Сплавы на основе алюминия

Алюминий ‑ металл серебристо-белого цвета, характеризуется низкой плотностью 2,7 г/см³, высокой электропроводностью, температура плавления 660°С. Механические свойства алюминия невысокие, поэтому в чистом виде как конструкционный материал применяется ограниченно. Для повышения физико-механических и технологических свойств алюминий легируют различными элементами (Сu, Mg, Si, Zn). Железо и кремний являются постоянными примесями алюминия. Железо вызывает снижение пластичности и электропроводности алюминия. Кремний, как и медь, магний, цинк, марганец, никель и хром, относится к легирующим добавкам, упрочняющим алюминий. В зависимости от содержания постоянных примесей различают: алюминий особой чистоты марки А999 (0,001% примесей); алюминий высокой чистоты А935, А99, А97, А95 (0,005-0,5% примесей); технический алюминий А85, А8, А7, А5, А0 (0,15‑0,5% примесей).

Все сплавы на основе алюминия можно разделить на три группы (см. приложение 3):

• деформируемые, которые в свою очередь делятся на упрочняемые термической обработкой и не упрочняемые. Они предназначены для получения полуфабрикатов (листов, прутков, труб и т.п.);

• литейные сплавы; предназначены для литья;

• сплавы, получаемые методами порошковой металлургии (САП - спеченные алюминиевые порошки, САС - спеченные алюминиевые сплавы).

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Химический состав и механические свойства этих сплавов определяются ГОСТ 4784 -97. Отличительная особенность этих сплавов ‑ сочетание высокой прочности с малым удельным весом. Имеется несколько групп этих сплавов.

Дуралюмины – сплавы нормальной прочности, (Al-Сu-Mg)-Mn, наиболее распространены в этой группе. Дуралюмины обозначаются буквой Д и цифрой, показывающей условный номер сплава (Д1, Д12, Д16, Д19). Например, сплав Д1 содержит главную легирующую добавку ‑ медь 3,8-4,8%, остальное ‑ алюминий. Очень часто в конце марки ставятся буквы, характеризующие состояние сплава: М ‑ мягкий (отожженый); Т ‑ термически обработанный (закалка и естественное старение); Н ‑ нагартованный (наклепанный при пластической деформации); П ‑ полунагартованный. Например, Д16М ‑ дуралюмин отожженый; Д16ТН ‑ дуралюмин закаленный, естественно состаренный и дополнительно нагартованный.

Сплав авиаль обозначается буквами АВ, уступает дуралюминам по прочности, но имеет лучшую пластичность и высокий предел выносливости. В состав сплава входят 0,2-0,6% Сu; 0,45-0,9% Mg, 0,15–0,35% Mn, 0,5-1,2% Si, остальное - алюминий.

Высокопрочные сплавы (A1-Сu-Mg)-Zn, содержащие не более 4,5% Сu и не менее 1,7% Mg, маркируют буквой В, например, В93, B95, В65. Сплав В95 имеет в своем составе 1,4-2,0% Сu; 1,8-2,8%Mg, 5,0–7,0% Zn, остальное - алюминий. Эти сплавы имеют меньшую пластичность, чем дуралюмины.

Ковочные алюминиевые сплавы (Al-Cu-Mg)-Si обозначаются буквами АК и цифрами, обозначающими номер сплава, например, АК6, AK8. Сплавы имеют высокие пластические и литейные свойства и применяются для изготовления кованых и штампованных деталей.

Жаропрочные сплавы (Al-Cu-Mg)-Ni имеют более сложный химический состав, чем рассмотренные выше алюминиевые сплавы. Они дополнительно легируются Fe и Ti. К жаропрочным относятся следующие сплавы Д20, АК4-1. Используются для изготовления деталей, работающих при температурах до 300.

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, отличаются высокой пластичностью, коррозионной стойкостью и превосходят алюминий по прочности. К ним относятся сплавы системы (Al-Мg) и (Al -Mn). Наиболее распространенными марками являются АМц; АМг2; АМг5 и т.д. Эти сплавы в виде листов или другого проката поставляются в отожженном (мягком ‑ М) состоянии, после небольшой степени наклепа, т.е. полунагартованные - П, и после значительного наклепа, т.е. нагартованные ‑ Н, такие как АМг3М, АМг3П, АМг3Н. Сплавы легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью.

Литейные сплавы алюминия, согласно ГОСТ 1583-93 обозначаются буквами АЛ, а цифры, следующие за ними, обозначают номер сплава.

Все литейные алюминиевые сплавы в зависимости от химического состава разделяются на несколько групп:

Силумины ‑ сплавы системы (Al-Si), дополнительно легирующиеся Сu и Mg, марки АЛ2, АЛ4, АЛ4-1, АЛ34, АЛ9, АЛ91, АЛ5, АЛ32, АЛ5-1, АЛ30, АЛ25. Сплавы имеют хорошие литейные, но невысокие механические свойства.

Сплавы системы (Al-Cu), дополнительно легирующиеся Mn, Ni, Сr (АЛ7, АЛ19). Сплавы имеют высокие механические, но низкие литейные свойства, хорошо обрабатываются резанием.

Сплавы системы (Al-Mg), дополнительно легирующиеся Si (АЛ8, АЛ13, АЛ28, АЛ23, АЛ23-1, АЛ-27 и др.). Эти сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошими механическими свойствами и обрабатываемостью резанием, но низкими литейными свойствами. Для измельчения зерна, а, следовательно, для улучшения механических свойств, в сплавы вводят модифицирующие добавки Ti (титан), Zr (цирконий).

Жаропрочные сплавы системы (Al-Cu-Mg)-Mn, дополнительно легирующиеся Si, Ni, Ti, Fe, Сr (АЛ20, АЛ21), используются для изготовления деталей, работающих при температурах до 275-300ºС.

Алюминиевые сплавы, получаемые методами порошковой металлургии, обладают по сравнению с литейными сплавами более высокой прочностью, стабильностью свойств при повышенных температурах и коррозионной стойкостью. К таким сплавам относятся спеченные алюминиевые сплавы и спеченные алюминиевые порошки.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) получают путем брикетирования, спекания и деформирования порошков алюминия с небольшим содержанием А1₂О₃ и легирующих элементов (железа, никеля, хрома, марганца, меди и др.) или порошков стандартных алюминиевых сплавов. САС при комнатной температуре имеют механические свойства, свойственные этим сплавам в литом и деформированном состояниях; при температурах 358-400ºС свойства САС выше. Из САС можно изготавливать такие же полуфабрикаты, что и из обычных сплавов. Нередко САС применяют, когда путем литья или обработки давлением нельзя получить сплав. Таким образом, изготавливают САС с особыми физическими свойствами, содержащие большое количество легирующих элементов, например САС1 (25-30% Si, 5-7% Ni, остальное Al). САС1 применяют для деталей приборов, работающих в паре со сталью при температуре 20-200ºС, которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности.

Для изделий, работающих при высоких температурах, применяют спеченные алюминиевые порошки (САП), представляющие собой смесь алюминия с его окисью Al₂O₃, полученную спеканием и деформированием дисперсного алюминиевого порошка, покрытого тонкой пленкой Al₂O₃. При деформировании пленка Al₂O₃ дробится и в виде мелкодисперсных включений равномерно распределяется в алюминиевой матрице. Содержание Al₂O₃ в САП колеблется от 6-9% (САП1) до 18-22% (САП4). С увеличением содержания Al₂O₃ повышается прочность САП, пластичность уменьшается. Сплавы легко обрабатываются резанием, имеют высокую жаропрочность и коррозионную стойкость. САП рекомендуются для кратковременной работы при температурах до 1000ºС и длительной работы при температурах 300-550ºС.