Алюміній і його сплави
Алюміній - світло-сріблястий метал, що має кристалічну решітку гранецентрированного куба з періодом 4,0413 Å. Не відчуває поліморфних перетворень. Алюміній - легкий метал, його питома вага 2,703 г / см 3 при 20 ˚ С. У зв'язку з цим алюміній є основою сплавів для легких конструкцій, наприклад в авіаційній техніці. Алюміній має високу електропровідність (65% від міді), тому алюміній у великому обсязі використовується як провідникових матеріалів в електротехніці. Чистий алюміній має високу корозійну стійкість у зв'язку з утворенням на його поверхні стійкою і щільною окисної плівки Al 2 O 3. Це властивість зберігається і в багатьох сплавах, що містять алюміній у вигляді легуючих елементів.
Домішки, присутні в алюмінії, знижують його пластичність, електро-і теплопровідність, знижують захисну дію плівки. У технічно чистому алюмінії в якості домішок можуть знаходитися, в основному, Fe і Si.
Залізо дуже мало розчинно в алюмінії, і вже при тисячних частках відсотка при низьких температурах з'являється нова фаза FeAl 3. Ця фаза, як вважають останнім часом, є однією з винуватиць високої стійкості і спадковості литої структури алюмінію і його сплавів, коли дендритні будову можна спостерігати навіть після дуже великих ступенів пластичної деформації (50-90%) і наступного рекристаллизационного відпалу. Залізо зменшує електропровідність і хімічну стійкість чистого алюмінію.
Кремній в алюмінії разом домішками заліза утворює евтектику з твердого розчину на основі алюмінію і кристалів FeSiAl 5, яка має форму китайських ієрогліфів. Для нейтралізації шкідливого впливу заліза сплави легують марганцем, за рахунок чого в сплавах формується з'єднання (Fe, Mn) 3 Si 2 Al 15, яке первинно кристалізується з розплаву у вигляді компактних огранених кристалів, що сприяє підвищенню пластичності, якщо ці кристали досить дрібні. Хром також вводять в силуміни для нейтралізації негативного впливу заліза.
При невеликих утриманнях кремнію, (до 0,4%) він знаходиться в твердому розчині. Отжигом можна перевести в твердий розчин до 1,3% Si. Кремній є менш шкідливою домішкою в алюмінії, ніж залізо, хоча також як і залізо, зменшує пластичність, електропровідність, корозійну стійкість сплавів. У великих кількостях кремній застосовується в сплавах на основі алюмінію, як легуючий елемент.
Алюміній та алюмінієві сплави проводять згідно з ГОСТ 11069-74 - Алюміній первинний, ГОСТ 1583-93 - Сплави алюмінієві ливарні, ГОСТ 4784-74 - Алюміній і сплави алюмінієві, деформуються.
Ливарні алюмінієві сплави по ГОСТ 1583-93 маркірують літерами і цифрами із зазначенням середнього хімічного складу за основними легирующим елементам. У чинному ГОСТі вказана і стара система маркування - умовне позначення марок, що містить букви АЛ.
Усі ливарні алюмінієві сплави, зазначені в ГОСТ 1583-93, в залежності від хімічного складу поділяють на п'ять груп:
I група - сплави на основі системи Al-Si. У неї входять сплави марок АК12, АК13, АК9, АК9с, АК9ч, АК9пч, АК8л, АК7, АК7ч, АК7пч, АК10Су.
II група - сплави на основі системи Al-Si-Cu. У неї входять сплави марок АК5М, АК5Мч, АК5М2, АК5М7, АК6М2, АК8М, АК5М4, АК8М3, АК8М3ч, АК9М2, АК12М2, АК12ММгН, АК12М2МгН, АК21М2, 5Н2, 5.
III група - сплави на основі системи Al-Cu. У неї входять сплави марок АМ5, АМ4, 5кл.
IV група - сплави на основі системи Al-Mg. У неї входять сплави марок АМг4К1, 5М, АМг5К, АМг5Мц, АМг6л, АМг6лч, АМг10, АМг10ч, АМг11, АМг7.
V група - сплави на основі системи алюміній - інші компоненти. У неї входять сплави марок АК7Ц9, АК9Ц6, АЦ4Мг.
Термічну обробку ливарних алюмінієвих сплавів проводять за режимами: Tl - штучне старіння без попереднього нагрівання під загартування, Т2 - відпал, Т4 - загартування, Т5 - неповне штучне старіння, Т6 - повне штучне старіння, Т7 - стабілізуючий старіння.
Штучному старінню переважно піддають сплави на основі системи Al-Si. Обробка по режиму Tl можлива в тих випадках, коли при прискореному охолодженні виливка після закінчення її затвердіння, наприклад при литті тонкостінних деталей в кокіль, утворюється пересичений твердий розчин. Така обробка економічно ефективна, але зміцнення при старінні невелика, так як через дендритной ліквації серцевина дендритних осередків має низьку концентрацію легуючих елементів. Обробці по режиму T1 найбільш доцільно піддавати деталі, отримані литтям під тиском. Такі деталі, як правило, не можна гартувати через те, що при нагріванні під загартування на їх поверхні утворюються спучування у результаті розширення газу, захопленого при литті під тиском. Відпал виливків (режим Т2) проводять, в основному, для сплавів I групи. Цей вид термообробки застосовують для зменшення ливарних напруг. Температура такого отжига близько 300 ° С, витримка 2 ... 4 год гарту без подальшого штучного старіння (режим Т4) піддають сплави на основі системи Al-Mg. Термічну обробку по режиму Т4 застосовують у тих випадках, коли необхідна підвищена пластичність при міцності меншою, ніж після штучного старіння, або ж підвищена стійкість проти корозії. Обробка по режиму Т6 включає загартування і повне штучне старіння для досягнення максимального зміцнення. Обробка по режиму Т5 складається з гарту і неповного штучного старіння при температурі нижчій, ніж при обробці по режиму Т6. Мета такої обробки - забезпечити підвищену пластичність (в порівнянні з обробкою Т6). Термічна обробка за режимами Т5 і Т6 проводиться в основному для сплавів системи Al-Si. Режим Т7 - це загартування і стабілізуючу старіння (перестаріваніе), яке проводять при температурі вищій, ніж по режиму Т6 для стабілізації властивостей і розмірів деталей перших трьох груп ливарних алюмінієвих сплавів. Час витримки при нагріванні під загартування різних сплавів коливається від 2 до 16 год Відлиття гартують в холодній воді. Для зменшення гартівних напруг воду підігрівають до 80 ... 100 ° С.
Кремній є одним з основних легуючих елементів у ливарних алюмінієвих сплавах (силумінах). Силуміни зазвичай містять від 5 до 14% Si, тобто на кілька відсотків більше або менше евтектичної концентрації. Ці сплави зазвичай мають грубу игольчатую евтектику, що складається з (a + Si) е і первинні кристали. Типовим силуміном є сплав АЛ2 (АК12) з вмістом 10-13% Si. У литому стані він складається в основному з евтектики і деякого кількість надлишкових кристалів кремнію. Механічні властивості такого сплаву дуже низькі: s в = 120 - 160 МПа при відносному подовженні d <1% (таблиця 2).
Однак ці сплави мають дуже важливими властивостями, які ніяк не вдається досягти в інших більш міцних сплавах: високою жидкотекучестью, зварюваністю. Вони мають малу усадку при литті, у зв'язку з чим стає низькою їх схильність до утворення усадочних тріщин. Силуміни, внаслідок малого відмінності по розчинності кремнію при високій і низькій температурі, практично не упрочняются термічною обробкою, тому найважливішим методом поліпшення його механічних властивостей є модифікування. Модифікування здійснюється обробкою рідкого силуміну невеликими кількостями металевого натрію або солями натрію. При модифікуванні відбувається значне подрібнення частинок евтектичної суміші, що пов'язують із здатністю натрію обволікати утворилися зародки кремнію і гальмувати їх зростання.
Крім того, в процесі модифікування відзначене деяке переохолодження, відповідне протіканню евтектичного перетворення, а евтектична концентрація зсувається вправо. Таким чином, заевтектичних сплави, що лежать трохи правіше евтектичної точки, після модифікування виявляються доевтектичні. Структура сплаву після модифікування виявляється складається з надлишкових кристалів a-твердого розчину і дуже дисперсної, практично точкової евтектики (малюнок 3).
Таблиця 2 - Механічні властивості силумінів
Механічні властивості після модифікування АЛ2 (АК12) складають: s в = 170 - 220 МПа, при d = 3 - 12%.
Маючи високі ливарні властивості, силуміни є основним вихідним матеріалом для створення технологічних і, в той же час, високоміцних ливарних алюмінієвих сплавів, які можуть піддаватися зміцнюючої термічної обробки. При створенні таких сплавів використовують додаткове легування силумінів з метою утворення в структурі силуміну нових фаз, здатних призводити до зміцнення при термічній обробці. В якості таких елементів застосовують Mg, Cu та Mn. На основі такого легування в даний час створені і використовуються ливарні алюмінієві сплави: АЛ4 (9% Si, 0,25% Mg і близько 0,4% Mn) і АЛ5 (5% Si, 1,2 Cu і 0,5% Mg ).
Міцність цих сплавів після гартування і старіння виявляється вище 200-230 МПа при подовженні d ³ 2-3%. Ефект зміцнення сплавів при загартуванні і старінні пояснюється утворенням при старінні зон Гинье-Престона і проміжних фаз складного складу, які відрізняються за складом і кристалічній решітці від рівноважної, наприклад Mg 2 Si, і когерентних з твердим розчином своїми кристалічними гратами.
До ливарним сплавів відносяться також Медист сплави АЛ-19 і ВАЛ10 містять 4-5% Cu і 9-11% Cu (таблиця 3).
Ці сплави у зв'язку з більш високою температурою солідусу у порівнянні з силумінами, є більш жароміцних сплавів.
Ливарними високоміцними алюмінієвими сплавами є сплави системи Al-Mg (АЛ-23, АЛ-27). Ці сплави містять 6-13% Mg. Міцність цих сплавів у загартованому і зістарілий стані може досягати значень 300-450 МПа при d = 10-25%. До переваг цих сплавів відносяться: висока корозійна стійкість в атмосферних умовах і при дії морської води.
Таблиця 3 - Механічні властивості деяких ливарних алюмінієвих сплавів
Однак ці сплави мають такі недоліки: підвищена схильність до окислення в рідкому стані; підвищена чутливість до домішок Fe, в результаті утворення нерозчинних сполук Al, Mg з Fe відбувається значне зниження пластичності; підвищена схильність сплавів до крихкого руйнування при тривалій дії внутрішніх або зовнішніх напружень на твердий розчин сплаву; більша схильність до різкого зниження міцності при спільній дії навантажень і температури; більша схильність до зниження механічних властивостей у міру збільшення перерізу стінок деталей.
Деформуємі алюмінієві сплави (ГОСТ 4784-74) підрозділяються на термічно не зміцнюється і термічно зміцнюється.
