Деформируемые алюминиевые сплавы.

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 36 из 49Следующая ⇒

Деформируемые сплавы делятся на сплавы упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой. Состав и свойства некоторых деформируемых алюминиевых сплавов приведен в табл. 16.1.Деформируемые алюминиевые, сплавы не упрочняемые термической обработкой, применяют в отожженном состоянии или упрочняют холодной пластической деформацией. Это сплавы системы Al- Mn (AMц) и Al- Mg(AMг), имеющие высокую коррозионную стойкость и пластичность, хорошо обрабатываются давлением и свариваются. Обработка резанием в отожженном состоянии затруднена. Обычно изделия из них получают глубокой вытяжкой из листового материала. Чаще применяются алюминиево-маниевые сплавы, имеющие меньшую плотность и достаточную прочность. Упрочнение, создаваемое нагартовкой снимается в зоне сварки. Нагартованные Al- Mg сплавы значительно разупрочняются даже при комнатной температуре, о чем свидетельствуют следующие данные для холоднокатанного сплава, содержащего 6% магния:

Время выдержки……..0    10дн.   4 мес.  2г.    12,5 лет

 s_в, МПа …………….. 500  480        450,5     440          430,5  

 Применяются сплавы для изготовления емкостей для нефтепродуктов, трубопроводов, палубных надстроек судов, в строительстве (AMц, AMг2, AMг3).

Для средненагруженных конструкций – рамы и кузова вагонов, перегородки зданий и переборки судов и др. используют сплавы AMг5, AMг6.

К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы алюминия с медью. Максимальная растворимость меди в алюминии составляет 5,7% при температуре 548°С и уменьшается до 0,2% при температуре 20°С. Наличие линии переменной растворимости показывает возможность упрочнения термической обработкой: закалка и старение. К числу таких сплавов относятся дуралюмины.

Т а б л и ц а  16.1.

Химический состав и свойства алюминиевых сплавов.

Обозначение марок	Массовая доля элементов, %				термическая обработка	Механические свойства
						s0,2, МПа		sв, МПа	δ%
	Медь	Марганец	Магний	прочие
Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой(Гост 4784-74)
АМц	0,1	1,0-1,6	0,2		отжиг	50		130	20
АМг2	0,1	0,2-0,6	1,8-2,6		отжиг	100		190	23
АМг5	0,1	0,5-0,8	5,8-6,8	0,02-0,1 Тi, 0,002-0,005Be	отжиг	170		340	20
А Мг6*	0,1	0,65	6,8	0,3Сr	отжиг	340		490	12,5
Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой(Гост 4784-74)
Д1	3.8-4.8	0.40-1.00	0.40-0.8		Закалка+ старение		240	400	20
Д16	3.8-4.9	0.30-0.9	1.2-1.8		"		330	440	18
В95	1,4-2,0	0,2-0,6	1,8-2,8	5-7Zn,0.01-0,25Cr	"		470	540	10
B96	2,0-2,6	0,3-0,8	2,3-3,0	8-9 Zn	"		720	750	7
AK6	1,8-2,6	0,4-0,8	0,4-0,8	0,7-1,2Si	"		300	400	12
BAД 23	1,8-5,8	0,4-0,8	<0,05	0,9-1,4Li, 0,1-0,25 Cd	"		280	450	20
01420	-	-	5,0-6,0	1,9-2,3Li, 0,09-0,15Zr	"		270	420	5
Литейные сплавы ГОСТ 2685-75
АК12 (АЛ2)	-	-	-	10-13 Si	Литьё в землю		180	80	6
					Литьё в кокиль		220	90	5
АК9 (АЛ4)	-	0,2-0,5	0,17-0,3	8-10,5 Si	Литьё в землю(закалка, старение)		260	200	4
АМ5 (АЛ19)	4,5-5,3	-	0,6-1,0	0,15-0,35Ti	"		360	250	3
Спеченные сплавы
САП2	-	-	-	0,25 Fe, 10% Al O	H		-	350	7
САС1-50	-	-	-	27,5 Si; 6%Ni	H		-	350	3
01419	-	-	-	1,5%Zr; 1,5%Cr	T1		-	350	12
ПВ 90	1,5	<1	2,5	8%Zn;1,5%Co; 1,2%Zr	T1		-	780	7

*- состав и свойства прессованных прутков из гранулированного сплава АМг6.

Дуралюмин — один из первых промышленных сплавов на основе алюминия. Благодаря малой плотности (удельный вес алюминия 2,7 г/см³), высокой тепло- и электропроводности, коррозионной стойкости алюминий и его сплавы нашли широкое применение в самолётостроении, судостроении, автомобильной и электротехнической промышленности, бытовой технике и других областях.

При введении легирующих элементов прочность может быть значительно повышена как за счет искажения кристаллической решетки при растворении этих элементов, так и за счет проведения упрочняющей термической обработки. Для создания возможности такой обработки алюминиевые сплавы легируют элементами, имеющими переменную ограниченную растворимость в алюминии. Упрочняющая термическая обработка состоит из операций -закалки и старения естественного (при комнатной температуре) или искусственного (при повышенных температурах).

Они хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях, хорошо обрабатываются резанием (в закаленном и состаренном состояниях), хорошо свариваются контактной сваркой.

Дуралюмин представляет собой сплав шести компонентов — алюминия, меди, магния, марганца, кремния и железа, Основным легирующим элементом, обеспечивающим упрочнение при термической обработке, является медь. Аналогичное назначение имеет магний. Марганец вводится для повышения коррозионной стойкости. Кремний и железо являются постоянными примесями. Кремний может быть отнесен к упрочняющим элементам, однако упрочнение за счет кремния в этом сплаве невелико. Железо в дуралюмине играет отрицательную роль. Его наличие в дуралюмине уменьшает эффект старения, так как в отличие от меди, магния, кремния железо образует нерастворимое в алюминии соединение . Медь, находящаяся в этом соединении, не может быть переведена при нагревании в твердый раствор и не может участвовать в процессах старения и упрочнения. Вредное влияние железа уменьшается при введении магния, Присадка магния даже в небольших количествах, придает сплавам способность старения при комнатной температуре, несмотря на наличие железа, так как в этом случае образуется растворимое в алюминии соединение CuMgAl из которого медь и магний при нагревании переходят в твердый раствор и впоследствии могут участвовать в процессах старения.

Отрицательное влияние железа обусловлено также тем, что оно образует соединения), имеющие грубую пластинчатую форму, понижающие прочность и пластичность.

Вследствие сложности состава, вызванной стремлением максимально повысить прочность, дуралюмины отличаются пониженной коррозионной стойкостью во влажном воздухе, в речной и морской воде и нуждаются в защите от коррозии. Наибольшее распространение в промышленности получили метод плакирования (покрытия техническим алюминием) и метод электрохимического оксидирования (анодирования), при котором на поверхности изделия образуется более плотная и толстая, чем при естественных условиях, окисная пленка , защищающая дуралюмин от коррозии.

Обозначение марок дуралюминов состоит из букв и цифр. В начале марки ставится буква Д, указывающая на принадлежность сплава к дуралюминам, т. е. к системе Al—Cu—Mg, затем следует условный (порядковый) номер сплава. Дуралюмины, используемые при обычных температурах, по составу и свойствам делятся на дуралюмины нормального состава, повышенной пластичности, повышенной прочности.

В дуралюмине нормального состава (Д1) содержание меди 3,8—4,8%, магния и марганца по 0,4—0,8%', кремния и железа не более 0,7% каждого.

Дуралюмин повышенной пластичности (Д18) имеет пониженную концентрацию меди (2,2—3,0%) и магния (0,2— 0,5%), не содержит марганца.

Дуралюмин повышенной прочности (Д16) имеет повышенное содержание магния (1,2—1,8%).

Поскольку основным легирующим элементом в дуралюмине является медь, для рассмотрения процессов, происходящих при термической обработке, можно воспользоваться диаграммой бинарных сплавов алюминий—медь.

После первичной кристаллизации сплавы, содержащие от 0,5 до 5,7% меди имеют структуру -твердого раствора, из которого при дальнейшем медленном охлаждении вследствие уменьшения растворимости меди выделяется химическое соединение . Прочность сплавов с такой равновесной структурой невысокая, так как кристаллы  относительно крупные и не представляют больших препятствий для движения дислокаций. Повышение прочности достигается за счет получения неравновесных структур, имеющих кристаллические решетки с большим количеством дефектов.

Быстрым охлаждением (закалкой) от температуры выше линии  фиксируется пересыщенный твердый раствор . Такой пересыщенный твердый раствор является неустойчивым, в нем протекают изменения, получившие название старения. Представление о механизме старения сводится к следующему. В процессе естественного старения происходят подготовительные процессы к выделению избыточной фазы . Образование такой фазы происходит при относительно высоких температурах нагрева, обеспечивающих достаточную скорость перемещения (диффузий) атомов. При комнатной температуре скорость диффузии атомов меди недостаточна для образования частиц соединения , так как для этого необходимо обогащение медью до 54%. Однако атомы меди, занимающие после закалки в решетке алюминия произвольные места, будут стремиться занять более выгодное энергетически положение. Они будут перемещаться к дефектным местам кристаллической решетки, образуя тончайшие прослойки, обогащенные атомами меди. Диаметр этих прослоек, получивших название зон Гинье-Престона, достигает 4—10нм при толщине 0,5—1,0нм. Концентрация меди в этих зонах меньше, чем в соединении СиА1₂, расположение атомов алюминия и меди неупорядоченное.

Такие зоны (ГП1) вследствие значительной разницы в размерах атомов меди (атомный радиус 0, 128 нм) и алюминия (0,143нм), имеют искаженную кристаллическую решетку, что создает препятствия для перемещения дислокаций при пластической деформации, приводит к повышению прочности и некоторому снижению пластических свойств; Этот самопроизвольный процесс получил название естественного старения. При нагревании процессы превращения развиваются более полно. Такое старение, получившее название искусственного, протекает в несколько стадий.

На первой стадии —при температурах до 423 К (100— 150° С) образуются зоны Гинье-Престона (ГП2), имеющие такую же природу, как и при естественном старении, но отличающиеся большими размерами (толщина этих зон составляет 1—4нм, диаметр — 20—30нм) и более упорядоченным расположением атомов алюминия и меди. Процесс этот называют зонным старением.

На второй стадии концентрация меди в этих зонах достигает стехиометрического соотношения, соответствующего соединению , но образования самостоятельной фазы еще не происходит. Из зон ГП2 образуется промежуточная -фаза, имеющая кристаллическую решетку, когерентно-связанную с решеткой твердого раствора, но отличную от решетки -твердого раствора и от решетки -фазы.

На третьей стадии при температуре около 200°С происходит обособление -  фазы и превращение ее в стабильную -фазу, а при увеличении выдержки или при более высоких температурах старения развиваются процессы коагуляции (укрупнения) -фазы. Это процесс фазового старения.

При термической обработке дуралюмина протекают процессы, аналогичные рассмотренным, однако присутствие в сплаве других элементов — магния, марганца, кремния, железа приводит к некоторым их усложнениям.

В литом дуралюмине по границам зерен твердого раствора в виде сетки располагаются не только фаза , но и другие хрупкие фазы — , , , , поэтому механические свойства литого дуралюмина низкие— =160—170 МПа,  = 1 —1,5%. После отжига при температуре 480—500° С и последующей горячей пластической деформации структура дуралюмина состоит из -твердого раствора с равномерно распределенными включениями тех же фаз. Расположение этих фаз внутри зерен более благоприятно сказывается на пластичности сплава, но прочность при этом повышается незначительно.

При нагреве под закалку до температуры 500° С все соединения за исключением железосодержащих фаз переходят в твердый раствор. После закалки в воде структура дуралюмина состоит из пересыщенного твердого раствора и включений нерастворимых соединений железа. Свежезакаленный дуралюмин имеет невысокую прочность =240—260 МПа, но высокую пластичность ( = 20—22%), поэтому его можно подвергать различным операциям формоизменения в холодном состоянии (обработка давлением, резанием). Высокая пластичность сохраняется в зависимости от состава сплава в течение 30—120 мин. После инкубационного периода в закаленном сплаве начинаются процессы старения. В дуралюмине, в отличие от двойных сплавов алюминия с медью в образовании зон Гинье-Престона участвует магний. При нагревании образуется метастабильная S'-фаза, а затем фаза S— . Как видно из графика зависимости прочности от времени выдержки при различных температурах старения (рис. 16.1), наибольший эффект упрочнения достигается при естественном старении в течение 4—7 суток.

Искусственное старение при температурах 100—150° С также вызывает упрочнение, но несколько более слабое. При температурах 200° С и более сна-

чала наблюдается интенсивное повышение прочности, связанное с образованием дисперсных фаз (, ), но затем происходит постепенное понижение прочности, обусловленное процессами коагуляции этих фаз. Искусственное старение дуралюмина не только дает меньший эффект упрочнения по сравнению с естественным, но и снижает пластические свойства, увеличивает чувствительность к концентраторам напряжений и уменьшает коррозионную стойкость сплава. Поэтому дуралюмины обычно подвергаются естественному старению в течение 4—7 суток.

Если возникает необходимость сохранения высоких пластических свойств закаленного сплава в течение некоторого периода времени до формоизменения, изделия (например, заклепки) хранят при температуре—50° С, так как при низких температурах процессы старения практически не развиваются. В тех случаях, когда естественное старение произошло, но сплав должен быть возвращен в пластическое свежезакаленное состояние, производят кратковременный нагрев (30—120 секунд) до температуры 230°-270° С. При таком нагреве происходит растворение неустойчивых зон ГП1 и быстрым охлаждением фиксируется пересыщенный твердый раствор. Такая обработка получила название возврата или обработки на возврат. Последующее вылёживание при комнатной температуре приводит к образованию зон ГП1 и упрочнению сплава.

Наиболее высокую прочность среди всех алюминиевых сплавов после закалки и старения при температуре 120-140°С в течение 6-24ч имеют сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu (  = 500-750МПа), но невысокую пластичность 7-10%.Сплавы этой системы используются в самолетостроении для тяжелонагруженных деталей (В95,В96).

Алюминиевые сплавы могут быть подвергнуты следующим видам отжига: гомогенизационный, рекристаллизационный и для разупрочнения сплавов (после предварительной закалки и старения)

Важнейшей задачей в области авиа и ракетостроения является снижение массы машин. Сплавы систем Al-Cu-Li (ВАД 23) и Al-Мg-Li (01420) имеют пониженную плотность, особенно сплав 1420 (плотность 2,5, что ниже плотности алюминия).

Сплав ВАД 23 упрочняется закалкой и старением при 170°С в течение 10-12ч., он используется как конструкционный материал для изделий, в которых должны сочетаться высокая прочность, жесткость и жаропрочность наряду с низкой плотностью При горячей деформации он обладает высокой технологической пластичностью. Сплав 01420 обладает высокой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и высоким значением модуля упругости после закалки и старения.

Дальнейшее повышение свойств алюминиевых сплавов достигается совместным легированием скандием и цирконием. Сплав системы Al-Mg, легированный 15-0,035%Sc u 0,05-0,15% Zr (01570) в отожженном состоянии имеет прочность >400МПа, >300МПа, при высокой пластичности =10-12, %. Термоупрочняемый сплав 01970 (5,2%Zn,2%Mg,0,3% Mn,0,2%Sc и 0,1% Zr) после старения имеет свойства =480-520МПа, =420-490МПа, =11-15 %, а также в 2-2,5 раза более высоким сопротивлением малоцикловой усталости, чем другие высокопрочные алюминиевые сплавы. Сплав имеет высокую коррозионную стойкость, хорошую свариваемость. Сварные соединения сплавов, легированных скандием.характеризуются самой высокой прочностью из всех известных алюминиевых сплавов. При изготовлении корпусных частей самолетов (фюзеляжа, крыльев) снижение массы может достигаться применением сотовых конструкций. Наружные оболочки делаются из высокопрочных материалов, а качестве наполнителя применяют клеевые сотовые конструкции из обычных алюминиевых сплавов.

Литейные алюминиевые сплавы

Литейные алюминиевые сплавы должны обладать хорошими литейными свойствами (жидкотекучестью, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости). Наиболее высокие литейные свойства имеют сплавы с эвтектической структурой т.е. с минимальным интервалом кристаллизации. К числу таких сплавов относится сплав системы Al- Si (силумин) марки АК 12, содержащий 10-13%Si (Si- обозначается буквой К), обладающий высокой коррозионной стойкостью, но низкой прочностью: =180МПа, =80МПа, =7 %,. Сплав не упрочняется термической обработкой.

Более высокую прочность имеют доэвтектические силумины (сплав АК7), упрочняемый закалкой и старением при 150ºС. Маркируются литейные сплавы следующим образом: А- обозначает, что сплав на основе алюминия, следующая буква обозначает легирующий элемент (К – кремний, М- медь, цифры- его количество.

Отливки из алюминиевых сплавов в зависимости от вида отливки и условий ее работы подвергается одному из следующих видов термической обработки:

1.Искусственному старению (Т1 – условное обозначение), без предварительной закалки. При литье в условиях ускоренного охлажденияпроисходит частичная закалка, поэтому старение повышает механические свойства и улучшает обрабатываемость резанием.

2. Отжиг (Т2) при ~300ºС, в течении5-10часов в зависимости от назначения отливки. Отжиг применяется для снижения литейных напряжений и остаточных напряжений после механической обработки.

3 Закалка и естественное старение (Т3,Т4).

4. Закалка и кратковременное искусственное старение (2-3ч) – Т5. После такой обработки отливки приобретают высокую прочность и повышенную пластичность.

5. Закалка и полное искусственное старение (3-5ч) - Т6.

6. Закалка и стабилизирующее старение (3-10ч) – Т7.

Большая часть деталей из алюминиевых сплавов, используемых в зарубежных автомобилях производится литьем под давлением (ЛПД) – наиболее производительным процессом получения фасонных заготовок. Высокая доля затрат на оборудование компенсируется обычным в этой отрасли большим масштабом производства. Решение существовавших ранее проблем пористости позволило использовать упрочняющую темическую обработку(ТО) и последующую сварку отливок. В последнее десятилетие активная «интеллектуализации» промышленных технологических процессов проявилась в методах литья фасонных деталей из алюминиевых сплавов с недендритной формой кристаллов - фазы. Под «интеллектуализацией» промышленных технологических процессов понимается организация технологических воздействий при формировании кристаллической структуры материала детали,которая позволяет контролировать, воспроизводить и сохранять заданные форму, размер и состояние границ кристаллов - фазы (или фаз) затвердевшего сплава. Это направление получило название «тиксофомирование». Механические свойства сплавов в отливках, достигаемые при использовании этой технологии (табл. 16.3) весьма значимы, причем для фасонного литья могут применяться сплавы, ранее относимые только к деформируемым.

Та б л и ц а 16.3

Механические свойства сплавов в отливках (тиксолитьё)

Состав (аналог)				Режим обработки
AlSi7Mg0,3Sr (A356)	105 170 230	230 260 300	18 15 14	Л T5 T6	Литье Закалка в воду,160ºС 6ч 540ºС 10ч, закалка в воду,160ºС 6ч
AlSi7Mg0,6Sr (A357)	110 205 290	240 275 345	17 10 10	Л T5 T6	Литье Закалка в воду,170ºС 6ч 540ºС 10ч, закалка в воду,170ºС 6ч
AlSi6Cu3Mg (A319)	130 320	270 405	7 5	Л T6 T5	Литье 500ºС 6ч, закалка в воду,170ºС10ч, закалка в воду,170ºС 10ч
AlSi6Cu1Mg (A355)	225	320	7	Т5	закалка в воду,170ºС 10ч
AlSi16Cu4Mg (A390)	185 270 225 350	220 270 225 350	1 <0,2 <0,2 <0,2	Л T5 Т5* T6	Литье Закалка в воду,170ºС 10ч Закалка в воду,230ºС 8ч 500ºС 6ч, закалка в воду,170ºС 10ч
По ГОСТ 1583-89 в отдельно отлитых образцах, не менее
АК7пч (АЛ9-1) ЛПД	-	210	2		-
АК 8 (АЛ 34) ЛПД	200	290	1,0	Т1
АК5М2 (кокиль)	-	160 210	0,5 0,5	Т5	-
Новое реолитье
AlSi7Mg0,3Sr (A356)	-	320	17	Т6	-

Метод тиксолитья освоен многими зарубежными фирмами, наибольшая масса отливок составляет 7 кг.

Эта технология позволяет получать отливки из композитов на Al основе, упрочненных керамическими частицами (например Al - SiC; Al – SiC- MnS).Триботехнические исследования показали высокую износостойкость этих композиционных материалов по стали 40Х13 с твердостью 50HRC при сухом трении и в воде. Из сплавов на основе Al + 20% SiС изготовляют корпуса: гироскопа, гидронасоса бомбордировщика (рабочая температура 135°С), деталь тормоза самолета F16, антифрикционные материалы на основе АЛ25 + 2,5 и 5% SiС соответственно.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС).

САС -1 (система Al-Si-Ni)  и САС-2 (системаAl-Si-Fe) изготавливают из порошков, полученных распылением жидких сплавов, что обеспечивает сплавом дисперсную структуру.Сплавы имеют низкий коэффициент термического расширения.

Гранулированные алюминиевые сплавы получают распылением расплава с высокими скоростями (10 - 10  ºС/с) в воде, при этом происходит закалка сплавов с образованием пересыщенных твердых растворов. Из гранул изготавливают прессованные полуфабрикаты и листы при нагреве до 400-450. При горячей деформации пересыщенные твердые растворы распадаются с выделением дисперсных частиц интерметаллидов (старение сплавов). Дисперсионно твердеющим гранулированный сплав 01419 системы Al-Cr- Zr обладает повышенной жаропрочностью (табл.16.1). Алюминиевый сплав Al-Zn-Mg-Cu (ПВ 90), упрочняется термической обработкой и по прочности превосходит все серийные алюминиевые сплавы. Значительно повышаются механические свойства гранулированных сплавов не упрочняемых термической обработкой по сравнению со свойствами стандартных сплавов. Механические свойства и химический состав гранулированного сплава АМг6 приведены в табл. 16.1. Помимо существенного повышения прочности при статическом нагружении сплава, возрастает и усталостная прочность (σ  ) со 140 до 165 МПа.

Спеченный алюминиевый порошок (САП) получают холодным, а затем горячим брикетированием (прессованием под давлением 700МПа при 500-600ºС) предварительно окисленной алюминиевой пудры, при этом каждая частица пудры покрыта тонким слоем оксида алюминия. Из горячепрессованных брикетов обработкой давлениемизготавливают изделия. Чем больше в САПе оксида алюминия (содержание Al O  изменяется от 6 до 22%, соответственно САП1…..САП 4) тем больше прочность и ниже пластичность сплава. В сплавах системы Al -Mg-Cu- Al O  (СПАК-4) использовано упрочнение оксидами и интерметаллидами (Al FeNi и др). Обладая высокой длительной прочностью при 350ºС (в 2-2,5 раза большей, чем у сплава АК4-1) сплав СПАК-4 может применяться для работающих на форсированных режимах поршней.

Познавательные статьи:



Алгоритмические операторы Matlab

Конструирование и порядок расчёта дорожной одежды

Исследования учёных: почему помогают молитвы?

Почему терпят неудачу многие предприниматели?