Алюминий и его сплавы.
Алюминий— металл серебристого цвета с плотностью 2,7 Мг/м3 и температурой плавления 660 °С; имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку; не имеет полиморфных превращений.
Алюминий характеризуется высокими тепло- иэлектропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах. Последнее объясняется способностью алюминия на воздухе покрываться прочной оксидной пленкой Аl2О3, защищающей металл от дальнейшего окисления. Алюминий характеризуется высокой пластичностью, хорошо обрабатывается давлением. Механические свойства прокатанного и отожженного алюминия высокой чистоты: σв = 58 МПа; σ0,2 = 20 МПа; δ = =40 %; φ = 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 ихром, 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 позволяют 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 идет как упаковочный материал, увеличилось 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 неупрочняемые термической обработкой.
К термически неупрочняемым сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц) и с магнием — магналии (АМг2, АмгЗ, АМгб и др.). Сплавы эти 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: = 130 МПа (в отожженном состоянии) и 220 МПа (в нагартованном); δ=23 и 5 % соответственно. Сплав АМгб в отожженном состоянии имеет σв=340 МПа, = 18%, а в нагартованном — σв = 400 МПа, δ = 10%.
К термически упрочняемым относят следующие алюминиевые сплавы: на основе системы Аl—Сu—Mg (дуралюмины Д1, Д16 и др.; σв = 410...540 МПа, δ =11... ...15%); на основе А1—Сu—Mg—Si (авиали типа АВ; σв = 220МПа, δ = 22%); на основе А1—Сu—Mg—Zn (высокопрочные сплавы В95, В96; σв = 550...700 МПа, δ =7...8%); на основе А1—Mg—Ni—Si (жаропрочные сплавы АК4-1, Д20; σв =430 МПа, δ = 12 %) и на основе А1—Сu—Mg—Мп (ковочные сплавы АК-6, АК-8; σв =480 МПа, δ = 10 %) и др.
Наибольшую известность 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. 80). 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.
Рис. 80. Диаграмма стояния системы алюминий - медь.
Любой сплав, содержащий 0,5-5,5% Си, можно перевести в однофазное состояние α- твердого раствора соответствующим нагревом выше линии FЕ. Это состояние фиксируется быстрый охлаждением при закалке. Полученный таким образок твердый раствор при содержании в нем меди более 0,5% является пересыщенным.
Рис. 81. Микроструктура алюминиевого сплава с 4% Cu:
а – отожженного; б – закаленного.
Состояние пересыщенного твердого раствора неустойчиво. Поэтому при комнатной температуре с течением времени в твердом растворе закаленного сплава самопроизвольно начинают протекать процессы, подготавливающие выделение избыточной меди в виде CuAl2. Сущность этих процессов состоит в том, что внутри зерен α- твердого раствора происходит перераспределение атомов меди и их скопление в отдельных местах кристаллической решетки твердого раствора. В результате образуются зоны, богатые медью (зоны Гинье-Престона), которые нарушая правильность строения кристаллической решетки α- твердого раствора, создают в ней внутренние напряжения. Благодаря действию этих напряжений, твердость и прочность сплава возрастают, а пластичность снижается.
Такой процесс повышения прочности, происходящий самопроизвольно в закаленном сплаве при комнатной температуре называется естественным старением.
При естественном старения (20°С) прочность становится максимальной через 4-5 сут после закалки, причем скорость упрочнения в первые часы значительно меньше, чем в последующие.
Начальный период, характеризующийся отсутствием или весьма слабым повышением прочности, называется инкубационным периодом. Инкубационный период имеет важное технологическое значение, так как в этот момент сплав обладает большой способностью к пластической деформации и закаленные детали можно подвергать разнообразным технологическим операциям, связанным с деформацией (правка изделий, гибка, отбортовка и др.). Через 2-3 ч эта способность пластически деформироваться начинает уменьшаться и затем исчезает совсем.
Микроструктура закаленного и естественно состаренного алюминиевого сплава с 4%меди ничем не отличается от микроструктуры этого сплава после закалки. Объясняется это тем, что изменения, происходящие в строении сплава при естественном старении, связаны лишь с перемещениями атомов внутри твердого раствора, без выделения вторичной фазы CuAl2, поэтому такие изменения металлографически не обнаруживаются.
Основным недостатком естественного старения является очень большая длительность процесса (4-5 сут ).С целью ускорения применяют искусственное старение, состоящее в нагреве закаленного сплава до температур 150-250°С, выдержке несколько часов и последующего охлаждения на воздухе.
При искусственном старении, по сравнению с естественным, изменения в строении сплава не останавливаются на образовании зон Гинье-Престона. В зависимости от температуры нагрева и времени выдержки вслед за появлением зон Гинье-Престона происходит преобразование части их во вторичные фазы (CuAl2 и др.) и выделение этих фаз из α-твердого раствора. Иначе говоря, при искусственном старении происходит распад пересыщенного α - твердого раствора с выделением вторичных фаз. Выделившиеся в тонкодисперсной форме вторичные фазы блокируют плоскости скольжения в зернах сплава, что препятствует деформированию и сплав упрочняется.
Наблюдаемое после максимума разупрочнение (снижение прочности), связано с завершением процесса распада α- твердого раствора, т.е. окончательным выделением из него вторичных фаз и их дальнейшим ростом. Поэтому при искусственном старении необходимо строго соблюдать режим термообработки, чтобы не допустить разупрочнения сплава.
Литейные сплавы должны иметь высокую жидкотекучесть, минимальную склонность к образованию усадочных и газовых пустот, трещин, раковин, должны хорошо свариваться и обрабатываться резанием. Лучшими литейными свойствами обладают эвтектические или близкие к ним по составу сплавы. Поэтому широкое распространение получили сплавы алюминия с элементами, которые образуют с ним легкоплавкие эвтектики. К. их числу относятся сплавы А1 — Si, А1 — Сu, Al — Mg, А1 — Сu — Mn, A1 — Сu — Мn — Mg и другие.
Сплавы на основе системы Al — Si называются силуминами. Они характеризуются большой жидкотекучестью и малой объемной усадкой при кристаллизации. Двойные силумины АЛ2 содержат 10... 13 % кремния. Как видно из, диаграммы состояния системы Al — Si, эти сплавы близки к эвтектическим.
Силумины с эвтектикой грубоигольчатого строения из-за высокой хрупкости кремния имеют низкие механические свойства (σв=120...160 МПа, δ=1...2 %). Для повышения прочности и пластичности такие силумины модифицируют. В расплав перед заливкой в формы вводятся небольшие добавки натрия (0,05... 0,08 %) или кальция, бора и некоторых других элементов. Обычно используют модификатор, состоящий из смеси
2/3NaF+1/3NaCl. Модифицирование способствует улучшению механических (σв = 170...200 МПа, δ = 3...5 %) и литейных свойств силуминов. Модифицирование силуминов с пониженным количеством кремния малоэффективно.
Двойные модифицированные силумины характеризуются малой плотностью, хорошо свариваются, коррозионно-стойкие. Их недостатком является большая склонность к газонасыщению и, как следствие, к образованию окисных пленок, газовых раковин и пористости в массивных стенках отливки. Кроме того, они плохо обрабатываются резанием. Из них отливают мало-нагруженные детали повышенной коррозионной стойкости, работающие при температурах не выше 200 °С (детали приборов, корпуса водяных насосов и т. п.).
Для повышения механических и технологических свойств двойные доэвтектические силумины (4..10 % Si) легируют магнием, медью, марганцем и подвергают термической обработке. Широко применяются сложные силумины следующих систем: А1 — Si — Mg, Al — Si — Сu, Al — Si — Mg — Сu.
Силумины с добавками магния АЛ9 (6...8 % Si; 0,2... 0,4 % Mg) и АЛ4 (8...10 % Si; 0,17...0,3 % Mg) относятся к системе А1 — Si — Mg. Сплавы этой группы могут быть упрочнены термической обработкой. Например, в результате закалки в горячей воде (50...100°С) с температуры (535±5) °С и отпуска (искусственное старение) при 175 °С предел прочности сплава АЛ4 повышается с 150...170 МПа до 240...260 МПа за счет выделения при отпуске из α-твердого раствора высокодисперсных упрочняющих частиц Mg2Si (силицид магния) . Силумины АЛ4 и АЛ9 применяются для изготовления средненагруженных деталей повышенной коррозионной стойкости (АЛ4 — блоки цилиндров, картеры и корпуса различных агрегатов) или обладающих высокой стабильностью размеров (АЛ9 — тормозные барабаны, головки блоков и др.).
Вопросы для повторения раздела.
1. Каковы основные свойства и области применения алюминия?
2. Как классифицируются алюминиевые сплавы?
3. В чем сущность естественного старения?
4. Какие свойства должны иметь литейные сплавы?
5. Укажите назначение силуминов в зависимости от легирующих элементов.
Дата добавления: 2016-12-16; просмотров: 2069;