Залежно від призначення та вимог щодо механічних, корозійних, технологічних, фізичних та інших властивостей деформуються сплави поділяють на сплави високої, середньої і малої міцності, жароміцні, криогенних, кувальні, заклепувальні, зварюються, зі спеціальними фізичними властивостями, декоративні.
Всі вживані в промисловості сплави можна також розділити з систем, в яких основні легуючі елементи будуть визначати типові для даної системи фізичні і хімічні властивості.
Серед термічно зміцнює деформівних сплавів необхідно виділити наступні основні групи:
а) Подвійні сплави Al-Cu.
б) дуралюмина (на основі Al-Cu-Mg-Mn).
в) Жароміцні сплави (на основі Al-Cu-Mg-Ni).
г) Високоміцні сплави (типу В95 на основі Al-Zn-Mg-Cu-Mn).
До термічно не зміцнює відносяться сплави Al-Mg (з невеликим з'єднанням магнієм (до 5-6%) (Амг-3, АМг6, АМг5В і т.д.) і марганцю (АМц).
Ці сплави з точки зору металографії не становлять великого інтересу. Їх структура після пластичної деформації і подальшого відпалу при температурі »320-370 ° С для зняття напружень мають структуру однофазного (у деяких випадках кілька пересиченого) твердого розчину, не виділяє вторинної фази. Ці сплави мають високу пластичність, корозійну стійкість та зниженою міцністю. Використовується для виготовлення деталей глибокої витяжкою.
У сплаві АМц основним легирующим елементом є марганець. Марганець має досить високу розчинність в алюмінії при евтектичній температурі 658 ° С (яка становить 1,4% Mn), яка різко зменшується в інтервалі 550-450 ° С. Незважаючи на змінну розчинність марганцю в алюмінії, сплави термообробкою не упрочняются. Нагріванням до 640-650 ° С і швидким охолодженням можна отримати пересичений твердий розчин марганцю в алюмінії, який розпадається при наступних нагревах. Однак навіть початкові стадії розпаду твердого розчину не супроводжуються помітним підвищенням міцності. Марганець сильно підвищує температуру рекристалізації алюмінію, тому сплави отжигают при більш високих температурах, ніж алюміній. Марганець має малу швидкість дифузії в алюмінії, що призводить до утворення аномально пересичених твердих розчинів і сильно вираженою внутрідендрітной ліквації. Марганець, з-за малої швидкості дифузії, призводить до отримання великого рекрісталлізованних зерна, розмір якого можна зменшити додатковим легуванням титаном.
Сплави системи Al-Mn не є подвійними, домішки заліза і кремнію, неминучі в алюмінії, роблять його багатокомпонентним. Ці домішки сильно зменшують розчинність марганцю в алюмінії. Залізо зв'язується з марганцем з утворенням грубих первинних кристалів потрійний фази Al 6 (MnFe), які різко погіршують ливарні та механічні властивості сплавів, ускладнюють їх обробку тиском. При наявності кремнію в сплавах утворюється потрійна фаза Т (Al 10 Mn 2 Si), кристаллизующаяся у вигляді дрібних кристалів кубічної форми. Зі збільшенням вмісту заліза та кремнію підвищується пластичність (таблиця 4), і зменшується розмір зерна.
Алюміній - світло-сріблястий метал, що має кристалічну решітку гранецентрированного куба з періодом 4,0413 Å. Не відчуває поліморфних перетворень. Алюміній - легкий метал, його питома вага 2,703 г / см 3 при 20 ˚ С. У зв'язку з цим алюміній є основою сплавів для легких конструкцій, наприклад в авіаційній техніці. Алюміній має високу електропровідність (65% від міді), тому алюміній у великому обсязі використовується як провідникових матеріалів в електротехніці. Чистий алюміній має високу корозійну стійкість у зв'язку з утворенням на його поверхні стійкою і щільною окисної плівки Al 2 O 3. Це властивість зберігається і в багатьох сплавах, що містять алюміній у вигляді легуючих елементів.
Домішки, присутні в алюмінії, знижують його пластичність, електро-і теплопровідність, знижують захисну дію плівки. У технічно чистому алюмінії в якості домішок можуть знаходитися, в основному, Fe і Si.
Залізо дуже мало розчинно в алюмінії, і вже при тисячних частках відсотка при низьких температурах з'являється нова фаза FeAl 3. Ця фаза, як вважають останнім часом, є однією з винуватиць високої стійкості і спадковості литої структури алюмінію і його сплавів, коли дендритні будову можна спостерігати навіть після дуже великих ступенів пластичної деформації (50-90%) і наступного рекристаллизационного відпалу. Залізо зменшує електропровідність і хімічну стійкість чистого алюмінію.
Кремній в алюмінії разом домішками заліза утворює евтектику з твердого розчину на основі алюмінію і кристалів FeSiAl 5, яка має форму китайських ієрогліфів. Для нейтралізації шкідливого впливу заліза сплави легують марганцем, за рахунок чого в сплавах формується з'єднання (Fe, Mn) 3 Si 2 Al 15, яке первинно кристалізується з розплаву у вигляді компактних огранених кристалів, що сприяє підвищенню пластичності, якщо ці кристали досить дрібні. Хром також вводять в силуміни для нейтралізації негативного впливу заліза.
При невеликих утриманнях кремнію, (до 0,4%) він знаходиться в твердому розчині. Отжигом можна перевести в твердий розчин до 1,3% Si. Кремній є менш шкідливою домішкою в алюмінії, ніж залізо, хоча також як і залізо, зменшує пластичність, електропровідність, корозійну стійкість сплавів. У великих кількостях кремній застосовується в сплавах на основі алюмінію, як легуючий елемент.
