Микроструктура и свойства алюминиевых сплавов.

Алюминий (ГОСТ 11069-74) относится к легким металлам, плотность которых не превышает 3 г/см³. Плотность алюминия g=2,7 г/см³, низкая температура плавления 600⁰ С. Алюминий не имеет аллотропических превращений, обладает высокой теплопроводностью и сравнительно высокой электропроводностью, составляющей 65% от величины электропроводности меди.

Таблица 5

Марки первичного алюминия (ГОСТ 11069-74)

Марка алюминия	Al,% не менее	Количество примесей %
Особой чистоты
А999	99,999	0,001
Высокой чистоты
А995	99,995	0,005
А99	99,99	0,01
А97	99,97	0,03
А95	99,95	0,05
Технической чистоты
А85	99,85	0,15
А8	99,8	0,20
А7	99,7	0,30
А6	99,6	0,40
А5	99,5	0,50
А0	99,0	1,0

Алюминий быстро окисляется на воздухе, при этом образуется очень тонкая окисная пленка Al₂ O₃, надежно защищающая металл от дальнейшего окисления.

В промышленности применяется, хотя и ограниченно, алюминий технической частоты: электрические провода, техническая и пищевая фольга для обертки конфет.

Алюминий в основном используют как основу таких сплавов как дуралюмины, силумины и др. Эти сплавы, как правило, отличаются высокой удельной прочностью (s_в/g).

В таблице 5 представлены марки первичного алюминия различной частоты.

Прочность алюминия низка, пластичность - высокая. Прокатанный и отожженный алюминий высокой частоты имеет.

Алюминий высокой чистоты имеет s_в=58 МПа; s_0,2=20 МПа; твердость 25 НВ; Y=85%,d=40%.

Постоянными примесями алюминия являются железо и кремний.

Дуралюмины (ГОСТ 4784-74) - сплавы алюминия с медью (3,8-5,7%), магнием (0,4-1,8%). Марки дуралюмина Д1 и Д16 - деформируемые сплавы. Медь является основным упрочняющим легирующим элементом в дуралюминах. Поэтому для упрощения все процессы, происходящие в структуре дуралюминов, рассматривают по диаграмме состояния двойных сплавов Al-Cu. На рис 1 приведена диаграмма состояния Al-Cu.

Рис.1.Диаграмма состояния Al-Cu.

Структура дуралюмина в отожженном состоянии представляет собой a-твердый раствор замещения меди в алюминии, по границам зерен которого располагаются мелкодисперсные выделения CuAl₂. При комнатной температуре растворимость меди составляет 0,2%. В результате нагрева до 500⁰ С основное количество частиц CuAl₂ растворяется в a- твердом растворе. При закалке в воде мелкодисперсные частицы CuAl₂ не успевают выделиться и остаются в a-твердом растворе, пересыщая его медью.

В перенасыщенном a-твердом растворе меди в алюминии при комнатной температуре начинаются процессы, обуславливающие распад - выделение из a-твердого раствора мелкодисперсных частиц CuAl₂ . Этот процесс происходит в течение 4-6 суток и называется естественным старением. При этом плотность сплава повышается более чем в два раза за счет выделения из a-твердого раствора очень мелких и твердых частиц CuAl₂.

В промышленности естественное старение часто заменяют искусственным. При этом закаленный сплав нагревают до 150-200⁰ С и выдерживают в течение двух часов.

В табл. 6 представлены свойства дуралюмина Д1 после отжига и закалки с последующим старением.

 

Таблица 6

Механические свойства дуралюмин

Марки	Состояние, полуфабрикат	sв, МПа	s0,2, МПа	d,%
Д1	Отжиг Закалка+старение Прутки лист

Силумины - сплавы алюминия с кремнием (4-13%), магнием (0,2-0,8%), марганцем (0,2-0,8%), медью (1-3%). Силумины - распространенные литейные алюминиевые сплавы, применяемые только в литом виде (например, при изготовлении головок и крышек двигателей внутреннего сгорания, поршней корпусов двигателей мотоциклов и мотороллеров).

Для получения плотной отливки применяют сплавы с узким интервалом кристаллизации.

