Цветные металлы и сплавы Мальцева Т.В. 2019. Учебное пособие мальцева татьяна викторовна
 Скачать 7.2 Mb.
|
|
33 1.3.Деформируемыетермическиупрочняемыеалюминиевыесплавы Для защиты от коррозии листы из дуралюмина Д с обеих сторон плакируют чистым алюминием. Толщина плакирующего слоя составляет 2–10 % от толщины листа. Сплавы на основе системы Аl–Мg–Si Эти сплавы, называемые авиалями, относятся к наименее легированным (см. табл. 1.9 — сплавы АД и АВ). Фазой‑упрочнителем является силицид Mg 2 Si. Сплав АВ для упрочнения дополнительно легирован медью (входит в твердый раствори марганцем (способствует получению нерекристаллизованной структуры прессованных полуфабрикатов. Авиали подвергают закалке си старению прич. Примесь железа образует с другими элементами малорастворимые соединения. Марганец и хром в сплавах системы Al–Mg–Si находятся в виде дисперсных интерметаллидных фаз [Al6Mn, α (Al–Si–Mn), Al7Cr], являющихся продуктами распада пересыщенного твердого раствора этих компонентов в алюминии, который образуется при кристаллизации. Эти фазы повышают температуру рекристаллизации, затрудняют рост зерен при вторичной кристаллизации, способствуют сохранению нерекристаллизованной структуры впрессованных изделиях после термообработки, те. обусловливают при определенных условиях прессования и термообработки пресс‑эффект в сплаве. У сплава АД, в котором нет ни марганца, нихрома, пресс‑эффект отсутствует. Критическая скорость охлаждения (при закалке) у сплавов Al–Mg–Si меньше, чему дуралюминов, и тем меньше, чем менее легирован сплав. Наименьшая критическая скорость охлаждения наблюдается у сплава АД, так как он, во‑первых, наименее легирован магнием и кремнием, во‑вторых, не содержит добавок переходных металлов (Mn, Cr и др, которые уменьшают устойчивость твердого раствора основных компонентов в алюминии. Прессованные профили из сплава АД закаливаются при охлаждении на воздухе. Это позволяет значительно упростить технологию их производства. Если гомогенизированный слиток нагревать перед прессованием до 490–500 Сто выходящий из матрицы пресса профиль будет иметь температуру 510–530 С, охлаждение его на воздухе после прессования вполне заменяет закалку, те. специальная закалка не требуется 34 Глава1.Алюминийиегосплавы Закаленные сплавы системы Al–Mg–Si упрочняются при естественном и искусственном старении. Естественное старение протекает несколько медленнее, чем в дуралюминах, прирост прочности продолжается в течение двух недель после закалки. На практике чаще применяют искусственное старение, так как оно дает больший прирост прочности. Оптимальные механические свойства обеспечивает старение по режиму 160–170 Сч. Коррозионная стойкость авиалей после искусственного старения уменьшается, в частности, возрастает склонность к межкристаллитной коррозии. В тех случаях, когда требуется сочетание умеренной прочности с высокой пластичностью и хорошей коррозионной стойкостью, сплавы АВ, АД и АД применяют в естественно состаренном состоянии. Авиали относятся к числу сплавов со средней прочностью см. табл. 1.3). Важнейшее их достоинство — высокая технологичность. Скорость горячего прессования сплава АД на порядок (!) больше, чем сплава Д. Тонкостенные профили из сплава АД закаливаются при охлаждении на воздухе с температуры окончания прессования. Авиали — свариваемые сплавы. Другое их достоинство — высокая стойкость против атмосферной коррозии, красивый внешний вид после цветного анодирования. Сплав АД широко используют в строительстве (оконные и дверные рамы, для внутренней отделки кабин самолетов, в автомобилестроении. Из сплава АВ изготавливают вертолетные лопасти. Сплавы на основе системы Аl–Mg–Si–Cu К этой системе принадлежат ковочные сплавы АК6 и АК8 см. табл. 1.9), которые по химическому и фазовому составу и по свойствам занимают промежуточное положение между авиалями и дура‑ люминами. Сплав АК6 можно рассматривать как авиаль с высоким содержанием меди (до 2,6 %), а сплав АК8 — как дуралюмин с добавкой кремния (до 1,2 %). Фазами‑упрочнителями в них являются четверное соединение W (содержит алюминий, медь, магний и кремний, фаза θ (СuАl 2 ), а также М. Сплав АК6 закаливают вводе с 505–525 °C, сплав АК8 — си подвергают старению при (160 ± 5) °C, 10–15 ч. Для сплава АК6 характерно сочетание достаточно высокой прочности и очень хорошей пластичности в нагретом и холодном состояниях. Поковки и штамповки сложной конфигурации из этого сплава 35 1.3.Деформируемыетермическиупрочняемыеалюминиевыесплавы широко применяют в авиационной и других отраслях промышлен‑ ности. Сплав АК8 относится к числу наиболее прочных алюминиевых сплавов и применяется для ответственных силовых штамповок. Он значительно менее технологичен, чем АК6, поэтому менее распространен. Недостатки поковок и штамповок из сплава АК8 — большая неравномерность структуры и свойств по объему ив частности, анизотропия механических свойств в зависимости от направления испытания при очень низкой пластичности в высотном направлении. Сплав АК8 существенно уступает сплаву АК6 по вязкости разрушения, но обладает хорошей свариваемостью. Оба сплава (АК6 и АК8) характеризуются низкой коррозионной стойкостью и изделия из них нуждаются в тщательной защите от коррозии. Сплавы применяют в качестве основных для ответственных силовых деталей авиационной и другой техники, изготавливаемых ковкой и штамповкой. Сплав АК4-1 системы Этот ковочный сплав можно рассматривать как дуралюмин с добавками 1 % е и 1 % Ni (см. табл. 1.4), образующими с алюминием тройное соединение FeNiAl 9 эвтектического происхождения (содержание железа и никеля выбрано так, что они полностью связаны в это соединение. Сплав закаливают св воде и подвергают старению прич. Фазой‑упрочнителем, как ив дуралюмине, является фаза (CuMgAl 2 ). Нерастворимый интерметаллид FeNiAl 9 обеспечивает теплопрочность при температурах 250–300 При температурах от 20 до 200 С сплав АК4‑1 не имеет преимуществ по прочности перед жаропрочными дуралюминами. Однако при температурах 250–300 С сплав АК4‑1 является одним из наиболее прочных алюминиевых сплавов. Высокая жаропрочность сплава АК4‑1 в сочетании с высокой пластичностью при температурах горячей деформации обусловили основную область применения этих сплавов — для изготовления поковок и штамповок, работающих при температурах 250–200 СВ частности, из сплава АК4‑1 изготавливают штампованные поршни авиационных двигателей. Сплав используют для изготовления кованых и штампованных деталей реактивных двигателей, работающих при этих температурах (крыльчатки, диски компрессора и др 36 Глава1.Алюминийиегосплавы Сплав В на основе системы Сплавы системы Al–Zn–Mg–Cu относятся к наиболее легированными наиболее прочным алюминиевым сплавам. Наиболее известен сплав В. Химический состав и его разновидности приведены в табл. 1.10. Помимо алюминиевого твердого раствора, сплавы В и его модификации В95пч, В95оч), ВЦ и ВЦ в равновесном состоянии содержат интерметаллидные фазы η (MnZn 2 ), T (Al 2 Mn 3 Zn 3 ), S (Al 2 CuMg), а сплав В (и В пч) — первые две. Все три интерме‑ таллидные фазы могут быть упрочняющими при термообработке. Нагрев до 480 С приводит к полному растворению интерметаллидных фаз в сплаве В, а в сплавах В и В96ц остается относительно небольшое количество фазы Таблица Среднее содержание легирующих элементов и примесей в промышленных сплавах системы Al–Zn–Mg–Cu Сплав Содержание компонентов и примесей, % Zn Mg Cu Mn Cr Zr Fe Si В95 В95пч В95оч В96Ц В96Ц‑3 В93 В93пч 1933 6,0 5,75 5,75 8,5 8,1 6,9 6,9 6,9 2,3 2,3 2,3 2,65 2,0 1,9 1,9 1,9 1,7 1,7 1,7 2,3 1,7 1,0 1,0 1,0 0,4 0,4 0,4 – – – – – 0,18 0,18 0,18 – – – – – – – – 0,15 0,15 – – 0,12 ≤ 0,5 ≤ 0,25 ≤ 0,15 ≤ 0,4 ≤ 0,2 0,2–0,4 0,2–0,4 ≤ 0,15 ≤ 0,5 ≤ 0,1 ≤ 0,1 ≤ 0,3 ≤ 0,1 ≤ 0,2 ≤ 0,1 ≤ Добавки марганца, хрома и особенно циркония образуют с алюминием при кристаллизации пересыщенный твердый раствор, который распадается при последующей обработке слитка (технологические на‑ гревы, термообработка и т. д) с выделением циркониевых интерметаллидов, причем более дисперсных, чем марганцевые и хромовые. Поэтому, хотя равновесная растворимость циркония в алюминии меньше, чем марганца и хрома, и его вводят в алюминиевые сплавы в меньших количествах (0,1–0,2 %), цирконий более интенсивно, чем другие переходные металлы, повышает температуру рекристаллизации алюминиевых сплавов, приводит к сохранению нерекристалли‑ зованной структуры впрессованных или других горячедеформиро‑ ванных изделиях после термообработки и тем самым обусловливает значительное структурное упрочнение. Добавки циркония препят‑ 37 1.3.Деформируемыетермическиупрочняемыеалюминиевыесплавы ствуют образованию крупнозернистых структур в деформированных полуфабрикатах. В сплавах Al–Zn–Mg–Cu добавки переходных металлов, особенно хрома, помимо указанных выше особенностей влияния на структуру и механические свойства, эффективно повышают стойкость сплавов против коррозии под напряжением. Такое влияние добавок переходных металлов на коррозионную стойкость можно объяснить двумя причинами) гетерогенизация структуры, обусловленная образованием включений марганцевых, хромовых, циркониевых фаз, приводит к более равномерному (по зерну) распаду твердого раствора основных компонентов (Zn, Mg, Св алюминии) частицы интерметаллидов переходных металлов вызывают изменение формы зерен и характера их границ, зерна становятся вытянутыми в направлении главной деформации с извилистыми границами, что удлиняет пути коррозии, поскольку коррозионные поражения распространяются по границам зерен. Все сплавы системы Al–Zn–Mg–Cu подвергают закалке и искусственному старению. Закалку проводят с температуры 460–470 °C в холодной или подогретой (доводе. Нагрев воды весьма важен при закалке крупногабаритных профилей и штамповок во избежание их растрескивания или сильного коробления. Некоторое уменьшение скорости охлаждения при закалке в горячей воде в отличие от дуралю‑ минов не влияет отрицательно на коррозионную стойкость сплавов Al–Zn–Mg–Cu. Наоборот, с уменьшением скорости охлаждения приза калке склонность к коррозии под напряжением сплавов Al–Zn–Mg–Cu и Al–Zn–Mg) уменьшается. Сплавы В, ВЦ, В упрочняются при естественном старении, причем скорость естественного старения значительно меньше, чему дуралюминов, рост прочности не заканчивается через месяц после закалки. На практике естественное старение высокопрочных сплавов системы Al–Zn–Mg–Cu не применяют последующим причинам 1) после естественного старения не удается получить столь высоких прочностных характеристик, как после искусственного 2) естественно состаренные сплавы более склонны к коррозии под напряжением, чем те же сплавы, подвергнутые искусственному старению. Второе обстоятельство является решающим. Подверженность рассматриваемых сплавов коррозии под напряжением уменьшается по мере повышения температуры искусственного 38 Глава1.Алюминийиегосплавы старения, поскольку при этом распад твердого раствора по объему зерен становится более равномерным. При перестаривании, как уже указывалось выше, возрастают также характеристики конструкционной прочности сплавов. Поэтому для изделий из сплавов В и В, помимо старения на максимальную прочность Т (120 °C, 24 ч для плакированных листов сплава В 140 °C, 16 ч — для остальных полуфабрикатов из сплава В, штамповок и по‑ ковок из сплава В, применяют режимы, обусловливающие определенное перестаривание, — Т и Т. Для разных видов полуфабрикатов режимы старения, обозначаемые шифрами Т и Т, несколько отличаются, ново всех случаях состояние Т соответствует более сильному перестариванию, чем Т, те. при старении по режиму ТЗ используют более высокую температуру нагрева или более длительную выдержку. Из рассмотренных сплавов В — наиболее универсальный конструкционный материал, из него изготавливают все виды деформированных полуфабрикатов листы, плиты, профили, трубы, поковки, штамповки. Профили из сплава В значительно прочнее листов. Это результат пресс‑эффекта, который обусловлен присутствием в сплаве Вдобавок марганца и хрома. Сплав В значительно превосходит по прочности дуралюмины и широко применяется в самолетостроении для обшивки (листы) и внутреннего набора (профили). Сплавы системы Al–Zn–Mg–Cu (в основном В и В) нашли широкое применение в авиационной промышленности, но все же они не вытеснили ранее внедренные, хотя и менее прочные сплавы систем Al–Cu–Mg (Д) и Al–Cu–Mg–Si (АК6, АК8). Это объясняется рядом недостатков сплавов системы Al–Zn–Mg–Cu. Например, по сравнению с дуралюмином Д они более чувствительны к концентраторам напряжений, имеют меньшую вязкость разрушения, склонны к коррозии под напряжением и характеризуются низкой жаропрочностью. Так, сплав В при температурах выше 125 С уступает по прочности сплаву Д, хотя при 20 Сон значительно прочнее дуралюмина. Поэтому сплавы системы Al–Zn–Mg–Cu мало перспективны для скоростных сверхзвуковых самолетов, обшивка которых испытывает аэродинамический нагрев до (125–150 °С). Сплавы, содержащие литий Возможности повышения прочности алюминиевых сплавов традиционными путями за счет легирования и старения близки к исчерпа‑ 39 1.3.Деформируемыетермическиупрочняемыеалюминиевыесплавы нию. Для летательных аппаратов важны не абсолютные, а удельные значения характеристик прочности (в, σ 0,2 /ρ). Легирование алюминиевых сплавов самым легким металлом — литием (ρ = 0,53 г/см 3 ) может существенно снизить плотность. Так, например, у промышленного сплава марки 1420 системы Al–Mg–Li–Zr (5,5 % М, 2,1 % Li,0,12 % Zr) ρ = 2,5 г/см 3 , в то время как у дуралюминов ρ = 2,8 г/см 3 . При равной прочности с дуралюмином Д сплав 1420 позволяет благодаря большей удельной прочности уменьшить массу конструкции на 10–12 Сплав 1420 закаливают си подвергают старению прич. Фазой‑упрочнителем при старении является соединение фаза. Достоинства сплава 1420 — возможность закалки с охлаждением на воздухе и хорошая коррозионная стойкость. Сплавы систем Al–Mg–Li–Zr и Al–Cu–Li–Zr, несмотря наряд технологических трудностей, в частности в связи с сильной окисля‑ емостью лития при плавке, являются перспективными материалами в авиастроении. Сплавы повышенной чистоты В последние годы особое внимание уделяют влиянию примесей железа и кремния на такие характеристики работоспособности материала, как вязкость разрушения и скорость роста трещины усталости. Примеси железа и кремния образуют грубые частицы фаз кристаллизационного происхождения типа (Fe, Mn) 3 Si 2 Al 15 и др, не переходящие в твердый раствор при гомогенизационном отжиге слитков. При нагружении конструкции внутри хрупких частиц этих фаз или около них зарождаются микротрещины, которые облегчают развитие магистральной трещины. Поэтому для изделий ответственного назначения, в частности в авиастроении, используют высоко и среднепрочные сплавы с пониженным содержанием примесей железа и кремния. В конце марок таких сплавов ставят буквы ч (чистый, пч (повышенной чистоты) и оч (особой чистоты. Например, сплав Д16ч может содержать не более 0,3 % е и 0,2 % Si, сплав В95пч — 0,25 % е и 0,1 % Si, сплав В95оч — 0,15 % е ив то время как в сплавах Д и В допускается до 0,5 % каждой из этих примесей (см. табл. 1.4). 40 Глава1.Алюминийиегосплавы 1.4. Литейные алюминиевые сплавы Литейные сплавы, предназначенные для отливки фасонных деталей в песчаные формы, кокиль, методом литья под давлением и другими способами, должны обладать хорошими литейными свойствами высокой жидкотекучестью, сопротивляемостью образования горячих трещин, малой склонностью к образованию рассеянной пористости. Для этого они должны иметь небольшой интервал кристаллизации и содержать достаточно большое количество эвтектической жидкости, кристаллизующейся при постоянной температуре или в узком интервале температур. Область составов литейных сплавов показана на рис. 1.4. Подавляющее большинство промышленных литейных сплавов являются доэвтек‑ тическими. Заэвтектические сплавы, в которых первично кристаллизуются интерметаллиды, из‑за их охрупчивающего влияния не используют. Литейные сплавы, сочетающие высокую прочность и пластичность, находятся по составу несколько левее точки предельной растворимости при эвтектической температуре, те. в области составов, включающей и наиболее прочные деформируемые сплавы (см. рис. 1.4, перекрытие заштрихованных областей. Такие сплавы имеют широкий интервал кристаллизации и лишь небольшое количество неравновесной эвтектики, что обусловливает их низкие литейные свойства. Механические свойства образцов, вырезанных из тела отливки, могут существенно снижаться при увеличении толщины стенки отливки из‑за меньшей скорости охлаждения при затвердевании, более грубой структуры и из‑за большой усадочной рыхлоты. У сплавов с узким интервалом кристаллизации и большим количеством эвтектики меньшая чувствительность механических свойств к толщине стенок отливки. Литейные алюминиевые сплавы в соответствии с ГОСТ 1583–89 см. табл. 1.11) маркируют буквой Аза которой следуют буквы, обозначающие легирующий элемент КМ С, Мг–Мg, Н, Кд– Сd. Цифры после обозначения элемента указывают среднее его содержание. Если концентрация элемента не превышает 1,5 %, то после его обозначения цифры не проставляют. Во многих сплавах магний, являющийся одним из основных компонентов, содержится в десятых долях процента в марках этих сплавов его обозначение отсутствует. Буквы ч и пч в конце марки (чистый, повышенной чистоты) указывают на пониженное содержание примесей 41 1.4.Литейныеалюминиевыесплавы Таблица Состав литейных алюминиевых сплавов % Система Марка сплава Si Mg Cu Mn Другие элементы, не более З, В К Д Al–Si АК12 (АЛ2) 10–13 – – – – 0,7 1,0 1,5 Al–Si–Mg АК9 АК9ч (АЛ4) АК 9п ч (АЛ4 ‑1) АК7 АК7ч (АЛ9) АК 7п ч (АЛ9 ‑1) 8–11 8–10,5 9–10,5 6–8 6–8 7–8 0,2–0,4 0,17–0,3 0,23–0,3 0,2–0,5 0,2–0,4 0,25–0,4 – – – – – – 0,2–0,5 0,2–0,5 0,2–0,35 0,2–0,6 – – – – Ti 0,08–0,15 – – Ti 0,08–0,15 0,9 0,6 0,3 1,1 0,6 0,3 1,2 0,9 0,3 1,2 1,0 0,4 1,3 1,0 0,3 1,3 1,5 0,5 Al–Si–Cu–Mg АК 5М (АЛ5) АК 5М 2 АК 8М 3ч(ВАЛ8) АК1 2М2М гН (АЛ25) АК2 МН 4,5–5,5 4–6 7–8,5 11–13 20–22 0,35–0,6 0,2–0,8 0,2–0,45 0,8–1,3 0,2–0,5 1,0–1,5 1,5–3,5 2,5–3,5 1,5–3,0 2,2–3,0 – 0,2–0,8 – 0,3–0,6 0,2–0,4 – Ti 0,05–0,2 Zn 0,5–1 ,0; Ti 0, 1–0,25; B 0,005–0, 1; Be 0,05–0,25 N i 0,8–1 ,3 Ti 0,05–0,2 N i 2,2–2,8 Ti 0, 1–0,3 Cr 0,2–0,4 0,6 1,0 0,4 – – 1,0 1,3 0,4 0,8 0,9 1,5 1,3 0,4 – – Al–Cu АМ4, 5К д ВАЛ 0,35–0,8 Ti 0,15–0,35 Cd 0,07–0,25 0,15 0,15 – Al–Mg АМг 6л (АЛ23) АМг10(АЛ27) – – 6–7 9,5–10,5 – – – – Ti 0,05–0, 15 Zr 0,05–0,2 Be 0,02–0, 1 Ti 0,05–0, 15 Zr 0,05–0,2 Be 0,05–0,15 0,2 0,2 0,2 0,2 – 0,2 * З — литье в песочные (земляные) формы В — литье по выплавляемым моделям К — литье в кокиль Д — литье под давлением |