. Сплавы ММ и Д12 дополнительно легированы магнием в количестве соответственно 0,2…0,6 и 0,8…1,3 %. Сплав АМцС наряду с марганцем легирован кремнием (0,15… 0,35 %) и железом (0,25…0,45 %). Структура этих сплавов состоит из твердого раствора марганца в алюминии и включений интерметаллида MnAl6. Сплавы этой группы не упрочняются термической обработкой, но вследствие обладания высокой пластичностью (до 40 %) поддаются деформационному упрочнению. При этом легирующие элементы измельчают структуру и усиливают эффект упрочнения при пластической деформации.

Примесями во всех сплавах второй группы являются медь (от 0,1 до 0,30 %) и цинк (от 0,1 до 0,25 %). Кремний (≤ 0,3…

57

0,6 %) и железо (≤ 0,7 %) являются примесями в сплавах ММ, АМц и Д12, титан (≤ 0,1 %) – в сплаве АМцС, а хром (≤ 0,1 %) –

всплаве ММ. При этом отношение содержания примесей железа и кремния должно быть больше единицы.

Третью группу сплавов системы алюминий – магний составляют 11 марок (табл. 3.18). Алюминий-магниевые сплавы АМг0,5, АМг1 и АМг1,5, по существу, являются двойными – они содержат только магний в качестве легирующего элемента в количестве соответственно 0,4…0,8, 0,5…1,1 и 1,1…1,8 %. Трехкомпонентными являются сплавы АМг2 и АМг3, которые дополнительно легированы марганцем в количестве 0,1(0,3)…0,6 %, а также сплавы АМг2,5 и Амг3,5, дополнительно легированные хромом в количестве 0,15…0,35 %. Четырехкомпонентными являются сплавы АМг4,0 и АМг4,5, которые наряду с магнием легированы марганцем в количестве 0,2(0,4)…0,7(1,0) % и хромом

вколичестве 0,05…0,25 %. Наиболее легированные (4,8…6,8 %) магнием сплавы АМг5 и Амг6 также являются четырехкомпонентными сплавами, но в них дополнительными легирующими элементами являются марганец в количестве 0,3(0,5)…0,8 %, титан (0,02…0,10 %) и бериллий (0,0002…0,0050 %). Марганец

всплавах третьей группы повышает коррозионную стойкость, бериллий и титан снижают окисляемость расплавов и измельчают литую структуру.

Таблица 3.18

Алюминиевые сплавы систем алюминий – магний по ГОСТ 4784–2019

58

Примесями в сплавах третьей группы являются железо, медь, цинк и кремний (кроме сплава АМг3). В сплаве АМг0,5 ограничивается содержание марганца (≤ 0,2 %), а в сплавах АМг1, АМг1,5 и АМг3,5 также хрома (≤ 0,05…0,10 %). Во многих сплавах (АМг2, АМг3, АМг3,5, АМг4 и АМг4,5) примесью является титан: содержание его не должно превышать 0,1… 0,2 %.

Сплавы третьей группы по структуре являются однофазными сплавами. Только в высоколегированных сплавах АМг5 и АМг6 при отжиге возможно выделение избыточной фазы Al2Mg3, поэтому сплавы этой группы обладают высокой пластичностью и хорошо свариваются. Из них можно изготовлять детали путем холодной штамповки с глубокой вытяжкой.

Четвертую группу составляют сплавы системы алюминий – магний – кремний (табл. 3.19). В этой группе пять марок:

59

АД31, АД31Е, АД33, АД35 и АВ. Содержание магния в них колеблется от 0,35 (0,8) до 0,8 (1,2) %, а кремния – от 0,20 (0,7) до 0,6 (1,3) %. Сплавы АД33, АД35 и АВ дополнительно легированы: АД35 – марганцем (0,4…1,0 %), АД33 – медью (0,15… 0,40 %) и хромом (0,04…0,35 %), АВ – медью (0,1…0,5 %) и марганцем (0,15…0,35 %).

Таблица 3.19

Алюминиевые сплавы систем алюминий–магний–кремний по ГОСТ 4784–2019

Примесями во всех сплавах четвертой группы являются железо (≤ 0,5…0,7 %) и цинк (≤ 0,10…0,25 %). Кроме того, в сплаве АД31 ограничивается содержание меди, марганца, хрома (≤ 0,1 % каждого) и титана (≤ 0,15 %), а в сплаве АД31Е – меди (≤ 0,10 %), марганца и хрома (≤ 0,03 % каждого). В сплаве АД33 наряду с железом и цинком примесями являются марганец и титан (≤ 0,15 % каждого). В сплаве АД35 таковыми являются медь (≤ 0,10 %), хром (≤ 0,25 %) и титан (≤ 0,10 %), а в сплаве АВ – хром (≤ 0,25 %) и титан (≤ 0,15 %).

Сплавы АД31, АД33, АД35 и АВ менее прочны по сравнению с дуралюминами, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состоянии.

Пятую группу образуют сплавы системы алюминий – цинк – магний (табл. 3.20). В группу входят девять марок сплавов.

60