Сплавы алюминия
Давайте рассмотрим что такое сплавы на основе алюминия.
Алюминий, это металл серебристо — белого цвета. Температура его плавления составляет 658°С. Особенностью алюминия является его низкая плотность (2,7 г/см3). Алюминий обладает достаточно высокой электропроводностью, составляющей 65% от электропроводности меди.
Алюминий имеет высокую коррозионную стойкость из-за образования на его поверхности тонкой прочной пленки AL2О3.
Алюминий хорошо обрабатывается давлением, но обработка резанием затруднительна. Хорошо сваривается всеми видами сварки.
Алюминиевые сплавы
Наиболее широкое распространение получили сплавы AL-Cu, AL-Si, AL-Mn, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg- Si, Al-Zn-Mg-Cu. В равновесном состоянии эти сплавы представляют собой низколегированный твердый раствор и интерметаллидные фазы CuAl2 (0-фаза); Mg2Si; Al2CuMg (S- фаза); Al6CuMg4 (Т – фаза); Al2Mg2. Al2Mg3Zn3 (Т – фаза)
Виды и свойства алюминиевых сплавов
Алюминиевые магниевые сплавы
Алюминиево-магниевые сплавы представлены марками АЛ8 и АЛ13. Эти сплавы по механическим свойствам являются наиболее прочными из алюминиевых сплавов. Особенно прочным является АЛ8: ɢb ≈ 40 гр/мм2; δ ≈ 15%. Получение отливок из алюминиевомагниевых сплавов требует применения сложной технологии.
Предельная растворимость магния в алюминии при нормальной температуре составляет всего 1,4%. По мере повышения температуры до 435 ° растворимость достигается 14%. Это дает возможность получать высокие механические свойства путем закалки отливок.
Без закалки в металле отливок могут находиться хрупкие интерметаллические соединения Al3Mg2 или Al3Mg5, снижающие механические свойства отливок.
Для повышения жидкотекучести в алюминиевомагниевых сплавах желательно иметь максимальное количество магния – до 14 %. Но при этом трудно достигается гомогенизация при термической обработке.
Поэтому в промышленных сплавах содержание магния бывает до 12%. Сплавы с содержанием до 8% магния необходимо плавить с применением флюсов и добавлять бериллий в количестве 0,03-0,05 %.
Эти сплавы обладают склонностью к образованию трещин в местах резкого перехода от одного сечения к другому.
Сплавы весьма чувствительны к примесям — меди, железу и кремнию. Которые, образуя различные соединения, при кристаллизации располагаются по границам зерен. Наличие включений этих примесей уменьшает пластические коррозионные свойства сплава.
Для повышения коррозионной стойкости в эти сплавы вводят марганец и хром. При заливке сплава в формы он может окисляться. Окисные пленки могут располагаться по границам зерен.
Добавка титана и бериллия или ускоренное охлаждение утолщенных мест отливки устраняют окисление.
Алюминиевомарганцевые сплавы могут взаимодействовать с влагой формы. Поэтому в формовочные смеси добавляют борную кислоту, а стержни окрашивают специальной краской с фторприсадкой.
Чтобы увеличить механические свойства сплавов АЛ8 и АЛ 13, их нужно обрабатывать в жидком состоянии солями циркония.
Алюминиевомагниевые сплавы с содержанием менее 9% магния термической обработке не подвергаются ввиду незначительного эффекта.
Сплавы группы алюминий – магний применяются для литья деталей под давлением.
Сплавы алюминий медь кремний
Алюминиевокремнистые сплавы представлены в ГОСТ марками АЛ3,АЛ5, АЛ6 и АЛ10. Основными легирующими элементами в этих сплавах являются медь и кремний. Увеличение в кремнистом сплаве меди снижает его коррозионную стойкость, но увеличивает предел прочности.
Часть меди образует твердый раствор с алюминием, а часть кристаллизуется в виде мелкозернистой сложной эвтектики (Al7Mg2Si4Cu4). Жаропрочность этих сплавов увеличивается за счет обогащения твердого раствора алюминия медью.
Наилучшими литейными свойствами из этой группы обладает сплав Ал5. Литье из этого сплава производится без применения автоклава.
Модифицирование сплава также не производится. Сплав Ал5 менее чувствителен к вредному влиянию железа, является наиболее жаропрочным, чем сплав Ал4.
Этим и объясняется широкое применение сплава АЛ5 для литья нагруженных деталей.
Сплав АЛ 10 отличается хорошей жидкотекучестью и сравнительно небольшой линейной усадкой. Сплав обладает жаропрочностью, из него изготовляют сложные ребристые детали двигателей внутреннего сгорания.
Алюминиевомедные сплавы
Растворимость меди в алюминии при обычной температуре небольшая, но с повышением температуры до 548° содержание меди в сплаве достигает 5,65 %.
Это позволяет применять алюминиевомедные сплавы, содержащие 4-6 % меди в термически обработанном состоянии.
Двойные сплавы алюминия с медью обладают хорошими механическими, но низкими литейными свойствами. Для улучшения литейных свойств необходимо добавлять другие элементы или увеличивать содержание меди.
Увеличение содержания меди в сплаве повышает литейные свойства, но снижает механические свойства, так как в сплавах появляется хрупкая составляющая CuAl2.
Алюминиевокремниевые сплавы
Эта группа сплавов характеризуется самыми лучшими литейными свойствами. Малой линейной усадкой, повышенной жидкотекучестью, отсутствием склонности к образованию горячих трещин. Детали из алюминиевокремнистых сплавов обладают высокой плотностью и повышенной коррозионной стойкостью.
Растворимость кремния в твердом алюминии низкая и составляет при 550 ° -1,5%, а при 200 ° 0,1 %. Кремний не образует с алюминием химических соединений. Поэтому находится в сплавах в виде отдельных включений или в виде двойных или более сложных эвтектик.
Чем больше содержание в сплаве кремни(выше 5%), тем крупнее первичное зерно сплава. Поэтому высококремнистые сплавы без специального размельчения структуры имеют низкие механические свойства.
Помимо этого, с увеличением содержания кремния в сплавах растет склонность к поглощению газов и образованию крупной пористости.
Пористость резко снижает механические свойства. Поэтому алюминиевокремниевые сплавы с содержанием более 7 % кремния для размельчения структуры подвергают модифицированию. В настоящее время употребляются только модифицированные высококремнистые сплавы.
Для увеличения механических свойств за счет тепловой обработки в алюминиевокремнистые сплавы вводят дополнительные элементы. Добавление магния к этим сплавам дает возможность применить термическую обработку и улучшить механические свойства.
При уменьшении содержания магния увеличивается пластичность, а при повышении – увеличивается предел прочности.
Термическая обработка алюминиевых сплавов
Большинство деформируемых сплавов алюминия можно упрочнять закалкой и последующим старением.
Закалка алюминиевых сплавов
Закалка алюминиевых сплавов заключается в нагреве сплава до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы полностью или большей частью растворяются в алюминии, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до комнатной температуры для получения пересыщенного твердого раствора.
Так, температура закалки сплавов системы Al – Cu (смотри рисунок) определится линией abc, проходящей выше линии предельной растворимости для сплавов. Содержащих менее 5,6 % Cu, и ниже эвтектической линии (548° С) для сплавов с большим количеством меди.
При нагреве под закалку сплавов, содержащих до 5,6 % Cu, избыточная фаза CuAl2 полностью растворится. При последующем быстром охлаждении фиксируется только пересыщенный α – твердый раствор, содержащий столько меди, сколько ее находится в сплаве.
При содержании более 5,6 % Cu в структуре сплавов после закалки будет пересыщенный α – твердый раствор сплава, отвечающего точке b, и нерастворенные при нагреве кристаллы соединения Cu Al2, входящие в эвтектику.
Время выдержки при температуре закалки должна обеспечить растворение интерметаллидных фаз. Оно зависит от структурного состояния сплава, типа печи и толщины изделия. Охлаждение деформированных сплавов при закалке проводят в холодной воде.
За закалкой следует старение.
Старение алюминиевых сплавов
Старение алюминиевых сплавов заключается в выдержке сплава при комнатной температуре несколько суток (естественное старение) или в течение 10- 24 ч при повышенной температуре (искусственное старение). В процессе старения происходит распад пересыщенного твердого раствора, что сопровождается упрочнением сплава.
Распад пересыщенного твердого раствора протекает в несколько стадий в зависимости от температуры и продолжительности старения.
При естественном старении (20°С) или низкотемпературном искусственном старении (ниже 100 -150 ° С) распада твердого раствора с выделение избыточной фазы не наблюдаются. При этих температурах атомы меди перемещаются только в пределах кристаллической решетки α — твердого раствора и собираются в двухмерные пластинчатые образования типа дисков – в так называемые зоны Гинье-Престона (ГП -1), которые равномерно распределены в пределах каждого кристалла.
Длительная выдержка при 100 ° С или выдержка в течение нескольких часов при 150 ° С приводит к образованию промежуточной О ¨- фазы или зон Гинье- Престона 2. Выдержка в течение нескольких часов при 150 – 200 ¨ С приводит к образованию в местах расположения О ¨- фазы (зон ГП — 2) дисперсных (тонкопластинчатых0 частиц другой промежуточной О ¨- фазы.
Эта фаза не отличается по химическому составу от стабильной фазы О (CuAl2), но имеет отличную от нее кристаллическую решетку. Повышение температуры до 200 — 250° С приводит к коагуляции О ¨- фазы и к образованию стабильной О ¨- фазы.
Таким образом, при естественном старении образуются лишь зоны ГП-1 (зонное старение). При искусственном старении последовательность структурных изменений можно представить в виде следующей схемы:
ГП-1 →О¨ (ГП-2)→ О’ → О (cuAl2).
Зонное старение Фзовое старение
Отжиг алюминиевых сплавов
Для снятия наклепа и получения мелкого зерна алюминиевые сплавы в зависимости от состава, алюминиевые сплавы подвергают рекристаллическому отжигу при 350 – 500 ° С 0,5 – 2 часа.
Разупрочнение сплавов
Для разупрочнения сплавов, прошедших закалку и старение, отжиг проводят при350-450 ° С 1 – 2 ч.
При этих температурах происходит полный распад пересыщенного твердого раствора и коагуляция упрочняющих фаз. Скорость охлаждения не должна превышать 30°С/ч.
После отжига сплав имеет низкое временное сопротивление, удовлетворительную пластичность и высокую сопротивляемость коррозии под напряжением.