Спеченные алюминиевые сплавы.

Алюминий и сплавы на основе алюминия.

Краткие исторические сведения об алюминии.

Название алюминия происходит от латинского ”alumen” - так еще 500 лет до н.э. называли алюминиевые квасцы, которые применялись как протрава при крашении тканей и дублении кожи.

Алюминий впервые промышленным способом был получен в 1854 г. французским химиком А.Э. Сент-Клер-Девилем. Способ заключался в восстановлении двойного хлорида алюминия и натрия Na₃AlCl₆ металлическим натрием. Алюминий похож по цвету на серебро, на первых порах ценился очень дорого.

В 1854 г. 1 кг алюминия стоил 1200 руб., тогда как 1 кг золота - 100 руб., а на грани XX века - уже 1 рубль, т.к. производство его возросло более чем в 1000 раз.

За период с 50-х годов XIX в. до настоящего времени производство алюминия увеличилось больше, чем в миллиард раз.

Характеристика алюминия.

Алюминий - легкий металл (плотность 2,7 г/см³) обладает высокими электропроводностью (2,6548 Ом·мм²/м), составляющей 65 % от электропроводности меди. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты А999 (99,999% А), высокой чистоты А995 (99,995 % А), А99 (99,99% А), А97(99,97 % А), А95 (99,95% А) и технической чистоты А85, А8, А7, А6, А5, А0 (99,0% А). Технический алюминий выпускают в виде листов, профилей, прутков и других полуфабрикатов.

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на его поверхности тонкой прочной пленки А₂О₃. Чем чище алюминий, тем выше коррозионная стойкость.

Технический алюминий применяется для элементов конструкций и деталей, не несущих нагрузки, когда требуется высокая пластичность, хорошая свариваемость, сопротивление коррозии и высокая тепло- и электропроводность. Так, например, из технического алюминия изготавливают различные трубопроводы, палубные надстройки морских и речных судов, кабели, электропровода, шины, конденсаторы, перегородки в комнатах, двери, посуду, фольгу, цистерны для молока и т.д.

Алюминий особой чистоты предназначается для исследовательских целей, а высокой чистоты - для фольги, токопроводящих и кабельных изделий, а также в химической промышленности.

В качестве конструкционных машиностроительных материалов широко используют сплавы алюминия.

Сплавы алюминия.

В машиностроении и других отраслях народного хозяйства сплавы алюминия находят широкое применение, так как эти сплавы обладают малым удельным весом при достаточной прочности. Механические свойства алюминиевых сплавов изменяются в зависимости от химического состава сплава, методов литья и термообработки отливок.

Алюминиевые сплавы имеют следующие механические показатели: предел прочности на растяжение 110…300 МПа, предел текучести - 80…200 МПа; относительное удлинение - 0,3…12 %.

Алюминиевые сплавы разделяются на деформируемые и литейные.

Деформируемые алюминиевые сплавы. Деформируемые сплавы те, которые подвергаются обработке давлением на прессах, в штампах или на прокатных станах. Среди них особенно широко распространены сплавы дуралюмины (дюралюминий). Их применяют в самолетостроении и в некоторых других областях техники, где требуется малая плотность, хорошая обрабатываемость давлением и высокие механические свойства.

Дуралюмин. Дуралюмин - это сплав Al-Cu-Mg, в который дополнительно вводится марганец. Марганец повышает стойкость дуралюмина к коррозии. В качестве примесей в нем присутствуют железо и кремний.

Железо понижает пластичность дуралюмина, образует с алюминием и медью нерастворимые соединения в алюминии, снижает эффект упрочнения при старении. Железа должно быть не более 0,5…0,7 %. Вредное влияние железа уменьшается марганцем.

Дуралюмин марки Д1 применяется очень редко, чаще используется дуралюмин Д16: (Cu = 3,8…4,9 %; Mg = 1,2…1,8 %; Mn = 0,3…0,9 %; Si = 0,5 %). Механические свойства: σ_в = 520 МПа; σ_0,2 = 380 МПа; δ = 11 %.

Дуралюмин хорошо деформируется в холодном и горячем состояниях. Для закалки Д16 нагревают до температуры 495-505 ⁰С. Нагрев до более низких температур не дает повышения механических свойств. Нагрев до более высоких температур вызывает пережог, т.е. окисление и частичное оплавление металла по границам зерен. Это приводит к снижению прочности и пластичности. Охлаждение при закалке - вода.

Для получения более высокой коррозионной стойкости дуралюмины подвергают естественному старению, которое протекает интенсивно в первые сутки после закалки и заканчивается к концу пятых суток.

Сплавы авиаль (АВ): Cu = 0,2…0,6 %; Mg = 0,45…0,9 %; Mn = 0,15…0,35 %; Si = 0,5…1,2 %. Механические свойства: σ_в = 220 МПа; σ_0,2 = 120 МПа (после закалки и естественного старения); δ = 22 %.

Эти сплавы обладают хорошей пластичностью в холодном и горячем состояниях, хорошо сопротивляются коррозии и хорошо свариваются, но имеют низкую прочность. Закалка проводится с температуры 515-525 ⁰С, охлаждение в воде, а затем подвергают старению естественному или искусственному при температуре 150 ⁰С в течение 6 ч непосредственно после закалки.

Сплавы авиаль идут на изготовление различных полуфабрикатов: листов, труб и т.д., лопастей винтов вертолетов, рам, дверей и т.п.

Высокопрочные алюминиевые сплавы: В95, В96 (σ_в=550-700 МПа).

У сплава марки В95 пластичность ниже, чем у дуралюмина, а у сплава марки В96 более высокая прочность.

Сплав В96: Сu = 2,2…2,8 %; Мg = 2,5…3,2 %; Мn = 0,2…0,5 %; Zn = 7,6…8,6 %. Механические свойства: σ_в = 670 МПа; σ_0,2= 630 МПа; δ = 7 %.

С увеличением Zn и Mg прочность сплава повышается, а его пластичность и коррозионная стойкость понижаются. Коррозионная стойкость и прочность повышаются с добавлением марганца и хрома.

Закалка этих сплавов ведется с температуры 465…475 ⁰С, охлаждение - вода, а затем подвергают искусственному старению при температуре 135…145 ⁰С в течение 16 часов. Эти сплавы хорошо деформируются как в холодном, так и в горячем состояниях.

Используются эти сплавы для изготовления отливок, силовых каркасов строительных сооружений и др. деталей, которые должны работать длительное время при температуре не выше 100…120 ⁰С.

Жаропрочные сплавы - Д20 используются для деталей, работающих при температурах до 300 ⁰С (поршни, головки цилиндров, крыльчатки, лопатки и диски компрессоров турбореактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолетов и т.д.).

Эти сплавы имеют сложный химический состав, дополнительно легируются железом, никелем, титаном. Сплав Д20 (Cu = 6…7 %; Mn = 0,4…0,8 %; Si = 0,3 %; Ti = 0,1…0,2 %; Zn = 0,27 %).

Повышенная жаропрочность достигается в результате высокого содержания меди, марганца и титана, замедляющих диффузионные процессы старения при температуре 160…175 ⁰С.

Закаливают сплав Д20 при температуре 535 ⁰С в воде и подвергают старению при температуре 160…175 ⁰С. Механические свойства: σ_в = 400 МПа; σ_0,2= 250 МПа; δ = 12 %.

Алюминиевые сплавы для ковки и штамповки. Эти сплавы обладают высокими пластическими свойствами при температуре ковки 380…450 ⁰С, хорошими литейными свойствами. Сплав АК6 рекомендуется для изготовления деталей сложной формы (фитинги, подмоторные рамы, крепежные детали и т.д.), сплав АК8 - для тяжело нагруженных деталей (лопасти винтов вертолетов, бандажи вагонов и т.д.). АК6, АК8 - алюминий ковочный, цифра ни на что не указывает.

Ковка и штамповка сплавов ведется при температуре 450…475 ⁰С. Подвергают закалке при температуре 500…575 ⁰С (сплавы АК6) или 490…505 ⁰С (АК8) с охлаждением в воде и старению при температуре 150…165 ⁰С в течение 6…15 ч.

АК8 - σ_в = 480 МПа; σ_-0,2= 380 МПа; δ = 10 %.

АК6 - σ_в = 420 МПа; σ_-0,2= 300 МПа; δ = 12 %.

Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой - это сплавы алюминия с марганцем или магнием.

Упрочняются сплавы вследствие растворения легирующих элементов в алюминии и в меньшей степени избыточными фазами. Сплавы легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью; применяются для сварных и клепанных элементов конструкций, испытывающих сравнительно невысокие нагрузки, но требующие высокой сопротивляемости коррозии.

Литейные алюминиевые сплавы - применяются для получения фасонных отливок. Эти сплавы обладают высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин, высокими механическими свойствами, хорошей сопротивляемостью коррозии и др. Поэтому содержание легирующих элементов в этих сплавах выше, чем в деформируемых. Литейные сплавы дополнительно легируют небольшим количеством меди, магния, марганца, никеля, хрома для измельчения зерна, а для улучшения механических свойств к сплавам добавляют модифицирующие элементы: Ti, Zr, B, Cl, V и другие.

По своим физико-механическим свойствам и составу алюминиевые литейные сплавы можно разделить на 5 групп.

1-ая группа. Сплавы, которые содержат более 5 % кремния и небольшое количество других составляющих, называются силуминами. Эти сплавы характеризуются хорошими литейными свойствами, хорошей герметичностью и малой склонностью к образованию горячих трещин. К этой группе относятся сплавы АЛ2 (Al+Si); АЛ3 (Al+Si+Cu+Mg+Mn); АЛ4 (Al+Si+Mg+Mn). Механические свойства: σ_0,2=90…160 МПа; δ=2...5 % в зависимости от вида термообработки. АЛ2, АЛ4 и т.д. - алюминий литейный, цифры - порядковый номер.

Наиболее распространен сплав АЛ2 с 10…13 % Si, имеющий высокую коррозионную стойкость.

При затвердевании силумина кремний выделяется в виде грубых, игольчатой формы кристаллов, снижая этим пластичность сплава. Такая структура способствует наличию низких механических свойств.

Для устранения избыточных кристаллов кремния, для измельчения структуры силумины модифицируют путем присадки к расплаву солей 67 % NaF и 33 % NaCl. Во избежание развития газовой пористости отливку силуминов следует производить под давлением в автоклавах.

2-ая группа. Сплавы, содержащие более 4 % Mg и небольшое количество других составляющих. Сплавы применяются после термической обработки. Марки этих сплавов АЛ8(Al+Mg), АЛ13 (Al+Mg+Mn+Si). У этих сплавов низкие литейные свойства, т.к. они не содержат эвтектики, обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошими механическими свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием. К этой группе относятся также сплавы АЛ22, АЛ27.

Сплавы АЛ8 и АЛ27 закаливают в масле с температуры 430 ⁰С при выдержке в течение 12-20 ч.

Применяются эти сплавы в судостроении и авиации.

3-я группа. Сплавы Al-Cu (АЛ 7, АЛ19) после термической обработки имеют высокие механические свойства при комнатной и высокой температурах и хорошо обрабатываются резанием. Литейные свойства низкие, большая усадка, склонны к образованию горячих трещин. Применяются для литья небольших деталей простой формы. Упрочнение сплавов достигают закалкой и старением при температуре 175 ⁰С в течение 3-5 ч. Эти сплавы малоустойчивы против коррозии, поэтому отливки анодируются.

4-ая группа. Сплавы, содержащие более 4 % Zn и небольшое количество других примесей. Например, марка АЛ11 (Al+Zn+Si+Mg).

5-ая группа. Сплавы, содержащие различные составляющие и обладающие повышенной жаропрочностью, но пониженными литейными свойствами. Марки таких сплавов АЛ1 (Al+Cu+Mg+Ni), АЛ20 и другие. Из них изготовляют поршни, головки цилиндров и другие детали, работающие при температурах 275…300 ⁰С. Сплав АЛ20 имеет более высокие литейные свойства по сравнению со сплавом АЛ1. Для повышения жаропрочности и измельчения структуры сплав легируют Ti, Cr и Mn. Для достижения максимальной жаропрочности отливки закаливают при 535…545 ⁰С и подвергают старению при 250…275 ⁰С.

Для крупногабаритных деталей для работы при 300…350 ⁰С применяют сплав АЛ21. Отливки сложной формы из сплава подвергают отжигу при 300 ⁰С. Для получения более высоких механических свойств отливки закаливают с 525 ⁰С в горячей воде и подвергают стабилизирующему отпуску при 300 ⁰С.

Спеченные алюминиевые сплавы.

Наиболее широко используются сплавы на основе Al-Al₂O₃, получившие название САП (спеченный алюминиевый порошок или пудра).

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

САП состоит из алюминия и дисперстных чешуек Al₂O_3, повышающих прочность из-за торможения движения дислокаций. Содержание Al₂O₃ в САП находится в приделах от 6…9 % (САП1) до 19…22 % (САП4), что приводит к повышению прочности от 300…320 МПа для САП1 до 440…460 МПа для САП4 и снижению относительного удлинения от 3…5 % до 1,5…2,0 %.

По сравнению с другими алюминиевыми сплавами материалы САП обладают высокой коррозионной стойкостью и жаропрочностью при длительном нагреве до 500 ⁰С и до 1000 ⁰С при кратковременном нагружении.

Применение находят и спеченные алюминиевые сплавы - САС.

Чаще САС применяют, когда путем литья и обработки давлением трудно получить соответствующий сплав. Спеченный алюминиевый сплав с особыми физическими свойствами, содержащими большое количество легирующих элементов, например САС1 (25…30 % Si, 5…7 % Ni и остальное Al), применяется для деталей приборов, работающих в паре со сталью при температуре 20…200 ⁰С, которые требуют низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности.