Химический состав и механические свойства сплавов после закалки и старения
Сплав | Содержание элементов, % | Свойства | |||||||
Cu | Mg | Mn | Si | другие | sВ, МПа | d, % | НВ | ||
Д1 | 3,8 – 4,8 | 0,4 – 0,8 | 0,4 – 0,8 | 0,7 | – | ||||
Д16 | 3,8 – 4,5 | 1,2 – 1,8 | 0,3 – 0,9 | 0,5 | – | ||||
Д18 | 2,2 – 3,0 | 0,2 – 0,5 | – | – | – | ||||
В95 | 1,4 – 2,0 | 1,8 – 2,0 | 0,2 – 0,6 | 0,5 | 5 – 7 Zn до 0,25 Сг | ||||
АК6 | 1,8 – 2,6 | 0,4 – 0,8 | 0,4 – 0,8 | 0,7 – 1,2 | – | ||||
АК8 | 3,9 – 4,8 | 0,4 – 1,0 | 0,4 – 1,0 | 0,6 – 1,2 | – | ||||
АК4-1 | 1,9 – 2,5 | 1,4 – 1,8 | – | 0,35 | 0,8 – l,5 Fe 1,0 – 1,5 Ni до 0,1 Ti | ||||
Д20 | 6 – 7 | – | 0,4 – 0,8 | 0,3 | до 0,2 Ti до 0,27 Zr | ||||
Ковочные сплавы (см. табл. 3) отличаются высокой пластичностью при температуре ковки и горячей штамповки (450 – 475°С). Они относятся к системе «алюминий – медь – кремний – магний – марганец» и маркируются буквами «АК». Их подвергают закалке и искусственному старению при 150 – 165°С в течение 4 – 12 ч.
Сплав АК6 широко применяется для изготовления штампованых и кованых деталей сложной формы (картеры, крыльчатки компрессоров двигателей, кронштейны и др.). Сплав АК8 отличается большей прочностью, но хуже обрабатывается давлением в горячем состоянии и применяется для штамповки тяжелонагруженных деталей менее сложной формы (подмоторные рамы, стыковые узлы, лопасти винтов вертолетов и т. п.). Сплав АК8 менее технологичен и склонен к межкристаллитной коррозии в искусственно состаренном состоянии.
Жаропрочные ковочные сплавы (см. табл. 3) используют для изготовления деталей, работающих при повышенных значениях температуры (до 200 – 300°С), к ним относятся АК2, АК4, АК4-1, Д20 и др. Они дополнительно легированы железом, никелем, титаном – элементами, затрудняющими диффузию при нагреве в процессе эксплуатации и тем самым замедляющими разупрочнение сплавов. В результате закалки и искусственного старения из пересыщенного твердого раствора выделяются дисперсные частицы упрочняющих фаз сложных химических составов. Эти частицы устойчивы против коагуляции, что обеспечивает повышенную жаропрочность. Из сплава АК4-1 изготавливают лопатки, крыльчатки, диски компрессоров и другие детали турбореактивных двигателей, а также листы и панели конструкций фюзеляжей сверхзвуковых самолетов.
Высокой жаропрочностью обладает сплав Д20, используемый для деталей, длительно работающих при температуре 250 – 350°С. Повышенная жаропрочность обеспечивается высоким содержанием меди, наличием марганца и титана, замедляющих диффузионные процессы.
4.1.2. Порошковые сплавы алюминия
Это спеченные алюминиевые порошки (САП) и сплавы (САС).
САП – деформируемые жаропрочные материалы, их получают путем прессования и спекания алюминиевого порошка и окиси алюминия. Из брикетов изготавливают листы, прутки, трубы, профили и другие полуфабрикаты. САП хорошо обрабатываются резанием, свариваются, обладают высокой коррозионной стойкостью и термической стабильностью. По жаропрочности они значительно превосходят другие алюминиевые сплавы при температуре до 300 – 500°С, а максимальная температура кратковременной эксплуатации – 700 – 1000°С.
Высокая жаропрочность САП обеспечивается наличием окисной пленки на поверхности мелкодисперсных (0,1 – 0,01 мкм) частиц алюминиевого порошка. Содержание окиси алюминия в сплавах – от 6 – 9 (САП1) до 18 – 22 % (САП4). С увеличением количества частиц окиси алюминия повышаются предел прочности сплава от 320 до 460 МПа и его жаропрочность.
САП1 хорошо обрабатывается давлением (ковка, штамповка, прессование, прокатка) при 450 – 570°С. Предел прочности САП1 можно значительно увеличивать с 320 до 410 МПа нагартовкой (наклепом). САП2, САП3, САП4 удовлетворительно прессуются, хуже прокатываются и штампуются при высокой температуре.
САП рекомендуется применять для деталей, работающих в условиях сильного коррозионного воздействия (паровоздушная среда при 350°С).
САС – спеченные алюминиевые сплавы, получают брикетированием и деформированием порошков алюминия с порошками кремния, никеля, хрома и т. д. Иногда количественное соотношение порошков соответствует составу стандартных алюминиевых сплавов, и до температуры 200 – 300°С они обладают жаропрочностью. Так, сплавы Д16П, АК4П (П – порошковый) имеют более высокую длительную прочность при нагреве по сравнению с Д16 и АК4.
САС могут обладать особыми физическими свойствами за счет изменения своего состава. САС1 (25 – 30 % кремния, 5 – 7 % никеля, остальное – алюминий) обладает сочетанием низкого коэффициента линейного расширения с малой теплопроводностью. Это позволяет использовать его для выполнения деталей, работающих при 20 – 200°С в паре со стальными. В таком сочетании не возникает значительного термического напряжения при нагреве.
Изделия из САС не имеют технологических дефектов, связанных с литьем (окисные и шлаковые включения, ликвация) и обработкой давлением (анизотропия свойств, плены и др.). Для них не нужен гомогенизирующий отжиг.
4.1.3. Литейные сплавы алюминия
Для получения отливок используется большое количество сплавов, которые делятся на группы в зависимости от состава, технологии литья и получаемых свойств.
Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористостью в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии и т. п. Их маркируют буквами «АЛ» (алюминиевый литейный) и номером сплава. В зависимости от условий получения и применения отливки подвергают термической обработке по одному из восьми режимов, которые обозначают буквой «Т» и номером (Т1, Т2, Т3, ... Т8). Например, АЛ20 (Т2), где Т2 – отжиг при 300°С для снятия внутреннего напряжения и стабилизации размеров.
Силумины – сплавы алюминия с кремнием, обладают хорошими литейными свойствами (табл. 4). Высокая жидкотекучесть, малая усадка, низкая склонность к образованию горячих трещин, хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов. Силумины обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошо свариваются и имеют низкую плотность – 2,65 г/см3 (2650 кг/м3); при легировании медью хорошо обрабатываются на станках.
Сплав АЛ2 содержит 10 – 13 % кремния, по диаграмме – заэвтектический. Структура состоит из эвтектики и крупноигольчатых кристаллов кремния, которые снижают пластичность и прочность сплава. Для улучшения структуры и повышения свойств силумины модифицируют фтористыми и хлористыми солями натрия. Натрий сдвигает эвтектическую точку диаграммы вправо вниз, и сплав становится доэвтектическим. Строение эвтектики измельчается, а вместо кристаллов кремния в структуре появляются кристаллы мягкой и пластичной фазы – твердого раствора. Это приводит к увеличению пластичности до 10 – 12 % и прочности – до 180 – 200 МПа. Сплав АЛ2 термическому упрочнению не подвергается. Из него отливают тонкостенные детали сложной формы и детали, испытывающие ударные нагрузки, к которым предъявляются повышенные требования по коррозионной стойкости.
Силумины легируют магнием, медью, марганцем, титаном и др. Наибольшее применение получили сплавы с магнием (АЛ9), магнием и марганцем (АЛ4). Легированные силумины применяют для средних и крупных литых деталей ответственного назначения (корпусы компрессоров, картеры, головки цилиндров и т. п.). Их используют для литья под давлением тяжелонагруженных деталей (блоков цилиндров, головок блоков автомобильных двигателей).
Сплавы алюминия с медью АЛ7, АЛ19 (см. табл. 4) характеризуются высокой прочностью при обычной и повышенной (до 300°С) температуре, хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Литейные свойства низкие (большая усадка, низкая герметичность), что объясняется отсутствием в их структуре эвтектики. Литейные и механические свойства улучшаются при легировании титаном и марганцем (АЛ19). Эти сплавы используются для отливок простой формы. Их часто анодируют, так как сплавы имеют низкую коррозионную стойкость.
Магналины – сплавы алюминия с магнием (АЛ8), обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошей обрабатываемостью резанием. Литейные свойства низкие. Легирование сплавов титаном, цирконием и бериллием (АЛ27) устраняет склонность к окислению и увеличению зерна, повышает вязкость и пластичность (см. табл. 4). Магналины широко применяют для изготовления деталей, работающих в условиях высокой влажности в судо-, ракето-, приборо- и авиастроении.
Жаропрочные литейные сплавы (см. табл. 4). Наибольшее применение получил сплав АЛ1 (алюминий – магний – медь – никель с добавками хрома), из которого изготавливают головки цилиндров и другие детали, работающие при температуре 275 – 300°С. Отливки используют после закалки и кратковременного старения при 175°С (Т5), поршни подвергают закалке и старению при 290°С (Т7).
Таблица 4