тряпки4 (тряпки шпоры), страница 2

Высокопрочные алюминипиевые сплавы маркируют буквой В. Они отли­чаются высоким временным сопротив­лением (600-700 МПа) и близким к нему по значению пределом текучести. Высо­копрочные сплавы принадлежат к систе­ме Al-Zn-Mg-Cu и содержат добавки марганца и хрома или циркония. Эти элементы, увеличивая неустойчивость твердого раствора, ускоряют его рас­пад, усиливают эффект старения сплава, вызывают пресс-эффект. Цинк, магний и медь образуют фазы, обладающие переменной растворимостью в алюми­нии: . M(MgZn^), S^uMgAl^), Т (MgaZr^Al^). При температуре 480 "С эти фазы переходят в твердый раствор, который фиксируется закалкой. При ис­

кусственном старении происходит рас­пад пересыщенного твердого раствора с образованием тонкодисперсных ча­стиц метастабильных М', Т и S' фаз, вызывающих максимальное упрочнение сплавов. Наибольшее упрочнение вызы­вают закалка (465-475 °С) и старение (140 °С, 16 ч). После такой обработки сплав В95пч имеет а, = 560 — 600 МПа;

ад 2 =480-550 МПа; 5=9-12%;

К^=30 МПа.м^²; КСТ=30 кДж/м²;

ИВ 1500. Подобные сплавы, отличаю­щиеся более высоким содержанием цин­ка, магния и меди, обладают повышен­ной прочностью. Так, сплав В96 имеет ет„ = 700 МПа; Сто,, = 650 МПа; 5=7%;

НВ 1900. Однако после указанной тер­мической обработки сплавы имеют низ­кие пластичность и вязкость разруше­ния.

Для повышения этих характеристик сплавы подвергают двухступенчатому смягчающему старению. Первая ступень старения-100-120 "С, 3-10 ч, вторая сту­пень-160-170 °С, 10-30 ч. Столь высо­кие температуры и большие выдержки второй ступени старения приводят к образованию и коагуляции ста­бильных фаз М, S и Т. Предварительное зонное старение (первая ступень) спо­собствует их равномерному распределе­нию, поскольку в сплавах этой системы стабильные фазы образуются из зон Гинье-Престона. После смягчающего старения сплав В95нч имеет Од = = 590 ^ 540 МПа; Стц^ = 41.0 – 470 МПа; 5=10-13; X:i,=36 МПи-м¹¹²;

КСТ=15 кДж/м²

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

Литейные алюминиевые сплавы. Хими­ческий состав и механические свойства некоторых промышленных литейных сплавов приведены в табл. 12.4. Они маркируются буквами АЛ, что значит алюминиевые литейные. Для литейных алюминиевых сплавов наиболее распро­странена классификация по химическо­му составу (А1 — Si, А1 — Си и А1 — Mg).

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Al-Si (силумины). Высокая жидкогекучесть, малая усадка, отсутствие или низкая склонность к образованию горячих трещин и хоро­шая герметичность силуминов объяс­няются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов. В двойных сплавах алюминия с крем­нием эвтектика состоит из твердого рас­твора и кристаллов практически чистого кремния (рис. 12.5, и), в легированных силуминах (АЛ4 и др.) помимо двойной имеются тройные и более сложные эв­тектики.

Плотность большинства силуминов

2650 кг/м³- меньше плотности чистого алюминия (2700 кг/м³). Они хорошо свариваются. Хорошо обрабатываются резанием только силумины, легиро­ванные медью.

Механические свойства зависят от хи­мического состава, технологии изго­товления (модифицирования, способа литья и др.) и термической обработки (см, табл. 12.4). В двойных силуминах с увеличением содержания кремния до эвтектического состава снижается пла­стичность и повышается прочность. По­явление в структуре сплавов крупных кристаллов первичного кремния вызы­вает снижение прочности и пластично­сти (рис. 12.6). Несмотря на увеличение растворимости кремния в алюминии от 0,05% при 200 °С до 1,65% при эвтекти­ческой температуре, двойные сплавы не упрочняются термической обработкой. Это объясняется высокой скоростью распада твердого раствора, который ча­стично происходит уже при закалке, а также большой склонностью к коагу­ляции стабильных выделений кремния. Единственным способом повышения ме­ханических свойств этих сплавов являет­ся измельчение структуры путем моди­фицирования.

Силумины обычно модифицируют на­трием, который в виде хлористых

и фтористых солей вводят в жидкий сплав в количестве 2-3 % от массы спла­ва. Помимо модифицирующего дей­ствия натрий сдвигает эвтектическую точку в системе Al-Si в сторону боль­ших содержаний кремния (рис. 12.7). Благодаря этому эвтектический по со­ставу сплав (АЛ2) становится доэвтекти-ческим. В его структуре помимо мелко­кристаллической эвтектики появляются первичные кристаллы мягкой пластич­ной фазы-твердого раствора (см. рис. 12.5,6). Все это приводит к увеличению пластичности и прочности (см. рис. 12.6, табл. 12.5). Модифицируют как двойные, так и легированные силумины, содержа­щие более 5-6 % Si. Для легирования си­луминов часто используют Mg, Си, Мп, Ti; реже-Ni, Zr, Cr и др. Растворяясь в алюминии, они повышают прочность и твердость силуминов. Кроме того, медь улучшает обрабатываемость реза­нием, титан оказывает модифицирую­щее действие. Медь и магний, обладая переменной растворимостью в алюми­нии, способствуют упрочнению силуми­нов при термической обработке, как правило, состоящей из закалки и искус­ственного старения. Температура закал­ки различных силуминов находится в пределах 515-535 °С, температура ста­рения-в интервале 150-180"С. Грубо-кристаллическая структура литейных

сплавов требует больших выдержек при нагреве под закалку (5-10 ч) и при ста­рении (10—20 ч). Переходные металлы, например, Мп, Ti, Zr, способствуют по­лучению пересыщенных твердых раство­ров при кристаллизации в условиях больших скоростей охлаждения, что вы­зывает некоторое упрочнение сплавов при старении без предварительной за­калки. Из легированных силуминов средней прочности наибольшее приме­нение в промышленности нашли сплавы с добавками магния (АЛ9), магния и марганца (АЛ4). Наибольшее упрочне­ние вызывает метастабильная фаза P'(Mg^Si). Легированные силумины при­меняют для средних и крупных литых деталей ответственного назначения:

корпусов компрессора, картеров, голо­вок цилиндров.

Высокопрочный сплав АЛ32, разрабо­танный в МВТУ им. Н. Э. Баумана, предназначен для литья под давлением. Сплав обладает хорошими литейными свойствами, обрабатываемостью реза­нием, свариваемостью и коррозионной стойкостью. Марганец и титан, а также большая скорость кристаллизации при литье под давлением способствуют по­лучению метастабильной структуры при отливке деталей. Это дает возможность

упрочнять отливки путем искусственно­го старения без предварительной закал­ки. Упрочнение вызывают фазы О (СиАЬ) и (3 (Mg^Si). Наилучшим явля­ется старение при 175°С в течение 8 ч, когда выделяются метастабильные 0' и р' фазы; при этом временное сопротивление увеличивается на 30—40 МП а, твердость по Бринеллю — на 180 МПа. При изго­товлении деталей другими методами литья сплав АЛ32 подвергают полной упрочняющей термической обработке — закалке при 515±5°С и старению при 175 "С. Сплав АЛ32 применяют для ли­тья под давлением нагруженных деталей, например, блоков цилиндров, головок блоков и других деталей автомобильных двигателей.

Сплавы системы Al-Cu (АЛ7, АЛ19) характеризуются высокой прочностью при обычных и повышенных температу­рах; они хорошо обрабатываются реза­нием и свариваются. Вместе с тем из-за отсутствия эвтектики сплавы обладают плохими литейными свойствами, имеют низкую герметичность. Как и деформи­руемые сплавы этой системы, они имеют структуру твердого раствора, но отличаются повышенным содержанием меди (см. рис. 12.3, в). Эвтектика в дан­ной системе (в отличие от силуминов) образуется при высоком содержании меди (33%), поэтому имеет большое ко­личество твердой и хрупкой фазы 0(СиА1д), вызывающей хрупкость эвтек­тических сплавов. Литейные и механиче­ские свойства сплавов алюминия с медью улучшаются в результате леги­рования титаном и марганцем (АЛ 19). Марганец, образуя пересыщенный твердый раствор при кристаллизации из жидкого состояния, способствует значи­тельному упрочнению сплава. Во время нагрева сплава под закалку наряду с растворением 9-фазы из твердого рас­твора выпадают мелкодисперсные ча­стицы фазы А1,дМпдСи, увеличивающие прочность при обычных и повышенных температурах. Например, после закалки сплав АЛ 19 имеет следующие механиче­

ские свойства: Ов = 320 МПа; Сто ,= 180 МПа; §=9°о; НВ 800. При последую­щем искусственном старении происхо­дит дальнейшее упрочнение сплава, вы­зываемое уже фазой 9, так предел теку­чести увеличивается почти на 40 °о, достигая 250 МПа. Сплавы алюминия с медью используют для деталей, рабо­тающих при температурах до 300 °С.

Сплавы системы Al-Mg (АЛ8, АЛ27) обладают высокой коррозионной стой­костью, прочностью, вязкостью и хоро­шей обрабатываемостью резанием. Они не содержат в структуре эвтектики по той же причине, что и сплавы системы Al-Cu, и характеризуются невысокими литейными свойствами, пониженной герметичностью и, кроме того, повы­шенной чувствительностью к примесям Fe, Si, которые образуют в этих сплавах нерастворимые фазы, снижающие пла­стичность сплавов.

Для того чтобы предотвратить окис­ление, плавку и разливку двойных спла­вов алюминия с магнием (АЛ8) необхо­димо вести под защитными флюсами. Легирование двойных сплавов Be, Ti, Zr не только устраняет их склонность к окислению и росту зерна, но и тормозит естественное старение, вызы­вающее снижение пластичности и вяз­кости сплавов. Наилучшие механические свойства сплавы Al—Mg приобретают после закалки от 530 °С, когда весь маг­ний находится в твердом растворе.

Сплавы систем Al-Mg применяют для изготовления деталей, работающих в условиях высокой влажности, в судо-, самолето- и ракетостроении. Из них де­лают детали приборов, вилки шасси и хвостового оперения, штурвалы и др.

Гранулированные сплавы. Гранулиро­ванными называют сплавы, полученные путем компактирования из частиц (гра­нул), отлитых со сверхвысокой ско­ростью кристаллизации. Гранулы полу­чают при кристаллизации в условиях скоростей охлаждения Ю^-Ю⁶ °С/с. Та­кая скорость охлаждения достигается

различными методами, например, рас­пылением жидкого металла струёй чис­того нейтрального газа. В зависимости от давления газа и условий кристалли­зации диаметр гранул колеблется or не­скольких микрометров до нескольких миллиметров. Гранулы, а следователь­но, и готовые полуфабрикаты (изделия) имеют чрезвычайно мелкозернистую структуру и минимальную легкоустра­нимую ликвацию. Но особенно боль­шим достоинством гранулированных сплавов является метастабилыюе со­стояние. При столь высоких скоростях охлаждения при кристаллизации полу­чаются пересыщенные твердые рас­творы с концентрацией, в 2,5 5 раз пре­восходящей предельную растворимость компонентов в равновесных условиях. Такие твердые растворы называют ано­мально пересыщенными. Степень пере-сыщения возрастает в соответствии с расположением металлов в ряду Сг, V, Мп, Ti, Zr.

В процессе технологических операций горячего компактировапия сплавов (400-450 "С) из пересыщенного твердого раствора выпадают дисперсные частицы интерметаллидных фаз (А1(,Мп, А^Сг, Al^Zr и др.), которые повышают темпе­ратуру рекристаллизации (рис. 12.8), уве­личивают прочность при обычных (рис. 12.9) и повышенных температурах.

Большой интерес представляют гра­нулированные сплавы алюминия с эле­ментами, практически нерастворимыми в нем в равновесных условиях и сильно

отличающимися от алюминия по плот­ности. Такие сплавы имеют гетероген­ную структуру, представляющую собой алюминиевую матрицу с равномерно распределенными дисперсными (из-за высокой скорости кристаллизации) включениями второй фазы. В сплавах, легированных сравнительно тугоплавки­ми металлами (Fe, Ni, Co), такими фаза­ми будут интермсталлиды. Они эффек­тивно упрочняют сплавы. В сплавах с такими легкоплавкими металлами, какSn, Pb, в алюминии будут присутство­вать дисперсные включения чистых ме­таллов, соответственно, Sn, Pb. Эти сплавы обладают хорошими антифрик­ционными свойствами (см. п. 10.4). Стандартные деформируемые сплавы типа дуралюминов (Д16) в гранулиро­ванном варианте имеют дополни­тельный эффект упрочнения из-за нали­чия дисперсных частиц интерметал-лидных фаз переходных металлов и нерастворимых фаз. При повышенном содержании переходных металлов о-в достигает 800 МПа.

12.2. Сплавы на основе магния

Свойства магния. Магний-металл сере­бристо-белого цвета. Он не имеет поли­морфных превращений и кристаллизуется в плотноупакованной гексагональной решет­ке с периодами а = 0,3202 нм, с = 0,5199 им.

Магний и его сплавы отличаются низкой плотностью (см. табл. 1.5), хорошей обра­батываемостью резанием и способностью воспринимать ударные и гасить вибра­ционные нагрузки. Теплопроводность магния в 1,5, а электропроводимость — в 2 раза ниже, чем у алюминия. Примерно в 1,5 раза мень­ше, чем у алюминия, и его модуль нормаль­ной упругости. Однако они близки по удель­ной жесткости. В зависимости от содержания примесей установлены следующие марки магния (ГОСТ 804-72); Мг96 (99,96 % Mg), Мг95 (99,95% Mg), Mr9U (99,90% Mg). При­меси Fe, Si, Ni, Си понижают и без того низ­кие пластичность и коррозионную стойкость (см. п. 14.1). При нагреве магний активно окисляется и при температуре выше 623 °С на воздухе воспламеняется. Это затрудняет плавку и разливку магния и его сплавов. По­рошок, тонкая лента, мелкая стружка магния представляют большую опасность, так как самовозгораются на воздухе при обычных температурах, горят с выделением большого количества теплоты и излучением ослепи­тельно яркого света.