Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

120

важна однородность цвета поверхности полуфабрикатов. Во избежание

образования пятен от масла и технологических смазок детали перед термо-

обработкой очищают.

3.7. Свойства алюминия

В 1808 г. английский ученый Дэви предположил, что в состав осо-

бой глины входит новый металл. Он и дал ему название «алюминий».

В России в XIX в. алюминий называли «глинием». В 1825 г. датчанин Эр-

стед получил первые крупицы чистого алюминия.

В земной коре содержится 8,8 % алюминия. Атомный номер алю-

миния – 13. Температура плавления равна 660

С, температура кипения со-

ставляет 2520

С. Алюминий имеет ГЦК решетку. Металл не полиморф-

ный. При комнатной температуре его плотность равна 2,7 г/см

. Удельная

теплопроводность при 20

С равна 221,5 Вт/ (м·К). Удельное электросо-

противление при 20

С составляет 0,0262 мкОм·м. Модуль нормальной уп-

ругости равен 71 ГПа.

Алюминий высокой чистоты (прокатанный и отожженный) имеет

низкую прочность (σ

= 60 МПа) и высокую пластичность (δ = 40 %).

Электропроводность алюминия чистотой 99,997 % составляет 65,5 %

от электропроводности меди. Примеси и легирующие элементы в той или

иной степени уменьшают электропроводность алюминия (рис. 3.15). Осо-

бенно сильно повышают электросопротивление алюминия марганец, вана-

дий, хром и титан, мало влияют никель, кремний, цинк, железо и медь.

В России первичный алюминий производят по ГОСТ11069-2001.

Выпускают алюминий высокой и технической чистоты. Основные примеси

в алюминии – это железо и кремний. Железо не растворяется в алюминии.

При очень малых его содержаниях в структуре алюминия появляется эв-

тектика Al + Al

Fe. Содержание Al

Fe выделяется в виде игл, которые яв-

ляются местами надреза в металле, поэтому железо снижает пластические

свойства алюминия. Кроме того, железо уменьшает также и коррозионную

стойкость алюминия. Кремний присутствует в сплавах алюминия в сво-

бодном состоянии. Растворяясь в алюминии, кремний немного упрочняет

его, незначительно снижая пластические свойства. Алюминиевый сплав,

содержащий 10–12 % кремния, остается достаточно пластичным.

Промышленный алюминий является тройным сплавом Al–Fe–Si, в

котором образуются два тройных соединения α (Al–Fe–Si) и β (Al–Fe–Si).

121

Фазы α и β обладают высокой хрупкостью и снижают коррозионную стой-

кость алюминия и его пластичность.

χ , м/(Ом·мм

)

Содержание добавок, % (по массе)

Рис. 3.15. Влияние примесей и легирую-

щих элементов на электропроводность χ

алюминия

Алюминий – парамагнитный металл, кроме того, он является хими-

чески активным металлом. Однако с поверхности он легко покрывается

оксидной пленкой Al

, которая защищает его от дальнейшего взаимо-

действия с окружающей средой. Оксид алюминия имеет удельный объем,

близкий к удельному объему алюминия, поэтому оксидная пленка плотная.

Благодаря защитному действию оксидной пленки, алюминий ус-

тойчив на воздухе даже в условиях чрезвычайно влажного и переменного

климата. При обычных температурах алюминий не взаимодействует с во-

дой, парами воды, СО, СО

, при достаточно высоких температурах он реа-

гирует с ними. Энергичное взаимодействие алюминия с парами воды на-

чинается с 500

С и резко ускоряется при его плавлении.

Растворимость водорода в алюминии увеличивается с повышением

температуры. Алюминий устойчив в тех средах, которые не разрушают

защитную оксидную пленку. Так, соли не действуют на алюминий. Серни-

стый газ, аммиак, сероводород, содержащиеся в атмосфере промышленных

районов, мало влияют на стойкость алюминия на воздухе. Алюминий об-

ладает высокой коррозионной стойкостью в морской воде. Скорость кор-

розии алюминия резко возрастает в присутствии в воде примесей щелочей,

солей ртути, меди, ионов хлора. Алюминий способен поглощать нейтроны.

