Термически неупрочняемые сплавы

Сверхчистый и чистый алюминий. Первым деформируемым сплавом, освоенным промышленностью, был, безусловно, сплав из группы чистого алюминия, близкий к современному технически чистому алюминию марки 1100. Деформируемые полуфабрикаты из этого сплава начали изготовлять в США с 1888 г.

Различные сорта чистого алюминия использовали в виде деформируемых полуфабрикатов для специальных целей на ранних стадиях развития алюминиевой промышленности. В начале XIX столетия алюминий высокой степени чистоты, названный сплавом ЕС, стали применять для электрических проводников. В настоящее время для электропроводников используют деформируемый чистый алюминий марки 1350, минимальное содержание алюминия в котором составляет 99,50 %. Помимо обычных примесей, присутствующих в этом сплаве, в него обычно вводят небольшие добавки бора для компенсации влияния ванадия и титана и обеспечения таким образом заданной электропроводности. В случаях, когда необходима высокая электропроводность, используют сплавы, легированные железом в количестве до 0,5 %. Чистый алюминий применяют в производстве предметов домашнего обихода и многих сортов фольги, которую изготовляют из алюминия чистотой от 98,6 до 99,99 %. Состав и свойства чистого алюминия нескольких сортов приведены в табл. 9.1 и 9.3.

Прочностные свойства различных марок чистого алюминия меняются не в таком широком диапазоне, как у сплавов, что будет рассмотрено далее в этой главе. Временное сопротивление разрыву при растяжении отожженного алюминия чистотой 99,99 % составляет около 45 МПа, а предел текучести ~10 МПа при относительном удлинении 50 %. Деформируемые полуфабрикаты из алюминия чистотой 99,99 % в отожженном состоянии настолько мягки, что они нагартовываются даже при очень осторожном фрезеровании во время изготовления образцов. Эта нагартовка проявляется в резком повышении предела текучести (свыше 10 МПа, что типично для отожженного состояния). Сильнона-гартованное состояние для сверхчистого алюминия неустойчиво, и он частично рекристаллизуется при комнатной температуре.

Различные марки чистого алюминия, используемые в промышленном масштабе, обладают более высокой прочностью и стабильными свойствами в нагартованных состояниях. В табл. 9.3 приведены свойства только нескольких марок чистого алюминия, поскольку при примерно одинаковом содержании алюминия значения прочности мало меняются в зависимости от изменения химического состава. Максимальную прочность имеют деформируемые полуфабрикаты из алюминия марки 1100. Во многих случаях при практически неизменной прочности регулирование химического состава позволяет обеспечить специальные заданные свойства, например электропроводность или коррозионную стойкость. Деформируемые полуфабрикаты из алюминия промышленной чистоты используют практически во всех отраслях промышленности и народного хозяйства, но в основном для плакировки в производстве листов и плит из алюминиевых сплавов, которая используется для повышения коррозионной стойкости термически упрочняемых сплавов или для улучшения внешнего вида термически неупрочняемых сплавов.

Сплавы системы Al—Mg. Сплавы серии 5ХХХ, содержащие до 6 % Mg, образуют группу сплавов типа твердых растворов. При увеличении содержания магния от 1 до 6 % прочностные свойства сплавов в отожженном состоянии меняются в пределах: ов — от 110 до 310 МПа, о0,2 — от 40 до 160 МПа. Относительное удлинение во всех случаях превышает 25 %.

Наиболее широкое применение в промышленном масштабе имеют сплавы общего назначения и конструкционные сплавы, содержащие примерно 1-5 % Mg. Сплавы, концентрация магния в которых не превышает 3 %, структурно стабильны при комнатной и повышенных температурах даже в сильнонагартованных состояниях. При более высоком содержании магния сплавы становятся нестабильными в указанных состояниях.

В 20-е годы было изготовлено лишь небольшое количество листов из сплава Al — 4 % Mg; до 30-х годов производство деформируемых полуфабрикатов из Al-Mg сплавов носило ограниченный характер. Затем были разработаны сплавы 5052, 5154 и 5056. После этого число Al-Mg сплавов стало быстро увеличиваться, о чем свидетельствуют данные табл. 9.3. Имеется всего несколько двойных промышленных сплавов общего конструкционного назначения, например сплавы 5005 и 5050. В сплавах 5052, 5154 и 5056 присутствуют небольшие добавки элементов, упрочняющих сплавы путем образования дисперсных выделений. Для повышения прочности или улучшения других характеристик в большинство Al - Mg сплавов вводят добавки хрома, марганца или титана (порознь или совместно), причем суммарное содержание этих элементов находится в пределах 0,25-1,0 %.

Самой высокой прочностью среди промышленных Al-Mg сплавов обладает сплав 5456, затем следуют 5083 и 5086 с более низким уровнем прочности. Сплавы 5454, 5082 и 5182 еще менее прочны. Наименьшую прочность имеют двойные сплавы 5005 и 5050 (табл. 9.4).

Деформируемые полуфабрикаты из Al-Mg сплавов применяют в отожженном состоянии (О) и в одном или нескольких нагартованных состояниях (H1, Н2, Н3). Для общего конструкционного назначения обычно используют состояние Н3, поскольку состояние H1 является нестабильным при комнатной температуре. Для состояния Н3 характерна стабильность свойств при более высокой пластичности наряду с улучшенными технологическими характеристиками, например при формообразовании. Некоторые сплавы обрабатывают до состояния Н2 для обеспечения хорошей коррозионной стойкости и характеристик формообразования в сочетании с более высокой прочностью, чем в состоянии О.

У Al—Mg сплавов прочность в широком диапазоне сочетается с хорошей способностью к формообразованию, свариваемостью и высокой общей коррозионной стойкостью. Отличительная особенность этих сплавов - прекрасная свариваемость дуговой сваркой в защитной атмосфере. Сварные соединения равнопрочны с основным материалом в отожженном состоянии и очень пластичны. Сплавы с содержанием магния менее 3,5 % свариваются хуже, чем более легированные магнием сплавы. В качестве присадочной проволоки используют проволоку сплавов 5356, 5554 и 5556. Обычно материал присадочной проволоки близок по составу к основному материалу, но содержит добавку титана, который вводят для измельчения структуры в сварном соединении.

Хотя Al—Mg сплавы считаются термически неупрочняемыми, растворимость магния при температуре отжига для таких сплавов, как 5083, 5086, 5056 и 5456, выше, чем при комнатной температуре. Вследствие этого сильнонагартованное состояние для таких сплавов неустойчиво, и при длительном вылеживании при комнатной температуре или при нагревах происходит распад твердого раствора по границам зерен или по плоскостям скольжения. Выделение продуктов распада способствует межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию.

Это обстоятельство явилось побудительной причиной для разработки состояния H116, использование которого позволяет устранить или свести к минимуму нестабильность материала, обеспечить более высокий уровень прочности в сочетании с другими свойствами этих сплавов.

Благодаря своим многим привлекательным свойствам Al—Mg сплавы находят широкое применение в случаях, когда прочности чистого алюминия недостаточно. Более высокая прочность и хорошая свариваемость этих сплавов позволяют успешно использовать их в транспорте, в строительных конструкциях, в качестве конструкционного материала во многих отраслях промышленности, в военной технике, где важны хорошие баллистические свойства или свойства при криогенных температурах.

Для декоративных и отделочных сплавов этой системы характерны широкий диапазон прочностных свойств и прекрасное состояние поверхности полуфабрикатов. Такое сочетание свойств в значительной степени способствовало широкому использованию этих сплавов. Сплавы с низким содержанием железа при соответствующей термической обработке применяют для блестящих деталей отделки автомобиля, в течение длительного времени сохраняющих прекрасный внешний вид, для архитектурных элементов и других декоративных целей. В указанных случаях используют сплавы типа 5X57 и сплавы общего назначения марок 5005 и 5050. Для получения блестящей однородной поверхности в сплавах типа 5X57 ограничивают содержание примесей. Наилучшее качество поверхности достигается тогда, когда содержание примесей находится на самом низком уровне, как это имеет место в сплавах 5252 и 5657.

Сплавы систем Al-Mn и Al-Mn-Mg. Первым и единственным Al—Mn сплавом промышленного значения является сплав 3003, а сплав 3004 представляет собой самую старую разработку в системе Al—Mn—Mg, применяемую до сих пор. Сплав 3003 — один из самых старых деформируемых сплавов, он разработан в 1906 г.; сплав 3004 появился в 1929 г. Прочность сплава 3003 существенно выше, чем сплава 1100, а сплав 3004 гораздо прочнее сплава 3003. Сплав 3003 является примером упрочнения дисперсными выделениями, в то время как сплав 3004 упрочняется как марганцовистыми дисперсоидами, так и за счет упрочнения твердого раствора магнием. Типичные свойства сплавов приведены в табл. 9.4, а их номинальный состав — в табл. 9.1. Сплав 3003 применяется в состоянии Hl, а сплав 3004 — в состоянии Н3, которое используется для обеспечения стабильности материала и улучшения характеристик формообразования. Сплав 3004 в состоянии H1 склонен к разупрочнению в процессе вылеживания при комнатной температуре, в сплаве 3003 это явление не наблюдается. Сплав 3004 обычно имеет мелкозернистую структуру и не склонен к росту зерна, т.е. для него практически не существует критическая степень деформации. Оба сплава обладают прекрасной коррозионной стойкостью в сочетании со средней прочностью и используются во многих случаях в тех же областях, что и чистый алюминий и Al—Mg сплавы. Сплав 3004 наиболее широко применяется для изготовления упаковки для напитков.

Несколько менее прочных и более новых сплавов из группы Al—Mn—Mg сплавов характеризуются сочетанием прочности, хорошим формообразованием и коррозионной стойкостью. К таким сплавам относятся сплав 3005, разработанный в 1953 г., и сплав 3105 (1960 г.). Оба сплава применяются в строительстве и для специальных целей.

Прочие термически неупрочняемые сплавы. Среди термически неупрочняемых сплавов эти сплавы сильно различны между собой по составу и областям применения. Один из этих сплавов - 8001 (система Al-Ni-Fe) используют в атомной энергетике; для этого сплава характерна высокая коррозионная стойкость в воде при высоких температуре и давлении. Механические свойства этого сплава близки к сплаву 3003.

Некоторые сплавы систем Al-Fe-Mn и Al-Fe-Mn-Zn выпускают в виде тонких листов и фольги. Эти сплавы обычно имеют очень мелкозернистую структуру. Сплав 8280 системы Al-Sn-Ni-Cu применяют в производстве подшипников. Своими антифрикционными свойствами сплав обязан добавке олова, другие элементы повышают прочность, уровень которой несколько выше, чем у сплава 3003. Другой подшипниковый сплав 8081 был разработан в 1965 г., он содержит 20 % Sn и 1 % Cu. Характеристики трения этого сплава выше, чем у других подшипниковых сплавов, применяемых в автомобильной промышленности. Номинальный химический состав этих сплавов приведен в табл. 9.1, а типичные механические свойства - в табл. 9.4.

Ряд сплавов системы Al - Si на протяжении многих лет используют в качестве присадочной проволоки. Самый старый и наиболее широко применяемый из них - сплав 4043 с 5 % Si. Другие сплавы серии 4ХХХ (4343 с 7,5 % Si и 4045 с 10,5 % Si) используют для нанесения тонкого слоя на поверхность листов, подвергаемых в дальнейшем пайке; в данном случае этот тонкий слой играет роль припоя.

Существует несколько термически неупрочняемых сплавов серии 7ХХХ. Наиболее широко известен сплав 7072 с 1 % Zn, применяемый для плакировки сплавов 2219, 3003, 3004, 7075 и 7178, которая служит электрохимической защитой. Более подробно свойства плакированных полуфабрикатов обсуждены далее в этой главе в разделе, посвященном деформируемым полуфабрикатам. Сплав 7072 используют также для анодной защиты труб теплообменников.