Материаловедение

Алюминий и его сплавы

Алюминий (Al) — это легкий цветной металл (его плотность составляет 2,71 г/см3) с невысокой температурой плавления (660 °С). По распространенности в земной коре Аl занимает первое место — 8,8 % (для сравнения Fe — 4,65 %, Mg — 2,4 %, Ti — 6,3·10-3 %, Ni — 8·10-3 %, Сu — 4,7·10-3 %). Его предел прочности при растяжении σв = 80…100 МПа; твердость — 25 НВ. Алюминий отличается пластичностью, легко поддается обработке давлением. После холодной прокатки алюминия его предел прочности (σв) увеличивается до 180…250 МПа, а твердость — до 45…60 НВ. Впервые алюминий в свободном виде получил в 1825 г. датский ученый Х.К. Эрстед. Однако высокая химическая активность алюминия и, следовательно, высокая стойкость образуемых химических соединений долго не позволяли наладить его производство. Кроме того, производство алюминия требует больших энергетических затрат. Наличие мощных электростанций и создание надежных технологий получения этого металла из руды, выдвинули алюминий и его сплавы на одно из ведущих мест среди цветных металлов по значимости и объему применения в современном машиностроении.

В полупроводниковой и ядерной технике и химической промышленности используется алюминий высокой чистоты (марок А995, А99, А97, А95), содержащий от 0,005 до 0,05 % примесей. Алюминий промышленной чистоты (марок А85, А8, А7, А6, А5, А0, А, АЕ), содержащий от 0,15 до 1 % примесей, используется в электротехнической промышленности, а также для производства сплавов. Чистый алюминий в машиностроении используется незначительно (в основном, применяются сплавы алюминия).

Для получения сплавов используется алюминий, выпускаемый в виде чушек.

Алюминий

Сплавы на основе алюминия классифицируются по степени упрочнения после термической обработки, по эксплуатационным свойствам, по технологии изготовления деталей. По последнему признаку различают алюминиевые сплавы литейные и деформируемые. Основными примесями в алюминии и его сплавах являются Fe и Si. Железо, образуя интерметаллиды, снижает пластичность алюминия и его сплавов. В отношении термической обработки сплавы алюминия бывают не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

Алюминиевые сплавы образуют твердые растворы, эвтектики, интерметаллидные фазы. Для них применяют закалку и старение, а также отжиг. При закалке температура нагрева сплава находится в интервале 485…525 °С. При этом для каждого сплава используется более узкий интервал в пределах этих температур, поскольку повышение температуры выше закалочной ведет к пережогу (оплавлению по границам зерен). Выдержка при нагреве должна быть минимальной, обеспечивающей полное растворение избыточных фаз в твердом растворе. После охлаждения детали подвергают старению. Старение производится при комнатной температуре (естественное старение) и продолжается несколько суток или при температуре 150…200 °С — 10…24 часа (искусственное старение). Закалка и старение увеличивают твердость и σв обрабатываемых сплавов. Для некоторых сплавов при оптимальных условиях старения эти показатели могут увеличиться в два раза.

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг сплава производится перед его обработкой давлением для устранения в слитках дендритной ликвации, которая приводит к неоднородности структуры, и измельчению зерна. Такой отжиг производится при температуре 450…520 °С с последующим охлаждением сплава вместе с печью или на воздухе.

Рекристаллизационный отжиг производят при нагреве сплава до температуры 350…500 °С (в зависимости от состава сплава).

Для разупрочнения закаленных сплавов производят их отжиг при температуре 350…460 °С с выдержкой при этой температуре 1,5…2 часа. При этом происходит полный распад пересыщенных твердых растворов и коагуляция упрочняющих фаз.

Сплавы для изготовления фасонных отливок (кроме свойств, определяемых условиями эксплуатации) должны обладать хорошими литейными свойствами.

Алюминиевые литейные сплавы (ГОСТ 1583—93) маркируются буквами и цифрами. Буква «А» в марке сплава означает, что сплав алюминиевый литейный, а остальные буквы обозначают элементы, входящие в его состав:

  • К — кремний;
  • М — медь;
  • Н — никель;
  • Ц — цинк;
  • Су — сурьма;
  • Мг — магний;
  • Кд — кадмий;
  • Мц — марганец.

Цифры после букв обозначают среднюю массовую долю соответствующего элемента (в %). Буквы в конце марки сплава обозначают следующее:

  • «ч» — чистый;
  • «пч» — повышенной чистоты;
  • «оч» — особой чистоты;
  • «л» — литейные сплавы;
  • «с» — селективный.

Рафинированные сплавы в чушках обозначают буквой «р», которую ставят после обозначения марки сплава.

В составе литейных сплавов (при литье в песчаные формы) допускается содержание 0,5…1 % Fe, а при литье в кокиль — 0,8…1,4 % Fe. Кремний не оказывает вредного влияния на литейные сплавы и используется в качестве основного или вспомогательного легирующего элемента.

Для производства основной массы изготавливаемых деталей применяются пять групп литейных алюминиевых сплавов. Это Al–Si (силумины), Al–Cu–Si (алькусины), Al–Cu, Al–Mg и сложнолегированные сплавы.

Выделено семь элементов, которые могут служить основными легирующими элементами в алюминиевых сплавах,— серебро (Ag), германий (Ge), литий (Li), цинк (Zn), магний (Mg), медь (Сu), кремний (Si). Все они образуют с алюминием системы эвтектического типа, но из-за высокой стоимости Ag, Ge и Li сплавы, легированные этими элементами, применяются очень ограниченно. Цинк применяется для растворного упрочнения литейных сплавов, но он не образует интерметаллидов и не обеспечивает значительного упрочнения. В этой связи основными легирующими элементами в алюминиевых сплавах являются Mg, Сu и Si. Образование интерметаллидов в сплавах Al–Cu, Al–Mg и Al–Mg–Si, а также отличная жидкотекучесть и малая усадка (линейная усадка для большинства сплавов составляет 0,9…1,3 %) Al–Si сплавов, переменная растворимость элементов в твердом состоянии в сплавах Al–Cu и Al–Mg позволяют получать качественные отливки и использовать различные методы упрочнения сплавов, включая дисперсное твердение путем закалки и старения. Вспомогательные легирующие элементы (Mn, Cr, V, Ti, Zr, Mo, Ni и др.) дополнительно упрочняют отливки по растворному типу, улучшают пластичность сплавов и повышают их жаропрочность, а другие вспомогательные легирующие элементы (Na, К, Be, Ca, Cd и др.) используются в виде небольших добавок (до 0,2 %) для улучшения технологических свойств в качестве модификаторов.

Основными особенностями алюминиевых сплавов, которые необходимо учитывать при плавке, являются склонность этих сплавов к газопоглощению (особенно водорода) и легкая окисляемость. В последующем водород, выделяясь при кристаллизации и охлаждении, способствует образованию газовой пористости в отливках, а включения А12O3 существенно снижают механические свойства сплава. Для защиты от этих нежелательных явлений производят плавку алюминиевых сплавов под слоем флюса, перед заливкой проводят дегазацию расплава, его рафинирование хлором и азотом, а для получения мелкозернистой структуры и улучшения механических свойств сплава применяют модифицирование фтористыми и хлористыми соединениями.

Твердость литейных алюминиевых сплавов (в зависимости от их состава и методов термической обработки) составляет от 500 до 1000 НВ, а σв — от 130 до 360 МПа.

Максимальная рабочая температура применяемых в промышленности алюминиевых сплавов составляет 300…350 °С.

Для изготовления отливок в промышленности используют пять групп алюминиевых сплавов (ГОСТ 1583–93):

  1. Сплавы на основе системы «алюминий—кремний» (силумины): марки АК12; АК13; АК9; АК9с; АК9ч; АК9пч; АК8л; АК7; АК7ч; АК7пч; АК10Су;
  2. Сплавы на основе системы «алюминий—медь—кремний» (алькусины) : марки АК5М; АК5Мч; АК5М2; АК5М7; АК6М2; АК8М; АК5М4; АК8М3; АК8М3ч; АК9М2; АК12М2; АК12ММгН; АК12М2МгН; АК21М2,5Н2,5;
  3. Сплавы на основе системы «алюминий—медь»: марки АМ5; АМ4,5Кд;
  4. Сплавы на основе системы «алюминий—магний»: марки АМг4К1,5М; АМг5К; АМг3Мц; АМг6л; АМг6лч; АМг10; АМг10ч; АМг11; АМг7;
  5. Сплавы алюминия с прочими компонентами (сложнолегированные): марки АК7Ц9; АК9Ц6; АЦ4Мг.

Сплавы системы алюминийкремний (силумины) получили наибольшее распространение. Они обладают лучшими из всех алюминиевых сплавов литейными свойствами и широко применяются для отливок деталей, отличающихся сложностью очертаний или несущих большие нагрузки. Силумины обладают удовлетворительной коррозионной стойкостью. Изготавливаемые из них детали защищают анодированием и лакокрасочными покрытиями. Силумины широко используют в промышленности (авиационной, машиностроительной, судостроительной и электротехнической).

