коля / u_course

важна однородность цвета поверхности полуфабрикатов. Во избежание образования пятен от масла и технологических смазок детали перед термообработкой очищают.

3.7.Свойства алюминия

В1808 г. английский ученый Дэви предположил, что в состав особой глины входит новый металл. Он и дал ему название «алюминий». В России в XIX в. алюминий называли «глинием». В 1825 г. датчанин Эрстед получил первые крупицы чистого алюминия.

Вземной коре содержится 8,8 % алюминия. Атомный номер алюминия – 13. Температура плавления равна 660 оС, температура кипения составляет 2520 оС. Алюминий имеет ГЦК решетку. Металл не полиморфный. При комнатной температуре его плотность равна 2,7 г/см3. Удельная теплопроводность при 20 оС равна 221,5 Вт/ (м·К). Удельное электросопротивление при 20 оС составляет 0,0262 мкОм·м. Модуль нормальной упругости равен 71 ГПа.

Алюминий высокой чистоты (прокатанный и отожженный) имеет

низкую прочность (σв = 60 МПа) и высокую пластичность (δ = 40 %). Электропроводность алюминия чистотой 99,997 % составляет 65,5 %

от электропроводности меди. Примеси и легирующие элементы в той или иной степени уменьшают электропроводность алюминия (рис. 3.15). Особенно сильно повышают электросопротивление алюминия марганец, ванадий, хром и титан, мало влияют никель, кремний, цинк, железо и медь.

ВРоссии первичный алюминий производят по ГОСТ11069-2001. Выпускают алюминий высокой и технической чистоты. Основные примеси в алюминии – это железо и кремний. Железо не растворяется в алюминии. При очень малых его содержаниях в структуре алюминия появляется эв-

тектика Al + Al3Fe. Содержание Al3Fe выделяется в виде игл, которые являются местами надреза в металле, поэтому железо снижает пластические свойства алюминия. Кроме того, железо уменьшает также и коррозионную стойкость алюминия. Кремний присутствует в сплавах алюминия в свободном состоянии. Растворяясь в алюминии, кремний немного упрочняет его, незначительно снижая пластические свойства. Алюминиевый сплав, содержащий 10–12 % кремния, остается достаточно пластичным.

Промышленный алюминий является тройным сплавом Al–Fe–Si, в котором образуются два тройных соединения α (Al–Fe–Si) и β (Al–Fe–Si).

120

Фазы α и β обладают высокой хрупкостью и снижают коррозионную стойкость алюминия и его пластичность.

χ , м/(Ом·мм2)

Алюминий – парамагнитный металл, кроме того, он является химически активным металлом. Однако с поверхности он легко покрывается оксидной пленкой Al2О3, которая защищает его от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. Оксид алюминия имеет удельный объем, близкий к удельному объему алюминия, поэтому оксидная пленка плотная.

Благодаря защитному действию оксидной пленки, алюминий устойчив на воздухе даже в условиях чрезвычайно влажного и переменного климата. При обычных температурах алюминий не взаимодействует с водой, парами воды, СО, СО2, при достаточно высоких температурах он реагирует с ними. Энергичное взаимодействие алюминия с парами воды начинается с 500 оС и резко ускоряется при его плавлении.

Растворимость водорода в алюминии увеличивается с повышением температуры. Алюминий устойчив в тех средах, которые не разрушают защитную оксидную пленку. Так, соли не действуют на алюминий. Сернистый газ, аммиак, сероводород, содержащиеся в атмосфере промышленных районов, мало влияют на стойкость алюминия на воздухе. Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью в морской воде. Скорость коррозии алюминия резко возрастает в присутствии в воде примесей щелочей, солей ртути, меди, ионов хлора. Алюминий способен поглощать нейтроны.

121

3.8. Алюминиевые сплавы

Наиболее широко в качестве легирующих элементов применяют медь, магний, марганец, цинк, кремний, а в последнее время и литий, но пока в ограниченных масштабах. Кроме основных шести известно еще около двух десятков легирующих добавок. В промышленности используют около 55 марок алюминиевых сплавов.

Различают деформируемые и литейные алюминиевые сплавы (рис. 3.16). Из деформируемых алюминиевых сплавов получают полуфабрикаты и изделия методами обработки металлов давлением (прокаткой, прессованием, ковкой, штамповкой и т.д.).

Литейные сплавы предназначены для фасонного литья. Кроме этого, методами порошковой металлургии изготавливают спеченные алюминиевые порошки (САПы) и спеченные алюминиевые сплавы (САСы), а также гранулируемые алюминиевые сплавы. Заготовки, полученные методами порошковой металлургии, затем подвергают обработке давлением, поэтому порошковые алюминиевые сплавы следует рассматривать как разновидность деформируемых.

Деформируемые и литейные сплавы можно разделить на термически упрочняемые и термически не упрочняемые (рис. 3.16). В свою очередь термическое упрочнение может достигаться закалкой с последующим естественным и искусственным старением.

Все применяемые в промышленности сплавы можно также разбить по системам, в которых основные легирующие компоненты будут определять типичные для данной системы физические и химические свойства. Рассмотрим алюминиевые сплавы по следующей классификации: деформируемые, автоматные (для обработки резанием на автоматических станках), литейные, специальные.

Деформируемые сплавы

В промышленности используют термически не упрочняемые и упрочняемые термообработкой деформируемые алюминиевые сплавы.

они обладают повышенной по сравнению с алюминием, прочностью, высокой пластичностью и технологичностью, высокой коррозионной стойко-

122

стью, хорошо свариваются. Из сплавов этой системы получают в основном листовую продукцию и в меньшей степени трубы.

Марганец образует с алюминием ряд соединений. Наиболее богатое алюминием соединение Al6Mn образует с ним эвтектику, содержащую 1,95 % Мn, кристаллизующуюся при 658,5 оС (рис. 3.17). Для алюминиевой части диаграммы состояния А1–Мn характерны:

▪очень небольшой температурный интервал кристаллизации пер-

вичного твердого раствора на основе алюминия (α-фазы), составляющий всего 0,5–1 оС.

▪довольно высокая растворимость марганца в алюминии при эвтек-

тической температуре, составляющая 1,4 % Мn, и резкое ее уменьшение в интервале 550–450 оС, охватывающем весь диапазон температур нагрева под закалку промышленных алюминиевых сплавов.

Сплав АМц, несмотря на переменную растворимость марганца в алюминии, термообработкой не упрочняется. Нагревом до 640–650 оС и быстрым охлаждением в сплаве АМц можно получить пересыщенный твердый раствор марганца в алюминии, который распадается при последующих нагревах. Однако даже начальные стадии распада твердого раствора не сопровождаются заметным повышением прочности, что объясняется, по-видимому, относительно невысокой концентрацией марганца в твер-

123

дом растворе и недостаточной дисперсностью выделений фазы (Al6Mn) или промежуточной фазы А112Мn.

Конечной термической обработкой сплава АМц обычно является рекристаллизационный отжиг. Очень высокая пластичность сплава дает возможность значительно упрочнить его холодной деформацией. Листы из сплава АМц выпускают в мягком и полунагартованном состояниях (АМцМ и АМцН2), редко – в нагартованном (Н) (табл. 3.9). Мягкие полуфабрикаты получают отжигом нагартованного материала. Марганец сильно повышает температуру рекристаллизации алюминия. При введении в

алюминий 1,3 % Мn температуры начала и конца рекристаллизации составляют 400 и 450 оС соответственно по сравнению с 200 и 220 оС для технически чистого алюминия, поэтому сплав АМц отжигают при более высоких температурах (450–470 оС), чем алюминий.

Малая скорость диффузии марганца в алюминии приводит к сильно выраженной внутридендритной ликвации. Нагрев под горячую прокатку из-за малой скорости диффузии марганца в алюминии также не приводит к выравниванию концентрации твердого раствора, и после горячей и холодной прокатки неоднородность по химическому составу сохраняется. В свою очередь, неоднородность по составу усиливает неравномерность поля внутренних напряжений по объему металла. В итоге рекристаллизация начинается в небольшом числе центров, из которых зерна успевают вырасти до больших размеров, прежде чем начнется рекристаллизация в остальных объемах.

Величину рекристаллизованного зерна можно уменьшить быстрым нагревом нагартованного материала до температуры, превышающей температуру рекристаллизации во всех микрообъемах, гомогенизацией слитка и рациональным легированием.

Легирование сплава АМц титаном приводит к измельчению рекристаллизованного зерна. Марганец взаимодействует с алюминием по эвтектической реакции, а титан – по перитектической, вследствие чего эти элементы ликвируют в разных направлениях: марганец обогащает периферию дендритных ветвей, а титан – их центр. В результате этого легирование твердого раствора по сечению дендрита выравнивается, что ведет к более равномерной деформации и рекристаллизации. Рекристаллизованные зерна

124

зарождаются сразу в большом числе центров и возникает мелкозернистая структура.

Сплавы системы А1–Мg (АМг). На диаграмме состояния системы А1–Мg (рис. 3.18) видно, что наиболее близкое к алюминию соединение β(Al3Mg2) образует с твердым раствором на основе алюминия эвтектику.

Химический состав сплавов системы А1–Мg дан в табл. 3.10.

Рис. 3.18. Диаграмма состояния системы Al–Mg

Таблица 3.10

Средний химический состав промышленных сплавов системы Al–Mg*

*Основа – алюминий.

Магний существенно упрочняет алюминий. Каждый процент (по массе) магния повышает прочность алюминия примерно на 30 МПа. Относительное удлинение сохраняется достаточно высоким (до 11-12 % Мg). Сплавы, содержащие до 8 % Мg, термически не упрочняются. Лишь при

125

содержании более 8 % Мg сплавы системы А1–Мg упрочняются в результате термической обработки. Однако деформируемые сплавы с таким содержанием магния не находят применения. При повышенной концентрации магния (более 6 %) резко ухудшается коррозионная стойкость, сплавы становятся склонными к коррозии под напряжением. Причиной этого является образование по границам рекристаллизованных зерен ободков выделений β-фазы.

Чтобы улучшить свойства, сплавы системы А1–Мg дополнительно легируют марганцем, хромом, титаном и ванадием. Марганец и хром упрочняют сплавы этой системы; 0,3–0,5 % Мn или 0,1–0,2 % Сr увеличивают временное сопротивление на 20–25 МПа.

Основное назначение малых добавок титана – улучшить свариваемость сплавов. Титан, обусловливая резкое измельчение зерна в наплавленном металле, уменьшает склонность сплавов к образованию трещин при сварке и улучшает механические свойства сварных соединений.

Большое влияние на свойства сплавов системы А1–Мg оказывают ничтожно малые количества натрия (тысячные доли процента). При кристаллизации натрий оттесняется растущими ветвями дендритов алюминия

вмеждендритные пространства, которые сильно обогащаются натрием. На

границах дендритов возникают прослойки из чистого натрия с температурой плавления 96 оС. Поэтому сплавы типа АМг, загрязненные натрием, оказываются склонными к горячеломкости.

Натрий можно нейтрализовать кремнием, который образует тройное соединение с достаточно высокой точкой нонвариантного равновесия с сопутствующими фазами. Однако в сплавах с большим содержанием магния нет свободного кремния. Поэтому сплавы системы А1–Мg наиболее чувствительны к примеси натрия. При изготовлении полуфабрикатов ответственного назначения, например, листов из сплава АМг6, содержание Nа

всплаве необходимо ограничивать.

Отрицательно влияют на свойства сплавов АМг также железо и медь. Медь несколько повышает прочностные свойства сплавов, но снижает коррозионную стойкость и свариваемость, поэтому содержание меди в сплавах типа АМг не должно превышать 0,05–0,1%.

Ценность сплавов системы А1–Мg определяется сочетанием удовлетворительной прочности, высокой пластичности (табл. 3.11), очень хорошей коррозионной стойкости и свариваемости. Все эти качества обусловили широкое применение алюминиево-магниевых сплавов для сварных конструкций. Особенно велико значение сплава АМг6 – наиболее прочного из числа термически не упрочняемых сплавов.

Недостаток сплавов системы А1–Мg – относительно низкий предел текучести. Чтобы повысить его, сплавы АМг5, особенно АМг6, все чаще подвергают холодной деформации на 20–30 %.

126

Таблица 3.11

Типичные механические свойства сплавов системы Al–Mg

*Нагартованный повышенной прочности (ПП).

В последние годы к сплавам системы А1–Мg добавляют малые добавки скандия (Sc), что способствует резкому увеличению прочности. В производство внедрен сплав 01570, листы которого после отжига имеют следующие механические свойства: σв, = 400–420 МПа; σ0,2 = 300–320 МПа;

δ = 14–18 %.

и старение) алюминиевого сплава с медью и магнием (4,0 % Сu; 0,5 % Мg 0,5 % Мn), который позднее получил название дуралюмина. В табл. 3.12 приведен состав дуралюминов.

Таблица 3.12

Средний состав промышленных дуралюминов*

*Основа – алюминий.

127

Все дуралюмины (сплавы на основе системы А1–Сu–Мg с добавками марганца), применяющиеся в настоящее время в промышленности, можно разделить на четыре подгруппы:

▪классический дуралюмин (Д1);

▪дуралюмин повышенной прочности (Д16), отличающийся от Д1 более высоким содержанием магния;

▪дуралюмины повышенной жаропрочности (Д19, ВАД1 и ВД17), главным отличием которых от Д1 является увеличенное отношение Мg/Сu;

▪дуралюмины повышенной пластичности (Д18, В65), которые отличаются от Д1 пониженным содержанием всех или некоторых компонентов.

Алюминиевый угол системы Al–Cu–Mg дан на рис. 3.19.

а

б

Рис. 3.19. Алюминиевый угол системы Al–Cu–Mg: а – изотермическое сечение при 200 оС; б – политермическая кривая максималь-

ной растворимости Cu и Mg в Al; 1 – В65; 2 – Д18; 3 – Д1; 4 – Д16, Д16ч; 5 – Д19

Дуралюмины содержат неизбежные примеси железа и кремния. Для получения лучших механических свойств соотношение приме-

сей железа и кремния в дуралюминах, близкое 1:1, более предпочтительно, чем значительное превышение одной примеси над другой, особенно железа над кремнием.

128

На практике очень часто соотношение примесей железа и кремния в дуралюминах регулируют с целью улучшения их литейных свойств. Так, в сплаве Д1, в котором допускается наиболее высокое содержание примесей железа и кремния (до 0,7 % каждой), обычно поддерживают некоторое превышение кремния над железом (0,5–0,6 % Si; 0,3–0,4 % Fе).

Изделия из дуралюмина обычно подвергают закалке и в большинстве случаев естественному старению. Отличительная особенность термической обработки дуралюминов – необходимость жесткого соблюдения рекомендованной температуры нагрева под закалку.

Допустимые колебания температуры нагрева под закалку, особенно высокопрочных дуралюминов (Д16, Д19, ВАД1), очень невелики: для Д1 – 495–510 оС; для Д19 – 495–505 оС; для Д16 – 492–500 оС. Это связано с тем,

что температуру нагрева под закалку для максимального растворения упрочняющих фаз выбирают очень близкой к температуре плавления эвтектик, но ниже ее.

Нагрев под закалку до температуры выше допустимых пределов может привести к оплавлению легкоплавких структурных составляющих (эвтектик) по границам зерен, что сопровождается окислением металла и образованием при последующей кристаллизации жидкой фазы усадочной пористости. Даже начальные стадии пережога вызывают снижение усталостной прочности, коррозионной стойкости и пластичности материала, а затем (при большой степени пережога) и прочности. Структура дуралюмина после нормальной закалки и при пережоге показана на рис. 3.20. Для обнаружения пережога, который является неисправимым браком, после закалки изделий из дуралюмина обычно контролируют их микроструктуру.

Рис. 3.20. Микроструктура закаленного дуралюмина, х 250: а – нормальная закалка; б – пережог

При закалке дуралюминов важно обеспечить высокую скорость охлаждения. Даже незначительный распад твердого раствора с выделением промежуточных интерметаллидных фаз по границам зерен, влияет на ме-

129