Алюминий и сплавы на его основе. Термическая обработка алюминиевых сплавов

Алюминий – металл серо-белого цвета, температура плавления 660^о С. Алюминий обладает высокой электропроводностью, составляющей 65 % от электропроводности меди. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты А999 (99.999% Al), высокой чистоты А995-А95 и технической чистоты А85-А0. Механические свойства отоженного алюминия высокой чистоты σ_в = 50 МПа и δ = 50%.

Все сплавы алюминия можно разделить на две группы: деформируемые и литейные. Деформируемые предназначенные для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков и т.п.), а также поковок и штамповок путем прокатки, прессования, ковки и т.д. Деформируемые сплавы, по способности упрочняться термической обработкой, делят на сплавы: не упрчняемые термической обработкой и упрочняемые термической обработкой;

Литейные сплавы предназначенные для фасонного литья. Наибольшее распространение получили сплавы Al-Mn, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si, а также Al-Zn-Mg-Cu.

В зависимости от характера отливок и условий ее работы используется один из следующих видов термической обработки:

1. Искусственное старение (условное обозначение Т1), чаще при 175±5^о С в течении 5-20 ч., без предварительной закалки.

2. Отжиг (Т2) при 300^о С в течении 5-10 ч., в зависимости от назначения отливки. Отжиг применяют для снятия литейных напряжений, а также остаточных напряжений, вызванных механической обработкой. Этот отжиг несколько повышает пластичнсоть.

3. Закалка и естественное старение (Т3, Т4). Температура закалки 510-520 ^о С. Закалку проводят в горячей воде (40-100^о С). Так как после закалки отливки выдерживают достаточно длительное время при комнатной температуре, режим (Т1) практически соответствует закалке и естественному старению.

4. Закалка и кратковременное (2-3 ч.) искусственное старение обычно при 175^о С. При данной температуре и продолжительности процесс старения полностью не заканчивается. После такой обработки отливки приобретают высокую прочность при сохранении повышенной пластичности.

5. Закалка и полное искусственное старение (Т6); чаще проводят при 200^о С, 2-5 ч. Старение повышенной температуре и более длительной выдержке по сравнению с режимом Т5 придает наибольшую прочность, но пластичность снижается.

6. Закалка и стабилизирующее старение (Т7) при температуре 230^о С (для сплавов АЛ6, АЛ1 и др.) и при 250^о С (для сплава АЛ19) в течение 3-10 ч. Этот вид обработки используют для стабилизации структуры и объемных изменений отливки, при сохранении достаточной прочности.

7. Закалка и смягчающее старение (Т8) при 240-260^о С в течение 3-5 ч. Высокая температура старения заметно снижает прочность, но повышает пластичность и стабильность размеров.

Сплавы алюминия с кремнием известны под названием силумины. Микроструктура силуминов различного состава приведена в атласе, где на фоне игольчатой эвтектики α+Si видны кристаллы первичных выделений α-твердого раствора или β(Si) в зависимости от положения сплавов относительно эвтектического состава. Силумины с грубоигольчатой эвтектикой вследствие большой хрупкости кремния характеризуются невысокими механическими свойствами (σ_β=130-140 Мпа, δ=1-2 %) и пониженными литейными и коррозионными свойствами.

Для улучшения структуры силуминов и повышения механических и технологических свойств их перед отливкой подвергают обработке смесью фтористых и хлористых солей натрия.

Сплавы алюминия с медью (АЛ7, АЛ12) в отличие от силуминов или вовсе не содержат в своем составе эвтектики, или имеют небольшое количество эвтектической составляющей.

Сплав АЛ 7 в литом виде находится в однофазном состояния, однако в его структуре в некотором количестве появляется эвтектика α+CuAl₂, образующаяся вследствие неравновесной кристаллизации.

Кроме этого появляются включения фазы CuAl₂, вследствие распада α-твердого раствора. Повышенное содержание меди приводит к увеличению эвтектики в сплаве. Сплава с 12% Cu (АЛ 12) в настоящее время практически не применяется.

Сплавы алюминия с магнием – наиболее прочные среди литейных алюминиевых сплавов. Они имеют высокую коррозионную стойкость и наименьший удельный вес по сравнению с другими алюминиевыми сплавами. Однако по своим литейным свойствам алюминиево-магниевые сплавы значительно уступают силуминам. Вследствие малого количества эвтектики и большого интервала кристаллизации эти сплавы имеют меньшую жидкотекучесть и склонны к образованию усадочной рыхлоты.

Дуралюмины. Дуралюминами называют сплавы Al-Cu-Mg, в которые дополнительно вводят марганец (табл. 20). Типичным дуралюмином является сплав Д1, однако вследствие сравнительно низких механических свойств производство его заметно сокращается; сплав Д1 для листов и профилей заменяется сплавом Д16. Упрочнение дуралюмина при термической обработке достигается в результате образования зон ГП сложного состава или метастабильных фаз S’ и О. Марганец, хотя и не входит в состав упрочняющих фаз, но его присутствие в сплавах полезно. Он повышает стойкость дуралюмина против коррозии, а присутствуя в виде дисперсных частиц фазы Т(Al₁₂Mn₂Cu), повышает температуру рекристаллизации и улучшает механические свойства дуралюмина. В качестве примесей в дуралюмине имеются железо и кремний. Железо, образуя соединение (Mn,Fe,Al₆), кристаллизующееся в виде грубых пластин, понижает прочность и пластичность дуралюмина. Кроме того, железо образует соединение Al₇Cu₂Fe нерастворимое в алюминии. Связывая медь в этом соединении, железо снижает эффект упрочнения при старении. Поэтому содержание железа не должно превышать 0,5-0,7 %.

Сплавы авиаль (АВ). Эти сплавы уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях, хорошо свариваются и сопротивляются коррозии. Авиаль обладает высоким пределом выносливости. Упрочняющей фазой в авиале является соединение Mg₂Si.

Авиаль закаливают с 515-525⁰С с охлаждением в воде, а затем подвергают естественному старению (АВТ) или искусственному при 160⁰С, 12ч (АВТ1).

Искусственное старение надо выполнять сразу после закалки и началом искусственного старения прочность сплава после старения уменьшается.

Высокопрочные алюминиевые сплавы. Эти сплав относятся к системе Al-Zn-Mg-Cu. В настоящее время известно несколько промышленных композиций сплавов: В93, В94, В96, В65-1, В92. В искусственно состаренном состоянии сплавы обладают большей прочностью, чем сплавы типа дуралюминий (В95: σ_β=600 МПа, В96: 700 МПа). В отличие от дуралюмина жаропрочные сплавы в естественно состаренном состоянии менее стойки против коррозии, чем после искусственного старения.