Класифікація алюмінієвих сплавів

Залежно від способу виробництва промислові алюмінієві сплави діляться на спечені, ливарні і деформуючі. [2]

Ливарні сплави зазнають евтектичну перетворення, а деформуються - ні.

Останні в свою чергу бувають термічно незміцнюючих (сплави в яких немає фазових перетворень у твердому стані) і деформуються, термічно зміцнюється (сплави, зміцнюється загартуванням і старінням).

 

Рис. 1.1 – Діаграма станів "алюміній – легуючий елемент":

1–деформуються, сплави, що термічно не зміцнюються;

2–деформуються, сплави, що термічно зміцнюються.

 

Технічний алюміній (АД і АД1) через низьку міцність застосовують для виготовлення елементів конструкції і деталей, що не несуть навантаження, коли потрібні висока пластичність, хороша зварюваність, опір корозії і високі теплопровідність і електрична провідність. Так, наприклад, з технічного алюмінію виготовляють різні трубопроводи, палубні надбудови морських і річкових суден, кабелі, електропроводи, шини, конденсатори, корпуси годинників, фольгу, вітражі, перегородки в кімнатах, двері, рами, посуд, цистерни для молока і т. д. Алюміній високої чистоти призначається для фольги, струмопровідних і кабельних виробів. Більш широко використовують сплави алюмінію [4].

Дюралюміній. До деформованих пресуванням відносяться сплави системи мідь – магній з добавками інших компонентів, наприклад марганцю – дюралюміній. Найбільше застосування мають сплави Д18 (Cu – 2,2–3 %; Mg – 0,2–0,5 %) і Д16 (Cu – 3,8–4,6 %; Mg – 1,2–1,8 % і 0,3–0,9 % Mn).

Марганець підвищує стійкість дуралюміна проти корозії, а будучи присутнім у вигляді дисперсних частинок фази (Al₁₂Mn₂Cu), підвищує температуру рекристалізації і покращує механічні властивості. Дюралюміни в будь–якому стані добре деформуються, можуть бути піддані загартуванню у воді і старінню [2].

Загартування полягає в нагріванні сплавів до температури, при якій надлишкові інтерметалідні фази повністю або більшою частиною розчиняються в алюмінії, витримці при цій температурі і швидкому охолодженні до нормальної температури для отримання пересиченого твердого розчину. Мета гартування – отримати в сплаві гранично нерівноважний фазовий стан (пересичений твердий розчин з максимальним вмістом легуючих елементів). Такий стан забезпечує, з одного боку, безпосереднє підвищення (порівняно з рівноважним станом) твердості і міцності, а з іншого боку, можливість подальшого зміцнення при подальшому старінні. Загартування застосовують для сплавів, що зазнають фазових перетворень у твердому стані.

Основною особливістю алюмінієвих сплавів є малий інтервал температур нагрівання під загартування. Температура нагріву для сплавів А1–Cu – (Д16) – 485–505°С, сплавів А1– Zn – Mg–Cu (В95) 465–475°С і А1–Cu–Mg–Si (АК6) 515–525°С. Більш високі температури викликають перепал (оплавлення по межах зерен), що призводить до утворення тріщин, бульбашок на поверхні напівфабрикатів, знижуються опір корозії, механічні властивості і опір крихкому руйнуванню. Витримка повинна бути мінімальною, що забезпечує розчинення надлишкових фаз в твердому розчині [13].

Охолодження при загартуванню має бути зі швидкістю вище критичної. Прокалюваність алюмінієвих сплавів складає d_к = 120–150 мм – критичний діаметр.

Після гартування сплави мають порівняно невисоку міцність і високу пластичність.

Після гартування слідує старіння, при якому сплав витримують при нормальній температурі кілька діб (природне старіння) або протягом 10–24 год при підвищеній температурі 150–200 ° С (штучне старіння). У процесі старіння відбувається розпад пересиченого твердого розчину, що супроводжується зміцненням сплаву. Розпад пересиченого твердого розчину відбувається в кілька стадій залежно від температури і тривалості старіння [12].

Алюмінієві деформовані сплави мають високі фізико–механічні характеристики, технологічні при виготовленні, і використовуються в судно–і авіамашинобудуванні, в будівництві, сільському господарстві, виробництві електро– і побутової техніки та електронному машинобудуванні. В авіабудуванні ці сплави є основним конструкційним матеріалом і складають 80–85 % ваги планера сучасного літака [13].

