Термоупрочняемые сплавы

К таким сплавам относятся сплавы алюминия с медью, магнием и другими легирующими элементами (участок II, рис. 3.1). В эту группу входят такие сплавы как дуралюмины, авиаль, высокопрочные, ковочные и жаропрочные алюминиевые сплавы.

Дуралюмины. Дуралюминами называют сплавы на основе алюминия и меди, которые содержат также магний и марганец, а в качестве примесей – железо и кремний. Наибольшее практическое применение имеют марки дуралюмина Д1 и Д16 (табл. 3.4.).

Для упрочнения дуралюминов проводят закалку и старение. Закалка состоит в нагреве сплавов до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы полностью или почти полностью растворяются в алюминии (выше линии сольвус) и в быстром охлаждении. После такой обработки фиксируется пересыщенный α-твердый раствор, содержащий столько меди, сколько ее находится в сплаве. После закалки дуралюмины обладают высокой пластичностью (δ = 25 %). Это используется при проведении различных формоизменяющих операций в холодном состоянии. Пересыщенный α-твердый раствор неустойчив и из него самопроизвольно начинает выделяться избыточная мелкодисперсная интерметаллическая фаза CuAl₂, что придает дуралюмину повышенную твердость и прочность. Этот процесс называется старением. Если старение проводится при комнатной температуре, (естественное старение), то упрочняющий эффект достигается на 5…6 сутки. Если же после закалки сплав нагреть до 150…200 °С, то упрочнение произойдет через 10…20 часов, и такое старение называют искусственным.

Таблица 3.4

Химический состав и некоторые механические свойства дуралюминов после закалки и старения

Дуралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием после закалки и после старения, свариваются точечной сваркой, но сварной шов обеспечивает только 60…70 % прочности основного металла, поэтому соединение листов дуралюмина осуществляется заклепками. Удельная прочность дуралюмина после закалки и старения близка к удельной прочности легированной стали.

Для повышения коррозионной стойкости дуралюмины подвергают либо электрохимическому оксидированию, либо плакированию. Эти сплавы широко используют в самолетостроении, из них изготавливают обшивки, шпангоуты, стрингеры и лонжероны.

Сплавы авиаль. Алюминиевые сплавы, содержащие в качестве основных легирующих элементов магний (до 1,2 %) и кремний (до 1,2 %) называют авиалями (АВ, АД31, АД33 и др.). Они обладают большей пластичностью в холодном и горячем состоянии, чем дуралюмины, но меньшей прочностью. Кроме Mg и Si, которые образуют упрочняющую интерметаллическую фазу Mg₂Si, в составе авиалей может содержатся марганец, хром и медь.

Упрочнение сплавов достигается путем проведения закалки (515…525 °С и охлаждение в воде) и последующего искусственного старения (160…170 °С, выдержка 10…12 ч.). Авиаль отличается высокой пластичностью (что дает возможность ковать и штамповать детали сложной формы), значительной коррозионной стойкостью, удовлетворительной механической прочностью и свариваемостью, хорошей технологичностью. Наиболее широкое применение имеют сплавы в транспортном машиностроении, строительстве и др. отраслях для изготовления конструкций, несущих умеренные нагрузки, кованых деталей двигателей, рам, дверей и т.д.

Высокопрочные алюминиевые сплавы. Главными легирующими элементами высокопрочных алюминиевых сплавов являются магний, медь, марганец и цинк. Наибольшее распространение среди высокопрочных алюминиевых сплавов имеет сплав В95 (Al – основа, 1,4…2,0 % Сu; 1,8…2,8 % Mg; 0,2…0,6 % Mn; 5…7 % Zn, 0,1…0,25 % Cr). Механические свойства: σ_в = 560…600 МПа, σ_0,2 = 530…550 МПа, δ = 8 % (после закалки и старения).

Упрочняющими фазами в этих сплавах являются соединения MgZn₂, Al₂Mg₃Zn₃, Al₂CuMg. Чем выше содержание цинка и магния, тем выше прочность этих сплавов, но пластичность и коррозионная стойкость уменьшаются. Повысить коррозионную стойкость можно путем добавления в сплав марганца и хрома. С целью повышения прочности эти сплавы подвергают закалке (460…470 °С) и искусственному старению (135…145 °С в течение 16 ч). По сравнению с дуралюминами высокопрочные сплавы обладают большей чувствительностью к концентраторам напряжений, меньшим пределом выносливости и вязкостью разрушения.

Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем состоянии и сравнительно легко деформируются в холодном состоянии после отжига. Их применяют в самолетостроении для наружных конструкций, работающих длительное время при температурах 100…120 °С, например, обшивка, шпангоуты, стрингеры и т.д.

Жаропрочные сплавы. Для получения необходимых жаропрочных свойств их легируют не только медью и магнием, но и железом, никелем и титаном.

Упрочняющими фазами жаропрочных сплавов являются CuAl₂, Al₂CuMg, Al₉FeNi и Al₆CuNi. После закалки и старения при частичном распаде твердого раствора эти фазы выделяются в виде дисперсных частиц, которые значительно повышают жаропрочность сплавов. В таблице 3.5 представлен химический состав и механические свойства после термообработки наиболее применяемых сплавов. Высокая жаропрочность сплава Д20 достигается благодаря высокому содержанию меди и марганца с титаном.

Таблица 3.5

Химический состав и типичные механические свойства жаропрочных алюминиевых сплавов

Жаропрочные алюминиевые сплавы используют для изготовления деталей, работающих при температурах до 300 °С (поршни двигателей внутреннего сгорания, детали турбореактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых двигателей и т.д.).

Сплавы для ковки и штамповки. Данные алюминиевые сплавы обладают высокой пластичностью и удовлетворительными литейными свойствами. К ним относятся сплавы АК6, АК8. Основными легирующими элементами являются медь, магний, марганец и кремний. Ковку и штамповку сплавов проводят при температуре ~ 450 °С. Для повышения прочности проводят термическую обработку, состоящую из закалки и искусственного старения. Упрочняющими фазами при старении являются Mg₂Si, CuAl₂, AlxMg₅CuSi₄.

Эти сплавы хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются контактной и аргонодуговой сваркой. Литейные свойства улучшаются за счет добавки кремния. Однако эти сплавы склонны к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением. Используют их для изготовления крепежных деталей, лопастей винтов вертолета и т.д.