Термически упрочняемые сплавы » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Термически упрочняемые сплавы

17.06.2021

В 1911 г. был разработан оригинальный термически упрочняемый сплав системы Al-Cu-Mg-Mn. С тех пор развитие сплавов серии 2ХХХ шло в нескольких направлениях.

Деформируемые сплавы системы Al-Cu. Первый деформируемый Al-Cu сплав марки 2025 (Al - 4,5 % Cu) был разработан в Северной Америке. Сплав содержит специально вводимые добавки кремния и марганца, но они не принимают участия в упрочнении при старении. Сплав 2025 широко применяют до настоящего времени для штамповок воздушных винтов самолетов.

В 1954 г. был разработан сплав 2219 с 6,3 % Su, в котором все свойства сплава 2025 сочетаются с более высокой прочностью и жаропрочностью, хорошей свариваемостью и лучшей коррозионной стойкостью под напряжением. Первоначально сплав использовали исключительно как жаропрочный, однако позднее благодаря отличной свариваемости и высокой прочности сварных соединений он нашел применение в других областях (в виде плит, поковок и штамповок). Номинальный химический состав сплавов приведен в табл. 9.2, типичные механические свойства — в табл. 9.5, свойства при повышенных температурах — в табл. 9.6-9.8.


Нагартовка сплава 2219 после закалки перед искусственным старением ускоряет процесс распада твердого раствора при старении и способствует получению более высоких прочностных свойств. Ha-гартовку в сочетании с искусственным старением используют для некоторых сплавов системы Al-Cu-Mg, но этот вид обработки не применяли в промышленном масштабе для Al—Cu сплавов до разработки сплава 2219. Полуфабрикаты из сплава 2219, обработанные по такой технологии, имеют прекрасное сопротивление коррозионному растрескиванию в высотном направлении при высоком уровне растягивающих напряжений. На примере сплава 2219 можно видеть расширение областей применения этого материала. Вначале он использовался только для штампованных деталей двигателя, а позднее как конструкционный сплав в виде поковок, штамповок, плит, листов, прессованных профилей и даже заклепок. Для сварки сплава 2219 используют присадочную проволоку сплава 2319. Для деталей, подвергающихся высокоскоростной механической обработке на резьбонарезных станках, важны характеристики обрабатываемости резанием и тип образующейся стружки. В Al—Cu сплаве 2011 отличная обрабатываемость резанием и мелкая, легко ломающаяся стружка достигаются благодаря легированию свинцом и висмутом. Этот сплав был разработан в 1934 г. и до настоящего времени он является не только основным сплавом для деталей, подвергающихся высокоскоростной механической обработке, но и эталоном обрабатываемости резанием среди алюминиевых сплавов. При эксплуатации в коррозионноактивных средах рекомендуется применять сплав 2011 в состоянии Т8, которое обеспечивает более высокое сопротивление межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию, чем в состоянии Т3. Номинальный химический состав и типичные свойства сплава 2011 приведены в табл. 9.2 и 9.5.

Сплавы системы Al-Cu-Mg. Первый сшив этой системы, разработанный около 70 лет назад Вильмом, сейчас имеет марку 2017. Этот сплав содержит 4 % Cu и 0,6 % Mg; в настоящее время применение его ограничено в основном изготовлением заклепок. После того как было установлено, что термическая обработка является способом повышения прочности алюминиевых сплавов, усилия исследователей были направлены на поиск новых систем. Несколько термически упрочняемых сплавов, разработанных в 30-е годы, применяют до сих пор; в это же время были созданы сплавы 2014 и 2024 - наиболее широко применяемые сплавы системы Al-Cu-Mg. Следует отметить также жаропрочные сплавы серии 2X18 и сплав 2117 (модификация сплава 2017 с пониженным содержанием меди), используемый для изготовления заклепок.



При разработке сплава 2014 использовано свойство кремния повышать способность к искусственному старению сплавов системы Al-Cu-Mg по сравнению со сплавом 2017. Уровень прочности, достигаемый при искусственном старении, не обеспечивается у сплавов 2017 или 2014 в естественно состаренном состоянии. Хотя сплав 2014 первоначально использовали как высокопрочный ковочный сплав взамен сплава 2025, в настоящее время он широко применяется как конструкционный материал в виде самых различных деформируемых полуфабрикатов, в том числе листов и плит с плакировкой из сплава Al-Mg-Si.

Сплав 2024 был разработан в 30-х годах как более прочный естественно стареющий сплав для самолетных конструкций взамен сплава 2017. Этот сплав до сих пор является одним из основных конструкционых материалов в авиации и из него изготовляют практически все виды деформируемых полуфабрикатов. Упрочнение сплава 2024 при старении происходит в основном за счет образования сложной фазы, в которую входят алюминий, медь и магний, а не двойной фазы Al—Cu, как это имеет место в сплаве 2017. Сплавы 2124 и 2224 представляют собой модификации сплава 2024 повышенной чистоты. В этих сплавах снижено допустимое содержание примесей железа и кремния для уменьшения вероятности образования грубых интерметаллидов и повышения вязкости разрушения.

