Класифікація алюмінієвих сплавів
Залежно від способу виробництва промислові алюмінієві сплави діляться на спечені, ливарні і деформуючі. [2]
Ливарні сплави зазнають евтектичну перетворення, а деформуються - ні.
Останні в свою чергу бувають термічно незміцнюючих (сплави в яких немає фазових перетворень у твердому стані) і деформуються, термічно зміцнюється (сплави, зміцнюється загартуванням і старінням) .
Рис. 1.1 – Діаграма станів "алюміній – легуючий елемент":
1–деформуються, сплави, що термічно не зміцнюються;
2–деформуються, сплави, що термічно зміцнюються.
Технічний алюміній ( АД і АД1 ) через низьку міцність застосовують для виготовлення елементів конструкції і деталей, що не несуть навантаження, коли потрібні висока пластичність, хороша зварюваність, опір корозії і високі теплопровідність і електрична провідність. Так, наприклад, з технічного алюмінію виготовляють різні трубопроводи, палубні надбудови морських і річкових суден, кабелі, електропроводи, шини, конденсатори, корпуси годинників, фольгу, вітражі, перегородки в кімнатах, двері, рами, посуд, цистерни для молока і т. д. Алюміній високої чистоти призначається для фольги, струмопровідних і кабельних виробів. Більш широко використовують сплави алюмінію [4].
Дюралюміній. До деформованих пресуванням відносяться сплави системи мідь – магній з добавками інших компонентів, наприклад марганцю – дюралюміній. Найбільше застосування мають сплави Д18 (Cu – 2,2–3 %; Mg – 0,2–0,5 %) і Д16 (Cu – 3,8–4,6 %; Mg – 1,2–1,8 % і 0,3–0,9 % Mn) .
Марганець підвищує стійкість дуралюміна проти корозії, а будучи присутнім у вигляді дисперсних частинок фази (Al12Mn2Cu), підвищує температуру рекристалізації і покращує механічні властивості. Дюралюміни в будь–якому стані добре деформуються, можуть бути піддані загартуванню у воді і старінню [2].
Загартування полягає в нагріванні сплавів до температури, при якій надлишкові інтерметалідні фази повністю або більшою частиною розчиняються в алюмінії, витримці при цій температурі і швидкому охолодженні до нормальної температури для отримання пересиченого твердого розчину. Мета гартування – отримати в сплаві гранично нерівноважний фазовий стан (пересичений твердий розчин з максимальним вмістом легуючих елементів). Такий стан забезпечує, з одного боку, безпосереднє підвищення (порівняно з рівноважним станом) твердості і міцності, а з іншого боку, можливість подальшого зміцнення при подальшому старінні. Загартування застосовують для сплавів, що зазнають фазових перетворень у твердому стані.
Основною особливістю алюмінієвих сплавів є малий інтервал температур нагрівання під загартування. Температура нагріву для сплавів А1–Cu – ( Д16 ) – 485–505°С, сплавів А1– Zn – Mg–Cu ( В95 ) 465–475°С і А1–Cu–Mg–Si ( АК6 ) 515–525°С. Більш високі температури викликають перепал (оплавлення по межах зерен), що призводить до утворення тріщин, бульбашок на поверхні напівфабрикатів, знижуються опір корозії, механічні властивості і опір крихкому руйнуванню. Витримка повинна бути мінімальною, що забезпечує розчинення надлишкових фаз в твердому розчині [13].
Охолодження при загартуванню має бути зі швидкістю вище критичної. Прокалюваність алюмінієвих сплавів складає dк = 120–150 мм – критичний діаметр.
Після гартування сплави мають порівняно невисоку міцність і високу пластичність.
Після гартування слідує старіння, при якому сплав витримують при нормальній температурі кілька діб (природне старіння) або протягом 10–24 год при підвищеній температурі 150–200 ° С (штучне старіння). У процесі старіння відбувається розпад пересиченого твердого розчину, що супроводжується зміцненням сплаву. Розпад пересиченого твердого розчину відбувається в кілька стадій залежно від температури і тривалості старіння [12].
Алюмінієві деформовані сплави мають високі фізико–механічні характеристики, технологічні при виготовленні, і використовуються в судно–і авіамашинобудуванні, в будівництві, сільському господарстві, виробництві електро– і побутової техніки та електронному машинобудуванні. В авіабудуванні ці сплави є основним конструкційним матеріалом і складають 80–85 % ваги планера сучасного літака [13].
Сплави Авіаль ( АВ). Ці сплави поступаються дуралюмінам по міцності, але мають кращу пластичність в холодному і гарячому станах.
Авіаль гартують від 515–525 ° С з охолодженням у воді, а потім піддають природному старінню (АВТ) або штучному при 160°С 12 год (АВТ1) . Штучне старіння треба виконувати відразу після гартування. При збільшенні перерв між часом гартування і початком штучного старіння міцність сплаву після старіння зменшується. Зміцнюючою фазою в авіалі є з'єднання Mg2Si.
З сплаву АВ виготовляють різні напівфабрикати ( листи, труби і т. д.), що використовуються для елементів конструкцій, несучих помірні навантаження, крім того, лопаті гвинтів вертольотів, ковані деталі двигунів, рами, двері, для яких потрібна висока пластичність в холодному і гарячому станах [12].
Високоміцні сплави. Межа міцності цих сплавів досягає 550–700 МПа , але при меншій пластичності, ніж у дуралюміна. Представником високоміцних алюмінієвих сплавів є сплав В95 .
Сплави гартують від 460–470°С ( з охолодженням у холодній або гарячій воді) і піддають штучному старінню при 135–145°С 16 г. У порівнянні з дуралюміном ці сплави мають велику чутливість до концентраторів напруг і знижену корозійну стійкість під напругою [13].
Сплави для кування і штампування. Сплави цього типу відрізняються високою пластичністю і задовільними ливарними властивостями, що дозволяють отримати якісні злитки. Сплав АК6 використовують для деталей складної форми та середньої міцності, виготовлення яких вимагає високої пластичності в гарячому стані (підмоторні рами, фітинги, кріпильні деталі, крильчатки і т. д.). Сплав АК8 рекомендується для важконавантажених штампованих деталей (підмоторні рами, стикові вузли, пояси лонжеронів, лопаті гвинтів вертольота і т. д.)
Жароміцні сплави. Ці сплави використовують для деталей, що працюють при температурі до 300°С ( поршні, головки циліндрів, крильчатки, лопатки і диски осьових компресорів турбореактивних двигунів; обшивка надзвукових літаків і т. д.). Жароміцні сплави мають більш складний хімічний склад , ніж розглянуті вище алюмінієві сплави. Їх додатково легують залізом, нікелем і титаном.
Таблиця 1.2 - Хімічний склад і типові механічні властивості деяких деформівних алюмінієвих сплавів після гартування і старіння
| Сплав1 | Вміст елементів, % | Механічні свойства | |||||||
| Cu | Mg | Mn | Si | Інші елементи | σ0,2 | σв | σ-1 | δ% | |
| МПа | |||||||||
| Дуралюміни | |||||||||
| Д1 | 3,8-4,8 | 0,4- 0,8 | 0,4- 0,8 | - | - | - | |||
| Д16 | 3,8-4,9 | 1,2- 1,9 | 0,3- 0,9 | - | - | ||||
| Сплав Авіаль | |||||||||
| АВ2 | 0,1-0,5 | 0,45- 0,9 | 0,15- 0,35 | 0,5- 1,2 | - | 200 (300) | 260 (380) | - | 15 (12) |
| Високоміцний алюмінієвий сплав | |||||||||
| В95 | 1,4-2,0 | 1,8- 2,8 | 0,2-0,6 | - | 5-7 Zn 0,1 -0,25 Cr | 530-550 | 560-600 | ||
| Кувальні алюмінієві сплави | |||||||||
| АК6 | 1,8- 2,6 | 0,4- 0,8 | 0,4- 0,8 | 0,7- 1,2 | - | - | |||
| АК8 | 3,9- 4,8 | 0,4- 0,8 | 0,4- 1,0 | 0,6- 1,2 | - | - | |||
| Жароміцні алюмінієві сплави | |||||||||
| АК4-1 | 1,9-2,5 | 1,4- 1,8- | 0,35 | 0,8-1,4 Fe 0,8-1,4 Ni 0,02-0,1 Ti | - | ||||
| Д20 | 6-7 | - | 0,4-0,8 | - | 0,1-0,2 Ti | - | |||
| Буква "Д" позначає сплав типу дуралюмин, літера "А" на початку марки - технічний алюміній. (АТ, АД1); "АК" - алюмінієвий кувальний сплав. Нерідко на початку марки ставиться літера "В" - високоміцний. Після умовного номери часто слідують позначення, що характеризують стан сплаву: "М" - м'який (відпалений), "Т" - термічно оброблений (гарт і природне старіння); "Н" - нагартована, "П"-підлозі нагартована. Механічні властивості дано для пресованих прутків і профілів після загартування і старіння. Листи мають нижчі механічні властивості. Мехніческіе властивості дано після гарту і природного старіння, в дужках - після гарту і штучного старіння. |
Алюмінієві ливарні сплави позначаються літерами АЛ і підрозділяються на 5 груп [5]:
Група 1 – силуміни – сплави системи алюміній – кремній (АЛ2, АЛ4, АЛ9). Ці матеріали стійкі до корозії, мають гарну текучість і малу усадку. Для модифікації в них вводять металевий натрій, в результаті чого структура стає дрібнозернистою, а матеріал набуває пластичність.
У процесі затвердіння кристали кремнію обволікаються плівкою силіцида натрію Na2Si, яка ускладнює їх зростання. Такі зміни структури покращують механічні властивості сплаву.
Група 2 – сплави системи алюміній– кремній – мідь (АЛ3, АЛ5, АЛ6), а також АЛ32, що містить ще марганець і титан.
Група 3 – сплави системи алюміній – мідь (АЛ7 і АЛ19) містять підвищений вміст міді, що позначається на їх ціні. Після термічної обробки мають високі механічні властивості при нормальній і підвищеній температурах і добре обробляються різанням. Ливарні властивості сплавів низькі (велика усадка, схильність до утворення гарячих тріщин і т. д.). Сплав АЛ7 використовують для відливання невеликих деталей простої форми (арматура, кронштейн і т. д.). Сплав схильний до крихкого руйнування внаслідок виділення по границях зерен грубих часток СuА12 і А17Сu2Fе (див. рис. 183 , а ), тому його застосовують в загартованому стані.
Група 4 – сплави системи алюміній– магній ( АЛ8 , АЛ13 , АЛ22 ) мають низьку щільність, гарну корозійну стійкість і високі механічні характеристики. Використовуються при виготовленні виливків в автомобільному виробництві.
Група 5 – сплави на основі алюмінію та інших компонентів. Наприклад, сплав АЛ24 містить марганець, магній, цинк, титан та ін
Серед останніх розробок можна виділити сплави ВАЛ12, ВАЛ14, ВАЛ16.
Деталі , одержувані литтям за методом рідкого штампування, при якій кристалізація відбувається в металевій формі під тиском, мають особливо високими механічними властивостями: σ в = 550–600 МПа , σ 0,2 = 500–550 МПа, δ = 3–6% , σ –1 = 140–160 МПа [5].
У виробах сучасного машинобудування алюмінієві ливарні сплави, що володіють високою питомою міцністю, замінюють чавун і маловуглецеві ливарні сталі.
Область застосування алюмінієвих ливарних сплавів досить широка і постійно розширюється:
– В авіабудуванні – силові деталі фюзеляжу, агрегатів, приладів;
– В суднобудуванні – кронштейни палубних надбудов, корпусу механізмів управління та компасів;
– У машинобудуванні – корпуси електродвигунів, роторів компресорів, насосів, редукторів, вентиляторів; крильчатки, шківи ремінних передач, муфти зчеплення, корпусу і кришки картерів, коробки швидкостей, редуктори, головки і блоки циліндрів, поршні ;
– У текстильній промисловості – станини ткацьких верстатів, бобіни, корпусу і кожухи швейних машин;
– У харчовій промисловості – деталі змішувачів, просівальних агрегатів, розливних машин;
– В електротехнічній промисловості – деталі контактних з'єднань, панелі, радіатори охолодження, плати та корпуси приладів ;
– При виробництві побутової техніки – деталі побутових приладів, кухонне начиння.
Алюмінієві ливарні сплави в порівнянні з чавуном і сталю мають ряд важливих переваг: можливість отримувати більш точні литі заготовки з малою шорсткістю поверхні високопродуктивними методами лиття в металеві форми (у кокіль, під тиском, рідкої штампуванням ), а також більш високу корозійну стійкість [5] .
Заміна чавуну і сталі ливарними алюмінієвими сплавами дозволяє отримувати значний техніко–економічний ефект за рахунок: зниження маси (металоємності) конструкцій; підвищення експлуатаційної надійності та довговічності; зменшення трудомісткості завдяки застосуванню більш точних литих заготовок, а також більш легкої оброблюваності різанням [12].
1.2. Економно леговані стали і сплави
Раціональне використання сучасних мікролегованих матеріалів з високими показниками механічних властивостей дозволяє ефективно знижувати метало- та енергоємність, підвищувати надійність і довговічність, розширювати технічні можливості інженерних споруд і вирішувати нові завдання без технічного переозброєння виробництва.