Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

160

Листы из САП можно клепать заклепками, изготовленными также

из САП, но с пониженным содержанием оксида алюминия. Можно приме-

нять заклепки из САП с таким же содержанием оксида алюминия, как в

листах, но тогда клепку следует проводить при повышенных температурах.

Листы САП-1, плакированные другими алюминиевыми сплавами,

удовлетворительно свариваются контактной сваркой. Сварка плавлением

вызывает значительные трудности. САП рекомендуется для изготовления

деталей, работающих при температурах 300–500 ºС.

Спеченные алюминиевые сплавы, содержащие другие (помимо

А1

) легирующие компоненты, пока не нашли широкого применения,

хотя уже получены перспективные сплавы с особыми физическими свой-

ствами (с малым коэффициентом термического расширения): САС-1 (спе-

ченный алюминиевый сплав) и САС-2 (табл. 3.35).

Таблица 3.35

Свойства

порошковых алюминиевых сплавов

с низким коэффициентом линейного расширения

Сплав

(размер частиц, мкм)

Химический состав

α·10,

-1

υ,

кг/м

МПа

δ, %

САС 1-400 (< 400) 25–30 Si; 5–7 Ni 14,5–15,5 2730 260–280 2–4

САС 1-50 (< 50) 25–30 Si; 5–7Ni 14,5–15,5 2730 340–360 2–4

САС1-вк (< 50) 35–37 Si; 5–7Ni 11,5–13,5 2650 380–400 1,0

САС-2 (< 400) 25–30 Si; 5–7 Fe 15,0–16,0 2730 240 0,9

САС-3 (< 400) 25–30 Si; 3–5 Cr 15,0–16,5 2720 280 0,6

САС-4 (< 400) 10–15 Si; 15–25 % SiC 16,0–17,0 2780 230 5,0

При комнатной температуре.

Остальное – алюминий.

Коэффициент термического расширения для большинства алюми-

ниевых сплавов колеблется в пределах от 22·10

-6

до 24·10

-6

1/°С (для ин-

тервала температур 20–100

С). Спеченные из порошков сплавы САС-1

(25–30 % Si, 5–7 % Ni) и САС-2 (25–30 % Si, 5–7 % Fe) отличаются очень

низким коэффициентом термического расширения:

для САС-1 α = 14,5·10

-6

–15,5·10

-6

С;

для САС–4 α = 16·10

-6

С.

Изделия из сплавов САС-1 и САС-2 изготавливают из порошков,

полученных пульверизацией жидких сплавов, что обеспечивает достаточно

равномерную дисперсную структуру.

Если из сплава САС-1 отлить слиток, то в его структуре будут гру-

бые пластины первичного кремния и грубые кристаллы первичных никеле-

вых интерметаллидов (рис. 3.32). При такой структуре сплав очень хрупок, и

161

его невозможно использовать как конструкционный материал. Полученный

же из порошка САС-1 содержит в своей структуре довольно мелкие включе-

ния кремния и интерметаллидов и обладает вполне удовлетворительными

механическими свойствами: σ

= 220–240 МПа; σ

0,2

= 210–230 МПа; δ = 0,5 %.

Рис. 3.32. Микроструктура

сплавов системы Al-Si: а –

литой образец; б – САС1-400;

в – САС1-вк; г – САС1-50.

х320

б в г

Гранулируемые

алюминиевые сплавы

Гранулами называют литые час-

тицы, диаметр которых колеблется в

пределах от десятых долей до нес-

кольких миллиметров. Из гранул можно изготавливать прессованные по-

луфабрикаты и листы любых алюминиевых сплавов. Эти листы по свойст-

вам не уступают прокатанным из слитка. При определенных условиях такая

технология имеет некоторые преимущества – не требуется сложного литей-

ного оборудования, мощных прокатных станов, металлорежущих станков

для обработки слитков.

Более важен другой аспект использования метода гранулирования.