Добавление меди к сплавам Al—Si повышает их твердость и предел прочности при растяжении, а также значительно улучшает обрабатываемость резанием. Тройные сплавы Al—Cu—Si (алькусины) применяются при изготовлении особо ответственных деталей (например, головок цилиндров двигателей, поршней, деталей, работающих при повышенной температуре, и др.). Эти сплавы используют в промышленности для изготовления деталей необходимой прочности, сохраняющих постоянство размеров в процессе эксплуатации и имеющих высокую чистоту обработанной поверхности.

Сплавы системы Al–Cu имеют пониженные литейные свойства, малую коррозионную стойкость и недостаточную пластичность, но хорошо обрабатываются резанием. Эти сплавы применяют для отливки небольших ответственных деталей машин и приборов, несущих высокую нагрузку (статическую и ударную).

Сплавы системы Al–Mg обладают малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью и прочностью. Их применяют для изготовления сильно нагруженных деталей. Однако эти сплавы плохо работают при повышенных температурах. Из этих сплавов изготавливают арматуру и корпуса машин, устанавливаемых на морских судах.

Сложнолегированные сплавы алюминия применяют для изготовления отливок, работающих при повышенных температурах и давлениях, с повышенной стабильностью размеров, а также для изготовления сварных конструкций и деталей, хорошо обрабатывающихся резанием.

Области применения некоторых марок литейных алюминиевых сплавов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Области применения литейных алюминиевых сплавов

ГруппаМарка

сплава

Области применения
IАК12Герметичные детали небольших размеров. Детали, испытывающие ударные нагрузки, тонкостенные детали сложной конфигурации. Детали, применяемые в автомобиле- и тракторостроении (картеры, блоки цилиндров, поршни двигателей внутреннего сгорания). Изделия пищевого назначения (теплообменники, мясорубки)
АК9 АК7Отливки сложных по конфигурации, статически нагруженных деталей (корпуса водяных насосов, компрессоров, картеры и блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, системы водяного охлаждения, турбинные колеса турбохолодильников, вентиляторов, арматура и посуда)
АК7пчСложные по конфигурации детали агрегатов и приборов, испытывающие средние нагрузки и работающие при температуре до 200 °С
АК8лОтливки крупных корпусных деталей, сложных по конфигурации и работающих под большим внутренним давлением газа или жидкости
IIАК8МНагруженные детали (блоки цилиндров, головки блоков и другие детали автомобильных двигателей)
АК8М3чСиловые и герметичные детали с рабочими температурами до 250 °С, изготовляемые литьем под давлением и другими методами точного литья
АК5МГоловки цилиндров двигателей воздушного охлаждения, детали агрегатов и приборов, работающих при температуре не выше 250 °С
IIIАМ5Крупногабаритные отливки ответственных деталей, работающих в условиях повышенных статических и ударных нагрузок, при низких и повышенных (до 300 °С) температурах
IVАМг10,

АМг10ч

Используются вместо дефицитных бронз, латуней, коррозионно-стойких сталей Силовые детали, работающие при температурах от –60 до +60 °С.. Детали, работающие в различных климатических условиях, включая воздействие морской воды и тумана

Для повышения механических свойств отливок из алюминиевых сплавов их часто подвергают термической обработке, после которой в некоторых случаях прочность отливок увеличивается почти в два раза.

К группе деформируемых относятся сплавы на основе алюминия (табл. 2), перерабатываемые в изделия методами деформирования (прессованием, волочением, ковкой, штамповкой, прокаткой). Среди этих сплавов различают сплавы, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой.

Таблица 2. Состав деформируемых алюминиевых сплавов

Марка сплаваСодержание элементов в сплаве (остальное Al), %
CuMgMnпрочие
АМц*
АМг2*1,8…2,60,2…0,6
АМг6*5,8…6,80,5…0,80,02…0,1 Ti
Д1**3,8…4,80,4…0,80,4…0,80,002…0,005 Be
Д16**3,8…4,91,2…1,80,3…0,9
Д18**2,2…3,00,2…0,5
В95***1,4…2,01,8…2,80,2…0,60,01…0,25Cr

5…7 Zn

АК6***1,8…2,60,4…0,80,4…0,80,7…1,2 Si
АК8***3,9…4,80,4…0,80,4…1,00,6…1,2 Si
* Механические свойства после отжига.

** Механические свойства после закалки и естественного старения.

*** Механические свойства после закалки и искусственного старения

В группе деформируемых сплавов алюминия, упрочняемых термической обработкой, различают сплавы нормальной прочности, высокопрочные сплавы, жаропрочные сплавы и сплавы для ковки и штамповки.

Типичным представителем сплавов нормальной прочности являются дуралюмины, относящиеся к системе А1–Сu–Mg, которые маркируются буквой «Д». Марганец повышает коррозионную стойкость, температуру рекристаллизации и улучшает механические свойства дуралюминов (табл. 3).

Таблица 3. Механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов

Марка сплаваМеханические свойства сплаваВид полуфабриката
σвσ0,2σ–1δ,

%

НВ,

МПа

МПа
АМц*130505520300Листы
АМг2*19010012523450Листы
АМг6*34017020700Листы
Д1**40024010520950Листы, прессованные прутки.
48032012514
Д16**440330115181050Листы, плиты, прессованные прутки
53040014011
Д18**3001709524700Проволока
В95***540470150101500Листы, плиты, прессованные прутки
60056015081500
АК6***400299125121000Поковки
АК8***48038013091350Поковки
* Механические свойства после отжига.

** Механические свойства после закалки и естественного старения.

*** Механические свойства после закалки и искусственного старения

Для упрочнения сплавов применяют закалку с последующим охлаждением в холодной воде. Закаленные дуралюмины подвергают старению, способствующему увеличению их коррозионной стойкости. В процессе естественного (несколько суток) или искусственного старения (10…24 ч) повышается прочность сплава вследствие распада пересыщенного твердого раствора.

Дуралюмины широко применяются в авиации. Так, из сплава Д1 изготовляют лопасти винтов, из Д10 — несущие элементы фюзеляжей самолетов, а сплав Д1В является одним из основных заклепочных материалов. Из дуралюминов обработкой давлением производят полуфабрикаты (прутки, полосы, листы и т. д.)

К высокопрочным сплавам алюминия относят сплавы (В95, В96), системы Al–Zn–Mg–Сu. В качестве легирующих добавок используют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную стойкость и эффект старения сплава. Для достижения требуемых прочностных свойств (σв = 600…700 МПа) сплавы закаливают при температуре 460…480 °С с последующим искусственным старением при температуре 120…140 °С. Высокопрочные сплавы превосходят дуралюмины но прочностным показателям, но менее пластичны и более чувствительны к концентраторам напряжений, а также воздействию коррозионных сред под напряжением. Для повышения коррозионной стойкости изделий их плакируют сплавом Al+1% Zn. Высокопрочные сплавы применяют в авиастроении для изготовления наружных конструкций с температурой длительной эксплуатации до 120 °С.

Для изделий, эксплуатируемых при температурах до 300 °С, используют жаропрочные сплавы АК-4, АК-4-1. Они имеют сложный химический состав, легированы железом, никелем, медью и другими элементами, образующими упрочняющие фазы СuAl2, CuMgAl2, Al12Mg2Cu и др. Жаропрочность сплавам придает легирование медью, марганцем и титаном, замедляющими диффузионные процессы. Детали из жаропрочных сплавов используют после закалки и искусственного старения.

Сплавы для ковки и штамповки обладают высокой пластичностью и удовлетворительно перерабатываются литьем. При горячем деформировании в этих сплавах не образуются трещины. Типичными представителями таких материалов являются сплавы системы А1—Cu—Mg с добавками кремния (АК 0, АК 8). Ковку и штамповку этих сплавов производят при температуре 450…475 °С. Затем применяют закалку и старение. Из этих сплавов изготавливают поковки и прокат.

К неупрочняемым термической обработкой деформируемым сплавам относят сплавы систем А1–Мn, А1–Mg. Они отличаются высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, хорошо свариваются. Сплавы этой группы используют в отожженном, нагартованном и полунагартованном видах.

Для устранения дендритной ликвации деформируемых сплавов проводят гемогенизирующий отжиг слитков при температуре 450…520 °С в течение 4…40 ч с последующим охлаждением на воздухе или в печи. Деформированные заготовки подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре 350…500 °С в течение 0,5…2 ч. Эта операция способствует снятию наклепа и получению мелкозернистой структуры металла. Из неупрочняемых сплавов изготовляют емкости для жидкостей, трубы, корабельные конструкции, детали вагонов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *