Микроструктура и свойства алюминиевых сплавов.

Алюминий (ГОСТ 11069-74) относится к легким металлам, плотность которых не превышает 3 г/см³. Плотность алюминия g=2,7 г/см³, низкая температура плавления 600⁰ С. Алюминий не имеет аллотропических превращений, обладает высокой теплопроводностью и сравнительно высокой электропроводностью, составляющей 65% от величины электропроводности меди.

Таблица 5

Марки первичного алюминия (ГОСТ 11069-74)

Алюминий быстро окисляется на воздухе, при этом образуется очень тонкая окисная пленка Al₂ O₃, надежно защищающая металл от дальнейшего окисления.

В промышленности применяется, хотя и ограниченно, алюминий технической частоты: электрические провода, техническая и пищевая фольга для обертки конфет.

Алюминий в основном используют как основу таких сплавов как дуралюмины, силумины и др. Эти сплавы, как правило, отличаются высокой удельной прочностью (s_в/g).

В таблице 5 представлены марки первичного алюминия различной частоты.

Прочность алюминия низка, пластичность - высокая. Прокатанный и отожженный алюминий высокой частоты имеет.

Алюминий высокой чистоты имеет s_в=58 МПа; s_0,2=20 МПа; твердость 25 НВ; Y=85%,d=40%.

Постоянными примесями алюминия являются железо и кремний.

Дуралюмины (ГОСТ 4784-74) - сплавы алюминия с медью (3,8-5,7%), магнием (0,4-1,8%). Марки дуралюмина Д1 и Д16 - деформируемые сплавы. Медь является основным упрочняющим легирующим элементом в дуралюминах. Поэтому для упрощения все процессы, происходящие в структуре дуралюминов, рассматривают по диаграмме состояния двойных сплавов Al-Cu. На рис 1 приведена диаграмма состояния Al-Cu.

Рис.1.Диаграмма состояния Al-Cu.

Структура дуралюмина в отожженном состоянии представляет собой a-твердый раствор замещения меди в алюминии, по границам зерен которого располагаются мелкодисперсные выделения CuAl₂. При комнатной температуре растворимость меди составляет 0,2%. В результате нагрева до 500⁰ С основное количество частиц CuAl₂ растворяется в a- твердом растворе. При закалке в воде мелкодисперсные частицы CuAl₂ не успевают выделиться и остаются в a-твердом растворе, пересыщая его медью.

В перенасыщенном a-твердом растворе меди в алюминии при комнатной температуре начинаются процессы, обуславливающие распад - выделение из a-твердого раствора мелкодисперсных частиц CuAl₂ . Этот процесс происходит в течение 4-6 суток и называется естественным старением. При этом плотность сплава повышается более чем в два раза за счет выделения из a-твердого раствора очень мелких и твердых частиц CuAl₂.

В промышленности естественное старение часто заменяют искусственным. При этом закаленный сплав нагревают до 150-200⁰ С и выдерживают в течение двух часов.

В табл. 6 представлены свойства дуралюмина Д1 после отжига и закалки с последующим старением.

Таблица 6

Механические свойства дуралюмин

Силумины - сплавы алюминия с кремнием (4-13%), магнием (0,2-0,8%), марганцем (0,2-0,8%), медью (1-3%). Силумины - распространенные литейные алюминиевые сплавы, применяемые только в литом виде (например, при изготовлении головок и крышек двигателей внутреннего сгорания, поршней корпусов двигателей мотоциклов и мотороллеров).

Для получения плотной отливки применяют сплавы с узким интервалом кристаллизации.

Симулины подвергаются термической обработке (закалке с последующим искусственным старением) с целью повышения механических свойств.

Температура нагрева под закалку у литых сплавов выше, чем у деформируемых, и выдерживать отливки при этой температуре нужно более длительное время, что обусловлено необходимостью растворения грубых интерметаллических соединений, которые часто располагаются по границам зерен, и выравнивания концентрации по всему объему зерна.

Упрочнение литых алюминиевых при нагреве под закалку объясняется растворением интерметаллических соединений CuAl_2, MgSi, Al₃Mg₂ с получением в закаленном состоянии пересыщенного твердого раствора.

Однако высококремнистые сплавы слабо упрочняются в результате закалки и старения, но механические свойства этих сплавов можно существенно повысить при помощи особой обработки в жидком состоянии. Обычный силумин содержит 12-13% Si, а по структуре относятся к заэвтектическим сплавам. Структура такого сплава состоит из игольчатой грубой эвтектики Al+Si и включений первичного кремния (рис. 2, а). Если в сплав перед заливкой в форму внести смесь, состоящую из 2/3 NaF+1/3 NaCl, то структура резко изменится.

Рис.2.Микроструктура литейных сплавов алюминия Х200

а - немодифицированный силумин; б - модифицированный силумин

Сплав становится доэвтектическим и структура его состоит из светлых первичных кристаллов алюминия и мелкозернистой эвтектики (рис. 2, б). Такой процесс обработки жидкого расплава называется модифицированием.

Введение модификатора (в количестве примерно 1% от массы жидкого расплава) затрудняет кристаллизацию кремния, температура кристаллизации кремния и эвтектики понижается, а, следовательно, продукты кристаллизации становятся более дисперсными.

Отсутствие первичных кристаллов кремния и измельчение структуры улучшает механические свойства модифицированного силумина. Немодифицированный силумин с 13% Si имеет s_в=140 МПа, d=3%. Модифицированный s_в=180 МПа, d=8%.

Двойные алюминиево-кремниевые сплавы, несмотря на хорошие литейные свойства, обладают невысокими механическими свойствами. Поэтому, например, алюминиево-кремниевый сплав АЛ2 применяют для отливок, которые не претерпевают больших напряжений в процессе эксплуатации. При более высоких требованиях к прочностным свойствам используют силумины с добавлением меди, магния и марганца (сплавы АЛ3, АЛ4, АЛ5, АЛ6 - табл. 7).

Маркировка сплава АЛ расшифровывается следующим образом: А - сплав алюминиевый, Л - литейный, цифра - порядковый номер в ГОСТе.

Таблица 7

Химический состав алюминиевых сплавов.

Свойства алюминиевых литейных сплавов представлены в таблице 8.

Таблица 8

Механические свойства алюминиевых литейных сплавов

АЛ2 - нормальный силумин, сплавы АЛ4 и АЛ9 - силумины с повышенным содержанием кремния и с небольшими добавками магния и марганца.

Сплавы АЛ3, АЛ5, АЛ6 - низкокремнистые силумины, дополнительно легированные медью, обладающие худшими литейными свойствами, но более высокими механическими свойствами, чем обыкновенный силумин.