Классификация алюминиевых сплавов.

Сплавы алюминия разделяются на литейные, применяемые в виде отливок, и деформируемые, катаные, прессованные и т.д.

Литейные славы отличаются повышенным содержанием легированных примесей и имеют в структуре эвтектику, которая обеспечивает у них низкую температуру плавления и жидкотекучесть.

Деформируемые сплавы имеют более низкое содержание легированных примесей. Находясь в твердом растворе, легирующие элементы позволяют получать достаточно пластичные, особенно в нагретом состоянии сплавы и производить их термическую обработку.

Литейные сплавы алюминия широко применяются для фасонного литья. Они должны обладать хорошей жидкотекучестью, малой усадкой, высокой прочностью, создаваемой модифицированием и термической обработкой; хорошей обрабатываемостью режущим инструментом.

Основными элементами литейных сплавов являются Si, Cu, Mg и Zn, присутствие значительного числа которых в различных комбинациях обеспечивает упрочнение при старении.

Mn, Ni и Cr добавляются в эти сплавы в небольших количествах, оказывают меньшее влияние на их прочность, но повышают коррозионную стойкость и жаропрочность.

Присадки Ti, Cr и Be придают алюминиевым сплавам мелкозернистость, вязкость, прочность.

Литейные сплавы обозначают АЛ с цифрой, указывающей их условный номер. Но есть жаропрочный литейный алюминиевый сплав, например, В300: где буква В указывает, что отливки изготавливаются из вторичного алюминия. Данный сплав содержит 0,8-1,5% Mg, 0,18-0,30 Mn; 4,6-6,0 Cu; 2,6-3,6 Ni; 0,1-0,5 Cr.

Литейные сплавы Al с Si эвтектического и доэвтектического типа с невысокой температурой плавления обладают хорошей жидкотекучестью, хорошо заполняют форму и дают малую усадку.

Для улучшения свойств силуминов, их модифицируют смесью 62,5% NaCl+25%NaF+12,5%KCl. Этот модификатор добавляют в жидкий сплав при температуре 730-740⁰С за 10-12 мин. До разливки металла.

Недостатками силуминов типа АЛ2 [Si 10-13%] является образование в отливках оксидов; большая газонасыщенность и пористость отливок, снижение ударной вязкости при загрязнении железом, вызывающим образование в микроструктуре хрупких, игольчатых (пластинчатых) составляющих. Кроме того, отливки насыщены газом и пористы. Кристаллизация под давлением снижает газонасыщенность и пористость.

Механические свойства и обрабатываемость силуминов повышает добавка Си.

Присадка Mg, Cu и Zn значительно упрочняет силумины путем термической обработки, заключающейся в закалке при 520-530⁰С и искусственное старение в течение 10-20 часов при 150-180⁰С.

При этом такие соединения как Mg₂Si; CuAl₂; MgZn₂; CuMgAl₂ и другие растворяются в алюминии и могут быть сохранены в твердом растворе путем закалки.

Двойные сплавы алюминия с медью, например, АЛ7 (4,0-5,0 Си) уступают по качеству силуминам.

Более высокие механические свойства и коррозионную стойкость имеет Al-Mg сплав АЛ8 (9,5-11,5 Mg), предел прочности которого после закалки достигает σ_в=30кГ/мм²) при удлиненном d=12%, но литейные свойства у него хуже, чем у силуминов.

Алюминиевые сплавы широко применяются для изготовления автомобильных поршней. По сравнению с серым чугуном преимуществом этих сплавов является высокая теплопроводимость, низкий удельный вес и хорошая обрабатываемость. Однако, чугун более износостоек.

Деформируемые сплавы алюминия должны обладать высокой прочностью и способностью подвергаться пластической деформации. Структура деформируемых сплавов Аl состоит из твердого раствора на алюминиевой основе и избыточных фаз.

Наиболее распространенными являются сплавы типа дуралюмина, имеющие после термообработки высокую прочность. Маркируются они буквами Д или В, а кованые сплавы буквой К, цифра обозначает номер сплава.

После термической обработки прокатанный и отожженный дуралюмин, например, Д1 [3,8-4,8 Cu, Mg 0,4-0,8, Mn 0,4-0,8, прочие примеси 0,1] имеет сравнительно невысокие механические свойства. Структура его содержит a - твердый раствор на основе алюминия, светлые выделения CuAl₂ и фазы S, т.е.(CuMgAl₂) и темные включения нерастворимых соединений Fe.

Путем закалки и старения можно повысить механические свойства дуралюмина.

Закалка дуралюмина производится обычно путем нагрева его в соляных ванных или электрических печах до температуры около 495-510⁰С для перевода CuAl₂ и фазы S, т.е. CuMgAl₂ в твердый раствор с последующим быстрым охлаждением в воде.

Для различных марок дуралюмина закалочные температуры различны, причем интервал очень узок, например, Д1 505-510 ^оС, что осложняет практику их термообработки.

В результате быстрого охлаждения у дуралюмина легко фиксируется структура пересыщенного (неустойчивого) твердого раствора и темных нерастворившихся соединений Fе. Твердость и прочность дуралюмина при этом не меняются.

Старение дуралюмина при 20 ^оС, т.е. естественное старение, обеспечивает в течение 4х-5-ти суток наиболее высокие его механические свойства – предел прочности σ_в до 43 кГ/мм² (422Мн/мм²).

При искусственном старении может наблюдаться разупрочнение из-за процесса коагуляции выделяющихся фаз. Предел прочности на растяжение и твердость состаренного дуралюмина можно еще повысить [σ_в до 55 кГ/мм², НВ до 160] путем холодной обработки давлением, но относительное удлинение при этом сильно уменьшается.

Основной причиной повышения прочности и твердости дуралюмина при старении является перегруппировка в твердом растворе атомов Cu, что создает напряжения и дробит блоки твердого раствора. Из деформированных сплавов алюминия наиболее прочны сплавы системы Al-Cu-Mg-Zn, например, сплав В95 [1,7 Си; 2,3 Mg; 0,4 Mn; 0,2 Cr; Zn 6, прочие примеси 0,1] после закалки при 450 ^оС и длительного искусственного старения при 120-150 ^оС в течение 10-20 часов имеет σ_в ≈ 60 кг/мм² (588 Мн/м²). Однако, он обладает повышенной, по сравнению с Д1 и Д16 склонностью к коррозии. Кроме того, механические свойства В95 быстро понижаются при повышении температуры.

Крупным недостатком сплавов типа дуралюмина является их низкая коррозионная стойкость, особенно в морской воде. Чтобы предохранить эти сплавы от коррозии, изделия подвергают плакированию. Покрывают заготовку из дуралюмина с обеих сторон тонкими листами самого чистого алюминия, нагревают ее и прокатывают до требуемой толщины. В результате на поверхности образуется равномерный слой чистого алюминия (толщиной 4% от общей толщины), очень стойкого против коррозии.

Для штампованных деталей повышенной жаропрочности применяются сплавы АК2 и АК4 [3,5-4,5 Cu; 0,4-0,8 Mg; 1,8-2,3 Ni; Si 0,5-1,0; Fe 0,5-1,0 и 0,1 прочие примеси] и [1,9-2,5 Cu; Mg 1,4-1,8; 1,0-1,5 Ni; 0,5-1,2 Si; 1,1-1,6 Fe; 0,1 прочие] соответственно, в которые добавляется 0,1-0,12% Ti для создания мелкозернистости благодаря образования мельчайших частиц Al₃Ti и для облегчения обрабатываемости режущим инструментом.

Широко применяются сплавы авиаль (АВ). По прочности они уступают дуралюминам, но обладают лучшей пластичностью в холодом и горячем состояниях, [0,1-0,5 Cu; 0,45-0,9 Mg; 0,15-0,35 Mn; 0,5-1,2 Si] обладают высокой общей сопротивляемости коррозии, но склоны к межкристаллической коррозии.

Не все деформированные алюминиевые сплавы упрочняются термообработкой. Не упрочняются сплавы Al с Mn или Mg, например, АМц – это твердый раствор Mn в Al, в котором в небольшом количестве имеются частицы соединения Al₆Mn [1,0-1,6 Mn] или АМг2 [0,2-0,6 Мн; 1,8-2,8 Mg]. Сплавы АМг и АМц применяют в отожженном состоянии, т.к. эффект закалки и старения невелик. Прочность повышают нагартовкой, но пластичность при этом несколько снижается.

Сплавы применяются для сварных и клепаных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и требующих высокого сопротивления коррозии.

Подшипниковые сплавы алюминия должны обладать высокими антифрикционными свойствами. Основными элементами таких сплавов являются Sn; Cu; Ni; Si, образующие с алюминием гетерогенные структуры.

В настоящее время широко используют спеченные алюминиевые сплавы на основе Al-Al₂O₃ (САП – спеченные алюминиевый порошок).

Подобные сплавы получают путем холодного брикетирования алюминиевого порошка (пудры), вакуумной дегазации брикетов (отжига) и последующего спекания нагретых брикетов под давлением.

По сравнению с другими алюминиевыми сплавами САП обладают высокой жаропрочностью при длительном нагреве до 500 ^оС. Кроме того, изготавливают САС (спеченные алюминиевые сплавы) с высоким содержанием легирующих элементов. САС обладают особыми физическими свойствами [например, САС1 25-30% Si, 5-7% Ni и Al применяют для деталей, работающих в паре со сталью при температуре 20-200⁰С, которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности].