6. Титан і сплави на його основі. Термічна обробка титанових сплавів

Титан – метал сріблисто-білого кольору, температура плавлення 1665±5^оС. Титан має дві алотропічні модифікації: до 882^оС існує: α - титан, який кристалізується в г.п.у. решiтку, а при вищих температурах – β -титан, що має о.ц.к г решiтку. Технічний титан (ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-1), має σ_в = 300-500 Мпа і δ = 20-30%. Чим більше домішок, тим вище міцність і нижче пластичність.

Для здобуття сплаву титан легують Al, Мо, V, Mn, Cr, Sn, Fe, Zr, Nb. Титан легують для поліпшення механічних властивостей, рідше для підвищення корозійної стійкості. Легуючі елементи роблять великий вплив на температури поліморфного перетворення і розширюють α - область – їх называють α - стабiлiзаторами. Деякі елементи цієї групи утворюють з титаном хімічні сполуки Мо, V, Mn, Cr, Fe, знижують температуру поліморфного перетворення і розширюють область існування β - фази – їх називають β - стабiлiзаторами. При легуванні титану Mn, Cr, Fe, Si і деякими іншими елементами утворюються хімічні сполуки; у таких сплавах протікає евтектоїдне перетворення β → α + Ti_xM_y. Утворення евтектоїду робить сплав крихкішим. Як правило, всі промислові сплави титану містять алюміній. Алюміній підвищує тимчасовий опір, але зменшує пластичність сплавів.

Титанові сплави залежно від їх складу і призначення можна піддавати обпалюванню, гартуванню, старінню і хiмiко-термiчнiй обробці (азотування, цементація тощо. Титан і α - сплави титану не зміцнюються термічною обробкою, їх піддають лише рекристалізаційному обпалюванню. Така обробка забезпечує вищу пластичність і найбільшу термічну стабільність структури.

Для деяких α + β - сплавiв застосовують зміцнююче подвійне обпалювання, яке відрізняється від ізотермічного тим, що після нагріву до температури обпалювання проходить охолоджування на повітрі і новий нагрів до 550-650^оС. Така обробка викликає підвищення міцності при деякому зниженні пластичності.

Для зняття внутрішньої напруги, що виникає при механічній обробці α - і α + β - сплавів, застосовують неповне обпалювання при 500-600^о С.

α + β - сплави у відмінності від α - сплавiв можуть бути зміцнені гартуванням з подальшим старінням.

7. Алюміній і сплави на його основі. Термічна обробка алюмінієвих сплавів

Алюміній – метал сіро-білого кольору, температура плавлення 660^о С. Алюміній має високою електропровідністю, що становить 65% від електропровідності міді. Залежно від чистоти розрізняють алюміній особливої чистоти А999 (99.999% Al), високої чистоти А995-А95 і технічної чистоти А85-А0. Механічні властивості обпаленого алюмінію високої чистоти σ_в = 50 МПа і δ = 50%.

Всі сплави алюмінію можна розділити на дві групи: тi що деформуються і ливарні. Тi що деформуються, призначені для здобуття напівфабрикатів (листів, плит, прутів тощо), а також поковок і штампувань шляхом прокатки, пресування, кування і так далі. Сплави, що деформуються, по здатності зміцнюватися термічною обробкою, ділять на сплави: не здатні змiнюватися термічною обробкою і зміцнювані термічною обробкою;

Ливарні сплави призначені для фасонного лиття. Найбільшого поширення набули сплави Al-Mn, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si, а також Al-Zn-Mg-Cu.

Залежно від характеру відливань і умов їх роботи використовується один з наступних видів термічної обробки:

1. Штучне старіння (умовне позначення Т1), частіше при 175±5^о С в перебігу 5-20 г., без попереднього гартування.

2. Обпалювання (Т2) при 300ºС в перебігу 5-10 г., залежно від призначення відливання. Обпалювання застосовують для зняття ливарної напруги, а також залишкової напруги, викликаної механічною обробкою. Це обпалювання декілька підвищує пластичнiсть.

3. Гартування і природне старіння (Т3, Т4). Температура гартування 510-520ºС. Гартування проводять в гарячій воді (40-100ºС). Оскільки після гартування відливання витримують досить тривалий час при кімнатній температурі, режим (Т1) практично відповідає гартуванню і природному старінню.

4. Гартування і короткочасне (2-3 г.) штучне старіння звичайно при 175^оС. При даній температурі і тривалості процес старіння повністю не закінчується. Після такої обробки відливання набувають високої міцності при збереженні підвищеної пластичності.

5. Гартування і повне штучне старіння (Т6); частіше проводять при 200^оС, 2-5 г. Старіння підвищеній температурі і тривалішій витримці в порівнянні з режимом Т5 додає найбільшу міцність, але пластичність знижується.

6. Гартування і стабілізуюче старіння (Т7) при температурі 230ºС (для сплавів АЛ6, АЛ1 та ін.) і при 250ºС (для сплаву АЛ19) протягом 3-10 г. Цей спосіб, обробки використовують для стабілізації структури і об'ємних змін відливання, при збереженні достатньої міцності.

7. Гартування і пом'якшувальне старіння (Т8) при 240-260 ºС протягом 3-5 г. Висока температура старіння помітно знижує міцність, але підвищує пластичність і стабільність розмірів.

Сплави алюмінію з кремнієм відомі під назвою силуміни. Мікроструктура силумінів різного складу приведена в атласі, де на тлі голчаної евтектики α+Si видно кристали первинних виділень α-твердого розчину або β(Si) залежно від положення сплавів відносно евтектичного складу. Силуміни з грубогольчаною евтектикою внаслідок великої крихкості кремнію характеризуються невисокими механічними властивостями (σ_β=130-140 Мпа δ=1-2 %) і зниженими ливарними і корозійними властивостями.

Для поліпшення структури силумінів і підвищення механічних і технологічних властивостей їх перед відливанням піддають обробці сумішшю фтористих і хлористих солей натрію.

Сплави алюмінію з міддю (АЛ7, АЛ12) на відміну від силумінів або зовсім не містять в своєму складі евтектики, або мають невелику кількість евтектичної складової.

Сплав АЛ7 в литому вигляді знаходиться в однофазному станi, проте в його структурі в деякій кількості з'являється евтектика α+CuAl₂, що утворюється внаслідок не рівноважної кристалізації.

Окрім цього з'являються включення фази CuAl₂, внаслідок розпаду α-твердого розчину. Підвищений вміст міді наводить до збільшення евтектики в сплаві. Сплав з 12% Cu (АЛ12) в даний час практично не застосовується.

Сплави алюмінію з магнієм – найміцніші серед ливарних алюмінієвих сплавів. Вони мають високу корозійну стійкість і найменшу питому вагу в порівнянні з іншими алюмінієвими сплавами. Проте за своїми ливарними властивостями алюмінієво-магнієві сплави значно поступаються силумінам. Внаслідок малої кількості евтектики і великого інтервалу кристалізації ці сплави мають меншу рідкотекучість і схильні до утворення усадкової рихлості.

Дуралюміни. Дуралюмінами називають сплави Al-Cu-Mg, в які додатково вводять марганець (таблиця. 20). Типовим дуралюмiном є сплав Д1, проте внаслідок порівняно низьких механічних властивостей виробництво його помітно скорочується; сплав Д1 для листів і профілів замінюється сплавом Д16. Зміцнення дуралюмiну при термічній обробці досягається в результаті утворення зон ГП складного складу або метастабільних фаз S’ і О. Марганець, хоча і не входить до складу зміцнюючих фаз, але його присутність в сплавах корисна. Він підвищує стійкість дуралюмiну проти корозії, а присутній у вигляді дисперсних часток фази Т(Al₁₂Mn₂Cu), підвищує температуру рекристалізації і покращує механічні властивості дуралюмiну. Як домішки в дуралюмiнi є залізо і кремній. Залізо, утворюючи з'єднання (Mn, Fe, Al₆), що кристалізується у вигляді грубих пластин, знижує міцність і пластичність дуралюмiну. Крім того, залізо утворює з'єднання Al₇Cu₂Fe нерозчинне в алюмінії. Зв'язуючи мідь в цьому з'єднанні, залізо знижує ефект зміцнення при старінні. Тому вміст заліза не повинен перевищувати 0,5-0,7 %.

Сплави авiаль (АВ). Ці сплави поступаються дуралюмiнам по міцності, але володіють кращою пластичністю в холодному і гарячому станах, добре зварюються і чинять опір корозії. Авіаль володіє високою межею витривалості. Зміцнюючою фазою в авiалi є з'єднання Mg₂Si.

Авіаль гартують з 515-525⁰С з охолоджуванням у воді, а потім піддають природному старінню (АВТ) або штучному при 160⁰С, 12г (АВТ1).

Штучне старіння треба виконувати відразу після гартування і початком штучного старіння міцність сплаву після старіння зменшується.

Високоміцні алюмінієві сплави. Ці сплави відносяться до системи Al-Zn-Mg-Cu. В даний час відомо декілька промислових композицій сплавів: В93, В94, В96, В65-1, В92. У штучно постареному стані сплави володіють більшою міцністю, чим сплави типу дуралюмiнiй (В95: σ_β=600 МПа, В96: 700 МПа). На відміну від дуралюмiну жароміцні сплави в природно постареному стані менш стійки проти корозії, чим після штучного старіння.