Алюминий и его сплавы материаловедение

Материаловедение

Алюминий и его сплавы

Алюминий – металл серебристо-белого цвета, характеризуется низкой плотностью, высокой электропроводностью, температура плавления 660° С. Механические свойства алюминия невысокие, поэтому в чистом виде как конструкционный материал применяется ограниченно.

Для повышения физико-механических и технологических свойств алюминий легируют различными элементами (Cu, Сr, Mg, Si, Zn, Mn, Ni).

В зависимости от содержания постоянных примесей различают:

• алюминий особой чистоты марки А999 (0,001 % примесей);
• алюминий высокой чистоты – А935, А99, А97, А95 (0,005…0,5 % примесей);
• технический алюминий – А35, А3, А7, А5, А0 (0,15…0,5 % примесей).

Технический алюминий выпускают в виде полуфабрикатов для дальнейшей переработки в изделия. Алюминий высокой чистоты применяют для изготовления фольги, токопроводящих и кабельных изделий.

Сплавы на основе алюминия классифицируются по следующим признакам:

• по технологии изготовления;
• по степени упрочнения после термической обработки;
• по эксплуатационным свойствам.

Деформируемые сплавы

К неупрочняемым термической обработкой относятся сплавы:

• алюминия с марганцем марки АМц;
• алюминия с магнием марок АМг; АМгЗ, АМг5В, АМг5П, АМг6.

Эти сплавы обладают высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, хорошо штампуются и свариваются, но имеют невысокую прочность. Из них изготовляют бензиновые баки, проволоку, заклепки, а также сварные резервуары для жидкостей и газов, детали вагонов.

В группе деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой, различают сплавы:

• нормальной прочности;
• высокопрочные сплавы;
• жаропрочные сплавы;
• сплавы для ковки и штамповки.

Сплавы нормальной прочности

К сплавам нормальной прочности относятся сплавы системы Алюминий + Медь + Магний (дуралюмины, дюралюмины), которые маркируются буквой «Д».
Дюралюмины (Д1, Д16, Д18) характеризуются высокой прочностью, достаточной твердостью и вязкостью.
Для упрочнения сплавов применяют закалку с последующим охлаждением в воде. Закаленные дуралюмины подвергаются старению, что способствует увеличению их коррозионной стойкости.

Дуралюмины широко используются в авиастроении: из сплава Д1 изготовляют лопасти винтов, из Д16 – несущие элементы фюзеляжей самолетов, сплав Д18 – один из основных заклепочных материалов.

Высокопрочные сплавы

Высокопрочные сплавы алюминия (В93, В95, В96) относятся к системе Алюминий + Цинк + Магний + Медь. В качестве легирующих добавок используют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную стойкость и эффект старения сплава. Для достижения требуемых прочностных свойств, сплавы закаливают с последующим старением.
Высокопрочные сплавы по своим прочностным показателям превосходят дюралюмины, однако менее пластичны и более чувствительны к концентраторам напряжений (надрезам). Из этих сплавов изготовляют высоконагруженные наружные конструкции в авиастроении – детали каркасов, шасси и обшивки.

Жаропрочные сплавы

Жаропрочные сплавы алюминия (АК4-1, Д20) имеют сложный химический состав, легированы железом, никелем, медью и другими элементами. Жаропрочность сплавам придает легирование, замедляющее диффузионные процессы.

Детали из жаропрочных сплавов используются после закалки и искусственного старения и могут эксплуатироваться при температуре до 300° С.

Сплавы для ковки и штамповки

Сплавы для ковки и штамповки (АК2, АК4, АК6, АК8) относятся к системе Алюминий + Медь + Магний с добавками кремния.
Сплавы применяют после закалки и старения для изготовления средненагруженных деталей сложной формы (АК6) и высоконагруженных штампованных деталей – поршни, лопасти винтов, крыльчатки насосов и др.

Литейные сплавы

Для изготовления деталей методом литья применяют алюминиевые сплавы систем Al-Si, Al-Cu, Al-Mg.
Для улучшения механических свойств сплавы легируют титаном, бором, ванадием.
Главным достоинством литейных сплавов является высокая жидкотекучесть, небольшая усадка, хорошие механические свойства.

Алюминий и его сплавы: характеристика, свойства, применение

Алюминий — серебристо-белый легкий парамагнитный металл. Впервые получен физиком из Дании Гансом Эрстедом в 1825 году. В периодической системе Д. И. Менделеева имеет номер 13 и символ Al, атомная масса равна 26,98.

Производство алюминия

Для производства алюминия используют бокситы — это горная порода, которая содержит гидраты оксида алюминия. Мировые запасы бокситов почти не ограничены и несоизмеримы с динамикой спроса.

Боксит дробят, измельчают и сушат. Получившуюся массу сначала нагревают паром, а затем обрабатывают щелочью — в щелочной раствор переходит большая часть оксида алюминия. После этого раствор длительно перемешивают. На этапе электролиза глинозем подвергают воздействию электрического тока силой до 400 кА. Это позволяет разрушить связь между атомами кислорода и алюминия, в результате чего остается только жидкий металл. После этого алюминий отливают в слитки или добавляют к нему различные элементы для создания алюминиевых сплавов.

Алюминиевые сплавы

Наиболее распространенные элементы в составе алюминиевых сплавов — медь, марганец, магний, цинк и кремний. Реже встречаются сплавы с титаном, бериллием, цирконием и литием.

Алюминиевые сплавы условно разделяют на две группы: литейные и деформируемые.

Для изготовления литейных сплавов расплавленный алюминий заливают в литейную форму, которая соответствует конфигурации получаемого изделия. Эти сплавы часто содержат значительные примеси кремния для улучшения литейных свойств.

Деформируемые сплавы сначала разливают в слитки, а затем придают им нужную форму.

Происходит это несколькими способами в зависимости от вида продукта:

1. Прокаткой, если необходимо получить листы и фольгу.
2. Прессованием, если нужно получить профили, трубы и прутки.
3. Формовкой, чтобы получить сложные формы полуфабрикатов.
4. Ковкой, если требуется получить сложные формы с повышенными механическими свойствами.

Марки алюминиевых сплавов

Для маркировки алюминиевых сплавов согласно ГОСТ 4784-97 пользуются буквенно-цифровой системой, в которой:

• А — технический алюминий;
• Д — дюралюминий;
• АК — алюминиевый сплав, ковкий;
• АВ — авиаль;
• В — высокопрочный алюминиевый сплав;
• АЛ — литейный алюминиевый сплав;
• АМг — алюминиево-магниевый сплав;
• АМц — алюминиево-марганцевый сплав;
• САП — спеченные алюминиевые порошки;
• САС — спеченные алюминиевые сплавы.

После первого набора символов указывается номер марки сплава, а следом за номером — буква, которая обозначает его состояние:

• М — сплав после отжига (мягкий);
• Т — после закалки и естественного старения;
• А — плакированный (нанесен чистый слой алюминия);
• Н — нагартованный;
• П — полунагартованный.

Виды и свойства алюминиевых сплавов

Алюминиево-магниевые сплавы

Эти пластичные сплавы обладают хорошей свариваемостью, коррозийной стойкостью и высоким уровнем усталостной прочности.

В алюминиево-магниевых сплавах содержится до 6% магния. Чем выше его содержание, тем прочнее сплав. Повышение концентрации магния на каждый процент увеличивает предел прочности примерно на 30 МПа, а предел текучести — примерно на 20 МПа. При подобных условиях уменьшается относительное удлинение, но незначительно, оставаясь в пределах 30–35%. Однако при содержании магния свыше 6% механическая структура сплава в нагартованном состоянии приобретает нестабильных характер, ухудшается коррозийная стойкость.

Для улучшения прочности в сплавы добавляют хром, марганец, титан, кремний или ванадий. Примеси меди и железа, напротив, негативно влияют на сплавы этого вида — снижают свариваемость и коррозионную стойкость.

Алюминиево-марганцевые сплавы

Это прочные и пластичные сплавы, которые обладают высоким уровнем коррозионной стойкости и хорошей свариваемостью.

Для получения мелкозернистой структуры сплавы этого вида легируют титаном, а для сохранения стабильности в нагартованном состоянии добавляют марганец. Основные примеси в сплавах вида Al-Mn — железо и кремний.

Сплавы алюминий-медь-кремний

Сплавы этого вида также называют алькусинами. Из-за высоких технических свойств их используют во втулочных подшипниках, а также при изготовлении блоков цилиндров. Обладают высокой твердостью поверхности, поэтому плохо прирабатываются.

Алюминиево-медные сплавы

Механические свойства сплавов этого вида в термоупрочненном состоянии порой превышают даже механические свойства некоторых низкоуглеродистых сталей. Их главный недостаток — невысокая коррозионная стойкость, потому эти сплавы обрабатывают поверхностными защитными покрытиями.

Алюминиево-медные сплавы легируют марганцем, кремнием, железом и магнием. Последний оказывает наибольшее влияние на свойства сплава: легирование магнием значительно повышает предел текучести и прочности. Добавление железа и никеля в сплав повышает его жаропрочность, кремния — способность к искусственному старению.

Алюминий-кремниевые сплавы

Сплавы этого вида иначе называют силуминами. Некоторые из них модифицируют добавками натрия или лития: наличие буквально 0,05% лития или 0,1% натрия увеличивает содержание кремния в эвтектическом сплаве с 12% до 14%. Сплавы применяются для декоративного литья, изготовления корпусов механизмов и элементов бытовых приборов, поскольку обладают хорошими литейными свойствами.

Сплавы алюминий-цинк-магний

Прочные и хорошо обрабатываемые. Типичный пример высокопрочного сплава этого вида — В95. Подобная прочность объясняется высокой растворимостью цинка и магния при температуре плавления до 70% и до 17,4% соответственно. При охлаждении растворимость элементов заметно снижается.

Основной недостаток этих сплавов — низкую коррозионную стойкость во время механического напряжения — исправляет легирование медью.

Авиаль

Авиаль — группа сплавов системы алюминий-магний-кремний с незначительными добавлениями иных элементов (Mn, Cr, Cu). Название образовано от сокращения словосочетания «авиационный алюминий».

Применять авиаль стали после открытия Д. Хансоном и М. Гейлером эффекта искусственного состаривания и термического упрочнения этой группы сплавов за счет выделения Mg2Si.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью и удовлетворительной коррозионной стойкостью. Из авиаля изготавливают кованые и штампованные детали сложной формы. Например, лонжероны лопастей винтов вертолетов. Для повышения коррозионной стойкости содержание меди иногда снижают до 0,1%.

Также сплав активно используют для замены нержавеющей стали в корпусах мобильных телефонов.

Физические свойства

• Плотность — 2712 кг/м 3 .
• Температура плавления — от 658°C до 660°C.
• Удельная теплота плавления — 390 кДж/кг.
• Температура кипения — 2500 °C.
• Удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг.
• Удельная теплоемкость — 897 Дж/кг·K.
• Электропроводность — 37·10 6 См/м.
• Теплопроводность — 203,5 Вт/(м·К).

Химический состав алюминиевых сплавов

Применение алюминия

Ювелирные изделия

В далеком прошлом из-за высокой стоимости алюминия его использовали для изготовления ювелирных изделий. Так, весы с алюминиевыми и золотыми чашами были подарены Д. И. Менделееву в 1889 г.

Когда себестоимость алюминия снизилась, мода на ювелирные изделия из этого металла прошла. Но и в наши дни его используют для изготовления бижутерии. В Японии, например, алюминием заменяют серебро при производстве национальных украшений.

Столовые приборы

По-прежнему пользуются популярностью столовые приборы и посуда из алюминия. В частности, в армии широко распространены алюминиевые фляжки, котелки и ложки.

Стекловарение

Алюминий широко применяют в стекловарении. Высокий коэффициент отражения и низкая стоимость вакуумного напыления — основные причины использования алюминия при изготовления зеркал.

Пищевая промышленность

Алюминий зарегистрирован как пищевая добавка Е173. Ее используют в качестве пищевого красителя, а также для сохранения продуктов от плесени. Е173 окрашивает кондитерские изделия в серебристый цвет.

Военная промышленность

Из-за небольшого веса и низкой стоимости алюминий широко применяют при изготовлении ручного стрелкового оружия — автоматов и пистолетов.

Ракетная техника

Алюминий и его соединения используют в качестве ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твердых ракетных топливах.

Алюмоэнергетика

В алюмоэнергетике алюминий используют для производства водорода и тепловой энергии, а также выработки электроэнергии в воздушно-алюминиевых электрохимических генераторах.

Алюминий и алюминиевые сплавы

Получение алюминия

Из руд для промышленного получения алюминия используют преимущественно бокситы и нефелины. Химический состав бокситов выражается формулой Na2(K2)О∙Al2О3∙2SiО2. Бокситы содержат в своем составе 30-70% глинозема Аl2О3, 2-20% кремнезема SiО2, 2-50% окиси железа Fe2О3 и 0,1-10% окиси титана ТiO2. Производство алюминия состоит из двух основных процессов: получения глинозема Al2О3 из бокситов и восстановления металлического алюминия электролизом из раствора глинозема в расплавленном криолите (Na3AlF6). Электролитом служит криолит с добавлением 8-10% глинозема, а также AlF3 и NaF. Образующийся в результате электролиза жидкий алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его называют алюминием-сырцом. Алюминий-сырец содержит металлические (Fe, Si, Си, Zn и др.) и неметаллические (С, Al2О3 и др.) примеси, а также газы – кислород, водород, окись и двуокись углерода и др. Эти примеси удаляют, например, хлорированием (продувкой хлором) жидкого алюминия-сырца в ковше. Образующийся при этом парообразный хлористый алюминий АlСl3, проходя через расплавленный алюминий, обволакивает пузырьками частицы примесей и выносит их вместе с газами, растворенными в алюминии. После рафинирования хлором алюминий отливают в слитки и направляют потребителям.

Первичный алюминий (ГОСТ 11069-74) делят на три группы: алюминий особой чистоты (марка А999), высокой чистоты (четыре марки) и технической чистоты. Указанным ГОСТом предусмотрено восемь марок, допускающих содержание примесей 0,15-1%. Название марки указывает ее чистоту. Например, марка А8 обозначает, что в металле содержится 99,8% алюминия, а в марке А99 – 99,99% алюминия. Алюминий технической чистоты получают в электролизных ваннах. Путем электролитического рафинирования алюминия-сырца получают алюминий марок высокой чистоты.

Алюминий – легкий металл серебристо-белого цвета с высокой электро- и теплопроводностью; плотность его 2700 кг/м3, температура плавления в зависимости от чистоты колеблется в пределах 660-667°С. В отожженном состоянии алюминий имеет малую прочность (σв=80-100 МПа), низкую твердость (НВ 20-40), но обладает высокой пластичностью (δ=35-40%). Алюминий хорошо обрабатывается давлением, сваривается, но плохо поддается резанию. Имеет высокую стойкость против атмосферной коррозии и в пресной воде. На воздухе алюминий быстро окисляется, покрываясь тонкой плотной пленкой окиси, которая не пропускает кислород в толщу металла, что и обеспечивает его защиту от коррозии.

В качестве конструкционных материалов алюминий широко применяют в виде сплавов с другими металлами и неметаллами (медь, марганец, магний, кремний, железо, никель, титан, бериллий и др.). Алюминиевые сплавы сочетают в себе лучшие свойства чистого алюминия и повышенные прочностные характеристики легирующих добавок. Так, железо, никель, титан повышают жаропрочность алюминиевых сплавов. Медь, марганец, магний обеспечивают упрочняющую термообработку алюминиевых сплавов. В результате легирования и термической обработки удается в несколько раз повысить прочность (σв с 100 до 500 МПа) и твердость (НВ с 20 до 150) алюминия. Все сплавы алюминия подразделяют на деформируемые и литейные.

Деформируемые алюминиевые сплавы

Деформируемые алюминиевые сплавы применяют для получения листов, ленты, фасонных профилей, проволоки и различных деталей штамповкой, прессованием, ковкой. В зависимости от химического состава деформируемые алюминиевые сплавы делят на 7 групп; содержат 2-3 и более легирующих компонента в количестве 0,2-4% каждого. Например, сплавы алюминия с магнием и марганцем; алюминия с медью, магнием, марганцем и др.

Деформируемые сплавы разделяют на сплавы, упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой. Деформируемые сплавы, подвергаемые механической и термической обработке, имеют буквенные обозначения, указывающие на характер обработки (см. примечания к табл. 9).
Термически неупрочняемые сплавы – это сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием и марганцем (АМг). Они обладают умеренной прочностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и пластичностью (табл. 9).

Термически упрочняемые сплавы (см. табл. 9) приобретают высокие механические свойства и хорошую сопротивляемость коррозии только в результате термической обработки. Наиболее распространены сплавы алюминия с медью, магнием, марганцем (дюралюмины) и алюминия с медью, магнием, марганцем и цинком (сплавы высокой прочности).

Дюралюмины маркируют буквой Д, после которой стоит цифра, обозначающая условный номер сплава. Термическая обработка дюралюминов состоит в закалке, естественном или искусственном старении. Для закалки сплавы нагревают до 500°С и охлаждают в воде. Естественное старение производят при комнатной температуре в течение 5-7 сут. Изменение прочности дюралюминия при естественном старении показано на рис. 48. Искусственное старение проводят при 150-180°С в течение 2-4 ч. (При одинаковой прочности дюралюмины, подвергнутые естественному старению, более пластичны и коррозионностойки, чем подвергнутые искусственному старению. Особенностью нагрева алюминиевых сплавов при закалке является строгое поддержание температуры (+5°), чтобы не допустить пережога и достичь наибольшего эффекта термической обработки.

Рис. 48. Изменение прочности дюралюминия при естественном старении

9. Деформируемые алюминиевые сплавы

Примечания: 1. В зависимости от состояния поставки в обозначение марки добавляют следующие буквы: М – отожженные, Н – нагартованные, Т – закаленные и естественно состаренные. 2. Листы из сплавов Д1, Д16, В95 с нормальной плакировкой дополнительно маркируют буквой А.

Дюралюмины не обладают необходимой коррозионной стойкостью, поэтому их подвергают плакированию (см. § 50). Дюралюмины выпускают в виде листов, прессованных и катаных профилей, прутков, труб. Особенно широко применяют дюралюмины в авиационной промышленности и строительстве.

Литейные алюминиевые сплавы

Литейные сплавы содержат почти те же легирующие компоненты, что и деформируемые сплавы, но в значительно большем количестве (до 9-13% по отдельным компонентам). Литейные сплавы предназначены для изготовления фасонных отливок. Выпускают 35 марок литейных алюминиевых сплавов (АЛ), которые по химическому составу можно разделить на 5 групп. Например, алюминий с кремнием (АЛ2, АЛ4, АЛ9) или алюминий с магнием (АЛ8, АЛ 13, АЛ22 и др.).

Алюминиевые литейные сплавы маркируют буквами АЛ и цифрой, указывающей условный номер сплава. Сплавы на основе алюминия и кремния называют силуминами. Силумины обладают высокими механическими и литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, достаточно высокой прочностью и удовлетворительной пластичностью. Сплавы на основе алюминия и магния имеют высокую удельную прочность, хорошо обрабатываются резанием и имеют высокую коррозионную стойкость. Свойства алюминиевых литейных сплавов существенно зависят от способа литья и вида термической обработки. Важное значение при литье имеет скорость охлаждения затвердевающей отливки или скорость охлаждения при ее закалке. В общем случае увеличение скорости отвода тепла вызывает повышение прочностных свойств. Поэтому механические свойства отливок при литье в кокиль (металлические литейные формы) выше, чем при литье в песчано-глинистые формы (табл. 10).

Литейные алюминиевые сплавы имеют более грубую и крупнозернистую структуру, чем деформируемые. Это определяет режимы их термической обработки. Для закалки силумины нагревают до температуры 520-540°С и дают длительную выдержку (5-10 ч.), для того чтобы полнее растворить включения. Искусственное старение проводят при 150-180°С в течение 10-20 ч.

10. Алюминиевые литейные сплавы

Примечание. В графе «Способы литья» введены следующие обозначения: З – в песчано-глинистые формы, В – по выплавляемым моделям, К – кокиль, Д – под давлением; буква М, следующая за первой, обозначает, что сплав при литье подвергают модифицированию.

Для улучшения механических свойств силумины, содержащие более 5% кремния, модифицируют натрием. Для этого в расплав добавляют 1-3% от массы сплава соли натрия (⅔NaF+⅓NaCl). При этом снижается температура кристаллизации сплава и измельчается его структура.