При литье гранул центробежным методом капли жидкого металла охлаж-

даются в воде. Скорость охлаждения при кристаллизации гранул диамет-

ром 1–4 мм составляет 10

–10

С/с. Столь высокие скорости охлаждения

при литье открывают новые возможности легирования алюминиевых

сплавов компонентами, нерастворимыми или малорастворимыми в твер-

дом алюминии. При высоких скоростях охлаждения при кристаллизации

(10

–10

6 о

С/с) в сплавах алюминия с переходными металлами образуются

162

пересыщенные твердые растворы, содержание легирующих компонентов в

которых значительно превышает их предельную растворимость по диа-

грамме состояния. Например, предельная равновесная растворимость мар-

ганца в алюминии 1,4 %, а при охлаждении алюминиево-марганцевых

сплавов из жидкого состояния со скоростью 10

С/с образуются твердые

растворы, содержащие до 5 % Мn. Такие твердые растворы называют

аномально пересыщенными.

Если обычно количество вводимых в алюминиевые сплавы Мn, Сr,

Zr, Ti, V составляет десятые или даже сотые доли процента, то при высо-

ких скоростях кристаллизации при литье гранул, благодаря образованию

аномально пересыщенных твердых растворов, содержание этих компонен-

тов может быть увеличено в несколько раз.

При высоких скоростях кристаллизации в сильной степени меняет-

ся и структура гетерогенных сплавов. Грубые первичные и эвтектические

включения интерметаллидов, получаемые в слитках при обычных методах

литья, снижают механические свойства сплавов; по мере увеличения ско-

рости кристаллизации эти включения становятся более тонкими и равно-

мерно распределенными и положительно влияют на свойства.

Алюминиевые сплавы являются основными конструкционными ма-

териалами в авиации. Их применяют для изготовления силовых элементов

самолета: обшивки, шпангоутов, лонжеронов, нервюр, а также топливных

и масляных баков.

Алюминиевые сплавы широко используют в конструкциях ракет и

искусственных спутников Земли. Алюминиевые сплавы служили основ-

ным конструкционным материалом корпусов ракет «Восток» и «Восход»,

на которых советские космонавты открыли эпоху космических полетов.

Алюминиевые сплавы, все более широко применяемые в судо-

строении, имеют существенное преимущество перед сталями. Алюминие-

вые корпуса не обрастают ракушками, что резко ухудшает обтекаемость

корабля и снижает скорость его движения. На очистку стального корпуса

от ракушек тратится очень много времени и средств. Поэтому, хотя перво-

начальная стоимость алюминиевого корпуса дороже стального, в эксплуата-

ции он дешевле и первоначальные избыточные затраты быстро окупаются.

Высокая электропроводность алюминия обусловливает широкое

применение его для массивных проводников электрического тока (линии

передач, шины распределительных устройств), т.е. там, где наиболее ощу-

тимы его преимущества по сравнению с другими материалами. Так, алю-

миниевые оболочки кабелей обладают меньшей плотностью и большей

прочностью, чем свинцовые. Для этих целей расходуют большое количе-

ство алюминия.

В последнее время алюминиевые сплавы все больше используют в

строительстве и транспортном машиностроении. Алюминиевые сплавы

163

применяют для изготовления дисков колес легковых и грузовых автомоби-

лей, в автомобилестроении используются также прессованные профили.

Алюминий и некоторые его сплавы обладают свойством не терять

пластичности при криогенных температурах, поэтому из них изготавлива-

ют резервуары для хранения криогенных жидкостей, например, жидкого

метана (температура –161

С). Из чистого алюминия делают теплообмен-

ники для сжижения гелия, который, как известно, переходит в жидкое со-

стояние при 4 К.

Алюминий и его сплавы применяют в промышленных и бытовых

холодильниках. Хорошо известно применение алюминия в пищевой про-

мышленности: тонкую алюминиевую фольгу толщиной 0,009 мм исполь-

зуют для упаковки различного вида продуктов; из алюминиевой ленты

толщиной 0,2-0,3 мм изготавливают консервные банки.

Алюминиевые сплавы применяют в атомных реакторах. Большин-

ство атомных реакторов сейчас работает на тепловых нейтронах. Для кон-

структивных элементов таких реакторов нужны металлы, слабо погло-

щающие нейтроны. Алюминий, относящийся к их числу, кроме того, обла-

дает хорошей коррозионной стойкостью в горячей воде и перегретом паре,

СО

, т.е. в тех средах, которые часто применяют в качестве теплоносителя

в реакторах [1–5, 7–13, 15–18].

