27.2. Термическая обработка алюминиевых сплавов

Для упрочнения алюминиевый сплавов применяют закалку и старение, а для устране-ние неравновесных структур и деформационных дефектов строения, снижающих пластич-ность сплава - отжиг.

Закалка алюминиевых сплавов. Закалка заключается в нагреве сплавов до температу-ры, при которой избыточные интерметаллидные фазы полностью или большей частью растворяются в алюминии, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до нор-мальных температуры для получения перенасыщенного твердого раствора. Например, тем-пература закалки сплавов системы Al-Cu (рис. 75), определяется линией абс, проходящей выше линии предельной растворимости для сплавов, содержащих меньше 5,7 % Cu, и ниже эвтектической линии (5480С) для сплавов, содержащих большее количество меди.

Основной особенностью алюминиевых сплавов является малый интервал температур нагрева под закалку. Температура нагрева для сплавов Д16 - 485-5050С, сплавы В95 - 465-4750С и АК6 - 515-5250С. Более высокие температуры вызывают пережог (оплавление по границам зерен), что приводит к образованию трещин, пузырей на поверхности полуфабри-катов, снижается сопротивление коррозии, механические свойства и сопротивление хрупко-му разрушению. Выдержка должна быть минимальной, обеспечивающей растворение из-быточных фаз в твердом растворе.

Охлаждение при закалке должно быть со скоростью выше критической. Под критиче-ской скоростью закалки понимают минимальную скорость охлаждения, которая предот-вращает распад перенасыщенного твердого раствора, что снижает механические свойства и коррозионную стойкость. Чаще для закалки применяют воду (t = 10-400С). Во избежании частичного распада твердого раствора время переноса нагретого полуфабриката из печи в закалочный бак не должно превышать 15-30 с. Прокаливаемость алюминиевых сплавов со-ставляет dк = 120-150 мм. (dк - критический диаметр)

Старение закаленных сплавов. После закалки следует старение, при котором сплав выдерживают при нормальной температуре несколько суток (естественное старение) или в течении 10- 24 ч при повышенной температуре 150-2000С (искусственное старение). Старе-ние сопровождается распадом перенасыщенного твердого раствора с выделение зон Гинье-Престона (ГП). Если сплав после естественного старения кратковременно (несколько секунд или минут) нагреть до 240-2800С и затем быстро охладить, то упрочнение полностью снима-ется, и свойства сплава будут соответствовать свежезакаленному состоянию. Это явление получила название возврат. Однако после возврата и последующего старения ухудшают коррозионные свойства сплава, что затрудняют использовать возврат для практических це-лей. Для стареющих алюминиевых сплавов разных составов существует свои температурно-временные области зонного (образование зон ГП-1 и ГП-2) и фазового ( - и  - фазово-го) старения.

После зонного старения сплавы чаще имеют повышенный предел текучести и относи-тельно невысокое отношение   0,6-0,7, повышенную пластичность, хорошую корро-зионную стойкость и низкую чувствительность к хрупкому разрушению (высокое значение Кс1).

После фазового старения отношение  повышается до 0,9-0,95, а пластичность, вязкость, сопротивление хрупкому разрушению и коррозии под напряжением снижаются.

Структурное упрочнение. Температура рекристаллизации некоторых сплавов алюми-ния с марганцем, хромом, никелем, цирконием, титаном и другими переходными металлами превышает обычно назначаемую температуру нагрева под деформацию или закалку, поэтому после закалки и старения таких сплавов в них сохраняется нерекристаллизованная (полигонизованная)) структура с высокой плотностью дислокаций, что повышает ее прочность по сравнению с рекристаллизованной структурой. Это явление получило название структурного упрочнения, в результате чего прочностные характеристики повышаются на 30-40 % . Наиболее сильное структурное упрочнение проявляется в прессованных полуфабрикатах (прутки, профили, трубы), поэтому это явление применительно к ним называют пресс эффектом.

Диффузионный отжиг (гомогенизация). Этому виду отжига подвергаются слитки пе-ред обработкой давлением для устранения дендритной ликвации, которая приводит к получению неоднородного твердого раствора и выделению по границам зерен и между ветвями дендритов хрупких неравновесных эвтектических включений. В результате чего состав кристаллитов твердого раствора выравнивается, а интерметаллиды растворяются и при охлаждении выделяются виде мелких вторичных включений. Гомогенизация способствует получению мелкозернистой структуры в отожженных листах и уменьшает склонность коррозии под напряжением. В результате пластичность литого сплава повышается, что улучшает обработку. Температура гомогенизации лежит в пределах 450-5200С, а выдержка составляет 4 - 40 ч. Охлаждение проводят на воздухе или вместе с печью.

Рекристаллизационный отжиг. Такой отжиг заключается в нагреве деформированного сплава до температур выше температуры окончания первичной рекристаллизации; применя-ется для снятия наклепа и получения мелкого зерна. Температура рекристаллизации отжига в зависимости от состава сплава колеблется от 350 до 5000С, выдержка 1-2 ч. После рекри-сталлизационного отжига сплавов, не упрочняемых термической обработкой, скорость ох-лаждения выбирается произвольно. Для сплавов, упрочняемых термической обработкой, скорость охлаждения до 200- 2500С должна быть 300С/ч. Отжиг в качестве промежуточной операции применяют при холодной деформации или между горячей и холодной деформа-циями.

Отжиг для разупрочнения сплавов, прошедших закалку и старение. Этот вид отжига проводят при 360-4500С с выдержкой 1 - 2 ч. при этих температурах происходит полный распад пересыщенного твердого раствора и коагуляция упрочняющих фаз. Скорость охлаждения не должна превышать 300С/ч. После отжига сплав имеет низкое временное сопротивление, удовлетворительную пластичность и высокую сопротивляемость коррозии под напряжением.

19.4. Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой

Дуралюмины. Дуралюмины называются сплавы Al-Cu-Mg, в который дополнительно вводят марганец. Типичный дуралюмином является сплав Д1, однако вследствие сравни-тельно низких механических свойств производство его заметно сокращается; сплав Д1 для листов и профилей заменяется Д16. Упрочнение дуралюмина при термической обработке достигается в результате образования зон ГП сложного состава и метастабильных фаз  и S.

Марганец повышает стойкость против коррозии, а присутствие в виде дисперсных частиц фазы Т (Al12Mn2Cu) повышает температуру рекристаллизации и улучшает механи-ческие свойства. В качестве примесей в дюралюминии присутствуют кремний и железо, которые, образуя грубые нерастворимые интерметаллические фазы, снижают трещиностой-кость К1с, т.е. облегчают распространение трещин при действии растягивающих напряжений, поэтому уменьшение содержания железа и кремния повышает вязкость разру-шения.

Дуралюмин, изготавливаемый в листах, для защиты от коррозии подвергают плакиро-ванию, т.е. покрытию тонким слоем алюминия высокой чистоты, что заметно снижает прочность.

Упрочнение достигается закалкой и естественным старением, что обеспечивает более высокую коррозионную стойкость. Дуралюмины удовлетворительно обрабатываются реза-нием в закаленном состоянии и состаренном состояниях и плохо - в отожженном состоянии, хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавления вследствие склонности к образованию трещин. Из сплава Д16 изготавливают обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей.

Сплавы авиаль (АВ). Эти сплавы уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях. Авиаль удовлетворительно обра-батываются резанием в закаленном и состаренном состояниях, и сваривается контактной и аргонодуговой сваркой. Сплав обладает высокой общей сопротивляемостью коррозии, но склонен к межкристаллитной коррозии.

Авиаль закаливается о 515-5250С с охлаждением вводе, а затем подвергают естествен-ному старению (АВТ) или искусственному при 1600С 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. Упроч-няющей фазой в авиале является соединение Mg2Si.

Из сплава АВ изготавливают различные полуфабрикаты, используемые для элементов конструкций, несущие 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 дуралюминов. Представителем высокопрочного алюми-ниевого сплава является В95 (таблица 50).

С увеличение содержания цинка и магния увеличивается доля упрочняющих фаз, ко-торые повышая прочность, понижают пластичность и коррозионную стойкость. Добавки марганца и хрома улучшают коррозионную стойкость.

Сплавы закаливают от 460-4700С (с охлаждением в холодной или горячей воде) и под-вергают искусственному старению при 135 - 1450С 16 ч. По сравнению с дуралюмином эти сплавы обладают большой чувствительностью к концентраторам напряжений и пониженной коррозионной стойкостью под напряжением. Сплав В95 хорошо обрабатывается резанием и сваривается точечной сваркой. Сплавы В95 рекомендуется для сжатых зон конструкций и для деталей без концентраторов напряжений.

Сплавы для ковки и штамповки. Сплавы этого типа отличаются высокой пластично-стью и удовлетворительными литейными свойствами, позволяющие получить качественные слитки.

Сплав АК6 используют для деталей сложной формы и средней прочности. Сплав АК8 рекомендуется для тяжело нагруженных штампованных деталей. Он менее технологичен, чем АК6.

Ковку и штамповку сплава проводят при 450-4750С. Их подвергают закалке и старе-нию при 150-1650С 6 - 15 ч. Образую упрочняющие фазы. Они хорошо обрабатываются ре-занием и удовлетворительно свариваются контактной и аргонодуговой сваркой. Сплавы склонны к коррозии под напряжением и межкристаллитной коррозии.

Жаропрочные сплавы. Эти сплавы используются для деталей. работающих при темпе-ратуре до 3000С. Жаропрочный сплав имеет более сложный химический состав. Они допол-нительно легируются железом , никелем, титаном, образуя ряд упрочняющих фаз, которые и обеспечивают высокую жаропрочность. Высокая жаропрочность сплава Д20 достигается благодаря высокому содержанию меди, а также марганца и титана, замедляющих диффузи-онные процессы. Кроме того, титан задерживает процесс кристаллизации. Сплав АК4-1 закаливают при 5300С в холодной или горячей воде и подвергают старению.

19.5. 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 избы-точных фаз.

Сплав АМц представляет собой  - твердый раствор марганца в алюминии и частиц соединения Al6Mn. Сплавы типа АМг в равновесном состоянии после охлаждения двухфаз-ные  (Al3Mg2) (рис. 76а).

Магний сильно повышает прочность сплавов (рис.76 б). Сплавы АМг добавочно леги-руют марганцем, который, образуя дисперсные частицы, упрочняет сплав и способствует измельчению зерна. Эффект от закалки и старения невелик и поэтому их применяют в отожженном состоянии.

Таблица 52

Температура отжига и среда охлаждения для

деформируемых алюминиевых сплавах, не упрочняемые ТО

марка температура отжига, 0С среда охлаждения

АМц , АМг 2 350-410 воздух

АМг3 270-280 воздух

МАМг5 310-335 воздух

Повышение прочности при некотором уменьшении пластичности изделий простой формы достигается нагартовкой. Упрочнение, создаваемое нагартовкой, снимается в зоне сварки.

Сплавы хорошо обрабатываются давлением, хорошо свариваются и обладают высоко коррозионной стойкостью. Обработка резанием затруднена. Сплавы АМц, АМг2, АМг3 применяются для сварных и клепаных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и требующие высокого сопротивления коррозии. Для средне нагруженных деталей и конструкций используют сплавы АМг5 и АМг6.

19.6. Литейные алюминиевые сплавы

Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидко текучестью, сравни-тельно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошей механическими свойствами, сопротивлением коррозии. Высокими литейными свойствами обладают сплавы, содержащие в своей структуре эвтектику (Al-Si, Al-Cu, Al-Mg).

Многие отливки из алюминиевых сплавов подвергают термической обработке. В зависимости от характера отливки и условий ее работы используют один из видов термической обработке приведенных ниже.

1. Искусственное старение (Т1) при (1755)0С в течение 5-20 ч без предварительной закалки, при литье многих сплавов (АЛ4, АЛ5, АЛ3) в сырую песчаную форму или в кокиль происходит частичная закалка, поэтому старение повышает прочность и улучшает обработку резанием.

2. Отжиг (Т2) при 3000С в течение 5 - 10 ч. Охлаждение при отжиге проводят на воздухе. Отжиг применяют для снятия литейных напряжений, а также остаточных напряжений, вы-званных механической обработкой. Отжиг несколько повышает пластичность.

3. Закалка и естественное старение (Т3, Т4) Температура закалки 510 -5200С для сплавов АЛ1, АЛ7 и 535-5450С для сплавов АЛ4, АЛ9, АЛ19 и др. Так как после закалки отливки выдерживают достаточно длительное время при нормальной температуре, режим (Т3) прак-тически соответствует закалке и естественному старению (Т4).

4. Закалка и кратковременное (2-3 ч.) искусственное старение обычно при 150-1750С (Т5). При данной температуре и продолжительности процесс старения полностью не заканчивает-ся, поэтому после такой обработки отливки приобретают высокую прочность при сохране-нии повышенной пластичности.

5. Закалка и полное искусственное старение (Т6) при 2000С 3 - 5 ч. Старение при повышен-ной температуре по сравнению с режимом Т5 придает наибольшую прочность, но пластич-ность снижается.

6. Закалка и стабилизирующий отпуск (Т7) при 2300С для сплавов АЛ9, АЛ5, АЛ1 и при 2500С для сплава АЛ19 в течение 3-10 ч. Этот вид обработки используют для стабилизации структуры и объемных изменений отливки при сохранении достаточной прочности.

7. Закалка и смягчающий отпуск (Т8) при 240-2600С в течении 3-5 ч. Высокая температура отпуска заметно снижает прочность, но повышает пластичность и стабильность размеров.

Сплавы Al-Si. Эти сплавы, получившие название силумины, близки по составу к эв-тектическому сплаву (рис. 77а) и поэтому отличаются высокими литейными свойствами, а отливки большой плотностью. Наиболее распространен сплав, содержащий 10-13% Si (АЛ2), обладающий высокой коррозионной стойкостью. Кремний при затвердевании эвтектики выделяется в виде грубых кристаллов игольчатой формы, которые играют роль грубых надре зов в пластичном - твердом растворе.

Такая структура обладает низкими механическими свойствами (рис. 77б). Для измель-чения структуры и устранение избыточных кристаллов кремния силумины модифицируют натрием (0,05-0,08 %) .

Таблица 53

Химический состав (по легированным элементам) и типичные механические свойства

некоторых литейных алюминиевых сплавов

Сплав

Содержание элементов, % Вид термической

обработки Механические свой-ства

Mg Si Mn Cu Другие элементы

в , МПа 0,2 , МПа 

Сплавы Al-Si (силумины)

