Алюминий и сплавы на его основе

3.  Алюминий  и  сплавы  на его  основе

3.1. Свойства и применение алюминия

         Алюминий - металл серебристо-белого цвета. Он не имеет полиморфных превращений и характеризуется наличием кристаллической решетки ГЦК с периодом  а=0,4041 нм.

         Алюминий обладает малой плотностью  (2,7 г/см³), низкой температурой плавления (660°С), высокой теплопроводностью и электропроводимостью (см. табл. 1.2), высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Имеет низкие прочностные свойства: s_в = 50-80 Н/мм², s_в = 15-30 Н/мм²   при высокой пластичности: d = 35-45 %. Путем холодной пластической деформации можно добиться упрочнения алюминия до получения значений  s_в около 150 Н/мм² и  s_в около 100 Н/мм², но пластичность его резко снизится  (d  примерно 6-12 %).

         Высокая коррозионная стойкость алюминия обусловлена быстрым образованием на его поверхности прочной и стойкой к воздействию многих коррозионно-активных сред пленки оксида алюминия.

         Примеси ухудшают большинство свойств алюминия, но приводят к его упрочнению. Постоянными примесями алюминия являются железо, кремний, медь, цинк, титан. В зависимости от содержания примесей первичный алюминий подразделяют на 3 класса: 1) особой чистоты - А 999 (не более 0,001% примесей); 2) высокой чистоты - А 995, А 99, А 97, А 95 (0,005-0,05 % примесей);  3) технической чистоты - А 85, А 8 и др. (0,15-1 % примесей). Технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и др.) маркируют как АДО и АД 1.

         Ввиду низкой прочности технический алюминий как конструкционный материал применяют для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от материала требуется легкость, свариваемость, пластичность. Так, из него изготавливают рамы, двери, трубопроводы, фольгу, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуду и т.д. Благодаря высокой теплопроводности он используется для различных теплообменников, в промышленных и бытовых холодильниках. Высокая электропроводность алюминия способствует его широкому применению как электротехнического материала для проводов, кабелей, шин, конденсаторов и т.д. Благодаря высокой отражательной способности он используется для изготовления прожекторов, рефлекторов. экранов телевизоров.

3.2. Классификация и общая характеристика алюминиевых сплавов

         Сплавы на основе алюминия как конструкционный материал используются более широко, чем чистый алюминий. Алюминиевые сплавы характеризуются высокой удельной прочностью, способностью сопротивляться инерционным и динамическим нагрузкам, хорошей технологичностью. Все сплавы алюминия превосходят чистый алюминий по прочности (предел прочности ряда сплавов достигает 500-700 Н/мм²) и удельной прочности, которая у некоторых сплавов приближается к таковой для высокопрочных сталей. Большинство алюминиевых сплавов имеет хорошую коррозионную стойкость (за исключением сплавов с медью), высокие теплопроводность и электропроводимость. Они характеризуются достаточно высокими технологическими свойствами: хорошо обрабатываются давлением, свариваются точечной сваркой, в основном хорошо обрабатываются резанием. Большинство из них превосходят по пластичности магниевые сплавы и пластмассы.

Рекомендуемые материалы

         Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются Cu, Mg, Si, Mn, Zn, реже - Li, Ni, Ti. Многие легирующие элементы образуют с алюминием ограниченные твердые растворы с переменной растворимостью и промежуточные фазы - интерметаллиды. Это дает возможность упрочнять такие сплавы термической обработкой - закалкой на пересыщенный твердый раствор с последующим естественным или искусственным старением. Эффективность такой обработки иллюстрируется рисунком 3.1 на примере системы Al - Cu , поскольку медь входит в состав почти всех алюминиевых сплавов.

        

        

Предельная растворимость меди в алюминии составляет около 5,7% (по массе) и снижается при охлаждении до 0,5% (при 20°С). Следовательно, в зависимости от состава сплава, до 5,2% меди может выделиться из пересыщенного твердого раствора  в процессе старения в форме избыточной фазы  CuAl₂  (фазовое старение), что обеспечивает значительное упрочнение сплава.

         Легирующие элементы, особенно переходные, повышают температуру рекристаллизации алюминия за счет образования тонкодисперсных частиц  интерметаллидных фаз, которые препятствуют миграции границ зерен и способствуют упрочнению сплава (т.н. структурное упрочнение, или “пресс-эффект”).

         Наличие в составе сплавов таких примесей, как железо и кремний, образующих нерастворимые в  a-твердом растворе фазы, приводит к снижению их пластичности, вязкости разрушения, сопротивления развитию трещин. Вредное влияние этих примесей может быть уменьшено снижением их содержания с 0,5-0,7% (обычное содержание в соответствии со стандартами) до 0,1-0.3% (чистый сплав, например, Д 16ч), а иногда и до сотых долей процента (сплав повышенной чистоты, например, Д 16 пч), а также легированием их марганцем. Сплавы повышенной чистоты используют для изготовления наиболее ответственных деталей, таких как силовые элементы конструкций пассажирских и транспортных самолетов.

         Алюминиевые сплавы классифицируют по следующим признакам:

1. По технологии изготовления их подразделяют на:

а) деформируемые, полуфабрикат либо изделия из которых получают методами горячей или холодной пластической деформации;

б) литейные, изделия из которых получают методами литья;

в) спеченные, изделия из которых получают методами порошковой металлургии;

2. По способности упрочняться термической обработкой их подразделяют на:

а) упрочняемые термической обработкой;

б) не упрочняемые термической обработкой.

3.3.  Деформируемые алюминиевые сплавы

                      3.3.1  Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые

                                                    термической обработкой

         Изделия из этих сплавов подвергают упрочняющей термической обработке - закалке на пересыщенный твердый раствор с последующим старением. Среди таких сплавов выделяют их несколько групп:

         1. Дуралюмины - сплавы системы  Al - Cu - Mg, содержат 2,5-5% Cu, 0,5-2% Mg , 0-1% Mn. Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности и, как видно из схемы на рис. 3.1, могут быть существенно упрочнены термической обработкой за счет выделения из пересыщенного твердого раствора при естественном старении дисперсных частиц избыточных фаз - CuAl₂  (q ) с твердостью HV около 530 ед., а в сплавах, дополнительно легированных Mg -фазы S (CuMgAl₂  ) с твердостью HV около 564 ед. Механические свойства дуралюминов Д1, Д16, Д 18 приведены в таблице 3.1. Из приведенных данных следует, что повышение содержания меди, приводя к увеличению доли фазы  q, обеспечивает упрочнение дуралюминов. Упрочнению сплавов способствует и увеличение количества фазы  S  при повышении концентрации магния. После закалки (от 495-510°С) и естественного старения в течение 5-7 суток происходит образование зон Гинье - Престона, богатых медью и магнием. Дуралюмины используют для изготовления деталей самолетов, вертолетов, кузовов автомобилей, корпусов катеров, лодок и т.д. Для повышения коррозионной стойкости дуралюминов листы из них подвергают плакированию чистым алюминием.

         Таблица 3.1 - Химический состав и механические свойства ряда

                                  деформируемых алюминиевых сплавов

         Примечание:  Пр. прут. - прессованные прутки.

         2. Сплавы “авиаль” (АВ) - это сплавы системы  Al - Si - Mg; они содержат 0,5-1,5% Si,  0,5-0,9% Mg, а также дополнительно 0,1-0,5% Cu, 0,2-0,4% Mn. Эти сплавы обладают меньшей в сравнении с дуралюминами прочностью (примерно в 2 раза), но лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях, более высокой коррозионной стойкостью, удовлетворительно обрабатываются резанием и свариваются. Их подвергают закалке от 515-525°С с охлаждением в воде с последующим естественным или искусственным (160°С, 12 ч.) старением. Используют для изготовления листов, труб, лопастей винтов вертолетов и других изделий.

         3. Высокопрочные сплавы (В 95, В 96) являются сплавами системы  Al - Zn - Cu - Mg и содержат 5-8,5% Zn, 1,4-3% Cu, 2-3% Mg, а также 0,2-0,6% Mn и иногда - небольшие количества хрома. Как следует из данных табл.3.1, высокопрочные сплавы в термически обработанном состоянии (закалка от 460-470  С и искусственное старение при 140°С, 16 ч.) характеризуются высокими прочностными характеристиками, но более низкой пластичностью, чем дуралюмины, уступая им и по коррозионной стойкости под напряжением. Цинк, магний и медь образуют фазы, обла-дающие переменной растворимостью в алюминии:  M (MgZn₂  ),  S (CuMgAl₂  ),  T (Mg₃Zn₃Al₂  ). При нагреве под закалку эти фазы растворяются в твердом растворе. При последующем старении закаленного сплава происходит распад пересыщенного твердого раствора с образованием тонкодисперсных частиц метастабильных  M`, T` и S` - фаз, вызывающих максимальное упрочнение сплавов. При повышении в таких сплавах концентрации цинка, магния и меди (например, сплав В 96 в сравнении со сплавом В 95) обеспечивается повышение прочностных характеристик (s_в - до 700 Н/мм², s_т - до 650 Н/мм²) при снижении их пластичности (d - около 7%). Высокопрочные сплавы применяют для изготовления высоконагруженных конструкций, работающих в основном в условиях напряжения сжатия (обшивка, шпангоуты, лонжероны самолетов).

         4. Сплавы для ковки и штамповки (или ковочные сплавы) маркируют буквами  АК (АК 6, АК 8). Они являются сплавами системы  Al - Cu - Si - Mg  и содержат   2-5% Cu, 0,6-1,2% Si, 0,4-1% Mg, а также 0,4-1% Mn. Они обладают хорошей пластичностью и стойки к образованию трещин при горячей пластической деформации. По химическому составу они близки к дуралюминам, отличаясь от них повышенным содержанием кремния, что обеспечивает присутствие избыточных кремнийсодержащих фаз, в частности, силицида магния  b (Mg₂Si). Эти сплавы используют для изготовления деталей сложной формы. Ковку и штамповку ведут при темпера-туре 450-475  С. Изделия подвергают закалке от 500-520°С и искусственному старению (150-165°С, 6-15 ч.). Сплавы с пониженным содержанием меди (АК 6) отличаются лучшей технологической пластичностью, но меньшей прочностью (табл. 3.1). Их используют для средненагруженных деталей: больших и малых крыльчаток, фитингов, качалок, крепежных деталей. Сплавы с повышенным содержанием меди (АК 8) хуже обрабатываются давлением, но более прочны и используются для изготовления высоконагруженных деталей несложной формы: подмоторных рам, поясов лонжеронов, лопастей винтов вертолетов и др.

         5. Жаропрочные сплавы системы  Al - Cu - Ni (Fe) - Mg - Mn  содержат до 7% Cu, до 2% Mg, до 1% Mn и дополнительно -  Fe (до 1,5%),  Ni (до 1,5%) и Ti (до 0,2 %). Их используют для изготовления деталей, работающих при температурах до 300°С (поршни, головки цилиндров, детали компрессоров). Их подвергают упрочняющей термической обработке - закалке от 530°С с охлаждением в воде и искусственному старению при 200°С.

                 3.3.2. Деформируемые алюминиевые сплавы,  не упрочняемые

                                                     термической обработкой

         К ним относятся сплавы системы  Al - Mn  ( А Мц - 1 - 1,6 % марганца)  и    Al - Mg  (2 - 6 % магния):  А Мг2, А Мг3,..., А Мг6. Упрочнение таких сплавов достигается за счет легирования. Сплавы отличаются высокой пластичностью, высокой коррозионной стойкостью, но имеют заметно более низкие в сравнении, например, с дуралюминами, прочностные характеристики (см. табл. 3.1).

         Сплавы А Мц имеют структуру, состоящую из кристаллов  a - твердого раствора и вторичных выделений избыточной фазы  MnAl₆(рис. 3.2, а). Сплавы применяются в отожженном состоянии. Пластическая деформация упрочняет сплав почти в два раза.

Рисунок 3.2 - Участки диаграмм состояния сплавов системы  Al-Mn (a),

                                  Al - Mg (б),  Al - Si (в)

         Деформируемые сплавы системы алюминий - магний, как следует из рис. 3.2, б, при содержании до 7% магния могут дать незначительное упрочнение при термической обработке. Магний образует с алюминием  a - твердый раствор, его концентрация в котором с повышением температуры может увеличиваться от 1,4 до 17,4%.

         При комнатной температуре структура сплавов состоит из кристаллов твердого раствора a и избыточной фазы  Mg₂Al₃. В этих сплавах прочностные характеристики повышаются с повышением содержания магния (см. табл. 3.1) за счет увеличения количества избыточной фазы. Сплавы А Мг, как и сплавы А Мц, часто применяются в нагартованном состоянии, когда с помощью пластической деформации обеспечивается их заметное упрочнение. Однако, пластические характеристики при этом резко снижаются, что ограничивает применение нагартованных сплавов.

         Сплавы типа А Мц и А Мг применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, от которых требуется высокая коррозионная стойкость  (трубопроводы для бензина и масла, сварные баки), а также для заклепок, переборок, корпусов и мачт судов, лифтов, узлов подъемных кранов, рам вагонов, кузовов автомобилей и т.д.

3.4. Литейные алюминиевые сплавы

         Изделия из таких сплавов изготавливают методом литья. Такие сплавы должны обладать высокой жидкотекучестью, малой усадкой. Высокими

литейными свойствами обладают сплавы, в структуре которых формируется эвтектика.

         Промышленное применение находят литейные сплавы следующих систем:

1. Al - Si - силумины (АЛ2,  АЛ4, АЛ9 и др.), содержащие 6 - 13 % кремния, а также до 0,5 % магния и марганца;

2. Al - Cu ( АЛ7,  АЛ19 и др.), содержащие 4 - 5 % меди, а также 0-1 % марганца;

3. Al - Mg (АЛ8, АЛ27 и др.), содержащие 9 - 12 % магния.

4. Жаропрочные сплавы системы  Al - Cu - Ni - Mg  (АЛ1, АЛ33 и др.), содержащие 4-6 % Cu,  1-3 % Ni,  1-1.75 % Mg.

         Состав и свойства ряда литейных сплавов приведены в таблице 3.2. Литейные сплавы маркируют буквами АЛ (алюминиевый литейный).

         Лучшими литейными свойствами обладают сплавы алюминия с кремнием -силумины. Высокая жидкотекучесть, малая усадка, низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики, что видно из диаграммы состояния (рис. 3.2, в). В двойных сплавах алюминия с кремнием эвтектика состоит из твердого раствора и кристаллов практически чистого кремния. В легированных силуминах (АЛ4 и др.) помимо двойной имеются тройные и более сложные эвтектики.

         Силумины хорошо свариваются, хорошо обрабатываются резанием при их легировании медью. В двойных силуминах с увеличением содержания кремния до эвтектического состава снижается пластичность и повышается прочность. Появление в структуре крупных кристаллов первичного кремния вызывает снижение как прочности, так и пластичности.

         Несмотря на повышение растворимости кремния в алюминии от

0,05% при 200°С до 1,65 % при эвтектической температуре, двойные силумины не упрочняются термической обработкой из-за высокой скорости распада твердого раствора даже уже в процессе закалки.

         Упрочнить силумины можно в результате измельчения структуры путем модифицирования. Силумины обычно модифицируют натрием, кото-

рый в виде хлористых и фтористых солей вводят в жидкий сплав в количестве 2-3 % от массы. Кроме модифицирующего эффекта, натрий сдвигает эвтектическую точку в системе  Al - Si  в сторону больших содержаний кремния и способствует большему переохлаждению расплава при кристаллизации (см. схему на рис. 3.3). Благодаря этому заэвтектический по составу сплав приобретает структуру доэвтектического, характеризующуюся наличием мелкокристаллической эвтектики и первичных кристаллов избыточной  a -фазы. Это приводит к повышению как пластичности, так и про-чности сплава. Модифицируют как двойные, так и легированные силумины, содержащие более 5-6 % кремния.

         Таблица 3.2 - Химический состав и механические свойства ряда

                                  литейных алюминиевых сплавов

         Для легирования силуминов часто используют Mg, Cu, Mn, Ti,  реже -  Ni, Zr, Cr и другие элементы. Растворяясь в алюминии, они повышают прочность и твердость сплавов (см. табл. 3.2). Медь улучшает обрабатывае-

мость резанием, титан является модификатором. Медь и магний, обрадая переменной растворимостью в алюминии (см. рис. 3.1, 3.2), способствуют упрочнению силуминов в результате термической обработки, состоящей из закалки (от 515-535°С) и искусственного старения (150-180°С, длительностью до 10-20 ч.). Легирование силуминов марганцем, титаном, цирконием способствует упрочнению сплавов при старении без предварительной закалки.

         Силумины, прежде всего, легированные, применяют для изготовления средних и крупных деталей ответственного назначения:  корпусов компрессоров, картеров, головок цилиндров, блоков цилиндров и др.

         Рисунок 3.3 - Схема влияния модифицирования натрием на положение

                                  линий и точек диаграммы состояния сплавов системы  Al - Si 

         Сплавы системы  Al - Cu  (АЛ7,  АЛ19, табл. 3.2) характеризуются высокой прочностью при обычных и повышенных температурах, превосходя по этим показателям силумины. Они хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Однако, из-за отсутствия эвтектики эти сплавы обладают низкими литейными свойствами, имеют низкую герметичность. Структура сплавов состоит из кристаллов  a -твердого раствора и упрочняющей фазы - CuAl₂ (см. рис. 3.1).

         Литейные и механические свойства сплавов алюминия с медью улучшаются при их легировании Ti и Mn (АЛ19). Марганец способствует упрочнению сплавов за счет выделения частиц фазы  Al₁₂Mn₂Cu. Сплавы упрочняют закалкой, либо закалкой и искусственным старением, когда в качестве упрочнителя выделяется фаза  q  ( CuAl₂ ).

         Сплавы системы  Al - Cu применяют в основном для изготовления небольших изделий простой формы, работающих при температурах до 300°С.

         Сплавы системы  Al - Mg  (АЛ8, АЛ27, табл. 3.2) обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошо обрабатываются резанием. При обычном содержании магния (9-12 %) сплавы не содержат в структуре эвтектики (см. рис. 3.2, б), поэтому характеризуются невысокими литейными свойствами, пониженной герметичностью, а также повышенной чувствительностью к наличию примесей (железа, кремния), образующих нерастворимые фазы, снижающие пластичность сплавов.

         Для предотвращения окисления плавку и разливку сплавов алюминия с магнием 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 сплавов, вызывающее снижение их пластичности и вязкости. Наилучшие механические свойства сплавы алюминия с магнием приобретают после закалки от 530°С, когда весь магний находится в твердом растворе.

         Сплавы системы  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 т.д.

         Жаропрочные литейные сплавы на основе алюминия применяют для отливки поршней, головок цилиндров, работающих при температурах до 300°С. Это сплавы системы  Al - Cu - Ni - Mg  (4-6 % Cu,  2-3 % Ni,  1-1.75 % Mg), например, сплав АЛ1, которые могут дополнительно легироваться  Mn, Zr, Ce  и другими элементами  (например, сплав АЛ33 содержит 5,8 % Cu,  0,8 % Mn,  1 % Ni, 0,2 % Zr, 0,2 % Ce ). Сплавы упрочняют закалкой от 525  С с последующим старением либо отпуском (230-300°С).

Вам также может быть полезна лекция "2 Методы социальной работы".

3.5 Спеченные сплавы на основе алюминия

         Эта группа сплавов может быть разделена на три вида: 1) спеченные алюминиевые порошки (САП);  2) спеченные алюминиевые сплавы (САС);  3) гранулированные сплавы.

         Спеченные алюминиевые порошки (САП) чаще всего являются сплавами системы  Al - Al₂O₃. Их получают холодным брикетированием пудры (размер частиц около 1 мкм), вакуумным отжигом (дегазация) и последующим спеканием под давлением. После спекания и деформации получают двухфазный сплав, в котором дисперсные частицы окисла алюминия равномерно распределены в алюминиевой матрице. Содержание  Al₂O₃  составляет 5-8 % (объемн.). Сплавы типа САП (САП-1, САП-2 и т.д.) обладают высокой прочностью (s = 300-450 Н/мм²), достаточной пластичностью  (d = 2-8 %), высокой жаропрочностью при длительном нагреве до 500°С  (у сплава САП-1 жаропрочность при 500°С s₁₀₀= 450 Н/мм²). Разупрочнение в них, связанное с рекристаллизацией, не наступает почти до температуры плавления алюминия вследствие присутствия частиц окиси алюминия.

         Спеченные алюминиевые сплавы (САС) также получают из порошков соответствующего состава путем их прессования, отжига в вакууме и спекания. Структурный и фазовый состав таких сплавов зависит от состава применяемых порошков. САС - это преимущественно сплавы специального назначения.

         Гранулированные сплавы в общем подобны сплавам САС, за исключением того, что исходным материалом для их получения являются более крупные частицы (гранулы) размером от нескольких мкм до нескольких мм. Гранулированные сплавы получают путем компактирования из частиц, отлитых со сверхвысокой скоростью кристаллизации в условиях охлаждения со скоростью  10³-10⁶ град./с (например, при распылении жидкого металла струей нейтрального газа).

         Гранулы и готовые полуфабрикаты (изделия) характеризуются мелкозернистой структурой, минимальной ликвацией, метастабильным состоянием, обусловленным большим пересыщением твердых растворов из-за высокой скорости охлаждения. В процессе технологических операций горячего компактирования сплавов (температура процесса - 400-450°С) из пересыщенного твердого раствора выделяются дисперсные частицы интерметаллидных упрочняющих фаз  (Al₆Mn,  Al₇Cr,  Al₃Zr  и др.), которые повышают температуру рекристаллизации, увеличивают прочность при обычных и повышенных температурах. В ряде сплавов при повышенном содержании переходных металлов предел прочности может достигать 800 Н/мм². В качестве исходного материала для таких гранулированных сплавов могут служить “стандартные” алюминиевые сплавы, например, дуралюмины.