Алюминиево-кремниевый сплав
Алюминиево-кремниевые сплавы , называемые силуминами, в особенности их более сложные разновидности, содержащие небольшие добавки магния и других металлов, являются наиболее распространенными среди литейных алюминиевых сплавов. Они применяются почти во всех областях промышленности и особенно в авиации. [1]
Алюминиево-кремниевые сплавы ( силумины) АЛ2, АЛ4 и другие широко используются для фасонного литья. Алюминиево-магниевые сплавы, по сравнению с силуминами обладающие более высокой коррозионной стойкостью и лучшими механическими сврйствами ( сплав АЛ8 – магналий – наиболее высокопрочный), имеют намного худшие литейные свойства. [2]
Алюминиево-кремниевый сплав образуется при температуре около 1800 С; с этого момента содержание карбида кремния уменьшается. [3]
Заэвтектические алюминиево-кремниевые сплавы используют в тех случаях, когда требуется повышенная износоустойчивость изделий, так как в их структуре присутствует твердая кремниевая составляющая. Наиболее широкое распространение эти сплавы находят для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания и для блока двигателя. Заэвтектические сплавы обладают прекрасной жидкотекучестью и отличной обрабатываемостью резанием в случае применения алмазного инструмента. [4]
Литейные алюминиево-кремниевые сплавы , отличающиеся высокой коррозионной устойчивостью широко применяются как конструкционные материалы для фасонного литья в автотракторном и авиастроении, строительстве, транспорте и других отраслях промышленности. [5]
Все алюминиево-кремниевые сплавы , характеристика которых дана в табл. 57, за исключением АЛ2, подвергаются термической обработке: закалке с 525 – 535 и искусственному старению при 160 – 180 в течение 5 – 10 часов. [6]
Теоретически из алюминиево-кремниевого сплава можно выделить различными приемами чистый алюминий. [7]
При производстве алюминиево-кремниевых сплавов применяют электрические печи мощностью 15000 – 35000 кВА ( рис. 120) открытого типа в связи с необходимостью периодической обработки колошника. Необходимость в такой обработке обусловливается физическими и химическими качествами материалов шихты. Ванна таких печей имеет круглую форму. У круглой ванна силы, которые получаются вследствие термических напряжений в футеровке, хорошо компенсируются. [8]
При выплавке алюминиево-кремниевого сплава в электропечи мощностью 16 500 кВА каждый час выделяется свыше 150 000 м3 различных газов. Эти газы увлекают с собой в виде мелких частичек ( пыли) продукты конденсации разложившихся и испарившихся компонентов шихты и сплава. [9]
Комплексное модифицирование доэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов / / Литейн. [10]
Электрический режим выплавки алюминиево-кремниевого сплава зависит от типа и мощности рудно-термической печи и определяется рабочей технологической инструкцией. Работа печей с отклонением от заданного электрического режима допускается только после перепуска электродов и после простоев печи, когда необходимо постепенное повышение мощности. Разогрев печей после капитального ремонта ведут, постепенно набирая мощность. [11]
Исследования проведены на алюминиево-кремниевом сплаве АЛ2 при литье корпуса с чистовой массой 5 8 кг – сложной фасонной отливки ответственного назначения. [12]
Из алюминиевых сплавов наиболее известны двойные алюминиево-кремниевые сплавы или силумины Ал2, Ал4, Ал9, содержащие 5 – 13 % кремния и отличающиеся высокими литейными и механическими свойствами при литье в земляные и металлические формы. Присадка к этим сплавам до 3 % меди значительно повышает твердость, прочность и улучшает обрабатываемость резанием. Наиболее важной упрочняющей добавкой к силуминам является магний, который позволяет упрочнять сплавы не только модифицированием, но и термической обработкой. Силумины применяются для высоконагруженных деталей двигателей и моторов. [13]
В качестве восстановителя при получении алюминиево-кремниевых сплавов используют древесный уголь, нефтяной кокс, некоторые малозольные сорта каменного угля и древесную щепу. [14]
Легирование
Алюминий применяют для производства из него изделий и сплавов на его основе.
Легирование — процесс введения в расплав дополнительных элементов, улучшающих механические, физические и химические свойства основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, проводимых на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции.
Введение различных легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства.
Прочность чистого алюминия не удовлетворяет современные промышленные нужды, поэтому для изготовления любых изделий, предназначенных для промышленности, применяют не чистый алюминий, а его сплавы.
При различном легировании повышаются прочность, твердость, приобретается жаропрочность и другие свойства. При этом происходят и нежелательные изменения: неизбежно снижается электропроводность , во многих случаях ухудшается коррозионная стойкость , почти всегда повышается относительная плотность . Исключение составляет легирование марганцем, который не только не снижает коррозионную стойкость, но даже несколько повышает ее, и магнием, который тоже повышает коррозионную стойкость (если его не более 3 %) и снижает относительную плотность, так как он легче, чем алюминий.
Алюминиевые сплавы
Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изделий делят на две группы:
1) деформируемые (имеют высокую пластичность в нагретом состоянии),
2) литейные (имеют хорошую жидкотекучесть).
Такое деление отражает основные технологические свойства сплавов. Для получения этих свойств в алюминий вводят разные легирующие элементы и в неодинаковом количестве.
Сырьем для получения сплавов обоего типа являются не только технически чистый алюминий, но также и двойные сплавы алюминия с кремнием, которые содержат 10-13 % Si, и немного отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общее содержание примесей в них 0.5-1.7 %. Эти сплавы называют силуминами . Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. Деформируемые сплавы при нагреве под обработку давлением должны иметь гомогенную структуру твердого раствора, обеспечивающую наибольшую пластичность и наименьшую прочность. Это и обусловливает их хорошую обрабатываемость давлением.
Основными легирующими элементами в различных деформируемых сплавах является медь, магний, марганец и цинк, кроме того, в сравнительно небольших количествах вводят также кремний, железо, никель и некоторые другие элементы.
Дюралюминии — сплавы алюминия с медью
Характерными упрочняемыми сплавами являются дюралюминии — сплавы алюминия с медью, которые содержат постоянные примеси кремния и железа и могут быть легированы магнием и марганцем. Количество меди в них находится в пределах 2.2-7 %.
Медь растворяется в алюминии в количестве 0,5% при комнатной температуре и 5,7% при эвтектической температуре, равной 548 C.
Термическая обработка дюралюминия состоит из двух этапов. Сначала его нагревают выше линии предельной растворимости (обычно приблизительно до 500 C). При этой температуре его структура представляет собой гомогенный твердый раствор меди в алюминии. Путем закалки, т.е. быстрого охлаждения в воде, эту структуру фиксируют при комнатной температуре. При этом раствор получается пересыщенным. В этом состоянии, т.е. в состоянии закалки, дюралюминий очень мягок и пластичен.
Структура закаленного дюралюминия имеет малую стабильность и даже при комнатной температуре в ней самопроизвольно происходят изменения. Эти изменения сводятся к тому, что атомы избыточной меди группируются в растворе, располагаясь в порядке, близком к характерному для кристаллов химического соединения CuAl. Химическое соединение еще не образуется и тем более не отделяется от твердого раствора, но за счет неравномерности распределения атомов в кристаллической решетке твердого раствора в ней возникают искажения, которые приводят к значительному повышению твердости и прочности с одновременным снижением пластичности сплава. Процесс изменения структуры закаленного сплава при комнатной температуре носит название естественного старения.
Естественное старение особенно интенсивно происходит в течение первых нескольких часов, полностью же завершается, придавая сплаву максимальную для него прочность, через 4-6 суток. Если же сплав подогреть до 100-150 C, то произойдет искусственное старение . В этом случае процесс совершается быстро, но упрочнение происходит меньшее. Объясняется это тем, что при более высокой температуре диффузионные перемещения атомов меди осуществляются более легко, поэтому происходит завершенное образование фазы CuAl и выделение ее из твердого раствора. Упрочняющее же действие полученной фазы оказывается меньшим, чем действие искаженности решетки твердого раствора, возникающей при естественном старении.
Сравнение результатов старения дюралюминия при различной температуре показывает, что максимальное упрочнение обеспечивается при естественном старении в течении четырех дней.
Сплавы алюминия с марганцем и магнием
Среди неупрочняемых алюминиевых сплавов наибольшее значение приобрели сплавы на основе Al-Mn и Al-Mg.
Марганец и магний , так же как и медь, имеют ограниченную растворимость в алюминии, уменьшающуюся при снижении температуры. Однако эффект упрочнения при их термообработке невелик. Объясняется это следующим образом. В процессе кристаллизации при изготовлении сплавов, содержащих до 1,9% Mn, выделяющийся из твердого раствора избыточный марганец должен был бы образовать с алюминием растворимое в нем химическое соединение Al (MnFe), которое в алюминии не растворяется. Следовательно, последующий нагрев выше линии предельной растворимости не обеспечивает образование гомогенного твердого раствора, сплав остается гетерогенным, состоящим из твердого раствора и частиц Al (MnFe), а это приводит к невозможности закалки и последущего старения.
В случае системы Al-Mg причина отсутствия упрочнения при термической обработке иная. При содержании магния до 1,4% упрочнения быть не может, так как в этих пределах он растворяется в алюминии при комнатной температуре и никакого выделения избыточных фаз не происходит. При большем же содержании магния закалка с последующим химическим старением приводит к выделению избыточной фазы — химического соединения Mg Al .
Однако свойства этого соединения таковы, что процессы, предшествующие его выделению, а затем и образующиеся включения не вызывают заметногоэффекта упрочнения. Несмотря на это, введение и марганца, и магния в алюминий полезно. Они повышают его прочность и коррозионную стойкость (при содержании магния не более 3%). Кроме того, сплавы с магнием более легкие, чем чистый алюминий.
Другие легирующие элементы
Также для улучшения некоторых характеристик алюминия в качестве легирующих элементов используются:
Бериллий добавляется для уменьшения окисления при повышенных температурах. Небольшие добавки бериллия (0,01-0,05%) применяют в алюминиевых литейных сплавах для улучшения текучести в производстве деталей двигателей внутреннего сгорания (поршней и головок цилиндров).
Бор вводят для повышения электропроводимости и как рафинирующую добавку. Бор вводится в алюминиевые сплавы, используемые в атомной энергетике(кроме деталей реакторов), т.к. он поглощает нейтроны, препятствуя распространению радиации. Бор вводится в среднем в количестве 0,095-0,1%.
Висмут . Металлы с низкой температурой плавления, такие как висмут, свинец, олово, кадмий вводят в алюминиевые сплавы для улучшения обрабатываемости резанием. Эти элементы образуют мягкие легкоплавкие фазы, которые способствуют ломкости стружки и смазыванию резца.
Галлий добавляется в количестве 0,01 — 0,1% в сплавы, из которых далее изготавливаются расходуемые аноды.
Железо. В малых количествах (>0,04%) вводится при производстве проводов для увеличения прочности и улучшает характеристики ползучести. Так же железо уменьшает прилипание к стенкам форм при литье в кокиль.
Индий. Добавка 0,05 — 0,2% упрочняют сплавы алюминия при старении, особенно при низком содержании меди. Индиевые добавки используются в алюминиево — кадмиевых подшипниковых сплавах.
Кадмий. Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности и улучшения коррозионных свойств сплавов.
Кальций придает пластичность. При содержании кальция 5% сплав обладает эффектом сверхпластичности.
Кремний является наиболее используемой добавкой в литейных сплавах. В количестве 0,5-4% уменьшает склонность к трещинообразованию. Сочетание кремния с магнием делают возможным термоуплотнение сплава.
Олово улучшает обработку резанием.
Титан. Основная задача титана в сплавах — измельчение зерна в отливках и слитках, что очень повышает прочность и равномерность свойств во всем объеме.
Применение алюминиевых сплавов
Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов. Последнее свойство в сочетании с тем, что алюминий не разрушает витамины, позволяет широко использовать его в производстве посуды . Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде. Алюминий в большом объеме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию. Алюминий также широко применяется в машиностроении , т.к. обладает хорошими физическими качествами.
Но главная отрасль, в настоящее время просто не мыслимая без использования алюминия — это, конечно, авиация . Именно в авиации наиболее полно нашли применение всем важным характеристикам алюминия
Другие статьи по сходной тематике
Основные понятия о токарной обработке и токарных станках.
Стали марок AISI 409, 430, 439 — аналоги отечественных марок 08×13, 12×17 и 08×17Т
Гидравлические гильотинные ножницы, гильотинные ножницы с ЧПУ для раскроя и обработки листовых материалов.
Правила нанесения обозначений шероховатости поверхностей на чертежах
Примечания: 1. Определяет следующие виды литья: С – земля; О – оболочковые формы; В – модели выплавляемым; К – кокили; Д – литье под давлением; М – сплав при литье модифицируется. 2. Обозначает следующие виды термической обработки: Т4 – закалка; Т5 – закалка и частичное старение; Т6 – закалка и полное старение до максимальной твердости
Рис. 2.1. Диаграмма состояния сплавов Al-Si и схема влияния модифицирования на кристаллизацию в системе Аl – Si [36]: 1 – без модификации, 2 – после модификации
Микроструктура модифицированного силумина состоит из светлых участков твердого раствора б и мелкодисперсной эвтектики б + Si (рис. 2.2, б, г)
Рис. 2.2. Микроструктура (а, б) и схема структуры (в, г) силумина [13, 34]: а в – к модификации; б, г – после модификации
Микроструктура и свойства сплава АЛ2
Сплав АЛ2 – силумин с содержанием кремния, близким к эвтектическим (10-13%). Эвтектика в системе А1 – Cu образуется при содержании кремния 11,6% и состоит из кристаллов твердого раствора кремния и алюминия и кристаллов кремния. Сплав АЛ2 зависимости от содержания кремния может состоять из эвтектики и небольшого количества избыточной фазы. Так, в сплаве с 12% Cu (заэвтектических) структура состоит из кристаллов кремния (белого цвета) и эвтектики грубого строения, в которой кремний находится в виде больших игл. Силумин с такой структурой имеет низкие механические свойства. Если в жидкий сплав перед его кристаллизацией ввести небольшое количество (0,01 – 0,02%) натрия, то это приводит к измельчению включений кремния и повышения механических свойств силумина. Этот процесс искусственного регулирования размеров и формы кристаллов называется модифицирования. При модифицировании точка эвтектики смещается к более высоким концентрациям кремния и эвтектический сплав АЛ2 становится доэвтектических. Структура его состоит из первичных дендритов твердого раствора (светлый фон) и мелкой (дисперсной) эвтектики Cu (темный фон). Сплав АЛ2 термической обработке не подвергается.
Медные силумины, кроме алюминия содержат 4 – 22% кремния, 1-8 меди, а также 0,2-1,3 Мg, 0,2-0,8 Мп и 0,1-0, 3% Те. По сравнению с силуминами они немного хуже литейные свойства, но лучшие механические. Их марки АК5М, АК8М, АК12М2МгН и др. Числа после букв К, М, Н и Мг показывают среднюю массовую долю (в%) кремния, меди, никеля и марганца соответственно. Когда число после буквы отсутствует, массовая доля элемента составляет около 1%. Среди медных силуминов важно сплав марки АК8М, содержащий около 8% Cu, 1% Сu, а также Мg, Mn, Ti (0,3-0,4% каждого). Среди медных силуминов отдельного внимания заслуживает сплав марки АК8М, содержащий около 8% Si, 1% Сu, а также Мg, Mn, Ti (0,3-0,4% каждого). Медь и магний, имеют переменную растворимость в алюминии, способствуют укреплению сплава при термообработке: закалка и искусственного старения. Сплав АК8М имеет хорошую свариваемость и коррозионную стойкость. Из медных силуминов изготавливают корпуса компрессоров, головки и блоки цилиндров автомобильных двигателей.
Сплав АЛ6 – низкокремнистый силумин, содержащий 4,5-6,0% Si с добавками меди. Основой этого силумина является система А1 – Si – Сu (алюминий – кремний – медь). Микроструктура сплава АЛ6 состоит из кристаллов твердого раствора, двойной и тройной эвтектики. Через небольшое количество эвтектической составляющей отливки из сплава АЛ6 не поддаются упрочняющей термической обработке.
Сплав АЛ9 – низкокремнистый силумин (6,0-8,0% Cu) с добавками магния. Основой магниевых силуминов является система А1 – СИ – Мg. Основными структурными составляющими являются первичные кристаллы с двойной эвтектикой, а также вторичные кристаллы Мg2Sі, выделяемых из твердого раствора. При неравновесной кристаллизации выделяется также тройная эвтектика. Сплав АЛ9 подвергается закалке и старению. В структуре закаленного сплава присутствуют скоагулированные частицы кремния эвтектического происхождения и компактные включения нерастворимого составляющей (А1, Mn, Fe, Cu). Силицид Мg2Sи полностью переходит в твердый раствор и обеспечивает укрепление сплава при следующем старении.
Термическая обработка алюминиевых литейных сплавов – силуминов
Термическая обработка алюминиевых литейных сплавов (силуминов) состоит из закалки и искусственного старения. Однако продолжительность выдержки при нагреве под закалку увеличивается по сравнению с дюралюминия в 4-8 раз и для сплава АЛ4 необходимо 2-4 часа. Это связано с тем, что силумины в обычных условиях кристаллизации приобретают крупнозернистой структуры с крупными включениями упрочняющей фазы, при нагреве под закалку очень медленно переходят в твердый раствор. Охлаждение силуминов при закалке допускается с меньшей скоростью, чем для дюралюминия. Их можно закаливать в горячей воде. При старении (температура 180 ° С) лучшие механические свойства силумин АЛ4 получает после 10-15 ч выдержки.
Сплавы АЛЗ, АЛ5 и АЛ6 – низкокременистые силумины, дополнительно легированные медью (а также в небольших количествах Mg и Мп) имеют худшие литейные, но лучшие механические свойства, чем обычный силумин. Сплав АЛ11 – цинковистый силумин; присадка цинка в таком высоком проценте улучшает литейные свойства; сплав этот применяется для изготовления сложных отливок.
Алюминиево-медные сплавы АЛ12 и АЛ7 – существенно отличаются друг от друга. Сплав с 4 – 5% Cu, по составу близок к дуралюминию, обладает высокими механическими, но плохими литейными свойствами. С этого сплава изготавливают небольшие отливки, подвергающихся значительным механическим нагрузкам.
Сплав АЛ12, напротив, высокие литейные и низкие механические свойства, однако, по обоим этим показателям он уступает обычному силумину и в настоящее время его применение неоправданно.
Наконец, сплав системы А1-Mg, так называемый магналий представлен маркой АЛ8. Сплав имеет высокую механическую прочность по сравнению с другими алюминиевыми литейными сплавами, наименьший удельный вес, высокие антикоррозионные свойства, но относительно технологических качеств (литейных свойств) он уступает другим сплавам.
Таким образом, имеющаяся номенклатура сплавов позволяет выбрать для каждого конкретного назначения оптимальную марку. При этом выборе следует учесть и оценить положительные и отрицательные показатели сплава – его технологические, механические, эксплуатационные и другие свойства.
Сплав АЛ12 полученный на основе системы А1 – Сu (алюминий- медь). Он содержит 10-14% меди и по механическим свойствам уступает сплава АЛ2. Из рис. 2.3 видно, что сплав АЛ12 является доэвтектичным и при комнатной температуре в равновесном состоянии должен иметь структуру, состоящую из кристаллов твердого раствора и эвтектики.
Рис. 2.3. Диаграмма состояния сплавов Al – Сu [36]
Однако, при исследовании микроструктуры сплава АЛ12 видны светлые зерна твердого раствора, по границам которых наблюдаются отдельные кристаллы фазы СuАl2 темного цвета. Кристаллы твердого раствора эвтектики слились с избыточным твердым раствором в одно целое. Это явление выражено тем сильнее, чем меньше в сплаве эвтектики и чем медленнее происходит ее образования.
Сплав АЛ12 имеет высокие литейные, но низкие механические свойства, поэтому применяется редко. Термообработке сплав не поддается.
Сплав АЛ7 также полученный на основе системы А1 – Сu (алюминий – медь), но содержание меди в нем меньше, чем в АЛ12 и составляет 4-5%. Он обладает высокими механическими и плохими литейными свойствами. Поэтому его применяют для изготовления небольших отливок. В структуре сплава АЛ7 в связи с присутствием примесей железа и кремния, кроме упрочняющей фазы СuАl2, содержатся другие нерастворимые фазы, образующихся вместе с фазой интерметаллидных оболочек по границам дендритов. Сплав АЛ7 подвергается упрочняющей термообработке: закалке с нагревом до 575°С (выдержка 10 – 15 часов) в горячей воде и искусственному старению при 150°С (выдержка 2-4 ч). В тех случаях, когда не требуется максимальной прочности, но важно сохранить повышенную пластичность, ограничиваются одним закалкой (без старения).
Сплав АЛ8 полученный на основе системы Аl – Мg (алюминий – магний). Он содержит 9,5-11% Мg и называется Магналии, который имеет высокие механические и антикоррозионные свойства, но низкие литейные свойства.
Структура литого сплава АЛ8 состоит из твердого раствора (светлый фон) и незначительного количества эвтектики, точнее, фазы Мg2А13, Расположенной по границам твердого раствора. Согласно состоянию в сплаве АЛ8 эвтектика не должна быть, однако микроанализ указывает на ее присутствие. Это связано с повышенной скоростью охлаждения, что приводит к неравновесной кристаллизации сплава, когда точка предельной растворимости смещается влево. Фаза Мg2Аl3 хрупкая и выделяется в форме больших скоплений, образуют сплошную сетку. Для устранения гетерогенной структуры сплав АЛ8 подвергают закалке при 430 ° С (с выдержкой 15-20 ч) в горячей воде и в таком состоянии используют. Структура после закалки состоит из однородных зерен твердого раствора.
Для отливок в форме опорных частей строительных конструкций рекомендуется применять сплав марки АЛ8, содержащий от 10 до 12% магния. Закалка этого сплава применяется с целью получения однородной структуры пресыщенного твердого раствора. В закаленном состоянии сплав обладает высокой коррозионной стойкостью. Стареет этот сплав при повышенной температуре. Старение для этого сплава вредно, поскольку после старения резко снижается пластичность и коррозионная стойкость.
Рис. 2.4.. Фрагмент диаграммы состояния сплавов Al – Mg [36]
Из деформируемых сплавов путем горячей или холодной обработки давлением, изготавливают различные профили (уголки, тавры, двутавры и т.д.), письма, провода, трубы, плиты, которые широко применяются в строительстве и технике для изготовления различных конструкций, а также полуфабрикаты для различных деталей машин.
В зависимости от способа повышения механических свойств, алюминиевые деформируемые сплавы делятся на сплавы, не укрепляются термической обработкой, и сплавы, укрепляются термической обработкой.
К алюминиевым сплавам, которые не укрепляются термообработкой, относятся сплавы двух систем: А1 – Мn (АМц) и А1 – Мg (АМг), к сплавам, укрепляются термообработкой, в основном А1 – Сu – Мg (дюралюминий) и системы А1 – Мg – Si.
Алюминиевые деформируемые сплавы, не укрепляются термической обработкой.
К сплавам, не укрепляются термической обработкой, главным образом относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием (АМг).
Структура сплавов, не укрепляются термической обработкой, состоит из однородного твердого раствора меди, магния марганца и других элементов в алюминии или твердого раствора и частиц второй фазы: Аl6 (Mn, Fe), FеА13 нерастворимых в алюминии при повышении температуры. Эти сплавы обладают невысокой прочностью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Наличие второй фазы несколько снижает коррозионную стойкость.
Al-Мn сплавы. Содержание марганца в этих сплавах не превышает 1,6%. При содержании марганца до 0,3% он находится только в твердом растворе. При большем количестве он частично (до 0,3%) будет находиться в твердом растворе и частично в виде интерметаллидного соединения Аl6 (Mn, Fe), не растворяется в алюминии (рис. 2.3).
Микроструктура сплавов системы Аl – Мn (АМц). Из диаграммы состояния Аl – Мn (рис. 2.3) видно, что марганец с алюминием образуют химическое соединение Аl6Мn и эвтектику, содержащий 1,95% Мn при температуре 658,5 ° С. Для рассматриваемой части диаграммы характерные особенности:
а) очень небольшой температурный интервал кристаллизации первичного твердого раствора на основе алюминия;
б) достаточно высокая растворимость марганца в алюминии при эвтектической температуре, составляет 1,4%, и резкое уменьшение при 550-450 ° С.
Промышленный сплав АМц содержит от 1 до 1,6% Мn. Этот сплав является не двойным, а многокомпонентным и содержит постоянные примеси железа и кремния, которые значительно уменьшают растворимость марганца в алюминии.
Например, в чистом алюминии при 500°С растворяется 0,4% Mn, а в алюминии с 0,1% Fе и 0,65% Si-лишь 0,05% Мn. Соединение МnАl6 может растворять в себе железо. Эта фаза имеет форму больших пластинчатых кристаллов, резко ухудшают свойства сплавов АМц. При деформации литого металла наблюдается измельчение интерметаллидных включений.
В сплавах АМц с добавками кремния рядом с кристаллами образуется тройная фаза Т, представляет собой твердый раствор на основе соединения А110Мn2Si. Конечным видом термической обработки сплава АМц является рекристализационный отжиг.
