Химический состав и механические свойства сплавов после закалки и старения

Ковочные сплавы (см. табл. 3) отличаются высокой пластичностью при температуре ковки и горячей штамповки (450 – 475°С). Они относятся к системе «алюминий – медь – кремний – магний – марганец» и маркируются буквами «АК». Их подвергают закалке и искусственному старению при 150 – 165°С в течение 4 – 12 ч.

Сплав АК6 широко применяется для изготовления штампованых и кованых деталей сложной формы (кар­теры, крыльчатки компрессоров двигателей, кронштейны и др.). Сплав АК8 отличается большей прочностью, но хуже обрабатывается давлением в горячем состоянии и применя­ется для штамповки тяжелонагруженных деталей менее сложной формы (подмоторные рамы, стыковые узлы, лопасти винтов вертолетов и т. п.). Сплав АК8 менее технологичен и склонен к межкристаллитной коррозии в искусственно со­старенном состоянии.

Жаропрочные ковочные сплавы (см. табл. 3) используют для изготовления деталей, работающих при повышенных значениях тем­пературы (до 200 – 300°С), к ним относятся АК2, АК4, АК4-1, Д20 и др. Они дополнительно легированы железом, никелем, титаном – элементами, затрудняющими диффузию при нагреве в процессе эксплуатации и тем самым замедляю­щими разупрочнение сплавов. В результате закалки и искус­ственного старения из пересыщенного твердого раствора выделяются дисперсные частицы упрочняющих фаз сложных химических составов. Эти частицы устойчивы против коагу­ляции, что обеспечивает повышенную жаропрочность. Из сплава АК4-1 изготавливают лопатки, крыльчатки, диски компрессоров и другие детали турбореактивных двигателей, а также листы и панели конструкций фюзеляжей сверхзвуко­вых самолетов.

Высокой жаропрочностью обладает сплав Д20, исполь­зуемый для деталей, длительно работающих при температуре 250 – 350°С. Повышенная жаропрочность обеспечивается высоким содер­жанием меди, наличием марганца и титана, замедляющих диффузионные процессы.

4.1.2. Порошковые сплавы алюминия

Это спечен­ные алюминиевые порошки (САП) и сплавы (САС).

САП – деформируемые жаропрочные материалы, их получа­ют путем прессования и спекания алюминиевого порошка и окиси алюминия. Из брикетов изготавливают листы, прут­ки, трубы, профили и другие полуфабрикаты. САП хорошо обрабатываются резанием, свариваются, обладают высокой коррозионной стойкостью и термической стабильностью. По жаропрочности они значительно превосходят другие алюми­ниевые сплавы при температуре до 300 – 500°С, а максималь­ная температура кратковременной эксплуатации – 700 – 1000°С.

Высокая жаропрочность САП обеспечивается наличием окисной пленки на поверхности мелкодисперсных (0,1 – 0,01 мкм) частиц алюминиевого порошка. Содержание окиси алюминия в сплавах – от 6 – 9 (САП1) до 18 – 22 % (САП4). С увеличением количества частиц окиси алюминия повыша­ются предел прочности сплава от 320 до 460 МПа и его жаропрочность.

САП1 хорошо обрабатывается давлением (ковка, штам­повка, прессование, прокатка) при 450 – 570°С. Предел проч­ности САП1 можно значительно увеличивать с 320 до 410 МПа нагартовкой (наклепом). САП2, САП3, САП4 удов­летворительно прессуются, хуже прокатываются и штам­пуются при высокой температуре.

САП рекомендуется применять для деталей, рабо­тающих в условиях сильного коррозионного воздействия (па­ровоздушная среда при 350°С).

САС – спеченные алюминиевые сплавы, получают брике­тированием и деформированием порошков алюминия с по­рошками кремния, никеля, хрома и т. д. Иногда количествен­ное соотношение порошков соответствует составу стандартных алюминиевых сплавов, и до температуры 200 – 300°С они обладают жаропрочностью. Так, сплавы Д16П, АК4П (П – порошко­вый) имеют более высокую длительную прочность при нагре­ве по сравнению с Д16 и АК4.

САС могут обладать особыми физическими свойствами за счет изменения своего состава. САС1 (25 – 30 % кремния, 5 – 7 % никеля, остальное – алюминий) обладает сочетанием низкого коэффициента линейного расширения с малой тепло­проводностью. Это позволяет использовать его для выполнения деталей, работающих при 20 – 200°С в паре со стальными. В таком сочетании не возникает значительного термического напряжения при нагреве.

Изделия из САС не имеют технологических дефектов, связанных с литьем (окисные и шлаковые включения, ликва­ция) и обработкой давлением (анизотропия свойств, плены и др.). Для них не нужен гомогенизирующий отжиг.

4.1.3. Литейные сплавы алюминия

Для получения отливок используется большое количество сплавов, которые делятся на группы в зависимости от состава, технологии литья и получаемых свойств.

Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористостью в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии и т. п. Их маркируют буквами «АЛ» (алюминиевый литей­ный) и номером сплава. В зависимости от условий получения и при­менения отливки подвергают термической обработке по одно­му из восьми режимов, которые обозначают буквой «Т» и номером (Т1, Т2, Т3,... Т8). Например, АЛ20 (Т2), где Т2 – отжиг при 300°С для снятия внутреннего напряжения и стабилизации размеров.

Силумины – сплавы алюминия с кремнием, обладают хорошими литейными свойствами (табл. 4). Высокая жидкотекучесть, малая усадка, низкая склонность к образованию горячих трещин, хорошая герметичность силуминов объясня­ются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов. Силумины обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошо свариваются и имеют низкую плот­ность – 2,65 г/см³ (2650 кг/м³); при легировании медью хорошо обраба­тываются на станках.

Сплав АЛ2 содержит 10 – 13 % кремния, по диаграмме – заэвтектический. Структура состоит из эвтектики и крупно­игольчатых кристаллов кремния, которые снижают пластич­ность и прочность сплава. Для улучшения структуры и повы­шения свойств силумины модифицируют фтористыми и хло­ристыми солями натрия. Натрий сдвигает эвтектическую точ­ку диаграммы вправо вниз, и сплав становится доэвтектическим. Строение эвтектики измельчается, а вместо кристаллов кремния в структуре появляются кристаллы мягкой и плас­тичной фазы – твердого раствора. Это приводит к увеличению пластичности до 10 – 12 % и прочности – до 180 – 200 МПа. Сплав АЛ2 термическому упрочнению не подвергается. Из него отливают тонкостенные детали сложной формы и дета­ли, испытывающие ударные нагрузки, к которым предъявля­ются повышенные требования по коррозионной стойкости.

Силумины легируют магнием, медью, марганцем, титаном и др. Наибольшее применение получили сплавы с магнием (АЛ9), магнием и марганцем (АЛ4). Легированные силуми­ны применяют для средних и крупных литых деталей ответ­ственного назначения (корпусы компрессоров, картеры, го­ловки цилиндров и т. п.). Их используют для литья под дав­лением тяжелонагруженных деталей (блоков цилиндров, головок блоков автомобильных двигателей).

Сплавы алюминия с медью АЛ7, АЛ19 (см. табл. 4) характеризуются высокой прочностью при обычной и повышенной (до 300°С) температуре, хорошо обрабаты­ваются резанием и свариваются. Литейные свойства низкие (большая усадка, низкая герметичность), что объясняется отсутствием в их структуре эвтектики. Литейные и механиче­ские свойства улучшаются при легировании титаном и мар­ганцем (АЛ19). Эти сплавы используются для отливок простой формы. Их часто анодируют, так как сплавы имеют низкую коррозионную стойкость.

Магналины – сплавы алюминия с магнием (АЛ8), обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вяз­костью и хорошей обрабатываемостью резанием. Литейные свойства низкие. Легирование сплавов титаном, цирконием и бериллием (АЛ27) устраняет склонность к окислению и увеличению зерна, повышает вязкость и пластичность (см. табл. 4). Магналины широко применяют для изготовления деталей, рабо­тающих в условиях высокой влажности в судо-, ракето-, приборо- и авиастроении.

Жаропрочные литейные сплавы (см. табл. 4). Наибольшее применение получил сплав АЛ1 (алюминий – магний – медь – никель с добавками хрома), из которого изготавливают головки цилиндров и другие детали, работаю­щие при температуре 275 – 300°С. Отливки используют после закалки и кратковременного старения при 175°С (Т5), порш­ни подвергают закалке и старению при 290°С (Т7).

Таблица 4