Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Материаловедение в машиностроении

Алюминий и сплавы на его основе

Алюминий – элемент III группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Порядковый номер алюминия 13. Кристаллическая решетка – ГЦК. Температура плавления – 660 °С. Алюминий – металл серебристобелого цвета. Его важной особенностью является низкая плотность – 2,7 г/см3 (плотность стали – 7,8 г/см3). Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, коррозионной стойкостью и пластичностью. Электрохимический потенциал алюминия в воздушной среде отрицательный, т.е. он окисляется на воздухе; коррозионная стойкость объясняется тем, что в результате взаимодействия с кислородом воздуха на поверхности образуется плотная пленка оксида алюминия (А12O3) толщиной ~10 нм, которая изолирует металл от окружающей среды (см. 10.3.2). Коррозионная стойкость алюминия тем выше, чем меньше содержится в нем примесей.

В зависимости от количества примесей различают алюминий особой чистоты, в котором содержится не более 0,001% примесей, высокой чистоты – до 0,05% примесей и технической чистоты – до 1% примесей. В промышленности применяют алюминий высокой и технической чистоты. Технический алюминий (марки АД0 и АД1) поставляется в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов.

Наиболее широкое применение алюминий получил в электротехнической промышленности благодаря высокой электропроводности (см. 10.6.2).

Высокая теплопроводность позволяет использовать алюминий для различных теплообменников.

Коррозионная стойкость определила применение алюминия в пищевой промышленности (посуда, цистерны для молока).

Применение алюминия как конструкционного материала ограничено его низкой прочностью (σΒ – 58 МПа). Поэтому его используют для изготовления элементов конструкций и деталей, не несущих нагрузки, когда основными требованиями являются малый вес и сопротивление коррозии (палубные надстройки морских и речных судов, рамы, перегородки и т.д.).

Алюминий весьма пластичен, хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии, его применяют для изготовления фольги различного назначения (обертка конфет).

Алюминий является основой большого количества конструкционных машиностроительных сплавов.

Алюминиевые сплавы

Основными легирующими компонентами алюминиевых сплавов являются Cu, Mg, Si, Μη и Ζn. Они образуют с алюминием твердые растворы с ограниченной растворимостью и интерметаллидные фазы.

Достоинство алюминиевых сплавов, определяющее область их применения, – малая плотность (2,7...3,0 г/см3) при достаточно высоких механических свойствах. Алюминиевые сплавы, за исключением сплавов с медью, имеют высокую коррозионную стойкость. Кроме того, они отличаются хорошей тепло- и электропроводностью.

По технологическому признаку алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые (заготовки получают методами холодной и горячей пластической деформации) и литейные (заготовки – отливки). Структура деформируемых сплавов – твердый раствор, в структуре литейных содержится эвтектика (рис. 8.6).

Деформируемые алюминиевые сплавы

В зависимости от возможности упрочнения термической обработкой различают упрочняемые и неупрочняемые сплавы. Высокая пластичность сплавов обусловлена их структурой – это однофазный твердый раствор. У неупрочняемых сплавов такая структура сохраняется вплоть до температуры солидус (начала плавления). У упрочняемых сплавов однофазный твердый раствор образуется при нагреве в однофазную область (см. рис. 8.6).

Сплавы, не упрочняемые термической обработкой. Упрочнение таких сплавов возможно только за счет наклепа при холодной пластической деформации.

Легирующими компонентами этих сплавов являются марганец (сплавы АМц) и магний (сплавы АМг). В марке цифра показывает содержание легирующего компонента (например, сплав АМг2 содержит 2% Mg). Сплавы АМг

Диаграмма состояния сплавов системы

Рис. 8.6. Диаграмма состояния сплавов системы "алюминий – легирующий компонент"

содержат помимо магния 0,2...0,6% марганца. Увеличение содержания магния вызывает рост пределов прочности и текучести; так, предел прочности сплава АМГ2 – 130 МПа, а сплава АМГ6 – 340 МПа, при этом пластичность снижается незначительно.

Сплавы этой группы отличаются высокой пластичностью. По прочности и коррозионной стойкости они превосходят чистый алюминий. Их применяют для ненагру- женных деталей и элементов конструкций, требующих высокого сопротивления коррозии (трубопроводы и емкости для бензина и масла, мачты речных и морских судов, рамы и кузова вагонов и т.д.).

Сплавы, упрочняемые термической обработкой. Такие сплавы (см. рис. 8.6) в равновесном (отожженном) состоянии при цеховой температуре имеют двухфазную структуру, которая состоит из α-твердого раствора и вторичной фазы. Упрочнение достигается в результате дисперсионного твердения. Это возможно, поскольку растворимость второго компонента уменьшается при понижении температуры (подробно это упрочнение рассмотрено выше, см. 3.5.2).

Наиболее широкое применение нашли сплавы системы "А1 – Cu – Mg" – дуралюмины. Они обозначаются буквой "Д", после которой следует номер сплава (Д1, Д16, Д18).

Упрочняющая термическая обработка состоит из операций закалки и старения. Приведем режимы термической обработки сплавов Д1 и Д18. Закалку выполняют от температуры 490...500 °С с быстрым охлаждением в воде. Затем проводят естественное старение при цеховой температуре в течение четырех суток.

