8.1.2. Алюминий и его сплавы.

Алюминий отличают низкая плотность, высокие тепло- и электропроводность, хорошая коррозионная стойкость во многих средах за счет образования на поверхности металла плотной оксидной пленки Al₂O₃. Отожженный технический алюминий (σ_В = 80 МПа,δ= 35%.) упрочняется холодной пластической деформацией. Свойства нагартованного (Н) технического алюминияσ_В = 150 МПа,δ= 6%. Алюминий высокопластичен и легко обрабатывается давлением, однако при обработке резанием возникают осложнения из-за налипания металла на инструмент.

Маркировка и классификация алюминиевых сплавов.

В настоящее время одновременно существуют две маркировки сплавов: старая буквенно-цифровая, и новая – цифровая. (К новой маркировке я отношусь скептически, поэтому давать не буду, изучите сами).

Алюминиевые сплавы подразделяются (в основном) на деформируемые и литейные.

Деформируемые алюминиевые сплавы.

Коррозионностойкие сплавы повышенной пластичностиразделяют на две основные группы:

А) сплавы с добавлением марганца или магния (АМц и АМг6), не упрочняемые термической обработкой. Их используют в отожженном (М), нагартованном (Н), или полунагартованном (П) состояниях. Эти сплавы хорошо свариваются. Их применяют для изготовления коррозионностойких изделий, получаемых методами глубокой вытяжки и сварки (например, сварных бензобаков, топливных, маслянных и воздушных трубопроводов и т.п.).

Б) сплавы системы Al-Mg-Si(АВ, АД31, АД33), упрочняемые закалкой (520…530) и искуственным старением (150…170 С, 10…12 часов). Эти сплавы не склонны к коррозионному растрескиванию под напряжением. В закаленном и состаренном состоянии они удовлетворительно обрабатываются резанием, а также свариваются с помощью точечной, шовной и аргонодуговой сварки. Сплав АВ из данной группы отличается большей прочностью.

Из этих сплавов изготавливают лопасти вертолетов, барабаны колес гидросамолетов, элементы кабин вертолетов.

Сплавы системы Al-Cu-Мg – дуралюмины Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17. Свариваются точечной сваркой, обрабатываются резанием (в термоупрочненном состоянии). Однако склонны к межкристаллической коррозии после нагрева. Значительное повышение коррозионной стойкости сплавов достигается плакированием. Работают до температур 220 С (сплавы Д19 и ВД17 до 250).

В авиации дуралюмины находят самое широкое применение: элементы силового каркаса крыла и фюзеляжа, обшивка дозвуковых самолетов, лопасти воздушных винтов (Д1).

Высокопрочные сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu(В93, В95, В96Ц) благодаря закалке и старению характеризуются большими значениями временного сопротивления (доσ_В=700Мпа). Однако они сильно боятся концентраторов напряжений. Используют для изготовления высоконагруженных элементов конструкции работающих на сжатие. Рабочая температура высокопрочных сплавов не превышает 120 С.

Ковочные сплавыАК6 и АК8 (системыAl-Si-Mg-Cu) обладают высокой пластичностью при горячей обработке давлением. Удовлетворительно свариваются. Хорошо обрабатываются резанием. Для повышения коррозионной стойкости элементы конструкции анодируют (электрохимически оксидируют) или наносят лакокрасочные покрытия.

Из ковочных сплавов изготавливают ковкой и штамповкой детали самолетов, работающие под нагрузкой (лонжероны, рамы, пояса, кронштейны). Эти сплавы способны работать и при криогенных температурах.

Жаропрочные алюминиевые сплавыAl-Cu-Мn(Д20, Д21), и

Al-Cu-Mg-Fe-Ni(AK4-1) применяют для изготовления деталей, работающих при температурах до 330 С (поршни, головки цилиндров, диски и лопатки компрессоров). Легирование достигается за счет легирования никелем и железом, образующие сложнолегированные мелкодисперсные упрочняющие фазы (при закалке с 530 С, старение при 190 С, 8-12ч).

Литейные алюминиевые сплавы.

Основные требования – это сочетание хороших литейных свойств (высокой жидкотекучести, небольшой усадки, малой склонности к образованию горячих трещин и пористости) с оптимальными механическими и химическими свойствами.

Конструкционные герметичные сплавысистемAl-Si(AЛ-2)Al-Si-Mg(АЛ4, АЛ9, АЛ34). Силумины обладают хорошими литейными свойствами, удовлетворительной обрабатываемостью резанием и коррозионной стойкостью. В то же время структура сплава АЛ2, представляющая собой игольчатую грубую эвтектику с включениями кристаллов первичного кремния, не обеспечивает требуемых механических свойств. Термической обработкой этот сплав не упрочняется.

Легированные силумины АЛ4, АЛ9, АЛ34 упрочняются термической обработкой. Эти сплавы используют для изготовления средних и крупных литых деталей (корпусов компрессоров, картеров двигателей внутреннего сгорания). Сплав АЛ34 применяется для отливок, получаемых литьем под давлением (блоков цилиндров автомобильных двигателей), и отличается хорошим комплексом технологических свойств.

Высокопрочные и жаропрочные литейные сплавы.

В эту группу входят сплавы системы Al-Cu-Mn(АЛ19),Al-Cu-Mn-Ni(АЛ33). Легирование сплава АЛ19 титаном обеспечивает ему высокие механические свойства (в том числе и динамическое нагружение) при комнатной и низких температурах, а дополнительное легирование церием и цирконием – жаропрочность при температурах до 350 С. Сплав отличается хорошей обрабатываемостью резанием и свариваемостью, но пониженной коррозионной стойкостью и имеет пониженные литейные свойства. Сплав упрочняется закалкой с 545 С (12ч) и старением при 175 С (3…6ч). Сплав широко используется для литья крупногабаритных отливок в песчаные формы.

Коррозионностойкие литейные алюминиевые сплавы

Сплавы системы Al-Mg(АЛ8, АЛ27) иAl-Mg-Zn(АЛ24) обладают высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, обрабатываются резанием и свариваются. Сплавы (АЛ8, АЛ27) подвергаются закалке в масле без старения. Имеют плохие литейные свойства и низкую (до 80 С) жаропрочность. Жаропрочность сплава АЛ24 сохранияется до 150 С.

Сплавы способны работать в условиях коррозии морской воды вместо дефицитных бронз, латуней и нержавеющих сталей.

Спеченные алюминиевые сплавы (порошковые и гранулированные) характеризуются повышенными механическими и физическими свойствами.

Спеченный алюминиевый порошок (САП) – это материал, полученный холодным, а затем горячим брикетированием ( прессованием под давлением 700 МПа при 500…600 С) предварительно окисленной алюминиевой пудры. Затем из брикетов ковкой, прокаткой или прессованием изготавливают изделия или полуфабрикаты. Поскольку каждая частичка пудры покрыта тонким слоем оксида алюминия, то чем тоньше пудра, тем больше в САПе иоксида алюминия, выше его прочность, но ниже пластичность. В САПе содержится от 6 до 22% Al₂O₃ . САП характеризуется высокой прочностью и жаропрочностью при повышенных температурах (350…500 С).

Разновидностью САПа является сплав СПАК-4 (системы Al-Cu-Mg-Al₂O₃), в котором впервые использовано совместное упрочнение алюминиевой матрицы оксидами (Al₂O₃) и интерметаллидами (например Al₉FeNi) и др.). Обладая высокой длительной прочностью при 350 С (в 2…2,5 раза большей, чем у сплава АК4-1), сплав СПАК4 может применяться для работающих на форсированных режимах поршней.