Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы характеризуются высокой удельной прочностью, способностью сопротивляться инерционным и динамическим нагрузкам. Временное сопротивление алюминиевых сплавов достигает 500…700 МПа при плотности не более 2,850 г/см³.

Большинство алюминиевых сплавов имеют хорошую коррозионную стойкость (за исключением сплавов с медью), высокие теплопроводность и электрическую проводимость, хорошие технологические свойства.

Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются Сu, Mg, Si, Mn, Zn; реже – Li, Ni, Ti. Алюминий с основными легирующими элементами образует диаграммы, подобные диаграмме А1-Cu (рис. 21).

Рисунок 21 – Диаграмма состояния «алюминий – медь»

Многие легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы ограниченной переменной растворимости и промежуточные фазы CuAl₂, Mg₂Si и др. Это дает возможность подвергать сплавы упрочняющей термической обработке, состоящей из закалки с получением пересыщенного твердого раствора и последующего естественного или искусственного старения.

Согласно диаграмме состояния Al-Cu, медь с алюминием образуют твердый раствор, максимальная концентрация меди в котором составляет 5,7% при эвтектической температуре. С понижением температуры растворимость меди уменьшается, достигая 0,2% при 20°С. Из твердого раствора при этом выделяется θ-фаза (СuА1₂), содержащая ~ 54,1% Сu. Она имеет объемно-центрированную тетрагональную кристаллическую решетку и обладает сравнительно высокой твердостью (530 HV). В сплавах, дополнительно легированных магнием, образуется еще S-фаза (CuMgAl₂) с ромбической кристаллической решеткой (564 HV).

При старении алюминиевых сплавов в пересыщенном твердом растворе выделяются пластинчатые выделения меди диаметром (30…60)× 10^-10м и толщиной до 10∙10^-10м, которые называются зонами Гинье–Престона (зоны Г. П.). На этой стадии достигается максимальное упрочнение. При повышении температуры до 100^оС зоны Г. П. преобразуются в Ө¢-фазу, когерентно связанную с маточным твердым раствором, но имеющую решетку, отличную от твердого раствора и стабильной Ө-фазы. Прочность алюминиевых сплавов, содержащих такие дисперсные выделения, уже не достигает своего максимального значения. При дальнейшем повышении температуры Ө¢-фаза превращается в стабильную Ө-фазу, происходит её коагуляция и при этом достигается еще меньшее упрочнение.

Алюминиевые сплавы подразделяются на:

- деформируемые, предназначенные для получения поковок, штамповок и проката (листов, плит, прутков и т. п.);

- литейные;

- гранулированные (получаемые методами порошковой металлургии).

Маркировка алюминиевых сплавов осуществляется следующим образом. Буква Д в начале марки обозначает сплавы типа дуралюминов. Буквы АК в начале марки присваивают ковким алюминиевым сплавам, а АЛ – литейным алюминиевым сплавам. Буквой В маркируются высокопрочные сплавы. После букв указывается условный номер сплава. Часто за условным номером следует обозначение, которое характеризует состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка + старение); Н – нагартованный; П - полунагартованный.

Конструкционная прочность алюминиевых сплавов зависит от примесей Fe и Si. Они образуют в сплавах нерастворимые в твердом растворе фазы, которые снижают пластичность, вязкость разрушения, сопротивление развитию трещин. Легирование сплавов марганцем уменьшает вредное влияние примесей. Однако более эффективным способом повышения конструкционной прочности является снижение содержания примесей с 0,5…0,7% до 0,1…0,3% (чистый сплав), а иногда и до сотых долей процента (сплав повышенной чистоты). В первом случае к марке сплава добавляют букву "ч", например Д16ч, во втором – буквы "пч", например В95пч.

4.1.2.1 Деформируемые алюминиевые сплавы

Деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

К неупрочняемым термической обработкой относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием (АМг). Сплавы отличаются хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью.

В отожженном состоянии они обладают высокой пластичностью и низкой прочностью. Пластическая деформация повышает прочность этих сплавов почти в 2 раза. Однако применение наклепа ограничено из-за резкого снижения пластичности сплавов, поэтому их используют в отожженном мягком состоянии (АМгМ). Сплавы типа АМц и АМг отжигают при 350…420°С.

При повышении содержания магния временное сопротивление возрастает от 110 МПа (AMгl) до 340 МПа (АМг6) при соответствующем снижении относительного удлинения с 28 до 20 %.

Сплавы типа АМц и АМг применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой и сваркой (корпусы и мачты судов, рамы вагонов и др.), а также деталей, от которых требуется высокая коррозионная стойкость (трубопроводы для бензина и масла, сварные баки),

К сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся дуралюмины, ковочные и высокопрочные сплавы.

Дуралюминами называют сплавы, относящиеся к системе Al-Cu-Mg, в которые дополнительно вводят марганец. При закалке сплавы дуралюмины нагревают до 495…505°С (Д16) и до 500…510°С (Д1) и затем охлаждают в воде при 40 °С. После закалки структура состоит из пересыщенного твердого раствора и нерастворимых фаз, образуемых примесями. Далее сплавы подвергают естественному или искусственному старению.

Естественное старение продолжается 5-7суток. Длительность старения значительно сокращается при увеличении температуры до 40°С и особенно до 100°С. Для упрочнения дуралюминов, как правило, применяют закалку с естественным старением, так как в этом случае сплавы обладают лучшей пластичностью и менее чувствительны к концентраторам напряжений.

Искусственному старению (190°С, 10 ч) подвергают лишь детали, используемые для работы при повышенных температурах (до 200 °С).

Большое практическое значение имеет начальный период старения (20…60 мин), когда сплав сохраняет высокую пластичность и низкую твердость. Это позволяет проводить такие технологически операции, как клепка, правка и др.

Ковочные алюминиевые сплавы маркируют буквами АК. Они обладают хорошей пластичностью и стойкостью к образованию трещин при горячей пластической деформации. По химическому составу сплавы близки к дуралюминам, отличаясь более высоким содержанием кремния. Ковку и штамповку сплавов ведут при 450…475 °С. Их применяют после закалки и искусственного старения.

Высокопрочные алюминиевые сплавы маркируют буквой В. Они отличаются высоким пределом прочности (600…700 МПа) и близким к нему по значению пределом текучести. Высокопрочные сплавы относятся к системе Al-Zn-Mg-Cu и содержат добавки марганца и хрома или циркония. Цинк, магний и медь образуют фазы, обладающие переменной растворимостью в алюминии (MgZn₂, CuMgAl₂ и Mg₃Zn₃Al₂). При 480°С эти фазы переходят в твердый раствор, который фиксируется закалкой. При искусственном старении происходит распад пересыщенного твердого раствора с образованием тонкодисперсных частиц метастабильных фаз, вызывающих максимальное упрочнение сплавов. Наибольшее упрочнение вызывают закалка (465…475°С) и старение (140°С) в течение 16 ч. После такой обработки сплава В95 предел прочности достигает 600 МПа, предел текучести - 550 МПа, относительное удлинение - 12%, К_1С - 30 МПа·м^1/2, КСТ - 30 кДж/м² и твердость - до 150 НВ.

Сплав В96 имеет более высокие прочностные свойства (σ_в до 700 МПа; σ_0,2 до 650 МПа; твердость до 190 НВ), но пониженные пластичность (δ до 7%) и вязкость разрушения. Для повышения этих характеристик сплавы подвергают двухступенчатому смягчающему старению при 100…120°С в течение 3…10 ч (первая ступень) и 160…170 °С в течение 10…30ч (вторая ступень). После смягчающего старения у сплава В95 предел прочности не превышает 590 МПа, предел текучести - 470 МПа, а относительное удлинение повышается до 13%, К_1с до 36 МПа·м^1/2 и КСТ до 75 кДж/м².

Сплавы применяют для высоконагруженных деталей конструкций, работающих в основном в условиях напряжения сжатия (обшивка, стрингеры, шпангоуты, лонжероны самолетов).

4.1.2.2 Литейные алюминиевые сплавы

Наибольшее распространение получили литейные сплавы на основе систем Al-Si и A1-Си. Маркируются литейные сплавы буквами АЛ и цифрой, указывающей номер сплава.

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Al-Si (силумины), для которых характерны высокая жидкотекучесть, малая усадка, отсутствие или низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность. Плотность большинства силуминов составляет 2650 кг/м³.

Механические свойства зависят от химического состава, технологии изготовления, а также термической обработки. В двойных силуминах с увеличением содержания кремния до эвтектического состава (12…13%) снижается пластичность и повышается прочность. Появление в структуре сплавов крупных кристаллов первичного кремния вызывает снижение прочности и пластичности.

Несмотря на переменную растворимость кремния (от 0,05% при 200°С до 1,65% при эвтектической температуре), двойные сплавы не упрочняются термической обработкой, что объясняется высокой скоростью распада твердого раствора, частично происходящего уже при закалке. Единственным способом повышения механических свойств этих сплавов является измельчение структуры путем модифицирования натрием. Помимо модифицирующего действия натрий сдвигает эвтектическую точку в системе Al-Si в сторону больших содержаний кремния. Благодаря этому эвтектический по составу сплав (АЛ2) становится доэвтектическим. В его структуре помимо мелкокристаллической эвтектики появляются пластичные выделения первичного алюминия. Все это приводит к увеличению пластичности и прочности.

Для легирования силуминов часто используют Mg, Cu, Mn, Ti и др...

Магний и медь, обладая переменной растворимостью в алюминии, способствуют упрочнению силуминов при термической обработке, состоящей, как правило, из закалки и искусственного старения. Температура закалки различных силуминов находится в пределах 515…535°С, температура старения – 150…180°С. Из легированных силуминов средней прочности наибольшее применение в промышленности нашли сплавы с добавками магния (АК7ч), магния и марганца (АК9ч).

Сплавы системы А1-Сu (АМ4, АМ5) хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Они характеризуются высокой прочностью при обычных и повышенных температурах (до 300°С, но обладают плохими литейными свойствами). Это объясняется образованием в данной системе эвтектики при высоком содержании меди (33%),которое не достигается в промышленных сплавах. Литейные и механические свойства улучшаются в результате легирования титаном и марганцем (АМ5). Марганец, образуя пересыщенный твердый раствор при кристаллизации из жидкого состояния, способствует значительному упрочнению сплава.

4.1.2.3 Гранулированные алюминиевые сплавы

Из гранулированных сплавов широкое распространение получили спеченные алюминиевые порошки (САП) и спеченные алюминиевые сплавы (САС).

САП представляет собой смесь алюминия с мелкими (до 10^-6м) частичками Al₂О₃. Эти сплавы получают путем холодного брикетирования исходных смесей, вакуумного отжига и последующего спекания нагретых брикетов под давлением. В структуре САПов находятся дисперсные частички Аl₂О₃, которые эффективно тормозят движение дислокаций и повышают прочность сплава. Содержание этих частичек изменяется от 6…9% (САП-1) до 18...22% (САП-4), соответственно, предел прочности повышается до 450 МПа, а относительное удлинение снижается от 6% до 1…2%.

САПы сохраняют высокую прочность до 350^оС, а при 500^оС предел прочности еще сохраняется равным 100 МПа, в то время как для жаропрочных дураминов предел прочности при этой температуре снижается до 5 МПа.

САПы с 10…12% Аl₂О₃ имеет такую коррозионную стойкость, как и технический алюминий. В отличие от алюминиевых сплавов они не склонны к коррозии под напряжением.

Недостатком САПов является их низкая способность к пластическому деформированию.

САС представляет собой гранулированный алюминиевый порошок с высоким содержанием легирующих элементов (марганца, хрома, титана, циркония, ванадия), нерастворимых или мало растворимых в алюминии.

При литье гранул (0,1…1 мм) центробежным способом капли жидкого металла охлаждаются в воде со скоростями до 10^{8 о}С/с. При этом образуются твердые растворы, которые содержат легирующие элементы в количестве, превышающем их предельную растворимость в равновесных условиях. Например, граничная растворимость марганца в алюминии составляет 1,4%, а при охлаждении с высокой скоростью образуется аномально пересыщенный твердый раствор, содержащий до 5% Mn.

Высокие скорости охлаждения способствуют улучшению структуры сплавов. Если при обычных методах литья наблюдаются грубые первичные и эвтектические выделения интерметаллидных фаз, то в гранулированных алюминиевых сплавах такие включения становятся дисперсными с равномерным расположением в металле, что повышает механические свойства.