Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

диаграмме состояния, при комнатной температуре сплав AJ18

имеет гетерогенную структуру, состоящую из a-твердого раствора

и соединения Mg2Al3 (p-фаза) Кроме этого, в условиях нерав

новесной кристаллизации (при быстром охлаждении) в сплавах

всегда образуется некоторое количество эвтектики а +

Н" Р Mg2Al3)

Эвтектическая составляющая в данных сплавах может по

являться уже при содержании 6—7% Mg.

Фаза p(Mg2Al3) хрупкая и выделяется в форме крупных

скоплений, образующих часто сплошную сетку (рис. 17 а атла

са Крупные выделения хрупкой составляющей служат причи

ной трещинообразования в в отливках, а также способствуют

снижению механических свойств

сплава

Для устранения гетерогенной

структуры сплав AJ18 подвергается

закалке и в таком состоянии приме

няется в изделиях.

При нагреве под закалку проис

ходит растворение р ]\^2А13)-фазы

и сплав принимает гомогенное

строение подобно сплаву АЛ7 на

рис. 14, б атласа Не переходят в

твердый раствор железосодержащие

фазы при наличии примесей желе

за и частично фаза Mg2Si, обра

зующаяся в сплавах в присутствии

уже небольших примесей кремния.

Однако при наличии крупных вы

делений р А ^2А13)-фазы диффузи

онные процессы ее растворения

сильно замедляются. Даже в усло

виях весьма длительного нагрева

60—70 ч) вследствие образования пересыщенных магнием по

граничных зон и наличия остаточной (3-фазы хрупкое действие ее

полностью не снимается.

Автором в совместной работе с Э А. Зарум [29] было замече

но, что растворение (3-фазы можно значительно ускорить, если

в расплав ввести небольшие добавки циркония, который резко

измельчает выделения (3-фазы и способствует более полному ее

растворению.

Позднее положительное действие циркония на структуру и

механические свойства алюминиевомагниевых сплавов было от

мечено также в работе [30] при обработке жидкого сплава соля

ми циркония. Роль циркония и некоторых других элементов (В,

Cr Mo, W Nb, Та, Са и др.) в процессах рафинирования и мо

дифицирования алюминиевомагниевых сплавов была подробно

изучена также в работах [31—33].

2 U 6 в 1C 12 14 16

Содерж ание ttg,%

Рис. 21. Изменение механичес

ких свойств сплавов А1 Mg &

зависимости от содержания

магния (литье в землю

На рис. 17, б атласа на примере сплава AJI8 с добавками бо

ра показан характер его воздействия на структуру Из рассмот

рения микроструктур данных на рис. 17, а и б следует, что из

мельчение р(Л ^2А13)-фазы является следствием коренных из

менений, происходящих в строении первичных дендритов

твердого раствора алюминия.

Под влиянием вводимых добавок дендриты формируются в

виде сетчатых кристаллов с тонкими разветвленными осями, а

так как p-фаза кристаллизуется вторично и в межосных прост

ранствах, то это приводит к резкому ее измельчению и равно

мерному распределению по всему

объему зерна.

Образование дендритов с тон

ким внутренним строением, как

уже указывалось, связано с за

трудненным питанием в процессе

их роста Примеси, адсорбируясь

в поверхностных слоях растущих

дендритов в случае растворимых

добавок или блокируя их извне

в случае нерастворимых доба

вок), создают определенную пре

граду барьер для подхода ато

мов кристаллизующегося веще

ства. В результате создаются ус

ловия для неравномерного роста

кристаллов более интенсивного

у выступающих частей, где силь

ные конвекционные токи обнов

ляют состав жидкости и удаляют

примеси и формирования их в

виде сетчатых кристаллов. Под

робно эти вопросы рассмотрены в

монографии [21].

В результате указанных изменений структуры резко улучша

ются механические свойства сплава.

Некоторые данные по влиянию модифицирования на меха

нические свойства сплава типа AJI8 показаны на рис. 22 [34].

Как показали исследования [33, 34], прирост показателей ме

ханических свойств сплавов в литом и гомогенизированном со

стояниях в основном зависит от степени измельчения фазы

f>(Mg2Al3) и практически мало зависит от природы добавок.

