Деформируемые алюминиевые сплавы

Сплавы на основе алюминия

Алюминий, его свойства и применение в технике

 

Алюминий - металл серебристого цвета, имеющий атом­ную массу 26,98 г, температуру плавления 660 °С, модуль упругости 71000 МПа, модуль сдвига 26000 МПа. Он об­ладает высокой химической активностью, но имеет спо­собность покрываться тонкой пленкой А1₂О₃ (толщиной 1…10 мкм), которая защищает его от дальнейшего воздей­ствия окружающей среды даже в условиях влажного климата. С газами - СО, СО₂, Н₂ при обычных темпера­турах алюминий не взаимодействует. Он обладает высо­кой коррозионной стойкостью в морской воде. Во многих органических кислотах - уксусной, масляной, лимонной, винной, пропионовой, яблочной, глюконовой алюминий устойчив, но в щавелевой и муравьиной кислотах его стойкость мала. Действие кислот на алюминий зависит от их концентрации. Так, концентрированная азотная кислота не растворяет алюминий, а в разбавленной - он быстро растворяется. Незначительно растворяют алю­миний также разбавленные серная, фосфорная, хромовая и борная кислоты. В соляной, плавиковой, бромистоводородной, а также концентрированной серной кислоте алю­миний растворяется быстро. Неустойчив он и в растворах едких щелочей, однако в газовых средах и растворах со­лей, не разрушающих защитную пленку, он устойчив (в аммиаке, сероводороде, сернокислых солях многих элементов). В то же время в растворах, разрушающих защитную пленку (в присутствии солей ртути, ионов хло­ра, в кислых рудничных водах), алюминий быстро корродирует.

В зависимости от чистоты алюминий делят на не­сколько групп: особой чистоты - А999 (99,999 %), высо­кой чистоты - А995 (99,995 %), А99 (99,99 %), А97 (99,97 %), А95 (99,95 %) и технически чистый (99 %) - марки А8, А7, А6, А5, А0. Примесями в техническом алю­минии являются железо, медь, марганец, титан и др.

Технический алюминий выпускается в виде прутков, листов, проволоки и различных профилей. Широкое при­менение получил алюминий для изготовления проводов, оболочек высоковольтных кабелей. Широко используют алюминий в пищевой промышленности для изготовления различных емкостей, тонкой фольги для упаковки про­дуктов. Из фольги толщиной более 0,2 мм штампуют различные коробки, крышки.

Но еще большим разнообразием свойств и более ши­рокими областями применения характеризуются сплавы алюминия.

 

Все алюминиевые сплавы можно разделить на деформируемые, литейные, спеченные порошковые и направлен­но-закристаллизованные алюминиевые эвтектики. По­рошковые сплавы САПы и направленно-закристал­лизованные эвтектики будут рассмотрены в главе 3.

 

Большинство алюминиевых сплавов обладает хорошей пластичностью, и из них изготавливают все известные в технике полуфаб­рикаты: фольгу, листы, прутки, трубы, ребристые пане­ли, проволоку, поковки, штамповки. Эти заготовки получают методами горячей и холодной обработки: прессованием, экструдированием, ковкой, горячей штампов­кой, прокаткой и волочением.

Пластическая деформация - не только средство из­менения формы, ее используют также и для упрочнения алюминиевых сплавов.

Деформируемые алю­миниевые сплавы делят на упрочняемые старени­ем и деформацией и упроч­няемые только деформа­цией. Типичные составы и свойства упрочняемых и старением и деформа­цией дуралюминов при­ведены в табл. 15.

Таблица 15

Составы и механические свойства дюралюминов

 

Сплав	Содержание элементов, %	Механические свойства после закалки и естественного старения
Сu	Mg	Мn	s0,2, МПа	sB, МПа	d, %
Д1 Д16 Д19	4,3 4,3 4,0	0,6 1,5 2,0	0,6 0,6 0,75

_____________

* Механические свойства приведены для листового мате­риала.

**Прессованные изделия из сплавов Д1 и Д16 имеют более высокую прочность (для прутков из Д16 s_B = 530 МПа; s_0,2 = 400 МПа, d = 11 %).

 

Дуралюмин хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях. Свойства дуралюминов

При холодной деформа­ции, как правило, требу­ется промежуточный рекристаллизационный от­жиг (350…370 °С). Для упрочнения старением дуралюмины закаливают с 495…505 °С и выдерживают 4…5 дней при комнатной температуре. Изменение прочности дуралюмина в зависимости от температуры и времени ста­рения приведено на рис. 24.

Сплав Д16 применяют для изготовления конструк­ций средней и повышенной прочности, работающих в самолетов, кузовов автомобилей, а также строительных конструкций. В продовольственном машиностроении его используют для деталей сепараторов, тестомесиль­ных аппаратов и других изделий.

Кроме того, из деформируемых и упрочняемых терми­ческой обработкой можно отметить сплавы Д18 (2 % Сu; 0,35 % Мg; 0,1 % Мn) и ВАД1 (4,1 % Сu; 2,5 % Мg; 0,6 % Мn; 0,15 % Zr; до 0,06 % Тi; 0,03 % В), обладаю­щие повышенной пластичностью. Их применяют для из­готовления заклепок для самолетов и других изделий.

Рис. 24. Зависимость прочности (s_B) дуралюминов от времени

старения при различных температурах

 

Для упрочнения дуралюминов проводят термическую обработку в сочетании с последующей деформацией. Из­делия после закалки и естественного старения подверга­ют нагартовке с обжатием на 5…7 % или искусственно­му старению после закалки и нагартовки.

Деформируемые сплавы типа авиаль менее легирова­ны, чем дуралюмины. Суммарное содержание легирую­щих элементов в них не превышает 1…2 %. Сплав АВ содержит 0,7 % Мg; 0,9 % Si; 0,4 % Сu; 0,25 % Мn, сплав АД31 содержит 0,7 % Мg; 0,5 % Si, а сплав АД33 - 1,0 % Мg; 0,6 % Si; 0,3 % Сu и 0,25 % Сr. По прочности эти сплавы уступают дуралюминам, но они более пластичны. Из них изготавливают трубы, листы, лопасти вертолетов и другие изделия, требующие высо­кой пластичности в холодном и горячем состояниях. Ис­кусственное старение таких сплавов целесообразно про­водить сразу же после закалки, так как это приводит к улучшению их свойств.

Промышленностью выпускаются также высокопрочные алюминиевые сплавы, например В95 (1,4…2,0 % Сu; 1,8…2,8 % Мg; 0,2…0,6 % Мn; < 0,5 % Si; 5…7 % Zn), для которого s_B = 550 МПа и d = 8 %, а также сплав В96 (2,2… 2,8 % Сu; 2,5…3,2 % Мg; 0,2…0,5 % Мn; 7,6…8,6 % Zn; 0,1 % Сr), с s_B = 630 МПа и d = 7 %. Относительно более высокая коррозионная стойкость этих сплавов обусловлена присадками марганца и меди. Эти сплавы пластичны в горячем состоянии и удовлетворительно пла­стичны в холодном. Их применяют в самолетостроении для нагруженных конструкций, работающих при 100… 120°С.

К числу жаропрочных алюминиевых сплавов, работа­ющих при более высоких температурах (до 300 °С) отно­сятся сложнолегированные сплавы типа Д20 (6…7 % Сu; 0.4…0.8 % Мn; < 0.3 % Si; 0,1…0,2 % Тi; < 0,2 % Zr) или АК4-1 (1,95…2,5 % Сu; 1,4…1,8 % Мg; < 0,3 % Si; 0,8…1,5% Fе; 1,0…1,5 % Ni; 0,1 % Тi). Присадка титана к этим сплавам способствует замедлению их рекристал­лизации.

Алюминиевые сплавы, применяющиеся для ковки и штамповки деталей, отличаются высокой пластично­стью при температурах деформации. К их числу относят­ся АК6 (1,8…2,6 % Сu; 0,4…0,8 % Мg; 0,4…0,8 % Мn; 0,7…1,2 % Si) и АК8 (содержание меди более высокое - до 3,9…4,6 %). Ковку и штамповку этих сплавов проводят при 450…475 °С. Затем их подвергают закалке при 500… 575 °С (АК6) или 490…505 °С (АК8) и старению при 150…165 °С в течение 6…15 ч.

К числу деформируемых сплавов, не упрочняемых термической обработкой, относятся бинарные сплавы алюминия с марганцем или магнием. Сплавы эти обозна­чаются как АМц (с 1,0…1,6 % Мn) либо АМг2, АМг3, АМг5, АМг6 (содержат обычно от 2 до 6 % Мg, содержа­ние которого указывает цифра в маркировке, кроме то­го в них содержится 0,3…0,8 %Мn).

Различные деформируемые алюминиевые сплавы применяются для изготовления деталей реактивных и турбовинтовых двигателей самолетов, деталей конст­рукций ракет и искусственных спутников земли. Оболоч­ка первого искусственного спутника была изготовлена из алюминиевого сплава. Кроме того, их применяют также для изготовления корпусов судов, причем, в отличие от ста­ли, они не обрастают ракушками. Во Дворце съездов в Москве из анодированного алюминия сделаны гофри­рованные потолки, перила, дверные проемы. Алюминие­вые сплавы со стеклом и бетоном использованы также при строительстве Внуковского, Домодедовского и Шере­метьевского аэродромов.

В продовольственном машиностроении из алюминие­вых сплавов делают цистерны, различные емкости, дета­ли холодильных агрегатов. Из деформируемых сплавов АД, АД1, Д16, АМц и др. в продовольственном машино­строении изготавливают различные сварные конструк­ции технологического оборудования. Сплав АМг3 и дру­гие сплавы систем Аl - Мg и Аl - Si используют для транспортных систем в сахарной промышленности, для труб теплообменных аппаратов в сатураторных уста­новках.