Деформируемые алюминиевые сплавы

 

Нетермоупрочняемые сплавы

 

К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем или магнием в области I на рис. 3.1. Структура этих сплавов после медленного охлаждения состоит только из α-твердого раствора марганца или магния в алюминии. Никаких структурных изменений в этих сплавах при нагревании и охлаждении не происходит, поэтому применение термической обработки с целью повышения прочности невозможно. Упрочнение этих сплавов возможно только за счет холодной пластической деформации, т.е. наклепа (нагартовки).

Химический состав и механические свойства некоторых марок этих сплавов представлены в табл. 3.3.

 

Таблица 3.3

Химический состав и механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов, не упрочняемых термической обработкой

Марка	Химический состав, %			Механические свойства *
	Al	Mn	Mg	σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %
АМц	осн.	1,0…1,6	–	130(170)	50(130)	23(10)
АМг2	осн.	0,2…0,6	1,8…2,8	200(250)	100(200)	23(10)
АМг3	осн.	0,3…0,6	3,2…3,8	220	110	20
АМг5	осн.	0,3…0,6	4,8…5,8	300	150	20
АМг6	осн.	0,5…0,8	5,8…6,8	340(400)	170(300)	18(10)

*Без скобок приведены свойства сплавов в отожженном состоянии, а в скобках – в полунагартованном состоянии.

 

Эти сплавы легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются и имеют высокую коррозионную стойкость. Имеют сравнительно невысокую прочность и твердость, хорошую пластичность. Их применяют для изготовления изделий, испытывающих небольшие нагрузки.

Термоупрочняемые сплавы

К таким сплавам относятся сплавы алюминия с медью, магнием и другими легирующими элементами (участок II, рис. 3.1). В эту группу входят такие сплавы как дуралюмины, авиаль, высокопрочные, ковочные и жаропрочные алюминиевые сплавы.

Дуралюмины. Дуралюминами называют сплавы на основе алюминия и меди, которые содержат также магний и марганец, а в качестве примесей – железо и кремний. Наибольшее практическое применение имеют марки дуралюмина Д1 и Д16 (табл. 3.4.).

Для упрочнения дуралюминов проводят закалку и старение. Закалка состоит в нагреве сплавов до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы полностью или почти полностью растворяются в алюминии (выше линии сольвус) и в быстром охлаждении. После такой обработки фиксируется пересыщенный α-твердый раствор, содержащий столько меди, сколько ее находится в сплаве. После закалки дуралюмины обладают высокой пластичностью (δ = 25 %). Это используется при проведении различных формоизменяющих операций в холодном состоянии. Пересыщенный α-твердый раствор неустойчив и из него самопроизвольно начинает выделяться избыточная мелкодисперсная интерметаллическая фаза CuAl₂, что придает дуралюмину повышенную твердость и прочность. Этот процесс называется старением. Если старение проводится при комнатной температуре, (естественное старение), то упрочняющий эффект достигается на 5…6 сутки. Если же после закалки сплав нагреть до 150…200 °С, то упрочнение произойдет через 10…20 часов, и такое старение называют искусственным.

Таблица 3.4

Химический состав и некоторые механические свойства дуралюминов после закалки и старения

Марка	Химический состав, %				Механические свойства
	Al	Cu	Mg	Mn	σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %
Д1	осн.	3,8…4,8	0,4…0,8	0,4…0,8	490	320	14
Д16	осн.	3,8…4,9	1,2…1,8	0,3…0,9	540	400	11

 

Дуралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием после закалки и после старения, свариваются точечной сваркой, но сварной шов обеспечивает только 60…70 % прочности основного металла, поэтому соединение листов дуралюмина осуществляется заклепками. Удельная прочность дуралюмина после закалки и старения близка к удельной прочности легированной стали.

Для повышения коррозионной стойкости дуралюмины подвергают либо электрохимическому оксидированию, либо плакированию. Эти сплавы широко используют в самолетостроении, из них изготавливают обшивки, шпангоуты, стрингеры и лонжероны.

Сплавы авиаль. Алюминиевые сплавы, содержащие в качестве основных легирующих элементов магний (до 1,2 %) и кремний (до 1,2 %) называют авиалями (АВ, АД31, АД33 и др.). Они обладают большей пластичностью в холодном и горячем состоянии, чем дуралюмины, но меньшей прочностью. Кроме Mg и Si, которые образуют упрочняющую интерметаллическую фазу Mg₂Si, в составе авиалей может содержатся марганец, хром и медь.

Упрочнение сплавов достигается путем проведения закалки (515…525 °С и охлаждение в воде) и последующего искусственного старения (160…170 °С, выдержка 10…12 ч.). Авиаль отличается высокой пластичностью (что дает возможность ковать и штамповать детали сложной формы), значительной коррозионной стойкостью, удовлетворительной механической прочностью и свариваемостью, хорошей технологичностью. Наиболее широкое применение имеют сплавы в транспортном машиностроении, строительстве и др. отраслях для изготовления конструкций, несущих умеренные нагрузки, кованых деталей двигателей, рам, дверей и т.д.

Высокопрочные алюминиевые сплавы. Главными легирующими элементами высокопрочных алюминиевых сплавов являются магний, медь, марганец и цинк. Наибольшее распространение среди высокопрочных алюминиевых сплавов имеет сплав В95 (Al – основа, 1,4…2,0 % Сu; 1,8…2,8 % Mg; 0,2…0,6 % Mn; 5…7 % Zn, 0,1…0,25 % Cr). Механические свойства: σ_в = 560…600 МПа, σ_0,2 = 530…550 МПа, δ = 8 % (после закалки и старения).

Упрочняющими фазами в этих сплавах являются соединения MgZn₂, Al₂Mg₃Zn₃, Al₂CuMg. Чем выше содержание цинка и магния, тем выше прочность этих сплавов, но пластичность и коррозионная стойкость уменьшаются. Повысить коррозионную стойкость можно путем добавления в сплав марганца и хрома. С целью повышения прочности эти сплавы подвергают закалке (460…470 °С) и искусственному старению (135…145 °С в течение 16 ч). По сравнению с дуралюминами высокопрочные сплавы обладают большей чувствительностью к концентраторам напряжений, меньшим пределом выносливости и вязкостью разрушения.

Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем состоянии и сравнительно легко деформируются в холодном состоянии после отжига. Их применяют в самолетостроении для наружных конструкций, работающих длительное время при температурах 100…120 °С, например, обшивка, шпангоуты, стрингеры и т.д.

Жаропрочные сплавы. Для получения необходимых жаропрочных свойств их легируют не только медью и магнием, но и железом, никелем и титаном.

Упрочняющими фазами жаропрочных сплавов являются CuAl₂, Al₂CuMg, Al₉FeNi и Al₆CuNi. После закалки и старения при частичном распаде твердого раствора эти фазы выделяются в виде дисперсных частиц, которые значительно повышают жаропрочность сплавов. В таблице 3.5 представлен химический состав и механические свойства после термообработки наиболее применяемых сплавов. Высокая жаропрочность сплава Д20 достигается благодаря высокому содержанию меди и марганца с титаном.

 

Таблица 3.5

Химический состав и типичные механические свойства жаропрочных алюминиевых сплавов

Марка	Химический состав, %	Механические свойства
		σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %
АК4-1	Al – осн.; 1,9…2,5 % Cu; 1,4…1,8 % Mg; 0,35 % Si; 0,8…1,4 % Fe; 0,8…1,4 % Ni; 0,02…0,1 % Ti	430	280	13
Д20	Al – осн.; 6…7 % Cu; 0,4…0,8 % Mn; 0,1…0,2 % Ti	400	250	12

 

Жаропрочные алюминиевые сплавы используют для изготовления деталей, работающих при температурах до 300 °С (поршни двигателей внутреннего сгорания, детали турбореактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых двигателей и т.д.).

Сплавы для ковки и штамповки. Данные алюминиевые сплавы обладают высокой пластичностью и удовлетворительными литейными свойствами. К ним относятся сплавы АК6, АК8. Основными легирующими элементами являются медь, магний, марганец и кремний. Ковку и штамповку сплавов проводят при температуре ~ 450 °С. Для повышения прочности проводят термическую обработку, состоящую из закалки и искусственного старения. Упрочняющими фазами при старении являются Mg₂Si, CuAl₂, AlxMg₅CuSi₄.

Эти сплавы хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются контактной и аргонодуговой сваркой. Литейные свойства улучшаются за счет добавки кремния. Однако эти сплавы склонны к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением. Используют их для изготовления крепежных деталей, лопастей винтов вертолета и т.д.

