Материаловедение (куча курсачей) / 67

Вопрос № 67 Алюминий и сплавы на его основе

Алюминии — металл се ребристо-бел о го цвета. Темпе­ратура плавления 600 °С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК решетку. Наиболее важной осо­бенностью алюминия является низкая плотность — 2,7 г/см³ против 7,8 г/см³ для железа и 8,94 г/см³ для меди. Алюминий обладает высокой электрической проводимостью, составляющей 65 % электрической проводимости меди. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты: А999 (99,999 % А1); высо­кой чистоты: А995 (99,995 % Al), A99 (99,99 % Al), A97 (99,97 % А1), А95 (99,95 % А1) и технической чистоты: А85, А8, А7, А6, А5, АО (99,0 % А1).

Технический алюминий изготовляют в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов и маркируют АДО и АД1. В качестве примесей в алюминии присутствуют Fe, Si, Си, Mn, Zn. алюминий обладает высокой коррозионной стой­костью вследствие образования на его поверхности тонкой проч­ной пленки А1₂О₃. Чем чище алюминий, тем выше коррозионная стойкость. Механические свойства отожженного алюминия высо­кой чистоты: σв = 50 МПа, σо2 = 15 МПа, -фи = 50 %, а техни­ческого алюминия (АДМ)¹ : σ _В — 80 МПа, σ т₀,_а = 30 МПа, фи — = 35 %. Модуль нормальной упругости 71 000 МПа. Холодная пластическая деформация повышает предел прочности техничес­кого алюминия (АДН) ^J до 150 МПа, но относительное удлинение снижается до 6 %. Алюминий легко обрабатывается давлением, но обработка резанием затруднена, сваривается всеми видами сварки. Технический алюминий (АД и АД1) ввиду низкой проч­ности применяют для изготовления элементов конструкции и деталей, не несущих нагрузки, когда требуются высокая пластич­ность, хорошая свариваемость, сопротивление коррозии и высо­кие теплопроводность и электрическая проводимость. Так, напри­мер, из технического алюминия изготовляют различные трубо­проводы, палубные надстройки морских и речных судов, кабели, электропровода, шины, конденсаторы, корпуса часов, фольгу, витражи, перегородки в комнатах, двери, рамы, посуду, цистерны для молока и т. д. Алюминий высокой чистоты предназначается для фольги, токопроводящих и кабельных изделий. Более широко используют сплавы алюминия.

ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, УПРОЧНЯЕМЫЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ

Дуралюмины. Дуралюминами называют сплавы А1—Си—Mg, в которые дополнительно вводят марганец. Типичным дуралюмином является сплав Д1, однако вследствие сравнительно низких механических свойств произ­водство его заметно сокращается; сплав Д1 для листов и профилей заменяется сплавом Д16. Упрочнение дуралюмина при термичес­кой обработке достигается в результате образования зон ГП сложного состава или метаетабильных фаз 6 и 5.

Марганец повышает стойкость дуралюмина против коррозии, а присутствуя в виде дисперсных частиц фазы Т (А1₁₉Мп₂Си), повышает температуру рекристаллизации и улучшает механи­ческие свойства. В качестве примесей в дуралюмине присутствуют железо и кремний. Железо образует соединение Al₃Fe и (Мп, Fe) A1₆, кристаллизующееся в виде грубых пластин. Кроме того, железо образует соединение Al_TCu₂Fe, нерастворимое в алюминии. Железо связывает медь в этом соединении, вследствие чего сни­жается эффект упрочнения при старении.

Кремний образует фазы Mg₂Si и W (Al_zMg₅Cu₄Si₄), которые растворяются в алюминии и при последующем старении упроч­няют сплав. Однако упрочнение от Mg_aSi и W-фаз невелико, по­этому примесь кремния, уменьшая количество основных упроч­няющих фаз S и 6, способствует снижению прочности. При одно­временном присутствии Fe и Si образуются химические соедине­ния, не содержащие основных легирующих элементов (Си И Mg).

Железо и кремний, образуя грубые нерастворимые интерме­таллические фазы, снижают трещиностойкость , т. е. облег­чают распространение трещин при действии растягивающих напряжений

Дуралюмины после закалки подвергают естественному старе­нию, так как оно обеспечивает получение более высокой корро­зионной стойкости. Прессованные полуфабрикаты из сплавов Д1 и Д16 значительно прочнее, чем листы, вследствие пресс-эффекта. Для повышения коррозионной стойкости "дуралюмин подвергают электрохимическому оксиди­рованию (анодированию). Дуралюмины удовлетворительно обра­батываются резанием в закаленном и состаренном состояниях и плохо —• в отожженном состоянии, хорошо свариваются точеч­ной сваркой и не свариваются сваркой плавлением вследствие склонности к образованию трещин. Из сплава Д16 изготовляют обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, сило­вые каркасы, строительные конструкции, кузова грузовых авто­мобилей и т. д.

Сплавы авиаль (АВ). Эти сплавы уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях Авиаль удовлетворительно обрабатывается резанием (после закалки и старения) и свари­вается контактной и аргонодуговой сваркой. Сплав обладает высокой общей сопротивляемостью коррозии, но склонен к меж-кристаллитной коррозии.

Авиаль закаливают от 515—525 °С с охлаждением в воде, а затем подвергают естественному старению (АВТ) или искус­ственному при 160 °С 12 ч (АВТ1). Искусственное старение надо выполнять сразу после закалки. При увеличении перерывов между временем закалки и началом искусственного старения прочность сплава после старения уменьшается

Из сплава АВ изготовляют различные полуфабрикаты (листы, трубы и т. д.), используемые для элементов конструкций, несу­щих умеренные нагрузки, кроме того, лопасти винтов вертоле­тов, кованые детали двигателей, рамы, двери, для которых тре­буется высокая пластичность в холодном и горячем состояниях.

Высокопрочные сплавы. Предел прочности этих сплавов дости­гает 550—700 МПа, но при меньшей пластичности, чем у дура-люминов. Представителем высокопрочных алюминиевых сплавов является сплав В95

Упрочняющими фазами в сплавах являются MgZn₂, Т-фаза (Al₂Mg₃Zn₃) и S-фаза (Al₂CuMg). При увеличении содержания цинка и магния прочность сплавов повышается, а их пластичность и коррозионная стойкость понижаются. Добавки марганца и хрома улучшают коррозионную стойкость. Сплавы закаливают от 460—470 °С (с охлаждением в холодной или горячей воде) и подвергают искусственному старению при 135—145 ^UC 16 ч. По сравнению с дуралюмином эти сплавы обладают большой чув­ствительностью к концентраторам напряжений и пониженной коррозионной стойкостью под напряжением.

Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем состоя­нии и сравнительно легко деформируются в холодном состоянии после отжига. Листы из сплава В95 плакируют сплавом алюми­ния с 0,9—1,3 % Zn для повышения коррозионной стойкости. Сплав В95 хорошо обрабатывается резанием и сваривается то­чечной сваркой, его применяют в самолетостроении для нагру­женных конструкций, работающих длительное время при t -^ -< 100-М20 °С (обшивка, стрингеры, шпангоуты, лонжероны; силовые каркасы строительных сооружений и т. д.). Сплав В95 рекомендуется для сжатых зон конструкции и для деталей без концентраторов напряжений.

Сплавы для ковки и штамповки. Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительными литейными свой­ствами, позволяющими получить качественные слитки.

Сплав АК6 используют для деталей сложной формы и средней прочности, изготовление которых требует высо­кой пластичности в горячем состоянии (подмоторные рамы, фи­тинги, крепежные детали, крыльчатки и т. д.). Сплав АК8 реко­мендуется для тяжелонагруженных штампованных деталей (под-моторные рамы, стыковые узлы, пояса лонжеронов, лопасти вин­тов вертолета и т. д.). Сплав АК8 менее технологичен, чем сплав АК6.

Ковку и штамповку сплавов проводят при температуре 450— 475 °С. Их подвергают закалке и старению при 150—165 °С 6— 15 ч. Упрочняющими фазами при старении являются соединения Mg_aSi, CuAl₂ и со-фаза (Al_sMg₅Cu₅Sy. Сплавы АКб и АК8 хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются кон­тактной и аргонодуговой сваркой. Сплавы склонны к коррозии под напряжением и межкристаллитной коррозии.

Жаропрочные сплавы. Эти сплавы используют для деталей, работающих при температуре до 300 °С (поршни, головки цилиндров, крыльчатки, лопатки и диски осевых компрес­соров турбореактивных двигателей; обшивка сверхзвуковых са­молетов и т. д.).

Фазами — упрочнителями жаропрочных сплавов являются Э-фаза (СиА1_а), S-фаза (Al₂CuMg), фазы Al₁₂Mn₂Cu, а также Al₉FeNi и Al_eCu₃Ni. При частичном распаде твердого раствора они выде­ляются в виде дисперсных частиц, устойчивых к коагуляции, что обеспечивает повышенную жаропрочность.

Высокая жаропрочность сплава Д20 достигается благодаря высокому содержанию меди, а также марганца и титана, замедляющих диффузионные процессы. Кроме того, титан задерживает процесс рекристаллизации. Сплавы АК4-1 закаливают при (530 ± 5) °С в холодной или горячей воде и подвергают старению при 200°С

5. ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, НЕ УПРОЧНЯЕМЫЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ

К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марган­цем или с магнием.Упрочнение сплавов достигается в результате образования твердого раствора и в меньшей степени избыточных фаз.