Способность некоторых сплавов серии 2ХХХ (особенно 2X24 и 2219) к искусственному старению значительно усиливается, если закаленный материал подвергается нагартовке с более высокими степенями деформации, чем при прогладке, правке и растяжке. Упрочнение такого материала после искусственного старения складывается из повышения прочности за счет нагартовки и непосредственного эффекта искусственного старения. Сопротивление коррозионному растрескиванию значительно повышается в искусственно состаренном состоянии в сочетании с нагартовкой, поэтому эти сплавы часто применяют в состояниях Т6Х и Т8Х. Сплав 2036 представляет собой сплав средней прочности, он предназначен для изготовления автомобильных кузовов.

Сплавы системы Al-Mg-Si. В сплавах серии 6ХХХ основные легирующие элементы Mg и Si, и эффект термической обработки в них связан с образованием упрочняющей фазы Mg2Si. Указанные элементы могут либо присутствовать в количестве, номинально необходимом для образования фазы Mg2 Si, либо кремний может быть в избытке, что приводит к существенному повышению прочности при незначительном ухудшении коррозионной стойкости. В состав многих сплавов этой серии входят либо Mn, либо Cr, которые вводят для повышения прочности и регламентирования размера зерна. Роль упрочняющего элемента также играет медь.

Первый сплав из этой серии был разработан в США в 1920 г. В сплаве присутствовал кремний в количестве, большем, чем необходимо для образования Mg2Si. К этому сплаву наиболее близок современный ковочный сплав 6151 (с добавкой хрома для регламентирования размера зерна) в виде полуфабрикатов, подвергающихся термической обработке после формообразования или других технологических операций, связанных с различной степенью наклепа. Co сплавом 6151 очень сходен сплав 6351, легированный марганцем вместо хрома.

Первым сплавом только с фазой Mg2Si был сплав 6053 с 2 % Mg2Si и 0,25 % Cr. Затем последовал сплав 6061 также со сбалансированным относительно Mg2Si составом (1,5 % Mg2Si, 0,25 % Cu, 0,25 % Cr). Это сплав средней прочности общего конструкционного назначения, заменивший более старые сплавы системы Al-Mg-Si и ставший одним из наиболее важных конструкционных сплавов общего назначения. Номинальный состав сплавов этой системы приведен в табл. 9.2, а механические свойства - в табл. 9.5.

Самыми прочными в этой серии сплавов являются сплавы 6066 и 6070 с избытком магния против необходимого для образования Mg2Si и с добавками меди, марганца и хрома в различных сочетаниях для повышения прочности. Уровень прочности этих сплавов выше, чем у сплава 6061, но значения относительного удлинения и вязкости разрушения понижены. Оба сплава конструкционного назначения; состав сплавов приведен в табл. 9.2, свойства - в табл. 9.5.

Поскольку технологичность при прессовании является первостепенным требованием при изготовлении многих профилей сложной формы, для таких областей применения, где прочностные свойства не являются ограничивающим фактором, разработан сплав 6063. Для обеспечения среднего уровня прочности, достаточного для таких случаев, сплав можно подвергать закалке от относительно высоких температур непосредственно на прессе, что позволяет исключить из технологического цикла операцию закалки. Внешний вид поверхности полуфабрикатов из сплава 6063 также значительно лучше по сравнению с более старыми сплавами. Для повышения скорости прессования и улучшения внешнего вида поверхности используют модификации сплава, состав которых незначительно отличается от номинального (1 % Mg2Si). Механические свойства сплава приведены в табл. 9.5.

Сплавы серии 6ХХХ, используемые в декоративных целях, применяют с цветными анодными покрытиями. В зависимости от технологии изготовления и режима анодирования цвет покрытия может меняться от золотистого до черного и различных оттенков серого. Более блестящая поверхность может быть получена при ограничении содержания примесей, в частности железа.

В системе Al-Mg-Si разработаны термически упрочняемые сплавы, обладающие хорошей обрабатываемостью резанием, что связано с присутствием в этих сплавах добавок свинца и висмута. Эти добавки способствуют ломкости стружки, что важно при обработке на токарных станках. Сплав 6262, по существу, представляет собой сплав 6061 с добавками свинца и висмута, по 0,5 % каждого. Свойства сплава 6262 в состоянии Т6 близки к сплаву 6061; желательный уровень прочности обеспечивается холодной деформацией искусственно состаренного (Т6) материала; полученное таким образом состояние обозначается T9. Прочность прутков сплава 6262-Т9, предназначенных для обработки на токарно-винторезных станках, выше, а обрабатываемость резанием несколько хуже, чем у сплава 2011—Т3. Сопротивление коррозионному растрескиванию гораздо выше, чем у сплава 2011—Т3, и значительно выше, чем у сплава 2011-Т6 и Т8, что очень важно для высоконапряженных крепежных деталей. Разработаны сплавы 6009 и 6010 для изготовления листовых деталей кузовов автомобилей.

Сплавы систем Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu. В серию сплавов 7ХХХ входят высокопрочные сплавы, применяемые в авиации, и сплавы средней прочности общего назначения. Самой высокой прочностью при комнатной температуре обладают деформируемые полуфабрикаты из сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, которые были предметом исследований на протяжении ряда лет. Несмотря на привлекательность своих свойств и хорошие технологические характеристики, эти сплавы вначале не находили промышленного применения из-за неудовлетворительного сопротивления коррозионному растрескиванию. Хотя сплав 7076 был разработан в 1940 г. как ковочный для винтов самолетов, получение листов из сплавов этой системы было затруднено до тех пор, пока в результате интенсивных работ не был начат в 1943 г. выпуск сплава 7075. Успешное завершение работ над этой проблемой в известной степени связано с благотворным влиянием хрома, который значительно улучшает сопротивление листов коррозионному растрескиванию. Более прочная модификация (сплав 7178) появилась в 1951 г., а самый высокопрочный из всех промышленных алюминиевых сплавов 7001 — в 1960 г. Однако некоторые трудности в изготовлении, низкая вязкость разрушения и пониженная прочность в состоянии Т73 препятствовали его широкому применению. Номинальный состав сплавов этой системы приведен в табл. 9.2, типичные свойства — в табл. 9.5.

Сравнительно недавно промышленное значение приобрели сплавы 7X49 и 7X50, а также модификации сплава 7075 повышенной чистоты. Эти сплавы обладают высоким уровнем прочности, лучшей пластичностью в высотном направлении и менее чувствительны к скорости охлаждения при закалке в массивных сечениях. В перестаренном состоянии (состояниях Т7Х, предусматривающие старение до уровня свойств за пиком прочности на кинетической кривой старения) прочность сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu несколько ниже, чем в состоянии Тб, зато практически отсутствует склонность к коррозионному растрескиванию.

Сплавы 7X49, 7X50, 7175 и 7475 в состояниях Т6Х и особенно в состояниях Т7Х, так же как и сплавы 2124, 2419 и 2048 в состояниях Т8Х, обладают выдающимся комплексом свойств. Высокие прочность и сопротивление коррозионному растрескиванию сочетаются с хорошей вязкостью разрушения. Методы определения вязкости разрушения при плоской деформации (K1c) или плосконапряженном Состоянии (Kc) описаны в стандартах ASTM.

В последние годы внимание исследователей было сосредоточено на сплавах системы Al-Zn-Mg со средней и более низкой прочностью. В этих сплавах снижено содержание цинка и магния и введены небольшие добавки марганца, хрома, титана и циркония. Медь обычно отсутствует вообще или ее содержание ограничено очень низким уровнем. Поэтому для полного перевода легирующих элементов в твердый раствор нагрев под закалку можно производить при гораздо более низкой температуре в отличие от высокопрочных сплавов, используемых в авиации. Оптимальный уровень прочности достигается даже при сравнительно медленном охлаждении при закалке. Благодаря малой чувствительности этих сплавов к скорости охлаждения их можно использовать либо для изготовления крупногабаритных штамповок и толстых плит, либо закаливать тонкостенные детали из этих сплавов с меньшей скоростью, что уменьшает поводку и уровень остаточных напряжений. Наименьшая чувствительность к скорости охлаждения имеет место в сплавах с добавкой одного циркония (без хрома или марганца).

Сплав 7039 был разработан для использования в качестве брони, а сплав 7005, особенно в виде прессованных профилей, для различных наземных транспортных конструкций. Сплавы 7016 и 7029 применяют для изготовления полированных деталей, в частности, для автомобильных бамперов. Содержание меди в этих сплавах находится в пределах 0,5-1,0 % без добавок элементов-антирекристаллизаторов. При использовании этих сплавов следует принять меры предосторожности во избежание роста зерна и оптимизировать технологию контроля коррозионного растрескивания.

Прочие сплавы. В этот класс термически упрочняемых сплавов входят композиции, в которых либо сочетаются состав или свойства сплавов двух систем, либо сплавы содержат добавки элементов, которые изменяют характеристики старения. При рассмотрении сплавов серии 2ХХХ системы Al-Cu-Mg упоминались сплавы типа 2X18. Сплав 2218 содержит добавку никеля для повышения жаропрочности. Сплав 2618 также жаропрочный, имеет необычное сочетание алюминия, меди, магния с никелем и железом в соответствующих пропорциях. Свойства сплава 2618 не обеспечиваются, если содержание никеля и железа выходит за рамки рекомендуемого интервала. Сплав 2218 используют для штамповок, а 2618 для других видов полуфабрикатов. Номинальный состав этих сплавов приведен в табл. 9.2. типичные механические свойства — в табл. 9.5, свойства при повышенных температурах — в табл. 9.6-9.8. Сплав 4032, легированный кремнием, магнием, медью и никелем, относится к жаропрочным и имеет низкий коэффициент линейного расширения. Свойства сплава при повышенных температурах даны в табл. 9.6.-9.8.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: