Статья: Спеченные алюминиевые сплавы

Основными легирующими элементами литейных алюминиевых сплавов являются кремний, медь, марганец, цинк. Марганец, никель и хром в небольших количествах (0,5-3,5%) добавляют в некоторые сплавы для повышения коррозионной стойкости и жаропрочности.

ГОСТ 1583-93* «Сплавы алюминиевые литейные» предусматривает использование в промышленности пяти групп литейных алюминиевых сплавов:

I - сплавы на основе системы А1-Si-Mg: АК12 (АЛ2), АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9) и др.

II - сплавы на основе системы А1-Si-Си: АК5М2, АК8МЗч (ВАЛ8), АК8М (АЛ32) и др.;

III - сплавы на основе системы А1-Си: АМ5 (АЛ 19) и др.;

IV - сплавы на основе системы А1-Mg: АМгбл (АЛ23), АМгЮ (АЛ27);

V - сплавы на основе системы А1 - прочие компоненты: АЦ4Мг (АЛ24), АК7Ц9 (АЛ 11) и др.

В марках литейных сплавов первая буква обозначает, что сплав является алюминиевым; последующие буквы - основные легирующие элементы, а цифра - содержание легирующего элемента. При этом буквы обозначают: К - кремний, М - медь, Мг - магний, Ц - цинк и др.; буквы «ч» (или «пч») - сплав должен изготовляться из чистых (или получистых) материалов.

Силумины обладают высокой жидкотекучестъю, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами (особенно после модифицирования). Причем оптимальными литейными свойствами обладают сплавы с минимальной температурой плавления и минимальным температурным интервалом кристаллизации, содержащие 12-13% Si (рис. 10.10).

Обычный силумин по структуре является заэвтектическим сплавом. Структура такого сплава состоит из игольчатой грубой эвтектики (а + Si) и первичных кристаллов кремния (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма состояния AI-Si:

упрочненный композиционный спеченный алюминиевый порошок

Ж - жидкость; Э - эвтектика; пунктирная линия - силумин после модификации Na).

Кремний при кристаллизации эвтектики выделяется в виде грубых хрупких кристаллов игольчатой формы, которые играют роль внутренних надрезов. Такой сплав обладает низкими механическими свойствами: оц = 120 МПа; 5 = 2%. Для повышения механических свойств силумины модифицируют натрием (0,05-0,08%) путем присадки к расплаву смеси солей 67% NaF и 33%NaCl. В присутствии натрия происходит смещение линии (прерывистая линия) диаграммы состояния и заэвтектический сплав (12-13% Si) становится доэвтектическим, так как эвтектика теперь образуется при 14%Si. В этом случае в структуре сплава вместо избыточного кремния появляются кристаллы пластичного а-раствора кремния в алюминии

Эвтектика приобретает более тонкое строение и состоит из мелких кристаллов кремния и a - твердого раствора. В процессе затвердевания кристаллы кремния обволакиваются пленкой силицида натрия (NaSi), которая затрудняет их рост. Изменения в структуре приводят к повышению механических свойств: ов = 200 МПа; 5 = 12%. Одновременно улучшаются и литейные свойства сплавов (возрастает жидкотекучесть, повышается плотность отливок и т.д.).

Микроструктура силумина марки АК12 до модифицирования (а) и после (б); х 500

Сплавы II группы в качестве основных легирующих элементов содержат Si (4-22%) и Си (0,5-8%). Их широко применяют при изготовлении отливок с повышенной твердостью и прочностью, сохраняющих постоянство размеров в процессе эксплуатации и имеющих высокую чистоту обработанной поверхности для корпусов приборов, автомобильных и тракторных поршней, деталей авиационных двигателей воздушного охлаждения и др.

Сплавы на основе системы А1-Си (III группа) отличаются высокими механическими свойствами и низкой коррозионной стойкостью. В отличие от сплавов I группы они хорошо обрабатываются резанием.

Сплавы системы А1-Mg (IV группа) имеют малую плотность, высокие коррозионную стойкость и прочность; их используют для изготовления отливок, несущих большие вибрационные нагрузки. Они имеют низкие литейные свойства.

Сплавы V группы относятся к системам А1-Si-Zn (АК7Ц9, АК9Ц6) и Al-Zn-Mg (АЦ4Мг) и являются свариваемыми литейными алюминиевыми сплавами.

Отливки из алюминиевых сплавов изготовляют всеми известными способами литья. Выбор способа литья определяется главным образом конструктивными параметрами детали и характером производства.

В зависимости от состава сплава отливки подвергаются термической обработке по определенным режимам, указанным в ГОСТ 1583- 93. Режим термической обработки указывается буквой и цифрой: Т1 - искусственное старение без предварительной закалки; Т2 - отжиг; Т4 - закалка; Т5 - закалка и кратковременное (неполное) искусственное старение; Тб - закалка и полное искусственное старение; Т7 - закалка и стабилизирующий отпуск; Т8 - закалка и смягчающий отпуск. Температурные и временные параметры термической обработки отливок также приведены в ГОСТ 1583-93.

Сплавы, спеченные из алюминиевых порошков, называют САП (спеченный алюминиевый порошок или спеченная алюминиевая пудра). Заготовки (или изделия) из этих сплавов получают прессованием и последующим спеканием алюминиевого порошка, состоящего из чешуек толщиной около 1 мкм (алюминиевой пудры).

Механические свойства САП значительно отличаются от свойств литого или деформированного технического алюминия (ав = 250...400 и 60...90 МПа, а0)2 = 200...300 и 20...30 МПа, 5 = 5...8 и 20...40 % соответственно). Это объясняется тем, что каждая частичка пудры, из которой получают САП, покрыта тонким (0,01...0,1 мкм) слоем окиси алюминия, выступающей в роли упрочняющей фазы. Чем тоньше пудра, тем больше в САП окиси алюминия.

При нормальной температуре многие деформируемые алюминиевые сплавы имеют лучшие характеристики механических свойств, чем САП. Основное преимущество последних перед прочими алюминиевыми сплавами -- высокая жаропрочность: они сохраняют высокую прочность при температурах 350...500°С. При таких температурах даже жаропрочные алюминиевые сплавы (ВД17, Д20, АК4-1) разупрочняются в столь сильной степени, что о применении их не может быть и речи (для сплавов, например, ВД17 и Д20 при 500°С ав = 1...5МШ).

По своей структуре САП представляет собой смесь алюминия с мельчайшими чешуйками окиси алюминия. Такая структура и обусловливает особые свойства этого материала. Процессы рекристаллизации в САП, содержащем больше 7...8% А1203, не идут. Наклеп, вызванный холодной деформацией, не удается снять даже отжигом при 450°С в течение сотен часов. И только выдержка при температурах выше 500°С в течение 100 ч приводит к частичному снятию наклепа. Составы разработанных в стране сплавов типа САП и свойства полученных из них полуфабрикатов представлены в табл. 2.

По характеристикам длительной прочности при повышенных температурах САП также значительно превосходит обычные жаропрочные алюминиевые сплавы. САП, имеет такую же высокую коррозионную стойкость, как мягкий технический алюминий и к тому же не склонен к коррозии под напряжением. Для дополнительного повышения коррозионной стойкости САП можно подвергать анодному оксидированию по обычной для алюминиевых сплавов технологии.

По технологическим свойствам САП значительно отличается от большинства деформируемых алюминиевых сплавов. Вследствие низкой пластичности холодная деформация его весьма затруднена. Так, все операции штамповки листов из САП проводят при 420...470°С (для обычных деформируемых алюминиевых сплавов эти операции не требуют нагрева). Хотя относительное удлинение САП падает с повышением температуры, все показатели технологической пластичности (минимальный радиус гиба, предельные коэффициенты вытяжки и отбортовки) улучшаются.

Таблица 2

Состав и типичные механические свойства прессованных прутков из сплавов типа САП

Из спеченных брикетов САП можно получать горячим прессованием прутки, профили и другие полуфабрикаты. Листы САП-1, плакированные другими алюминиевыми сплавами, удовлетворительно свариваются контактной сваркой. Сварка плавлением вызывает значительные трудности. САП рекомендуется для изготовления деталей, работающих при температурах 300...500°С.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС), содержащие наряду с А1203 другие легирующие компоненты, пока не нашли широкого применения. В то же время спеченные сплавы на основе системы А1+25...30% Si - САС-1 (содержащий дополнительно 5...7% Ni) и САС-2 (5...7% Fe) - представляются весьма перспективными по своим физическим свойствам (очень низкий ТКЛР при удовлетворительных механических характеристиках).

Гранулированные алюминиевые сплавы. Гранулами называют литые частицы, диаметр которых колеблется в пределах от десятых долей до нескольких миллиметров. При литье гранул центробежным методом капли жидкого металла охлаждаются в воде со скоростью порядка 103...104°С/с и более. При таких скоростях кристаллизации в сплавах алюминия с переходными металлами образуются пересыщенные твердые растворы, содержание легирующих элементов в которых значительно превышает их равновесную предельную растворимость (для марганца, например, растворимость возрастает с 1,4 до 5%). Это позволяет увеличить в сплавах алюминия содержание таких легирующих элементов, как Mn, Cr, Zr, Ti, V (вводимых обычно в десятых и даже сотых долях процента), в несколько раз.

Из гранул можно изготавливать прессованные полуфабрикаты и листы любых алюминиевых сплавов. Эти листы по свойствам не уступают прокатанным из слитка. При определенных условиях такая технология имеет некоторые преимущества - не требуется сложного литейного оборудования, мощных прокатных станов, металлорежущих станков для обработки слитков.

В процессе технологических операций горячего компактирования сплавов (400-450°С) из пересыщенного твердого раствора выпадают дисперсные частицы интерметаллидных фаз (А16Мп, А17Сг, Al3Zr и др.), которые повышают температуру рекристаллизации (рис. 1.7), увеличивают прочность при обычных (рис. 1.8) и повышенных температурах

Примером дисперсионно твердеющего гранулируемого сплава может служить сплав 01419 (1,5% Сг; 1,5% Zr; ост. А1). Гранулы из этого сплава имеют гомогенную структуру и относительно низкую твердость (55 НВ), а полученные из гранул прутки вследствие выделения дисперсных фаз Al3Zr и А17Сг - 120 НВ, ав = 350 МПа, а02 = 300 МПа, 5 = 10...15%. Высокая стабильность структуры сплава определяет его повышенную жаропрочность (по длительной прочности при температурах выше 300°С этот сплав уступает только САП-1).

Другим перспективным вариантом применения гранульной технологии является изготовление полуфабрикатов из термически упрочняемых сплавов типа Д16, В95, В96Ц с повышенным содержанием переходных металлов, что обеспечивает дополнительное повышение прочности сплавов. Как показали исследования, на подобных сплавах можно получить наиболее высокие значения прочности (до ав = 800 МПа) при удовлетворительной коррозионной стойкости.

Заключение

Алюминий широко применяется в строительстве и архитектуре. В большинстве промышленно развитых стран на эти цели расходуется 20% запасов алюминия. Авиация, железнодорожный и автомобильный транспорт потребляют 25%, а электротехника - около 15%. В последнее время быстро возрастает расход алюминия на изготовление тары и упаковки-сегодня он уже достиг 10-15%. Увеличивается значение алюминия и в производстве товаров широкого потребления: по оценкам, его доля здесь также составляет 10-15%. В связи с этим быстро растет и абсолютный объем производства и потребления алюминия.

Алюминий стоит на втором месте по масштабу производства после железа. Использование алюминия происходит как в различных отраслях промышленности, так и в быту. Алюминий применим в пищевой и химической промышленности, потому что ему не характерно взаимодействие с органическими кислотами, концентрированной азотной кислотой и продуктами пиши. Алюминий используют для производства тары, упаковочного материала, емкостей и пр. Алюминий также широко распространен в строительстве, электротехнике, криогенной технике авто- и вагоностроении.