Классификация алюминиевых сплавов

Лекция 20

Металлы с малой плотностью

Алюминий и его сплавы

Алюминий и алюминиевые сплавы — первые конструкционные металлы, которые были использованы в самолетостроении. Свое значение в самолетостроении алюминий сохраняет и в наше время, занимая первое место среди металлов: до 3/4 массы современных самолетов изготовляют из алюминия.

Практически нет ни одной отрасли машиностроения, в которой бы не использовали в той или иной мере алюминиевые сплавы. Их применяют в строительных конструкциях, судостроении, железнодорожном и автомобильном транспорте, летательных аппаратах, нефтяном и химическом машиностроении, электротехнике и т.д.

Из всех легких металлов алюминий характеризуется наибольшим объемом производства, занимающим в мировой промышленности второе место после производства стали.

Алюминий кристаллизуется в гранецентрированной решетке, не имеет полиморфных превращений, обладает малой, плотностью (2, 7 г/см), низкой температурой плавления (660⁰С), высокой электро- и теплопроводностью, низкой прочностью (σ _В = 100 МПа) и высокой пластичностью (δ = 35 %), а также высокой коррозионной стойкостью. Хорошая коррозионная стойкость алюминия обусловлена образованием на его поверхности тонкой, но плотной пленки оксида А1₂О₃, предохраняющей его от дальнейшего окисления. Удельный объем оксида и металла близки между собой. Поэтому оксидная пленка обладает хорошим сцеплением с металлом и малопроницаема для всех газов. Благодаря защитному действию пленки алюминий имеет высокую коррозионную стойкость в атмосфере и в среде многих органических кислот. В едких щелочах алюминий быстро растворяется. Чем меньше примесей содержит алюминий, тем выше его коррозионная стойкость.

Алюминий высокой чистоты, применяемый для лабораторных целей, содержит 99, 99 % Al, для технических целей — 99, 50 % Al. Алюминий хорошо деформируется и сваривается, но плохо обрабатывается резанием. Из него прокаткой можно получать тонкую фольгу, применяемую в качестве оберточного материала.

Классификация алюминиевых сплавов

Из-за низкой прочности технический алюминий применяется только для изготовления малонагруженных элементов конструкций. Широкое применение в качестве конструкционных материалов находят сплавы на основе алюминия.

Основными легирующими элементами в алюминиевых сплавах являются Cu, Zn, Mg, Mn и др. Основная их масса образует с алюминием твердые растворы ограниченной переменной растворимости и промежуточные интерметаллидные фазы типа CuAl₂, MnAl₆, Mg₂Al₃ (рис.20.1)

Рис. 20.1. Типовая диаграмма состояния сплавов Al — легирующий элемент (схема):

Д — деформируемые сплавы; Л — литейные сплавы; 1 — сплавы, не упрочняемые термической обработкой; П— сплавы, упрочняемые термической обработкой

Это дает возможность подвергать сплавы упрочняющей термической обработке. Она состоит из закалки на перенасыщенный твердый раствор легирующего элемента в алюминии и естественного или искуственного старения, в результате которого происходит распад твердого раствора с образованием тонкодисперсных частиц интерметаллидных фаз, упрочняющих сплавы.

Алюминиевые сплавы по технологическим свойствам подразделяются на применяемые в деформированном виде (прессованном, катаном, кованом) и в литом. Границу между сплавами этих двух групп определяет предел насыщения твердого раствора при эвтектической температуре (точка К).

Сплавы левее точки К имеют при нагреве однофазную структуру α -твердого раствора и обладают наибольшей пластичностью и наименьшей прочностью при высокой температуре, следовательно, хорошо подвергаются горячей обработке давлением. Поэтому сплавы этого типа относятся к категории деформируемых сплавов. В свою очередь деформируемые сплавы бывают двух типов: I — не упрочняемые термической обработкой, содержание легирующих элементов в которых меньше предела насьпцения твердого раствора при комнатной температуре и II — упрочняемые термической обработкой. В последних содержание легирующих элементов превышает их равновесную концентрацию.

Сплавы, по содержанию легирующего элемента находящиеся правее точки К, имеют структуру, состоящую из α -твердого раствора и эвтектики. Наличие эвтектической структуры резко уменьшает пластичность, способность прессоваться, прокатываться, коваться, но обеспечивает сплавам хорошие литейные свойства. Наилучшую жидкотекучесть имеют сплавы эвтектического состава, кристаллизующиеся при постоянной температуре. Размеры и распределение литейных пор зависят от температурного интервала кристаллизации. При большом интервале литейные поры, как правило, мелки и распределены по всему сечению отливки. Плотность отливки будет мала, но по этой же причине небольшой будет и литейная усадка. При температурном интервале кристаллизации равном нулю, что имеет место в случае эвтектики, образуется концентрированная усадочная раковина и соответветствующим изготовлением литников ее можно вывести в прибыль и таким образом получить отливку высокой плотности. Однако при чрезмерно большом количестве эвтектической составляющей (> 15 - 20% по объему) ухудшаются механические и некоторые технологические свойства сплава.

Постоянными примесями в алюминии являются железо и кремний. Обе примеси практически нерастворимы в алюминии. При одновременном их присутствии появляется новая фаза тройного химического соединения Al — Fe — Si, которая размещается в виде выделений по границам зерен и снижает пластичность металла. Поэтому предельное содержание примесей Fe и Si в деформируемых алюминиевых сплавах должно составлять не более 0, 5 %.

Алюминиевые сплавы маркируются буквами или условными номерами. Часто за условным номером дают обозначения, характеризующие состояние сплава: М — мягкий (отожженный); Т — термически обработанный (закалка и старение); Н — нагартованный и др.

Состав и свойства некоторых российских алюминиевых сплавов приведены в табл. 14.1.