Контрольные вопросы

и задания

1. Дайте общую характеристику видов термической обработки

алюминиевых сплавов.

2. Для чего выбирают режим гомогенизации алюминиевых сплавов?

3. Охарактеризуйте технологию отжига слитков для снятия напря-

жений.

4. Каковы цель и технология рекристаллизационного отжига?

5. Объясните назначение и технологию отжига термически упроч-

няемых сплавов с целью разупрочнения.

6. Охарактеризуйте технологию отжига листов термически не

уп-

рочняемых алюминиевых сплавов.

7. Каковы цель и технология закалки алюминиевых сплавов?

8. Приведите условия распада твердого раствора и виды старения

алюминиевых сплавов.

9. Каков механизм старения алюминиевых сплавов?

164

10. Что такое «возврат при старении», для чего и как его проводят?

Назовите его недостатки.

11. Что такое структурное упрочнение алюминиевых сплавов и

пресс-эффект?

12. Охарактеризуйте технологию термической обработки прессо-

ванных изделий.

13. Дайте описание технологии термической обработки труб.

14. Какова технология термической обработки поковок?

15. Опишите технологию термической обработки штамповок.

16. Какова

особенность термомеханической обработки алюминие-

вых сплавов?

17. Дайте описание технологии термической обработки литейных

алюминиевых сплавов.

18. Какие защитные атмосферы используют при термической обра-

ботке алюминиевых сплавов?

19. Перечислите виды брака при термической обработке алюминие-

вых сплавов и методы контроля.

20. Охарактеризуйте основные свойства алюминия. Какие примеси

встречаются в алюминии?

21. Дайте классификацию алюминиевых

сплавов.

22. Охарактеризуйте химический состав, структуру, свойства, мар-

кировку, режим термообработки, применение дуралюминов.

23. Опишите химический состав, структуру, свойства, маркировку,

режим термообработки, применение «авиалей».

24. Охарактеризуйте химический состав, структуру, свойства, мар-

кировку, режим термообработки, применение сплавов на основе системы

алюминий–магний–кремний–медь.

25. Опишите химический состав, структуру, свойства, маркировку,

режим термообработки,

применение высокопрочных сплавов.

26. Охарактеризуйте химический состав, структуру, свойства, мар-

кировку, режим термообработки, применение жаропрочных сплавов.

27. Приведите химический состав, структуру, свойства, маркировку,

режим термообработки, применение сплавов системы алюминий–марганец.

28. Опишите химический состав, структуру, свойства, маркировку,

режим термообработки, применение сплавов системы алюминий–магний.

29. Охарактеризуйте химический состав, структуру, свойства, марки-

ровку, режим

термообработки, применение литейных алюминиевых сплавов.

30. Что такое специальные материалы САПы?

31. Поясните, что такое САС.

32. Перечислите преимущества изготовления полуфабрикатов из

гранул.

165

4. МАГНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Магний – очень легкий металл: его плотность при комнатной тем-

пературе равна 1,74 г/см

. Плотность же алюминия – 2,7 г/см

. По содер-

жанию в земной коре магний (2,1 % мас.) находится на третьем месте по-

сле алюминия (8,8 %) и железа (5,1 %). Поэтому магний является основой

легких и сверхлегких (с литием) сплавов.

Магниевые сплавы подвергают отжигам, закалке и старению.

4.1. Принципы выбора режимов

термической обработки магниевых сплавов

В термической обработке магниевых и алюминиевых сплавов име-

ется много общего, что объясняется отсутствием полиморфных превраще-

ний в этих металлах и близостью температур плавления.

Магниевые сплавы так же, как и алюминиевые подвергают гомоге-

низационному и рекристализационному отжигам, отжигу для снятия оста-

точных напряжений, закалке и с тарению.

Низкие скорости диффузионных процессов

в твердом магнии при-

водят в условиях неравновесной кристаллизации к сильному развитию

дендритной ликвации (даже при малых скоростях охлаждения), а дендрит-

ная ликвация – к снижению механических свойств и технологической пла-

стичности. Поэтому перед деформацией сплавы подвергают

гомогенизаци-

онному отжигу

Рекристаллизационный отжиг понижает прочность, но повышает

пластичность магниевых сплавов и в значительной мере устраняет анизо-

тропию свойств полуфабрикатов в продольном и поперечном направлени-

ях. При выборе режимов данного отжига необходимо учитывать склон-

ность к росту зерна при повышенных температурах. Температура начала

рекристаллизации чистого магния равна примерно 150

С, а магниевых

сплавов – 250–280

С. Поэтому отжиг магниевых сплавов обычно проводят

при температурах ~350

С, т.к. при более высоких температурах происхо-

дит рост зерна.

Отжиг для снятия остаточных напряжений проводят при темпе-

ратурах, более низких, чем используемые для рекристаллизационного от-

166

жига, сразу же после технологической обработки, создающей остаточные

напряжения.

Закалка и старение проводятся для повышения прочностных свойств.

Критические скорости охлаждения невысоки, и фиксация при закалке го-

могенного состояния, соответствующего температуре нагрева под закалку,

происходит уже при охлаждении на воздухе. Лишь для некоторых сплавов

необходимо охлаждение струями воздуха или подогретой до 80–95

С водой.

Закалка приводит к существенному повышению прочностных, а

иногда и пластических свойств сплавов; особенно это относится к литей-

ным сплавам (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Влияние температуры нагрева

под закалку на механические свойства за-

каленного сплава МЛ5; продолжитель-

ность нагрева под закалку 16 ч (И.Ф. Ко-

лобнев и др.)

, МПа

δ, %

Естественного старения большинства магниевых сплавов после за-

калки не происходит. Продолжительность искусственного старения маг-

ниевых сплавов значительно больше, чем алюминиевых. Искусственное

старение магниевых сплавов повышает прочностные свойства закаленного

материала, но эффект упрочнения, например сплава МЛ10, сравнительно

невелик (рис. 4.2).

Эффект старения магниевых сплавов систем Mg–Al и Mg–Al–Zn

также небольшой (25–35 %). Упрочнение при старении сплавов

систем

Mg–Nd и Mg–Nd–Mn–Ni, наоборот, весьма значительно.

Распад пересыщенного твердого раствора цинка в магнии происхо-

дит через ряд предварительных стадий выделения стабильной β-фазы

(Mg–Zn):

пер

→ ЗГП → предвыделения β' → β" → β.

Распад пересыщенного раствора неодима в магнии происходит по

схеме, аналогичной классическому распаду в сплавах системы Al–Cu:

пер

→ ЗГП → β" → β' → β (Mg

Nd).

167

В достаточно обогащенных литием сплавах системы Mg–Li, допол-

нительно легированных алюминием или цинком, пересыщенные β-твердые

растворы на основе лития с ОЦК решеткой распадаются по схемам [1]:

β → MgLi

Al → AlLi;

β → MgLi

Zn → ZnLi (или MgLiZn).

τ, ч

Рис. 4.2. Влияние продолжительности ста-

рения при 205–230

С на механические свой-

ства сплава МЛ10 после закалки с 540

С,

выдержка 8 ч, охлаждение при закалке об-

дувкой воздухом (Н.М. Тихова)

Магниевые сплавы применяют главным образом как жаропрочные

материалы, поэтому температура старения должна быть выше рабочих

температур данного сплава с тем, чтобы в условиях эксплуатации не про-

исходило слишком быстрой коагуляции упрочняющих фаз.

Поскольку повышение прочностных характеристик магниевых

сплавов при закалке, по сравнению со свойствами отожженного или литого

металла, весьма велико

, а старение не вносит значительного дополнитель-

ного упрочнения, магниевые сплавы часто подвергают только закалке, а

фасонные отливки – гомогенизации с охлаждением на воздухе.

В табл. 4.1 приведены условные обозначения видов термической

обработки изделий и полуфабрикатов из магниевых сплавов.

При термической обработке магниевые сплавы

взаимодействуют с

газами

, составляющими атмосферу печи. В результате взаимодействия с

кислородом

образуется окись магния MgO. Окись магния имеет сущест-

венно меньший объем, чем металл, поэтому магний должен сравнительно

быстро окисляться. Тем не менее до температур 450–475

С окисная плен-

ка оказывает защитное действие. Это, по-видимому, связано с тем, что при

небольшой толщине окисной пленки возникающие в ней растягивающие

напряжения не нарушают ее целостности [4].

δ, % σ

, σ

0,2

, МПа

168

Наиболее сильно ускоряют окисление магния никель и медь. Гал-

лий, цинк, олово и алюминий также повышают скорость окисления маг-

ния, но в меньшей степени, чем первые два элемента.

Таблица 4.1

Режимы термической обработки

в зависимости от назначений

Вид термической

обработки

Условное

обозначение

Назначение

Искусственное старение без

предварительной закалки

Т1 Повышение механических свойств сплавов

Отжиг Т2 Снятие остаточных напряжений и наклепа

Закалка Т4 Повышение прочностных характеристик

Закалка на воздухе и старение Т6

Повышение прочности при некотором

снижении относительного удлинения

Закалка в воде и старение Т61

Максимальное повышение прочности

литых деталей

В настоящее время установлен лишь один элемент, уменьшающий

скорость окисления магния. Это бериллий. Он является по отношению к

магнию поверхностно активным элементом и поэтому концентрируется в

поверхностных слоях оксидной пленки. Окись бериллия образуется с уве-

личением объема (в отличие от окиси магния) и поэтому способствует уве-

личению защитных свойств пленки.

Интенсивность

взаимодействия магниевых сплавов с кислородом

при повышении влажности воздуха существенно уменьшается. В широком

температурном интервале скорость окисления магния во влажном воздухе

примерно в два раза меньше, чем в сухом воздухе. Это связано с тем, что

во влажном воздухе вместо пленки окиси магния растет пленка гидроокиси

Mg(OH)

, образующаяся с увеличением объема. При нагреве на воздухе до

623

С магний воспламеняется. Влажная магниевая пыль воспламеняется

при 360

С. Поэтому для исключения возгорания отливок перед загрузкой

в печь для термообработки их необходимо очищать от магниевой пыли,

стружки и заусенцев [13].

При температурах термической обработки магниевые сплавы

слабо реагируют с

азотом. Значительные загрязнения азотом, приводя-

щие к ухудшению механических свойств, возможны лишь при взаимо-

действии металла с азотом при температурах, близких к температуре

плавления [4].

169

4.2. Технология термической обработки

литейных и деформируемых

магниевых сплавов

Литейные

магниевые сплавы подвергают термической обработке

для повышения механических свойств (закалка и старение) и уменьшения

остаточных напряжений (отжиг Т2).

Так как магниевые сплавы при повышенных температурах могут

вступать в реакцию с составляющими атмосферы печи, при нагреве ис-

пользуют только электрические печи. Нагревательные элементы должны

быть тщательно экранированы, экраны и внутренний кожух

печи изготав-

ливают из нержавеющей стали. Нагрев полуфабрикатов из магниевых

сплавов в жидких селитровых ваннах запрещен во избежание взрыва и по-

жаров.

Для уменьшения окисления нагрев проводят в нейтральной атмо-

сфере углекислого газа, аргона и др. или в воздушной атмосфере с добав-

кой 0,5–1 % SO

В структуре отливок имеются неравновесные фазы, поэтому для ря-

да сплавов разработаны ступенчатые режимы нагрева под закалку.

Время выдержки при температуре нагрева под закалку колеблется в

широких пределах и зависит от состава сплава и структуры отливок. Вели-

чина зерна в отливках в значительной мере определяется толщиной стенки

сечения и применяемым

способом литья. Чем массивнее отливка и меньше

скорость охлаждения при затвердевании, тем грубее зерно. В зависимости

от этих факторов время выдержки при нагреве под закалку может изме-

няться в широких пределах.

Закалка литейных магниевых сплавов приводит к существенному

повышению механических свойств, особенно в сплавах системы Mg–Al–Zn,

поэтому ее часто проводят без последующего

старения (режим Т4). Охла-

ждение после нагрева под закалку выполняют в спокойном воздухе. Для

интенсификации охлаждения при закалке некоторых сплавов применяют

также обдувку струями воздуха или охлаждение в подогретой до 80–95

воде. Искусственное старение проводят в печах с воздушной атмосферой,

а охлаждение – на спокойном воздухе. Процессы распада при старении

сопровождаются объемными эффектами, вызывающими изменение раз-

меров отливок.

С целью повышения технологической пластичности при обработке

давлением слитки магниевых сплавов подвергают гомогенизационному

отжигу (табл. 4.2).