Деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой

К таким сплавам относятся дуралюмины (сложные сплавы систем алюминий–медь–магний или алюминий–медь–магний–цинк). Они имеют пониженную коррозионную стойкость, для повышения которой вводится марганец.

Дюралюмины обычно подвергаются закалке с температуры 500^oС и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период. Максимальная прочность достигается через 4…5 суток. Ускорить процесс упрочнения можно за счет искусственного старения.

Широкое применение дюралюмины находят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве.

Наличие в дуралюминах меди, магния, марганца и примесей (десятые доли процента) кремния и железа приводит к образованию ряда растворимых при нагреве (упрочняющих) фаз - СиА1₂, Mg₂Si, Al₂CuMg (так называемая фаза S) и практически не растворимых, например Al₆(Mn,Fe), AlFeSiMn.

Дюралюмины, применяемые в промышленности, можно разделить на четыре подгруппы:

1) классический дюралюмин Д1;

2) дюралюмин повышенной прочности с более высоким содержанием магния;

3)дюралюмины повышенной жаропрочности Д19, ВАД1, ВД17;

4) дюралюмины повышенной пластичности Д18, В65.

Важная особенность сплава ВАД1 по сравнению с другими дюралюминами – его хорошая свариваемость не только точечной, но аргоно-дуговой сваркой.

Микроструктура дуралюмина после отжига состоит из твердого а-раствора и включений различных фаз. При нагреве приблизительно до 500°С упрочняющие фазы растворяются в α-растворе, а быстрое охлаждение в воде (закалка) позволяет зафиксировать пересыщенный твердый раствор. Микроструктура дуралюмина после закалки состоит из зерен пересыщенного твердого α-раствора и включений, не растворимых в твердом растворе (железистых и марганцовистых соединений). После искусственного старения по границам и внутри зерен α-твердого раствора выделяются включения СuА1₂ и фазы S.

В закаленном состоянии дуралюмины пластичны и легко деформируются. После закалки и естественного или искусственного старения прочность дуралюмина резко повышается. Максимум прочности получается после естественного старения. При искусственном старении сплав упрочняется тем быстрее, чем выше температура старения, но максимум прочности при этом получается более низким.

Период, при котором после закалки дуралюмина упрочнение не наступает, сравнительно невелик и оставляет 1-6 ч. В это время и должны проделываться все операции холодной деформации (штамповка, высадка, расклепка и т. п.)

Особенностью термической обработки дуралюминов является узкий интервал температуры нагрева под закалку- (+/- 5°C), (например, для дуралюминов Д16, Д18, ВД17 - 495-505°С, для дуралюмина Д1 - 500-510°С, для дуралюмина В65 – (515- 525°С). Указанные температуры нагрева необходимо строго соблюдать при закалке дуралюминов, так как нагрев до температур выше или ниже рекомендованного интервала приводит к значительному снижению прочности и пластичности.

Снижение механических свойств дуралюмина при нагреве до температуры выше допустимых пределов связано с оплавлением эвтектики, сопровождающимся окислением металла по границам зерен, т. е. происходит пережог. При нагреве до температуры ниже допустимых пределов не произойдет максимального растворения упрочняющих фаз.

Вследствие узкого предела допустимых температур нагрева дуралюминов под закалку применяемые печи должны обеспечивать равномерность нагрева и перепад температур, не превышающий интервала температур закалки. Этим требованиям удовлетворяют соляные (селитровые) ванны и электрические печи с принудительной циркуляцией воздуха.

Нагретые алюминиевые сплавы (после выдержки при температуре закалки) охлаждают в холодной воде с температурой не выше 30-40°С с быстрым переносом деталей из печи (ванны) в закалочный бак. Такие условия охлаждения необходимы для того, чтобы зафиксировать в сплаве твердый раствор и получить в дальнейшем (при старении) необходимое упрочнение, а также для предотвращения межкристаллитной коррозии, склонность к которой повышается даже при незначительном распаде твердого раствора с выделением избыточных фаз по границам зерен.

Высокопрочными являются сплавы, которые кроме меди и магния содержат цинк. Сплавы В95, В96 имеют предел прочности 540 - 650МПа. Термообработка включает в себя закалку с температуры 460-470⁰С и искусственному старению при 140-160⁰С. Максимальная прочность таких сплавов сочетается с минимальной пластичностью, поэтому для повышения конструкционной прочности применяют перестаривание при повышенных температурах по режимам Т2 или Т3. Основной потребитель высокопрочных сплавов – авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).

Ковочные алюминиевые сплавы АК6-АК8 на основе системы Al-Mg-Si-Cu применяются для изготовления поковок. По своему составу они близки к дюралюминам с добавками кремния. Поковки изготавливаются при температуре 380…450⁰С, подвергаются закалке от температуры 500…560⁰С и старению при 150…165⁰С в течение 6…15 часов. Сплав АК4-1 дополнительно содержит добавки железа, титана и никеля, которые образуют упрочняющие фазы, которые повышают температуру рекристаллизации и рабочую температуру. Поэтому этот сплав относится к жаропрочным способным работать при нагреве до 250-300⁰С. Этот сплав используют для изготовления поршней, лопаток и дисков осевых компрессоров турбореактивных двигателей.

Применение в качестве легирующего элемента лития позволило создать новую группу сплавов отличающихся меньшей плотностью (2,5г/см³ ) и повышенным модулем упругости по сравнению с дюралюминами. Сплав 1420 содержит 5,5%Mg и 2,1%Li. После закалки и старения он не уступает сплаву Д16 по пределу прочности, превосходя его по пластичности. Замена сплава Д16 на 1420 в узлах самолета позволяет получить экономию в массе конструкции до 10%. Сплав на основе системы Al-Cu-Li (1450) один из наиболее прочных. По комплексу статической и динамической прочности он не уступает сплаву В95, имея при этом более низкую плотность и более высокий модуль упругости.