XV. Алюминий и сплавы на его основе

1.Каковы характерные физические и механические свойства алюминия и где он применяется?

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.
Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью, вследствие образования тонкой прочной пленки Al2O3. Чем чище алюминий, тем выше коррозионная стойкость.

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.

2. На какие группы делятся алюминиевые сплавы в зависимости от технологии их обработки?

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 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. 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.

3. Опишите в общем виде структуру и фазовый состав алюминиевых сплавов?

Алюминиевые сплавы эвтектического типа, в частности силумины, обладают высокими механическими и литейными свойствами.
Основной структурной составляющей этих сплавов является эвтектика Al-Si.

????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

4. Зачем проводят диффузионный отжиг (гомогенизацию) и отжиг деформируемых алюминиевых сплавов (дуралюмина)?

Гомогенизацию применяют для выравнивания химической микронеоднородности зерен твердого раствора путем диффузии, т. е. уменьшения дендритной ликвации в слитках. Так как скорость диффузии увеличивается с повышением температуры, а количество продиффундировавшего вещества тем больше, чем длительнее выдержка, то для энергичного протекания диффузии необходимы высокая температура (близкая к температуре линии солидуса) и продолжительная выдержка.

Для выполнения гомогенизации алюминиевые сплавы (слитки) нагревают до 450-520В° С и выдерживают при этих температурах от 4 до 40 ч; после выдержки - охлаждение вместе с печью или на воздухе. В результате гомогенизации структура становится более однородной (гомогенной), повышается пластичность, что значительно улучшает последующую деформацию слитка горячей обработкой давлением. Поэтому гомогенизацию широко применяют для деформируемых алюминиевых сплавов.

Отжиг – это процесс, после которого металл становится мягче и податливее для механической обработки.

Отжиг дюралюминия производят для снижения его твердости. Для этого деталь или заготовку нужно прогреть до температуры 360 С, выдержать эту температуру некоторое время, для того чтобы деталь равномерно прогрелась. После этого деталь охлаждают на воздухе (постепенное охлаждение). Твердость дюралюминия после отжига вдвое ниже, чем закаленного.

Отожженый дюралюминий обладает большой пластичностью, что позволяет его штамповать или сгибать вдвое, не боясь появления трещин.

5. Какие структурные и фазовые превращения протекают при закалке и старении дуралюмина?

Термическая обработка дюралюминия состоит из двух этапов. Сначала его нагревают выше линии предельной растворимости (обычно приблизительно до 500 C). При этой температуре его структура представляет собой гомогенный твердый раствор меди в алюминии. Путем закалки, т.е. быстрого охлаждения в воде, эту структуру фиксируют при комнатной температуре. При этом раствор получается пересыщенным. В этом состоянии, т.е. в состоянии закалки, дюралюминий очень мягок и пластичен.

Структура закаленного дюралюминия имеет малую стабильность и даже при комнатной температуре в ней самопроизвольно происходят изменения. Эти изменения сводятся к тому, что атомы избыточной меди группируются в растворе, располагаясь в порядке, близком к характерному для кристаллов химического соединения CuAl. Химическое соединение еще не образуется и тем более не отделяется от твердого раствора, но за счет неравномерности распределения атомов в кристаллической решетке твердого раствора в ней возникают искажения, которые приводят к значительному повышению твердости и прочности с одновременным снижением пластичности сплава. Процесс изменения структуры закаленного сплава при комнатной температуре носит название естественного старения.

Естественное старение особенно интенсивно происходит в течение первых нескольких часов, полностью же завершается, придавая сплаву максимальную для него прочность, через 4-6 суток. Если же сплав подогреть до 100-150 C, то произойдет искусственное старение. В этом случае процесс совершается быстро, но упрочнение происходит меньшее. Объясняется это тем, что при более высокой температуре диффузионные перемещения атомов меди осуществляются более легко, поэтому происходит завершенное образование фазы CuAl и выделение ее из твердого раствора. Упрочняющее же действие полученной фазы оказывается меньшим, чем действие искаженности решетки твердого раствора, возникающей при естественном старении.

Сравнение результатов старения дюралюминия при различной температуре показывает, что максимальное упрочнение обеспечивается при естественном старении в течении четырех дней.

6.Какие Вы знаете высокопрочные алюминиевые сплавы?

Предел прочности этих сплавов достигает 550-700МПа, но при меньшей пластичности, чем у дуралюминов. Представителем высокопрочных алюминиевых сплавов является сплав В95.

При увеличении содержания цинка и магния прочность сплавов повышается, а их пластичность и коррозийная стойкость понижаются. Добавки марганца и хрома улучшают коррозийную стойкость. Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем состоянии и сравнительно легко деформируются в холодном состоянии после отжига. Сплав В95хорощо обрабатывается резанием и сваривается точечной сваркой, его применяют в самолетостроении для нагруженных конструкций, работающих длительное время при t<=100¸120°С. Сплав В95 рекомендуется для сжатых зон конструкций и для деталей без концентраторов напряжений.

более прочный сплав В96Ц, в который впервые в мировой практике был введен цирконий вместо марганца и хрома. Это позволило повысить пластичность и улучшить прокаливаемость высокопрочных сплавов.еще два сплава с цирконием — самый прочный сплав В96Ц—1 (в основном для прессованных полуфабрикатов) и несколько менее легированный, ковочный сплав В96Ц—3 с высокой технологической пластичностью.

7.Где применяются и как упрочняются сплавы Al-Mn (AMц) и Al-Mq (AMr)?

Сплавы алюминия с марганцем или с магнием. Упрочнение сплавов достигается в результате образования твердого раствора и в меньшей степени избыточных фаз.
Сплав АМц представляет собой a - твердый раствор марганца в алюминии и частиц соединения Al6Mn. Сплавы типа АМг в равновесном состоянии после охлаждения двухфазные a+b (Al3Mg2). Магний сильно повышает прочность сплавов. Сплавы АМг добавочно легируют марганцем, который, образуя дисперсные частицы, упрочняет сплав и способствует измельчению зерна. Эффект от закалки и старения невелик и поэтому их применяют в отожженном состоянии. Повышение прочности при некотором уменьшении пластичности изделий простой формы достигается нагартовкой. Упрочнение, создаваемое нагартовкой, снимается в зоне сварки.
Сплавы хорошо обрабатываются давлением, хорошо свариваются и обладают высоко коррозионной стойкостью. Обработка резанием затруднена. Сплавы АМц, АМг2, АМг3 применяются для сварных и клепаных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и требующие высокого сопротивления коррозии.АМц применяется для изготоления сварных баков, бензо- и маслопроводов, радиаторов автомобилей и тракторов,посуды.

Сплавы Al-Mg. Сплавы алюминия с магнием имеют низкие литейные свойства, так как не содержат эвтектики. Характерной особенностью этих сплавов является хорошая коррозионная стойкость, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием. Добавление к сплаву модифицирующих присадок титана и циркония улучшают механические свойства, а бериллия - уменьшают окисляемость расплава, что позволяет вести плавку без защитных флюсов.
Структура состоит из a-твердого раствора и грубых включений частиц Al 3 Mg 3, которые располагаются по границам зерен, охрупчивая сплав. Сплавы предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере, например в судостроении и авиации

8. Какую термическую обработку проходят литые алюминиевые сплавы?

!!! закалкой с искусственным старением!!!

Для литейных алюминиевых сплавов используют различные виды термической обработки в зависимости от химического состава сплава и назначения литых деталей. Виды термической обработки имеют условные обозначения: Т1 - искусственное старение без предварительной закалки; Т2 - отжиг; ТЗ - закалка; Т4 - закалка и естественное старение; Т5 - закалка и частичное (неполное) искусственное старение; Т6 - закалка и полное искусственное старение; Т7 - закалка и стабилизирующий отпуск; Т8 - закалка и смягчающий отпуск.

Термическая обработка литейных алюминиевых сплавов по сравнению с термической обработкой деформированных сплавов имеет ряд особенностей, что объясняется различным химическим составом, а также тем, что у литейных сплавов структура более крупнозернистая, чем у деформированных. Температура нагрева под закалку у литейных сплавов несколько выше, чем у деформированных, и выдерживать отливки при этой температуре надо более длительное время. Это необходимо для того, чтобы растворить интерметаллические соединения, обычно выделяющиеся по границам зерен, и обеспечить уменьшение ликвации сплава. При закалке литейные сплавы выдерживают при температуре нагрева от 2 до 20 ч. Охлаждают литейные сплавы при закалке в холодной и нагретой (50-100В° С) воде, а также и в масле.

Для упрочнения литейные алюминиевые сплавы подвергают (так же как и деформируемые) закалке с получением пересыщенного твердого раствора и искусственному старению (по режимам Т5 и Т6) с выделением упрочняющих фаз, а также (в отличие от деформируемых сплавов) только закалке без старения с получением в закаленном состоянии устойчивого твердого раствора.

9.Какой состав имеет сплав силумин и как он упрочняется?

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Аl-Si (силумины). Высокая жидкотекучесть, малая усадка, отсутствие или низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов. В двойных сплавах А1 - Si эвтектика состоит из твердого раствора и кристаллов практически чистого кремния (рис. 13.6, а),
в легированных (АК9ч и др.) помимо двойной имеются тройные и более сложные эвтектики.

Силумины, вследствие малого различия по растворимости кремния при высокой и низкой температуре, практически не упрочняются термической обработкой, поэтому важнейшим методом улучшения его механических свойств является модифицирование. Модифицирование осуществляется обработкой жидкого силумина небольшими количествами металлического натрия или солями натрия. При модифицировании происходит значительное измельчение частичек эвтектической смеси, что связывают со способностью натрия обволакивать образовавшиеся зародыши кремния и тормозить их рост.

Кроме того, в процессе модифицирования отмечено некоторое переохлаждение, соответствующее протеканию эвтектического превращения, а эвтектическая концентрация сдвигается вправо. Таким образом, заэвтектические сплавы, лежащие несколько правее эвтектической точки, после модифицирования оказываются доэвтектическими. Структура сплава после модифицирования оказывается состоящей из избыточных кристаллов  -твердого раствора и очень дисперсной, практически точечной эвтектики

10. Какие требования предъявляют к алюминиевым сплавам для фасонного литья?

Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидко текучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошей механическими свойствами, сопротивлением коррозии. Высокими литейными свойствами обладают сплавы, содержащие в своей структуре эвтектику. (Al-Si, Al-Cu, Al-Mg).

Дата добавления: 2015-10-21