Алюміній та алюмінієві сплави проводять згідно з ГОСТ 11069-74 - Алюміній первинний, ГОСТ 1583-93 - Сплави алюмінієві ливарні, ГОСТ 4784-74 - Алюміній і сплави алюмінієві, деформуються.
Ливарні алюмінієві сплави по ГОСТ 1583-93 маркірують літерами і цифрами із зазначенням середнього хімічного складу за основними легирующим елементам. У чинному ГОСТі вказана і стара система маркування - умовне позначення марок, що містить букви АЛ.
Усі ливарні алюмінієві сплави, зазначені в ГОСТ 1583-93, в залежності від хімічного складу поділяють на п'ять груп:
I група - сплави на основі системи Al-Si. У неї входять сплави марок АК12, АК13, АК9, АК9с, АК9ч, АК9пч, АК8л, АК7, АК7ч, АК7пч, АК10Су.
II група - сплави на основі системи Al-Si-Cu. У неї входять сплави марок АК5М, АК5Мч, АК5М2, АК5М7, АК6М2, АК8М, АК5М4, АК8М3, АК8М3ч, АК9М2, АК12М2, АК12ММгН, АК12М2МгН, АК21М2, 5Н2, 5.
III група - сплави на основі системи Al-Cu. У неї входять сплави марок АМ5, АМ4, 5кл.
IV група - сплави на основі системи Al-Mg. У неї входять сплави марок АМг4К1, 5М, АМг5К, АМг5Мц, АМг6л, АМг6лч, АМг10, АМг10ч, АМг11, АМг7.
V група - сплави на основі системи алюміній - інші компоненти. У неї входять сплави марок АК7Ц9, АК9Ц6, АЦ4Мг.
Термічну обробку ливарних алюмінієвих сплавів проводять за режимами: Tl - штучне старіння без попереднього нагрівання під загартування, Т2 - відпал, Т4 - загартування, Т5 - неповне штучне старіння, Т6 - повне штучне старіння, Т7 - стабілізуючий старіння.
Штучному старінню переважно піддають сплави на основі системи Al-Si. Обробка по режиму Tl можлива в тих випадках, коли при прискореному охолодженні виливка після закінчення її затвердіння, наприклад при литті тонкостінних деталей в кокіль, утворюється пересичений твердий розчин. Така обробка економічно ефективна, але зміцнення при старінні невелика, так як через дендритной ліквації серцевина дендритних осередків має низьку концентрацію легуючих елементів. Обробці по режиму T1 найбільш доцільно піддавати деталі, отримані литтям під тиском. Такі деталі, як правило, не можна гартувати через те, що при нагріванні під загартування на їх поверхні утворюються спучування у результаті розширення газу, захопленого при литті під тиском. Відпал виливків (режим Т2) проводять, в основному, для сплавів I групи. Цей вид термообробки застосовують для зменшення ливарних напруг. Температура такого отжига близько 300 ° С, витримка 2 ... 4 год гарту без подальшого штучного старіння (режим Т4) піддають сплави на основі системи Al-Mg. Термічну обробку по режиму Т4 застосовують у тих випадках, коли необхідна підвищена пластичність при міцності меншою, ніж після штучного старіння, або ж підвищена стійкість проти корозії. Обробка по режиму Т6 включає загартування і повне штучне старіння для досягнення максимального зміцнення. Обробка по режиму Т5 складається з гарту і неповного штучного старіння при температурі нижчій, ніж при обробці по режиму Т6. Мета такої обробки - забезпечити підвищену пластичність (в порівнянні з обробкою Т6). Термічна обробка за режимами Т5 і Т6 проводиться в основному для сплавів системи Al-Si. Режим Т7 - це загартування і стабілізуючу старіння (перестаріваніе), яке проводять при температурі вищій, ніж по режиму Т6 для стабілізації властивостей і розмірів деталей перших трьох груп ливарних алюмінієвих сплавів. Час витримки при нагріванні під загартування різних сплавів коливається від 2 до 16 год Відлиття гартують в холодній воді. Для зменшення гартівних напруг воду підігрівають до 80 ... 100 ° С.
Кремній є одним з основних легуючих елементів у ливарних алюмінієвих сплавах (силумінах). Силуміни зазвичай містять від 5 до 14% Si, тобто на кілька відсотків більше або менше евтектичної концентрації. Ці сплави зазвичай мають грубу игольчатую евтектику, що складається з (a + Si) е і первинні кристали. Типовим силуміном є сплав АЛ2 (АК12) з вмістом 10-13% Si. У литому стані він складається в основному з евтектики і деякого кількість надлишкових кристалів кремнію. Механічні властивості такого сплаву дуже низькі: s в = 120 - 160 МПа при відносному подовженні d <1% (таблиця 2).
Однак ці сплави мають дуже важливими властивостями, які ніяк не вдається досягти в інших більш міцних сплавах: високою жидкотекучестью, зварюваністю. Вони мають малу усадку при литті, у зв'язку з чим стає низькою їх схильність до утворення усадочних тріщин. Силуміни, внаслідок малого відмінності по розчинності кремнію при високій і низькій температурі, практично не упрочняются термічною обробкою, тому найважливішим методом поліпшення його механічних властивостей є модифікування. Модифікування здійснюється обробкою рідкого силуміну невеликими кількостями металевого натрію або солями натрію. При модифікуванні відбувається значне подрібнення частинок евтектичної суміші, що пов'язують із здатністю натрію обволікати утворилися зародки кремнію і гальмувати їх зростання.
Крім того, в процесі модифікування відзначене деяке переохолодження, відповідне протіканню евтектичного перетворення, а евтектична концентрація зсувається вправо. Таким чином, заевтектичних сплави, що лежать трохи правіше евтектичної точки, після модифікування виявляються доевтектичні. Структура сплаву після модифікування виявляється складається з надлишкових кристалів a-твердого розчину і дуже дисперсної, практично точкової евтектики (малюнок 3).
Таблиця 2 - Механічні властивості силумінів
| Марка сплаву | Спосіб лиття | Вид термічної обробки | s в, МПа | d,% | НВ |
| не менше | |||||
| АК12 (АЛ2) | ЗМ, ВМ, КМ До Д ЗМ, ВМ, КМ До Д | - - - Т2 Т2 Т2 | 147 157 157 137 147 147 | 4,0 2,0 1,0 4,0 3,0 2,0 | 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 |
| АК13 (АК13) | Д | - | 176 | 1,5 | 60,0 |
| АК9ч (АЛ4) | З, В, К, Д К, Д, ПД КМ, ЗМ ЗМ, ВМ К, КМ З | - - Т1 Т6 Т6 Т6 | 147 147 196 225 235 225 | 2,0 2,0 1,5 3,0 3,0 2,0 | 50,0 50,0 60,0 70,0 70,0 70,0 |
| АК5М (АЛ5) | З, В, К З, В До З, В З, В, К До | Т1 Т5 Т5 Т6 Т7 Т6 | 157 196 216 225 176 235 | 0,5 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 | 65,0 70,0 70,0 70,0 65,0 70,0 |
| АК8М3ч (ВАЛ8) | К, ПД К, ПД Д Д Д З У З До | Т4 Т5 - Т5 Т2 Т5 Т5 Т7 Т7 | 343 392 294 343 215 345 345 270 295 | 5,0 4,0 2,0 2,0 1,5 1,0 2,0 1,0 2,5 | 90,0 110 75,0 90,0 60,0 90,0 90,0 80,0 85,0 |
| АК12М2МгН (АЛ30) | До До | Т1 Т6 | 196 216 | 0,5 0,7 | 90,0 100,0 |
Маючи високі ливарні властивості, силуміни є основним вихідним матеріалом для створення технологічних і, в той же час, високоміцних ливарних алюмінієвих сплавів, які можуть піддаватися зміцнюючої термічної обробки. При створенні таких сплавів використовують додаткове легування силумінів з метою утворення в структурі силуміну нових фаз, здатних призводити до зміцнення при термічній обробці. В якості таких елементів застосовують Mg, Cu та Mn. На основі такого легування в даний час створені і використовуються ливарні алюмінієві сплави: АЛ4 (9% Si, 0,25% Mg і близько 0,4% Mn) і АЛ5 (5% Si, 1,2 Cu і 0,5% Mg ).
Міцність цих сплавів після гартування і старіння виявляється вище 200-230 МПа при подовженні d ³ 2-3%. Ефект зміцнення сплавів при загартуванні і старінні пояснюється утворенням при старінні зон Гинье-Престона і проміжних фаз складного складу, які відрізняються за складом і кристалічній решітці від рівноважної, наприклад Mg 2 Si, і когерентних з твердим розчином своїми кристалічними гратами.
До ливарним сплавів відносяться також Медист сплави АЛ-19 і ВАЛ10 містять 4-5% Cu і 9-11% Cu (таблиця 3).
Ці сплави у зв'язку з більш високою температурою солідусу у порівнянні з силумінами, є більш жароміцних сплавів.
Ливарними високоміцними алюмінієвими сплавами є сплави системи Al-Mg (АЛ-23, АЛ-27). Ці сплави містять 6-13% Mg. Міцність цих сплавів у загартованому і зістарілий стані може досягати значень 300-450 МПа при d = 10-25%. До переваг цих сплавів відносяться: висока корозійна стійкість в атмосферних умовах і при дії морської води.
Таблиця 3 - Механічні властивості деяких ливарних алюмінієвих сплавів
| Марка сплаву | Спосіб лиття | Вид термічної обробки | s в, МПа | d,% | НВ, МПа |
| не менше | |||||
| АМ5 (АЛ19) | З, В, К З, В, К З | Т4 Т5 Т7 | 294 333 314 | 8,0 4,0 2,0 | 70,0 90,0 80,0 |
| АМ4, 5Кд (ВАЛ10) | З, В До З, В До З, В До З | Т4 Т4 Т5 Т5 Т6 Т6 Т7 | 294 314 392 431 421 490 323 | 10,0 12,0 7,0 8,0 4,0 4,0 5,0 | 70,0 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0 90,0 |
| АМг6л (АЛ23) | З, В К, Д З, К, В | - - Т4 | 186 216 225 | 4,0 6,0 6,0 | 60,0 60,0 60,0 |
| АМг7 (АЛ29) | Д | - | 206 | 3,0 | 60,0 |
| АМг10 (АЛ27) | З, До, Д | Т4 | 314 | 12,0 | 75,0 |
| АК7Ц9 (АЛ11) | З, В До Д З, В, К | - - - Т2 | 196 206 176 216 | 2,0 1,0 1,0 2,0 | 80,0 80,0 60,0 80,0 |
| АК9Ц6 (АК9Ц6р) | З К, Д | - - | 147 167 | 0,8 0,8 | 70,0 80,0 |
| АЦ4Мг (АЛ24) | З, В З, В | - Т5 | 216 265 | 2,0 2,0 | 60,0 70,0 |
Деформуємі алюмінієві сплави (ГОСТ 4784-74) підрозділяються на термічно не зміцнюється і термічно зміцнюється.
Залежно від призначення та вимог щодо механічних, корозійних, технологічних, фізичних та інших властивостей деформуються сплави поділяють на сплави високої, середньої і малої міцності, жароміцні, криогенних, кувальні, заклепувальні, зварюються, зі спеціальними фізичними властивостями, декоративні.
Всі вживані в промисловості сплави можна також розділити з систем, в яких основні легуючі елементи будуть визначати типові для даної системи фізичні і хімічні властивості.
Серед термічно зміцнює деформівних сплавів необхідно виділити наступні основні групи:
а) Подвійні сплави Al-Cu.
б) дуралюмина (на основі Al-Cu-Mg-Mn).
в) Жароміцні сплави (на основі Al-Cu-Mg-Ni).
г) Високоміцні сплави (типу В95 на основі Al-Zn-Mg-Cu-Mn).
До термічно не зміцнює відносяться сплави Al-Mg (з невеликим з'єднанням магнієм (до 5-6%) (Амг-3, АМг6, АМг5В і т.д.) і марганцю (АМц).
Ці сплави з точки зору металографії не становлять великого інтересу. Їх структура після пластичної деформації і подальшого відпалу при температурі »320-370 ° С для зняття напружень мають структуру однофазного (у деяких випадках кілька пересиченого) твердого розчину, не виділяє вторинної фази. Ці сплави мають високу пластичність, корозійну стійкість та зниженою міцністю. Використовується для виготовлення деталей глибокої витяжкою.
У сплаві АМц основним легирующим елементом є марганець. Марганець має досить високу розчинність в алюмінії при евтектичній температурі 658 ° С (яка становить 1,4% Mn), яка різко зменшується в інтервалі 550-450 ° С. Незважаючи на змінну розчинність марганцю в алюмінії, сплави термообробкою не упрочняются. Нагріванням до 640-650 ° С і швидким охолодженням можна отримати пересичений твердий розчин марганцю в алюмінії, який розпадається при наступних нагревах. Однак навіть початкові стадії розпаду твердого розчину не супроводжуються помітним підвищенням міцності. Марганець сильно підвищує температуру рекристалізації алюмінію, тому сплави отжигают при більш високих температурах, ніж алюміній. Марганець має малу швидкість дифузії в алюмінії, що призводить до утворення аномально пересичених твердих розчинів і сильно вираженою внутрідендрітной ліквації. Марганець, з-за малої швидкості дифузії, призводить до отримання великого рекрісталлізованних зерна, розмір якого можна зменшити додатковим легуванням титаном.
Сплави системи Al-Mn не є подвійними, домішки заліза і кремнію, неминучі в алюмінії, роблять його багатокомпонентним. Ці домішки сильно зменшують розчинність марганцю в алюмінії. Залізо зв'язується з марганцем з утворенням грубих первинних кристалів потрійний фази Al 6 (MnFe), які різко погіршують ливарні та механічні властивості сплавів, ускладнюють їх обробку тиском. При наявності кремнію в сплавах утворюється потрійна фаза Т (Al 10 Mn 2 Si), кристаллизующаяся у вигляді дрібних кристалів кубічної форми. Зі збільшенням вмісту заліза та кремнію підвищується пластичність (таблиця 4), і зменшується розмір зерна.
Таблиця 4 - Типові механічні властивості термічно неупрочняемих сплавів
| Марка сплаву | Стан | σ В, МПа | σ 0,2, МПа | δ,% | HB, МПа |
| АМц | отожженном | 130 | 50 | 23 | 300 |
| полунагартованное | 160 | 130 | 10 | 400 | |
| АМг2М | відпал | 200 | 100 | 23 | 450 |
| АМг2П | неповний відпал | 250 | 200 | 10 | 600 |
| АМг6М | відпал | 340 | 170 | 20 | 700 |
| АМг6Н | нагартованной | 390 | 300 | 10 | - |
Основні компоненти сплавів цієї системи - магній і марганець. У вигляді невеликих добавок використовують титан, цирконій, хром, кремній, берилій. Розчинність магнію в алюмінії досить висока і складає 17,4% Mg при 450 ° С і близько 1,4% Mg при кімнатній температурі. Збільшення вмісту магнію призводить до підвищення межі міцності і текучості. Відносне подовження знижується зі збільшенням вмісту магнію до 4%, а потім повільно підвищується. Присутність магнію до 4,5% зберігає високу корозійну стійкість сплавів після будь-яких нагревов.
Присадки марганцю та хрому підвищують міцнісні характеристики основного матеріалу і зварних з'єднань, а також збільшується опірність матеріалу до утворення гарячих тріщин при зварюванні і корозійному руйнуванню під напругою. Титан і цирконій подрібнюють литу структуру сплаву, сприяючи утворенню більш щільного зварного шва. Берилій охороняє сплави від окислення їх у процесі плавки, лиття, зварювання, а також при технологічних нагревах під прокатку, штампування, пресування і ін Кремній в кількостях від 0,2 до 2% знижує механічні властивості, особливо відносне подовження, а також зменшує корозійну стійкість сплаву. Кремній знижує пластичність при прокатці. Домішки заліза і кремнію негативно діють на властивості сплавів, тому бажано, щоб їх зміст не перевищувало 0,5-0,6%.
Подвійні сплави Al-Cu в практиці не знайшли широкого застосування внаслідок порівняно низької міцності. Проте розгляд цих сплавів є необхідним, оскільки на них вперше були виявлені ефекти зміцнення при старінні після гарту. Теоретичні основи цих процесів розглянуто нами вище (лекція 5).
Після відпалу структура більшості промислових сплавів являє собою порівняно равноосная зерна a-твердого розчину з виділенням надлишкових фаз по межах зерен. Природа цих надлишкових фаз залежить від хімічного складу сплавів. У подвійних Al-Cu - сплавах надлишкової фазою є Q-фаза (з'єднання CuAl 2). У сплавах системи Al-Mg-Si, надлишкової фазою є Mg 2 Si. Високу міцність і пластичність термічно зміцнюється алюмінієві сплави набувають у результаті загартування і подальшого природного або штучного старіння. Міцність сплавів після гартування і старіння збільшується в міру ускладнення складу зміцнюючої фази. Виділення тільки Q фази в сплавах Al-Cu призводить до порівняно невеликого зміцнення. У результаті загартування і старіння в подвійних Al-Cu сплавах вдається отримати s в »300-350 МПа. У дуралюмина Д1, де поряд з Q фазою, зміцнюючої є і S фаза, межа міцності підвищується до 420-440 МПа.
У дуралюмина Д16, де основний зміцнюючої фазою є S фаза, а роль Q-фази невелика, зміцнення досягає значень s в> 450 МПа. Виділення зміцнюючої T-фази в високоміцних алюмінієвих сплавах типу В95 призводить до підвищення s в до 600 МПа при d> 12%.
Сплави системи Al-Cu-Mg (дуралюмина) відносяться до групи термічно зміцнює деформованих сплавів. Вони відрізняються високою міцністю в поєднанні з високою пластичністю, мають підвищену жароміцність, тому вони застосовуються для роботи при підвищених температурах. Дуралюмина схильні до утворення кристалізаційних тріщин і тому відносяться до категорії незварюваний плавленням сплавів, а також мають знижену корозійну стійкість.
Класичним дуралюмин є сплав Д1. Сплав Д16 вважається дуралюмин підвищеної міцності. Сплави Д19, ВАД1 і ВД17 є дюралюмінами підвищеної жароміцності, а Д18, В65 зі зниженим вмістом легуючих компонентів є сплавами підвищеної пластичності (таблиця 5).
У сплавах типу дуралюмин (на основі системи Al-Cu-Mg) надлишковими фазами є Q-фаза (CuAl 2) і S-фаза (Al 2 CuMg). У даній системі можливе виділення T-фази (CuMg 4 Al 6), однак вміст міді і магнію в промислових сплавах Al таке, що T-фаза не виділяється.
Крім міді і магнію, у дуралюмина завжди міститься марганець і невелика кількість домішок. Марганець знаходиться в дуралюмина у вигляді дисперсних частинок фази Т (Al 12 Mn 2 Cu), які позитивно впливають на їх властивості: підвищується температура рекристалізації, подрібнюється структура холоднодеформованої матеріалу, підвищуються міцнісні властивості при кімнатній температурі, а також значно збільшується жароміцність.
Кремній (до 0,05%) у сплавах з вмістом магнію до 1%, підвищує характеристики при штучному старінні; при більш високому вмісті магнію (1,5%) міцність знижується. Крім того, кремній збільшує схильність до тріщин при литті і зварюванні. Залізо знижує пластичність і сприяє розтріскування напівфабрикатів при деформації. Невелика кількість заліза (0,2-0,25%) у присутності кремнію не робить негативного впливу на механічні властивості сплавів, значно зменшує схильність до тріщин при литті і зварюванні.
Таблиця 5 - Типові механічні властивості термічно зміцнює сплавів після гартування і старіння
| Сплав | Напівфабрикати | σ В, МПа | σ 0,2, МПа | δ,% |
| Д1 | Листи | 400 | 240 | 20 |
| Пресовані прутки та профілі | 480 | 320 | 14 | |
| Д16 | Листи, плити | 440 | 330 | 18 |
| Пресовані прутки та профілі | 530 | 400 | 11 | |
| Д19 | Листи | 425 | 310 | 18 |
| АК4-1 | Профіль пресований | 420 | 350 | 12 |
| Після природного старіння | ||||
| АВ | Листи | 240 | 160 | 20 |
Пресовані профілі Пресовані профілі | 260 | 200 | 15 | |
| АД31 | 170 | 90 | 22 | |
| АД33 | 250 | 180 | 14 | |
| АД35 | 270 | 200 | 12 | |
| Після штучного старіння | ||||
| АВ | Листи | 330 | 250 | 14 |
Пресовані профілі Пресовані профілі | 380 | 300 | 12 | |
| АД31 | 240 | 190 | 12 | |
| АД33 | 340 | 280 | 11 | |
| АД35 | 360 | 290 | 11 | |
| АК6 | Пайова напрямок випробувань | 400 | 290 | 12 |
| Поперечний | 370 | 280 | 10 | |
| Висотне | 360 | 250 | 8 | |
| АК8 | Пайова напрямок випробувань | 480 | 380 | 9 |
| Поперечний | 410 | 300 | 7 | |
| Висотне | 380 | 280 | 4 | |
| В95 | Листи, плити | 540 | 470 | 10 |
| Пресовані профілі | 600 | 560 | 8 | |
| В96Ц | Штампування, труби | 670 | 640 | 7 |
| У93 | Штампування | 500 | 470 | 8 |
Цинк для дуралюмин є шкідливою домішкою, так як збільшує схильність до тріщин при литті і зварюванні. Берилій в кількості близько 0,005% охороняє сплави від окислення при литті і зварюванні. Літій сильно підвищує швидкість окислення розплавленого алюмінію, збільшує міцність при підвищених температурах, знижує щільність і збільшує модуль пружності. Титан застосовується для подрібнення зерна литого металу, а також значно зменшує схильність до утворення тріщин. Невелика кількість бору (0,005-0,01%) подрібнює зерно алюмінію і його сплавів. Ефект модифікування збільшується у присутності невеликих кількостей титану.
Сплави системи Al-Cu-Mg з добавками заліза і нікелю (АК2, АК4, АК4-1) за призначенням відносяться до групи жароміцних матеріалів. За своїм хімічним і фазовим складом вони дуже близькі до сплавів типу дуралюмин. Основними зміцнюючими фазами при термічній обробці цих сплавів, також як і у дуралюмин служать фази S та θ. Відмінність полягає в тому, що замість марганцю в якості легуючих елементів в значних кількостях міститься залізо, нікель і кремній. Сплави менш леговані по міді.
При добавці заліза до сплаву 2% Al; 1,6% Mg міцнісні властивості різко знижуються, залізо утворює з міддю нерозчинне интерметаллические з'єднання Cu 2 FeAl 7, знижує концентрацію міді в твердому розчині, тим самим зменшуючи ефект зміцнення. Аналогічним чином впливають добавки нікелю, який утворює практично нерозчинну потрійну з міддю фазу Al 6 Cu 3 Ni. Однак при одночасному введенні заліза (до 2,5%) і нікелю (1,6%) спостерігається різке підвищення міцнісних властивостей в загартованому та зістареної стані, при цьому максимальні значення досягаються при вмісті заліза 1,6%. При інших концентраціях заліза і нікелю максимальні значення міцнісних властивостей, виявляються при співвідношенні заліза і нікелю, що дорівнює приблизно 1:1. Залізо і нікель утворюють потрійне з'єднання FeNiAl 9, яке зменшує можливість утворення нерозчинних сполук AlCuFe і AlCuNi, що збільшує концентрацію міді в твердому розчині. Зі збільшенням змісту фази FeNiAl 9 у сплаві підвищується ефект термічної обробки. Фаза FeNiAl 9 покращує звичайні характеристики механічних властивостей і жароміцність сплаву.
Сплави системи Al-Mg-Si (АД31, АД33, АД35, АВ) належать до групи матеріалів що володіють підвищеною пластичністю. Ці сплави широко застосовують як конструкційні і декоративних матеріалів, які, поряд з хорошою пластичністю, володіють комплексом цінних властивостей, включаючи високу корозійну стійкість, технологічність, здатність піддаватися кольоровому анодуванню і емалювання.
Ці сплави леговані у меншій мірі, ніж дуралюмина; сумарний вміст легуючих елементів в цих сплавах коливається в межах від 1 до 2%. Зміцнюючої фазою у всіх сплавах є Mg 2 Si, тому ступінь зміцнення при старінні знаходиться в прямій залежності від кількості цієї фази. Зі збільшенням змісту кремнію до 1,6%, при постійному вмісті магнію, межа міцності зростає, а потім практично не змінюється або дещо знижується до 2% Si.
Зі збільшенням концентрації магнію, при постійному вмісті кремнію, межа міцності зростає і досягає максимуму при 1,2-1,4%, а потім знижується до 2% Mg. Підвищення вмісту магнію і кремнію приводить до подрібнення структури. З підвищенням вмісту кремнію поліпшуються ливарні властивості і зварюваність сплавів. Корозійна стійкість знижується із зростанням вмісту фази Mg 2 Si і Si.
Сплави системи Al-Mg-Si-Cu (АК6, АК6-1, АК8) є Авіаль підвищеної міцності і відносяться до групи кувальних матеріалів. Вони відрізняються від звичайних Авіаль підвищеним вмістом міді. Зміцнюючими фазами є фази W (AlCu 4 Mg 5 Si 4), CuAl 2, Mg 2 Si. Збільшення вмісту міді монотонно підвищує межу міцності при кімнатній і підвищених температурах, пластичність досягає максимуму при концентрації міді 2,2% (див. таблицю 5).
Сплави системи Al-Zn-Mg і Al-Zn-Mg-Cu (В95, В96, В96ц, В93) відносяться до групи високоміцних сплавів. Характерним для цього класу сплавів є утворення складної за складом T-фази. Виділення її по межах зерен проводить до зниження їх механічних властивостей (до окрихчування сплавів).
Характерна особливість сплавів - високу межу текучості, близький за своїм значенням до межі міцності матеріалу, і знижена пластичність (див. таблицю 5). Сплави відрізняються чутливістю до надрізів і перекосів, характеризуються зниженою витривалістю при повторно-статичних навантаженнях, а також чутливі до корозійного розтріскування під напругою. Зменшення вмісту домішок заліза і кремнію сприяє підвищенню пластичності, ударної в'язкості, статичної витривалості, а також різко знижує чутливість до надрізу зразків при перекоси. У міру збільшення вмісту магнію, цинку і міді в сплавах, межа міцності сплавів Al-Zn-Mg у отожженном стані безперервно підвищується. Хром, в цих сплавах, ефективно підвищує стійкість сплавів проти корозії під напругою. Цирконій при кристалізації утворює з алюмінієм пересичений твердий розчин, який розпадається, при подальшій обробці злитка, з виділенням дисперсних інтерметалідів. Цирконій більш інтенсивно, ніж інші перехідні метали, підвищує температуру рекристалізації, призводить до збереження нерекрісталлізованной структури в гарячедеформованих виробах після термообробки і тим самим обумовлює значне структурне зміцнення. Добавки цирконію перешкоджають утворенню крупнозернистих структур.