Твердость и прочность дуралюминов примерно такая же, как и у низкоуглеродистых сталей (табл. 8.1). Однако при этом алюминиевые сплавы значительно превосходят сталь по удельной прочности (т.е. соотношению предела прочности и плотности – σΒ/ρ, где р – плотность), так как плотность алюминиевых сплавов (2,7 г/см3) почти в три раза ниже, чем у стали (7,8 г/см3). Эта характеристика играет важную роль для конструкций, в которых необходим минимальный вес. Именно поэтому дуралюмины нашли широкое применение в авиации. Дуралюмины обладают высокой пластичностью, их выпускают в виде листов, труб, прессованных и катаных профилей.

Таблица 8.1

Химический состав и механические свойства дуралюминов

Марка сплава (стали)

Химический состав, % масс.

Механические свойства

Си

Mg

Μη

Si

σ„>

МПа

δ,%

Твердость, НВ

Д1

  • 3,8...
  • 4,8
  • 0,4...
  • 0,8
  • 0,4...
  • 0,8

<0,7

420

15

95

100...190

Д16

  • 3,8...
  • 4,9
  • 1,2...
  • 1,8
  • 0,4...
  • 0,8

<0,5

500

15

105

Д18

  • 2,2...
  • 3,0
  • 0,2...
  • 0,5

<0,2

<0,5

300

24

70

Примечание. Предел прочности Ст.З – 400 МПа, удельная прочность ~ 50.

При использовании дуралюминов следует иметь в виду, что модуль нормальной упругости (Е), определяющий жесткость, т.е. способность элемента конструкции сопротивляться упругой деформации, у этих сплавов значительно ниже, чем у сталей (72 и 210 ГПа соответственно). Поэтому алюминиевые сплавы нельзя использовать для тяжело нагруженных изделий.

Коэффициент трения скольжения алюминиевых сплавов значительно выше, чем у сплавов на основе железа и особенно медных. Это ограничивает возможность их применения для деталей, работающих в парах трения.

Кроме дуралюминов, к деформируемым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплав авиаль (АВ), который уступает дуралюминам в прочности, но обладает более высокой пластичностью. Высокопрочные алюминиевые сплавы системы "А1 – Zn – Mg – Cu" с добавками марганца и хрома, также относящиеся к упрочняемым, маркируются буквой "В" (В95, В96), их прочность 600...700 МПа. Для работы при повышенных температурах используют жаропрочные сплавы АК4, Д20.

Для изготовления заготовок методами горячей пластической деформации используют сплавы типа "АК" – АК6, АК8. Это сложнолегированные сплавы, в их состав входят Mg, Μn, Fe, Si, Zn в небольших количествах (до 1%). Отличие сплава АК8 от АК6 – в повышенном содержании Си – 4,5 и 2,5% соответственно. Сплавы не склонны к образованию трещин при ковке, штамповке.

Литейные алюминиевые сплавы

Одно из важнейших требований к литейным сплавам – хорошая жидкотекучесть, которая тем выше, чем ниже температура затвердевания – линия солидус (см. 11.2). При самой низкой температуре происходит затвердевание эвтектики, поэтому литейными являются сплавы, в структуре которых имеется эвтектика (см. рис 8.6). Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы эвтектического состава, когда температуры ликвидуса и солидуса совпадают, они кристаллизуются при постоянной температуре, что предотвращает ликвацию. Такие сплавы хорошо заполняют литейные формы, оставаясь в однофазном, жидком состоянии до низких температур.

В качестве литейных могут быть использованы сплавы систем "А1 – -", "Al – Mg", но наиболее широкое применение в промышленности нашли силумины – сплавы алюминия с кремнием (рис. 8.7), обладающие лучшими литейными свойствами.

Маркировка сплавов: буква А – алюминиевый сплав; буква, обозначающая легирующий компонент (К – кремний, М – медь, Ц – цинк); цифра за буквой – среднее содержание компонента (аналогично обозначению сталей). Например, состав сплава АК5М7 – 5% Si, 7% Си, остальное (88%)- А1.

Наиболее высокими литейными свойствами обладает сплав АК12, имеющий эвтектическую структуру. Недостатком сплава является наличие в структуре кристаллов кремния, приводящее к снижению механических свойств (улучшение технологических и эксплуатационных свойств

Диаграмма состояния сплавов системы "Al – Si&quot

Рис. 8.7. Диаграмма состояния сплавов системы "Al – Si"

достигается модифицированием, см. ниже рис. 11.2). Этот сплав нс подвергается упрочняющей термической обработке, имеет низкие твердость и прочность, используется для изготовления малонагруженных деталей (корпуса приборов).

Некоторые литейные сплавы можно упрочнить за счет дисперсионного твердения, их подвергают термической обработке – закалке и последующему искусственному старению. К упрочняемым относится сплав АК9 (средний состав – 9% Si, 0,25% Mg, 0,4% Μn). Термическая обработка – закалка и последующее старение; упрочняющая фаза – Mg2Si. Этот сплав применяют для средних и крупных деталей ответственного назначения: корпусов компрессоров, картеров, блоков и т.д.

Силумины по ряду характеристик уступают чугунам, применяемым в промышленности в качестве литейных сплавов, вследствие более низких механических свойств, высокого коэффициента трения, большой литейной усадки. Кроме того, их стоимость в несколько раз выше. Широкое применение силуминов определяется основным преимуществом перед чугунами. Это малая плотность, а значит, и существенно меньшая масса отливок из силуминов при одинаковых габаритах с отливками из чугуна.

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы