Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Прикладное материаловедение металлы и сплавы. Учебное пособие
.pdf
1.2. Алюминий и его сплавы
370 оС. Ковка и штамповка могут проводиться как на молотах,
так и на прессах. Допустимая деформация за один нагрев составляет соответственно 50 и 60–70 %.
Жаропрочные сплавы применяют для изготовления деталей
поршневых двигателей (поршни, лопатки, крыльчатки, колеса
компрессора, воздухозаборники и др.), длительно работающих
при температурах до 200–250 оС.
Сплавы АК4–1, АК-1ч применяются как основной конструкционный материал для самолетов (плиты, листы, прессованные и кованые полуфабрикаты) с длительным ресурсом
работы при температурах до 150 °C.
Сверхлегкие алюминиево‑литиевые сплавы
Одним из важнейших требований к материалам, работающим в области самолето- и ракетостроения, является снижение полетной массы машин. Решение этой задачи подтолкнуло
конструкторов к созданию алюминиевых сплавов с добавками лития, как самого легкого из металлов (r = 0,53 г/см 3). Так
появился новый класс перспективных сплавов — сверхлегкие
алюминиево-литиевые сплавы, сочетающих в себе малую плотность, повышенный модуль упругости, достаточно высокую
прочность и коррозионную стойкость. Их применение очень
актуально в аэрокосмической технике, т. к. позволяет создавать летательные аппараты меньшей массы и с более высокими летными характеристиками (дальность, грузоподъемность,
экономичность).
Литий растворим в алюминии ограничено (до 4,2 мас. % при
600 оС). Каждый процент лития снижает плотность алюминиевого сплава на 3 %, повышает модуль упругости на 6 % и обеспечивает значительное упрочнение при закалке и искусственном старении.
В настоящее время разработаны сплавы систем Al-Cu-Li
(ВАД23) и Al-Mg-Li (01420), а также режимы их упрочнения
при термической обработке. В сплавах этого типа при искус-
31
I. Цветные металлы и сплавы на их основе
ственном старении достигается большее упрочнение, чем при
естественном старении. Сплавы имеют прочность, близкую
к прочности дуралюминов (sВ»400 МПа), но значительно меньшую плотность. Они обладают высокой технологической пластичностью, особенно при деформации. Из них могут быть получены все виды деформированных полуфабрикатов, включая
фольгу.
Сплавы системы Al-Mg- Li являются самыми легкими
из известных алюминиевых сплавов (на 12 % легче сплава Д16
и на 15 — сплава В95). Такое существенное снижение плотности объясняется тем, что оба легирующих элемента легче
алюминия. Выделением, влияющим на упрочнение Al-MgLi-сплава 01420 при старении, является Al3Li (d-фаза). Сплав
1420 и его сварные соединения обладают высокими антикоррозионными свойствами, близкими к свойствам сплава АМr6
системы Al-Mg.
Известно, что модуль упругости сплавов обычно изменяется приблизительно аддитивно в зависимости от модуля упругости компонентов и их содержания в сплаве. Сплавы Al-Mg-
Li имеют аномально высокий модуль упругости: на 4 % выше,
чем у дуралюмина, хотя модуль упругости самого лития крайне
низкий. Благодаря сочетанию низкой плотности, высокого модуля упругости, коррозионной стойкости и хорошей свариваемости применение сплавов Al-Mg-Li в аэрокосмической технике непрерывно расширяется.
1.2.2.2. Литые алюминиевые сплавы
Литые алюминиевые сплавы имеют буквенно-цифровую
маркировку, в которой первая буква «А» означает металлическую основу сплава (алюминий), последующие буквы — основные легирующие компоненты («К» — кремний, «М» — медь,
«Ц» — цинк, «Мг» — магний, «Кд» — кадмий и др.), а цифры —
среднее содержание компонентов. Одновременно может ис-
32
1.2. Алюминий и его сплавы
пользоваться и старая маркировка сплавов, которая включает буквы «АЛ» (алюминиевый литейный) и порядковый номер.
Из этих сплавов получают фасонное литье отливкой в земляные или металлические формы, либо применяют литье под
давлением, поэтому они должны обладать высокой жидкотекучестью, малой склонностью к образованию горячих трещин
и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии. Для обеспечения высокого
уровня литейных свойств необходим минимальный эффективный интервал кристаллизации. Высокими литейными свойствами обладают сплавы с эвтектической структурой. В связи с этим содержание легирующих элементов в литых сплавах
выше, чем в деформируемых. Чаще применяют сплавы Al-Si,
Al-Cu, Al-Mg, Al-Cu-Si и др., которые дополнительно легируют небольшим количеством меди и магния, кремния, марганца,
никеля, хрома. Для измельчения зерна, а следовательно, улучшения механических свойств в сплавы вводят модифицирующие добавки титана, циркония, бора, ванадия и др.
Литые алюминиевые сплавы обладают высокой склонностью
к окислению и насыщению водородом, что приводит к таким
видам брака в отливках, как газовая пористость, шлаковые и оксидные включения. Поэтому при разработке технологии плавки и изготовлении фасонных отливок любым из способов литья
необходимо учитывать особенности отдельных групп алюминиевых сплавов.
Многие отливки из алюминиевых сплавов подвергают термической обработке. В зависимости от характера отливки и условий ее работы используют один из видов термической обработки.
Режим 1. Искусственное старение при 175±5 оС в течение
5–20 часов без предварительной закалки. При литье многих
сплавов (АЛ3, АЛ4, АЛ5) в сырую песчаную форму или кокиль
происходит частичная закалка, поэтому старение повышает их
прочность и улучшает обработку резанием.
33
I. Цветные металлы и сплавы на их основе
Режим 2. Отжиг при ~300 оС в течение 5–10 часов. Охлажде-
ние при отжиге производят на воздухе. Отжиг применяют для
снятия литейных напряжений, а также остаточных напряжений, вызванных механической обработкой. Отжиг несколько
повышает пластичность.
Режимы 3 и 4. Закалка и естественное старение. Температура закалки 510–520 оС для сплавов АЛ1, АЛ7 и 535–545 оС для
сплавов АЛ4, АЛ9, АЛ19 и др. Так как после закалки отливки выдерживают достаточно длительное время при комнатной
температуре, данный режим практически соответствует закалке и естественному старению.
Режим 5. Закалка и кратковременное (2–3 ч) искусственное
старение обычно при 150–175 оС. При данной температуре и продолжительности процесс старения полностью не заканчивается,
поэтому после такой обработки отливки приобретают высокую
прочность при сохранении повышенной пластичности.
Режим 6. Закалка и полное искусственное старение при
200 оС в течение 3–5 часов. Старение при повышенной температуре по сравнению с предыдущим режимом придает наибольшую прочность, но пластичность при этом снижается.
Режим 7. Закалка и стабилизирующий отпуск при 230 оС для
сплавов АЛ9, АЛ5, АЛ1 и при 250 оС для сплава АЛ19 — в течение 3–10 часов. Этот вид обработки используют для стабилизации структуры и объемных изменений отливки при сохранении достаточной прочности.
Режим 8. Закалка и смягчающий отпуск при 240–260 оС в те-
чение 3–5 часов. Высокая температура отпуска заметно снижает
прочность, но повышает пластичность и стабильность размеров.
Сплавы Al–Si (силумины)
Представителями силуминов являются сплавы системы
Al-Si, содержащие 10–13 % кремния (табл. 8). Хорошие литейные свойства (высокая жидкотекучесть, малая усадка, низкая склонность к горячим трещинам, высокая плотность от-
34
1.2. Алюминий и его сплавы
ливок и др.), объясняемые наличием в их структуре большого
количества эвтектики, а также удовлетворительные механические и технологические характеристиками делают эти сплава
очень распространенными.
Таблица 8
Химический состав и типичные механические свойства
некоторых силуминов
Вид тер-
Содержание элемента, мас. %
Марка
сплава
Mg Si Mn
АЛ2 – 19–13 – – 2 176,5 88 5
АЛ4 0,17–0,3 8–10,5 0,25–0,5
АЛ9 0,2–0,4 6–8 –
др. эле-
менты
Ј0,15 Ti
Ј0,1 Be
Ј0,15 Ti
Ј0,1 Be
миче-
ской об-
работки,
номер
режима
Механические
1
176,5
6
4
5
свойства
s
Вs0,2
МПа
255
196
216
d,
%
137
19624
137
15753
Среди силуминов наиболее распространен сплав АЛ2, содержащий 10–13 % Si и обладающий высокой коррозионной
стойкостью. Этот сплав содержит в своей структуре эвтектику a+Si и нередко — первичные кристаллы кремния (рис. 5, а).
Кремний при затвердевании эвтектики выделяется в виде
грубых кристаллов игольчатой формы, которые играют роль
внутренних надрезов в пластичном a-твердом растворе. Такая структура обладает низкими механическими свойствами
(рис. 5, а).
Для измельчения структуры эвтектики и устранения избыточных кристаллов кремния силумины модифицируют натрием
(0,05–0,08 %) путем присадки к расплаву смеси солей 67 % NaF
и 33 — NaF. В присутствии натрия происходит смещение линий
диаграммы состояния Al–Si и заэвтектический (эвтектический)
сплав АЛ2 (11–13 % Si) становится доэвтектическим (рис. 6).
В этом случае в структуре сплава вместо избыточного кремния появляются кристаллы a-раствора (рис. 5, б). Эвтектика
35
I. Цветные металлы и сплавы на их основе
приобретает более тонкое строение и состоит из мелких кристаллов b (Si) и a-твердого раствора. В процессе затвердевания
кристаллы кремния обволакиваются пленкой силицида натрия
(Na2Si), которая затрудняет их рост. Такие изменения структуры улучшают механические свойства сплава (рис. 5, б).
Рис. 5. Микроструктура силумина (х250):
а — до модифицирования (заэвтектический сплав);
б — после модифицирования (доэвтектический сплав)
Сплав АЛ2 не подвергают упрочняющей термической обработке. Доэвтектические сплавы АЛ4 и АЛ9, дополнительно легированные магнием, могут упрочняться кроме модифицирования термической обработкой. Упрочняющей фазой служит
Mg2Si. При одновременном введении магния и меди могут образовываться фазы CuAl2 и AlXMg5Cu4Si4 (W-фаза), которые содействует эффекту упрочнения литых сплавов при старении.
Силумины могут содержать малые добавки и других легирующих элементов. Так титан и цирконий измельчают зерно
силуминов. Марганец повышает антикоррозионные свойства.
Никель и железо повышают жаропрочность.
36
1.2. Алюминий и его сплавы
Рис. 6. Диаграмма состояния Al-Si
Средненагруженные детали из сплава АЛ4 подвергают только искусственному старению (режим 1), а крупные нагруженные детали ответственного назначения (корпуса компрессоров,
картеры, блоки и поршни цилиндров и др.) — закалке и искусственному старению (режим 6). Когда важна высокая пластичность и стабильность размеров, после закалки производят отпуск при 250 оС в течение 3–5 часов.
Силумины марок АЛ2, АЛ4, АЛ9 обладают высокой жидкотекучестью, хорошей герметичностью, достаточной механической
прочностью, хорошо обрабатываются резанием и свариваются, хорошо сопротивляются коррозии и устойчивы к образованию горячих трещин. Сплав АЛ2 применяется для изготовления тонкостенных деталей сложной формы при литье в землю.
Из него делают корпуса различных агрегатов и приборов. Сплав
АЛ9 применяется для изготовления деталей средней нагруженности, но сложной конфигурации (тонкостенные отливки слож-
37
I. Цветные металлы и сплавы на их основе
ной формы), а также для деталей, подвергающихся сварке. Силумины сравнительно легко обрабатываются резанием. Заварку
дефектов можно проводить газовой и аргонодуговой сваркой.
Разновидность силуминов — цинковые силумины — по своим
литейным свойствам не уступают обычным силуминам. Преимуществом их является то, что высокие механические свойства
достигаются не в результате термической обработки, а путем
легирования силумина цинком, вызывающим самопроизвольное упрочнение сплава. Используется этот сплав для изготовления отливок сложной формы картеров, блоков двигателей
внутреннего сгорания.
Сплавы Al–Сu
Сплавы системы CuAl
(АЛ7, АЛ12, АЛ19) после термиче-
2
ской обработки имеют высокие механические свойства при
комнатной и повышенной температурах и хорошо обрабатываются резанием (табл. 9).
Таблица 9
Химический состав и типичные механические свойства
некоторых сплавов системы Al–Cu
Механические
свойства
s
Вs0,2
МПа
235
255
314
353
d,
%
157
19673
177
24595
Содержание элемента, мас. %
Марка
сплава
Cu Mn
АЛ7 4–5 –
АЛ19 4,5–5,3 0,6–1,0 0,15–0,35 Ti
др.
элементы
Ј0,2 Ti
Вид термиче-
ской обработ-
ки, номер ре-
жима
4
5
4
5
Но их литейные свойства (большая усадка, склонность к образованию горячих трещин и др.) и коррозионная стойкость
низкие. Сплав АЛ7 используют для отливки небольших деталей простой формы (арматура, кронштейны, головки цилиндров маломощных двигателей воздушного охлаждения и т. п.).
38
1.2. Алюминий и его сплавы
Этот сплав склонен к хрупкому разрушению вследствие выделения по границам зерен грубых частиц CuAl2 и Al7Cu2Fe, поэтому его применяют в закаленном состоянии (режим 4), когда
эти соединения переведены в твердый раствор. Если от отливок требуется повышенная прочность, то после закалки их подвергают искусственному старению при 150 оС в течение 2–4 часов (режим 5).
В сплаве АЛ19, кроме CuAl2, образуются фазы Al12Mn2Cu
и Al3Ti, располагающиеся по границам зерен твердого раствора. Присутствие в твердом растворе марганца и образование
по границам интерметаллидных фаз повышают жаропрочность
сплава. Титан измельчает зерно. Упрочнение сплава достигается закалкой и старением при 175 оС в течение 3–5 часов (режи‑
мы 5 и 6). Отливки из сплавов CuAl
по причине низкой корро-
2
зионной устойчивости защищают анодированием.
Сплавы Al-Mg
Сплавы системы Al-Mg (АЛ8, АЛ13, АЛ27, АЛ22, АЛ29)
имеют низкие литейные свойства, т. к. не содержат эвтектики (табл. 10).
Таблица 10
Химический состав и типичные механические свойства
некоторых сплавов системы Al-Mg
Содержание элемента, мас. %
Марка
сплава
Mg др. элементы МПа
АЛ8 9,5–11,5
АЛ27 9,5–11,5
Ј0,07 Ti; Ј0,07 Be; Ј0,2 Zr
0,05–0,15 Ti; 0,05–0,22 Zr;
0,05–0,15 Be;
Вид тер-
мической
обработ-
ки, номер
режима
5 343 167 10
4 353 176 18
Механиче-
ские свойства
s
Вs0,2
d,
%
Их характерной особенностью является хорошая коррозионная стойкость, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием. Добавление к сплавам 9,5–11,5 % Mg
39
I. Цветные металлы и сплавы на их основе
и других модифицирующих добавок (Ti, Zr) улучшает механические свойства сплавов, а добавка бериллия уменьшает окисляемость расплава, что позволяет вести плавку без защитных
флюсов.
Сплавы АЛ8 и АЛ27 предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере, например в судостроении и авиации. Структура сплавов состоит из a-твердого раствора
и грубых включений частиц Al3Mg2, которые располагаются
по границам зерен, охрупчивая сплав. В связи с этим сплавы
АЛ8 и АЛ27 применяют после закалки при 430 оС с охлаждением в масле при 40–50 оС и выдерживают при температуре закалки в течение 12–20 часов, что обеспечивает растворение частиц Al3Mg2 в a-твердом растворе и получение после закалки
однородного твердого раствора. Добавление к сплавам Al-Mg
до 1,5 % Si (сплавы АЛ13, АЛ22) улучшает литейные свойства
в результате образования тройной эвтектики.
Сплавы этой системы применяют в судостроении и авиации.
Так из наиболее распространенных сплавов АЛ8 и АЛ13 изготавливают подверженные коррозионным воздействиям детали морских судов и детали, работающие при высоких температурах (головки цилиндров мощных двигателей воздушного
охлаждения).
Жаропрочные алюминиевые сплавы
Большое влияние на жаропрочность литейных алюминиевых
сплавов оказывают скорость кристаллизации отливок и режим
термической обработки, которые могут сильно изменять фазовый состав, величину и характер расположения структурных
составляющих в деталях. Изменяя те или иные технологические параметры, можно воздействовать как на структурные, так
и на физико-химические характеристики сплава, что в определенных пределах обусловливает изменение его жаропрочности.
На жаропрочность алюминиевых сплавов сильно влияют
количество, размеры и характер распределения вторых фаз.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]