Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой

Деформируемые термически упрочняемые сплавы более разнообразны по химическому и фазовому составам, чем термически неупрочняемые. По характерным свойствам эти сплавы делят на сплавы повышенной пластичности (на базе системы Al—Mg—Si); конструкционные сплавы (Al—Cu— Mg); ковочные сплавы (Al—Mg—Si—Cu); высокопрочные сплавы системы (А1— Zn—Mg—Cu, жаропрочные сплавы систем А1—Сu—Mg и А1— Cu—Mn.

Сплавы повышенной пластичности — авиали (АВ) обладают хорошей свариваемостью, высокой пластичностью, коррозионной стойкостью. Основная упрочняющая фаза — Mg₂Si. Закалку авиалей проводят при температурах 515—525°С, затем сплавы подвергают естественному или искусственному старению. Естественное старение в сплавах протекает замедленно и дает меньший эффект упрочнения, чем искусственное. Искусственное старение сплавов данной группы осуществляют при 160— 170°С в течение 12—15 ч.

Особенностью авиалей является их чувствительность к перерыву между закалкой и искусственным старением. Для получения максимальной прочности необходимо проводить искусственное старение сразу после закалки. Механические свойства прессованных профилей из сплава АВ в закаленном и искусственно состаренном состоянии: σ_в = 380 МПа, σ_0,2 = 250 МПа, δ = 14 %, а после естественного старения σ_в = 260 МПа, σ_0,2 = 200 МПа, δ = 20 %.

Из сплавов АВ, АД31 и других получают листы, трубы, прессованные профили и прочие полуфабрикаты, а также изготовляют лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери и т. д.

Конструкционные алюминиевые сплавы системы А1—Сu—Mg, называемые дуралюминами, — наиболее старые сплавы, нашедшие широкое применение в различных областях техники.

Структура дуралюминов состоит из твердого раствора α и упрочняющих фаз θ (СuА1₂) и S (Al₂CuMg).

В промышленных дуралюминах Д1 и Д16, приготовленных из технического алюминия, в результате взаимодействия атомов Fe, Si и Мn с основными элементами А1, Сu и Mg образуются интерметаллиды, содержащие Fe и Мn. Эти интерметаллидные фазы нерастворимы в алюминии, поэтому они не участвуют в термическом упрочнении. Они отрицательно влияют на технологическую пластичность и коррозионную стойкость дуралюминов.

В дуралюмине Д1 основной упрочняющей фазой является фаза θ (СиА1₂). В сплаве Д16,называемом супердуралюмином, содержится повышенное количество магния и упрочняющими фазами в нем являются θ (CuAl₂) и S (Al₂CuMg), что обеспечивает его более высокую прочность по сравнению со сплавом Д1.

Особенностью закалки дуралюминов является необходимость строгого соблюдения температурного режима: 505 ± 5°С (для Д1) и 500 ± 5 °С (для Д16 и Д18).

После закалки все дуралюмины упрочняются в процессе естественного или искусственного старения.

При естественном старении в структуре закаленного сплава изменений не наблюдается. На фазовой стадии искусственного старения появляются дисперсные частицы упрочняющих фаз, которые выделяются или по плоскостям скольжения или по границам полигонов.

Для каждой стадии свойств старения характерен определенный комплекс свойств сплава. На зонной стадии при максимальном упрочнении сплав обладает высокими коррозионной стойкостью, пластичностью и ударной вязкостью. Поэтому дуралюмины наиболее часто применяют после естественного старения в течение 4 — 10 суток.

При искусственном старении дуралюмины упрочняются тем быстрее, чем выше температура старения попытки повысить свойства дуралюминов в результате искусственного старения приводят к снижению пластичности. Поэтому искусственному старению (190°С, 8 - 12 ч) подвергают лишь детали, используемые для работы при повышенных температурах (до 200°С).

Дуралюмин Д16 имеет наиболее высокую прочность по сравнению с другими дуралюминами. Механические свойства прессованных полуфабрикатов из сплава Д16 после закалки и естественного старения следующие: σ_в=480 МПа, σ_0,2=320МПа, δ = 14%.

Дуралюмины широко применяют в авиации. Из сплава Д1 изготовляют лопасти воздушных винтов, из Д16 — обшивки, шпангоуты, лонжероны самолетов. Кроме того, их используют для строительных конструк­ций, кузовов грузовых автомобилей, труб и т. д.

Сплавы Д18 и B65 являются основными заклепочными алюминиевыми сплавами. Заклепки из сплава Д18 ставят в конструкцию после закалки и естественного старения. Сплав В65 имеет высокую технологичность, хорошо расклепывается после искусственного старения но режиму 75°С, 24 ч, после чего имеет такую же высокую прочность, как сплав Д16.

Ковочные сплавы А К относятся к системе А1 - Cu – Mg - Si. Они обладают хорошей пластичностью и стойки к образованию трещин при горячей пластической деформации.

Сплавы А К6 и АК8 по химическому составу близки к дуралюминам, отличаясь от них более высоким содержанием кремния.

Сплавы А К6 и АК8 применяют после закалки с 505 ± 5°С (АК8) и с 520 ± 5°С (АКб) и искусственного старения 160-170 °С, 12-15 ч (для обоих сплавов). После термической обработки поковки из сплава А К6 имеют следующие механические свойства: σ_в = 400МПа, δ =12 %, а из сплава АК8 σ_в = 480МПа, δ =9 %. Из сплава А К6 изготавливают штампованные и кованые детали сложной формы и средней прочности (подмоторные рамы, фитинги, крепеж), а из сплава АК8 — высоконагруженные штампованные детали (пояса лонжеронов, лопасти винтов, вертолетов, бандажи вагонов). Оба сплава имеют низкую коррозионную стойкость и нуждаются в защите.

Высокопрочные алюминиевые сплавы В95, В96 наряду с медью и магнием содержат значительное количество цинка. Повышенная прочность этих сплавов обусловлена присутствием в их структуре интерметаллидных фаз η(MgZn₂), T (Al₂Mg₃Zn₃), S (Al₂CuMg).

Сплавы В95 и В96 подвергают закалке с 460-470°С в холодной или подогретой до 80 - 100°С воде. Нагрев воды необходим для того, чтобы избежать растрескивания и коробления крупногабаритных полуфабрикатов. Последующее искусственное старение проводят при температурах 120 - 140 ^СС, в течение 24 — 16 ч (соответственно).

После такой термической обработки механические свойства сплава В95 составляют σ_в = 550-600 МПа; σ₀₂ = = 530-550 МПа; δ = 8 %, а сплава В96: σ_в = 700 МПа; σ₀₂= 650 МПа, δ = 7%. Недостатками этих сплавов являются пониженные пластичность, вязкость разруше­ния и коррозионная стойкость под напряжением. Для повышения этих характеристик сплавы подвергают двухступенчатому смягчающему старению.

Сплавы В95 и В96 применяют в самолетостроении для высоконагруженных конструкций, длительно работающих при температурах до 100 °С (шпангоуты, лонжероны, силовые каркасы).

Жаропрочные сплавы АК4-1 (система А1—Сu—Mg—Si с добавками Fe и Ni) и Д20 (система А1—Си—Мn с добавками Ti и Zr) имеют более сложный фазовый состав, чем другие алюминиевые сплавы и со­храняют высокие механические свойства при температурах порядка 200 - 300°С.

Сплав Д20 закаливают с 535° ± 5°С в воде и подвергают искусственному старению при 170 - 190 °С в течение 12 — 18 ч, после чего механические свойства полуфабрикатов из сплава Д20 составляют σ_в = 420 МПа; σ₀₂= 300 МПа; δ = 11 %.

В сплаве АК4-1 железо и никель создают нерастворимую фазу Al₉FeNi, не участвующую в процессе термической обработки. Основной упрочняющей фазой в сплаве АК4-1 является фаза S (Al₂CuMg).

Сплав АК4-1 подвергают закалке с 530 ± 5°С и искусственному старению при 190 - 200°С в течение 12 -24 ч. При температурах эксплуатации от 20 до 200°С сплав АК4-1 не имеет преимуществ перед дуралюмином Д16. Однако при температурах 250 — 300°С наряду со сплавом Д20 он является одним из наиболее прочных алюминиевых сплавов (σ_в = 300 - 180 МПа, σ₀₂ = 190 - 120 МПа; δ = 18-12 %).

Жаропрочные алюминиевые сплавы используют для деталей, работающих при температурах до 300°С (поршни, головки цилиндров, лопатки и диски компрессоров турбореактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолетов).

Созданные в последние годы сверхлегкие алюминиевые сплавы системы Al—Mg—Li удачно сочетают высокую прочность и малую плотность, что определяет большой интерес к ним авиационных конструкторов, однако технология получения полуфабрикатов из них находится в стадии разработки.

Контрольные вопросы:

1. Разновидность алюминиевых сплавов по технологии изготовления?

2. Виды термообработки алюминиевых сплавов?

Поиск по сайту: