Алюминиевые деформируемые сплавы

Деформируемые сплавы алюминия

Конструкционные материалы с небольшой плотностью и хорошими прочностными свойствами по распространенности занимают второе место после сталей. Они используются при создании авиатехники, в машиностроении, химической, пищевой, нефтеперерабатывающей и других отраслях.

На основе легкого, нержавеющего алюминия созданы легированные сплавы с различными эксплуатационными характеристиками. Хорошо поддающиеся механической обработке в горячем, холодном виде алюминиевые деформируемые сплавы составляют большинство – до 80% общего объема производства алюминия различных марок. Химический состав легированного алюминия, концентрации вводимых компонентов влияют на сочетание физических, механических, коррозионных свойств металла.

Из алюминиевых деформируемых сплавов получают сортовой, листовой, профильный прокат для промышленного и бытового назначения. Применяют методы:

• прессования;
• волочения;
• ковки;
• прокатки;
• штамповки.

При производстве листов, фольги, профилей прямоугольного, квадратного сечения, прутков, труб и различного фасонного проката, сложных форм применяются технологии упрочнения структуры, улучшения прочностных характеристик. Металлы на основе алюминия поддаются многим видам обработки в горячем и холодном виде.

Влияние добавок на физические свойства

Алюминиевые деформируемые сплавы производят двумя способами:

выплавляют в соответствии со стандартом в виде чушек (литых заготовок различной конфигурации);

спекают из металлических порошков в виде заготовки определенной конфигурации.

Их классифицируют по различным признакам, в том числе по вводимым добавкам. Медь, магний, цинк, марганец, никель и хром – основные легирующие компоненты алюминиевых деформируемых сплавов. Они меняются коррозионные, технологические и физические свойства готовых изделий. Большинство добавок повышают электросопротивление, отрицательно влияют на электропроводность.

Алюминиево-медные системы

В термоупрочненном состоянии демонстрируют хорошие механические свойства, но подвержены коррозии. Требуется дополнительная поверхностная обработка металлоизделий для повышения коррозионной стойкости. Систему АL-Cu дополнительно легируют:

• марганцем, он снижает химическую активность;
• кремнием, компонент влияет на точку эвтектики – равновесия жидкой и твердой фаз;
• железом для улучшения прочностных свойств, снижение пластичности и коррозионной устойчивости компенсируется никелем;
• никель в сочетании с железом повышают жаропрочность, улучшают их способность к старению.
• медь улучшает способность к деформации и упрочнению полуфабрикатов и готовых изделий при низких температурах. Сплавы АL-Cu-Si (алькусины) обладают антифрикционными свойствами, используются при изготовлении деталей двигателей, трансмиссии, ходовой части машин.

Алюминиево-магниевые системы

Характеризуются высоким уровнем сохранения физических свойств во время эксплуатации, усталостной прочностью. Полуфабрикаты и готовые изделия из алюминиевых деформируемых сплавов, легируемых магнием, отличаются хорошей свариваемостью, монтажеспособностью, химической устойчивостью. В систему АL-Mg вводят до 6% магния. Чем выше концентрация, тем лучше прочностные показатели. Каждый процент Mg уменьшает коэффициент относительного удлинения, повышает пределы:

• текучести на 20 МПа;
• прочности на 30 МПа.

В предельных концентрациях Mg снижает стабильность нагортового слоя, повышает химическую активность системы, особенно при нагревании. У полуфабрикатов и готовых изделий ухудшается коррозионная устойчивость.

В качестве легирующих добавок в систему АL-Mg вводят марганец, хром, кремний, ванадий, титан, литий, цинк. Железо снижает свариваемость, повышает химическую активность. Группа металлов АL-Mg- Si называется аивалями (сокращенное словосочетание «авиационный алюминий). Высокая пластичность, способность к упрочнению достигается за счет Mg2Si. Металлы дополнительно легируют марганцем, хромом, медью. Из авиаля изготавливают штампованные полуфабрикаты, лонжероны, винтовые лопасти.

Цинк делает систему АL-Mg особо прочной. В точке эвтектики сплав с Zn способен интенсивно насыщаться магнием. Химическую активность системы АL-Mg-Zn уравновешивает медь.

Алюминиево-марганцевые системы

Проявляют свойства сталей, такие же прочные и пластичные, отличаются химической стабильностью, склонностью к свариванию. Системы Al-Mn улучшают добавлением титана, он не позволяет формироваться крупным зернам, структура остается мелкозернистой. Хорошо отражается на свойствах введение железа, кремния. Для изготовления полуфабрикатов и готовых изделий, подлежащих нагортовке, используют алюминиево-марганцевые сплавы с добавлением марганца.

Способность к упрочнению

Алюминиевые деформируемые сплавы делятся на неупрочняемые термообработкой и упрочняемые.

Термически упрочняемые

«Д» и цифровым показателем, обозначающим марку, – дюрали (дуралюмины), система Al-Cu-Mg нередко дополняется Mn. Медь и магний упрочняют сплав, марганец улучшает коррозионную устойчивость. Дюрали распространены в авиатехнике. Для судостроения используют плакированные полуфабрикаты и прокат.

Упрочняются закалкой в температурном диапазоне 490—525°С (в зависимости от марки); естественным (зонным) старением; искусственным (фазовым) старением. Отличаются:

высокой статической и усталостной прочностью;

вязкостью, хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии;

устойчивостью к деформации под ударной нагрузкой;

при нагреве свыше 80–175°С (в зависимости от марки) склонны к коррозионному разрушению;

свариваются только точечной сваркой, при электродуговой и газовой склонны к образованию трещин за счет возникающих остаточных напряжений в области нагрева.

Алюминиевые деформируемые сплавы монтируются заклепками, болтами.

«АВ» – авиали, система Al-Cu-Mg-Si. Характеризуются:

• повышенной пластичностью;
• средними показателями прочности;
• хорошей монтажеспосбностью;
• высокой устойчивостью к коррозии;
• небольшим сопротивлением.

Структура сплава упрочняется за счет Mg2Si, выделяемого при искусственном старении металла.

«АК» – ковочные алюминиевые сплавы, системы Al-Сu-Mg-Si характеризуются пластичностью в нагретом состоянии. Используются для изготовления штампованных полуфабрикатов, деталей самолетов, испытывающих большую нагрузку. Медь ухудшает пластичность системы, металл сложнее обрабатывать давлением. Ковка и штамповка возможны при нагреве авиалей до 420—470°С. Недостаток ковочных алюминиевых деформируемых сплавов –склонность к коррозионным разрушениям под действием морской атмосферы, при контрасте температур и образовании конденсата.

«В» – высокопрочные системы Аl-Си-Zn-Mg характеризуются низкой пластичностью. Используются при производстве нагруженных деталей, металлоконструкций, сборных каркасов. Хорошо поддаются закалке, искусственному старению. Легируются марганцем, хромом. Введение циркония повышает пластичность.

Жаропрочные дюрали «Д20» и другие системы Аl-Си-Mg-Ni-Fe сохраняют при нагреве свыше +300 °С эксплуатационные характеристики длительный срок. Полуфабрикаты и прокат подвергают искусственному старению. Они поддаются резке, клепке. Свариваются только роликовой сваркой трением и точечной, при электродуговой и газовой в зоне нагрева формируются трещины.

Неупрочняемые

Гомогенные системы Al—Mg, обозначаемые «АМц» (алюминий, легированный магнием) и Al—Mn, маркированные «АМг» (легирующим компонентом является марганец). При нагревании в них укрупняется размер зерна, поэтому их упрочнят в холодном виде нагартовкой (метод холодной пластической деформации под ударной нагрузкой). Неупрочняемые алюминиевые деформируемые сплавы характеризуются:

• повышенной пластичностью;
• способностью деформироваться под давлением без разрывов;
• хорошей свариваемостью;
• устойчивостью к коррозионным разрушениям в условиях повышенной влажности.

Металл используют для производства полуфабрикатов, профиля и деталей для судостроения, нефтеперерабатывающей, химической промышленности.

Спеченные порошки

Порошковые алюминиевые деформируемые сплавы выпускают двух видов:

САП – спекаемые;

САС – сплавляемые из пудры.

САП характеризуются высокой жаропрочностью, они превосходят технический алюминий, выносят длительный нагрев в диапазоне температур 300–500°С, кратковременный в пределах +1100°С.

Порошковые алюминиевые деформируемые сплавы получают путем спекания измельченного металлического алюминия и оксида AL2O3. Концентрация оксида градируется, в САП1 от 6 до 9%, в САП4 от 18 до 22%. Во время спекания на частицах алюминия образуется оксидная пленка. Такая структура обладает стойкостью к нагреванию, так как температура плавления оксида свыше +1300°С. Сплав характеризуется высокой прочностью в пределах от 320 до 460 МПа.

Брикетированные полуфабрикаты поддаются механической обработке, их используют при производстве сортового, профильного и фасонного проката.

При повышении концентрации оксида ухудшается способность к прокатке, штамповке, металл приходится нагревать свыше +500°С.

САС помимо алюминия и оксида содержат легирующие добавки: хром, кремний, никель, титан, цинк, натрий, магний и другие. Иногда компонентный состав полностью соответствует ГОСТ 4784-97, обладают схожими свойствами, но отличаются повышенной стабильностью при нагреве. Используются для производства деталей, испытывающих термическое напряжение. В отличие от литья, детали из порошковых алюминиевых деформируемых сплавов не содержат шлаковых включений, пленов, других дефектов, связанных с нагревом алюминия. Детали имеют гомогенную структуру, их нет необходимости подвергать отжигу.

Маркировка

На изделиях из алюминиевых деформируемых сплавов бывает маркировка двух видов:

• буквенно-цифровая (указывается название сплава и его марка);
• цифровая из четырех символов.

Дополнительно наносится маркировка технологической обработки.

САП, САС – спеченные из порошков металлы. А – технический алюминий, градируется по чистоте сплава. АК, АВ, В, АМг, АМц – термические упрочняемые марки, соответствующие по компонентному составу ГОСТ 4784-97.

Обозначение состояния металла

Алюминиевые деформируются сплавы маркируются по виду обработки. «Н» обозначает, что алюминий нагартованный. Возможные структурные состояния алюминия, указанные в обозначениях марки:

«Н1» – металл подвергался только нагортовке;

«Н2» – помимо пластической деформации производился частичный отжиг;

«Н3» – после нагортовки алюминий стабилизировали для снятия внутренних напряжений (нагрели до средних температур и медленно охладили);

«Н4» – технологией предусмотрено лакокрасочное покрытие нагартованного металла

«П» – полунагартованный сплав

«Н» –полностью нагартованный алюминий.

Существует и другая градация степени нагартовки: на ¼, ¾, сверхполной. От степени нагартовки зависит прочность алюминиевого деформируемого сплава. Нагортовка применяется, когда нет возможности другими способами упрочнить алюминий. В процессе холодной деформации повышается устойчивость к растрескиванию, предотвращается усталостное разрушение материала.

«Т» в марке говорит о термическом упрочнении металла:

закалке, нагреве до температуры +500°С с последующим охлаждением в воде;

старении, естественное производят в течение 5–7 суток при комнатной температуре, для искусственного металл нагревают, время старения сокращается.

Указывают одно из 10 базовых состояний от «Т1» до «Т10». Дополнительно маркируется форма снятия остаточных напряжений: методом сжатия или растяжения.

Отожженные изделия из алюминиевых деформируемых сплавов в марке имеют букву «М». Они обладают повышенной пластичностью. Степень отжига не градируется.

Цифровое обозначение металлов

Алюминиевые деформируемые сплавы с 1906-го года маркируются цифровыми четырехзначными показателями.

1ХХХ – первая цифра «1» обозначается, что основа у металла – алюминиевая. 10ХХ – так обозначают продукцию порошковой металлургии (спекаемые сплавы), все остальные цифры обозначают легирующие компоненты:

1 – алюминий легирован медью и магнием;

2 – алюминиевые деформируемые сплавы с медью;

3 – присутствуют магний и кремний;

4 – есть литий или другие малорастворимые компоненты марганец, хром, цирконий);

5 – алюминий с магнием (магналии);

6, 7, 8 – запасные цифры, оставленные для будущих алюминиевых деформируемых сплавов;

9 – в составе есть цинк, магний, возможно медь.

Две последних цифры в четырехзначном обозначении – марка стали, соответствующая стандарту.

Зная маркировку, несложно выбрать необходимый по техническому проекту алюминиевый деформируемый сплав с нужными эксплуатационными характеристиками.

Черный металлопрокатНержавеющий металлопрокатЭлементы трубопроводаТрубная арматураЦветной металлопрокатКрепеж и метизы МеталлоконструкцииПрофнастилКровельные материалыСварочные материалы