Алюминий и его сплавы

Алюминий — металл серебристого цвета с плотностью 8,2 Мг/м 3 и температурой плавления 660 °С; имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку; не имеет аллотропических превращений.

Алюминий характеризуется высокой тепло- и электропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. Последнее объясняется способностью алюминия на воздухе покрываться прочной оксидной пленкой А1₂₃, защищающей металл от дальнейшего окисления. Алюминий характеризуется высокой пластичностью, хорошо обрабатывается давлением. Механические свойства прокатанного и отожженного алюминия высокой чистоты: о_в = 58 МПа, о_{0 2} = 20 МПа, 5 = 40%, ц/ = 85%, твердость НВ 25.

Примеси по-разному влияют на алюминий: магний и марганец снижают его тепло- и электропроводность, железо — коррозионную стойкость. Вместе с тем такие элементы, как магний, марганец, медь, цинк, никель и хром, упрочняют алюминий.

Благодаря удачному сочетанию физических, химических, механических и технологических свойств алюминий и его сплавы широко применяют в различных областях народного хозяйства. Высокая тепло- и электропроводность алюминия позволяет использовать его в электротехнической промышленности, теплообменниках холодильников и др. Алюминий применяется для получения сплавов на его основе и как легирующий элемент в магниевых, медных, цинковых, титановых и других сплавах. Листовой алюминий используется как упаковочный материал, увеличивается применение алюминия в строительстве, сельском хозяйстве и др.

По способу производства изделий алюминиевые сплавы можно разделить на две группы: деформируемые (в том числе спеченные), идущие на изготовление полуфабрикатов — листов, прутков, профилей, поковок путем прокатки, прессования, ковки и т.д., и литейные, предназначенные для фасонного литья.

Деформируемые алюминиевые сплавы по объему производства составляют около 80%. Деформируемые сплавы делятся на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой.

К термически неупрочняемым сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц) и магнием — магмалин (АМг2, АМгЗ, АМгб и др.). Эти сплавы обладают средней прочностью, хорошей пластичностью и свариваемостью, а также высокой коррозионной стойкостью. Они применяются в судо- и авиастроении, в производстве сварных емкостей, холодильников и т.д.

Механические свойства сплавов АМц следующие: g _b = 130 М Па (в отожженном состоянии) и 220 МПа (в нагартованном); 8 = 23 и 5% соответственно. Сплав АМгб в отожженном состоянии имеет о_в = 340 МПа, 8 = 18%, а в нагартованном — о_в = 400 МПа, 8=10%.

К термически упрочняемым относят следующие алюминиевые сплавы: на основе системы А1—Си—Mg (дуралюмины Д1, Д16 и др.;

о_в = 410—540 МПа, 8= 11 — 15%); на основе А1—Си—Mg—Si (авиалин типа АВ; а_в = 220 МПа, 8 = 22%); на основе А1—Си—Mg—Zn (высокопрочные сплавы В95, В96; а_в = 550—700 МПа, 8 = 7—8%); на основе А1—Mg—Ni—Si (жаропрочные сплавы АК4-1, Д20; о_в = 430 МПа, 8 = 12%) и на основе А1—Си—Mg—Мп (ковочные сплавы АК-6, АК-8; о_в = 480 МПа, 8 = 10%) и др.

Наибольшее распространение получили дуралюмины. Термическая обработка дуралюминов заключается в закалке при температуре 500 °С с охлаждением в воде и последующим естественным или искусственным старением. Для рассмотрения превращений в алюминиевых сплавах и происходящих структурных изменений следует обратиться к диаграмме состояния системы алюминий—медь (рис. 4.3). Как видно из рисунка, максимальная растворимость меди в алюминии в твердом состоянии составляет 5,7% при температуре 548 °С. С понижением температуры растворимость уменьшается и при комнатной температуре становится равной 0,2—0,5%. Это указывает на то, что сплавы, ограниченные линией DF, могут термически обрабатываться и упрочняться. Упрочнение происходит за счет распада термодинамически неустойчивого перенасыщенного a-твердого раствора меди в алюминии. Путем диффузии внутри зерен a-твердого раствора образуются упрочненные участки, обогащенные медью (зоны Гинье—Престона). Кроме того, в сплаве возникают дисперсные частицы избыточной упрочняющей фазы СиА1₂. Этот процесс называют старением.

Рис. 4.3. Диаграмма состояния системы алюминий-медь Различают старение искусственное (выдержка при определенной температуре в течение нескольких часов) и естественное (выдержка в течение нескольких суток при комнатной температуре).

Силумины — это литейные сплавы на основе алюминия, содержащие кремний и некоторые другие элементы (АЛ2, АЛ4, АЛ9; о_в= 180-260 МПа, 8= 14%).

Кроме силуминов находят применение следующие литейные алюминиевые сплавы: на основе А1—Mg (АЛ8, АЛ 13 и др.; о_в = 330 МПа, 5 = 15%); на основе А1—Си (АЛ7, АЛ19 и др.; а_в = 240—360 МПа, 5 = 2—9%); на основе А1—Си—Si (АЛ 3, АЛ6 и др.; о_в = 170—240 МПа, 5=1-4%).

Получили распространение гранулированные и порошковые алюминиевые сплавы. Гранулирование производится распылением расплава; при этом получаются частицы сферической или овальной формы — гранулы. Скорость охлаждения зависит от толщины частиц, которая может меняться от десятых долей до сотен микрометров. В гранулируемых алюминиевых сплавах повышаются как механические, так и физические свойства. Гранулы брикетируют, а затем подвергают пластическому деформированию.

Методами порошковой металлургии изготовляют спеченные алюминиевые порошки (САП) и спеченные алюминиевые сплавы (САС). Первые состоят из порошка алюминия и дисперсных частиц А1-,0₃, которые повышают прочность сплава и снижают его пластичность. Сплавы обладают высокой жаропрочностью до 500 °С. Содержание А1₂₃ в САПах колеблется от 6 до 22%.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС-1, САС-2 и др.) относятся к сплавам системы А1—Si—Ni. Используются они в основном в приборостроении как материалы с низким коэффициентом линейного расширения. САСы в виде порошков получают пульверизацией жидких сплавов при высоких скоростях охлаждения. В структуре САС содержатся мелкие включения кремния и интерметаллоиды. Механические свойства этих сплавов определяются формой и размерами частиц (а_в = 230—400 МПа, 8 = 0,5—4%).

Учебные материалы

Алюминий — металл серебристо-белого цвета, порядковый номер в Периодической системе Д.И. Менделеева — 13, атомный вес 26,97. Кристаллическая решетка ГЦК с периодом а = 4,0414 Å, атомный радиус 1,43 Å. Плотность — 2,7 г/см 3 , температура плавления 660 0 С. Имеет высокую тепло- и электропроводность. Удельное электросопротивление 0,027 мкОм×м. Предел прочности s_в = 100 МПа, относительное сужение y = 40 %.

В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты А999 (99,999 % Аl), высокой чистоты: А995,А99, А97, А95 и технической чистоты: А85, А8, А7, А6, А5 (99,5 % Аl), АО (99,0 % Аl).

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на его поверхности тонкой прочной пленки Аl₂О₃. Алюминий легко обрабатывается давлением, обработка резанием затруднена, сваривается всеми видами сварки.

Ввиду низкой прочности алюминий применяют для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от металла требуется легкость, высокая электропроводность. Из него изготовляют трубопроводы, фольгу, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуду теплообменники, провода, кабели. Алюминий имеет большую усадку затвердевания (6 %).

Как конструкционный материал значительно чаще применяются алюминиевые сплавы. Они характеризуются высокой удельной прочностью, способностью сопротивляться инерционным и динамическим нагрузкам, хорошей технологичностью. Предел прочности достигает 500…700 МПа. Большинство обладают высокой коррозионной стойкостью (за исключением сплавов с медью). Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются Сu, Mg, Si, Mn, Zn, реже Li, Ni, Ti. Многие образуют с алюминием твердые растворы ограниченной переменной растворимости и промежуточные фазы СuAl₂, Mg₂Si и др. Это дает возможность подвергать сплавы упрочняющей термической обработке. Она состоит из закалки на пересыщенный твердый раствор и естественного или искусственного старения.

По технологическому признаку алюминиевые сплавы подразделяются на две группы (рисунок 52): деформируемые, литейные.

1. деформируемые: а — не упрочняемые ТО; б — упрочняемые ТО;
2. литейные

Рисунок 52 — Диаграмма состояния сплавов алюминий — легирующий элемент

Сплавы левее точки F имеют структуру однофазного a — твердого раствора, который имеет высокую пластичность и не упрочняются термической обработкой. Упрочнить эти сплавы можно холодной пластической деформацией (наклепом). На участке FD’ сплавы имеют предельную растворимость легирующего элемента в алюминии и поэтому упрочняются термической обработкой. Сплавы правее точки D’ имеют в структуре эвтектику, которая придает сплавам высокую жидкотекучесть. Поэтому эти сплавы относятся к литейным.

Старение закаленных сплавов. После закалки алюминиевые сплавы подвергаются старению, которое приводит к дополнительному повышению прочности сплава при некотором снижении пластичности и вязкости.

В зависимости от условий проведения, различают два вида старения:

1. естественное, при котором сплав выдерживают при нормальной температуре несколько суток;
2. искусственное, при котором сплав выдерживается при повышенной температуре в течение 10…24 ч.

В процессе старения происходит распад пересыщенного твердого раствора, в решетке которого атомы меди располагаются статистически равномерно. В зависимости от температуры и продолжительности, старение протекает в несколько стадий.

Так, например, в сплавах Аl — Сu при естественном или низкотемпературном искусственном старении (ниже 100…150 0 С) образуются зоны Гинье-Престона 1 (ГП-1). На начальной стадии в пересыщенном a — твердом растворе образуются объемы (сегрегации), обогащенные атомами меди. Они представляют собой пластинчатые или дисковые образования диаметром 4…6 нм и толщиной несколько атомных слоев.

При более высоких температурах нагрева образуются крупные зоны ГП-2. Выдержка в течение нескольких часов приводит к образованию в зонах ГП-2 дисперсных частиц q — фазы (СuAl₂). Образование зон ГП-1, ГП-2 и q- фазы приводит к повышению прочности и твердости закаленных алюминиевых сплавов.

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термообработкой. Эти сплавы отличаются высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью. Пластическая деформация упрочняет сплавы почти в 2 раза.

К этой группе сплавов относятся марки АМц (1,1…1,6 % Мn), АМг2, АМг3, АМг5, АМг6 (цифра показывает содержание магния в процентах).

Они применяются для сварных элементов конструкций, испытывающих сравнительно небольшие нагрузки и требующие высокого сопротивления коррозии. Из сплавов АМц, АМг2, АМг3 изготовляют емкости для хранения нефтепродуктов, трубопроводы для масла и бензина, палубные надстройки, в строительстве — витражи, перегородки, двери, оконные рамы и др. Сплавы АМг5, АМг6 применяются для средненагруженных деталей и конструкций: рамы и кузова вагонов, перегородки зданий переборки судов, кабины лифтов.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой. Наиболее распространенными представителями группы алюминиевых сплавов, применяемыми в деформированном виде и упрочняемыми термической обработкой, являются дуралюмины (от французского dur- твердый). К ним относятся сплавы системы Al — Cu – Mg — Mn. Типичными дуралюминами являются марки Д1 и Д16. Их химический состав приведен в таблице 18.

Таблица 18 — Химический состав дуралюминов, %

Дуралюмины после закалки подвергают естественному старению, т.к. при этом обеспечивается более высокая коррозионная стойкость. Время старения 4…5 суток. Иногда применяют искусственное старение при температуре 185…195 0 С. Из сплава Д16 изготовляют обшивки, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей, шпангоуты, стрингера, лонжероны самолетов и т.д.

Сплавы авиаль (АВ) уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях, хорошо свариваются и сопротивляются коррозии, имеют высокий предел усталости. Упрочняющей фазой является соединение Мg₂Si.

Авиаль закаливается при 515…525 0 С с охлаждением в воде, а затем подвергается естественному старению (АВТ) или искусственному при температуре 160 0 С в течение 12 часов (АВТ1). Изготовляют листы, трубы, лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери.

Высокопрочные алюминиевые сплавы. Прочность этих сплавов достигает 550…700 МПа, но при меньшей пластичности, чем у дуралюминов. Они, кроме Сu и Mg содержат Zn. К ним относятся сплавы В95, В96. Упрочняющими фазами являются MgZn2, Al3Mg3Zn3, Al2CuMg. С увеличением содержания цинка прочность повышается, но снижается пластичность и коррозионная стойкость.

Сплавы закаливают при 465…475 0 С с охлаждением в воде и подвергают искусственному старению при 135…145 0 С в течение 16 ч. Они более чувствительны к концентратам напряжений и имеют пониженную коррозионную стойкость под напряжением. Применяются там же, где и дуралюмины.

Ковочные алюминиевые сплавы отличаются высокой пластичностью при температурах ковки и штамповки (450…475 0 С) и удовлетворительными литейными свойствами. Закалка проводится при 515…525 0 С с охлаждением в воде, старение при 150…160 0 С в течение 4…12 ч. Упрочняющими фазами являются Mg₂Si, CuAl₂.

Сплав АК6 используют для деталей сложной формы и средней прочности (sв = 360 МПа) — крыльчатки, качалки, крепежные детали.

Сплав АК8 с повышенным содержанием Сu хуже обрабатываются давлением, но более прочный и применяется для изготовления подмоторных рам, лопастей винтов вертолетов и др.

Жаропрочные сплавы. Эти сплавы применяются для деталей, работающих до 300 0 С (поршни, головки цилиндров, обшивка самолетов, лопатки и диски осевых компрессоров, крыльчатки и т.д.). Эти сплавы дополнительно легируют Fe, Ni, Ti.

Сплав АК4-1 закаливают при 525…535 0 С, а сплав Д20 — при 535 0 С в воде и подвергают старению при 200…220 0 С. Упрочняющими фазами являются СuAl₂, Mg₂Si, Al₂CuMg, Al₉FeNi. При частичном распаде твердого раствора они выделяются в виде дисперсных частиц, устойчивых к коагуляции, что обеспечивает повышенную жаропрочность.

Литейные алюминиевые сплавы. Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии.

Высокие литейные свойства имеют сплавы, содержащие в структуре эвтектику. Содержание легирующих элементов в этих сплавах больше предельной растворимости их в алюминии и больше, чем в деформируемых. Чаще применяют сплавы Al — Si, Al — Cu, Al — Mg. Для измельчения зерна, а следовательно улучшения механических свойств, в сплавы вводят модифицирующие добавки (Ti, Zr, B, V, Na и др.). Многие отливки из алюминиевых сплавов подвергают термической обработке. Например: отжиг при 300 0 С в течение 5… 10 ч; закалка и естественное старение t_зак = 510…520 0 С и охлаждение в горячей воде (40…100 0 С) выдержка до 20 часов.

Сплавы Al — Si (силумины) содержат много эвтектики, поэтому обладают высокими литейными свойствами отливки, более плотные. К ним относятся сплавы АЛ2, АЛ4, АЛ9.

АЛ2 содержит 10-13% Si и является эвтектическим сплавом, упрочняющей термической обработке не подвергается.

АЛ4, АЛ9 — доэвтектические и дополнительно легированы Мg. Могут упрочняться термообработкой. Упрочняющей фазой служат Mg₂Si. Эти сплавы применяют для изготовления крупных нагруженных деталей: корпуса компрессоров, картеры и блоки цилиндров двигателей.

Сплавы Al — Cu. Эти сплавы (АЛ7, АЛ19) имеют более низкие литейные свойства, чем силумины. Поэтому их применяют, как правило, для отливок небольших деталей простой формы (арматура, кронштейны и т.д.). Имеют большую усадку, склонность к образованию горячих трещин и к хрупкому разрушению.

Сплавы Аl — Mg. Эти сплавы (АЛ8, АЛ27) имеют низкие литейные свойства, так как не содержат эвтектики. Характерной особенностью этих сплавов является хорошая коррозионная стойкость, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием. Они предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере. Сплавы марок АЛ13 и АЛ22 имеют более высокие литейные свойства в результате образования тройной эвтектики.

Жаропрочные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АЛ1, из которого изготовляют поршни, головки цилиндров и другие детали, работающие при температуре 275…300 0 С. Структура литого сплава АЛ1 состоит из a- твердого раствора, содержащего Cu, Mg, Ni, и избыточных фаз Al₂CuMg, Al₆CuNi.

Более жаропрочными являются сплавы АЛ19 и АЛ33. Это достигается добавками в сплавы Mn, Ti, Ni, Zn, Ce и образованием нерастворимых интерметаллидных фаз Al6Cu3, Al2Ce, Al2Zr и др.

Для крупногабаритных деталей работающих при 300…350 0 С применяют сплав АЛ21.

Конспект лекции по дисциплине «Материаловедение». Тема «Алюминий и его сплавы»

В конспекте лекции рассматривается цветной металл — алюминий и сплавы на его основе.Приводятся химические и механические свойства алюминия, его маркировка и область применения.

Просмотр содержимого документа
«Конспект лекции по дисциплине «Материаловедение». Тема «Алюминий и его сплавы»»

Конспект лекции по дисциплине «Материаловедение»

Тема: Алюминий и его сплавы.

Алюминий – легкий металл с плотностью 2,7 г/см 3 и температурой плавления 660 o С. Имеет гранецентрированную кубическую решетку. Обладает высокой тепло- и электропроводностью. Химически активен, но образующаяся плотная пленка оксида алюминия Al₂O₃, предохраняет его от коррозии.

Механические свойства:

предел прочности 150 МПа,

относительное удлинение 50 %,

модуль упругости 7000 МПа.

Алюминий высокой чистоты маркируется А99 (99,999 % Al), А8, А7, А6, А5, А0 (содержание алюминия от 99,85 % до 99 %).

Технический алюминий хорошо сваривается, имеет высокую пластичность.

Из него изготавливают строительные конструкции, малонагруженные детали машин, используют в качестве электротехнического материала для кабелей, проводов.

Алюминиевые сплавы.

Принцип маркировки алюминиевых сплавов.

В начале указывается тип сплава:

Д – сплавы типа дюралюминов;

А – технический алюминий;

АК – ковкие алюминиевые сплавы;

В – высокопрочные сплавы;

АЛ – литейные сплавы.

Далее указывается условный номер сплава.

За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава:

М – мягкий (отожженный);

Т – термически обработанный (закалка плюс старение);

По технологическим свойствам сплавы подразделяются на три группы:

деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой:

деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой;

Методами порошковой металлургии изготовляют спеченные алюминиевые сплавы (САС) испеченные алюминиевые порошковые сплавы (САП).

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой.

Прочность алюминия можно повысить легированием. В сплавы, не упрочняемые термической обработкой, вводят марганец или магний. Атомы этих элементов существенно повышают его прочность, снижая пластичность. Обозначаются сплавы: с марганцем – АМц, с магнием – АМг; после обозначения элемента указывается его содержание (АМг3).

Магний действует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость.

Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы нагартованные и полунагартованные (АМг3П).

Эти сплавы применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой.

К таким сплавам относятся дюралюмины (сложные сплавы систем алюминий – медь – магний или алюминий – медь – магний – цинк). Они имеют пониженную коррозионную стойкость, для повышения которой вводится марганец.

Дюралюмины обычно подвергаются закалке с температурой 500 o С и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период. Максимальная прочность достигается через 4…5 суток.

Широкое применение дюралюмины находят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве.

Высокопрочными стареющими сплавами являются сплавы, которые кроме меди и магния содержат цинк. Сплавы В95, В96 имеют предел прочности около 650 МПа. Основной потребитель – авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).

Ковочные алюминиевые сплавы АК, АК8 применяются для изготовления поковок. Поковки изготавливаются при температуре 380…450 o С, подвергаются закалке от температуры 500…560 o С и старению при 150…165 o С в течение 6…15 часов.

В состав алюминиевых сплавов дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до 300 o С.

Изготавливают поршни, лопатки и диски осевых компрессоров, турбореактивных двигателей.

Литейные алюминиевые сплавы.

К литейным сплавам относятся сплавы системы алюминий – кремний (силумины), содержащие 10…13 % кремния.

Присадка к силуминам магния, меди содействует эффекту упрочнения литейных сплавов при старении.

Титан и цирконий измельчают зерно.

Марганец повышает антикоррозионные свойства.

Никель и железо повышают жаропрочность.

Литейные сплавы маркируются от АЛ2 до АЛ20.

Силумины широко применяют для изготовления литых деталей приборов и других средне- и малонагруженных деталей, в том числе тонкостенных отливок сложной формы.