Сплави Авіаль (АВ). Ці сплави поступаються дуралюмінам по міцності, але мають кращу пластичність в холодному і гарячому станах.

Авіаль гартують від 515–525 ° С з охолодженням у воді, а потім піддають природному старінню (АВТ) або штучному при 160°С 12 год (АВТ1). Штучне старіння треба виконувати відразу після гартування. При збільшенні перерв між часом гартування і початком штучного старіння міцність сплаву після старіння зменшується. Зміцнюючою фазою в авіалі є з'єднання Mg₂Si.

З сплаву АВ виготовляють різні напівфабрикати (листи, труби і т. д.), що використовуються для елементів конструкцій, несучих помірні навантаження, крім того, лопаті гвинтів вертольотів, ковані деталі двигунів, рами, двері, для яких потрібна висока пластичність в холодному і гарячому станах [12].

Високоміцні сплави. Межа міцності цих сплавів досягає 550–700 МПа, але при меншій пластичності, ніж у дуралюміна. Представником високоміцних алюмінієвих сплавів є сплав В95.

Сплави гартують від 460–470°С (з охолодженням у холодній або гарячій воді) і піддають штучному старінню при 135–145°С 16 г. У порівнянні з дуралюміном ці сплави мають велику чутливість до концентраторів напруг і знижену корозійну стійкість під напругою [13].

Сплави для кування і штампування. Сплави цього типу відрізняються високою пластичністю і задовільними ливарними властивостями, що дозволяють отримати якісні злитки. Сплав АК6 використовують для деталей складної форми та середньої міцності, виготовлення яких вимагає високої пластичності в гарячому стані (підмоторні рами, фітинги, кріпильні деталі, крильчатки і т. д.). Сплав АК8 рекомендується для важконавантажених штампованих деталей (підмоторні рами, стикові вузли, пояси лонжеронів, лопаті гвинтів вертольота і т. д.)

Жароміцні сплави. Ці сплави використовують для деталей, що працюють при температурі до 300°С (поршні, головки циліндрів, крильчатки, лопатки і диски осьових компресорів турбореактивних двигунів; обшивка надзвукових літаків і т. д.). Жароміцні сплави мають більш складний хімічний склад, ніж розглянуті вище алюмінієві сплави. Їх додатково легують залізом, нікелем і титаном.

 

 

Таблиця 1.2 - Хімічний склад і типові механічні властивості деяких деформівних алюмінієвих сплавів після гартування і старіння

Сплав1	Вміст елементів, %	Механічні свойства
Cu	Mg	Mn	Si	Інші елементи	σ0,2	σв	σ-1	δ%
МПа
Дуралюміни
Д1	3,8-4,8	0,4- 0,8	0,4- 0,8	-	-			-
Д16	3,8-4,9	1,2- 1,9	0,3- 0,9	-	-
Сплав Авіаль
АВ2	0,1-0,5	0,45- 0,9	0,15- 0,35	0,5- 1,2	-	200 (300)	260 (380)	-	15 (12)
Високоміцний алюмінієвий сплав
В95	1,4-2,0	1,8- 2,8	0,2-0,6	-	5-7 Zn 0,1 -0,25 Cr	530-550	560-600
Кувальні алюмінієві сплави
АК6	1,8- 2,6	0,4- 0,8	0,4- 0,8	0,7- 1,2	-			-
АК8	3,9- 4,8	0,4- 0,8	0,4- 1,0	0,6- 1,2	-			-
Жароміцні алюмінієві сплави
АК4-1	1,9-2,5	1,4- 1,8-		0,35	0,8-1,4 Fe 0,8-1,4 Ni 0,02-0,1 Ti			-
Д20	6-7	-	0,4-0,8	-	0,1-0,2 Ti			-
Буква "Д" позначає сплав типу дуралюмин, літера "А" на початку марки - технічний алюміній. (АТ, АД1); "АК" - алюмінієвий кувальний сплав. Нерідко на початку марки ставиться літера "В" - високоміцний. Після умовного номери часто слідують позначення, що характеризують стан сплаву: "М" - м'який (відпалений), "Т" - термічно оброблений (гарт і природне старіння); "Н" - нагартована, "П"-підлозі нагартована. Механічні властивості дано для пресованих прутків і профілів після загартування і старіння. Листи мають нижчі механічні властивості. Мехніческіе властивості дано після гарту і природного старіння, в дужках - після гарту і штучного старіння.

 

Алюмінієві ливарні сплави позначаються літерами АЛ і підрозділяються на 5 груп [5]:

Група 1 – силуміни – сплави системи алюміній – кремній (АЛ2, АЛ4, АЛ9). Ці матеріали стійкі до корозії, мають гарну текучість і малу усадку. Для модифікації в них вводять металевий натрій, в результаті чого структура стає дрібнозернистою, а матеріал набуває пластичність.

У процесі затвердіння кристали кремнію обволікаються плівкою силіцида натрію Na₂Si, яка ускладнює їх зростання. Такі зміни структури покращують механічні властивості сплаву.

Група 2 – сплави системи алюміній– кремній – мідь (АЛ3, АЛ5, АЛ6), а також АЛ32, що містить ще марганець і титан.

Група 3 – сплави системи алюміній – мідь (АЛ7 і АЛ19) містять підвищений вміст міді, що позначається на їх ціні. Після термічної обробки мають високі механічні властивості при нормальній і підвищеній температурах і добре обробляються різанням. Ливарні властивості сплавів низькі (велика усадка, схильність до утворення гарячих тріщин і т. д.). Сплав АЛ7 використовують для відливання невеликих деталей простої форми (арматура, кронштейн і т. д.). Сплав схильний до крихкого руйнування внаслідок виділення по границях зерен грубих часток СuА1₂ і А1₇Сu₂Fе (див. рис. 183, а), тому його застосовують в загартованому стані.

Група 4 – сплави системи алюміній– магній (АЛ8, АЛ13, АЛ22) мають низьку щільність, гарну корозійну стійкість і високі механічні характеристики. Використовуються при виготовленні виливків в автомобільному виробництві.

Група 5 – сплави на основі алюмінію та інших компонентів. Наприклад, сплав АЛ24 містить марганець, магній, цинк, титан та ін

Серед останніх розробок можна виділити сплави ВАЛ12, ВАЛ14, ВАЛ16.

Деталі, одержувані литтям за методом рідкого штампування, при якій кристалізація відбувається в металевій формі під тиском, мають особливо високими механічними властивостями: σ _в = 550–600 МПа, σ _0,2 = 500–550 МПа, δ = 3–6%, σ _–1 = 140–160 МПа [5].

У виробах сучасного машинобудування алюмінієві ливарні сплави, що володіють високою питомою міцністю, замінюють чавун і маловуглецеві ливарні сталі.

Область застосування алюмінієвих ливарних сплавів досить широка і постійно розширюється:

– В авіабудуванні – силові деталі фюзеляжу, агрегатів, приладів;

– В суднобудуванні – кронштейни палубних надбудов, корпусу механізмів управління та компасів;

– У машинобудуванні – корпуси електродвигунів, роторів компресорів, насосів, редукторів, вентиляторів; крильчатки, шківи ремінних передач, муфти зчеплення, корпусу і кришки картерів, коробки швидкостей, редуктори, головки і блоки циліндрів, поршні;

– У текстильній промисловості – станини ткацьких верстатів, бобіни, корпусу і кожухи швейних машин;

– У харчовій промисловості – деталі змішувачів, просівальних агрегатів, розливних машин;

– В електротехнічній промисловості – деталі контактних з'єднань, панелі, радіатори охолодження, плати та корпуси приладів;

– При виробництві побутової техніки – деталі побутових приладів, кухонне начиння.

Алюмінієві ливарні сплави в порівнянні з чавуном і сталю мають ряд важливих переваг: можливість отримувати більш точні литі заготовки з малою шорсткістю поверхні високопродуктивними методами лиття в металеві форми (у кокіль, під тиском, рідкої штампуванням), а також більш високу корозійну стійкість [5].

Заміна чавуну і сталі ливарними алюмінієвими сплавами дозволяє отримувати значний техніко–економічний ефект за рахунок: зниження маси (металоємності) конструкцій; підвищення експлуатаційної надійності та довговічності; зменшення трудомісткості завдяки застосуванню більш точних литих заготовок, а також більш легкої оброблюваності різанням [12].

1.2. Економно леговані стали і сплави

Раціональне використання сучасних мікролегованих матеріалів з високими показниками механічних властивостей дозволяє ефективно знижувати метало- та енергоємність, підвищувати надійність і довговічність, розширювати технічні можливості інженерних споруд і вирішувати нові завдання без технічного переозброєння виробництва.