 

Литейные алюминиевые сплавы

 

Литейные сплавы должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пор, хорошими механическими свойствами. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы, в структуре которых имеется эвтектика. Образование эвтектики зависит от концентрации легирующих элементов, т.е. их содержание должно быть больше предельной растворимости в алюминии.

В качестве литейных сплавов применяют сплавы систем Al – Si, Al – Cu, Al – Mg. Маркируются эти сплавы буквами АЛ и далее стоит цифра. Буква «А» обозначает что это алюминиевый сплав, буква «Л» – литейный, а цифра соответствует порядковому номеру из ГОСТа, например, АЛ2, АЛ4 и т.д.

Силумины. Широкое применение имеют сплавы Al – Si, получившие название силумины. Их состав близок к эвтектическому сплаву (рис. 3.1), поэтому они обладают высокими литейными свойствами.

Наибольшее распространение среди силуминов получил сплав АЛ2, который содержит в структуре эвтектику (α + β), где β-фаза – кристаллы кремния. При затвердевании эвтектики кремний выделяется в виде крупных кристаллов игольчатой формы, которые как бы надрезают пластичный α-твердый раствор. Сплав с такой структурой обладает плохими механическими свойствами.

Для измельчения структуры эвтектики и размеров кристаллов кремния силумины подвергают модифицированию, т.е. в жидкий расплав вводят NaF и NaCl в количестве 2 % от массы жидкого сплава. После модифицирования структура состоит из мелкодисперсной эвтектики и мелкозернистых кристаллов кремния. Сплав АЛ2 не подвергают упрочняющей термической обработке.

Сплавы АЛ4 и АЛ9 дополнительно легируют магнием и подвергают упрочнению термической обработкой, состоящей из закалки и искусственного старения, при этом в 2 раза повышается предел прочности. Упрочняющей фазой служит Mg₂Si.

Силумины легко обрабатываются резанием, хорошо свариваются. Эти сплавы используют для изготовления корпусов компрессоров, картеров, блоков цилиндров двигателей и т.д.

Сплавы алюминий – медь. К литейным также относятся сплавы алюминия с медью, отличающиеся от дуралюминов более высоким содержанием меди (сплавы АЛ7, АЛ19). Эти сплавы подвергаются упрочнению после закалки и искусственного старения. Они сохраняют высокие механические свойства при повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием. Литейные свойства сплавов невысокие, поэтому их используют для отливок небольших деталей простой формы. Кроме этого они имеют склонность к хрупкому разрушению вследствие выделения по границам зерен грубых включений CuAl₂ и Al₇Cu₂Fe. В сплаве АЛ19 образуются еще такие соединения как Al₁₂Mn₂Cu и Al₃Ti. Присутствие в твердом растворе марганца и образование интерметаллидных фаз по границам зерен повышает жаропрочность этого сплава, а Ti способствует измельчению зерна. Эти сплавы применяют для изготовления арматуры, кронштейнов и т.д.

Сплавы алюминий – магний. Эти сплавы (АЛ8, АЛ27) также имеют низкие литейные свойства из-за отсутствия в структуре эвтектики. Однако они обладают хорошей коррозионной стойкостью, повышенными механическими свойствами и обрабатываются резанием. Добавка бериллия уменьшает окисляемость расплава при плавке.

Структура этих сплавов представляет собой α-твердый раствор и интерметаллидную фазу Al₃Mg₂, которая в виде крупных частиц располагается по границам зерен и вызывает охрупчивание. Чтобы избежать этого, сплавы после закалки от 430 °С выдерживают в масле (40…50 °С) в течение 12…20 часов для растворения частиц Al₃Mg₂ в α-твердом растворе. Из этих сплавов изготовляют детали для судостроения и авиации.

Жаропрочные сплавы. Эти сплавы (АЛ1, АЛ21, АЛ33) используют для изготовления поршней, головок цилиндров и других деталей, работающих при температурах 250…350 °С. Жаропрочные свойства этих сплавов обеспечивают добавки Mn, Ti, Ni, Ge, Zr, которые образуют нерастворимые интерметаллидные фазы Al₆Cu₃, Al₂Ge, Al₂Zr, Al₂CuMg, Al₆Cu₃Ni. Для повышения прочности сплавы подвергают закалке и искусственному старению.