АЛ2 - 10-13 - - - Т2 180 90 5

АЛ4 0,17-0,3 8-

10, 5 0,25-

0,5 - 0,15 Ti

0,1 Be T1

T6 180

260 140

200 2

4

АЛ9 0,2-

0,4 6-8 - - 0,15 Ti

0,1 Be T4

T5 200

220 140

160 5

3

Сплавы Al-Сu

АЛ7 - - - 4-5 0,2Ti T4

T5 240

260 160

200 7

3

АЛ19 - - 0,6-0,1 4,5-5,3 0,15-0,35 Ti T4

T5 320

360 180

250 9

5

Сплавы Al-Mg

АЛ8 9,5-

11,5 - - - 0,07 Ti

0,07 Be T5 350 170 10

АЛ27 9,5-

11,5 - - - 0,05-0,15 Ti

0,05-0,22 Zr

0,05-0,15 Be T4 360 180 18

Жаропрочные сплавы

АЛ1 1,25-

1,75 - - 3,75-

4,5 1,75-2,25 Ni T5

T7 260

220 200

180 0,6

1,2

АЛ21 0,8-1,3 - 0,15-0,25 4,6-

6 0,1-0,25 Cr

2,6-3,6 Ni T2

T7 210

220 -

200 1,2

1,5

АЛ33 - - 0,6-1,0 5,5-

6,2 0,8-1,2 Ni

0,05-0,2 Zr

0,15-0,3 Ge T7 280 180 2,0

В присутствии натрия происходит смещение линий диаграммы состояния и заэвтек-тический сплав становится доэвтектическим. В этом случае вместо кристаллов избыточного кремния появляются кристаллы  - раствора. Эвтектика приобретает более тонкое строение и состоит из мелких кристаллов и  - твердого раствора. В процессе затвердевания кристаллы кремния обволакиваются пленкой силицида натрия Na2Si, который затрудняет их рост. Такие изменения улучшают механические свойства сплава. Сплав АЛ2 не подвергают упрочняющей термической обработке. Доэвтектические сплавы, дополнительно легируемые магнием, могут упрочняться кроме модифицирования термической обработкой.

Сплавы сравнительно легко обрабатываются резанием. Заварку дефектов можно про-изводить газовой и аргонодуговой сваркой.

Сплавы Al - Cu. Эти сплавы (АЛ7, АЛ9) после термической обработки имеют высокие механические свойства при нормальной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием. Литейные свойства сплавов низкие. Сплав АЛ7 используют для отливок небольших деталей простой формы. Склонен к хрупкому разрушению вследствие выделения по границам зерен грубых частиц CuAl2 и Al7Cu2Fe поэтому применяют в закаленном состоянии, если требуется повышенная прочность, то их после закалки подвергают искусственному старению. В сплаве АЛ19 кроме CuAl2 образуются фазы Al12Mn2Cu и Al2Ti, располагающие по границам зерен твердого раствора. Присутствие в твердом растворе марганца и образование по границам интерметаллидных фаз повышает жаропрочность сплава. Титан измельчает зерно. Упрочнение достигается закалкой и старением. Сплавы малоустойчивы против коррозии и поэтому отливки обычно ано-дируют.

Сплавы Al-Mg. Сплавы алюминия с магнием имеют низкие литейные свойства, так как не содержат эвтектики. Характерной особенностью этих сплавов является хорошая коррози-онная стойкость, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием. Добав-ление к сплаву модифицирующих присадок титана и циркония улучшают механические свойства, а бериллия - уменьшают окисляемость расплава, что позволяет вести плавку без защитных флюсов.

Структура состоит из  -твердого раствора и грубых включений частиц Al3Mg3, кото-рые располагаются по границам зерен, охрупчивая сплав. Сплавы предназначены для отли-вок, работающих во влажной атмосфере, например в судостроении и авиации

Жаропрочные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АЛ1, из которых изго-товляют поршни, головки цилиндров и других деталей, работающих при 275-3000С. Струк-тура литого сплава АЛ1 состоит из - твердого раствора, содержащего медь, магний и ни-кель и избыточных фаз Al2CuMg и Al6Cu3Ni . Отливки применяют после закалки и кратко-временного старения при 1750С (Т5); поршни подвергаются закалке и старению 2000С (Т7). При закалке S – фаза растворяется в  - твердом растворе.

Более жаропрочны сплавы АЛ33 и АЛ19.

Таблица 54

Длительная прочность жаропрочных алюминиевых сплавов

Сплав АЛ7 АЛ1 АЛ19 АЛ33

300100, МПа 30 45 65 90

Высокая жаропрочность обусловлена добавками (таблица 53) , образующие нераство-римые интерметаллиды. Сплав АЛ33 упрочняют закалкой от высокой температуры 5450С и старением при1750С.

Для крупногабаритных деталей, работающих при 300-3500С, применяют сплава АЛ21. Отливки сложной формы подвергают отжигу при 3000С. Для получения высоких механиче-ских свойства отливки закаливаются от 5250С в горячей воде и подвергают стабилизирую-щему отпуску при 3000С (Т7).