Алюминиевые сплавы для поковок и штамповок

 Алюминиевые сплавы для поковок и штамповок маркируют буквами АК. По химическому составу сплавы близки к дюралюминам, отличаясь более высоким содержанием кремния. Поэтому упрочняющими фазами при старении являются кремнийсодержащие фазы - w-фаза (AlхMg₅Cu₅ Si₄), силицид кремния b (Mg₂Si) вместо фазы S в дюралюминах) и CuAl₂.

 В табл.1.4 представлены химический состав и свойства некоторых алюминиевых сплавов для поковок и штамповок.

                                                                         Таблица 1.4

Химический состав (%) и свойства некоторых алюминиевых сплавов для поковок и штамповок.

   

 

Сплав	Содержание элементов,% (остальное Al)				Режим термооб работки	Механические свойства
	Cu	Mg	Mn	Si		σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %
АК6	1,8-2,6	0,4-0,8	0,4-0,8	0,7-1,2	Закалка+ старение	420	300	12
АК8	3,9-4,8	0,4-0,8	0,4-1,0	0,8-1,2		480	380	10

 

Сплавы для поковок и штамповок обладают хорошей пластичностью и стойки к образованию трещин при горячей пластической деформации. Ковку и штамповку этих сплавов проводят при температуре 450-475°С. Все сплавы для поковок и штамповок используют только в закаленном (500-575°С) и искусственно состаренном (150-165°С 6-15 ч) состоянии.

 Сплавы с пониженным содержание меди (АК6) отличаются лучшей технологической, но меньшей прочностью (sв =360 МПа). Их используют для средненагруженных деталей сложной формы: крепежные детали фитинги, качалки. Сплавы с повышенным содержанием меди (АК8) хуже обрабатываются давлением, но более прочны и применяются для высоконагруженных штампованных деталей несложной формы: подмоторные рамы, стыковые узлы.

 

1.6.3.Алюминиевые жаропрочные сплавы

  Жаропрочные сплавы используют для деталей, работающих при температуре до 300°С (поршни, головки цилиндров, лопатки и диски осевых компрессоров турбореактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолетов и т.д.). Жаропрочные сплавы имеют более сложный химический состав (Табл.1.5.), чем рассмотренные выше алюминиевые сплавы. Их дополнительно легируют железом, никелем и титаном. Высокая жаропрочность сплава Д20 достигается благодаря высокому содержанию меди, а также марганца и титана, замедляющих диффузионные процессы. Кроме того, титан задерживает процесс рекристаллизации.

 

                                                                                 Таблица 1.5

Химический состав (%) и свойства некоторых жаропрочных

 алюминиевых

        

Сплав	Содержание элементов,% (остальное Al)					Режим термообра ботки	Механические свойства
	Cu	Mg	Mn	Si	Прочие		σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %
АК4-1	1,9-2,5	1,4-1,8	-	0,35	0,8-1,4 Fe 0.8-1.4 Ni 0.02-0.1Ti	Закалка+  старение	430	280	13
Д20	6-7	-	0,4-0,8	-	0.1-0.2Ti		400	250	12

 

Фазами – упрочнителями жаропрочных сплавов являются q-фаза (CuAl₂), S-фаза (Al₂CuMg), фаза Al₂Mn₂Cu, а также Al₉FeNi и Al₆Cu₃Ni. При частичном распаде твердого раствора они выделяются в виде дисперсных частиц, устойчивых к коагуляции, что обеспечивает повышенную жаропрочность.

  Сплавы АК4-1 закаливают при 530±5 °С в холодной или горячей воде и подвергают старению при 200 °С. Характерными для сплава АК4-1 при нагружении (Т=130 °С) являются постоянная скорость ползучести в течение 40 000 ч. и малая скорость распространения трещин в деталях с концентраторами напряжений. Поэтому сплав АК4-1 применяется в сверхзвуковом самолетостроении для деталей реактивных двигателей (диски, лопатки, крыльчатки, колеса компрессора, воздухозаборники и др.), длительно работающих при температурах до 200-250°C. Из этого сплава изготовляют не только поковки, но и прокат (листы, плиты, полосы, трубы и др.).

 

Литейные алюминиевые сплавы

Литейные алюминиевые сплавыможно разбить на четыре группы: сплавы системы Al –Si, Al – Cu,

Al –Mg и жаропрочные сплавы.

 

1.7.1.Литейные алюминиевые сплавы системы AL - Si. Силумины

 Типичными представителями литейных алюминиевых сплавов являются сплавы системы AL - Si, получившие название силумины. Наиболее распространен сплав АЛ2, содержащий 10-13% Si (рис. 1.7.), обладающий высокой коррозионной стойкостью. Литейные алюминиевые сплавы близки по составу к эвтектическому сплаву и поэтому отличаются высокими литейными свойствами, а отливки – большой плотностью.

 

Рис. 1.7. Диаграмма состояния Al-Si. Влияние модифицирования на кристаллизацию в системе Al-Si:

1 – без модифицирования; 2 – после модифицирования

 

Этот сплав содержит в структуре эвтектику a+b и первичные кристаллы кремния (рис. 1.8,а). Кремний при затвердевании эвтектики выделяется в виде грубых кристаллов игольчатой формы, которые играют роль внутренних надрезов в пластичном a-твердом растворе. Такая структура обладает низкими механическими свойствами: σ_в= 140МПа, при δ = 3 %.

 

Рис. 1.8. Микроструктура сплава АЛ2 (х340): а – до модифицирования; б – после модифицирования

 

Для измельчения структуры эвтектики и устранения избыточных кристаллов кремния силумины модифицируют натрием (0,05-0,08%) путем присадки к расплаву смеси солей 67% NaF и 33% NaCl. В присутствии натрия происходит смещение линий диаграммы состояния (рис.1.7) и заэвтектический сплав АЛ2 (11-13% Si) (рис. 1.7,1) становится доэвтектическим (рис. 1.7,2). В этом случае в структуре сплава вместо избыточного кремния появляются кристаллы a-твердого раствора (рис. 1.8,б). Эвтектика приобретает более тонкое строение и состоит из мелких кристаллов a-твердого раствора и кристаллов Si. В процессе затвердевания кристаллы кремния обволакиваются пленкой силицида натрия Na₂Si, который затрудняет их рост. Такие изменения структуры улучшают механические свойства сплава. После модифицирования свойства этого сплава следующие: σ_в= 180МПа, при δ = 8 %.Сплав АЛ2 не подвергают упрочняющей термической обработке.

  Доэвтектические сплавы АЛ4 и АЛ9 - силумины с пониженным содержанием кремния и дополнительно легированные магнием, что улучшает их механические свойства, могут упрочняться кроме модифицирования термической обработкой. Упрочняющей фазой служит Mg₂Si. При одновременном введении магния и меди могут образоваться фазы CuAl₂ и W(AlхMg₅Cu₄Si₄).

Средненагруженные детали из сплава АЛ4 подвергают только искусственному старению, а крупные нагруженные детали (корпуса компрессоров, картеры, блоки цилиндров двигателей) – закалке и искусственному старению. Отливки из сплава АЛ9, требующие повышенной пластичности, подвергают закалке, а для повышения прочности – закалке и старению

Сплавы AL-Si сравнительно легко обрабатываются резанием. Заварку дефектов можно производить газовой и аргонодуговой сваркой.