Сплавы на основе алюминия

 

 

Алюминий- металл серебристо- белого цвета. Температура плавления составляет 658°С. Особенностью  алюминия является его низкая плотность (2,7 г/см3). Алюминий обладает высокой электропроводностью, составляющей 65% от электропроводности меди.

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью  вследствие образования на его поверхности  тонкой прочной пленки AL2О3.

Алюминий легко обрабатывается давлением, но обработка резанием затруднительна. Хорошо сваривается всеми  видами сварки.

сплавы на основе алюминия

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

Сплавы на основе алюминия диаграмма

Алюминиевые магниевые сплавы

Алюминиевомагниевые 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 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.

Весьма чувствительны  к примесям  — меди, железу и кремнию. Которые, образуя различные соединения, при кристаллизации располагаются  по границам зерен. Наличие включений этих примесей снижает 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 реагировать с влагой формы. Поэтому в формовочные смеси добавляют борную кислоту, а стержни окрашивают специальной краской с фторприсадкой.

Чтобы повысить механические свойства  сплавов АЛ8 и АЛ 13, их  обрабатывают 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. Главными легирующими элементами в этих сплавах являются  медь  и кремний. Увеличение в кремнистом сплаве меди снижает его  коррозионную стойкость, но повышает  предел прочности.

Часть меди образует  твердый раствор с алюминием, а часть  кристаллизуется в виде  мелкозернистой сложной эвтектики (Al7Mg2Si4Cu4). Жаропрочность этих сплавов повышается  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 незначительна, 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 количества меди в сплаве  улучшает  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 в сплаве содержится кремни(выше 5%), тем крупнее первичное зерно сплава. По этой причине высококремнистые сплавы  без специального размельчения структуры имеют низкие механические свойства.

Кроме того, 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 повышения механических свойств за счет тепловой обработки в  алюминиевокремнистые сплавы вводят дополнительные элементы. Добавляя магния к этим сплавам дает возможность применить термическую обработку и улучшить  механические свойства.

При понижении содержания магния увеличивается пластичность, а при повышении – увеличивается предел прочности.

Основы термической обработки алюминиевых сплавов

Многие деформируемые сплавы алюминия упрочняются закалкой и последующим старением.

Основы термической обработки 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

термическое старение

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

Для снятия наклепа и получения мелкого зерна алюминиевые сплавы в зависимости от состава 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.