Дюралюминий и другие деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой

Дюралюминий и другие деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой

Дюралюминий Дюралюминий - первый промышленный сплав на основе алюминия. Название «дюралюминий» можно расшифровать как твердый алюминий (по французск. Dur - твердый).

В СССР дюралюминий начали производить с 1924 г. на Кольчугинском заводе (кроме основных компонентов, он содержал еще 0,5% Ni и назывался кольчугалюминием).

Природа сплавов типа дюралюминий, влияние элементов, термическая обработка подробно были исследованы многими учеными (А. А. Бочваром, С. М. Вороновым, Ю. Г. Музалевским, Д. А. Петровым, А. Гинье, Ж. Престоном, И. Н. Фридляндером, В. А. Ливановым и др.). - наиболее распространенный представитель группы алюминиевых сплавов, применяемых в деформированном виде и упрочняемый термической обработкой.

Он содержит 4% Сu и 0,5% Mg, а также марганец и железо.

Дюралюминий - сплав, по крайней мере, шести компонентов: Al, Cu, Mg, Mn, Si и Fe, основными добавками являются медь и магний. Поэтому указанный сплав можно причислить к сплавам системы А1 - Cu -Mg. Кремний и железо являются постоянными примесями, попадающими в сплав вследствие применения недостаточно чистого алюминия.

Перечисленные компоненты образуют ряд растворимых соединений (следовательно, вызывающих старение), таких, как CuAl₂, фаза S, Mg₂Si, и нерастворимых, таких, как железистые и марганцовистые соединения.

Структура дюралюминия в отожженном состоянии (рис. 1.14, а) состоит из твердого раствора и вторичных включений различных интерметаллических соединений.

После закалки с оптимальных температур (500°С) основное количество соединений CuAl₂ и Mg₂Si растворяется в алюминии, но соединения железа не растворяются. Поэтому в закаленном состоянии структура состоит из твердого раствора и нерастворимых включений соединений железа (на микроструктуре рис. 1.14, б включения черного цвета).

При нагреве выше 500-520°С происходит оплавление зерен по границам; при охлаждении участки жидкой фазы превращаются в эвтектику (рис. 1.14, в).

Механические свойства после окончательной термической обработки (после закалки и старения) сильно зависят от температуры закалки (рис. 1.15). В результате повышения температуры закалки происходит растворение интерметаллических соединений, после закалки получается пересыщенный твердый раствор, а после старения - более высокая прочность. Нагрев же выше определенной температуры вызывает перегрев (рост зерна, окисление и оплавление границ зерна), что приводит к катастрофическому падению прочности и пластичности. Поэтому ясно, что при термической обработке дюралюминия важно соблюдать температурный режим закалки.

При термической обработке дюралюминия колебания температур закалки не должны превышать ±3-4°С.

Кривые старения дюралюминия приведены на рис. 1.9. Дюралюминий принадлежит к алюминиевым сплавам, естественно стареющим; наиболее высокие механические свойства у нормального дюралюминия получаются после старения при комнатной температуре в течение 5-7 сут.

Термическая обработка названных сплавов заключается в закалке примерно с 500°С в воде с последующим естественным (зонным) старением, т. е. детали из этих сплавов могут быть «готовы» лишь через пять - семь дней после закалки.

Так как коррозионная стойкость дюралюминия незначительна, то изыскивали различные способы для защиты его от этого процесса. Наиболее распространенный - плакирование чистым алюминием. Плакированный дюралюминий обладает такой же коррозионной устойчивостью, как чистый алюминий.

Рис. 1.14. Микроструктура дюралюминия:

а - отожженное состояние,? 200; б - закаленное состояние,? 100;

в - перегретое при закалке состояние,? 200

Рис. 1.15. Механические свойства дюралюминия в закаленном и состаренном состояниях в зависимости от температуры закалки

По техническим условиям толщина плакированного слоя составляет 4-8% от толщины листа (или диаметра проволоки либо прутка). Естественно, что наличие на дюралюминии менее прочного слоя из чистого алюминия ухудшает прочностные свойства полуфабриката в целом, т. е. плакированный дюралюминий несколько менее прочен, чем неплакированный.

В настоящее время производят дюралюминий нескольких марок. Состав наиболее распространенных приведен в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Состав дюралюминия

Марка	Сu	Mn	Mg	Si	Fe
Д1 Д16	3,8-4,8 3,8-4,5	0,4-0,8 0,3-0,9	0,4-0,8 1,2-1,8	< 0,7 < 0,5	< 0,7 < 0,5

Сплавы Д1 - так называемый нормальный дюралюминий. Основной, упрочняющей фазой в этом сплаве является соединение CuAl₂.

Сплав Д16, так называемый супердюралюмин, содержит, по сравнению с нормальным дюралюминием, повышенное количество магния. В соответствии с этим основной упрочняющей фазой является фаза S (Al₂CuMg), что и обеспечивает более высокую прочность сплава Д16 по сравнению с Д1.

В табл. 1.3 приведены механические свойства указанных сплавов в разных состояниях.

Таблица 1.3

Механические свойства дюралюминия

Марка	Состояние, полуфабрикат	в, МПа	0,2, МПа	%
Д1	Отжиг Закалка + старение: прутки лист
Д16	Отжиг Закалка + старение: прутки лист

Режимы термической обработки сплавов:

- закалка с 495-505°С в воде для сплава Д1 и с 490-500°С в воде для сплава Д16;

- старение в обоих случаях при 20°С в течение 4 сут;

- cмягчающий отжиг проводят при 340-370°С.

Физические свойства этих сплавов в термически упрочненном состоянии практически одинаковы (различие в пределах точности измерения).

Заклепки из сплавов Д1, Д16 ставят не позднее, чем через 2 ч (Д1) или 20 мин (Д16) после закалки, когда сплав не начал еще заметно упрочняться в процессе старения; позднее ставить заклепки нельзя, так как в результате старения и снижения вследствие этого пластичности при расклепывании образуются трещины.

Разумеется, такая жесткая регламентация по времени создает технологические затруднения. Поэтому имеется сплав (Д18), специально предназначенный для заклепок, который можно расклепывать в состаренном состоянии. Этот сплав содержит пониженное количество упрочняющих элементов (меди, магния) и после закалки и старения имеет существенно более низкую прочность, но более высокую пластичность, чем, например, дюралюминий Д1.

Состав и механические свойства сплава Д18 следующие: 2,2-3% Сu; 0,2-0,5% Mg. После закалки с 495-505°С в воде и естественного старения _в = 300 МПа, = 24%,? = 50%: сопротивление срезу?_ср = 190 МПа.

Более высокую прочность можно получить у алюминиевых сплавов, содержащих в качестве основных присадок, кроме меди и магния, еще и цинк, т. е. у сплавов системы А1 - Mg - Cu - Zn.

В сплаве А1 + 10% Zn + 2% Mg (сплавы В95, B96) можно получить предел прочности до 600 МПа (табл. 1.4). Однако в условиях не очень активной коррозионной среды, даже такой, как дистиллированная вода, прочность резко падает. Недостаток этот устраняется добавкой ~ 2% Сu. Также влияет и малая присадка хрома или циркония.

Таким образом, применение получили сплавы не тройной Al - Zn - Mg, а четверной системы Al - Zn - Mg - Cu. Наиболее типичным представителем этой системы является сплав В95 (5-7% Zn; 1,8-2,8% Mg; 1,4-2% Сu; 0,1-0,25% Сr).

Основное упрочнение создается за счет растворения T-фазы (Al₂Mg₃Zn₃).

Таблица 1.4

Механические свойства (типичные) высокопрочных алюминиевых сплавов системы А1 - Zn - Mg - Сu

Сплав	Полуфабрикат	Режим старения после закалки при 465°С	Meханические свойства
в, МПа	0,2, МПа	, %
В95	Листы Профили	120°С, 2 ч 140°С, 6 ч
B96	Профили	140°С, 6 ч

Высокое легирование снижает температуры начала плавления, поэтому используют более низкую температуру закалки по сравнению с такой для дюралюминия (460-470°С). Меньшая скорость распада пересыщенного твердого раствора сплава В95 (см. рис. 1.2) приводит к следующим изменениям в технологии термической обработки:

1) скорость охлаждения при закалке может быть уменьшена, что целесообразно, так как при этом уменьшаются внутренние напряжения, наличие которых увеличивает склонность к коррозионному растрескиванию (снижает прочность при испытании в коррозионно-активных средах). Это является главным недостатком наиболее высокопрочных алюминиевых сплавов. При закалке сплава В95 применяют не холодную, а подогретую до 80-100°С воду.

Весьма хорошие результаты дает закалка названных сплавов в жидком азоте Не следует это рассматривать как обработку холодом., при которой охлаждение происходит медленнее, чем в холодной воде (в связи с меньшей теплотой парообразования жидкого азота), но более равномерно, чем в горячей;

2) естественное старение не дает максимальной прочности, как искусственное, даже при очень большой выдержке. Эта прочность достигается в результате старения при 120-140°С в течение 16-24 ч.

Если стремиться к максимальной прочности, то следует еще больше легировать сплав цинком, магнием и медью, чем сплав В95.

Наиболее прочный алюминиевый сплав - В96. Он содержит 8-9% Zn, 2,3-3% Mg; 2-2,6% Сu; 0,1-0,2% Zr. Прочность этого сплава достигает 700 МПа.

Алюминиевые сплавы для поковок и штамповок

Ряд деталей из алюминиевых сплавов изготавливают ковкой (например, лопасти винта).

Кроме высоких механических свойств, от сплава требуется и хорошая пластичность в горячем состоянии. В таких случаях применяют или дюралюминий обычного состава При применении дюралюминия в кованом или штампованном виде он обозначается через АК1., или другие сплавы, по составу близкие к дюралюминию (АК6, АК8).

Состав этих сплавов и типичные для них механические свойства приведены в табл. 1.5, 1.6.

Таблица 1.5

Состав сплавов АК, %

Марка сплава	Сu	Mg	Mn	Si	Fe
АК1	3,8-4,8	0,4-0,8	0,4-0,8	< 0,7	< 0,7
АК6	1,8-2,6	0,4-0,8	0,4-0,8	0,7-1,2	< 0,6
АК8	3,9-4,8	0,4-1,0	0,4-1,0	0,6-1,2	< 1,0
АК4*	1,9-2,5	1,4-1,8	0,15-0,35	0,5-1,2	1,1-1,6

* Содержит 1,0-1,5 Ni.

Таблица 1.6

Механические свойства сплавов АК

Марка сплава	Термическая обработка	уА, МПа	%
АК1	Закалка + естественное старение
АК6	Закалка + искусственное старение
АК8	то же

Несколько худшие свойства этих сплавов, чем у дюралюминия, являются следствием более мелкозернистой структуры дюралюминия в листах, в трубах, профилях и тому подобных полуфабрикатах, чем в поковках. При термической обработке поведение этих сплавов почти как у дюралюминия, о чем отмечалось раньше.

Более грубая структура второй фазы у сплавов АК требует больших выдержек при температурах закалки. Лучшие свойства у них получаются обычно после искусственного старения.

 

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: