Сплавы на основе алюминия и их термическая обработка

Цель работы: изучение сплавов на основе алюминия, их классификация, структура, термообработка и влияние ее на свойства.

Теоретическая часть

Общие сведения

Алюминий имеет температуру плавления 660 ^оС, плотность 2, 7 г/см³, твердость НВ 200 МПа, прочность 100 МПа, относительное удлинение d=40 %, высокую тепло- и электропроводность.

Применяется алюминий в основном в виде сплавов. Технически чистый алюминий имеет от 0, 5 до 2 % различных примесей (постоянными являются Fe и Si), микроструктура его имеет вид крупных зерен с наличием примесей в виде темных включений или эвтектики.

Алюминиевые сплавы обозначаются буквой А. Затем следуют цифры, показывающие степень чистоты алюминия. Для чистого алюминия, например, марки А0000 – алюминий высокой чистоты, сумма примесей – 0, 004 %; А1 – сумма примесей – 0, 5 %.

Алюминиевые сплавы применяются как в деформированном, так и в литом состоянии. У деформируемых сплавов после буквы А ставится К или Д, у литейных – Л, а затем условный номер сплава.

Классификация алюминиевых сплавов

Деформируемые сплавы разделяются на неупрочняемые и упрочняемые термообработкой.

К неупрочняемым термообработкой относятся сплавы алюминия с марганцем (0, 3 – 1, 6 %) и магнием (1, 8 – 6, 8 %) типа АМн, АМг2, АМг3.

К сплавам, упрочняемым термообработкой, относятся дюралимины (Д1, Д16), ковочные (АК), высокопрочные (В95) и др.

Основой наиболее распространенных сплавов типа дюралиминов является тройная система из алюминия (основа), меди 3, 8 – 5, 2 % и магния 0, 4 – 1, 8 %.

Кроме этих элементов, вводится марганец для повышения коррозийной стойкости. В качестве постоянных примесей присутствуют кремний и железо.

Прокатанный и отожженный дюралимин имеет относительно невысокие механические свойства: s_в = 200–250 МПа; d = 20 % и НВ = 500 МПа. Структура его состоит из алюминиевого твердого раствора, светлых выделений CuAl₂, фазы S (CuMgAl₂) и темных нерастворимых железистых и марганцовистых соединений.

После термической обработки, которая заключается в закалке и старении, структура изменяется, и за счет этого можно получить более высокую прочность.

Термическая обработка дюралюминов

В соответствии с диаграммой Al–Cu при температуре 500 ^оС в алюминии растворяется 5, 7 % Cu, а при комнатной температуре только 0, 2 % (рис.15.1).

Рис. 15.1. Диаграмма состояния Al–Cu

Закалка дюралимина производится при температуре 500 ^оС в воде с целью перевода CuAl₂ и S -фазы в твердый раствор.

При этом механические свойства сплава почти не изменяются. Изменение свойств наблюдается при старении. С течением времени в этом перенасыщенном и неустойчивом твердом растворе за счет диффузии протекают процессы, сопровождающиеся образованием в кристаллической решетке твердого раствора особых зон Гинье – Престона (ГП), обогащенных атомами меди. Старение идет в несколько стадий. Вначале образуются зоны ГП, затем наблюдается их увеличение в размерах и только после этого из твердого раствора начинается выделение новой фазы. Все эти процессы создают большие внутренние напряжения в кристалле, что и приводит к значительному упрочнению сплава. Этот процесс, который проходит при обычной (комнатной) температуре, называют естественным старением. Он обычно продолжается 4 – 7 суток (рис. 15.2).

Рис. 15.1. Изменение прочности дюралюмина при естественном старении

Начальный период старения, в котором свойства практически не меняются, называют инкубационным. Инкубационный период имеет весьма важное технологическое значение, так как в этот момент закаленный сплав обладает высокой способностью к пластической деформации и детали можно подвергать таким операциям, как расклепка заклепок, гибка, отбортовка.

Для ускорения применяют искусственное старение, для чего сплав после закалки подогревают до 100 – 170 ^оС, и в итоге прочность дюралимина возрастает до 480 МПа, НВ – до 1200 МПа, относительное удлинение d = 20 %.

Благодаря высокой пластичности дюралимин можно обрабатывать давлением в холодном состоянии. После холодной прокатки в результате наклепа происходит дальнейшее упрочнение сплава до 600 МПа, НВ 1600, но пластичность при этом падает до 4 – 6 %.

Литейные алюминиевые сплавы

В качестве литейных алюминиевых сплавов широко применяются силумины – сплавы алюминия с 12 – 13 % кремния. Они обладают хорошими литейными свойствами и имеют небольшую усадку. В твердом состоянии алюминий и кремний почти нерастворимы и образуют эвтектику (11, 6 % Si) (рис. 15.3).

Рис. 15.3. Диаграмма состояния Al-Si	а)

б)

	Рис. 15.4. Микроструктура силумина (´ 250): а) до модифицирования; б) после модифицирования

При обычном способе литья эвтектика силуминов имеет грубое строение. Кремний в ней находится в виде крупных игл (рис.15.4, а).

Для измельчения кристаллов кремния и повышения свойств силумины подвергают модифицированию, т.е. перед разливкой вводят в жидкий сплав небольшое количество натрия (0, 1%) или 1– 3 % смеси его солей (2/3 NaF + 1/3 NaCl), после чего эвтектика становится мелкозернистой (рис.15.4, б).

Кроме того, заэвтектический сплав с 12 – 14 % Si становится по структуре доэвтектическим (т.е. происходит сдвиг эвтектической точки вправо).

Дальнейшее повышение свойств литейных сплавов достигается присадкой Mg, Cu, Zn и термической обработкой (закалка и старение).

⇐ Предыдущая 11 12 13 14 15 16 171819 20 Следующая ⇒