Алюминиевые сплавы

Алюминий — 13-й элемент 3-го периода III группы Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Алюминий — металл серебристо-белого цвета, его ГЦК-решетка сохраняет устойчивость до температуры плавления 660 °С. Алюминий не имеет полиморфных превращений. В технике его используют как в технически чистом виде, так и в качестве основы многочисленных литейных и деформируемых сплавов.

Алюминиевые сплавы широко применяют в различных областях машиностроения — в авиационной промышленности и ракетостроении, судостроении, транспортном машиностроении, а также в электротехнике, ядерной технике, при изготовлении изделий бытовой техники. Преимуществами алюминиевых сплавов являются высокая удельная прочность ов/p (р = 2,7 т/м3), которая сопоставима с удельной прочностью высокопрочных сталей; хорошие технологические свойства при обработке давлением и сварке, высокая коррозионная стойкость в условиях промышленной атмосферы, во влажной и морской средах, в разбавленных растворах кислот.

Существует несколько признаков классификации алюминиевых сплавов: по способу получения, по способности к упрочняющей термической обработке, по системам легирования, по уровню прочности, по специальным свойствам и др.

По способу получения сплавы подразделяют на деформируемые, литейные, порошковые.

По способности к упрочняющей термической обработке деформируемые и литейные сплавы, в свою очередь, подразделяют на термически неупрочняемые и термически упрочняемые. Термически неупрочняемые сплавы по химическому составу находятся в области однофазных твердых растворов, а термически упрочняемые — в области составов с переменной растворимостью, что позволяет применять к ним закалку и старение.

По системам легирования выделяют следующие группы сплавов.

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термообработкой — это сплавы, легированные магнием (AMг) или марганцем (АМц). Сплавы данной подгруппы интенсивно упрочняются при холодной пластической деформации. В зависимости от степени разупрочнения при последующем отжиге их используют в мягком (M), полунагартованном (Н2) или полностью нагартованном (H) состояниях.

Сплавы типа АМц и AMг применяют в качестве листового материала для изготовления сложных по конфигурации изделий, получаемых прокаткой, горячей и холодной листовой штамповкой.

Магналии (сплавы системы Al—Mg) имеют хорошую свариваемость. При создании конструкций из листовых заготовок это технологическое свойство является одним из самых главных. Таким образом, при уровне прочности ов = 130...350 МПа (максимум) эти сплавы являются коррозионно-стойкими, обладают удовлетворительной деформируемостью и свариваемостью.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой, составляют весьма многочисленную подгруппу алюминиевых сплавов. К широко применяемым в авиастроении сплавам относятся дуралюмины — сплавы, легированные медью, магнием и марганцем. При значении временного сопротивления разрыву 530 МПа сплавы характеризуются высокими показателями ударной вязкости и коэффициента вязкости разрушения, что необходимо при использовании материала в высоконагруженных конструкциях. Дуралюмины маркируют буквой Д и числом (не имеющим определенной связи с химическим составом): Д16, Д18, Д19. Недостатками дуралюминов являются:

• низкая коррозионная стойкость — требуется специальная защита поверхности;

• плохая свариваемость — соединяются преимущественно с помощью заклепок.

Деформируемые сплавы систем Al — Mg — Mei, упрочняемые термообработкой (где Mei — легирующий металлический элемент), с магнием в качестве основного легирующего элемента выделяют в отдельную подгруппу. К таким материалам относят сплавы с литием системы Al — Mg — Li — Me и сплавы системы Al — Mg — Si (авиали). Сплавы этих систем являются коррозионно-стойкими и обладают удовлетворительной деформируемостью и свариваемостью.

Сплавы системы Al — Mg — Li — Me отличаются повышенной удельной прочностью, по сравнению с дуралюминами обладают сочетанием свойств, обусловленных присутствием сверхлегкого металла лития:

• пониженная плотность — до 2,4 г/см3, что позволяет снизить массу летательных аппаратов на 10... 15 %;

• повышенный на 15 % модуль упругости сплава.

Такие сплавы имеют цифровую маркировку — 1420, 1424, 1430 и др. При уровне прочности ов = 430...440 МПа их применяют для обшивки самолета и силовых деталей (шпангоутов, лонжеронов и других деталей).

Авиали — сплавы средней прочности (ов = 330...360 МПа) широко применяются в машиностроении. Из авиалей марок АВ, АД31, АДЗЗ, АД35 получают различные заготовки: листы (прокаткой), трубы, прессованные профили, поковки.

Среди алюминиевых сплавов наиболее высокопрочными являются сплавы системы Al — Mg — Zn — Cu, предел текучести которых составляет 470...620 МПа, что сопоставимо с углеродистыми сталями (но при большей удельной прочности). Относительное удлинение при этом не превышает 10...11,5 %.

Для улучшения свойств высокопрочных алюминиевых сплавов уменьшают количество примесей (повышают чистоту по примесям) в сплаве при металлургическом производстве. Это приводит к значительному увеличению ударной вязкости и коэффициента вязкого разрушения. В маркировку сплавов улучшенного металлургического качества вводят соответствующее буквенное обозначение: пч — сплав повышенной чистоты (менее 0,25 % Fe, менее 0,1 % Si); оч — сплав очень чистый (менее 0,15 % Fe, менее 0,1 % Si). Марки высокопрочных сплавов имеют также числовое обозначение, например В93, В96Ц, В96, В96пч и др.

К недостаткам этих сплавов относятся пониженная коррозионная стойкость, плохая свариваемость.

Высокопрочные алюминиевые сплавы предназначены для изготовления силовых деталей в самолетостроении из крупных поковок, полученных ковкой и объемной штамповкой (В93); прессованных профилей (В95).

К жаропрочным сплавам относятся сплавы системы Al — Cu — Mg — Ni — Fe. Их маркируют буквами AK и цифрами. Сплавы марок АК4, АК4-1 имеют преимущества по жаропрочным свойствам перед другими сплавами при температурах 250.. .300 °С. Такие сплавы применяют главным образом в виде поковок для изготовления деталей, работающих при температурах 250...320 °С: поршни двигателей внутреннего сгорания, картеры, детали колес компрессоров, воздухозаборников, крыльчатки мощных вентиляторов (табл. 17.1).

Литейными сплавами с наилучшими технологическими свойствами являются сплавы системы Al — Si: на их диаграмме состояния существует протяженная область, в которой протекает эвтектическое превращение при постоянной температуре (рис. 17.1). Данное эвтектическое превращение обеспечивает при кристаллизации хорошую жидкотекучесть, минимальную усадку, низкую склонность к образованию усадочной и газовой пористости.

Силумины, сплавы на основе системы Al — Si, являются широко распространенными литейными сплавами с низкой себестоимостью. Силумины выплавляют как доэвтектического, так и заэвтектического состава. И те и другие сплавы содержат эвтектическую составляющую [а + Si]; различие фазового состава сплавов заключается в природе первичных кристаллов, выделяющихся из жидкости: а-твердый раствор — в доэвтектических силуминах и кристаллы технически чистого кремния (Si) — в заэвтектических (рис. 17.2). Эти кристаллы игольчатой формы (рис. 17.2, а) неблагоприятно влияют на пластичность сплавов.

Силумины содержат 5...21 % кремния, в сплавы некоторых марок входят медь, марганец, титан. Маркировка литейных алюминиевых сплавов включает буквы AK (алюминиевый с кремнием) и цифры, которые обозначают среднее содержание кремния в процентах (например AK12); другие буквы указывают на наличие легирующих элементов (М — медь, Mr — магний и т.д.). Многие литейные сплавы содержат 4-5 легирующих элементов, но в марке обычно указывают не более двух основных. Буквы ч, пч, оч указывают чистоту сплавов по примесям (например, АК9ч, АК7ч, АК5М и др.). Иногда сохраняется прежняя маркировка, включающая букву Л (литейный): АЛЗЗ, ВАЛ8.

Прочность и пластичность двойного силумина AKl2 повышают модифицированием — введением в расплав небольших добавок щелочных металлов — натрия, лития, что приводит к двум эффектам:

• диспергированию (уменьшению размеров) кремния, входящего в состав эвтектики [а + Si];

• сдвигу эвтектической точки в сторону больших концентраций кремния; при этом сплав, не изменяя химического состава, становится доэвтектическим и содержит эвтектику и кристаллы a-твердого раствора вместо кристаллов кремния (рис. 17.2, б).

В результате улучшаются прочность и пластичность.

Другим способом повышения прочности силуминов является увеличение скорости кристаллизации при изменении технологии литья: при переходе от литья в песчаные формы к литью в кокиль (металлическая изложница) или литью под давлением.

Силумины отличаются такими хорошими литейными свойствами, как высокая жидкотекучесть, отсутствие пористости, герметичность отливок. Сплав AK12 рекомендуется для изготовления герметичных деталей. Более прочный силумин АК9ч благодаря термообработке применяют для ответственных крупногабаритных деталей, например картеров двигателей внутреннего сгорания. Сплав AК8Л предназначен для изготовления сложных по конфигурации деталей, работающих под давлением. Высоколегированный заэвтектический силумин полностью нагартованный силумин АК12М2МгН применяют для отливок поршней двигателей внутреннего сгорания, работающих при повышенных температурах (250.. .270 °С).

Более жаропрочными (до температуры 250...300 °C) являются сплавы системы Al — Cu — Mei марок АМ5, АМ4, АЛ33 и др. Однако они имеют существенные недостатки: ввиду отсутствия эвтектики данные сплавы обладают низкой жидкотекучестью, получаемые из них отливки имеют низкую герметичность, пониженную коррозионную стойкость.