122

3.8. Алюминиевые сплавы

Наиболее широко в качестве легирующих элементов применяют

медь, магний, марганец, цинк, кремний, а в последнее время и литий, но

пока в ограниченных масштабах. Кроме основных шести известно еще

около двух десятков легирующих добавок. В промышленности используют

около 55 марок алюминиевых сплавов.

Различают деформируемые и литейные алюминиевые сплавы

(рис. 3.16). Из деформируемых алюминиевых сплавов получают полуфаб-

рикаты и изделия методами обработки металлов давлением (прокаткой,

прессованием, ковкой, штамповкой и т.д.).

Литейные сплавы предназначены для фасонного литья. Кроме это-

го, методами порошковой металлургии изготавливают спеченные алюми-

ниевые порошки (САПы) и спеченные алюминиевые сплавы (САСы), а

также гранулируемые алюминиевые сплавы. Заготовки, полученные мето-

дами порошковой металлургии, затем подвергают обработке давлением,

поэтому порошковые алюминиевые сплавы следует рассматривать как

разновидность деформируемых.

Деформируемые и литейные сплавы можно разделить на термиче-

ски упрочняемые и термически не упрочняемые (рис. 3.16). В свою оче-

редь термическое упрочнение может достигаться закалкой с последующим

естественным и искусственным старением.

Все применяемые в промышленности сплавы можно также разбить

по системам, в которых основные легирующие компоненты будут опреде-

лять типичные для данной системы физические и химические свойства.

Рассмотрим алюминиевые сплавы по следующей классификации: дефор-

мируемые, автоматные (для обработки резанием на автоматических стан-

ках), литейные, специальные.

Деформируемые сплавы

В промышленности используют термически не упрочняемые и уп-

рочняемые термообработкой деформируемые алюминиевые сплавы.

Термически не упрочняемые

деформируемые сплавы

Сплавы системы А1–Мn (АМц).

Эти сплавы достаточно широко при-

меняют в промышленности, так как

они обладают повышенной по сравнению с алюминием, прочностью, вы-

сокой пластичностью и технологичностью, высокой коррозионной стойко-

123

стью, хорошо свариваются. Из сплавов этой системы получают в основном

листовую продукцию и в меньшей степени трубы.

Марганец образует с алюминием ряд соединений. Наиболее бога-

тое алюминием соединение Al

Mn образует с ним эвтектику, содержащую

1,95 % Мn, кристаллизующуюся при 658,5

С (рис. 3.17). Для алюминиевой

части диаграммы состояния А1–Мn характерны:

▪ очень небольшой температурный интервал кристаллизации пер-

вичного твердого раствора на основе алюминия (α-фазы), составляющий

всего 0,5–1

С.

▪ довольно высокая растворимость марганца в алюминии при эвтек-

тической температуре, составляющая 1,4 % Мn, и резкое ее уменьшение в

интервале 550–450

С, охватывающем весь диапазон температур нагрева

под закалку промышленных алюминиевых сплавов.

Рис. 3.16. Диаграмма состояния алюминий-

легирующий элемент (схема): А – деформи-

руемые сплавы; В – литейные сплавы; 1 – терми-

чески не упрочняемые сплавы; 2 – термически

упрочняемые сплавы

Рис. 3.17. Диаграмма состояния

системы Al–Mn

Сплав АМц, несмотря на переменную растворимость марганца в

алюминии, термообработкой не упрочняется. Нагревом до 640–650

С и

быстрым охлаждением в сплаве АМц можно получить пересыщенный

твердый раствор марганца в алюминии, который распадается при после-

дующих нагревах. Однако даже начальные стадии распада твердого рас-

твора не сопровождаются заметным повышением прочности, что объясня-

ется, по-видимому, относительно невысокой концентрацией марганца в твер-

Ж + α Ж + β

α + β

Легирующий элемент

124

дом растворе и недостаточной дисперсностью выделений фазы (Al

Mn) или

промежуточной фазы А1

Мn.

Конечной термической обработкой сплава АМц обычно является

рекристаллизационный отжиг. Очень высокая пластичность сплава дает

возможность значительно упрочнить его холодной деформацией. Листы из

сплава АМц выпускают в мягком и полунагартованном состояниях

(АМцМ и АМцН2), редко – в нагартованном (Н) (табл. 3.9). Мягкие полу-

фабрикаты получают отжигом нагартованного материала. Марганец силь-

но повышает температуру рекристаллизации алюминия. При введении в

алюминий 1,3 % Мn температуры начала и конца рекристаллизации со-

ставляют 400 и 450

С соответственно по сравнению с 200 и 220

С для

технически чистого алюминия, поэтому сплав АМц отжигают при более

высоких температурах (450–470

С), чем алюминий.

Таблица 3.9

Типичные механические свойства листов из сплава АМц

Сплав σ

, МПа σ

0,2

, МПа δ, % НВ

АМцМ

АМцН2

130

160

130

Малая скорость диффузии марганца в алюминии приводит к сильно

выраженной внутридендритной ликвации. Нагрев под горячую прокатку

из-за малой скорости диффузии марганца в алюминии также не приводит к

выравниванию концентрации твердого раствора, и после горячей и холод-

ной прокатки неоднородность по химическому составу сохраняется. В

свою очередь, неоднородность по составу усиливает неравномерность поля

внутренних напряжений по объему металла. В итоге рекристаллизация на-

чинается в небольшом числе центров, из которых зерна успевают вырасти

до больших размеров, прежде чем начнется рекристаллизация в остальных

объемах.

Величину рекристаллизованного зерна можно уменьшить быстрым

нагревом нагартованного материала до температуры, превышающей тем-

пературу рекристаллизации во всех микрообъемах, гомогенизацией слитка

и рациональным легированием.

Легирование сплава АМц титаном приводит к измельчению рекри-

сталлизованного зерна. Марганец взаимодействует с алюминием по эвтек-

тической реакции, а титан – по перитектической, вследствие чего эти эле-

менты ликвируют в разных направлениях: марганец обогащает периферию

дендритных ветвей, а титан – их центр. В результате этого легирование

твердого раствора по сечению дендрита выравнивается, что ведет к более

равномерной деформации и рекристаллизации. Рекристаллизованные зерна

125

зарождаются сразу в большом числе центров и возникает мелкозернистая

структура.

Сплавы системы А1–Мg (АМг). На диаграмме состояния системы

А1–Мg (рис. 3.18) видно, что наиболее близкое к алюминию соединение

β(Al

) образует с твердым раствором на основе алюминия эвтектику.

Химический состав сплавов системы А1–Мg дан в табл. 3.10.

Рис. 3.18. Диаграмма состояния

системы Al–Mg

Таблица 3.10

Средний химический состав промышленных сплавов

системы Al–Mg

Сплав

Содержание компонентов, %

Mn Ti Si

АМг1

АМг2

АМг3

АМг5

АМг6

1,1

2,3

3,5

5,3

6,3

–

0,4

0,45

0,55

0,65

–

0,06

–

0,65

–

Основа – алюминий.

Магний существенно упрочняет алюминий. Каждый процент (по

массе) магния повышает прочность алюминия примерно на 30 МПа. Отно-

сительное удлинение сохраняется достаточно высоким (до 11-12 % Мg).

Сплавы, содержащие до 8 % Мg, термически не упрочняются. Лишь при

126

содержании более 8 % Мg сплавы системы А1–Мg упрочняются в резуль-

тате термической обработки. Однако деформируемые сплавы с таким со-

держанием магния не находят применения. При повышенной концентра-

ции магния (более 6 %) резко ухудшается коррозионная стойкость, сплавы

становятся склонными к коррозии под напряжением. Причиной этого яв-

ляется образование по границам рекристаллизованных зерен ободков вы-

делений β-фазы.

Чтобы улучшить свойства, сплавы системы А1–Мg дополнительно

легируют марганцем, хромом, титаном и ванадием. Марганец и хром уп-

рочняют сплавы этой системы; 0,3–0,5 % Мn или 0,1–0,2 % Сr увеличива-

ют временное сопротивление на 20–25 МПа.

Основное назначение малых добавок титана – улучшить сваривае-

мость сплавов. Титан, обусловливая резкое измельчение зерна в наплав-

ленном металле, уменьшает склонность сплавов к образованию трещин

при сварке и улучшает механические свойства сварных соединений.

Большое влияние на свойства сплавов системы А1–Мg оказывают

ничтожно малые количества натрия (тысячные доли процента). При кри-

сталлизации натрий оттесняется растущими ветвями дендритов алюминия

в междендритные пространства, которые сильно обогащаются натрием. На

границах дендритов возникают прослойки из чистого натрия с температу-

рой плавления 96

С. Поэтому сплавы типа АМг, загрязненные натрием,

оказываются склонными к горячеломкости.

Натрий можно нейтрализовать кремнием, который образует трой-

ное соединение с достаточно высокой точкой нонвариантного равновесия с

сопутствующими фазами. Однако в сплавах с большим содержанием маг-

ния нет свободного кремния. Поэтому сплавы системы А1–Мg наиболее

чувствительны к примеси натрия. При изготовлении полуфабрикатов от-

ветственного назначения, например, листов из сплава АМг6, содержание Nа

в сплаве необходимо ограничивать.

Отрицательно влияют на свойства сплавов АМг также железо и

медь. Медь несколько повышает прочностные свойства сплавов, но снижа-

ет коррозионную стойкость и свариваемость, поэтому содержание меди в

сплавах типа АМг не должно превышать 0,05–0,1%.

Ценность сплавов системы А1–Мg определяется сочетанием удов-

летворительной прочности, высокой пластичности (табл. 3.11), очень хо-

рошей коррозионной стойкости и свариваемости. Все эти качества обусло-

вили широкое применение алюминиево-магниевых сплавов для сварных

конструкций. Особенно велико значение сплава АМг6 – наиболее прочно-

го из числа термически не упрочняемых сплавов.

Недостаток сплавов системы А1–Мg – относительно низкий предел

текучести. Чтобы повысить его, сплавы АМг5, особенно АМг6, все чаще

подвергают холодной деформации на 20–30 %.

127

Таблица 3.11

Типичные механические свойства сплавов

системы Al–Mg

Сплав Обработка σ

, МПа σ

0,2

, МПа δ, % НВ σ

-1

, МПа

АМг2М

АМг2Н2

АМг3М

АМг5М

АМг6М

АМг6Н

АМг6НПП

Отжиг

Неполный отжиг

Отжиг

То же

-«-

Нагартовка на 20 %

Нагартовка на 30 %

200

250

220

300

350

390

430

100

200

110

150

170

300

350

–

110

135

–

130

–

Нагартованный повышенной прочности (ПП).

В последние годы к сплавам системы А1–Мg добавляют малые до-

бавки скандия (Sc), что способствует резкому увеличению прочности. В

производство внедрен сплав 01570, листы которого после отжига имеют

следующие механические свойства: σ

, = 400–420 МПа; σ

0,2

= 300–320 МПа;

δ = 14–18 %.

Деформируемые сплавы,

упрочняемые термообработкой

Дуралюмины. В 1906 г. немец-

кий исследователь А. Вильм пред-

ложил способ упрочнения (закалку

и старение) алюминиевого сплава с медью и магнием (4,0 % Сu; 0,5 % Мg

0,5 % Мn), который позднее получил название дуралюмина. В табл. 3.12

приведен состав дуралюминов.

Таблица 3.12

Средний состав промышленных дуралюминов

Сплав

Содержание компонентов, %

Mn Ti Zr

Д1

Д16, Д16ч

Д19

ВАД1

ВД17

Д18

В65

4,3

4,0

4,1

3,0

2,6

4,2

0,6

1,5

2,0

2,5

2,2

0,35

0,25

0,6

0,75

0,60

0,55

–

0,4

–

0,06

–

0,15

–

Основа – алюминий.

128

Все дуралюмины (сплавы на основе системы А1–Сu–Мg с добавка-

ми марганца), применяющиеся в настоящее время в промышленности,

можно разделить на четыре подгруппы:

▪ классический дуралюмин (Д1);

▪ дуралюмин повышенной прочности (Д16), отличающийся от Д1

более высоким содержанием магния;

▪ дуралюмины повышенной жаропрочности (Д19, ВАД1 и ВД17),

главным отличием которых от Д1 является увеличенное отношение Мg/Сu;

▪ дуралюмины повышенной пластичности (Д18, В65), которые отли-

чаются от Д1 пониженным содержанием всех или некоторых компонентов.

Алюминиевый угол системы Al–Cu–Mg дан на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Алюминиевый угол системы Al–Cu–Mg: а – изотермиче-

ское сечение при 200

С; б – политермическая кривая максималь-

ной растворимости Cu и Mg в Al; 1 – В65; 2 – Д18; 3 – Д1; 4 – Д16,

Д16ч; 5 – Д19

Дуралюмины содержат неизбежные примеси железа и кремния.

Для получения лучших механических свойств соотношение приме-

сей железа и кремния в дуралюминах, близкое 1:1, более предпочтительно,

чем значительное превышение одной примеси над другой, особенно желе-

за над кремнием.

129

На практике очень часто соотношение примесей железа и кремния в

дуралюминах регулируют с целью улучшения их литейных свойств. Так, в

сплаве Д1, в котором допускается наиболее высокое содержание примесей

железа и кремния (до 0,7 % каждой), обычно поддерживают некоторое

превышение кремния над железом (0,5–0,6 % Si; 0,3–0,4 % Fе).

Изделия из дуралюмина обычно подвергают закалке и в большин-

стве случаев естественному старению. Отличительная особенность терми-

ческой обработки дуралюминов – необходимость жесткого соблюдения

рекомендованной температуры нагрева под закалку.

Допустимые колебания температуры нагрева под закалку, особенно

высокопрочных дуралюминов (Д16, Д19, ВАД1), очень невелики: для Д1 –

495–510

С; для Д19 – 495–505

С; для Д16 – 492–500

С. Это связано с тем,

что температуру нагрева под закалку для максимального растворения уп-

рочняющих фаз выбирают очень близкой к температуре плавления эвтек-

тик, но ниже ее.

Нагрев под закалку до температуры выше допустимых пределов

может привести к оплавлению легкоплавких структурных составляющих

(эвтектик) по границам зерен, что сопровождается окислением металла и

образованием при последующей кристаллизации жидкой фазы усадочной

пористости. Даже начальные стадии пережога вызывают снижение устало-

стной прочности, коррозионной стойкости и пластичности материала, а за-

тем (при большой степени пережога) и прочности. Структура дуралюмина

после нормальной закалки и при пережоге показана на рис. 3.20. Для обна-

ружения пережога, который является неисправимым браком, после закалки

изделий из дуралюмина обычно контролируют их микроструктуру.

а б

Рис. 3.20. Микроструктура закаленного дуралюмина, х 250:

а – нормальная закалка; б – пережог

При закалке дуралюминов важно обеспечить высокую скорость ох-

лаждения. Даже незначительный распад твердого раствора с выделением

промежуточных интерметаллидных фаз по границам зерен, влияет на ме-