16334850003245_Бабенко Э.Г. Конструкционные материалы 2014. Э. Г. Бабенко конструкционные материалы для деталей технических устройств железнодорожного транспорта рекомендовано Методическим советом по качеству образовательной деятельности двгупс в качестве учебного пособия Х
 Скачать 3.25 Mb.
|
|
7 .2. Алюминиевые сплавы 7 .2.1. Классификация алюминиевых сплавов Технический алюминий в качестве конструкционного материала применяется для изготовления слабонагруженных деталей, когда главную роль играют малая плотность, высокая пластичность, коррозионная стойкость, удовлетворительная свариваемость. Высокая электропроводность алюминия в сочетании с малой плотностью дают возможность его широкого использования в электротехнике в качестве материала для проводников. Благодаря высокой теплопроводности из технического алюминия изготавливаются теплообменники в холодильных установках. Высокая отражательная способность содействует его широкому применению при изготовлении рефлекторов, зеркал, экранов. Коррозионная стойкость позволяет широко применять алюминий в строительстве, пищевой промышленности, химическом машиностроении. Наибольшее количество алюминия расходуется для производства сплавов на его основе, которые благодаря малой плотности и высокой прочности дают возможность значительно снижать массу изделий. Для получения сплавов с различными свойствами алюминий легируют другими компонентами. Наиболее часто для этих целей используются медь, марганец, магний, цинк, кремний и др. Благодаря этому в промышленности в настоящее время используется более пятидесяти марок сплавов, диаграммы состояния которых подобны диаграмме, схема которой представлена на рис. 74. В зависимости от способа получения полуфабрикатов и изделий алюминиевые сплавы можно разделить натри группы деформируемые, литейные и порошковые (рис. 75). Т, о С N m Al Легирующий элемент, % Ж M Ж+ изб. фазы изб.фазы эвтектика Рис. 74. Схема диаграммы состояния сплавов на основе алюминия Рис. 75. Классификация алюминиевых сплавов Маркируются алюминиевые сплавы следующим образом. Буква А вначале марки обозначает технический алюминий, а буква Д – дюра- люмины (сплавы системы Al–Cu–Mg). Буквы АМц и АМг показывают, что сплавы относятся к группам, в которых основными легирующими элементами являются марганец и магний соответственно. Буквы АК, стоящие вначале обозначения, присвоены ковким алюминиевым сплавам, В – высокопрочным сплавам. Литейные сплавы обозначаются индексом АЛ. После букв проставляется условный номер сплава. Часто за условным номером следуют обозначения, характеризующие состояние сплава М – мягкий (отожженный Т – термически обработанный закалкой и старением Н – нагартованый; П – полунагартованный и др. Например, сплав АМг5Н – алюминиевый сплав системы Al–Mg , условный номер 5, с сильным наклепом (нагартованный). Из деформируемых алюминиевых сплавов изготавливаются полуфабрикаты и готовые изделия методами обработки давлением (прокаткой, прессованием, ковкой, штамповкой и др. Такие сплавы должны иметь однородную структуру, высокую пластичность. Литейные сплавы предназначаются для фасонного литья. Они должны обладать высокой жидкотекучестью, малой склонностью к образованию горячих трещин, способностью заполнять литейные формы сложной конфигурации. Порошковые алюминиевые сплавы САПы (спеченные алюминиевые порошки) и САСы (спеченные алюминиевые сплавы) изготавливаются методами порошковой металлургии с последующей обработкой давлением. Поэтому порошковые алюминиевые сплавы в общем случае можно рассматривать как разновидность деформируемых. Алюминиевые сплавы Деформируемые Литейные Порошковые Не упрочняемые термообработкой Упрочняемые термообработкой повышенной пластичности: группа АМц (Al - группа Амг (Al - ковочные нормальной прочности; высокопрочные; жаропрочные; коррозионностойкие силумины: высококремнистые; низкокремнистые; цинковистые жаропрочные; подшипниковые группа САС; группа САП магналии; 139 Деформируемые и литейные сплавы подразделяются на термически упрочняемые и термически неупрочняемые. Термическое упрочнение может осуществляться закалкой с последующим естественными искусственным старением. Кроме того, все применяемые в промышленности и на транспорте алюминиевые сплавы можно сгруппировать по системам, в которых определенные легирующие элементы формируют необходимые физико- химические и эксплуатационные свойства. Помимо основных элементов, в сплавы одной системы могут входить различные добавки других элементов, которые сообщают сплаву какие-то новые свойства, ноне изменяют их основной природы. Принадлежность алюминиевого сплава к той или иной группе определяется характером взаимодействия алюминия и легирующих элементов, те. типом диаграммы состояния. Часть легирующих элементов медь, кремний, магний, цинк) очень сильно изменяют свойства алюминия. Другие (никель, марганец, хром) – улучшают свойства только при наличии основных легирующих компонентов. Некоторые элементы натрий, бериллий, титан, ниобий) используются в качестве модифицирующих добавок. Большинство легирующих элементов образуют с алюминием ограниченные твердые растворы, в которых растворимость элемента с понижением температуры уменьшается, в результате чего выделяются избыточные вторичные кристаллы. Так, в системе Al–Si избыточной фазой являются кристаллы кремния, в системе Al–Cu – химическое соединение CuAl 2 , в системе Al–Mg – соединение Mg 2 Al 3 . В многокомпонентных сплавах могут образовываться тройные или четверные соединения например, CuMgAl 2 , AlCuMgSi ), растворимость которых в алюминии ограничена и с понижением температуры понижается. Рассмотрим структурные составляющие алюминиевых сплавов, схема диаграммы состояния которых приведена на рис. 74. Те из них, которые имеют суммарное количество легирующих элементов меньше количества, соответствующего точке N, в твердом состоянии будут однофазными, то есть представляют собой твердый раствор . Такие сплавы пластичны, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях. В связи стем, что в них не происходит никаких фазовых превращений, упрочнить такие сплавы термической обработкой не представляется возможным. При содержании в сплавах легирующих элементов больше концентрации, соответствующей точке N, при охлаждении выделяются избыточные фазы в виде вторичных кристаллов. Их состав и структура определяются составом сплавав целом. Избыточные фазы всегда упрочняют сплав, делают его более твердыми прочным, но понижают пластичность. 140 В сплавах, лежащих правее точки М имеется равновесная эвтектика, которая не устраняется никакой термической обработкой. В результате этого существенно снижается способность к пластической деформации, но возрастают литейные свойства. Итак, все сплавы, имеющие концентрацию легирующих элементов меньше концентрации, соответствующей точке m, относятся к деформируемым, а сплавы с большей концентрацией – к литейным. Все алюминиевые сплавы (как деформируемые, таки литейные) классифицируются по свойствам с повышенной пластичностью, высокопрочные, жаропрочные, коррозионно-стойкие и др. (см. рис. 75). 7 .2.2. Состав, структура и свойства алюминиевых сплавов К деформируемым сплавам не упрочняемым термической обработкой относятся сплавы алюминия с марганцем или с магнием (табл. 6), а также технический алюминий (АДО, АД, АД. Для этих материалов характерны высокая пластичность, значительная коррозионная стойкость, хорошая свариваемость, а для сплавов с магнием – пониженная плотность. Прочность отмеченных материалов невысокая. Однако, холодная деформация (нагартовка) позволяет увеличить ее в 1,5…2 раза. Сплавы системы Al–Mn достаточно широко используются в промышленности. Они содержат от 1 до 1,6 % марганца. В действительности сплавы группы АМц не являются двойными, так как примеси железа и кремния (неизбежные примеси алюминия) делают его многокомпонентным. Эти примеси сильно понижают растворимость марганца в алюминии. Таблица 6 Химический состав деформируемых алюминиевых сплавов, не упрочняемых термической обработкой Система Марка сплава Массовая доля элементов, % Mn Mg Si Ti Be Al – Mn АМц 1,0…1,6 – – – – Al – Mg АМг 1 – 0,4…1,7 – – – АМг 2 0,2…0,6 1,8…2,8 – – – АМг 3 0,3…0,6 3,2…3,8 0,5…0,8 АМг 5 0,3…0,8 4,8…5,8 – 0,02…0,10 0,0002…0,005 АМг 6 0,5…0,8 5,8…6,8 – 0,02…0,10 0,0002…0,005 С 1936 г. началось широкое внедрение сплавов системы Al–Mg. В этой системе образуется несколько химических соединений интерме- таллидная фаза (Al 3 Mg 2 ), а в присутствии железа и кремния дополнительные фазы и соединение Mg 2 Si . Упрочняющей термической обработке сплавы АМг не подвергаются, так как эффект термического упрочнения гораздо ниже эффекта деформационного упрочнения. Кроме того, диффузионные процессы в сплавах системы Al–Mg протекают очень медленно, а повышение температуры искусственного старения резко ухудшают коррозионную стойкость из-за выделения по границам зерен фазы (Al 3 Mg 2 ). Высокая пластичность, удовлетворительная прочность, хорошие коррозионная стойкость и свариваемость обусловили широкое применение сплавов системы Al-Mg для изготовления сварных конструкций. Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой можно разделить наследующие виды – конструкционные (Al – Cu – Mg); – повышенной пластичности (Al – Mg – Si); – ковочные (Al – Mg – Si – С – высокопрочные (Al – Zn – Mg – Cu); – жаропрочные (Al – Cu – Mg и Al – Cu – Mn). Одним из старейших алюминиевых сплавов, предложенным в 1906 году немецким исследователем А. Вильмом, является сплав алюминия с медью, магнием и марганцем (4 % Cu; 0,5 Mg и 0,5 % Mn), который позднее получил название дуралюмин (дюраль, дюралюмин, дюралюминий) (от нем. Dϋren город, где впервые было начато промышленное производство сплава. В табл. 7 приведен химический состав некоторых промышленных марок дюралюминов. Таблица 7 Химический состав промышленных дюралюминов Сплав Среднее содержание компонентов, % Cu Mg Mn Ti Zr Д 1 4,3 0,6 0,60 Д 16 4,3 1,5 0,60 Д 19 4,0 2,0 0,75 – – ВАД 1 4,1 2,5 0,60 0,06 0,15 ВД 17 3,0 2,2 0,55 – – ВД 18 2,6 0,35 – В 65 4,2 0,25 0,40 Структура дюралюминов состоит из твердого раствора и упрочняющих фаз, наиболее распространенными из которых являются и Al 2 CuMg . Дюралюмины практически всегда содержат неизбежные примеси железа и кремния, которые с алюминием, медью и магнием образуют интерметаллидные фазы, нерастворимые в алюминии. В связи с этим они не участвуют в термическом упрочнении и отрицательно влияют на технологическую пластичность и коррозионную стойкость. 142 Дюралюмины обычно подвергаются закалке с температуры 500±5 Си естественному старению в течение 5…7 суток, в результате чего достигается максимальная прочность (рис. 76). У некоторых сплавов температура рекристаллизации выше температуры их закалки. Поэтому упрочнение таких сплавов дополнительно к эффекту старения создается обработкой давлением. Такое упрочнение называется прессэффектом. Дюралюминий находит очень широкое применение в строительстве, авиастроении, автомобилестроении, вагоностроении. Алюминиевые сплавы повышенной пластичности (Al–Mg–Si) широко известны под названием авиали (авиационный алюминий. Первый термически упрочняемый сплав системы Al–Mg–Si был получен в 1923 году Джефрисом и Арчером. В табл. 8 приведены химические составы некоторых сплавов этой системы, из которой видно, что они легированы в меньшей степени, чем дюралюмины. Суммарное содержание легирующих компонентов обычно колеблется в пределах 1…2 %. Они менее прочны, чем дюралюмины, но более пластичны и обладают лучшей коррозионной стойкостью. Таблица 8 Средний состав промышленных сплавов системы Al–Mg–Si (ГОСТ 4784-97) Сплав Содержание компонентов, % Cu Mg Mn Si Cr АВ 0,4 0,7 0,25 0,9 – АД 31 – 0,7 – 0,5 – АД 33 0,3 1,0 – 0,6 0,25 АД 35 – 1,1 0,7 1,0 – Закалка сплавов Al–Mg–Si осуществляется с температуры 520…540 С, причем строгого соблюдения выбранной температуры не требуется. Однако нагрев выше 540 Сне рекомендуется, так как это может привести к росту зерна в холоднодеформированных изделиях и первичной рекристаллизации. Критическая скорость охлаждения рассматриваемой группы сплавов меньше, чему дюралюминов. Так, прессованные профили из сплава АД 31 закаливаются при охлаждении на воздухе. Если гомогенизирован- 1 0 сут 2 3 320 360 400 +20 440 в , МПа 4 5 +150 +100 -5 -50 +200 Рис. 76. Зависимость прочности дю- ралюмина вот температуры (цифры на кривых, t C) и времени старения 143 ный слиток нагреть перед прессованием до температуры 510…530 Сто выходящий из матрицы профиль будет иметь температуру 490…500 С. Следовательно, охлаждение его на воздухе после прессования заменяет закалку. Закаленные сплавы системы Al–Mg–Si упрочняются при естественном и искусственном старении. Естественное старение протекает несколько медленнее, чем в дюралюминах. Прирост прочности продолжается в течение двух недель после закалки. На практике чаще применяется искусственное старение, так как оно дает больший прирост прочности. Наиболее рациональные механические свойства обеспечиваются при нагреве до 160…170 Св течение 12…15 ч. Однако после искусственного старения уменьшается коррозионная стойкость. Кроме того, механические свойства искусственно состаренных сплавов системы Al–Mg–Si чувствительны к продолжительности времени между закалкой и искусственным старением. Поэтому для получения максимальной прочности искусственное старение необходимо проводить сразу после закалки. Снижение прочности, вызванное перерывом между закалкой и старением, частично можно компенсировать увеличением выдержки при искусственном старении. Ковочные алюминиевые сплавы относятся к системе Al–Cu–Mg–Si, обладают хорошей пластичностью и стойкостью к образованию трещин при горячей пластической деформации (табл. 9). Таблица 9 Химический состав промышленных сплавов системы Al–Cu–Mg–Si (ГОСТ 4784-97) Сплав Содержание элементов, % Cu Mg Si Mn АК 6 1,8…2,6 0,4…0,8 0,7…1,2 0,4…0,8 АК 8 3,9…4,8 0,4…0,8 0,5…1,2 0,4…1,0 Как видно из табл. 9, по своему химическому составу сплавы АК 6 и АК 8 имеют нечто общее с дюралюминами (Al–Cu–Mg) и авиалями (Al –Mg–Si). Максимальный эффект упрочнения ковочных сплавов достигается закалкой с последующим искусственным старением. Температура нагрева под закалку для сплава АК 6 составляет 520±5 С, а для сплава АК 8 – 505±5 С. Искусственное старение для обоих сплавов проводится при температуре 160…170 Св течение 12…15 часов. Сплав АК 6 отличается достаточно высокой прочностью и очень хорошей пластичностью в нагретом и холодном состояниях. 144 Для сплава АК 8 характерны высокие прочностные свойства, что дает возможность его использования для изготовления ответственных силовых штамповок. Однако он менее технологичен, чем сплав АК 6. Существенным недостатком также является большая неравномерность структуры и свойств поковок и штамповок по объему. По вязкости сплав АК 8 существенно уступает сплаву АК 6, но обладает хорошей свариваемостью. Сплавы АК 6 и АК 8 имеют низкую коррозионную стойкость. Поэтому изделия из них требуют тщательной защиты от коррозии. Высокопрочные алюминиевые сплавы системы Al–Zn–Mg–Cu (В 95, В 96, В ц) содержат значительное количество цинка (табл. 10). Повышенная прочность этих сплавов вызвана наличием в их структуре интерметаллидных фаз MgZn 2 , Al 2 Mg 3 Zn 3 , Al 2 CuMg . Отмеченные фазы могут быть упрочняющими при термообработке сплавов. Нагрев до температуры 470…480 С приводит к растворению интерметаллид- ных фаз с относительно небольшим количеством остаточной фазы Al 2 CuMg . Однако, медь, повышая прочность сплавов в закаленном состоянии, оказывает незначительное влияние на эффект старения, те. на прирост прочности в процессе старения. Значит основными упрочняющими фазами в сплавах системы Al–Zn–Mg–Cu являются и Al 2 Mg 3 Zn 3 , а фаза Al 2 CuMg играет значительно меньшую роль. Таблица 10 Содержание легирующих элементов в сплавах системы Al-Zn-Mg-Cu (ГОСТ 4784-97) Сплав Содержание элементов, % Zn Cu Mg Mn Cr Zr В 95 5,0…7,0 1,4…2,0 1,8…2,0 0,2…0,6 0,1…0,2 – В 96 7,6…8,6 2,2…2,8 2,5…3,2 0,2…0,5 0,1…0,2 – В ц 8,0…9,0 2,0…2,6 2,5…2,9 – – 0,12…0,18 Добавки марганца и хрома в высокопрочные сплавы образуют в структуре дисперсные интерметаллидные фазы Al 6 Mn и Al 7 Cr , которые являются продуктами распада пересыщенного твердого раствора этих элементов в алюминии. Фазы повышают температуру рекристаллизации, затрудняют рост зерен при вторичной рекристаллизации, способствуют сохранению нерекристаллизованной структуры впрессованных изделиях после термообработки, те. обеспечивают при определенных условиях прессования и термообработки прессэффект. Много общего с механизмом влияния марганца и хрома на структуру и свойства алюминиевых сплавов системы Al–Zn–Mg–Cu имеет механизм влияния циркония, который при кристаллизации сплавов также образует с алюминием пересыщенный твердый раствор, распадающийся 145 при последующей обработке с выделением циркониевых интерметаллидов, более дисперсных, чем интерметаллиды марганца и хрома. Поэтому, несмотря на малую равновесную растворимость циркония в алюминии, он более интенсивно, чем другие переходные металлы повышает температуру рекристаллизации, сохраняет нерекристаллизованную структуру впрессованных и других горячедеформированных изделиях после термообработки, чем значительно упрочняет сплав. Сплавы В и В подвергаются закалке с температуры 460…470 С с последующим охлаждением в холодной или подогретой до 80…90 Своде для исключения растрескивания и коробления крупногабаритных изделий. Для повышения пластичности, вязкости, коррозионной стойкости под напряжением сплавы подвергаются двухступенчатому смягчающему искусственному старению. Жаропрочные сплавы АК 4-1 и Д 20 относятся к системам Al–Cu–Mg–Si с добавками железа и никеля) и Al–Cu–Mn (с добавками титана и циркония. Эти сплавы, химический состав которых представлен в табл. 11, сохраняют высокие механические свойства при температурах 200…300 С. Таблица 11 Химический состав жаропрочных алюминиевых сплавов ГОСТ 4784-97) Сплав Содержание элементов, % Cu Mg Mn Si Ti Zr Ni Fe АК 4 -1 1,9-2,5 1,4-1,8 – 0,33-0,37 0,02-0,10 – 1,0-1,5 1,0-1,5 Д 20 6,0-7,0 – 0,4-0,8 0,25-0,35 0,10-0,20 0,19-0,21 – – Сплав АК 4-1, кроме основных легирующих компонентов (медь и магний, содержит практически нерастворимые в алюминии железо и никель. Эти элементы при нормальной температуре не только не улучшают механические свойства, а даже несколько снижают пластичность. Но при повышенных температурах они увеличивают гетерогенность структуры, тем самым, повышая механические свойства. Поэтому сплавы системы с добавками железа и никеля используются в изделиях, работающих при повышенных температурах. Железо и никель находятся в виде включений фазы Al 9 FeNi , которая в закаленном сплаве, равномерно распределяясь по объему матрицы, увеличивает сопротивление пластической деформации при повышенных температурах. Сплав АК 4-1 подвергается закалке с температуры 530±5 Св холодной или горячей (для уменьшения внутренних напряжений) воде с последующим искусственным старением при 190…200 Св течение 12…24 часов. После термической обработки сплав, как правило, имеет 146 рекристаллизованную структуру. Железо и никель повышают температуру рекристаллизации деформированных изделий, но гораздо меньше, чем марганец, хром и цирконий. Поэтому пресс-эффект для сплава АК 4-1 практического значения не имеет. Сплав Д 20 закаливается нагревом до температуры 535±5 Си охлаждением вводе. После этого производится искусственное старение при температуре 170…190 Св течение 12…18 часов. Жаропрочные сплавы используются для изготовления изделий, работающих при температурах до 300 С головки и поршни двигателей внутреннего сгорания, лопатки и диски компрессоров турбореактивных двигателей, трубы, обшивка сверхзвуковых самолетов и др. Литейные алюминиевые сплавы Использование в промышленности того или иного вида алюминиевого сплава определяется его эксплуатационными и технологическими свойствами. К последним относятся литейные свойства, способность к обработке давлением, обрабатываемость резанием, свариваемость и др. Имеются случаи, когда сплав с хорошими эксплуатационными свойствами не находит применения из-за низких технологических свойств. Для литейных сплавов значение технологических факторов особенно важно. Они должны быть жидкотекучими, обладать низкой усадкой, не иметь склонности к образованию горячих трещин и усадочной пористости. Все дефекты литой структуры, зависящие от литейных свойств, сохраняются в готовом изделии. Наиболее широкое использование в качестве литейных находят сплавы на основе системы Al–Si (табл. 12). Таблица 12 Химический состав литейных алюминиевых сплавов ГОСТ 1583-93) Система сплава Марка сплава Содержание элементов, % Si Mg Mn Cu Zn Al –Si АЛ 2 10…13 – – – – АЛ 4 8…10,5 0,17…0,3 0,25…0,5 – – Al –Si–Cu АЛ 5 4,5…5,5 0,35…0,6 – 1…1,5 – АЛ 6 4,5…6 – – 2…3 – Al –Mg АЛ 8 – 9,5…11,5 – – – АЛ 13 0,8…1,3 4,5…5,5 0,1…0,4 – – Al –Cu АЛ 7 – – - 4…5 – АЛ 19 – – 0,6…1 4,5…5,3 – Al –Zn АЛ 11 6…8 0,1…0,3 – – 10…14 147 Т, о С 400 Al(Si) Al Si, Ж, Ж+ Ж+ Al(Si) Al(Si)+ +эвт[Al(Si)+Si II ] Si+ +эвт[Al(Si)+Si II Рис. 77. Диаграмм состояния сплавов Al–Si Из этой группы сплавов важнейшую роль в промышленности играют силумины (система Al–Si), для которых характерны малые температурные интервалы кристаллизации и очень хорошие литейные свойства рис. 77). Как видно из табл. 12 ирис силумины относятся к эвтектическим или доэвтектическим сплавам. Без учета влияния других элементов (кроме кремния) их структура содержит либо эвтектику, состоящую из смеси кристаллов твердого раствора кремния в алюминии Al(Si) и вторичных кристаллов кремния Si II , либо эвтектику и первичные кристаллы кремния Эвт[Al(Si) + Si II ] + Si . Первая структура характерна для сплава АЛ 2, вторая – для сплава АЛ 4. Так как кремний имеет переменную растворимость в алюминии, возрастающую допри эвтектической температуре 574 Сто при нагреве сплава до температуры, близкой к эвтектической, и последующем быстром охлаждении можно получить перенасыщенный твердый раствор Al(Si), который при последующем старении распадается с выделением дисперсных частиц кремния. Однако упрочняющий эффект при этом получается незначительными практического значения не имеет. Следовательно, простые (двойные) си- лумины относятся к термически неупрочняемым сплавам. Несколько повысить их прочность и пластичность можно измельчением эвтектических кристаллов путем увеличения скорости охлаждения при кристаллизации или введением незначительных добавок щелочных металлов (натрия, лития, стронция. Первый способ дает хорошие результаты, но находит ограниченное применение в основном для тонкостенных деталей, отливаемых в металлический кокиль или методом литья под давлением. Второй путь более универсален, так как в этом случае улучшение структуры происходит не от образования каких-либо новых структурных составляющих, а в результате влияния добавок на величину и форму структурных составляющих, образованных другими компонентами. На практике широко применяется модифицирование силуминов натрием. Введение 0,01 % натрия в сплавы системы Al-Si ведет к резкому измельчению кристаллов эвтектического кремния. 148 Из других легирующих компонентов в силуминах наиболее часто используется магний и медь. При их введении сплавы становятся термически упрочняемыми. Магний образует фазу Mg 2 Si являющуюся эффективным упрочнителем при термообработке. При одновременном введении в сплавы добавок магния и меди могут образовываться упрочняющие фазы и Al 2 Cu. При закалке сплава АЛ 4 температура нагрева составляет 535±5 С с выдержкой 2…6 часов. Охлаждение осуществляется в горячей воде 50…95 С. Искусственное старение проводится в течение 15 часов при температуре 175 С. Указанные режимы термообработки используются при необходимости получения максимальных прочностных характеристик. При необходимости получения других характеристику готовых изделий, применяются другие режимы старения. Сплавы АЛ 5 и АЛ 6 относятся к низкокремнистым силуминам термически упрочняемым. Кремний и медь в этих сплавах образуют упрочняющие интерметаллидные фазы Mg 2 Si и Al 2 Cu . Эти сплавы используются для производства методом литья крупных нагруженных деталей различных двигателей, головок и рубашек цилиндров, блоков и картеров двигателей и других ответственных деталей. Наиболее прочными алюминиевыми сплавами являются сплавы системы (магналии). При высокой прочности эти сплавы обладают значительной пластичностью и имеют высокую коррозионную стойкость. Основным легирующим элементом магналий является магний, большая часть которого находится в твердом растворе. Фазовый состав состоит из твердого раствора Al(Mg) и интерметаллидов Al 3 Mg 2 . C плавы, содержащие магния допри термообработке не упрочняются. Незначительное упрочнение наблюдается только у сплавов с более высоким содержанием магния. Поэтому сплавы АЛ 13 обычно используются влитом состоянии без термической обработки. Для улучшения литейных свойств в сплав АЛ 13 вводится кремний. Сплав АЛ 8 при термообработке упрочняется вследствие растворения магния в алюминии. При последующем старении прочность изменяется незначительно, а пластичность снижается существенно. Поэтому он подвергается только закалке при температуре 430±5 С с выдержкой 12…20 часов и последующим охлаждением в масле. После закалки сплавы АЛ 8 естественно стареют. Процесс старения идет длительное время (в течение многих лет, что отрицательно сказывается на пластичности при небольшом приросте прочности. Сплавы на основе системы Al–Cu (АЛ 7, АЛ 19), в которых содержится меди, имеют двухфазную структуру ( + Al 2 Cu ) и используются в качестве жаропрочных. 149 Сплав АЛ 7 имеет широкий температурный интервал кристаллизации (90…100 С, что ухудшает литейные свойства. В связи с присутствием в сплаве примесей железа и кремния, помимо упрочняющей фазы Al 2 Cu, содержатся нерастворимые фазы Al 7 Cu 2 Fe и Al(Fe, S), которые располагаются по границам дендритных ячеек и повышают прочность при повышенных температурах. В сплавах АЛ 19 эту роль играет фаза Al 12 Mn 2 Cu. Закалка сплава АЛ 7 проводится от температуры 515±5 С с выдержкой часов и последующим охлаждении в горячей воде. Искусственное старение проводится в течение 2…4 часов при температуре 150±5 СВ тех случаях, когда максимальной прочности не требуется, но необходимо сохранить повышенную пластичность, сплав старению не подвергается. Сплав АЛ 19 при закалке нагревается до температуры 545± 5 С, выдерживается часов и охлаждается в горячей воде. Затем следует старение при температуре 175±5 Св течение 3…5 часов. Поскольку температура нагрева под закалку значительна, а в сплаве могут быть неравновесные эвтектики, плавящиеся при более низкой температуре, нагрев следует проводить ступенчато. Сплавы АЛ 7 и АЛ 19 используются для изготовления высоконагру- женных ответственных деталей, работающих при температурах до 300 С. К группе цинковистых силуминов относится сплав АЛ 11 со значительным количеством цинка (10…14 %). Цинк, растворяясь в алюминии, упрочняет твердый раствори значительно повышает механические свойства. Присутствие в сплаве кремния обеспечивает хорошие литейные свойства. Кроме того, сплав модифицируется натрием. Он используется для изготовления крупных тяжелонагруженных изделий. При создании подшипниковых алюминиевых сплавов используются такие основные легирующие элементы, как медь, никель, сурьма, кремний. Введение в составы сплавов компонентов с низкой температурой плавления (олово, кадмий) или графита повышает сопротивление к схватыванию при сухом или полужидком трении. Цинк и магний увеличивают прочность сплавов и их нагрузочную способность. Подшипниковые сплавы на основе алюминия обладают рядом достоинств, благодаря которым они находят широкое применение в промышленности низкий модуль упругости обеспечивает хорошие условия работы машин и механизмов с повышенным прогибом вала – высокая теплопроводность обеспечивает высокую сохранность смазочных материалов в узлах трения – относительно высокая прочность 150 – широкий диапазон легирования дает возможность создания широкой номенклатуры подшипников для разнообразных технических устройств – хорошая технологичность позволяет изготавливать подшипники методами литья, прокатки, прессования и т. д. Порошковые алюминиевые сплавы относятся к группе сплавов, изделия из которых не могут быть получены традиционными технологиями литьем слитка с последующей его обработкой давлением, или фасонным литьем. Для обеспечения заданных свойств таких сплавов применяются специальные технологические процессы – гранульная или порошковая металлургия. Порошковые алюминиевые сплавы в качестве легирующих компонентов содержат либо Al 2 O 3 , либо в значительном количестве тугоплавкие малорастворимые или нерастворимые в твердом алюминии металлы (хром, цирконий, железо, никель и т. д. Нерастворимые твердые фазы таких элементов (Al 3 Zr, Al 7 Cr, Al 3 Fe ), в том числе и при их достаточной дисперсности и равномерном распределении в матрице позволяют получать уникальные свойства, которые невозможно достичь при обычном механизме упрочнения – с помощью дисперсных фаз, выделяющихся из твердого раствора в результате закалки и старения. Для изготовления порошковых алюминиевых сплавов (САП) применяется предварительно окисленная алюминиевая пудра, получаемая спеканием и состоящая из чешуек толщиной 1 мкм. Ее количество составляет от 6 до 22 %. Каждая частичка пудры покрыта тонким слоем окиси алюминия. Поэтому чем тоньше пудра, тем больше суммарная поверхность частиц, тем больше в САПе окиси алюминия. Порошковые алюминиевые сплавы значительно прочнее деформированного алюминия. Однако многие алюминиевые сплавы при нормальной температуре прочнее САПа. Значит при нормальной температуре последние большого интереса не представляют. Основное преимущество порошковых сплавов – их высокая жаропрочность, которая сохраняется при температурах выше 350 Ст. е. таких температурах, при которых жаропрочные алюминиевые сплавы (Д 16, Д 19, АК 4-1) разупрочняются настолько, что их использование становится невозможным. Сплав САП может работать кратковременно при температуре 1000 Си длительно – при 550 С. По коррозионной стойкости САП равноценен алюминию с добавками железа и никеля и может длительно эксплуатироваться в паровоздушной среде при 350 С. Он сваривается аргонодуговой сваркой, хорошо обрабатывается резанием. Используется для изготовления дисков компрессоров, лопастей вентиляторов и турбин, болтов, винтов и других изделий Гранулированными алюминиевыми сплавами называются сплавы, получаемые из мелких частиц (гранул, отлитых со сверхвысокой скоростью кристаллизации (10 3 …10 6 ) С/с. Такие высокие скорости охлаждения дают возможность легирования алюминиевых сплавов компонентами, малорастворимыми или нерастворимыми в твердом алюминии. В сплавах, имеющих в составе переходные металлы, образуются пересыщенные твердые растворы, содержащие легирующие элементы в количестве значительно превышающем (4…5 раз) их предельную растворимость. Например, предельная растворимость марганца в алюминии составляет 1,4 %. При охлаждении алюминиево-марганцевых сплавов из жидкого состояния со скоростью 10 4 С/с образуются твердые растворы, содержащие марганца до 5 %. Такие твердые растворы называются аномально пересыщенными. Если обычно при получении алюминиевых сплавов, содержащих марганец, хром, титан, цирконий, ванадий их количество составляет десятые, а иногда и сотые доли процента тов аномальных пересыщенных твердых растворах содержание увеличивается в несколько раз. Для получения новых композиций гранулированных сплавов наиболее перспективными являются – сплавы алюминия, легированные марганцем, хромом, цирконием, титаном и некоторыми другими переходными металлами, которые имеют в твердом алюминии незначительную растворимость, но при больших скоростях кристаллизации образуют с алюминием аномально пересыщенные твердые растворы – сплавы, легированные практически нерастворимыми в алюминии железом, никелем, кобальтом – высоколегированные сплавы алюминия с легкоплавкими, практически нерастворимыми в алюминии компонентами – оловом, свинцом, кадмием. Метод гранулирования дает возможность получить в таких сплавах диспергированную гетерогенную структуру с равномерными включениями легирующих компонентов, что важно для подшипниковых материалов – термически упрочняемые сплавы на основе систем Al–Zn–Mg–Cu и Al–Cu–Mg с повышенным содержанием переходных металлов. На сплавах этого типа можно получить наиболее высокие значения прочности при хорошей коррозионной стойкости. 7 .2.3. Термическая обработка алюминиевых сплавов Равновесные структуры промышленных алюминиевых сплавов представляют собой твердый раствор с небольшим содержанием легирующих элементов с включениями интерметаллидных фаз Al 2 Cu, Al 2 CuMg, 152 Mg 2 Si и др. При такой структуре сплавы зачастую имеют низкую прочность и очень высокую пластичность. Самой неустойчивой при комнатной температуре структурой, способной к фазовым превращениям в твердом состоянии (в термически упрочняемых сплавах) является пересыщенный твердый раствор легирующих компонентов в алюминии, концентрация которых может в десятки раз превышать равновесную. При такой структуре алюминиевые сплавы также достаточно пластичны, но значительно прочнее, чем в равновесном состоянии. Для достижения максимальной прочности у термически упрочненных алюминиевых сплавов необходимо получить некоторую промежуточную структуру, которая соответствует начальным стадиям распада перенасыщенного твердого раствора легирующих элементов в алюминии. Формирование требуемых механических и технологических свойств осуществляется путем термической обработки, основными видами которой являются отжиг, закалка и старение (рис. 78). Рис. 78. Виды термической обработки алюминиевых сплавов Необходимость отжига алюминиевых сплавов появляется тогда, когда возникающая по каким-либо причинам неравновесная структура вызывает появление нежелательных свойств, чаще всего пониженной пластичности. Наиболее распространены три вида неравновесных состояний – неравновесное состояние, характерное для литых сплавов, когда скорости охлаждения при литье значительно превышают скорости охлаждения, необходимые для формирования равновесных структур. Это приводит к выделению по границам зерен хрупкой интерметаллидной сетки, которая понижает пластичность литых сплавов и вызывает трудности их деформации – неравновесное состояние, вызванное пластической деформацией Термическая обработка алюминиевых сплавов Отжиг Закалка Старение гомогенизационный; рекристаллизационный (полный или неполный); термически упрочненных сплавов естественное; искуственное 153 – неравновесное состояние, являющееся результатом предыдущей термической обработки. Основной причиной такого состояния является наличие в сплаве пересыщенного твердого раствора на основе алюминия. Все отмеченные неравновесные состояния могут быть устранены отжигом, при котором повышается пластичность. Другие свойства при этом изменяются по-разному (в зависимости от исходного состояния сплава. Процессы, происходящие при отжиге литого, деформированного и предварительно термически обработанного сплава различны. Поэтому возникает необходимость выбора определенных видов и режимов отжига. |