Используя благоприятное влияние элементов IVa группы

{Т\ и Zr) на алюминиевомагниевые сплавы, автором совместно

с Л. Кубичеком в 1952 г был предложен литейный сплав типа

АЛ8 следующего состава 9— 11% Mg, 0,3—0,4% Мп, 0,005—

0,010% Be, 0,05—0,08% Ti, 0,05—0,1% Zr остальное А1. Этот

сплав в литом виде после закалки с 430° С при выдержке 4—6 ч

быдертка, ч

Рис. 22. Изменение механических

свойств алюминиевомагниевого

сплава с 10% Mg, 0,3% Мп,

0,005% Be:

------------

модифицированный

сплав;

— — — немодифицированный

сплав

имеет следующие механические свойства аь = 38-=-41 кГ мм2,

б = 25 -г- 30 % [31 34].

Позднее в работе [35] было изучено влияние циркония, ти

тана и других элементов на литейные и коррозионные свойства

стандартного сплава АЛ8 (9,5— 11,5% Mg) и подтверждено их

благоприятное влияние.

В результате этих исследований рекомендован сплав соста

ва 9,5— 11,5% Mg, 0,05—0,1% Be, 0,1% Ti, 0,1% Zr, остальное

Al. Сплав после закалки на образцах, отлитых в песчаные

формы, имеет следующие механические свойства оь = 38 кГ/мм2,

б = 20% [35].

Микроструктура сплава АЛ8 показана на рис. 18 атласа.

В настоящее время сплав АЛ8 обычного и улучшенного со

става находит широкое применение в промышленности. Недо

статком сплава является пониженная стойкость против коррозии

под напряжением.

За последние годы появился ряд новых алюминиевомагние

вых сплавов (АЛ22, АЛ 13)

Сплав АЛ22 содержит 10,5— 13% Mg, 0,8— 1,1% Si, 0,03—

0,07% Be, 0,01—0,05% Ti, остальное Al. Введение кремния спо

собствует улучшению литейных свойств сплава. Бериллий вво-

дят для снижения окисляемости, а титан — с целью измельчения

зерна в отливках. Сплав АЛ22 литой под давлением после за

калки имеет оь = 25 кГ мм2 и б = 3% и характеризуется повы

шенной жаропрочностью.

Сплав АЛ 13 4,5—5,5% Mg, 0,8— 1,3% Si, 0,1—0,4% Mn, ос

тальное Al) содержит примерно в два раза меньше магния по

сравнению со сплавом АЛ22 и такое же количество кремния.

Этот сплав литой в кокиль без термообработки имеет оь =

= 20 кГ/мм2 и б = 5%

Согласно тройной диаграмме состояния Al Si — Mg (см.

рис. 16 , сплавы АЛ22 и АЛ13 находятся в области а + Mg2Si

и имеют структуру состоящую из а-твердого раствора и эвтек

тики а + Mg2Si) При наличии марганца в сплаве и примесей

железа возможно, кроме этого, образование в небольшом коли

честве железомарганцовистой фазы.

На рис. 19 атласа показана микроструктура сплава АЛ 13.

Жаропрочные литейные сплавы

Типичным представителем этой группы является сплав АЛ1

(3,75—4,5% Си, 1,25— 1,75% Mg, 1 75—2,252% Ni, остальное Al).

Сплав имеет структуру, показанную на рис. 20 атласа. Ни

кель с алюминием образует тройное соединение Al6Cu3Ni (Т

фаза которое обладает высокой жаропрочностью. Магний ча

стично входит в твердый раствор, а также образует с медью и

алюминием тройное соединение Al2CuMg (S-фаза) Таким об

разом в структуре сплава, кроме a-твердого раствора, присут

ствует никелевая составляющая Т AUCueNi) и S -фаза

AbCuMg) Обе эти фазы четко выявлены на указанной выше

микрофотографии. Кроме этого, в структуре сплава могут в не

значительном количестве присутствовать фаза СиАЬ и эвтекти

ка (а + СиА12 + 5

Сплав АЛ1 применяется в термообработанном состоянии за

калка и закалка и старение) При закалке фазы СиАЬ и 5 пере

ходят в твердый раствор, поэтому на шлифе можно видеть толь

ко фазу Т (А1бСи3№ и железосодержащие фазы.

За последние годы разработаны новые композиции жаро

прочных литейных сплавов, которые подробно описаны в моно

графии [10]* К числу их относятся сплавы АЛ21 (4,6—6% Си,

0,8— 1,3 о/о Mg, 2,6— 3,6% Ni, 0,15—0,25% Мп, 0,1— 0,2% Сг, ос

тальное А1 , АЛ 19 (4,5—5,3% Си, 0,6— 1% Мп, 0,25—0,45% Ti,

остальное А1), АЛ20 1,5—2,2% Si, 0,7 1,2% Mg, 3,5—

4,52% Си 0,15—0,3% Мп, 0,8— 1,3% Ni, остальное А1), АЦР1,

АЛ25 11 13% Si, 0,8— 1,3% Mg, 1,5— 3% Си, 0,3—0,6% Мп,

0,8— 1,3% Ni, остальное А1) и его аналог с добавкой 0,2% Ti,

сплав АЛ26, АЛ24 (ВАЛ1) 1,5— 2% Mg, 3,5—4,5% Zn, 0,3%

Мп, 0,2% Ti, остальное А1

В отличие от сплава АЛ1 сплав АЛ21 вследствие повышенно

го содержания никеля, кроме фазы Т (АЦСизМ), имеет вторую

никельсодержащую фазу Sni АЦ(Си№ 2. что способствует бо

лее значительному его упрочнению.

Сплав АЛ21 после термической обработки закалка с 525° С

и отпуск при 300° С в течение 3—5 ч) при комнатной темпера

туре имеет оь = 21 кГ мм2, 6 = 0,8% и длительную 100-ч) проч

ность при 300 и 350° С (соответственно 6,5 и 3,5 кГ мм2 Микро

структура сплава подобна сплаву АЛ1 и поэтому не приводится.

Микроструктура сплава АЛ19 показана на рис. 21 атласа.

Сплав АЛ 19 после закалки с 545° С и старения при 175° С в те

чение 3 ч имеет следующие показатели механических свойств:

при комнатной температуре оь = 4ч- 45 кГ мм2, 6 = 4-5-8% и

при 300° С длительную (100-ч) прочность. 6,5—7 кГ мм2 [9, 10].

Сплав АЛ 19 очень чувствителен к примесям железа и чем

меньше будет в сплаве железа, тем выше его прочность.

Для получения минимальной прочности содержание железа

должно быть не более 0,2%

Сплав АЛ20 имеет структуру, подобную сплаву АЛ1 По по

казателям прочности и жаропрочности он также приближается

к сплаву АЛ1 но значительно превосходит его по технологич

ности.

Наибольшей жаропрочностью и повышенной герметичностью

обладают сплавы АЦР1 и ВАЛ1

* Сплавы АЛ 19, АЛ20, АЛ21 АЦР1 ВАЛ1 разработаны группой сотруд

ников под руководством заслуженного деятеля науки и техники докт

техн. паук И. Ф Колобнева [10].

Сравнительные данные по жаропрочности различных спла

вов приведены на рис. 23.

Сплав АЦР1, термообработанный по режиму Т1, имеет при

комнатной температуре следующие механические свойства оь =

= 20 кГ мм2, оо,2 = 15 кГ/мм2, б = 1,5%, при 300° С его кратко

временная прочность составляет 16 кГ/мм2\ при 350° С 12 кГ мм2

и 400° С 8 кГ мм2 [9].

Сплав ВАЛ 1 упрочняется

термообработкой (режим Т5

и при комнатной температуре

имеет более высокую проч

ность, чем сплав АЦР1 оь =

= 28 кГ мм2)

Однако с повышением тем

пературы прочность их при

300° С становится одинаковой

(оь = 16 кГ/мм2) при более

высоких температурах сплав

ВАЛ по жаропрочности усту

пает сплаву АЦР1

Сплавы АЦР1 и ВАЛ1 об

ладая высокой герметичностью,

выдерживают высокие давле

ния газов и жидкостей, поэто

му их широко применяют для

агрегатов топливной аппара

туры, работающих при темпе

ратурах 300—400° С

Сплавы АЛ25 и АЛ26 обла

дают более высокими литейными свойствами, но меньшей жаро

прочностью, чем описанные выше сплавы АЦР и ВАЛ1 [36].

Эти сплавы применят для деталей, работающих при температу

ре 250—300° С.

100 200 250 300 350

Температура,аС

Рис. 23. Данные по длительной

прочности различных литейных

алюминиевых сплавов [10]:

/ — АЛ19(Т4); 2 — ВАЛ1(Т5); 3

АЛ7(Т4); 4 — АЛ7(Т5); 5 — АЛ5(Т5);

6 — АЦР1(Т1); 7 - АЛ4(Т6) 8

АЛ9(Т4)

Цинковистые силумины

В сплавах системы А1 — Zn — Mg при определенном содер

жании кремния и цинка высокие литейные свойства удачно со

четаются с хорошими прочностными показателями [37]. Высокие

литейные свойства обеспечиваются благодаря наличию в спла

вах в значительных количествах эвтектики а + Si. Погашение

прочности достигается. „за счет, легирования твердого раствор а

цинком. ~ ~ " *

Преимуществом цинкового силумина является то, что высо

кие механические свойства его обеспечиваются не путем терми

ческой обработки, как это имеет место для х^ногих литейных

алюминиевых сплавов, а простым легированием силумина цин

ком, способствующим самопроизвольному упрочнению сплава.

С целью дальнейшего упрочнения цинковистого силумина вво

дят добавки магния, марганца и меди.

В настоящее время применяют несколько марок цинковистых

силуминов, состав которых указан в табл. 2.

Макроструктура цинковистого силумина ничем не отличает

ся ст обычных силуминов при соответствующем содержании

кремния.

В немодифицированном силумине, как и в других силуминах,

эвтектика имеет грубоигольчатое строение, после модифициро

вания выделения кремния сильно измельчаются и эвтектика

принимает весьма тонкое строение. До 10— 15% цинка новых

структурных составляющих не обнаруживается вследствие на

хождения его в твердом растворе.

После глубокого травления 1% ным раствором плавиковой

кислоты в структуре oбнapyжиJjШтcя_Л£LMiiЬLe^^

щ и е с я зон а_ми_л ик в а ции цинка_л. вердого.

р_аств_ора_. Чаще всего это обнаруживается при содержании цин

ка около 15% и выше. Наличие в цинковистых силуминах желе

за приводит к образованию той же игольчатой р AlFeSi)-фазы,

которая наблюдается в обычных силуминах.

При присадке марганца тройная железосодержащая фаза

р (AlSiFe) преобразуется в четверное соединение AlSiFeMn и

игольчатая форма заменяется скелетообразной.

Вводимый в цинковистый силумин магний при содержании

его до 0,2% в структуре не обнаруживается. При большем со

держании образуются включения силицида магния (Mg2Si

Присадки меди уже в небольших количествах (0,4—0,5%) при

водят к появлению в структуре фазы СиА12, являющейся весьма

эффективным упрочнителем.

Цинковый силумин применяют для производства фасонных

отливок в моторостроении, в автомобильной и тракторной про

мышленности.

2. Деформируемые сплавы

Деформируемые алюминиевые сплавы являются основными

конструкционными материалами, широко применяющимися в

авиа и автостроении и в других областях машиностроения. За

последние годы эти сплавы получили также большое примене

ние в гражданском строительстве, для бытовых целей и т д.

Состав важнейших промышленных деформируемых алюминие

вых сплавов приведен в табл. 9, где дана также условная их

классификация по основным компонентам.

Небольшие добавки марганца, присутствующие в большин

стве сплавов, при этом не учитывались, так как он, частично на

ходясь в твердом растворе, а также в связанном состоянии в

форме различных химических соединений, не вызывает заметно

го отклонения от фазового состояния сплавов, определяемого

Таблица 9

Состав деформируемых алюминиевых сплавов и их применение [9]

(О

О.

1—

Наименование

сплавов в про

мышленности

Система

Марка

сплава

Основные компоненты, %

Си

м g Мп Ni

Si Zn

Технический АД

98 8

алюминий АД1 99 8

1 Алюминий -

А1—Мп АМц

1 0-1 6

Осн.

марганцо АМц2

0 8—1 4

0,9-1,4

вистые

сплавы

2 Магналии

А1 -Mg

AMrl

—

0 5-1 8

АМг2

1 8—2 8

0 2—0 6 »

АМгЗ 3,2-3,8

0 30-0 60 0,5—0 8

АМг5

4 8—5 5

0 3-0 6

0,02-0 15V »

0 02-0, ITi »

АМгб

5,8-6,8

0 5—0 8 0,02-0, ITi

0 001—0,005Be

Дюралюми- А1—Си—

Д18п

2 2-3 0

0 2—0 5

ны —Mg

В65

3 9- 4 5

0,15-0 3

0,3-0,5

Д1

3,8-4 8

0 4—0 8

0 4-0 8

Д16п 3 8-4 5

1 2-1,8

0,3-0,7 »

ВД17

2 6-3 2

2 0-2 4 0 4—0 7

Д19

3,8—4 1

1 7-2 3 0 5—1,0

0,02—0 ITi

—

0 001-0 005Be

Авиали

A l-M g- АВ

0 2-0 6

0,45-0 9 0,15-0 35

0,5—1 2

—Si

АД31 0 4-0 9

0 3-0 7

АДЗЗ

0 15-0 4

0 8-1,2

0 4-0 8

АД35

0 8-1 4

0 5-0 9

0 8—1 2

5 Ковочные

Al—Mg— А Кб

1 8—2 6 0 4—0 8

0 4-0 8 0 7—1 2

сплавы

—Si—Си

АК6-1

1 8 2 6 0 4-0 8

0 4-0,8

0 01—0 2Сг

0 02-0 1 Ti

0 7—1 2

АК8 3 9-4 8 0,4-1,0

0,4-1 0

—

0 6-1 2

j Группа

Продолжение табл. 9

Наименование

сплавов в про

мышленности

Система

Примеси, %, не более

Си

Мп Ni

U с

Назначение

Технический

алюминий

Алюминий-

марганцо-

вистые

сплавы

Магналии

Дюралюми-

ны

Авиали

Ковочные

сплавы

AI—Мп

Al—Mg

Al—Си—

—Mg

Al—Mg-

—Si

AI—Mg—

—Si—Cu

АД

АД1

АМц

АМц2

AMrl

AMr2

АМгЗ

АМг5

АМгб

Д18п

Е65

Д1

Д1бп

ВД17

Д19

АВ

АД31

АДЗЗ

АД35

АК6

АК6-1

АК8

О 5

О 3

0,7

0 7

0 05

0 4

0,5

0 5

0 4

0 5

О 2

О 7

О 5

О 3

О 5

О 7

О 5

О 7

О 55

О 35

0,6

О 7

О 05

О 4

О 5

О 2

0,7

О 5

О 3

О 5

О 1

О 05

0,2

О 1

О 01

О 1

О 05

О 01

0,1

О 1

О 2

О 1

О 15

О 1

О 15Ti

О 1

0,2

О 2

О 1

О 3

О 1

0,2

О 2

0,2

О 3

О 1

0,1

О 07

О 1

0,1

О 1

0,1

О 15

О 1

1 2

0 7

1 75

1,6

0 18

1 О

0,85

1.1

1,4

0 65

1 8

1 2

0 8

1 2

О 8

0 15

1,4

1 2

Л ист ы, п ли т ы , трубы, прутки

То же

Листы, плиты, трубы, прутки, профили, проволок;

и заклепки

То же

Листы, прутки, трубы и др.

Трубы, прутки, листы, проволока, плиты

То же

Листы, плиты, профили, поковки

То же

Проволока для заклепок

Листы, профили, прутки, трубы, поковки, прово

лока

Листы, плиты, трубы, прутки, профили

Листы, для работы при повышенных температурах

150—250° С) заклепки для конструкций, рабо

тающих при температуре 125—250° С

То же

Листы, трубы, профили, штамповки

Для коррозионностдйких декоративных

изделий _ \

То же

деталей и

Прутки, поковки, шта\щовки

о же

Листы, прутки, поковки, Ътамповки

Продолжение табл. 9

Наименование

сплавов в про

мышленности

Система

Марка

сплава

Основные компоненты, %

Си

Мп

Al—Си-

AK2 3,5-4 5

0 4-0,8

1 8—2 3

0 5— 1 0

0 5-1 0

Осн.

M g-

—Si—Ni—

AK4

1 9-2 5

1 4-1 8

1 0-1 5

1116

0 5—1 2

—Fe

Al—Си— AK4 1

1 9-2 5

1 4— 1 8

1 0— 1 5

0,02—

—Mg—Fe

0 ITi

Al—Cu-

Д20

6—7 0 4—0 8

0 1— 0,2Ti

0 2Zr

~Mn Д21

6—7

0,25-0,45

0 4-0 8

0 1—0 2Ti

Al—Mg—

B92

3 9-4 6

0,6-1 0

0 001—0 005Be

2 9—3 6

— Al—

_ Mg— Б93

0 8-1 2

1 6-2 2

0 15—0 4

6 0-6 7

—Zn—Си

E94

1 8—2 4

1 2-1 6

0,02—0 08Ti

6,0—6 7

B95

1 4-2 0

1 8-2 8 0,2-0 6

0 1—0 25Cr

5,0—7 0

B96 2 2 - 2 8

2 5-3,2

0,2-0 5

0 1-0 25Cr

7 6—8,6

Al—C u-

ВЛД23

4 9—5 8

0 4—0 8

0 1—0,25Cd

0 15Ti

- M n -

1 0—1 4Li

—Cd— Li

A1-A120 3

САП1

6—9А1203

Al—Si—

САП2

9-13А120 3

N i

CAC1

5-7

25-30

CAC2

3-5 25—30

Жаропроч

ные сплавы

специального

назначения

Высокопроч

ные

сплавы

Спеченные

порошки

Продолжение табл. 9

I Группа

Наименование

сплавов в про

мышленности

Система

Марка

сплава

Примеси, %, не

более

Прочие

примеси

Сумма

примесей

Fe Si

Cu Mn

Жаропроч А1—Си—

AK2 0 2

0 3 0 1 0 6

ные сплавы -M g -

специального — Si—Ni—

AK4

0 2

0,3

0,1

0 6

назначения

-Fe

А1—Си— AK4 1

0 35 0 2

0 3 0 2 0 95

—Mg—Fe

Al—Си—

Д20 0 3 0 3

0 1 0 1

1,05

—Мп

Д21

0 3

—

0 1

0,1

0 1

Высокопроч

Al—Mg— B92 0 3 0 2 0 05

0,1

ные —Al—

B93 0 3 0 1

0,1

0 5

сплавы

—Mg—

—Zn—Си

B94

0 2 0 2 0 1 0 05C

—

0 1

1 65

B95

0 5 0 5 —

0 1 1 1

B96 0 5

0 3 — 0 1 0 9

Al—Cu-

ВАД23

0 3

0,3

0 1

—Mn—

—Cd—Li

Спеченные

Al—A1203

САП1

0 2

0 25

порошки

Al—Si—

САП2 0 2

—

—Ni

CAC1 0 2

—

CAC2

—

Назначение

Прутки, поковки и штамповки

То же

Прессованные изделия, поковки, листы для изде

лий, работающих при температуре 250—350° С

Поковки и штамповки для работы при температу

ре 225—250° С

Листы, профили, поковки, штамповки

Поковки, штамповки

Поковки и штамповки сложной формы

Листы, профили, поковки, штамповки

Профили, поковки, проволока для заклепок трубы

Листы, профили, штамповки, заклепки

Листы, штамповки

Профили трубы

Поковки, штамповки

То же