Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

150

Таблица 3.28

Средний химический состав силуминов

Сплав

Содержание компонентов, % Примеси, % Fe, не более

Si Mg Cu Mn Ni Другие

Литьё

в землю

Литьё под

давлением

АК12 (АЛ2)

АК9ч (АЛ4)

АК7ч (АЛ9)

АК5М (АЛ5)

АК8л (АЛ34)

АК12М2МгН(АЛ25)

АК21М2,5-Н2,5

11,5

9,25

7,0

5,0

7,5

11,5

21,0

–

0,24

0,3

0,47

0,45

1,05

0,35

–

1,25

–

2,25

2,6

–

0,35

–

0,45

0,3

–

1,05

2,5

–

0,2 Ti;

0,27 Be

0,12 Ti

0,2 Ti;

0,3 Cr

0,7

0,6

То же

1,1

То же

1,5

1,0

1,5

То же

Таблица 3.29

Типичные механические свойства силуминов

Сплав

Способ литья

и термообработка

МПа

0,2

МПа

δ, %

-1

МПа

АК12(АЛ2)

Литье в землю после модифи-

цирования

180 80 7 42

АК9ч(АЛ4)

Литье в землю после модифи-

цирования, закалка и искусст-

венное старение

260 200 4 –

АК7ч(АЛ9)

Литье в землю, закалка и ис-

кусственное старение

200 110 6 40

АК5М(АЛ5)

Литье в землю, закалка и ис-

кусственное старение

220 180 1 –

АК8л(АЛ34) То же 330 280 3 –

АК12М2МгН(АЛ25)

Литье в кокиль, старение без

закалки

200 – – –

АК21-М2,5Н2,5 Литье в кокиль, отжиг 170 – – –

Из дополнительных легирующих компонентов в силуминах наи-

большее значение имеют магний и медь, введение которых делает сплавы

термически упрочняемыми. Магний образует фазу Мg

Si, являющуюся,

как было показано применительно к деформируемым сплавам, эффектив-

ным упрочнителем при термообработке. В присутствии больших коли-

честв кремния растворимость фазы Мg

Si в алюминии уменьшается, поэто-

му содержание магния в силуминах меньше, чем в деформируемых сплавах

системы А1–Мg–Si, и тем меньше, чем выше содержание кремния.

151

Специальные силумины, содержащие магний и медь, подвергают

закалке и последующему искусственному старению. Упрочнение специ-

альных силуминов при термической обработке обеспечивает их значитель-

но более высокую прочность и особенно предел текучести, при понижен-

ной пластичности по сравнению с простым силумином.

Силумины отличаются малой плотностью, так как в их состав вхо-

дит кремний – более легкий элемент, чем алюминий. Так, плотность эвтек-

тического силумина АК12 (АЛ2) составляет 2,66 г/см

. Сплавы системы

А1–Si характеризуются высокой коррозионной стойкостью, причем до-

бавки марганца и магния дополнительно повышают ее. Медь же резко

снижает коррозионную стойкость. Так, у сплава АК5М (АЛ5), содержащего

1,0–1,5 % Сu, коррозионная стойкость ниже, чем у других силуминов.

Высокие литейные свойства силуминов определяют их хорошую

свариваемость плавлением.

Важное преимущество сплава АК12 – малый интервал кристалли-

зации (близкий к нулю), поэтому в отливках не образуется усадочной по-

ристости. Сплав рекомендуется для изготовления герметичных деталей.

Однако образование концентрированных усадочных раковин (что харак-

терно для сплавов с малым интервалом кристаллизации) вызывает трудно-

сти при отливке крупных и сложных по конфигурации деталей.

Более прочным силумином является сплав АК9ч (АЛ4), упрочняе-

мый термообработкой. При некотором снижении содержания кремния в

сплаве АК9ч (АЛ4) по сравнению с АК12 (АЛ2) достигается благоприят-

ное сочетание литейных свойств: относительно малая усадочная порис-

тость и значительно меньшая (чем у АК12) концентрированная усадочная

раковина. Это позволяет применить сплав АК9ч для наиболее ответствен-

ных крупногабаритных деталей, например картеров двигателей внутренне-

го сгорания.

Сплав АК7ч (АЛ9), который не подвергают ни модифицированию

перед литьем, ни искусственному старению (отливки только закаливают),

довольно широко применяют благодаря сочетанию удовлетворительной

прочности, высокой пластичности и хороших литейных свойств.

Высоколегированные заэвтектические силумины применяют для

отливки поршней двигателей внутреннего сгорания.

