Выбор алюминиевых сплавов при конструировании деталей машин (марки, обозначения, механические характеристики, сортамент).

3.1 Классификация алюминиевых сплавов.

3.1.1 Алюминиевые сплавы подразделяются на две большие группы:

1) литейные (АК7, АК5М2, АК12М2 и др.), не подвергающиеся после отливки пластическому деформированию (за исключением тех, которые подвергаются деформированию в условиях всестороннего неравномерного сжатия);

2) деформируемые полуфабрикаты, из которых получают из слитка, прессованием, прокаткой, ковкой, штамповкой или другими видами обработки давлением. В настоящих методических указаниях приводятся данные, которые относятся в основном к деформируемым алюминиевым сплавам, отличающимся большим разнообразием прочностных, пластических, коррозионных и декоративных характеристик.

Наиболее важными признаками классификации алюминиевых сплавов является химический состав и определяемый составом и условиями термической обработки уровень механических свойств полуфабрикатов (см. приложение № 1) [5].

Высокими пластическими, технологическими свойствами, коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью обладают технический алюминий и термически неупрочняемые сплавы алюминия с марганцем и магнием (АД00, АД0, АМц, АМг и др.) Высокой технологичностью при обработке давлением обладают сплавы системы Al-Mg-Si. Это сплавы марки АД31, АДЗЗ, АД35. Сплавы хорошо поддаются прессованию при больших скоростях деформирования, а также штамповке в холодном и горячем состоянии. Из них получают профили и поковки различной конфигурации. Они хорошо подвергаются цветному анодированию. Однако, сплавы типа АД31 имеют не высокие прочностные характеристики (см. приложение № 1). На рис. 3 представлены детали пневмоаппаратуры ( 40 - 65), полученные холодной объемной штамповкой на прессе К0032 (160 тс) из сплава АДЗ1. Сплавы системы Al-Zn-Mg также обладают высокой технологичностью. Так, например, из сплава типа 1925 изготавливают детали прессформ.

Сплавы системы Al-Cu-Mg имеют широкий интервал прочностных свойств (Д1, Д16, В65 и др.) обладают низкой технологичностью при литье и обработке давлением. Сплавы относятся к категории несвариваемых плавлением из-за высокой склонности к образованию кристаллизационных трещин.

Сплавы системы Al-Cu-Mg-Fe-Ni-Si применяются для изготовления изделий, работающих при повышенных температурах (до 250°С). Они имеют хорошие технологические свойства при литье и обработке давлением.

На рис. 4 представлены чертежи отливки (а) и поковка (б), изготовленные литьем (Аl2) и штамповкой из сплава АК4. Штамповка взамен кокильного литья сокращает расход металла в 2 раза. При этом нет необходимости в латунном вкладыше для нарезания резьбы.

Рис. 3. Детали пневмоаппаратуры, полученные холодной
объемной штамповкой из сплава АД31.

Рис. 4. Чертежи отливки (а) из сплава Al2 и поковки (б), полученной
изотермической штамповкой выдавливанием из сплава АК4.

Сплавы системы Al-Cu-Mn обладают хорошей технологичностью при литье и обработке давлением, отличаются высокими механическими характеристиками при температурах до 250°С, хорошо свариваются всеми видами сварки. Они применяются в условиях криогенных температур, коррозионная стойкость их низкая из-за высокого содержания меди. Коррозионную стойкость можно повысить у этих сплавов (Д20, Д21, и др.) микродуговым оксидированием (см. приложение № 2) [6].

Сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu наиболее высокопрочные. Так, например, у сплава В96цТ1, σ _в = 650 Mпa (HB-145). Они имеют низкую штампуемость. Длительная эксплуатация возможна при температурах не выше 100-120°С. На рис. 5 представлена поковка корпуса с внутренним шпангоутом из сплава В96цЗ, у которой σ _в=585н-600 МПа.

2.1 Новые деформируемые термически неупрочняемые сплавы на основе системы
Al-Mg-Sc марок 01515. 01523. 01535. 01545, 01570. 01571.

Новые сплавы на основе системы Al-Mg-Sc имеют те же основные достоинства, что и традиционные сплавы системы Al-Mg:

- хорошую свариваемость;

- высокую коррозионную стойкость;

- высокую технологичность в металлургическом и машиностроительном производствах;

- полуфабрикаты и готовые детали из них не требуют упрочняющей термической обработки.

При одном и том же содержании магния (1-6, 8%) сплавы на основе системы Al-Mg-Sc по прочностным характеристикам, особенно по пределу текучести, в 1, 5-2 раза превосходят традиционные алюминиево-магниевые сплавы при удовлетворительной пластичности (см. таблицу № 1, приложение № 2).

2.1.1 Области применения сплавов системы Al-Mg-Sc:

- сварные корпуса космических летательных аппаратов (01570);

- сварные корпуса легких скоростных судов (01570);

- детали сложной формы, получаемые сверхпластической формовкой (01570, 01571);

- элементы шасси легкового автомобиля (01535, 01545);

- криогенные сварные конструкции, в том числе эксплуатируемые при

- температуре жидкого водорода (01535, 01545);

- сварные конструкции, работающие в агрессивных средах, в том числе резервуары и трубопроводы для хранения и перекачки сырой нефти с повышенным содержанием сероводорода (01535, 01523);

- радиационно стойкие сварные конструкции (01523);

- теплообменники (01515).

Применение сплавов системы Al-Mg-Sc взамен традиционных сплавов системы Al-Mg позволяет снизить массу и металлоемкость конструкций на 20-30%. В ряде конструкций сплавы системы Al-Mg-Sc могут использоваться взамен термически упрочняемых алюминиевых сплавов (Д16, 1201 и др.). В этом случае эффект достигается за счет исключения операций закалки и старения.

Рис. 5. Поковка корпуса с внутренним шпангоутом из сплава В96цЗ.

Особую группу составляют высококремнистые сплавы системы Al-Si-Mg и Al-Si-Cu-Mg (А356, А357, С355, А319, А390), поставляемые в виде слитков для тиксотропной штамповки. Из этих сплавов изготавливают поковки тормозных цилиндров и других деталей сложной формы в автомобиле- и тракторостороении

Механические свойства зависят от химического состава, технологии изготовления (модифицирования, способа литья и др.) и термической обработки. В двойных силуминах с увеличением содержания кремния до эвтектического состава снижается пластичность и повышается прочность. Появление в структуре сплавов крупных кристаллов первичного кремния вызывает снижение прочности и пластичности. Несмотря на увеличение растворимости кремния в алюминии от 0, 05% при 200º С до 1, 65% при эвтектической температуре, двойные сплавы не упрочняются термической обработкой. Это объясняется высокой скоростью распада твердого раствора, который частично происходит уже при закалке, а также большой склонностью к коагуляции стабильных выделений кремния. Единственным способом повышения механических свойств этих сплавов является измельчение структуры путем модифицирования.

Силумины обычно модифицируют натрием, который в виде хлористых и фтористых солей вводят в жидкий сплав в количестве 2-3% от массы сплава. Помимо модифицирующего действия натрий сдвигает эвтектическую точку в системе Аl-Si в сторону большого содержания кремния. Благодаря этому эвтектический по составу сплав (АЛ2) становится доэвтектическим. В его структуре помимо мелко кристаллической эвтектики появляются первичные кристаллы мягкой пластической фазы – твердого раствора. Все это приводит увеличению пластичности и прочности. Модифицируют как двойные, так и легированные силумины, содержащие более 5-6% Si. Для легирования силуминов часто используют Mg, Cu, Mn, Ti; реже – Ni, Zr, Cr и др. Растворяясь в алюминии, они повышают прочность и твердость силуминов. Кроме того, медь улучшает обрабатываемость резанием, титан оказывает модифицирующее действие. Медь и магний, обладая переменной растворимостью в алюминии, способствуют упрочнению силуминов при термической обработке, как правило, состоящей из закалки и искусственного старения. Температура закалки различных силуминов находится пределах 515 535 оС, температура старения – в интервале 150-180 оС. Грубо-кристаллическая структура литейных сплавов требует больших выдержек при нагреве под закалку (5-10 ч) и при старении (10-20 ч). Переходные металлы, например, Mn, Ti, Zr, способствуют получению пересыщенных твердых растворов при кристаллизации в условиях больших скоростей охлаждения, что вызывает некоторое упрочнение сплавов при старении без предварительной закалки.

4. классификация методов получения заготовок:

Отливки из алюминиевых сплавов преимущественно изготовляют литьем в кокиль, под давлением и литьем в песчаные формы. Подробнее данные методы получения заготовок рассмотрены ниже.

Мировое производство отливок из алюминиевых сплавов достигло более 16, 0 млн. т/год, в том числе из вторичных сплавов около 12, 0 млн. тонн. В Украине насчитывается более 180 цехов, участков для производства отливок из алюминиевых сплавов общей мощностью около 100, 0 тыс. т/год. Из этого количества только восемь цехов имеют мощность до 15 тыс. т/год. Понятие алюминиевые сплавы из первичных металлов и вторичные алюминиевые сплавы условно, если они по физическим, механическим и эксплуатационным свойствам отвечают требованиям машиностроителей.

Трудно утверждать, что литейные сплавы, полученные из первичных металлов, одинаковые по химическому составу с аналогичными сплавами из вторичного сырья и обладают одинаковыми механическими свойствами. Скорее всего, отливки из сплавов первичных металлов будут иметь более высокие показатели относительного удлинения (примерно в 2, 5 раза) чем из вторичных сплавов, так как в последних присутствует большое количество микропримесей металлов. Однако, для многих отливок из алюминиевых сплавов, получаемых на машинах литья под давлением вполне достаточно иметь относительное удлинение ( %) 1%, а не 2, 5%, как при использовании первичных алюминиевых сплавов.