Повышение прочности при не­котором уменьшении пластичнос­ти изделий простой формы (листы, плиты) достигается нагартовкой Упрочнение, созда­ваемое нагартовкой, снимается в зоне сварки.Сплавы легко обрабатываются давлением (штамповка, гибка и т. д,), хорошо свариваются и об­ладают высокой коррозионной стойкостью. Обработка резанием

затруднена. Сплавы применяют для сварных и клепаных эле­ментов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и требующие высокого сопротивления коррозии.

Для средненагруженных деталей и конструкций используют сплавы АМг5 и АМгб (рамы и кузова вагонов, подвесные нагру­женные потолки, перегородки здания и переборки судов, лифты, узлы подъемных кранов, корпуса и мачты судов и др.).

6. ЛИТЕЙНЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склон­ностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением корро­зии и др.

Высокими литейными свойствами обладают сплавы, содержа­щие в своей структуре эвтектику. Эвтектика образуется во многих сплавах, в которых содержание легирующих элементов больше предельной растворимости в алюминии. В связи с этим содержа­ние легирующих элементов в литейных сплавах выше, чем в де­формируемых. Чаще применяют сплавы А1—Si, А1—Си, Al—Mg, которые дополнительно легируют небольшим коли­чеством меди и магния (А1—Si), марганца, никеля, хрома (А1—Си). Для измельчения зерна, а следовательно, улучшения механи­ческих свойств в сплавы вводят модифицирующие добавки: Ti, Zr, В, V и др

Сплавы Al—Si. Эти сплавы, получившие назва­ние силумины, близки по составу к эвтектическому сплаву и потому отличаются высокими литейными свой­ствами, а отливки — большой плотностью.

Наиболее распространен сплав, содержащий 10—13 % Si (АЛ2), обладающий высокой коррозионной стойкостью. Сплав АЛ2 содержит в структуре эвтектику ос + р и нередко первичные кри­сталлы кремния. Кремний при затвердении эв­тектики выделяется в виде грубых кристаллов игольчатой формы, которые играют роль внутренних надрезов в пластичном а-твер-дом растворе. Такая структура обладает низкими механическими свойствами

Для измельчения структуры эвтектики и устранения избы­точных кристаллов кремния силумины модифицируют натрием (0,05—0,08 %) Эвтектика приоб­ретает более тонкое строение и состоит из мелких кристаллов и твердого раствора. В процессе затвердевания кристаллы кремния обволакиваются пленкой силицида натрии рая затрудняет их рост. Такие изменения структуры улучшают механические свойства сплава Сплав АЛ2 не подвергают упрочняющей термической обработке. Доэвтекти-ческие сплавы АЛ4 и АЛ9 дополнительно легиро­ванные магнием, могут упрочняться кроме модифицирования термической обработкой. Упрочняющей фазой служит Mg₂Si. При одновременном введении магния и меди могут образоваться фазы СиА1₂ и W(Al_sMg₅Cu₄Si₄).

Средненагруженные детали из сплава АЛ4 подвергают только искусственному старению (Т1), а крупные нагруженные детали (корпуса компрессоров, картеры и блоки цилиндров двигателей и т. д.) —закалке и искусственному старению (Т6). Отливки из сплава АЛ9, требующие повышенной пластичности, подвергают закалке (Т4), а для повышения прочности — закалке и старе­нию (Т6). Когда важна высокая пластичность и стабильность раз­меров, после закалки проводят отпуск при 250 °С в течение 3— 5 ч.

Сплавы А1—Mg. Сплавы алюминия с магнием имеют низкие литейные свойства, так как не содержат эвтектики. Характерной особенностью этих сплавов является хорошая кор­розионная стойкость, повышенные механические свойства и обра­батываемость резанием.

Сплавы АЛ8 и АЛ27 предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере, например в судостроении и авиации.. Сплавы применяют в судострое­нии и авиации.

Жаропрочные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АЛ1, из которого изготовляют поршни, головки цилиндров и другие детали, работающие при температуре 275—300 °С.

Более жаропрочны сплавы АЛЗЗ и АЛ19.Высокая жаропрочность обусловлена добавками в сплавы Мп_у Ti, Ni, Ce, Zr, образующими нерастворимые (мало-растворимые) интерметаллидные фазы (Al₀Cu₃, Ai₂Ce_t Al₂Zr и др.). Сплав АЛЗЗ упрочняют закалкой от высокой температуры 545 °С и старением при 175 °С.

Для крупногабаритных деталей, работающих при 300—350 °С, применяют сплав АЛ21. Отливки сложной формы из сплава под­вергают отжигу при 300 °С. Для получения высоких механических свойств отливки закаливают от 525 °С в горячей воде и под­вергают стабилизирующему отпуску при 300 °С (Т7).