Лекции - Цветные металлы и сплавы

Подождите немного. Документ загружается.

термической обработке. Магний образует с алюминием  - твердый раствор, его

концентрация в котором с повышением температуры может увеличиваться от 1,4

до 17,4%.

При комнатной температуре структура сплавов состоит из кристаллов

твердого раствора  и избыточной фазы Mg

. В этих сплавах прочностные

характеристики повышаются с повышением содержания магния (см. табл. 3.1) за

счет увеличения количества избыточной фазы. Сплавы А Мг, как и сплавы А Мц,

часто применяются в нагартованном состоянии, когда с помощью пластической

деформации обеспечивается их заметное упрочнение. Однако, пластические

характеристики при этом резко снижаются, что ограничивает применение

нагартованных сплавов.

Сплавы типа А Мц и А Мг применяют для изделий, получаемых глубокой

вытяжкой, сваркой, от которых требуется высокая коррозионная стойкость

(трубопроводы для бензина и масла, сварные баки), а также для заклепок,

переборок, корпусов и мачт судов, лифтов, узлов подъемных кранов, рам вагонов,

кузовов автомобилей и т.д.

3.4. Литейные алюминиевые сплавы

Изделия из таких сплавов изготавливают методом литья. Такие сплавы

должны обладать высокой жидкотекучестью, малой усадкой. Высокими

литейными свойствами обладают сплавы, в структуре которых формируется

эвтектика.

Промышленное применение находят литейные сплавы следующих систем:

1. Al - Si - силумины (АЛ2, АЛ4, АЛ9 и др.), содержащие 6 - 13 % кремния, а

также до 0,5 % магния и марганца;

2. Al - Cu ( АЛ7, АЛ19 и др.), содержащие 4 - 5 % меди, а также 0-1 % марганца;

3. Al - Mg (АЛ8, АЛ27 и др.), содержащие 9 - 12 % магния.

4. Жаропрочные сплавы системы Al - Cu - Ni - Mg (АЛ1, АЛ33 и др.),

содержащие 4-6 % Cu, 1-3 % Ni, 1-1.75 % Mg.

Состав и свойства ряда литейных сплавов приведены в таблице 3.2.

Литейные сплавы маркируют буквами АЛ (алюминиевый литейный).

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы алюминия с кремнием -

силумины. Высокая жидкотекучесть, малая усадка, низкая склонность к

образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняются

наличием большого количества эвтектики, что видно из диаграммы состояния

(рис. 3.2, в). В двойных сплавах алюминия с кремнием эвтектика состоит из

твердого раствора и кристаллов практически чистого кремния. В легированных

силуминах (АЛ4 и др.) помимо двойной имеются тройные и более сложные

эвтектики.

Силумины хорошо свариваются, хорошо обрабатываются резанием при их

легировании медью. В двойных силуминах с увеличением содержания кремния до

эвтектического состава снижается пластичность и повышается прочность.

Появление в структуре крупных кристаллов первичного кремния вызывает

снижение как прочности, так и пластичности.

Несмотря на повышение растворимости кремния в алюминии от

0,05 при 200°С до 1,65 % при эвтектической температуре, двойные силумины не

упрочняются термической обработкой из-за высокой скорости распада твердого

раствора даже уже в процессе закалки.

Упрочнить силумины можно в результате измельчения структуры путем

модифицирования. Силумины обычно модифицируют натрием, кото-

рый в виде хлористых и фтористых солей вводят в жидкий сплав в количестве 2-3

% от массы. Кроме модифицирующего эффекта, натрий сдвигает эвтектическую

точку в системе Al - Si в сторону больших содержаний кремния и способствует

большему переохлаждению расплава при кристаллизации (см. схему на рис. 3.3).

Благодаря этому заэвтектический по составу сплав приобретает структуру

доэвтектического, характеризующуюся наличием мелкокристаллической

эвтектики и первичных кристаллов избыточной  -фазы. Это приводит к

повышению как пластичности, так и про-чности сплава. Модифицируют как

двойные, так и легированные силумины, содержащие более 5-6 % кремния.

Таблица 3.2 - Химический состав и механические свойства ряда

литейных алюминиевых сплавов

Мар-

ка

Содержание

элементов, %

Механические свойства Состояние сплава

спла-

ва

мас. (осталь-ное

- Al)



Н/мм



Н/мм

,

НВ

АЛ2

АЛ4

АЛ9

АЛ7

АЛ19

АЛ8

АЛ27

10-13% Si

8-10.5% Si,

0.17-0.3 %Mg,

0.3-0.5% Mn

6-8% Si,

0.2-0.4% Mg

4-5% Cu

4.5-5.3% Cu,

0.6-1.0% Mn,

0.15-0.35 % Ti

9.5-11.5% Mg

9.5-11.5 % Mg,

0.05-0.15% Ti,

0.05-0.2% Zr,

0.05-0.15% Be

130

180

260

220

260

360

320

360

200

120

160

200

250

180

100

Литой,немодифицир

Литой,модифицир.

Литой,модифицир.,

после закалки и

старения

Литой под давлен.

Литой, после закалки

и старения

После закалки и

старения

После закалки и

старения

Литой

Закаленный

Для легирования силуминов часто используют Mg, Cu, Mn, Ti, реже - Ni,

Zr, Cr и другие элементы. Растворяясь в алюминии, они повышают прочность и

твердость сплавов (см. табл. 3.2). Медь улучшает обрабатывае-

мость резанием, титан является модификатором. Медь и магний, обрадая

переменной растворимостью в алюминии (см. рис. 3.1, 3.2), способствуют

упрочнению силуминов в результате термической обработки, состоящей из

закалки (от 515-535°С) и искусственного старения (150-180°С, длительностью до

10-20 ч.). Легирование силуминов марганцем, титаном, цирконием способствует

упрочнению сплавов при старении без предварительной закалки.

Силумины, прежде всего, легированные, применяют для изготовления

средних и крупных деталей ответственного назначения: корпусов компрессоров,

картеров, головок цилиндров, блоков цилиндров и др.

Рисунок 3.3 - Схема влияния модифицирования натрием на положение

линий и точек диаграммы состояния сплавов системы Al - Si

Сплавы системы Al - Cu (АЛ7, АЛ19, табл. 3.2) характеризуются высокой

прочностью при обычных и повышенных температурах, превосходя по этим

показателям силумины. Они хорошо обрабатываются резанием и свариваются.

Однако, из-за отсутствия эвтектики эти сплавы обладают низкими литейными

свойствами, имеют низкую герметичность. Структура сплавов состоит из

кристаллов  -твердого раствора и упрочняющей фазы - CuAl

(см. рис. 3.1).

Литейные и механические свойства сплавов алюминия с медью улучшаются

при их легировании Ti и Mn (АЛ19). Марганец способствует упрочнению сплавов

за счет выделения частиц фазы Al

Cu. Сплавы упрочняют закалкой, либо

T без Na

c Na

Al C % Si

закалкой и искусственным старением, когда в качестве упрочнителя выделяется

фаза  ( CuAl

Сплавы системы Al - Cu применяют в основном для изготовления

небольших изделий простой формы, работающих при температурах до 300°С.

Сплавы системы Al - Mg (АЛ8, АЛ27, табл. 3.2) обладают высокой

коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошо обрабатываются

резанием. При обычном содержании магния (9-12 %) сплавы не содержат в

структуре эвтектики (см. рис. 3.2, б), поэтому характеризуются невысокими

литейными свойствами, пониженной герметичностью, а также повышенной

чувствительностью к наличию примесей (железа, кремния), образующих

нерастворимые фазы, снижающие пластичность сплавов.

Для предотвращения окисления плавку и разливку сплавов алюминия с

магнием необходимо вести под защитными флюсами. Легирование двойных

сплавов Be, Ti, Zr не только устраняет их склонность к окислению и росту зерна,

но и тормозит естественное старение сплавов, вызывающее снижение их

пластичности и вязкости. Наилучшие механические свойства сплавы алюминия с

магнием приобретают после закалки от 530°С, когда весь магний находится в

твердом растворе.

Сплавы системы Al - Mg применяют для изготовления деталей,

работающих в условиях высокой влажности, в судо-, самолето- и ракетостроении.

Из них делают детали приборов, вилки шасси и хвостового оперения, штурвалы и

т.д.

Жаропрочные литейные сплавы на основе алюминия применяют для

отливки поршней, головок цилиндров, работающих при температурах до 300°С.

Это сплавы системы Al - Cu - Ni - Mg (4-6 % Cu, 2-3 % Ni, 1-1.75 % Mg),

например, сплав АЛ1, которые могут дополнительно легироваться Mn, Zr, Ce и

другими элементами (например, сплав АЛ33 содержит 5,8 % Cu, 0,8 % Mn, 1 %

Ni, 0,2 % Zr, 0,2 % Ce ). Сплавы упрочняют закалкой от 525 С с последующим

старением либо отпуском (230-300°С).

3.5 Спеченные сплавы на основе алюминия

Эта группа сплавов может быть разделена на три вида: 1) спеченные

алюминиевые порошки (САП); 2) спеченные алюминиевые сплавы (САС); 3)

гранулированные сплавы.

Спеченные алюминиевые порошки (САП) чаще всего являются сплавами

системы Al - Al

. Их получают холодным брикетированием пудры (размер

частиц около 1 мкм), вакуумным отжигом (дегазация) и последующим спеканием

под давлением. После спекания и деформации получают двухфазный сплав, в

котором дисперсные частицы окисла алюминия равномерно распределены в

алюминиевой матрице. Содержание Al

составляет 5-8 % (объемн.). Сплавы

типа САП (САП-1, САП-2 и т.д.) обладают высокой прочностью ( = 300-450

Н/мм

), достаточной пластичностью ( = 2-8 %), высокой жаропрочностью при

длительном нагреве до 500°С (у сплава САП-1 жаропрочность при 500°С 

100

450 Н/мм

). Разупрочнение в них, связанное с рекристаллизацией, не наступает

почти до температуры плавления алюминия вследствие присутствия частиц окиси

алюминия.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) также получают из порошков

соответствующего состава путем их прессования, отжига в вакууме и спекания.

Структурный и фазовый состав таких сплавов зависит от состава применяемых

порошков. САС - это преимущественно сплавы специального назначения.

Гранулированные сплавы в общем подобны сплавам САС, за исключением

того, что исходным материалом для их получения являются более крупные

частицы (гранулы) размером от нескольких мкм до нескольких мм.

Гранулированные сплавы получают путем компактирования из частиц, отлитых

со сверхвысокой скоростью кристаллизации в условиях охлаждения со скоростью

-10

град./с (например, при распылении жидкого металла струей нейтрального

газа).

Гранулы и готовые полуфабрикаты (изделия) характеризуются

мелкозернистой структурой, минимальной ликвацией, метастабильным

состоянием, обусловленным большим пересыщением твердых растворов из-за

высокой скорости охлаждения. В процессе технологических операций горячего

компактирования сплавов (температура процесса - 400-450°С) из пересыщенного

твердого раствора выделяются дисперсные частицы интерметаллидных

упрочняющих фаз (Al

Mn, Al

Cr, Al

Zr и др.), которые повышают температуру

рекристаллизации, увеличивают прочность при обычных и повышенных

температурах. В ряде сплавов при повышенном содержании переходных металлов

предел прочности может достигать 800 Н/мм

. В качестве исходного материала

для таких гранулированных сплавов могут служить “стандартные” алюминиевые

сплавы, например, дуралюмины.

4. МАГНИЙ И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

4.1. Свойства и применение магния

Магний - металл серебристого цвета. Не имеет полиморфных превращений.

Обладает гексагональной плотноупакованной (ГП) кристаллической решеткой с

параметрами (периодами) а=0,3202 нм, с=0,5199 нм. Магний имеет низкую

плотность (1,74 г/см

), невысокую температуру плавления (649 °С), атомную

массу 24,305 и порядковый номер 12 в периодической системе. Как следует из

данных табл. 1.2, теплопроводность магния в 1,5, а электропроводность - в 1,6

раза ниже, чем у алюминия. Магний характеризуется также хорошей

обрабатываемостью резанием и способностью воспринимать ударные и гасить

вибрационные нагрузки.

В зависимости от содержания примесей установлены следующие марки

магния: Мг 96 (до 0,04% примесей), Мг 95 (до 0,05% примесей), Мг 90 (до

0,10% примесей). Примеси Fe, Si, Ni, Cu снижают и без того низкие

пластичность и коррозионную стойкость. К недостаткам магния относятся его

интенсивное окисление при нагреве и воспламенение на воздухе при температуре

выше 623°С и даже самовоспламенение порошка, мелкой стружки, тонкой ленты

на воздухе при обычных температурах, выделение при этом большого количества

теплоты и излучение ослепительно яркого света, что представляет большую

опасность.

Чистый магний характеризуется невысокими механическими свойствами:

Состояние 

, Н/мм



, Н/мм

, % Твердость, НВ

1. Литое 110-120 20-30 6-8 30

2. Холоднокатаное (лист) 260 - 9 -

3. Отожженное для

снятия наклепа 190 98 15-17 40

Низкая пластичность магния при 20-25°С объясняется развитием процессов

скольжения в кристаллах с ГП-решеткой преимущественно в плоскостях базиса.

Повышение температуры деформации приводит к увеличению числа плоскостей

скольжения и двойникования и повышению пластичности. Поэтому обработку

давлением магния проводят при температуре 350-450°С.

Чистый магний из-за низких механических свойств как конструкционный

материал практически не применяется. основные области его применения:

пиротехника, химическая промышленность (катализатор и компонент

органического синтеза), металлургия (легирование, модифицирование,

раскисление).

4.2. Общая характеристика и классификация магниевых сплавов

Основным преимуществом сплавов магния является их низкая плотность и

высокая удельная прочность: предел прочности ряда сплавов достигает 250-400

Н/мм

при плотности до 2 г/см

Основной недостаток сплавов магния - низкая коррозионная стойкость и

склонность к окислению и самовозгоранию на воздухе даже при комнатной

температуре. Это создает повышенную опасность в цехах по обработке и

производству магниевых сплавов.

Основными легирующими элементами магниевых сплавов являются Al, Zn,

Mn, а дополнительными - Zr, Cd, Ce, Nd и др. Механические свойства сплавов

магния при комнатной температуре улучшаются при легировании алюминием,

циником, цирконием, при повышенной - добавками церия, ниодима и тория.

Цирконий и церий оказывают модифицирующее влияние на структуру сплавов

магния. Добавка 0,5-0,7 % Zr уменьшает размер зерна магния в 80-100 раз, Zr и

Mn способствуют устранению отрицательного влияния примесей - железа и

никеля.

Сплавы магния могут быть упрочнены закалкой и искусственным

старением (температура нагрева - до 200 °С, выдержка - до 16-24 ч). термическая

обработка магниевых сплавов затруднена из-за замедления процессов диффузии в

твердом растворе легирующих элементов в магнии. это требует большой

выдержки не только при старении, но и в процессе нагрева под закалку (16-30 ч)

для растворения соединений легирующих элементов. Пластическая деформация

закаленного сплава магния перед его старением (ТМО) способствует его

значительному упрочнению.

Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием (лучше, чем стали,

сплавы алюминия и меди), легко шлифуются и полируются. Они

удовлетворительно свариваются контактной роликовой и дуговой сваркой.

Недостатками магниевых сплавов являются: низкая коррозионная стойкость

и малый модуль упругости, плохие литейные свойства, склонность к

газонасыщению, окислению и воспламенению при их изготовлении. Плавку и

разливку сплавов магния ведут под специальными флюсами.

Магниевые сплавы классифицируются:

1. По технологии изготовления - на литейные (маркируют буквами МЛ) и

деформируемые (маркируют буквами МА);

2. По механическим свойствам - на сплавы невысокой и средней прочности,

высокопрочные сплавы и жаропрочные сплавы;

3. По склонности к упрочнению с помощью термической обработки - на сплавы,

упрочняемые термической обработкой и сплавы, не упрочняемые термической

обработкой.

4.3. Деформируемые магниевые сплавы

Свойства ряда сплавов магния приведены в таблице 4.1. Среди этих сплавов

наиболее высокими прочностными свойствами обладают сплавы магния с

алюминием и магния с цинком, легированные дополнительно цирконием,

кадмием, редкоземельными металлами.

Таблица 4.1 - Химический состав и механические свойства некоторых

магниевых сплавов

Марка

сплава

Содержание элементов,

% масс, (остальное - магний)

Механические свойства



Н/мм



Н/мм

, %

1. Деформируемые сплавы ( после закалки и старения)

МА-5

МА 11

МА 14

МА 19

Mn - 0,15-0,5, Zn - 0,2-0,8, Al - 7,8-9,2

Mn - 1,5-2,5, Nd - 2,5-4, Ni - 0,1-0,25

Zn - 5-6, Zr - 0,3-0,9

Zn - 5,5-7,Zr - 0,5-1,Cd - 0,2-1, Nd -1,4-2

320

280

350

380

220

140

300

330

2. Литейные сплавы (после закалки и старения)

МЛ 5

МЛ 8

Al - 7,5-9, Mn - 0,15-0,5, Zn - 0,2-0,8

Zn - 5,5-6,6, Zr - 0,7-1,1, Cd - 0,2-0,8

255

120

155

3. Литейные сплавы (в литом состоянии)

МЛ 10

МЛ 15

Nd - 2,2-2,8, Zr - 0,4-1, Zn - 0,1-0,7

Zn - 4-5, Zr - 0,7-1,1, La - 0,6-1,2

200

210

130

Алюминий и цинк обладают высокой растворимостью в магнии

(соответственно до 12,1 % при 436 °С для алюминия и до 8,4 % при 340 °С для

цинка). Повышение их содержания приводит к упрочнению сплава как за счет

легирования твердого раствора, так и в результате появления вторичных

упрочняющих фаз - Mg

и Mg

. Однако, в промышленные сплавы не

вводят больше 10 % алюминия и 6 % цинка из-за снижения их пластичности в

результате появления большого количества промежуточных фаз. Уменьшение

растворимости легирующих элементов с понижением температуры (в 6-8 раз для

Al и Zn) дает возможность упрочнять такие сплавы закалкой и старением. Эффект

упрочнения оказывается сравнительно небольшим (около 30 %) вследствие

образования при старении сразу стабильных фаз с относительно большим

расстоянием между их частицами, кроме того, склонных к коагуляции.

Цинк и алюминий придают сплавам хорошую технологическую

пластичность, что позволяет изготавливать из них кованые и штампованные

детали сложной формы (крыльчатки и жалюзи капота самолета). Сплавы с низким

содержанием алюминия применяются в горячепрессованном или отожженном

состояниях, поскольку незначительно упрочняются в результате закалки и

старения. Сплавы с высоким содержанием алюминия, дополнительно

легированные серебром и кадмием (МА10), обладают самой высокой прочностью

(предел прочности - 430 Н/мм

) и удельной прочностью среди магниевых

сплавов.

Кадмий, легируя твердый раствор, повышает механические свойства и

технологическую пластичность сплавов. Серебро также легирует твердый

раствор, поскольку имеет высокую растворимость (до 15,5%) в магнии. Наличие

высоколегированного Al, Ag и Cd твердого раствора и большого количества

упрочняющей фазы Mg

обеспечивает высокую прочность таких сплавов.

Высокопрочные сплавы магния с цинком дополнительно легируют

цирконием (МА14), кадмием, РЗМ (МА15, МА19). Увеличение содержания

цинка приводит к упрочнению магниевых деформируемых сплавов в результате

легирования твердого раствора и появления интерметаллидной фазы MgZn

, но

для сохранения достаточной технологической пластичности содержание цинка

ограничивают 5-6 %. Цинк способствует упрочнению и повышению пластичности

сплавов непосредственно в деформированном состоянии, что делает

нецелесообразным проведение термической обработки таких сплавов. Из данных

таблицы 4.1 следует, что дополнительному упрочнению деформируемых

магниевых сплавов с цинком способствует их легирование кадмием (легирование

твердого раствора) и редкоземельными металлами (образование промежуточных

интерметаллидных фаз).

4.4. Литейные магниевые сплавы

Литейные магниевые сплавы, упрочняемые термической обработкой, как и

деформируемые, также чаще всего являются сплавами системы Mg - Al, Mg - Zn,

Mg - Al - Zn с дополнительным их легированием другими элементами (табл. 4.1).

Отливки из магниевых сплавов характеризуются высокой точностью

размеров и хорошей чистотой поверхности, что почти исключает их обработку

резанием. Однако, из-за наличия грубозернистой литой структуры литейные

сплавы в сравнении с деформируемыми имеют более низкие как прочностные,

так и пластические свойства (см. табл. 4.1).

Улучшение механических свойств литейных сплавов достигается

различными способами:

- перегревом сплавов, выплавляемых в железных тиглях, когда образующиеся

частицы FeAl

являются дополнительными центрами кристаллизации;

- гомогенизацией отливок, когда происходит растворение грубых частиц

интерметаллидных фаз, охрупчивающих сплавы;

- применением особо чистых шихтовых материалов для приготовления сплавов.

Механические свойства литейных магниевых сплавов в основном близки к

таковым у литейных алюминиевых сплавов. Но магниевые сплавы имеют

меньшую плотность и, следовательно, более высокую удельную прочность.

Наиболее распространенные сплавы системы Mg - Al - Zn, особенно

сплавы с повышенным содержанием алюминия, обладают пониженной

жидкотекучестью, усадочной пористостью (рыхлостью) и низкой

герметичностью, повышенной склонностью к образованию горячих трещин в

сравнении, например, с алюминиевыми сплавами. С увеличением содержания

алюминия литейные свойства магниевых сплавов сначала ухудшаются вследствие

увеличения интервала кристаллизации, а затем, при появлении неравновесной