Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

По жаропрочности эти сплавы превосходят наиболее прочный

в этом отношении сплав АК4-1 (рис. 39 и 40) [61].

Сплавы удовлетворительно свариваются, однако сварной шов

имеет пониженную пластичность и коррозионную стойкость по

сравнению со сплавами типа АМг

Микроструктура сплава Д20 подобна сплаву АЛ 19 (см.

рис. 21 атласа) Сплавы применяются для изготовления ответ

ственных поковок и штамповок, прессованных изделий и листов.

Высокопрочные алюминиевые сплавы

Наиболее высокой прочностью среди алюминиевых сплавов

обладают сплавы системы Al Zn Mg Си. В настоящее

время известно несколько промышленных композиций сплавов

(В93, В94, В95, В96, В65-1, В92), состав которых и физико

механические свойства приведены в табл. 9 и 10. Из этих сплавов

изготовляют крупные поковки, прессованные профили и прутки,

листы, проволоку для заклепок.

Как и в случае дюралюминия, листовые материалы из этих

сплавов выпускают преимущественно в плакированном виде.

Для плакировки применяют тройной сплав Al Mg Zn, со

держащий до 3,5% MgZn2.

Структуру сплавов можно описать, руководствуясь соответ

ствующими разрезами четверной системы Al Zn — Mg Си.

На рис. 41 даны изотермические разрезы этой системы при

480 и 200° С для сплавов, лежащих в плоскости сечения тетра

эдра 90% А1, т. е. плоскости, в которой лежит наиболее распро

страненный сплав В95. Положение этого сплава в соответствии

с его средним составом на разрезах отмечено точками.

Как показывают разрезы, сплав В95 имеет сложный фазовый

состав, который изменяется с понижением температуры. При

температуре 480° С сплав лежит на границе <х (а + S) При

200° С и ниже сплав попадает в четырехфазную область

а + MgZn2 + S(A l2CuMg) + 7(Al2Mg3Zn3) Следовательно, ос

новными упрочнителями сплава являются фазы MgZn2, 5 и Г

На рис. 48 и 49 атласа показана структура сплава в различ

ных состояниях, где можно видеть все эти структурные элементы.

Все сплавы данной группы применяются только в искусствен

но состаренном состоянии. Оптимальные условия закалки и ста

рения указаны в табл. 11

По мере повышения температуры старения (выше 120° С

прочность сплавов и их удлинение несколько понижаются

рис. 42 [62]. Сплавы данной группы склонны также к есте

ственному старению. Однако период естественного старения

очень длителен и составляет 50—60 суток.

В искусственно состаренном состоянии сплавы обладают

значительно большей прочностью, чем сплавы типа дюралюми

ний (сплав В95 имеет оь около 60 кГ/мм2 ао,2 около 55 кГ/мм2 a

6 Заказ 1024

сплав В96 оь около 70 кГ мм2, оо.г около 60 кГ(мм2), но менее

пластичны (б = 1 -т- 5%) и более трудны в обработке. В отли

чие от дюралюминия сплавы В93, В94, В95, В96 в естественно

пд, % (по пассе)

Си 123U56789 flg

Рис. 41 Изотермические разрезы четверной диа

граммы состояния системы Al Zn Mg Си

для сплавов плоскости тетраэдра 90% А1

состаренном состоянии менее стойки против коррозии, чем после

искусственного старения. Эти сплавы подвержены коррозии под

напряжением. Коррозионные явления особенно резко проявляют

ся, если соединение MgZn2, тройное соединение Al2Mg3Zri3

(Г-фаза и др выделяются по границам зерен.

К числу высокопрочных алюминиевых сплавов относятся

также сплавы систем Al Си— Mn Cd Li (ВАД23) и

Al Zn Mg (АЦМ1, АЦМ2 и B92)

Наиболее прочным и жаропрочным из них является сплав

ВАД23* (4,9-5,8% Си, 0,4—0,6% Мп, 0,1—0,25% Cd, 1 1,4%

Li, остальное Al), под

робно описанный в рабо

те [63].

На рис. 50 и 51 атла

са показана микрострук

тура сплава в литом и со

старенном состояниях.

Высокая прочность

этого сплава обусловле

на образованием сложно-

легированного алюми

ниевого твердого раство

ра и выделением упроч

няющих фаз Т и Т\.

Выделение этих фаз в

виде высокодисперсных

включений способствует

сильному упрочнению

сплава. Максимальная

прочность достигается

после термообработки по

режиму закалка с 525±

±5° С, искусственное ста

рение при 170— 180° С в

течение 16— 12 ч. В искусственно состаренном состоянии сплав

имеет следующие механические свойства, на прессованных прут

ках оь = 60 ч- 65 кГ мм2, его,2 = 54 -s- 61 кГ/мм2, 6 = 54-4%»

Ф =14-^12%, на листах и полосах оь = 55 кГ/мм2,

0 о,2 = 50 кГ мм2, б = 5%.

Изменение механических свойств сплава с повышением тем

пературы показано в табл. 12.

В табл. 14 приведены данные по длительной прочности и пол

зучести сплава ВАД23 при различных температурах. Для срав

нения указаны также соответствующие данные для наиболее

жаропрочного сплава Д20. В настоящее время из сплава ВАД23

изготовляют листы, плиты, поковки, штамповки, прессованные

прутки и профили, проволоку и другие изделия.

Сплав применяют для сильно нагруженных конструкций,

кратковременно и длительно работающих до 160— 180° С.

* Сплав ВАД23 впервые в СССР разработан группой сотрудников под ру

ководством И. Н. Фридляндера.

6ь,63,кГ/г:п-

Рис. 42. Влияние различных температур

старения на механические свойства спла

ва В95 (нагрев 20 мин при 465’ С, закал

ка в холодную воду) [58]

Таблица 14

Пределы длительной прочности и ползучести прессованных прутков

из сплава ВАД23 [9], заклепанного и искусственно состаренного,

к Г мм2

Температура

испытания

°С

Сплав ВАД23 Сплав Д 20

0аоо

°о 2/ 100

0100

% 2 / 10 0

180

33 22

200

250 12 5 9 12 5

Сплавы АЦМ1 (1,5—2% Mg, 4,5—5% Zn, 0,2—0,4% Mn,

0,15—0,20% Zr, 0,05—0,09% Ti, 0,005—0,01% Be, остальное Al)

и АЦМ2 (1,2— 1,8% Mg, 6—8% Zn, 0,4—0,62% Mn, 0,5—0,7%

Cu, 0,1—0,3% Ti, 0,01% Be, остальное Al) * по содержанию ос

новных компонентов могут быть отнесены к тройной системе

Al Zn Mg [21].

Вводимые в небольших количествах добавки циркония, ти

тана и бериллия выполняют в сплаве специальные функции (ти

тан и цирконий введены как модификаторы, бериллий для

снижения окисляемости сплава) и существенного влияния на

фазовый состав сплава не оказывают [21]. Поэтому структуру

сплава типа АЦМ можно описать тройной диаграммой состояния

системы Al Zn Mg, некоторые изотермические разрезы ко

торой приведены на рис. 43 и 44.

Согласно этим разрезам, сплавы АЦМ1 и АЦМ2 при темпе

ратуре 500° С находятся в области a-твердого раствора.

С понижением температуры в сплаве АЦМ2 происходит рас

пад твердого вещества с выделением фазы Т Al2Mg2Zn2), яв

ляющейся упрочнителем сплава при искусственном старении.

Однако процесс распада в этих сплавах идет крайне медленно и

при охлаждении на воздухе они склонны к самозакаливанию.

Сплав АЦМ1 в отожженном состоянии, по данным работы

[21], имеет* оь = 34 -=- 36 кГ мм2 а0,2 = 19 -т- 21 кГ/мм2, б =

= 20 -т- 23% л|э = 44 - г - 48% аи = 4 -i- 6 кГ/см2 Он предназна

чается для производства сварных конструкций, работающих в

активных средах.

Сплав АЦМ2 в термообработанном состоянии (закалка и ис

кусственное старение) имеет следующие механические свойства*

Оь = 50 -г- 51 кГ/мм2, 6 = 15- 18% г|> = 50 -h 53% ан = 4

-f- 5 кГ см2 [21].

Рекомендуется для поковок и штамповок, работающих в спе

циальных средах.

* Сплавы указанного состава впервые в СССР были разработаны в Гиред-

мете в 1958— 1959 гг Г П. Даниловой, М. В. Мальцевым и др.

100 90 во 70 р 60 р ' 50 40 30 20 W

Al. % (по пассе)

Рис. 43. Изотермические разрезы диаграммы состояния систе

мы Al Zn Mg для температуры 330° С

100 90 60 70 60 50 ЬО 30 20 10 &

А1, % (по массе)

Рис. 44. Изотермический разрез диаграммы состояния системы

AI Zn Mg для температуры 25° С

Сплав В92 (3,9—4,6% Mg, 0,6— 1% Mn, 2,9—3,6% Zn,

0,001—0,005% Be, остальное Al) в отличие от сплавов АЦМ име

ет более высокое содержание магния в два раза и понижен

ное количество цинка.

Согласно изотермическим разрезам системы Al Mg Zn,

сплав В92 при комнатной температуре находится в двухфазной

области а + ^(AbMgaZna), следовательно, может упрочняться

при старении.

Так же, как в сплавах АЦМ, процессы распада твердого рас

твора проходят крайне медленно, поэтому сплав В92 относится к

числу самозакаливающихся сплавов при охлаждении на воздухе.

Эти свойства, в частности, обеспечивают высокую прочность

сварных швов без применения специальной закалки сварных кон

струкций. Сплав упрочняется как при естественном так и при

искусственном старении.

Естественное старение проходит крайне медленно и не закан

чивается даже после 30 суток.

Максимальные свойства сплавы приобретают после закалки

и искусственного старения при 100° С в течение 96 ч.

В искусственно состаренном состоянии сплав, В92, по дан

ным работы [9], имеет следующие механические свойства*

в листовых материалах оь = 43 кГ мм2 Go 2 = 32 кГ мм2,

6 = 10%,

в прессованных прутках а& = 47 кГ мм2, ао,2 = 36 кГ мм2

6 = 10%

Изменение механических свойств сплавов с повышением тем

пературы показано в табл. 12.

При 200° С сплав имеет длительную Ь-ч прочность, равную

14 кГ мм2 предел текучести 14 кГ/мм2

Сплав В92 в естественно и искусственно состаренном состоя

нии по режиму 60° С, 24 ч + 200° С, 1—3 ч имеет высокую кор

розионную стойкость.

Из сплава В92 изготовляют листы, полосы, плиты, профили,

прутки, трубы, поковки и штамповки.

Листы этого сплава находят применение в сварных конструк

циях. Сварные соединения, полученные аргоно-дуговой автомати

ческой сваркой, после естественного старения в течение 30 суток

имеют предел прочности оь = 37 -*• 40 кГ мм2 при угле загиба

80—90 град. [9].

Сплав типа САП и С АС

Сплавы этого типа изготавливают из спеченной заготовки,

полученной методом порошковой металлургии.

Материал САП (спеченная алюминиевая пудра) является

сплавом алюминия с его окисью.

Природа этих сплавов и их особенности подробно рассмотре

ны в работе [64].

Для производства полуфабрикатов из САП в зависимости от

содержания окиси алюминия применяют различные марки алю

миниевой пудры, состав которых указан в табл. 15 [9].

Т аб л и ц а 15

Сплав алюминиевых порошков

Марка

порошка

Состав порошка, %

Насыпная

масса

Г/см3

не менее

А12Оя

жиры

н2о

А1

не более

АПС1 6-9 0 2 0 25

0 1

Остальное

АПС2

9 1 13 0

0 2

0,25

0,1

АПСЗ

13,1 18,0 0 2 0 25

0 1

АПС4

18 1-22 0

0 2

0 25

0 1

Технология производства полуфабрикатов из САП включает

операцию брикетирования порошка на гидравлических прессах,

спекание заготовки и ее деформацию.

Состав применяемых сплавов и механические свойства неко

торых полуфабрикатов из них приведены в табл. 16 [9].

Т аб л и ц а 16

Состав и механические свойства некоторых полуфабрикатов из САП

Марки

Содержание

AbO*, %

Свойства

Температура испытания, °С

Сваривае

САП

20 350 500

мость

САП1

прессо

ванный

6-9

Оь, к Г мм2

а0 2t кГ/мм2

’ б, %

ffioo» If Г/мм2*

30—32

21—24

5-8

14-16

14— 15

4-8

8,5

7—8

5-8

2-3

5 0

Не сва

ривается

плавле

нием

САП1

катаный

6-9

а$, к Г мм2

а0 2» /мм2

б, %

27—28

20-23

8-10

12—14

10-11

6-7

4-4,5

3-3 5

3-4

Сварива

ется плав

лением

САП2

прессо

ванный

9,1-13,0

Gb, кГ/мм2

а0 2, к Г мм2

б, %

аюо, кГ/мм2*

34-35

26-28

4-6

15-16

14— 15

3-4

10-11

7 7 5

1 5—2,5

5,5

Не сва

ривается

плавле

нием

САПЗ

прессо

ванный

13,1 18 0

(fy, кГ/мм2

сг0 2, кГ мм2

б, %

40-42

30-32

3 5-4,5

19-20

15-16

1 5-1,8

12-12,5

9-9 5

То же

САП4

18 1—22,0

Ob, к Г/мм2

а0 2, кГ/мм2

б, %

44-46

36-38

1 5—2

21-28

18-19

1 0-1 2

13-13,5

10-11

1-1,4

» »

* ст,оо — длительная прочность за 100 ч.

Как видно из приведенных данных, сплавы САП по своим

прочностным свойствам и жаропрочности при 300—500° С значи

тельно превосходят все известные стареющие алюминиевые

сплавы и могут при этих температурах работать длительное

время (до 10 000 ч и выше), сохранять стабильность свойств и

структуры.

Так, например, при повышении температуры с 20 до 500° С

кратковременная прочность САП понижается в 3—3,5 раза, в то

время как для стареющих алюминиевых сплавов прочность сни

жается в 20—25 раз.

САП характеризуется высокой коррозионной стойкостью,

он удовлетворительно сваривается контактной сваркой и плав

лением

При сварке плавлением листов толщиной 1,5 мм САП1 свар

ные соединения при 20° С имеют аь = 33 кГ мм2 при 500° С

оь = 5 -т- 6 кГ мм2 Листовой материал САП1 подвергается глу

бокой вытяжке при 300—450° С, допуская гибку и другие опера

ции формообразования. В настоящее время из САГИ и САП2

изготовляют листы, прутки, трубы, профили, проволоку, фольгу,

штамповки.

Из САПЗ и САП4 изготовляют прессованные полуфабрикаты

и штамповки.

Материалы САП можно применять для кратковременной ра

боты при температуре до 1000° С, а для длительной при

300—500° С.

Спеченные алюминиевые сплавы САС получают путем прес

сования и последующего спекания легированных алюминиевых

порошков или смесей порошков алюминия с легирующими ком

понентами.

Указанный метод получения заготовок в основном приме

няют для получения сплавов с особыми физическими свойства

ми, когда требуется вводить большие количества легирующих

добавок и обычные методы получения плавленых заготовок

вследствие ликвации не обеспечивают равномерного распределе

ния компонентов.

Состав и основные физико-механические свойства применяе

мых сплавов САС приведены в табл. 9 и 10.

Наиболее распространен из них сплав САС1 (25—30% Si,

5—7% Ni, остальное Al) Он имеет наиболее низкий из всех

алюминиевых сплавов коэффициент линейного расширения (при

20° С а = 14,5 -т- 15,5 10“6), характеризуется повышенными упру

гими свойствами Е = 8000 кГ/мм2) и высокой жаропрочностью

(при 200° С аь = 18 кГ мм2, gioo = И кГ/мм2, при 300° С

оь = 14,5 кГ мм2, о\оо = 6 кГ/мм2 [65])

Для приготовления сплава САС1 обычно используют легиро

ванный алюминиевый порошок с размерами частиц не более

100 мкм, полученный распылением жидкого сплава, отвечающего

его составу.

Из этого сплава освоено производство прутков, получаемых

горячим прессованием спеченных заготовок при 550° С.

Сплав САС1 удовлетворительно обрабатывается резанием

обладает хорошей герметичностью и удовлетворительно свари

вается стыковой сваркой (прочность сварного соединения со

ставляет 90% от прочности основного металла

Материалы типа САС в основном применяют для деталей,

работающих при температурах до 200° С.

3. Подшипниковые сплавы

Целый ряд алюминиевых сплавов применяют в качестве под

шипниковых материалов.

По условиям работы подшипника всякий антифрикционный

(подшипниковый) сплав должен иметь гетерогенную структуру,

состоящую из относительно мягкой основы с вкраплениями в нее

островков из твердой составляющей.

Включения твердой составляющей служат опорными точками

для трущихся частей вала, наличие мягкой основы обеспечивает

устранение микронеровностей и хорошую приращиваемость вала

к подшипнику

Предложенные сплавы в основном построены на базе двой

ных систем Al — Си, Al — Si, Al — Sb, Al — Fe, Al — Ni,

Al Sn с добавками некоторых других элементов (Mg, Pb, Ti

и др.) Ниже приведены наиболее типичные составы сплавов.

2— 15% Си, остальное А1, 6—8% Sb, остальное А1, 8% Fe, 0,5%

Mg, остальное Al, 5—6% Ni, 0,5% Ti, остальное Al, 6—30% Sn

и небольшие присадки Си, остальное А1 и 7—9% Си, 1,2% Si,

остальное А1 (алькусин Д)

Основой большинства алюминиевых подшипниковых сплавов

является чистый алюминий или твердые растворы на его основе

(мягкая составляющая) твердыми островками различные ме

таллические соединения. CuA12, FeAl3, NiAl3, TiAl3 и др.

Многие подшипниковые сплавы имеют хорошие литейные

свойства, удовлетворительно обрабатываются резанием и допу

скают обработку давлением.

В настоящее время алюминиевые подшипниковые сплавы

применяют для подшипников станков, тракторов и других ма

шин, работающих в условиях спокойной нагрузки и хорошей

смазки при окружной скорости до 5 м/сек и удельном давлении

до 50 кГ/см2

Для тяжелонагруженных подшипников железнодорожного

транспорта (электровоз, тепловоз и др.) стали применять алю

миниевые сплавы А9 (9% Zn, остальное А1) и А9-5 (9% Zn, 5%

Sn, остальное Al) [66].

Недостатком алюминиевых подшипниковых сплавов является

их сравнительно высокая твердость и для работы в паре с ними

рекомендуется иметь стальные шейки повышенной твердости, а

рабочую поверхность подшипника тщательно и гладко обрабо

танной.

В этом отношении, по мнению А. А. Бочвара [1], большие

преимущества имеют алюминиевооловянные сплавы (с 6—30%

Sn и с добавками других металлов) которые меньше других

алюминиевых сплавов истирают шейку вала и в то же время

по сравнению с другими подшипниковыми сплавами обладают

повышенным пределом прочности, ползучести и усталости.

Второй особенностью алюминиевых подшипниковых сплавов

является их высокий коэффициент линейного расширения, в свя

зи с чем подшипник должен иметь зазор больше обычного (до

0,1 мм , а сборка должна быть особенно тщательной. При не

соблюдении этих условий происходят преждевременный износ

подшипника и заедание шейки вала.

4. Припои

В связи с широким применением алюминиевых сплавов в

машиностроении большое значение приобретают вопросы их

пайки. Составы применяющихся алюминиевых припоев приведе

ны в табл. 17 [67].

Для пайки алюминия наиболее распространенными являются

припои марок 34А (6% Si, 27% Си, остальное Al , 35А (7% Si,

21 % Си, остальное А1) и эвтектический силумин.

Сплавы 34А и 35А по своему составу располагаются в алю

миниевом углу диаграммы состояния тройной системы

Al Си — Mg см. рис. 17) Положение сплавов на этой ди

аграмме отмечено соответствующими точками. Сплав 34А нахо

дится вблизи тройной эвтектической точки, а следовательно, его

структура в основном будет состоять из тройной эвтектики

а + CuA12 + Si (см. рис. 9 атласа) В структуре сплава 35А на

ряду с тройной эвтектикой имеются участки двойной эвтектики

(а + Si и первичные кристаллы алюминия.

Механические свойства и температура плавления припоев

указаны в табл. 17

Низкие механические свойства припоев объясняются в ос

новном грубым строением эвтектик. Иглы кремния и крупные

скопления хрупкой фазы СиА12 сообщают сплавам повышенную

хрупкость.

Структуру припоев и их свойства можно значительно улуч

шить путем обработки расплава смесью солей* 25% NaF, 62,5%

NaCl и 12,5% КС1 или небольшими присадками металлического

стронция, т е. применить к сплавам операцию модифицирова

ния [24].

Наилучшие результаты для сплавов 34А и 35А получаются

при модифицировании солями при введении их в количестве 5%

от веса плавки и при добавках 0,05—0,1%. Температура моди

фицирования 800° С.