Тема 9. Кольорові метали та сплави

У сучасному машинобудуванні та інших галузях промисловості широко використовуються кольорові метали і, особливо, сплави, незважаючи на їх більш високу вартість. Це пов’язано з тим, що вони мають ряд переваг перед сплавами на основі заліза, основними з яких є висока питома міцність і висока корозійна стійкість. Крім того, перехід промисловості на сплави легких металів значно розширює сировинну базу металургії.

У машинобудуванні найбільш широко використовуються сплави на основі алюмінію, міді, магнію і титану.

9.1. Алюміній і сплави на його основі

Алюміній – один з найбільш легких металів. Його атомний номер 13, атомна маса 26,97, кристалічна гратка – гранецентрована кубічна з параметром а=0,4041 нм, густина =2700 кг/м³, температура плавлення t_пл=660^оС; механічні характеристики: границя міцності на розтяг _В=110 МПа, твердість 25НВ, відносне видовження =40%. Алюміній – хімічно активний метал, але, внаслідок утворення на поверхні щільної плівки з Al₂O₃ , має високу корозійну стійкість. Він також добре піддається деформуванню і зварюванню.

Сталими домішками в алюмінію є залізо, кремній, мідь, цинк, марганець і деякі інші. В залежності від їх сумарної місткості первинний алюміній поділяють на алюміній особливо чистої, високої і технічної чистоти.

Алюміній особливої чистоти (марка А999) містить 0,001 % домішок, алюміній високої чистоти (А995, А99, А97 і А95) - від 0,005 до 0,05 %, алюміній технічної чистоти (А85, А8, А7, А7Е, А6, А5, А5Е і А0) – від 0,15 до 1,0 %.

Алюміній особливої чистоти застосовують для дослідницьких робіт, у напівпровідниковій і ядерній техніці. У промисловості використовують переважно алюміній високої і технічної чистоти, з якого виготовляють електропроводи, кабелі, конденсатори, фольгу, а найбільше – для виготовлення сплавів. Як конструкційний матеріал, алюміній через його низьку міцність практично не використовують.

У машинобудуванні широко застосовують алюмінієві сплави, які, окрім основного металу і домішок, мають спеціально введені легуючі елементи (мідь, марганець, цинк, літій, нікель і титан), що змінюють структуру і властивості у бажаному напрямі. Ці елементи утворюють з алюмінієм обмежені α-тверді розчини зі змінною розчинністю другого компонента, та інтерметалеві сполуки типу CuAl₂ (θ-фаза), Mg₂Si (β-фаза), Al₃Mg₂, Al₂CuMg (S-фаза), Al₂CuLi, Al₂Mg₃Zn₃ (T-фаза) та інші.

Сплави алюмінію мають високі механічні і технологічні властивості, більшість з них характеризуються високими тепло- і електропровідністю, доброю стійкістю до корозії. Питома міцність деяких із них наближається до високоміцних сталей.

За технологічною ознакою вони поділяються на дві групи:

- сплави, що деформуються (деформівні);

- ливарні сплави.

Деформівні алюмінієві сплави

Сплави, що деформуються, поділяються на сплави, які зміцнюються термічною обробкою, і на ті, що не зміцнюються термічною обробкою.

До деформівних алюмінієвих сплавів, що не зміцнюються термічною обробкою, належать сплави на основі алюмінію і марганцю і на основі алюмінію і магнію. Вони мають високу технологічність і корозійну стійкість. Марганець підвищує корозійну стійкість сплаву, а магній зменшує густину сплаву, підвищує його міцність, водночас знижуючи пластичність.

Сплави типу Al-Mn позначають літерами АМц, а сплави типуAl-Mn – літерами АМг. Про середню масову частку (у %) магнію в сплаві вказують цифри, які стоять після літер Мг: АМг1, АМг2, АМг3, АМг4 АМг5, АМг6.

Зміцнювальна термічна обробка сплавів АМц і АМг є малоефективною. Значно більший ефект дає деформування у холодному стані. Залежно від рівня зміцнення розрізняють напівнагартована (П) і нагартовані (Н) сплави.

Деформівні алюмінієві сплави, що не зміцнюються термічною обробкою, застосовують для виготовлення мало- і середньонавантажених виробів, зокрема резервуарів для пального, трубопроводи, рамні конструкції.

До деформівних алюмінієвих сплавів, що зміцнюються термічною обробкою, належать дуралюміни, авіалі, а також високоміцні, кувальні і жароміцні сплави. Вміст легуючих елементів у цих сплавах перевищує їх граничну розчинність в алюмінії при кімнатній температурі, але не перевищує граничну розчинність при температурі евтектичного перетворення.

Широке застосування у промисловості мають дуралюміни, які добре поєднують міцність і пластичність. Здатність цих сплавів, основою яких є алюміній і мідь, до зміцнення термічною обробкою пов’язано з тим, що мідь з алюмінієм, згідно з діаграмою стану Al-Cu (рис.9.1), утворює твердий розчин зі змінною граничною розчинністю міді: при t=548^оС – 5,6%, а при кімнатній температурі – 0,1% Cu. При охолодженні сплавів системи Al-Cu, що містять понад 0,1 до 5,6%Cu і які досягли однофазної області при нагріванні, з твердого розчину виділяється -фаза (CuAl₂) з високою твердістю (HV531), а в сплавах, додатково легованих магнієм, утворюється ще S-фаза (CuMgAl₂) з твердістю НV564. При гартуванні сплавів системи Al-Cu, що містять 4...5% Cu, з нагріванням до 500^оС утворюється пересичений твердий розчин Cu в Al, який є нестійким.

Тому в них при витримці у звичайних умовах або при нагріванні відбуваються зміни, що пов’язані з виділенням із перенасиченого розчину надлишкової міді у вигляді -фази і переходу розчину в рівноважний стан. Цей процес називають старінням. Якщо цей процес відбувається при звичайних умовах, то старіння називають природним, а якщо при нагріванні – штучним. Тривалість природного старіння дуралюміну становить 4...5 діб.

При старінні відбувається процес зміцнення сплавів системи Al-Cu, що є наслідком утворення зон Гіньє-Престона (ГП) - при природному старінні, або метастабільної -фази - при штучному старінні.

Зони ГП – це субмікроскопічні області з підвищеним вмістом міді, які мають пластинчасту форму завтовшки 0,5...1 нм і діаметром 4...10 нм, а -фаза за складом відповідає стабільній фазі CuAl₂ (), але має кристалічну гратку, яка відрізняється як від ґратки Al, так і від гратки CuAl₂.

Рис. 9.1. Діаграма стану сплавів Al-Cu

Дуралюміни містять 3,8...5,2 % Cu, 0,4...1,8 % Mg, 0,3...0,9 % Mn. Марки цих сплавів позначають літерою Д і числом, яке вказує номер сплаву, наприклад, Д1, Д6, Д16 тощо. На практиці для підвищення міцності дуралюміни гартують з 500 ^оС у воді та піддають штучному старінню при 100...200 ^оС. Безпосередньо після гартування сплав має σ_в=250 МПа, а після старіння – σ_в=410...520 МПа. Зміцнюючою фазою крім -фази є S-фаза (CuMgAl₂), твердість якої досягає НV564.

Головними легуючими елементами авіалів є магній і кремній, а основною зміцнювальною фазою - β-фаза (Mg₂Si). Авіалі марок АВ, АД31 і АД33 мають високу пластичність, зварюваність і стійкість до корозії, але дещо поступаються за міцністю дуралюмінам. З авіалів виготовляють деталі літаків, двигунів і напівфабрикатів (листи, труби тощо).

Кувальні алюмінієві сплави характеризуються доброю пластичністю і задовільною міцністю. Такі сплави позначаються літерами АК і числом, що позначає номер сплаву, наприклад, АК1, АК5, АК8 тощо. За хімічним складом кувальні сплави близькі до дуралюмінів, хоча вміст кремнію дещо вищий. Зміцнювальними фазами є Mg₂Si, CuAl₂, і ω-фаза. Гарячу обробку тиском (куванням, штампуванням тощо) виконують в інтервалі температур 420...470^оС. Сплав марки АК6 використовують для середньонавантажених деталей, а АК8 – для високонавантажених деталей.

Високоміцні сплави найміцніші з сплавів алюмінію, хоча за пластичністю поступаються дуралюмінам. Їх маркують літерою В (високоміцні) і умовним номером. Розчинність в алюмінії легуючих елементів (цинку, магнію і міді) зменшується, а під час охолодження вони утворюють інтерметалеві сполуки: фазу Т (Al₂Mg₃Zn₃), фазу М (MgZn₂), фазу S (Al₂CuMg). Наявність у структурі цих фаз підвищує міцність сплавів. Водночас цинк і магній знижують пластичність і стійкість до корозії.

Сплави В95 і В96 використовують в авіабудуванні для виготовлення високонавантажених деталей, які працюють при температурах до 100 ^оС.

Жароміцні сплави (АК4-1, АK-4) зберігають свої механічні властивості до температури 300^оС, тому їх застосовують для виготовлення деталей двигунів і обшивок надзвукових літаків. Порівняно з іншими сплавами алюмінію жароміцні сплави містять більшу кількість легуючих елементів з додаванням заліза, нікелю і титану. Залізо й нікель утворюють фазу Al₉FeNi, яка підвищує жароміцність.