Сплавы на основе

системы А1–Сu

Для получения максимальной

прочности отливки из всех сплавов

подвергают закалке и последующему

искусственному старению [упрочняющая фаза во всех случаях θ (А1

Сu)].

Сплавы на основе системы А1–Сu закаливают с (545 ±3)

С (вы-

держка 5–9 ч) в горячей воде и подвергают старению при (175 ±5)

С в те-

чение 3–5 ч. Поскольку температура нагрева под закалку очень высока, а в

152

сплаве могут быть неравновесные эвтектики, плавящиеся при более низкой

температуре, нагрев проводят ступенчато (нагрев до 530

С, выдержка,

дальнейший нагрев). Искусственное старение для сплава АМ5 (АЛ 19)

также применяют не всегда.

Химический состав и механические свойства сплавов системы А1–Сu

приводятся в табл. 3.30, 3.31.

Таблица 3.30

Состав высокопрочных и жаропрочных

литейных сплавов на основе системы Al–Cu

Сплав

Компоненты, %

Примеси, %

Cu Mn Ti Zr Cd Другие Fe Si

АЛ7 4,0–5,0 – – – – – ≤ 1,0 ≤ 1,2

АМ5 4,5–5,3 0,6–1,0 0,15–0,35 – – – ≤ 0,2 ≤ 0,3

АМ4,5Кд 4,5–5,1 0,35–0,8 0,15–0,35 – 0,07–0,25 – ≤ 0,15 ≤ 0,20

ВАЛ14 4,5–5,0 0,50–0,90 0,15–0,35 0,05–0,25 0,04–0,12 – ≤ 0,15 ≤ 0,20

АЛ33 5,5–6,2 0,6–1,0 – 0,05–0,20 –

(0,8–1,2) Ni

(0,15–0,30) Ce

≤ 0,30 ≤ 0,30

ВАЛ18 4,9–5,5 0,6–1,0 0,05–0,35 0,05–0,35 – (0,6–1,0) Ni ≤ 0,50 ≤ 0,30

Таблица 3.31

Механические свойства высокопрочных и жаропрочных

литейных сплавов на основе системы Al–Cu

Сплав

Механические свойства отливок в землю при 20 °С

, МПа δ, %

АЛ7 240 4

АМ5 350 6

АМ4,5Кд 420 7

ВАЛ14 460 10

АЛ33 280/160

ВАЛ18 300/125

После закалки и искусственного старения.

В числителе – при комнатной температуре; в знаменателе – при 350

С.

Сплавы АМ5 (АЛ 19) и АЛЗЗ значительно превосходят силумины и

двойной алюминиево-медный сплав АЛ7 (по длительной прочности при

300

С). В литом состоянии сплавы более жаропрочны, чем в деформиро-

ванном, так как в литом состоянии интерметаллидные фазы залегают, как

правило, по границам зерен и дендритных ячеек, образуя твердый каркас,

153

препятствующий пластической деформации материала. В процессе обра-

ботки давлением ободки интерметаллидных фаз, залегающих по границам

дендритных ячеек и зерен, разрушаются, и отдельные кристаллики, не свя-

занные между собой, располагаются в виде строчек. При таком характере

распределения они значительно меньше повышают жаропрочность. Ос-

новные недостатки литейных сплавов на основе системы А1–Сu – плохие

литейные свойства и пониженная, по сравнению с другими литейными

сплавами, коррозионная стойкость. Отливки из этих сплавов нуждаются в

тщательной защите от коррозии.

Сплавы АМ5, АМ4,5Кд, ВАЛ14 в основном используют для изго-

товления высоконагруженных деталей, работающих при комнатной и по-

вышенных температурах (250–300

С). Сплав АЛ33 предназначен для ра-

боты при повышенных температурах.

Сплавы на основе

системы А1–Мg

Литейные алюминиевые сплавы

на основе системы А1–Мg отлича-

ются такими же характерными осо-

бенностями, как и деформируемые сплавы, – при высокой прочности они

имеют высокую пластичность и, что наиболее важно, высокую коррозион-

ную стойкость.

Основной легирующий компонент во всех сплавах этой группы

(АМг5К, АМг5Мц, АМг6л, АМг10) – магний, большая часть которого на-

ходится в твердом растворе.

Сплав АМг10 (АЛ27) с 9,5–10,5 % Мg упрочняется при термообра-

ботке, причем в основном после закалки, т.е. вследствие растворения маг-

ния в алюминии. При последующем старении прочность изменяется не-

значительно, а пластичность заметно снижается. Поэтому данный сплав

подвергают только закалке, которую проводят с (430 ±5)

С (выдержка

12–20 ч) в масле. Охлаждения в масле вполне достаточно для получения

пересыщенного твердого раствора магния в алюминии, вместе с тем оно

положительно (по сравнению с охлаждением в воде) влияет на коррозион-

ную стойкость сплавов.

После закалки сплавы с высоким содержанием магния типа АМг10

упрочняются при естественном старении, причем процесс идет длительное

время – механические свойства изменяются в течение многих лет. Это яв-

ление отрицательное, поскольку относительно небольшой прирост проч-

ностных характеристик сопровождается резким снижением пластичности.

Сплавы системы А1–Мg имеют высокие прочность и пластичность

(табл. 3.32).

Характеристики пластичности сплава АМг10 (АЛ27) выше, чем у

многих деформируемых сплавов, а предел текучести много ниже вре-

154

менного сопротивления, что обычно характерно для термически не упроч-

няемых сплавов. Это объясняется механизмом упрочнения сплавов А1–Мg:

сплав АМг10 (АЛ27) упрочняется в результате растворения магния в алю-

минии, а не из-за последующего дисперсионного твердения.

Таблица 3.32

Типичные механические свойства сплавов системы Al–Mg

(отдельно отлитые образцы)

Сплав Способ литья и обработка σ

МПа

0,2

, МПа δ, % σ

-1

, МПа

АМг5К Литье в землю, без термообработки 170 100 3 45

АМг5Мц -«- 210 120 4 –

АМг6л -«- 200 120 4 –

АМг10 То же, закалка 375 200 22 60

Однако широкое применение этих сплавов в технике ограничивает-

ся рядом их существенных недостатков.

Широкий интервал кристаллизации (100–120

С), высокое газосо-

держание и сильная окисляемость определяют плохие литейные свойства.

Алюминиево-магниевые сплавы склонны к образованию горячих трещин

при литье, хотя и в меньшей степени, чем сплавы на основе системы А1–Сu.

По жидкотекучести алюминиево-магниевые сплавы уступают силуминам,

но превосходят алюминиево-медные сплавы. Высокое газосодержание в

алюминиево-магниевых сплавах приводит к сильно развитой газовой по-

ристости в отливках. Большая окисляемость сплавов в расплавленном со-

стоянии, а также взаимодействие с азотом воздуха способствуют образова-

нию неметаллических включений, которые замешиваются в расплав и по-

падают в отливку. Эти включения обнаруживаются при изломе отливки в

виде серых и черных пятен на поверхности излома – оксиды типа шпинели

Мg(АlО

)

При плавке и литье сплавов системы А1–Мg необходимо защищать

расплав от взаимодействия с воздухом специальными флюсами, а также

подвергать его тщательной дегазации и рафинированию.

Отличаясь очень высокой общей коррозионной стойкостью, сплавы

системы А1–Мg с большим содержанием магния, в частности АМг10, под-

вержены коррозии под напряжением или коррозионному растрескиванию.

В настоящее время из сплавов системы А1–Мg большее распро-

странение получили сплавы с 4,5–6,0 % Мg – АМг5Мц (АЛ28) и другие, не

чувствительные к образованию газовой пористости и окислению. Однако,

несмотря на недостатки, сплав АМг10 и его модификации благодаря при-

сущим им очень ценным качествам применяют в промышленности.

155

Сплавы на основе систем

А1–Zn–Мg и А1–Zn–Мg–Cu

В последние годы более широ-

ко применяются литейные сплавы

системы А1–Zn–Мg. Типичный пред-

ставитель – сплав АЦ4Мг (АЛ24). Важной особенностью сплава АЦ4Мг

является его самозакаливаемость. Отливки из сплава АЦ4Мг с достаточно

высокой прочностью получают без специальной закалки. Скорость охлаж-

дения отливки после ее кристаллизации в форме достаточна для фиксации

в ней пересыщенного твердого раствора и последующего упрочнения при

естественном или искусственном старении.

Отливки из сплава АЦ4Мг закаливают с температуры 540–560

С с

охлаждением в кипящей воде или на воздухе и подвергают искусственно-

му старению при 160–170

С (выдержка 20–24 ч).

Механические свойства сплава АЦ4Мг приводятся в табл. 3.33.

Таблица 3.33

Типичные механические свойства сплава АЦ4Мг

(отдельно отлитые в земляную форму образцы)

Состояние σ

МПа

0,2

МПа δ, %

Литое, естественно состаренное 220 170 2,5

Закаленное и искусственно состаренное 350 280 3,5

К числу недостатков сплава АЦ4Мг относится определенная склон-

ность к коррозии под напряжением; для ее уменьшения, а также для улуч-

шения литейных свойств рекомендуется вводить в сплав 0,8–1,2 % Fе.

Специальные алюминиевые сплавы

К группе специальных алюминиевых сплавов отнесены сплавы, из-

делия из которых не могут быть получены традиционными технологиче-

скими приемами (литьем слитка с последующей его обработкой давлением

или фасонным литьем). Для обеспечения необходимого состава, структуры

и свойств этих сплавов применяют особые, специальные технологические

процессы – порошковую или гранульную металлургию.

Специальные алюминиевые сплавы

содержат в качестве легирую-

щих компонентов либо А1

, либо в большом количестве очень малорас-

творимые или практически нерастворимые в твердом алюминии металлы:

хром, цирконий, железо, никель и т.д.

156

Сплавы на основе системы

А1–А1

(САП) и другие

алюминиевые сплавы,

спеченные из порошков

САП (спеченный алюминиевый

порошок или спеченная алюминие-

вая пудра) представляет собой ма-

териал, который получают прессо-

ванием и последующим спеканием

алюминиевого порошка, состоящего из чешуек толщиной 1 мкм. Такой

алюминиевый порошок называют пудрой.

Механические свойства САП значительно отличаются от механиче-

ских свойств литого или деформированного технического алюминия. Если

механические свойства деформированного технического

алюминия имеют

следующие значения: σ

= 60–90 МПа; σ

0,2

= 20–30 МПа; δ = 20–40 %, то у

САП σ

= 250–400 МПа; σ

0,2

= 200–300 МПа; δ = 5–8 %.

Большое различие в механических свойствах САП и обычного

алюминия объясняется тем, что в САП содержится значительное количест-

во оксида алюминия (А1

). Каждая частичка пудры, из которой получен

САП, покрыта тонким слоем оксида алюминия. Чем тоньше пудра, тем

больше суммарная поверхность частиц, тем больше в САП оксида алюминия.

Как видно из приведенного выше сравнения механических свойств,

САП значительно прочнее деформированного алюминия. Однако многие

деформируемые сплавы при нормальной температуре прочнее САП. Таким

образом,

для применения при нормальной температуре САП не представ-

ляет большого интереса. Основное преимущество его перед прочими алю-

миниевыми сплавами – высокая жаропрочность. САП сохраняет высокую

прочность при температурах выше 350

С, т.е. при таких температурах, при

которых теплопрочные алюминиевые сплавы (Д16, Д19, Д20, АК4-1) разу-

прочняются в столь сильной степени, что о применении их не может быть

и речи. САП отличается относительно высокой прочностью даже при тем-

пературе 500

С, при которой временное сопротивление САП колеблется

от 60 до 100 МПа в зависимости от содержания оксида алюминия.

Технология изготовления полуфабрикатов из САП включает сле-

дующие операции:

1) получение алюминиевой пудры;

2) холодное брикетирование пудры;

3) вакуумная дегазация брикетов;

4) горячая подпрессовка или спекание нагретых брикетов под дав-

лением;

5) получение из брикетов полуфабрикатов горячей (

и последующей

холодной) деформацией.

Получение пудры – самая ответственная операция. От качества

пудры (величины и формы частиц) зависят свойства готовых изделий.

Пудру обычно получают пульверизацией (разбрызгиванием) жидкого

157

алюминия с последующим размолом полученного порошка в шаровых

мельницах.

В исходном порошке (100–150 мкм), полученном пульверизацией,

уже имеется некоторое количество оксида алюминия, но небольшое

(< 0,5 % А1

), поскольку порошок грубый. При измельчении порошка в

шаровых мельницах частички расплющиваются, их поверхность увеличи-

вается и происходит дополнительное окисление.

При механическом измельчении порошка в шаровую мельницу до-

бавляют жировую присадку, обычно стеарин, в количестве 0,5–0,8 % от

массы порошка. Если не добавить жира, алюминиевый порошок сначала

измельчается, а потом начинается слипание частиц

и измельчение прекра-

щается. Жировая добавка, препятствуя слипанию частиц (комкованию),

имеет большое значение в процессе изготовления пудры. Если добавить

мало жира, не получится достаточного измельчения порошка, а следова-

тельно, в пудре будет мало оксида алюминия. Если добавить слишком

много жира, порошок очень сильно измельчится, и в пудре будет содер-

жаться слишком

много оксида алюминия.

Для изготовления САП используют специальную алюминиевую

пудру трех марок: АПС-1 (6–9 % А1

), АПС-2 (9–13 % А1

), АПС-3

(13–18 % А1

). Пудры этих марок удовлетворяют перечисленным выше

требованиям.

а б

Рис. 3.29. Микроструктура холоднокатаных полуфабрикатов из сплава

типа САП: а – брикет; б – прессованная полоса. х340

САП представляет собой смесь алюминия с мельчайшими чешуй-

ками оксида алюминия. Такая структура и обусловливает особые свойства

этого материала. Прочность САП связана линейной зависимостью с рас-

стоянием между частицами оксида алюминия. Чем меньше это расстояние,

тем большие напряжения требуются для скольжения дислокаций. Микро-

структура полуфабрикатов из сплава типа САП показана

на рис. 3.29.

158

Чешуйки оксида алюминия, совершенно нерастворимые в алюми-

нии, в сильной степени препятствуют всякому перераспределению дисло-

каций. Процессы рекристаллизации в САП, содержащем более 7-8 %

А1

, не идут. Наклеп, вызванный холодной деформацией, не удается

снять даже отжигом при 450

С в течение сотен часов. И только выдержка

при температурах выше 500

С в течение ста часов приводит к частичному

снятию наклепа. Этим объясняется высокая жаропрочность САП.

Основной фактор, влияющий на механические свойства САП, – со-

держание оксида алюминия. Наиболее резкий рост прочностных характе-

ристик (и снижение пластичности) наблюдается при повышении содержа-

ния оксида алюминия до 7 %. Дальнейшее увеличение содержания оксида

алюминия сопровождается менее интенсивным ростом прочности и сни-

жением пластичности (рис. 3.30).

Состав и механические свойства САП показаны в табл. 3.34.

Рис. 3.30. Зависимость меха-

нических свойств САП от со-

держания Al

Таблица 3.34

Состав и типичные механические свойства

прессованных прутков из сплава типа САП

Сплав

Компоненты

, % 20

С 500

МПа

0,2

МПа

δ, %

МПа

0,2

МПа

δ, %

100

МПа

САП–1

САП-2

САП-3

6–9

9,1–13

13,1–18

< 0,25

< 0,20

300

330

400

200

230

340

120

–

Основа – алюминий.

159

Зависимость временного сопротивления прессованных полуфабри-

катов из САП-1, САП-2 и сплавов ВД17 и Д20 от температуры испытания

показана на рис. 3.31.

Рис. 3.31. Зависимость временного со-

противления (σ

) сплавов ВД17 (1),

Д20 (2), САП-2 (3) и САП-1 (4) от

температуры испытания

, МПа

Отрицательная особенность САП – снижение пластичности с по-

вышением температуры. Если относительное удлинение обычных дефор-

мируемых алюминиевых сплавов с повышением температуры испытания

резко растет, то относительное удлинение, например САП-2, снижается с

повышением температуры, от 4 % при 20

С до 1 % при 500

С.

По характеристикам длительной прочности при повышенных тем-

пературах САП также значительно превосходит обычные жаропрочные

алюминиевые сплавы.

САП, содержащий 10-11 % А1

, имеет такую же высокую корро-

зионную стойкость, как мягкий технический алюминий.

Электропроводность и теплопроводность САП понижаются с рос-

том содержания оксида алюминия, при 10–13 % А1

значения этих вели-

чин составляют 70–75 % от соответствующих значений для мягкого техни-

ческого алюминия. Коэффициент термического расширения при темпера-

турах от 20 до 500

С несколько ниже, чем у технического алюминия.

По технологическим свойствам САП значительно отличается от

большинства деформируемых алюминиевых сплавов. Вследствие низкой

пластичности САП холодная деформация его весьма затруднена. Так, все

операции штамповки листов из САП (гибка, отбортовка, глубокая вытяжка

и т.д.) проводят при 420–470

С, тогда как для обычных деформируемых

алюминиевых сплавов эти операции не требуют нагрева. Несмотря на то,

что относительное удлинение САП, как было показано, падает с повыше-

нием температуры, все показатели технологической пластичности улуч-

шаются: минимальный радиус гиба уменьшается, предельный коэффици-

ент вытяжки и предельный коэффициент отбортовки возрастают.