Симулины подвергаются термической обработке (закалке с последующим искусственным старением) с целью повышения механических свойств.

Температура нагрева под закалку у литых сплавов выше, чем у деформируемых, и выдерживать отливки при этой температуре нужно более длительное время, что обусловлено необходимостью растворения грубых интерметаллических соединений, которые часто располагаются по границам зерен, и выравнивания концентрации по всему объему зерна.

Упрочнение литых алюминиевых при нагреве под закалку объясняется растворением интерметаллических соединений CuAl_2, MgSi, Al₃Mg₂ с получением в закаленном состоянии пересыщенного твердого раствора.

Однако высококремнистые сплавы слабо упрочняются в результате закалки и старения, но механические свойства этих сплавов можно существенно повысить при помощи особой обработки в жидком состоянии. Обычный силумин содержит 12-13% Si, а по структуре относятся к заэвтектическим сплавам. Структура такого сплава состоит из игольчатой грубой эвтектики Al+Si и включений первичного кремния (рис. 2, а). Если в сплав перед заливкой в форму внести смесь, состоящую из 2/3 NaF+1/3 NaCl, то структура резко изменится.

 

Рис.2.Микроструктура литейных сплавов алюминия Х200

а - немодифицированный силумин; б - модифицированный силумин

 

Сплав становится доэвтектическим и структура его состоит из светлых первичных кристаллов алюминия и мелкозернистой эвтектики (рис. 2, б). Такой процесс обработки жидкого расплава называется модифицированием.

Введение модификатора (в количестве примерно 1% от массы жидкого расплава) затрудняет кристаллизацию кремния, температура кристаллизации кремния и эвтектики понижается, а, следовательно, продукты кристаллизации становятся более дисперсными.

Отсутствие первичных кристаллов кремния и измельчение структуры улучшает механические свойства модифицированного силумина. Немодифицированный силумин с 13% Si имеет s_в=140 МПа, d=3%. Модифицированный s_в=180 МПа, d=8%.

Двойные алюминиево-кремниевые сплавы, несмотря на хорошие литейные свойства, обладают невысокими механическими свойствами. Поэтому, например, алюминиево-кремниевый сплав АЛ2 применяют для отливок, которые не претерпевают больших напряжений в процессе эксплуатации. При более высоких требованиях к прочностным свойствам используют силумины с добавлением меди, магния и марганца (сплавы АЛ3, АЛ4, АЛ5, АЛ6 - табл. 7).

Маркировка сплава АЛ расшифровывается следующим образом: А - сплав алюминиевый, Л - литейный, цифра - порядковый номер в ГОСТе.

Таблица 7

Химический состав алюминиевых сплавов.

Марка	Основные компоненты,%	Примеси,не более Sприм.
Mg	Si	Mn	Cu
АЛ2	-	10-13	-	-	2,2-2,8
АЛ4	0,17-0,30	8,5-10,5	0,25-0,50	-	1,1-1,7
АЛ9	0,2-0,4	6,0-8,0	-	-	1,0-1,9
АЛ3	0,2-0,8	4,0-6,0	0,2-0,8	-	1,3-1,8
АЛ6	-	4,5-6,5	-	2,0-3,0	1,8-2,0

 

Свойства алюминиевых литейных сплавов представлены в таблице 8.

 

Таблица 8

Механические свойства алюминиевых литейных сплавов

 

Марка	Вид литья	Термическая обработка	sв, Мпа	s0,2 МПа	d,%	Твердость HB	Плотность г/cм3
АЛ2	В землю	-					2,65
АЛ4	В землю	Закалка+старение					2,65
АЛ9	В землю	Закалка+старение					2,68
АЛ6	В землю	Закалка+старение					2,76
АЛ7	В землю	Закалка+старение					2,81

 

АЛ2 - нормальный силумин, сплавы АЛ4 и АЛ9 - силумины с повышенным содержанием кремния и с небольшими добавками магния и марганца.

Сплавы АЛ3, АЛ5, АЛ6 - низкокремнистые силумины, дополнительно легированные медью, обладающие худшими литейными свойствами, но более высокими механическими свойствами, чем обыкновенный силумин.