III. Алюминий и сплавы на основе алюминия.

Алюминий – один из важнейших промышленных металлов. Он широко применяется в чистом виде и является основой многих промышленных сплавов, благодаря своим ценным свойствам. Он имеет малую плотность – 2700 кг/м³ и невысокую температуру плавления – 660⁰С. Кристаллизуется и образует гранецентрированную кубическую решетку (К12). Не имеет полиморфных превращений, обладает высокой теплопроводностью (λ = 230Вт · м^-1 · к^-1), электропроводностью (ρ = 2,67 · 10^-8 Ом·м) при 20⁰С. Вследствие образования на поверхности плотной оксидной пленки Al₂О₃. Алюминий стоек в концентрированной азотной кислоте и некоторых органических кислотах. Соляная, плавиковая и другие кислоты, а также щелочи разрушают алюминий. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная стойкость.

В качестве основных легирующих элементов в алюминиевых сплавах применяют медь, магний, кремний, марганец, цинк и др. Большинство легирующих элементов образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости и промежуточные фазы с алюминием и между собой (CuAl₂, Mg₂Si и др.).

Алюминиевые сплавы классифицируют по способу производства: деформируемые – для изготовления обработкой давлением различных полуфабрикатов (листы, плиты, прутки, профили, трубы, поковки, штамповки, проволока); литейные – для производства фасонных отливок. В зависимости назначения сплавы разделяют на сплавы высокой, средней и пониженной прочности, жаропрочные, криогенные, ковочные, заклепочные, свариваемые, со специальными физическими свойствами, декоративные и другие.

Маркировка алюминиевых сплавов. В настоящее время принята смешанная буквенная и буквенно-цифровая маркировка алюминиевых сплавов. Например, деформируемые сплавы обозначаются буквами Д, АД, АК, АМ, АВ; литейные – АЛ. Буквой Д обозначают сплавы дуралюминия Д1, Д16 и т.д. Буквы АВ обозначают сплав авиаль. Буква В обозначает высокопрочный сплав (В96, В93, В95). Буквы АМг и АМц обозначают сплав с магнием (Мг) и марганцем (Мц), при этом цифры следующие за буквами АМг2; АМг6 соответствуют содержанию магния в этих сплавах. Некоторые ковочные сплавы обозначают буквами АК (АК4-1, АК6, АК8 и т.д.).

В настоящее время вводится единая четырехцифровая маркировка алюминиевых сплавов, в которой цифры обозначают основу сплава, главный легирующий элемент или группу главных легирующих элементов. Нечетная четвертая цифра обозначает, что сплав деформируемый.

Чистота деформируемых сплавов обозначается следующими буквами стоящими после маркировки сплава: П₄ – практически чистый, 4 – чистый, О₄ – очень чистый по примесям железа, кремния и других контролируемых элементов. Состояние полуфабрикатов из алюминиевых сплавов обозначается следующей маркировкой: М – мягкий, отожженный; Т – закаленный и естественно состаренный; Т1, Т2, Т3 – закаленный и искусственно состаренный при определенных технологических режимах; Н – нагартованный.

Строение алюминиевых сплавов.

Сплавы системы Al-Cu, Al-Mg, Al-Si представляют многочисленную группу алюминиевых сплавов и получили широкое распространение.

Кроме двухкомпонентных сплавов выпускаются промышленностью трех, четырех и даже пятикомпонентные сплавы: Al-Mg-Si (АД31, АВ); Al-Cu-Mg (Д16, Д1); Al-Zn-Mg-Cu (В95, В93); Al-Cu-Mn (1201); Al-Cu-Li (ВНД23); Al-Li-Mg (1420); Al-Cu-Mg-Mn-Si (АК6, АК8).

Прочность алюминиевого сплава зависит от системы легирования и может быть существенно увеличена при термической обработке. Упрочнение алюминиевых сплавов термической обработкой возможно лишь в тех случаях, когда компоненты образующие сплав, имеют ограниченную растворимость, которая уменьшается с понижением температуры. На рис. 1 представлена диаграмма Al-Cu.

Деформируемые сплавы

T , ⁰С Литейные сплавы

7 00

6 57 L+ α L L+CuAl₂

6 00

α 548

5 00

4 00 CuAl₂

α + эвтектика (α +CuAl₂)

3 00

CuAl₂ +эвтектика

2 00

α +CuAl₂

1 00

0

0,2 5,7 10 20 30 33 40 50

Cu, %

Рис.1. Диаграмма состояния алюминий – медь

Медь растворяется при комнатной температуре в количестве 0,2%, а предельная растворимость при эвтектической температуре 548⁰С составляет 5,7%. Любой сплав от 0,2 до 5,7% меди можно перевести в однофазное состояние нагревом выше температур, соответствующих линии АВ, и зафиксировать это состояние быстрым охлаждением. Полученный таким образом твердый раствор является пересыщенным. В таком пересыщенном, и следовательно неравновесном, твердом растворе самопроизвольно происходит процесс снижения пересыщения раствора медью, приводящий к образованию предвыделений химического соединения CuAl₂. В растворе сохраняется лишь соответствующее равновесной системе количества меди (0,2%). Этот процесс называется старением. Старение называют естественным, если оно происходит при комнатной температуре. При этом процесс заканчивается на стадии образования превыделений, т.е. когда концентрация меди почти соответствует химическому соединению CuAl₂, но еще не произошло обособления кристаллических решеток химического соединения от твердого раствора (Рис.2,в). В таком состоянии эти сплавы обладают наивысшей твердостью и прочностью (Рис.3), но наименее пластичны. Диффузионные процессы при комнатной температуре протекают медленно, а потому естественное старение – процесс длительный (в течение нескольких суток).

Повышением температуры старения ускоряются диффузионные процессы. Такое старение называют искусственным. Чем выше температура старения, тем быстрее достигается состояние наибольшей твердости (Рис.3), однако максимальное значение твердости с повышением температуры снижается и, кроме того, длительность должна быть строго ограничена. Превышение оптимальной выдержки приводит к явлению перестаривания, выражающемся в падении твердости и прочности сплавов. При перестаривании кристаллические решетки химического соединения CuAl₂ и твердого раствора обособляются (Рис.2,г).

а б в г

Рис. 2. Изменение кристаллического строения при старении (схема).

σ_в, х 10 МН/м²

4 2 +20⁰С

+150⁰С +100⁰

4 0

3 8

3 6 +200⁰С

-5⁰С

3 4

3 2

• -50⁰С

0 1 2 3 4 5 6 7

Продолжительность, дни

Рис.3. Кривые старения дюралюминия при различных температурах

Алюминиевые сплавы могут подвергаться следующим видам термической обработки: отжигу, закалке и старению. В отожженном состоянии сплав Al+4%Cu, например, имеет предел прочности σ_в =200 МПа, в свежезакаленном – предел прочности повышается до 250 МПа, а после старения предел прочности возрастает до 400 МПа.

Наиболее распространенным представителем термически упрочняемых алюминиевых сплавов является дюралюминий, включающий в состав алюминий, медь, магний, марганец, кремний и железо, но основными добавками является медь и магний. Поэтому дюралюминий можно отнести к сплавам системы Al-Cu-Mg. В настоящее время производят дюралюминий нескольких марок. Состав наиболее распространенных марок приведен в таблице I.

Таблица 1

Химический состав (%) некоторых марок дюралюминия (по ГОСТ 4784-74).

Марка	Cu	Mn	Mg	Примеси не более
				Si	Fe
Конструкционные сплавы
Д1 Д16	3,8…4,8 3,8…4,5	0,4…0,8 0,3…0,9	0,4…0,8 1,2…1,8	0,7 0,5	0,7 0,5
Заклепочные сплавы
Д19П В65	3,2…3,7 3,9…4,5	0,5…0,8 0,3…0,5	2,1…2,6 0,15…0,3	0,3 0,2	0,3 0,25

После закалки и старения сплав состоит из твердого раствора меди в алюминии и упрочняющей фазы. В сплаве Д1 упрочняющей фазой является CuAl₂, а в Д16 – CuMgAl₂, что обеспечивает более высокую прочность Д16 по сравнению с Д1. Ниже приведены режимы термической обработки для этих сплавов и некоторые свойства:

Д1 Д16

Температура закалки, ⁰С 748…575 480…500

Температура старения, ⁰С 20 20

Предел прочности, σ_в, МПа 490 540

Относительное удлинение, % 11 11

Деформируемые термически упрочняемые сплавы имеют наибольшее значение для конструкций летательных аппаратов, так как они хорошо сочетают в себе высокую прочность и пластичность. Они мягки в обработке и жестки в конструкции. Из них изготавливают обшивку самолета, лонжероны, лопатки, крыльчатки компрессоров, топливные контейнеры и другое.