2.2. Классификация алюминиевых сплавов

Из-за низкой прочности технический алюминий применяется для изготовления малонагруженных элементов конструкций. Широ­кое применение в качестве конструкционных материалов имеют сплавы на основе алюминия.

Основными легирующими элементами в алюминиевых сплавах являются Сu, Si, Mg, Mn. Принципы маркировки алюминиевых сплавов следующие. Буква А в начале марки обозначает техни­ческий алюминий. Буквы АК обозначают ковкие алюминиевые сплавы, буква В присвоена высокопрочным алюминиевым спла­вам. Буквы АЛ обозначают литейные алюминиевые сплавы. После этих букв следует условный номер сплава. Часто за условным номером дают обозначения, характеризующие состояние сплава; М — мягкий (отожженный); Т—термически обработанный (закалка и старение); Я — нагартованный и др.

Схема типовой диаграммы алюминий — легирующий элемент приведена на рис. 133. В соответствии с диаграммой состояния алюминиевые сплавы по технологическим свойствам подразде­ляются не деформируемые и литейные сплавы. Точка К соответ­ствует предельной растворимости легирующего элемента в алю­минии при эвтектической температуре

С плавы левее точки K имеют при нагреве однофазную структуру -твер-дого раствора, высокую пластичность и низкую прочность. Поэтому сплавы этого типа легко обрабатываются дав­лением и относятся к категории де­формируемых сплавов. В свою оче­редь деформируемые сплавы бывают двух типов: I — не упрочняемые тер­мической обработкой и II — упроч­няемые термической обработкой.

В деформируемых алюминиевых сплавах, не упрочняемых термической обработкой, содержание легирующих элементов меньше предела насыщения твердого раствора при комнатной тем­пературе. В термически упрочняемых алюминиевых сплавах содержание ле­гирующих элементов превышает их равновесную концентрацию.

Сплавы, по содержанию легирующего элемента находящиеся правее точки К, имеют структуру, состоящую из а-твердого раствора и эвтектики. Они плохо деформируются, но благодаря наличию эвтектики обладают хорошими литейными свойствами: жидкотекучестью и высокой концентрацией литейной пористости. Наилучшая жидкотекучесть наблюдается у сплавов, кристалли­зующихся при постоянной температуре (эвтектические сплавы).

Характер литейных пор зависит от ширины температурного интервала кристаллизации, хотя общий объем пор остается по­стоянным или плавно меняется. Чем меньше интервал кристал­лизации, тем концентрированнее усадочная раковина, выводимая в прибыльную часть, и соответственно плотнее металл самой отливки. Однако, при чрезмерно большом количестве эвтектиче­ской составляющей ухудшаются механические свойства.

Состав и свойства некоторых алюминиевых сплавов при­веден в табл. 18.

2.3. Деформируемые алюминиевые сплавы

Деформируемые сплавы содержат меньше, чем литейные, легиру­ющих элементов, находящихся в твердом растворе.

Сплавы, не упрочняемые термообработкой, имеют сравни­тельно низкую прочность, но более высокую пластичность и коррозионную стойкость. К таким сплавам относятся сплавы типа АМц (система А1—Мn) и типа АМг (система Al—Mg).

Из этих сплавов обычно изготавливают изделия, получаемые глубокой вытяжкой из листового материала. Благодаря меньшей плотности и достаточной прочности чаще применяют алюминиево-магниевые сплавы.

Широкое распространение получили деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой. Примером деформируемых

термоупрочняемых алюминиевых сплавов являются сплавы алюминия с медью. Из диаграммы состояния А1—Си (рис. 134) видно, что максимальная растворимость меди в твердом алюминии составляет 5,7 % при 548 °С. При понижении температуры растворимость падает, составляя 0,2 % при 20 °С. Наличие линии переменной растворимости АВ показывает возмож­ность упрочнения сплава. После нагрева выше линии АВ и закалки в воде микро­структура сплавов, содержащих более 0,2 % меди, состоит из однородных зерен пересыщенного -твердого раствора. С це­лью дальнейшего упрочнения такие спла­вы подвергаются естественному или ис­кусственному старению при температуре около 150 °С. На рис. 135 представлены микроструктура дур-алюмина после закалки и после закалки и старения.

В начальный период старения образуются зоны повышенной концентрации меди, так называемые зоны Гинье—Престона. В этот период атомы меди еще не выделяются из раствора. В зонах повышенной концентрации меди кристаллическая решетка иска­жена, в кристалле возникают большие напряжения, что увеличи­вает твердость и прочность металла. При дальнейшем развитии старения зоны Гинье—Престона увеличиваются, а затем выде­ляются мельчайшие частицы 8-фазы (СuА1₂), которые впоследствии коагулируют. Процесс образования зон Гинье—Престона и до­стижение стадии так называемого предвыделения приводит к ма­ксимальному упрочнению.

Наиболее распространенными деформируемыми алюмини­евыми сплавами являются дуралюмины. Они содержат, %: 2,5— 5 Си, 0,4—1,8 Mg, 0,4—0,9 Мn. Медь и магний вводят в сплав для его упрочнения, марганец повышает его коррозионную стойкость. Наибольшее упрочнение достигается после старения.

Дуралюмин был изобретен в 1906 г. немецким ученым А. Вильмом. Явление естественного старения сплава было открыто Вильмом случайно и в начале не имело научного обоснования.

Д остоинством дуралюминов является высокая удельная проч­ность, благодаря чему они относятся к числу наиболее широко применяемых материалов в самолетостроении. Дуралюмины ис­пользуют во многих отраслях техники. Их также применяют в пищевой и холодильной промышленности для изготовле­ния емкостей, поплавковых камер, арматуры, трубопроводов и т. д.

Дуралюмины имеют пониженную коррозионную стойкость. Для повышения коррозионной стойкости листы дуралюмина плакируют, т. е. покрывают слоем чистого алюминия и производят совместную прокатку листов. Алюминий, толщина слоя которого составляет 2—5 %, сваривается с основным металлом и защищает его от коррозии.

Для повышения коррозионной стойкости деталей из дуралю­мина их подвергают анодной поляризации в 10 %-ном растворе серной кислоты. Выделяющийся кислород способствует образова­нию на поверхности дуралюминовой детали оксидной пленки, предохраняющей ее от окисления.

Высокопрочные деформируемые алюминиевые сплавы на А1—Zn—Mg—Си основе (типа В-96) имеют еще более высокую прочность = 600—700 МПа, но меньшую пластичность 8 — 10 % и используются в самолетостроении для тяжелонагруженных деталей.

Снижение полетной массы машин является важнейшей задачей конструкторов, работающих в области самолето- и ракетостроения. В настоящее время разработаны сплавы системы А1—Li—Mg и режим их упрочнения при термической обработке. Сплавы имеют прочность, близкую к прочности дуралюминов (о_в = 400 МПа), но являются самыми легкими из всех известных алюминиевых сплавов (на 12 % легче сплава Д16 и на 15 % — сплава В95).

Для снижения массы летательных аппаратов в ряде случаев применяют специально разработанные технологические методы. При изготовлении корпусных частей самолетов (фюзеляжа, крыльев) и управляемых ракет это может достигаться использо­ванием сотовых конструкций. Наружные оболочки делают из высокопрочных материалов, а в качестве наполнителя применяют клеевые сотовые конструкции из обычных алюминиевых сплавов.

Разработан авиационный материал — пеноалюминий, получа­емый в виде лент и листов толщиной до 100 мм. Его изготовляют присадкой в жидкий алюминий или его сплавы порошкообразных газообразующих веществ, например гидридов титана и циркония. Гидриды вводят под давлением, но, как только начинается выде­ление водорода и вспенивание, давление снимают. Во избежание спадания пены полученный пеноалюминий охлаждают опрыски­ванием водой. Объемная масса пеноалюминия 0,2—0,6 г/см³. Пеноалюминий можно обрабатывать резанием, клепать, приби­вать гвоздями, паять.

Известен способ получения пористого алюминия заливкой сплава в емкость — форму, заполненную гранулами поваренной соли, с последующим растворением соли в воде.