Рис. 2.4. Диаграмма состояния сплавов Аl – Мn [36]
Al – Мg сплавы. Содержание магния в алюминиевых деформируемых сплавах колеблется от 2 до 7%. Магний с алюминием образует несколько интерметаллидных соединений: А13Мg4, Аl3Мg2 (рис. 2.4). В присутствии кремния образуется интерметаллидных соединение, обладающее переменной растворимостью в алюминии. При содержании магния в сплаве более 1,4% он находится частично в твердом растворе и частично в виде интерметаллидных соединений, растворимых в алюминии с повышением температуры. Поэтому сплавы, содержащие магния более 3%, могут укрепляться путем термической обработки, но эффект от укрепления будет невелик. К сплавам, которые термически не укрепляются, относятся также технический алюминий.
Укрепление этих сплавов достигается путем холодной обработки давлением.
Микроструктура сплава системы Аl – Мg (АМг). В сплаве системы Аl-Мg образуются химические соединения А13Мg2. Точка эвтектики соответствует 33% Мg. Растворимость магния в алюминии достаточно высока и составляет 17,4% при 448.°С и около 1,4% при комнатной температуре.
Сплавы системы Аl -Мg (АМг-2, АМг-3, АМг-4, АМг-5, АМГ-6) за исключением АМг-1 содержат дополнительно марганец, что вместе с алюминием образуют фазу А16Мn. Присутствие кремния способствует образованию в этих сплавах силицида магния. Если в сплавах содержатся железо, марганец и кремний, возможно образование соединения (Al, Fe, Si, Мn). Микроструктура сплава АМГ-6 после отжига состоит из твердого раствора, железомарганцевой фазы и фазы Мg2Si.
Цифры, стоящие за маркой, указывают на содержание магния или марганца в сплаве в целых долях процента; дополнительные буквы, расположенные после цифр, указывают на дополнительное легирование сплава: Т – титаном, В-ванадием. Так, например, сплав марки АМг6ТМ имеет следующий состав: магния около 6%, титана – 0,1%, остальное – алюминий. Поставляется после отжига (М) – мягкое состояние.
Сплавы в отожженном состоянии рекомендуется использовать для конструкций, изготавливаемых сгибанием и сваркой. Сплавы в закаленном состоянии не рекомендуется подвергать этим видам обработки, так как есть опасность образования трещин.
Прочность сварных соединений алюминиево-магниевых сплавов достигает 92- 97% прочности основного металла. Относительная прочность сплава марки АМг6 по сравнению со сталью марки Ст. 3 составляет 1,9; по сравнению с легированной сталью марки 15ХСНД-1.38; марки 10ХСНД- 1,17.
Алюминиевые сплавы, деформируются, которые укрепляются термической обработкой.
Сплавы, укрепляются термической обработкой, поставляют заказчику в виде различного проката. Структура этих сплавов в отожженном состоянии состоит из твердого раствора легирующих элементов в алюминии и частиц второй фазы, растворяется в алюминии с повышением температуры. Эти фазы представляют собой твердый раствор алюминия в химическом соединении. Частицы второй фазы, растворенные в алюминии с повышением температуры, является укрепляющим фазой при термической обработке.
В равновесном (отожженном) состоянии при нормальной температуре структура алюминиево-медных сплавов, укрепляются термической обработкой, будет состоять из твердого раствора меди (магния, марганца и других элементов) в алюминии и большого количества избыточных кристаллов второй фазы.
Как видно из диаграммы состояния системы «алюминий – медь», в твердом растворе при нормальной температуре находится 0,5% меди. Другая медь (около 3,5%) будет находиться в виде фазы (дюралюминий марки Д1 содержит около 4% Сu), в которой около 55,4% меди.
Сплавы, термически укрепляются в зависимости от химического состава можно разбить на следующие группы.
Сплавы алюминий – магний – кремний с добавлением меди, марганца, хрома называют сплавами Авиаль (АВ; АК5). Укрепляющей фазой в этих сплавах является интерметаллидное соединение Мg2Si. Сплав марки АВ после закалки с температуры 515-525 ° С и естественного старения обладает высокой коррозионной стойкостью. После искусственного старения при 150-160°С в течение 6:00 сплав имеет максимальную прочность. Коррозионная стойкость при этом несколько снижается. Сплав имеет склонность к межкристаллитной коррозии, причем, эта склонность тем больше, чем выше содержание меди в сплаве. Сплав хорошо сваривается. Его рекомендуется применять для изготовления деталей, которым требуется высокая пластичность в холодном и горячем состоянии. К этой группе относится также сплав АК5, предназначенный для ковки и штамповки деталей сложной конфигурации в горячем состоянии.
Микроструктура и свойства сплава систем Аl-Мg-Si (Авиаль) менее легированные, чем дюралюминий. Промышленные сплавы Аl-Мg-Si типа Авиаль по своему химическому составу характеризуются некоторым избытком кремния по сравнению с теоретически необходимым для образования фазы Мg2Sи, поскольку при избытке кремния достигается более благоприятное сочетание прочности сплава и его пластичности. Сплав АВ имеет наибольшую прочность среди сплавов Аl-Мg-Si. После охлаждения в этих сплавах происходит распад твердого раствора с образованием фазы Мg2Si и в небольших количеств фаз (А12Сu) и Аl6Мn. Основной укрепляющей фазой в сплаве является фаза Мg2Si.
Алюминий подвергается закалке и искусственному старению.
Структура сплава после искусственного старения состоит из твердого раствора, вокруг которого размещаются темные включения фазы Мg2Si.
Термическая обработка алюминиевых сплавов заключается в их закалке и дальнейшем старении. Закалка основано на существовании переменной растворимости меди, магния и других элементов (Si, Мg, и др.) В твердом алюминии при повышении температуры. Целью закалки является получение пересыщенного твердого раствора нескольких легирующих элементов (меди, магния, кремния и других) в алюминии.
Закалки алюминиевых сплавов заключается в нагревании их до температуры, при которой легирующие элементы полностью или частично растворяются в алюминии, выдерживании при этой температуре и быстром охлаждении до низкой температуры (10-20 ° С). Скорость охлаждения при закалке должна обеспечить отсутствие распада твердого раствора в процессе охлаждения, то есть быть выше критической (Vкр). Значительная пресыщенность твердых растворов обусловливает их нестабильность, поэтому распад твердых растворов в закаленных сплавах является самовольным процессом.
Дюралюминий – химический состав, свойства, структура и термическая обработка.
Сплавы, тройной системы: алюминий – медь – магний с добавками марганца, кремния, называют сплавами дюралюминий. Эти сплавы укрепляются термообработкой и хорошо сочетают прочность и пластичность. Главными легирующими элементами дуралюмина является медь и магний. С понижением температуры от эвтектической с твердого раствора выделяется химическое соединение СuAl (Q-фаза), твердость которой 49 HRC. Наличие магния приводит к выделению S-фазы Аl2 (CuMg) твердостью 52 HRC. С увеличением до определенного предела концентрации магния прочность сплава возрастает. Марганец повышает коррозионную стойкость. С целью дополнительного повышения коррозионной стойкости дуралюминий наносят на их поверхность тонким слоем чистого алюминия. Кремний в дуралюминия следует рассматривать как примесь. Структура дуралюмина в равновесном состоянии состоит из твердого раствора и различных интерметаллических твердых фазах в том числе Q и S -фаз. Дуралюмины широко применяют в авиации, автомобилестроении, строительных конструкциях.
Марки дуралюминия обозначают буквой Д и числом, значит условный номер сплава, например Д16 (табл. 2.2). Укрепляющими фазами, растворяются в алюминии при нагревании, могут быть (А12Сu), S (А12СuМg), Т (А16СuМg4), Мg2Si, Мg2Аl3. Наличие той или иной упрочняющей фазы в сплаве зависит от содержания меди и магния в сплаве и от их количественного соотношения.
Микроструктура сплавов системы Аl-Сu-Мg с добавками марганца (дюралюминий)
Дюралюминий является многокомпонентным сплавом, но приближенно его можно рассматривать как сплавы системы Аl-Сu-Мg. Аl-Сu-Мg, вследствие предельной растворимости меди и магния в твердом алюминии, он значительно изменяется при понижении температуры. С увеличением содержания магния в сплаве последовательно образуются новые фазы: (А12Сu), S (А12СuМg), Т (А16СuМg4). Эти фазы при нагревании растворяются в твердом растворе и, выделяясь из пресыщенного твердого раствора, играют роль упрочняющих фаз при старении сплава.
Таблица 2.2. Химический состав дюралюминий (% масс.) [5]