Алюминий и его сплавы

Алюминий — металл серебристого цвета с плотностью 2,7 Мг/м³ и температурой плавления 660 °С; имеет куби­ческую гранецентрированную кристаллическую решетку; не имеет полиморфных превращений.

Алюминий характеризуется высокими тепло- иэлек­тропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. Последнее объясняется спо­собностью алюминия на воздухе покрываться прочной оксидной пленкой Аl₂О₃, защищающей металл от даль­нейшего окисления. Алюминий характеризуется высокой пластичностью, хорошо обрабатывается давлением. Ме­ханические свойства прокатанного и отожженного алю­миния высокой чистоты: σ_в = 58 МПа; σ_0,2 = 20 МПа; δ = =40 %; φ = 85 %; твердость НВ 25.

Примеси по-разному влияют на алюминий: магний и марганец снижают его тепло- и электропроводность, железо — коррозионную стойкость. Вместе с тем такие элементы, как магний, марганец, медь, цинк, никель ихром, упрочняют алюминий.

Благодаря удачному сочетанию физических, химиче­ских, механических и технологических свойств алюминий и его сплавы широко применяют в различных областях народного хозяйства. Высокая тепло- и электропроводность алюминия позволяют использовать его в электро­технической промышленности, теплообменниках холо­дильников и др. Алюминий применяется для получения сплавов на его основе и как легирующий элемент в маг­ниевых, медных, цинковых, титановых и других сплавах. Листовой алюминий идет как упаковочный материал, увеличилось применение алюминия в строительстве, сельском хозяйстве и др.

По способу производства изделий алюминиевые спла­вы можно разделить на две группы: деформируе­мые (в том числе спеченные), идущие на изготовление полуфабрикатов — листов, прутков, профилей, поковок путем прокатки, прессования, ковки и т. д., и литейные, предназначенные для фасонного литья.

Деформируемые алюминиевые сплавы по объему про­изводства составляют около 80 %. Деформируемые спла­вы делятся на упрочняемые и неупрочняемые термиче­ской обработкой.

К термически неупрочняемым сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц) и с магнием — магналии (АМг2, АмгЗ, АМгб и др.). Сплавы эти обла­дают средней прочностью, хорошей пластичностью и сва­риваемостью, а также высокой коррозионной стойкостью. Они применяются в судо- и авиастроении, в производст­ве сварных емкостей, холодильников и т. д.

Механические свойства сплавов АМц следующие: = 130 МПа (в отожженном состоянии) и 220 МПа (в нагартованном); δ=23 и 5 % соответственно. Сплав АМгб в отожженном состоянии имеет σ_в=340 МПа, = 18%, а в нагартованном — σ_в = 400 МПа, δ = 10%.

К термически упрочняемым относят следующие алю­миниевые сплавы: на основе системы Аl—Сu—Mg (дуралюмины Д1, Д16 и др.; σ_в = 410...540 МПа, δ =11......15%); на основе А1—Сu—Mg—Si (авиали типа АВ; σ_в = 220МПа, δ = 22%); на основе А1—Сu—Mg—Zn (вы­сокопрочные сплавы В95, В96; σ_в = 550...700 МПа, δ =7...8%); на основе А1—Mg—Ni—Si (жаропрочные сплавы АК4-1, Д20; σ_в =430 МПа, δ = 12 %) и на основе А1—Сu—Mg—Мп (ковочные сплавы АК-6, АК-8; σ_в =480 МПа, δ = 10 %) и др.

Наибольшую известность получили дуралюмины. Термическая обработка дуралюминов заключается в за­калке при температуре 500 °С с охлаждением в воде и последующим естественным или искусственным старением. Для рассмотрения превращений в алюминиевых сплавах и происходящих структурных изменений следует обра­титься к диаграмме состояния системы алюминий — медь (рис. 59). Как видно из рисунка, максимальная раство­римость меди в алюминии в твердом состоянии составляет 5,7 % при температуре 548 °С. С понижением тем­пературы растворимость уменьшается и при комнатной температуре становится равной 0,2...0,5 %. Это указыва­ет на то, что сплавы, ограниченные линией DF, могут тер­мически обрабатываться и упрочняться.

Рис. 59. Диаграмма стояния системы алюминий - медь.

Любой сплав, содержащий 0,5-5,5% Си, можно перевести в однофазное состояние α - твердого раствора соответствующим нагревом выше линии FЕ. Это состояние фиксируется быстрый охлаждением при закалке. Полученный таким образок твердый раствор при содержании в нем ме­ди более 0,5% является пересыщенным.

Рис. 60. Микроструктура алюминиевого сплава с 4% Cu:

а – отожженного; б – закаленного.

Состояние пересыщенного твердого раствора неустойчиво. Поэтому при комнатной температуре с течением времени в твердом растворе за­каленного сплава самопроизвольно начинают протекать процессы, подго­тавливающие выделение избыточной меди в виде CuAl₂. Сущность этих процессов состоит в том, что внутри зерен α- твердого раствора происходит перераспределение атомов меди и их скопление в отдельных местах кристаллической решетки твердого раствора. В результате обра­зуются зоны, богатые медью (зоны Гинье-Престона), которые нарушая правильность строения кристаллической решетки α - твердого раст­вора, создают в ней внутренние напряжения. Благодаря действию этих напряжений, твердость и прочность сплава возрастают, а пластичность снижается.

Такой процесс повышения прочности, происходящий самопроизвольно в закаленном сплаве при комнатной температуре называется естественным старением.

При естественном старения (20°С) прочность становится максимальной через 4-5 сут после закалки, причем скорость упрочнения в пер­вые часы значительно меньше, чем в последующие.

Начальный период, характеризующийся отсутствием или весьма слабым повышением прочности, называется инкубационным периодом. Инку­бационный период имеет важное технологическое значение, так как в этот момент сплав обладает большой способностью к пластической деформа­ции и закаленные детали можно подвергать разнообразным технологичес­ким операциям, связанным с деформацией (правка изделий, гибка, отбортовка и др.). Через 2-3 ч эта способность пластически деформи­роваться начинает уменьшаться и затем исчезает совсем.

Микроструктура закаленного и естественно состаренного алюминие­вого сплава с 4%меди ничем не отличается от микроструктуры этого сплава после закалки. Объясняется это тем, что изменения, происхо­дящие в строении сплава при естественном старении, связаны лишь с перемещениями атомов внутри твердого раствора, без выделения вторичной фазы CuAl₂, поэтому такие изменения металлографически не обна­руживаются.

Основным недостатком естественного старения является очень большая длительность процесса (4-5 сут).С целью ускорения применяют искусственное старение, состоящее в нагреве закаленного сплава до температур 150-250°С, выдержке несколько часов и последующего охлаждения на воздухе.

При искусственном старении, по сравнению с естественным, измене­ния в строении сплава не останавливаются на образовании зон Гинье-Престона. В зависимости от температуры нагрева и времени выдержки вслед за появлением зон Гинье-Престона происходит преобразование части их во вторичные фазы (CuAl₂ и др.) и выделение этих фаз из α-твердого раствора. Иначе говоря, при искусственном старе­нии происходит распад пересыщенного α - твердого раствора с вы­делением вторичных фаз. Выделившиеся в тонкодисперсной форме вторич­ные фазы блокируют плоскости скольжения в зернах сплава, что препят­ствует деформированию и сплав упрочняется.

Наблюдаемое после максимума разупрочнение (снижение прочности), связано с завершением процесса распада α - твердого раствора, т.е. окончательным выделением из него вторичных фаз и их дальнейшим ростом. Поэтому при искусственном старении необходимо строго соблюдать режим термообработки, чтобы не допустить разупрочнения сплава.

Литейные сплавы должны иметь высокую жидкотекучесть, минимальную склонность к образова­нию усадочных и газовых пустот, трещин, раковин, долж­ны хорошо свариваться и обрабатываться резанием. Луч­шими литейными свойствами обладают эвтектические или близкие к ним по составу сплавы. Поэтому широкое рас­пространение получили сплавы алюминия с элементами, которые образуют с ним легкоплавкие эвтектики. К. их числу относятся сплавы А1 — Si, А1 — Сu, Al — Mg, А1 — Сu — Mn, A1 — Сu — Мn — Mg и другие.

Сплавы на основе системы Al — Si называются си­луминами. Они характеризуются большой жидкотекучестью и малой объемной усадкой при кристаллизации. Двойные силумины АЛ2 содержат 10... 13 % кремния. Как видно из, диаграммы состояния системы Al — Si, эти сплавы близки к эвтектическим.

Силумины с эвтекти­кой грубоигольчатого строения из-за высокой хрупкости кремния имеют низкие механические свой­ства (σ_в=120...160 МПа, δ=1...2 %). Для повыше­ния прочности и пластич­ности такие силумины модифицируют. В расплав перед заливкой в формы вводятся небольшие до­бавки натрия (0,05... 0,08 %) или кальция, бо­ра и некоторых других элементов. Обычно ис­пользуют модификатор, состоящий из смеси

2/3NaF+1/3NaCl. Модифицирование способствует улучшению механических (σ_в = 170...200 МПа, δ = 3...5 %) и литейных свойств силуминов. Модифицирование силу­минов с пониженным количеством кремния малоэффек­тивно.

Двойные модифицированные силумины характеризу­ются малой плотностью, хорошо свариваются, коррозионно-стойкие. Их недостатком является большая склонность к газонасыщению и, как следствие, к образованию окисных пленок, газовых раковин и пористости в массивных стенках отливки. Кроме того, они плохо обрабатываются резанием. Из них отливают мало-нагруженные детали повышенной коррозионной стойкос­ти, работающие при температурах не выше 200 °С (дета­ли приборов, корпуса водяных насосов и т. п.).

Для повышения механических и технологических свойств двойные доэвтектические силумины (4..10 % Si) легируют магнием, медью, марганцем и подвергают тер­мической обработке. Широко применяются сложные си­лумины следующих систем: А1 — Si — Mg, Al — Si — Сu, Al — Si — Mg — Сu.

Силумины с добавками магния АЛ9 (6...8 % Si; 0,2... 0,4 % Mg) и АЛ4 (8...10 % Si; 0,17...0,3 % Mg) относятся к системе А1 — Si — Mg. Сплавы этой группы могут быть упрочнены тер­мической обработкой. Например, в ре­зультате закалки в горячей воде (50...100°С) с темпера­туры (535±5) °С и отпуска (искусственное старение) при 175 °С предел прочности спла­ва АЛ4 повышается с 150...170 МПа до 240...260 МПа за счет выделения при отпуске из α-твердого раствора высо­кодисперсных упрочняющих частиц Mg₂Si (силицид маг­ния). Силумины АЛ4 и АЛ9 применяются для изготовле­ния средненагруженных деталей повышенной коррозион­ной стойкости (АЛ4 — блоки цилиндров, картеры и корпуса различных агрегатов) или обладающих высокой стабильностью размеров (АЛ9 — тормозные барабаны, головки блоков и др.).

Вопросы для повторения раздела.

1. Каковы основные свойства и области применения алюминия?

2. Как классифицируются алюминиевые сплавы?

3. В чем сущность естественного старения?

4. Какие свойства должны иметь литейные сплавы?

5. Укажите назначение силуминов в зависимости от легирующих элементов.