Термическая обработка алюминиевых сплавов

Классификация алюминиевых сплавов

Алюминий

Алюминий - металл серебристо-белого цвета. Температура плавления алюминия 660⁰С. Алюминий имеет ГЦК- решетку с периодами a = 0,4041 нм. Наиболее важной особенностью алюминия является плотность- 2,7 г/см³ против 7,8 г/см³ для железа и 8,94 г/ см³ для меди. Алюминий обладает высокой электрической проводимостью, составляющей 65 % проводимости меди.
Технический алюминий маркируется А85, А8, А7...А0 (99,0% Аl). В качестве примесей присутствуют Fe, Si, Cu, Mn, Zn. Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью, вследствие образования тонкой прочной пленки Al₂O₃. Чем чище алюминий, тем выше коррозионная стойкость.

Таблица 49

Механические свойства отожженного алюминия высокой чистоты
и технического алюминия

sB, МПа	s0,2, МПа	d,%	y,%
Механические свойства отожженного алюминия высокой частоты
		-
Механические свойства технического алюминия (АДМ)
			-

Модуль нормальной упругости 71000 МПа. Холодная пластическая деформация повышает предел прочности технического алюминия до 150 МПа, но относительное удлинение снижается до 6%. Алюминий легко обрабатывается давлением, но обработка резанием затруднена, сваривается всеми видами сварки. Технический алюминий ввиду низкой прочности применяют для изготовления конструкций и деталей не несущих нагрузки, когда требуется высокая пластичность, хорошая свариваемость, сопротивление коррозии и высокие теплопроводность и электрическая проводимость. Так, например, из технического алюминия изготавливают различные трубопроводы, палубные надстройки морских и речных судов, кабели, электропровода, шины, конденсаторы, корпуса часов, фольгу, витражи, перегородки в комнатах, двери, рамы, посуду, цистерны для молока. Алюминий высокой чистоты предназначается для фольги, токопроводящих кабельных изделий. Более широко используют сплавы алюминия.

Наибольшее распространение получили сплавы Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si, Al-Mg-Si, а также Al-Zn-Mg-Cu (рис. 74).
Таблица 50

Химический состав (по легированным элементам) и типичные механические свойства
некоторых деформируемых алюминиевых сплавов после закалки и старения

Сплав^1	Содержание элементов, %	Механические свойства^3
Cu	Mg	Mn	Si	Другие элементы	s0,2	sв	s-1	d,%
МПа
Дуралюмины
Д1	3,8-4,8	0,4- 0,8	0,4- 0,8	-	-			-
Д16	3,8-4,9	1,2- 1,9	0,3- 0,9	-	-
Сплав авиаль
АВ^2	0,1-0,5	0,45- 0,9	0,15- 0,35	0,5- 1,2	-	200 (300)	260 (380)	-	15 (12)
Высокопрочный алюминиевый сплав
В95	1,4-2,0	1,8- 2,8	0,2-0,6	-	5-7 Zn 0,1 - 0,25 Cr	530-550	560-600
Ковочные алюминиевые сплавы
АК6	1,8- 2,6	0,4- 0,8	0,4- 0,8	0,7- 1,2	-			-
АК8	3,9- 4,8	0,4- 0,8	0,4- 1,0	0,6- 1,2	-			-
Жаропрочные алюминиевые сплавы
АК4-1	1,9- 2,5	1,4- 1,8-		0,35	0,8-1,4 Fe 0,8-1,4 Ni 0,02-0,1 Ti			-
Д20	6-7	-	0,4-0,8	-	0,1-0,2 Ti			-
^1 Буква "Д" обозначает сплав типа дуралюмин, буква "А" в начале марки - технический алюминий. (АД, АД1); "АК" - алюминиевый ковочный сплав. Нередко в начале марки ставится буква "В" - высокопрочный. После условного номера часто следуют обозначения, характеризующие состояние сплава: "М" - мягкий (отожженный), "Т" - термически обработанный (закалка и естественное старение); "Н" - нагартованный, "П" -полу нагартованный. ^2Механические свойства даны для прессованных прутков и профилей после закалки и старения. Листы имеют более низкие механические свойства. ^3Мехнические свойства даны после закалки и естественного старения, в скобках - после закалки и искусственного старения.

Все сплавы алюминия можно разделить на деформируемые, предназначенные для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей, труб и т.л.), а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования ковки и штамповки и литейные, предназначенные для фасонного литья.
Деформируемые сплавы по способности упрочняться термической обработкой подразделяют на сплавы, не упрочняемые термической обработкой, и сплавы, упрочняемой термической обработкой.
Таблица 51

Химический состав (по легированным элементам) и типичные механические свойства
сплавов алюминия, не упрочняемые термической обработкой

Сплав^1	Содержание элементов, %	Механические свойства^2
Mn	Mg	sв, МПа	s0,2, МПа	d,%
АМц	1,0-1,6	-	130 (170)	50 (130)	23 (10)
АМг2	0,2-0,6	1,8-2,8	200 (250)	100 (200)	23 (10)
АМг3	0,3-0,6	3,2-3,8
АМг5	0,3-0,6	4,8-5,8
АМг6	0,5-0,8	5,8-6,8	130 (170)	170 (300)	18 (10)

¹ Сплав АМг3 содержит 0,50),8 % Si, улучшающего свариваемость, сплавы АМг5,АМг6 нередко легируют 0,02 Ti и 0,0002- 0,005 % Be, уменьшающими склонность к коррозии под напряжением. ² Без скобок приведены свойства сплавов в отожженном состоянии, в скобках - в полунагартованном состоянии.

Сплавы алюминия, обладая хорошей технологичностью во всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкости нашли широкое применение в авиации, судостроении, автостроении, строительстве и других отраслях народного хозяйства.

Для упрочнения алюминиевый сплавов применяют закалку и старение, а для устранение неравновесных структур и деформационных дефектов строения, снижающих пластичность сплава - отжиг.
Закалка алюминиевых сплавов. Закалка заключается в нагреве сплавов до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы полностью или большей частью растворяются в алюминии, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до нормальных температуры для получения перенасыщенного твердого раствора. Например, температура закалки сплавов системы Al-Cu (рис. 75), определяется линией абс, проходящей выше линии предельной растворимости для сплавов, содержащих меньше 5,7 % Cu, и ниже эвтектической линии (548⁰С) для сплавов, содержащих большее количество меди.
Основной особенностью алюминиевых сплавов является малый интервал температур нагрева под закалку. Температура нагрева для сплавов Д16 - 485-505⁰С, сплавы В95 - 465-475⁰С и АК6 - 515-525⁰С. Более высокие температуры вызывают пережог (оплавление по границам зерен), что приводит к образованию трещин, пузырей на поверхности полуфабрикатов, снижается сопротивление коррозии, механические свойства и сопротивление хрупкому разрушению. Выдержка должна быть минимальной, обеспечивающей растворение избыточных фаз в твердом растворе.
Охлаждение при закалке должно быть со скоростью выше критической. Под критической скоростью закалки понимают минимальную скорость охлаждения, которая предотвращает распад перенасыщенного твердого раствора, что снижает механические свойства и коррозионную стойкость. Чаще для закалки применяют воду (t = 10-40⁰С). Во избежании частичного распада твердого раствора время переноса нагретого полуфабриката из печи в закалочный бак не должно превышать 15-30 с. Прокаливаемость алюминиевых сплавов составляет d_к = 120-150 мм. (d_к - критический диаметр)
Старение закаленных сплавов. После закалки следует старение, при котором сплав выдерживают при нормальной температуре несколько суток (естественное старение) или в течение 10- 24 ч при повышенной температуре 150-200⁰С (искусственное старение). Старение сопровождается распадом перенасыщенного твердого раствора с выделение зон Гинье-Престона. Если сплав после естественного старения кратковременно (несколько секунд или минут) нагреть до 240-280⁰С и затем быстро охладить, то упрочнение полностью снимается, и свойства сплава будут соответствовать свежезакаленному состоянию. Это явление получила название возврат. Однако после возврата и последующего старения ухудшают коррозионные свойства сплава, что затрудняют использовать возврат для практических целей. Для стареющих алюминиевых сплавов разных составов существует свои температурно-временные области зонного (образование зон ГП-1 и ГП-2) и фазового (q¢ - и q - фазового) старения.
После зонного старения сплавы чаще имеют повышенный предел текучести и относительно невысокое отношение s_0,2/s_B £ 0,6-0,7, повышенную пластичность, хорошую коррозионную стойкость и низкую чувствительность к хрупкому разрушению (высокое значение К_с1).
После фазового старения отношение s_0,2/s_B повышается до 0,9-0,95, а пластичность, вязкость, сопротивление хрупкому разрушению и коррозии под напряжением снижаются.
Структурное упрочнение. Температура рекристаллизации некоторых сплавов алюминия с марганцем, хромом, никелем, цирконием, титаном и другими переходными металлами превышает обычно назначаемую температуру нагрева под деформацию или закалку, поэтому после закалки и старения таких сплавов в них сохраняется нерекристаллизованная (полигонизованная)) структура с высокой плотностью дислокаций, что повышает ее прочность по сравнению с рекристаллизованной структурой. Это явление получило название структурного упрочнения, в результате чего прочностные характеристики повышаются на 30-40 %. Наиболее сильное структурное упрочнение проявляется в прессованных полуфабрикатах (прутки, профили, трубы), поэтому это явление применительно к ним называют пресс эффектом.
Диффузионный отжиг (гомогенизация). Этому виду отжига подвергаются слитки перед обработкой давлением для устранения дендритной ликвации, которая приводит к получению неоднородного твердого раствора и выделению по границам зерен и между ветвями дендритов хрупких неравновесных эвтектических включений. В результате чего состав кристаллитов твердого раствора выравнивается, а интерметаллиды растворяются и при охлаждении выделяются виде мелких вторичных включений. Гомогенизация способствует получению мелкозернистой структуры в отожженных листах и уменьшает склонность коррозии под напряжением. В результате пластичность литого сплава повышается что улучшает обработку. Температура гомогенизации лежит в пределах 450-520⁰С, а выдержка составляет 4 - 40 ч. Охлаждение проводят на воздухе или вместе с печью.
Рекристаллизационный отжиг. Такой отжиг заключается в нагреве деформированного сплава до температур выше температуры окончания первичной рекристаллизации; применяется для снятия наклепа и получения мелкого зерна. температура рекристаллизации отжига в зависимости от состава сплава колеблется от 350 до 500⁰С, выдержка 1-2 ч. После рекристаллизационого отжига сплавов, не упрочняемых термической обработкой, скорость охлаждения выбирается произвольно. Для сплавов, упрочняемых термической обработкой, скорость охлаждения до 200- 250⁰С должна быть 30⁰С/ч. Отжиг в качестве промежуточной операции применяют при холодной деформации или между горячей и холодной деформациями.
Отжиг для разупрочнения сплавов, прошедших закалку и старение. Этот вид отжига проводят при 360-450⁰С с выдержкой 1 - 2 ч. при этих температурах происходит полный распад пересыщенного твердого раствора и коагуляция упрочняющих фаз. Скорость охлаждения не должна превышать 30⁰С/ч. После отжига сплав имеет низкое временное сопротивление, удовлетворительную пластичность и высокую сопротивляемость коррозии под напряжением.

Дата добавления: 2014-01-07