Деформируемые алюминиевые сплавы
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

К сплавам, неупрочняемым термической обработкой, относятся сплавы типа АМц и АМг (табл. 13.3). сплавы отличаются высокой пластичностью и высокой коррозионной стойкостью.

Сплавы типа АМц относятся к системе Al – Mn (рис.13.4, а). структура сплавов типа -твердый раствор при повышении температуры. В присутствии железа вместо MnAl 6 образуется сложная тройная фаза (Mn, Fe)Al6, практически нерастворимая в алюминии, поэтому сплавы типа АМЦ не упрочняются термической обработкой. В отожженном состоянии они обладают высокой пластичностью и низкой прочностью. Пластическая деформация упрочняет эти сплавы практически в два раза.

Сплавы типа АМг относятся к системе Al – Mg (рис. 13.4, б). Магний образует с алюминием α-твердый раствор, концентрация которого при повышении температуры увеличивается от 1,4 до 17,4% в результате растворения фазы Mg 2 Al 3. Однако сплавы, содержащие до 7% Mg, дают очень незначительное упрочнение при термической обработке. Вследствие этого сплавы типа АМг, как и АМц, упрочняют с помощью пластической деформации и используют в нагартованном (АМгН – 80% наклепа) и полунагартованном (АМгП – 40% наклепа) состояниях.

Однако применение наклепа ограничено из-за резкого снижения пластичности сплавов, поэтому их используют в отожженном (мягком – АМгМ) состоянии. Сплавы типа АМц и АМг отжигают при 350 - 420  При повышении содержания магния временное сопротивление возрастает от 110 МПа (АМг1) до 340 МПа (АМг6) при соответствующем снижении относительного удлинения с 28 до 20%. Легирование магнием, кроме того, вызывает склонность к окислению во время плавки, разливки и кристаллизации, что приводит к появлению в структуре оксидных пленок и снижению механических свойств. Поэтому сплавы с высоким содержанием магния (АМг6, АМг10) для устранения склонности к окислению легируют бериллием. Укрупнение зерна вызванное бериллием, устраняется добавкой титана или циркония.

Сплавы типа АМц и АМг применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, от которых требуется высокая коррозионная стойкость (трубопроводы для бензина и масла, сварные баки), а также для заклепок, переборок, корпусов и мачт судов, лифтов, узлов подъемных кранов, рам вагонов, кузовов автомобилей и др.

 К сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы нормальной прочности и высокопрочные. Типичными представителями являются дуралюмины (маркируют буквой Д). Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности и относятся к сплавам системы Al – Cu – Mg. Согласно диаграмме состояния Al – Cu (рис. 13.4, в), медь с алюминием образует твердый раствор, максимальная концентрация меди в котором 5,65% при эвтектической температуре. С понижением температуры растворимости меди уменьшается, достигая 0,1% при 20 . Из твердого раствора при этом выделяется - фаза (CuAl 2), содержащая 54,1% Cu. Она имеет объемно-центрированную тетрагональную решетку и обладает сравнительно высокой твердостью (530 HV). В сплавах, дополнительно легированных магнием, помимо  образуетя еще S-фаза (CuMgAl 2) с ромбической кристаллической решеткой (564HV). На рис 13.5 показано влияние соотношения - и S-фаз на прочность. Чем больше меди содержится в сплаве, тем большее количество S-фазы будет в его структуре (Д1).

Увеличение содержания магния приводит к росту количества S-фазы в структуре и повышению прочности сплавов (Д16). Разница в свойствах особенно значительна после упрочняющей термической обработки (см. табл. 13.3), состоящей из закалки и естественного старения. При закалке сплавы Д16 и Д18 нагревают до 495 505 , а Д1 – до 500 510 , затем охлаждают в воде при 40 . После закалки структура состоит из пересыщенного твердого раствора и нерастворимых фаз, образуемых примесями. При естественном старении происходит образование зон Г – П, богатых медью и магнием. Старение продолжается 5 – 7 суток. Длительность старения значительно сокращается при увеличении температуры до 40  и особенно до 100 . Более высокие значения предела прочности и предела текучести прессованных прутков объясняются пресс-эффектом. Для упрочнения дуралюминов, как правило, применяют закалку с естественным старением, так как в этом случае сплавы обладают лучшей пластичностью и менее чувствительны к концентраторам напряжений.

Искусственному старению (190 , 10 ч) подвергают лишь детали, используемые для работы при повышенных температурах (до 200 ). Большое практическое значение имеет начальный, или «инкубационный», период старения (20 – 60 мин), когда сплав сохраняет высокую пластичность и низкую твердость. Это позволяет проводить такие технологические операции, как клепка, правка и др. для проведения подобных операций естественно состаренные сплавы и детали из них можно подвергнуть обработке «на возврат», которая состоит в кратковременной выдержке сплава (1 – 2 мин) при 230 - 300  Во время нагрева рассасываются зоны Г – П и восстанавливается пластичность, свойственная сплавам непосредственно после закалки. Однако применение обработки «на возврат» ограничено тем, что у тонкостенных изделий снижается коррозионная стойкость, а у толстостенных за короткое время выдержки не успевает восстанавливаться пластичность по всему сечению. Увеличение выдержки приводит к искусственному старению сплава на поверхности изделия, что вызывает снижение пластичности.

Дуралюмины широко применяют в авиации. Из сплава Д1, например, изготовляют лопасти воздушных винтов; из Д16 – шпангоуты, нервюры, тяги управления и др. кроме того, их используют для строительных конструкций, кузовов грузовых автомобилей, обсадных труб и др. сплав Д18 – один из основных заклепочных алюминиевых сплавов. Заклепки из сплава Д18 ставят в конструкцию после закалки и естественного старения.

Ковочные алюминиевые сплавы маркируют буквами АК. Они обладают хорошей пластичностью и стойки к образованию трещин при горячей пластической деформации. По химическому составу сплавы близки к дуралюминам, отличаясь более высоким содержанием кремния. Поэтому в их структуре вместо фазы S присутствуют кремнийсодержащие фазы – четвертная фаза (Al, Cu, Mg, Si) и β-фаза (Mg 2 Si ). Ковку и штамповку сплавов ведут при 450 - 475 . Их применяют после закалки и искусственного старения. Сплавы с пониженным содержанием меди (АК6) отличаются лучшей технологической пластичностью, но меньшей прочностью (σв = 360 МПа). Их используют для средне нагруженных деталей сложной формы: большие и малые крыльчатки, фитинги, качалки, крепежные детали. Сплавы с повышенным содержанием меди (АК8) хуже обрабатываются давлением, но более прочны и применяются для высоконагруженных деталей несложной формы: подмоторные рамы, пояса лонжеронов и др.

Высокопрочны алюминиевые сплавы маркируют буквой В. Они отличаются высоким временным сопротивлением (600 – 700 МПа) и близким к нему по значению пределом текучести. Высокопрочные сплавы принадлежат к системе Al – Zn – Mg – Cu и содержат добавки марганца и хрома или циркония. Эти элементы, увеличивая неустойчивость твердого раствора, ускоряют его распад, усиливают эффект старения сплава, вызывают пресс-эффект. Цинк, магний и медь образуют M -, S - и T-фазы, обладающие переменной растворимостью в алюминии: соответственно Mg 2 Si, CuMgAl 2 и Mg 3 Zn 3 Al 2. При 480  эти фазы переходят в твердый раствор, который фиксируется закалкой. При искусственном старении происходит распад пересыщенного твердого раствора с образованием тонкодисперсных частиц метастабильных M ' -, S ' - и T '-фаз, вызывающих максимальное упрочнение сплавов. Наибольшее упрочнение вызывают закалка (465 475 ) и старение (140 , 16 ч). После такой обработки сплав В95пч имеет σв = 560 … 600; МПа; σ0,2 = 480 … 550; МПа; δ =9 … 12%; К = 30 МПа м1/2; KCT = 30 кДж/м2; твердость 150 HB. Подобные сплавы, отличающиеся более высоким содержанием цинка, магния и меди, обладают повышенной прочностью. Так, сплав В96 имеет σв = 700 МПа; σ0,2 = 650 МПа; δ = 7%; 190 HB. Однако после указанной термической обработки сплавы имеют низкие пластичность и вязкость разрушения.

Для повышения этих характеристик сплавы подвергают двухступенчатому смягчающему старению при 100 – 120 , 3 – 10 ч (первая ступень) и 160 – 170 , 10 – 30 ч (вторая ступень). Столь высокие температуры и большие выдержки второй ступени старения приводят к образованию и коагуляции стабильных фаз M , S и T. Предварительное зонное старение (первая ступень) способствует их равномерному распределению, поскольку в сплавах этой системы стабильные фазы образуются из зон Г – П. после смягчающего старения сплав В95пч имеет σв = 590 … 540; МПа; σ0,2 = 410 … 470; МПа; δ = 10 … 13%; К = 36 МПа м1/2; KCT = 75 кДж/м2.

Сплавы применяют для высоконагруженных деталей конструкций, работающих в основном в условиях напряжения сжатия (обшивка, стрингеры, шпангоуты, лонжероны самолетов.

Литейные алюминиевые сплавы

Химический состав и механические свойства некоторых промышленных литейных сплавов приведены в табл. 13.4. для литейных алюминиевых сплавов наиболее распространена классификация по химическому составу (Al – Si , Al – Cu и Al – Mg).

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Al – Si (силумины). Высокая жидкотекучесть, малая усадка, отсутствие или низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов. В двойных сплавах Al – Si эвтектика состоит из твердого раствора и кристаллов практически чистого кремния (рис. 13.6, а), в легированных (АК9ч и др.) помимо двойной имеются тройные и более сложные эвтектики.

Плотность большинства силуминов 2650 кг/м3, т.е. меньше плотности чистого алюминия (2700 кг/м3). Они хорошо свариваются.

Механические свойства зависят от химического состава, технологии изготовления (модифицирования, способа литья и т.д.), а также термической обработки (см. табл. 13.4). в двойных силуминах с увеличением содержания кремния до эвтектического состава снижается пластичность и повышается прочность. Появление в структуре сплавов крупных кристаллов первичного кремния вызывает снижение прочности и пластичности (рис. 13.7). несмотря на увеличение растворимости кремния в алюминии от 0,05% при 200  до 1,65% при эвтектической температуре, двойные сплавы на упрочняются термической обработкой. Это объясняется высокой скоростью распада твердого раствора, который частично происходит уже при закалке, а также большой склонностью к коагуляции стабильных выделений кремния. Единственным способом повышения механических свойств этих сплавов является измельчение структуры путем модифицирования.

Силумины обычно модифицируют натрием, который в виде хлористых и фтористых солей вводят в количестве 2 – 3% от массы сплава. Помимо модифицирующего действия натрий сдвигает эвтектическую точку в системе Al – Si в сторону больших содержаний кремния (рис. 13.8). Благодаря этому эвтектический по составу сплав АК12 становится доэвтектическим. В его структуре помимо мелкокристаллической эвтектики появляются первичные кристаллы мягкой пластичной фазы – твердого раствора (рис.13.6, б). Все это приводит к увеличению пластичности и прочности (см. рис.13.7, табл. 13.4). табл. 13.

Модифицируют как двойные, так и легированные силумины, содержащие более 5 – 6% Si. Для легирования силуминов часто используют Mg , Cu , Mn , Ti ; реже Ni , Zr , Cr и др. растворяясь в алюминии, он повышают прочность и твердость силуминов. Кроме того, медь улучшает обрабатываемость резанием, титан оказывает модифицирующее действие. Медь и магний, обладая переменной растворимостью в алюминии, способствуют упрочнению силуминов при термической обработке, как правило, состоящей из закалки и искусственного старения. Температура закалки различных силуминов находится в пределах 515 – 535 , температура старения – в интервале 150 - 180 . Грубокристаллическая структура литейных сплавов требует больших выдержек при нагреве под закалку (5 – 10 ч) и при старении (10 – 20 ч).

Переходные металлы, например, Mn , Ti , Zr, способствуют получению пересыщенных твердых растворов при кристаллизации в условиях больших скоростей охлаждения, что вызывает некоторое упрочнение сплавов при старении без предварительной закалки.

Из легированных силуминов средней прочности наибольшее применение в промышленности нашли сплавы с добавками магния (АК7ч), и марганца (АК9ч). Наибольшее упрочнение вызывает метастабильная фаза (Mg 2 Si).

Легированные силумины применяют для средних и крупных литых деталей ответственного назначения: корпусов компрессора, картеров, головок цилиндров. Высокопрочный сплав АК8М, разработанный в МВТУ им. Н.Э. Баумана, предназначен для литья под давлением. Сплав обладает хорошими литейными свойствами, обрабатываемостью резанием, свариваемостью и коррозионной стойкостью. Марганец и титан, а также большая скорость кристаллизации при литье под давление способствуют получению метастабильной структуры при отливке деталей. Это дает возможность упрочнять отливки путем искусственного старения без предварительной закалки. Упрочнение вызывают - и β '-фазы (CuAl 2 и Mg 2 Si). Наилучшим является старение при 175  в течение 8 ч, когда выделяются метастабильные - и β '-фазы; при этом σв увеличивается на 30 – 40 МПа, НВ – на 18.

При изготовлении деталей другими методами литья сплав АК8М подвергают полной упрочняющей термической обработке – закалке от 515 5 .

Сплав АК8М применяют для литья под давление нагруженных деталей, например, блоков цилиндров, головок блоков и других деталей автомобильных двигателей.

Сплавы системы Al – Cu (АМ4,5; АМ5) характеризуются высокой прочностью при обычных и повышенных температурах; они хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Вместе с тем из-за отсутствия эвтектики сплавы обладают плохими литейными свойствами, имеют низкую герметичность. Как и деформируемые сплавы этой системы, они имеют структуру твердого раствора, но отличаются повышенным содержанием меди (см. рис. 13.4, в). Эвтектика в данной системе ( в отличие от силуминов) образуется при высоком содержании меди (33%), поэтому имеет большое количество твердой и хрупкой -фазы (CuAl 2), вызывающей хрупкость эвтектических сплавов.

Литейные и механические свойства сплавов системы Al – Cu улучшаются в результате легирования титаном и марганцем (АМ5). Марганец, образуя пересыщенный твердый раствор при кристаллизации из жидкого состояния, способствует значительному упрочнению сплава. Во время нагрева сплава под закалку наряду с растворением -фазы из твердого раствора выпадают мелкодисперсные частицы фазы Al 12 Mn 2 Cu, увеличивающие прочность при обычных и повышенных температурах. Сплавы системы Al – Cu используют для деталей, работающих при температурах до 300 .

Сплавы системы Al – Mg (АМг, АМг10) обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошей обрабатываемостью резанием. Они не содержат в структуре эвтектики по той же причине, что и сплавы системы Al – Cu, и характеризуются невысокими литейными свойствами, пониженной герметичностью и, кроме того, повышенной чувствительностью к примесям Fe, Si, которые образуют в этих сплавах нерастворимые фазы, снижающие пластичность сплавов.

Для того, чтобы предотвратить окисление, плавку и разливку двойных сплавов алюминия с магнием АМг необходимо вести под защитными флюсами.

Сплавы системы Al – Mg применяют для изготовления деталей, работающих в условиях высокой влажности, в судо-, самолето- и ракетостроении. Их них делают детали приборов, вилки шасси и хвостового оперения, штурвалы и др.

Гранулированные сплавы

Гранулированными называют сплавы, полученные путем компактирования из частиц (гранул), отлитых со сверхвысокой скоростью кристаллизации. Гранулы получают при кристаллизации в условиях скоростей охлаждения 103 – 106 /с. Такие скорости охлаждения достигаются различными методами, например, распылением жидкого металла струей чистого нейтрального газа. В зависимости от давления газа и условий кристаллизации диаметр гранул колеблется от нескольких микрометров до нескольких миллиметров.

Гранулы, а следовательно, и готовые полуфабрикаты (изделия) имеют чрезвычайно мелкозернистую структуру и минимальную легкоустранимую ликвацию. Но особенно большим достоинством гранулированных сплавов является метастабильное состояние. При столь высоких скоростях охлаждения при кристаллизации получаются пересыщенные твердые растворы с концентрацией, в 2,5 – 5 раз превосходящей предельную растворимость компонентов в равновесных условиях. Такие твердые растворы называют аномально пересыщенными. Степень пересыщения возрастает в соответствии с расположением металлов в следующем ряду: Cr , V , Mn , Ti , Zr.

В процессе технологических операций горячего компактирования сплавов (400  450 ) из пересыщенного твердого раствора выпадают дисперсные частицы интерметаллидных фаз (Al 6 Mn , Al 7 Cr , Al 3 Zr и др.), которые повышают температуру рекристаллизации (рис. 13.9), увеличивают прочность при обычных (рис. 13.10) и повышенных температурах.

Большой интерес представляют гранулированные сплавы алюминия с элементами, практически нерастворимыми в нем в равновесных условиях и сильно отличающимися от алюминия по плотности. Такие сплавы имеют гетерогенную структуру, представляющую собой алюминиевую матрицу с равномерно распределенными дисперсными (из-за высокой скорости кристаллизации) включениями второй фазы. В сплавах, легированных сравнительно тугоплавкими металлами (Fe , Ni , Co), такими фазами будут интерметаллиды. Они эффективно упрочняют сплавы. В сплавах с такими легкоплавкими металлами, как олово и свинец, в алюминии будут присутствовать дисперсные включения чистых металлов соответственно олова и свинца. Эти сплавы обладают хорошими антифрикционными свойствами. Стандартные деформируемые сплавы типа дуралюминов (Д16) в гранулированном варианте имеют дополнительный эффект упрочнения из-за наличия дисперсных частиц интерметаллидных фаз переходных металлов и нерастворимых фаз. При повышенном содержании переходных металлов σв достигает 800МПа.

Сплавы на основе магния

Свойства магния

Магний - металл серебристо белого цвета. Он не имеет полиморфных и кристаллизуется в ГП решетке с периодами а = 0,3202 нм, с = 0,5199 нм (с/а = 1,6209).

Магний и его сплавы отличаются низкой плотностью, хорошей обрабатываемостью резанием, способностью воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки. Удельная вибрационная прочность магниевых сплавов с учетом демпфирующей способности почти в 100 раз больше, чем у дуралюминов, и в 20 раз, чем у легированных сталей. Теплопроводность магния в 1,5, а электрическая проводимость – 2 раза ниже, чем у алюминия. Примерно в 1,5 раза меньше, чем у алюминия, и его большой модуль нормальной упругости. Однако магний и алюминий близки по удельной жесткости.

В зависимости от содержания примесей установлены следующие марки магния (ГОСТ 804-93: Мг96 (99,96% Mg), Мг95 (99,95% Mg), Мг90 (99,90% Mg ). В настоящее время освоено производство магния высокой чистоты (99,9999% Mg). Примеси Fe , Si , Ni, Cu понижают и без того низкие пластичность и коррозионную стойкость магния. При нагреве магний активной окисляется и при температуре выше 623  на воздухе воспламеняется. Это затрудняет плавку и разливку магния и его сплавов. Порошок, тонкая лента, мелкая стружка магния представляет большую опасность, так как они способны самовозгораться на воздухе, горят с выделением большого количества теплоты и излучением ослепительно яркого света.

Литой магний имеет крупнокристаллическую структуру и низкие механические свойства: σв = 110 … 120; МПа; σ0,2 = 20 … 30; МПа; δ =6 … 8%; К = 30 МПа м1/2; твердость 30 HB. Модифицирование цирконием и пластическая деформация, приводящие к измельчению структуры, несколько улучшают его механические свойства: σв = 260 … 120; МПа; МПа; δ = 9% (холоднокатаный лист). Отжиг для снятия наклепа проводят при 330  350 , в результате чего магний имеет следующие свойства: σв = 190 МПа; σ0,2 = 98; МПа; δ = 15 … 17%; твердость 40 HB. Наклеп для упрочнения магния применяют редко, так как он вызывает возникновение развитой текстуры деформации и анизотропии свойств. Магний и его сплавы обрабатывают давлением при 350  450  в состоянии наибольшей пластичности.

Чистый магний из-за низких механических свойств как конструкционный материал практически не применяют. Его используют в пиротехнике, в химической промышленности для синтеза органических соединений, в металлургии различных металлов и сплавов как раскислитель, восстановитель и легирующий элемент.

Дата: 2019-02-18, просмотров: 1540.