Алюминиевые сплавы и области их применения. Деформируемые алюминиевые сплавы

---

.

Коррозионностойкие сплавы повышенной пластичности разделяют на две группы:

а) сплавы на основе системы Al-Mn (АМц ) и Al-Mg (АМr6), не упрочняемые термической обработкой. Их применяют для изготовления коррозионностойких изделий методами глубокой вытяжки и сварки (сварные бензобаки, трубопроводы для масла и бензина, корпуса и мачты судов)

б) сплавы системы Al-Mg-Si (АВ, АД31, АД33), упрочняемые закалкой (520-530º С) и искусственным старением (150-170º С, 10-12 ч). Сплавы АД31 и АД33 обладают большой коррозионной стойкостью и могут работать в интервале температур от -70 до +50º С. Из сплавов АВ (авиаль), АД31 и АД33 изготавливают лопатки и детали кабин вертолетов.

Дуралюмины. Сплавы системы Al-Cu-Mg (Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17 и др. Упрочняются термической обработкой, хорошо свариваются точечной сваркой, удовлетворительно обрабатываются резанием (в термоупрочненном состоянии). Дуралюмины широко применяются в авиации для изготовления лопастей воздушных винтов (Д1), силовых элементов конструкций самолетов (Д16, Д19), заклепок (В65, Д18) и др.

Высокопрочные сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu (В93, В95, В96Ц) характеризуются большими значениями временного сопротивления (до 700 МПа).рабочая температура высокопрочных сплавов не превышает 120º С. Сплавы используют для изготовления высоконагруженных изделий, как правило, работающих в условиях сжатия (стрингеры, шпангоуты, лонжероны и др.).

Высокомодульный сплав 1420 (система Al-Mg-Li) обладает за счет легирования алюминия литием и магнием пониженной плотностью и одновременно повышенным модулем упругости по сравнению со свойствами сплава Д16. Сплав может быть использован для замены в изделиях сплава Д16, обеспечивая при этом снижение их массы на 10-15 %.

Ковочные сплавы АК6 и АК8 (система Al-Mg-Si-Cu). Удовлетворительно свариваются, хорошо обрабатываются резанием, но склонны к коррозии под напряжением. Применяют для изготовления деталей самолетов работающих под нагрузкой (рамы, пояса лонжеронов, крепежные детали).

Жаропрочные алюминиевые сплавы системы Al-Cu-Mn (Д20, Д21) и Al-Cu-Mg-Fe-Ni (АК4-1) применяют для изготовления деталей (поршни, головки цилиндров, диски и лопатки компрессоров), работающих при повышенных температурах (до 300º С). Жаропрочность достигается за счет легирования сплавов никелем, железом и титаном.

Литейные алюминиевые сплавы.

Конструкционные герметичные сплавы систем Al-Si (АЛ2) и Al-Si-Mg (АЛ4, АЛ9, АЛ34) получили название силумины.

АЛ2 близок к эвтектоидному составу (10-13 % Si) и отличается высокими литейными свойствами, коррозионной стойкостью, большой плотностью отливок. Сплав АЛ2 используют для изготовления мелких, а АЛ4 и АЛ9 – средних и крупных литых деталей (корпусов компрессоров, картеров двигателей внутреннего сгорания). Сплав АЛ34 применяют для отливок, получаемых литьем под давлением (блоков цилиндров автомобильных двигателей).

Высокопрочные и жаропрочные литейные сплавы.

В эту группу входят сплавы системы AL-Cu- Mn (АЛ19), Al-Cu-Mn-Ni (АЛ33) Al-Si-Cu-Mg (АЛ3, АЛ5).

Легирование сплава АЛ19 титаном обеспечивает ему высокие механические свойства при комнатной и низких температурах, а дополнительное легирование церием и цирконием – жаропрочность при температурах до 300º С.

Сплав АЛ33 характеризуется высокой жаропрочностью, хорошей обрабатываемостью резанием, однако имеет пониженные литейные свойства и коррозионную стойкость.

Сплавы АЛ3 и АЛ5 отличаются повышенной жаропрочностью при температурах 250-270º С, но пониженной коррозионной стойкостью.

Коррозионностойкие литейные алюминиевые сплавы.

Сплавы системы AL-Mg ( АЛ8, АЛ27) Al-Mg- Zn (АЛ24) обладают высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, обрабатываются резанием и свариваются. Сплавы способны работать в условиях коррозии морской воды вместо дефицитных бронз, латуней и нержавеющих сталей.

Спеченные алюминиевые сплавы (порошковые и гранулированные) характеризуются повышенными механическими и физическими свойствами.

Спеченный алюминиевый порошок (САП)- это материал, полученный холодным, а затем горячим брикетированием (прессованием под давлением 700 МПа при 500-600º С) предварительно окисленной алюминиевой пудры (чешуек толщиной до 1 мкм). Потом из горячепрессованных брикетов ковкой, прокаткой или прессованием изготавливают изделия или полуфабрикаты. САП характеризуется высокой прочностью и жаропрочностью при повышенных температурах. Поскольку каждая частичка пудры покрыта тонким слоем оксида алюминия, то чем тоньше пудра, тем больше в САПе оксида алюминия, выше его прочность, но ниже пластичность; в САПе содержится Al₂O₃ от 6 до 22 %.

Спеченные алюминиевые сплавы систем Al-Si-Ni (САС-1) и Al-Si-Fe (САС-2), отличающиеся низким коэффициентом термического расширения, изготавливают из порошков, полученных пульверизацией жидких сплавов.

Композиционные алюминиевые сплавы.

Волокнистые композиционные материалы получают, армируя алюминиевые сплавы АД1, АД33 борными волокнами (ВКА-1, ВКА-2).эти материалы используют для изготовления стрингеров, труб. Для композиционных материалов ВКА-1 и ВКА-2 характерны высокие значения циклической прочности.

Алюминиевые сплавы, армированные стальной проволокой (КАС-1, КАС-1А), могут подвергаться гибке, обладают высокой ударной вязкостью и жаропрочностью, большим сопротивлением распространению усталостной трещины и значительной прочностью.

Титан и его сплавы.

Титан – металл серебристо-белого цвета. Титан легок ( плотность 4,5 Мг/м³), тугоплавок (температура плавления 1665º С), весьма прочен и пластичен. На поверхности его образуется стойкая окисная пленка, за счет которой он хорошо сопротивляется коррозии в пресной и морской воде, а также в некоторых кислотах. При температурах до 882º С он имеет гексагональную плотноупакованную решетку ( – титан с ГПУ), при более высоких температурах – объемно-центрированный куб ( – титан с ОЦК решеткой). Предел прочности титана – 300-1200 МПа, относительное удлинение – 4-30 %. Предел прочности титановых сплавов – 350-1000 МПа, относительное удлинение – 4-10 %.

Титан можно легировать различными элементами. Некоторые из них стабилизирует - состояние, другие – состояние. Следовательно, различают сплавы , и + . Основными легирующими элементами в таких сплавах являются алюминий, олово, ванадий, хром, молибден, кобальт и некоторые другие.

По технологии производства титановые сплавы подразделяют (классифицируют) на деформируемые, литейные и порошковые, по физико-химическим, в том числе механическим, свойствам на высокопрочные, обычной прочности, высокопластичные, жаропрочные и коррозионностойкие.

Применение сплавов титана. Из сплавов титана изготавливают: обшивку самолетов (на постройку одного сверхзвукового самолета идет от 4 до 25 т титана), морских судов, подводных лодок, корпуса ракет и двигателей, диски и лопатки стационарных турбин и компрессоров авиационных двигателей, гребные винты. Баллоны для сжиженных газов, емкости для агрессивных химических сред и др.

Цинк.

Цинк – металл светло-серо-голубоватого цвета, хрупкий при комнатной температуре, при нагревании до 100-150º С становится пластичным. Цинк относится к металлам с гексагональной кристаллической решеткой. Температура плавления 419,5º С.

Жаростойкие и жаропрочные никелевые сплавы.

В качестве сплавов для деталей, работающих при 700-1000º С, наибольшее применение находят сплавы на основе никеля.

Никель – вязкий металл с сильным блеском. По своей структуре он относится к металлам с кубической гранецентрированной решеткой. Температура плавления 1455º С. Никель можно ковать, прокатывать и вытягивать в проволоку. Предел прочности никеля при растяжении составляет 400-700 Н/мм². Он устойчив к коррозии в воде, в том числе морской, в щелочах, растворах солей и многих органических кислотах.

Жаростойкие сплавы (нихромы).

(Жаростойкость – способность материала сопротивляться окислению при высоких температурах)

Жаростойкие сплавы на никелевой основе представляют собой малоуглеродистые Ni-Cr, Ni-Cr-Fe, или Ni-Cr-W-Fe твердые растворы, легированные Si, Ai, Ti. Эти сплавы отличаются сочетанием высокой жаростойкости и значительным электрическим сопротивлением (1,05 – 1,40 Ом мм²/м); их температура плавления составляет 1370-1420º С, предел прочности на растяжение 700-1000 МПа, относительное удлинение – 20-40 %. Они имеют хорошие технологические свойства, что позволяет их сваривать, изготавливать из них проволоку, лист, ленту. Нихромы применяют для изготовления нагревательных элементов электрических печей и бытовых приборов, изделий, эксплуатируемых при высоких температурах и небольших механических нагрузках. В промышленности применяют нихромы типа Х10Н90, Х20Н80, х40Н60, Х50Н50, а также нихромы с дополнительным легированием Х20Н75БТЮ, Х25Н60В15Т. Наибольшей жаростойкостью в окислительных средах обладают нихромы Х20Н80, Х30Н70.

Жаропрочные сплавы.

(Жаропрочность – сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки.

Ползучесть – это деформация, непрерывно увеличивающаяся и завершающаяся разрушением под действием постоянной нагрузки при длительном воздействии высоких температур.)

Развитие жаропрочных никелевых сплавов началось с небольших добавок титана и алюминия к нихрому. Сплав, содержащий 2,5 %титана, 1,5 % алюминия, 20 % хрома, на основе никеля получил название нимоник-80. Аналог этого сплава – сплав ХН77ТЮ, кроме никеля он содержит 19-20 % хрома, 2,3-2,7 % титана, 0,55- 0,95 % алюминия.

Для работы при 800-1100º С применяют сплав ХН55ВМТФКЮ (рабочие лопатки турбин).

Жаропрочные никелевые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные. Жаропрочные свойства деформируемых сплавов формируются при термической обработке. Литейные жаропрочные никелевые сплавы по составу сходны с деформируемыми, но обычно содержат большее количество алюминия и титана. У литейных жаропрочных сплавов высокие прочностные характеристики при повышенных температурах. Так длительная прочность сплава марки ЖС6К составляет 320 МПа при температуре 900º С и 160 МПа при 1000º С. Эти сплавы применяют для изготовления сопловых и рабочих лопаток газотурбинных авиационных двигателей.

Подшипниковые (антифрикционные) сплавы.

Подшипниковыми называют антифрикционные сплавы, применяемые для изготовления или заливки подшипников с целью уменьшения износа и нагрева трущихся деталей машин (валы, оси).

Эти сплавы должны обладать следующими основными свойствами:

• иметь достаточную пластичность для лучшей прирабатываемости к поверхности вращающегося вала и твердость, не вызывающую сильного истирания вала, но достаточную для вкладыша как для опоры вала;
• удерживать смазку на поверхности вкладыша (иметь микропористость);
• иметь малый коэффициент трения с материалом вращающегося вала.

Подшипниковые материалы представляют собой сочетание достаточно прочной, относительно пластичной и вязкой основы, в которой имеются твердые опорные включения. При этих условиях изнашивается пластичная основа, вал в основном лежит на твердых опорных включениях и, следовательно, трение идет не по всей поверхности подшипника и смазка удерживается в изнашивающихся местах пластичной основы (Рис.66.).

Рис.66.

К антифрикционным материалам относятся сплавы на основе олова и свинца (так называемые баббиты), меди, алюминия, цинка, антифрикционные чугуны и порошковые подшипниковые материалы.

Баббиты.

Баббиты обозначают буквой Б и двух- или однозначной цифрой, указывающей среднее содержание олова в процентах (для оловянных баббитов) или буквами БН, БК, БС, БТ (для безоловянных баббитов). Буквы Н, К, С, Т обозначают наличие в баббите никеля, кальция, свинца, теллура.

К первой группе относят баббиты марок Б89 и Б83, содержащие соответственно 89 и 83 % олова и легированные медью (до 6 %) и сурьмой (до 12 %). Ко второй группе относятся баббиты марок Б16, Б6, БН, БКА, БК2. Баббиты марок Б16, Б6, БН и БТ называют малооловянными (5-7 % олова). К безоловянным относят кальциевые баббиты марок БКА и БК2.

Низкая температура плавления баббитов (420 – 540º С) облегчает их применение для заливки подшипников.

Для того чтобы на основе олова можно было получить антифрикционный сплав, в него вводят элементы, которые упрочняют слишком мягкое и непрочное олово, образуя твердые включения. Для этой цели служат добавляемые в сплав сурьма и медь. Сурьма растворяется в олове с образованием твердого раствора, который имеет большую твердость и прочность, чем чистое олово, почти при той же пластичности. Кроме того сурьма с оловом образуют химическое соединение SbSn с высокой твердостью. Таким образом, сурьма упрочняет основу оловянных антифрикционных сплавов и создает опорные включения высокой твердости в виде химических соединений (Рис.67.).

Медь с оловом образуют кристаллы химического соединения Cu₃Sn.

Рис.67.

Так как олово – дорогой и дефицитный элемент, оловянные баббиты применяют только в особо ответственных случаях. Для подшипников более широкого применения, например в автомобильных и тракторных двигателях, прокатных станах, металлообрабатывающих станках, в баббиты в значительных количествах вводят свинец и понижают содержание олова до 5-17 %. В таких сплавах основой служит свинец.

Для упрочнения свинца и создания твердых частиц в сплав также вводят сурьму и медь.

Вводимый в баббит никель (БН) улучшает форму включений и измельчает структуру.

Свинцовая бронза БрС30 (27-33 % свинца, остальное медь) применяется для вкладышей подшипников мощных двигателей (авиационных, дизельных и др.).

Сплавы на основе алюминия, например АН-2,5, содержащий 2,7-3,3 % никеля, применяют для изготовлении вкладышей коленчатого вала автомобилей. Сплав А09-2 (8-10 %олова, 2,0-2,5 % меди, 0,8-1,2 % никеля, 0,3-0,7 % кремния) применяется для отливки монометаллических вкладышей и втулок в транспортном и общем машиностроении.

Сплавы на основе цинка, например ЦАН 10-5 (9-12 % алюминия, 4-5,5 % меди, 0,03-0,06 % магния), применяют в подшипниках металлорежущих станков, прессов и др.

Антифрикционный чугун. В качестве антифрикционных подшипниковых материалов применяют серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Металлическая основа таких чугунов является в основном перлитной или перлитно-ферритной. Буквы в марках чугунов означают: А – антифрикционный, Ч – чугун, С – серый, В – высокопрочный, К – ковкий.

Твердые сплавы (металлокерамические) и минералокерамические материалы.

Основной частью всех металлокерамических твердых сплавов являются карбиды тугоплавких металлов – вольфрама и титана (Таблицка.7.). В качестве связующего материала в состав твердых сплавов обычно входит кобальт. Карбиды тугоплавких металлов вследствие их высокой твердости и износоустойчивости применяются в качестве основной части твердых сплавов.

Карбиды тугоплавких металлов не разлагаются при обыкновенных температурах ни кислотами, ни щелочами. Твердость карбидов таких металлов, как железо, кремний, вольфрам, титан, тантал, ниобий, ванадий приближается к твердости алмаза.

Таблица.7. Свойства карбидов титана и вольфрама, входящих в состав твердых сплавов

Показатели	Карбид вольфрама	Карбид титана
Температура плавления в ºС	2600	3140
Твердость по минеральной шкале1	Более 9	8-9
Содержание углерода в %	5,8-6,1	19,0-20,0
Плотность	15,5	4,93
1 твердость алмаза принята за 10.

Сложность изготовления и использования карбидов тугоплавких металлов привела к тому, что сами карбиды стали получать с помощью методов порошковой металлургии в виде очень тонкого и мелкого порошка, а изделия из них – путем прессования и последующего спекания при температуре плавления этих веществ. Так как спеченные карбиды оказались весьма хрупки, в состав твердых сплавов начали вводить вспомогательный материал – кобальт, который в процессе спекания расплавляется, растекается между зернами карбида и при охлаждении затвердевает, способствуя образованию прочного сплава.

Твердые спеченные сплавы состоят из смеси порошков карбида вольфрама (основа) – 66-97 % и кобальта 3-25 %. В зависимости от марки сплава в него добавляют такие компоненты, как карбид титана – 3-30 % и карбид тантала – 2-12 %. Предел прочности твердых сплавов при изгибе составляет 1176-2156 МПа (120-220 кгс/мм²), твердость – 79-92 HRА.

Вольфрамокобальтовые твердые сплавы (WC-Co) ВК.

Сплавы маркируются буквами «ВК» и цифрой, показывающей содержание кобальта (например, ВК3 – 3 % Со и 97 % WC). Увеличение содержания кобальта в сплавах группы ВК приводит к повышению прочности , но твердость и износостойкость при этом снижаются. Теплостойкость сплавов ВК составляет около 900º С,

По содержанию кобальта сплавы можно разделить на три группы:

• низкокобальтовые (3-8 % Со) – применяют для изготовления режущего инструмента
• среднекобальтовые (до 15 % Со) – применяют для изготовления бурового инструмента.
• высококобальтовые (до 25 % Со) – применяют для изготовления штампового инструмента.

Вольфрамокобальтовые твердые сплавы применяют при обработке хрупких материалов (материалов с элементной стружкой): чугуна, бронз, фарфора, стекла и др.

Титановольфрамокобальтовые твердые сплавы

(WC-Ti-Co) ТК.

Сплавы обозначаются комбинацией букв и цифр (например, Т30К4 – 30 % – TiC, 4 % Co, 66 % – WC)

Теплостойкость сплавов ТК составляет около 1000º С. Увеличение содержания кобальта приводит к повышению прочности с одновременным снижением твердости и теплостойкости.

Титановольфрамокобальтовые твердые сплавы применяют для обработки вязких материалов (со сливной стружкой): стали, латуни и др.

Титанотанталовольфрамокобальтовые твердые сплавы (WC-TiC-TaC-Co) ТТК.

Обозначение сплавов ТТК аналогично ТК. Цифра после второй буквы «Т» указывает на суммарное содержание карбидов титана и тантала (например, ТТ7К12 – 7 % TiC и TaC, 12 % Co, остальное 81 % WC).

Титанотанталовольфрамокобальтовые твердые сплавы применяют для черновой обработки материалов, когда сплавы ВК и ТК не пригодны (тяжелые условия резания с большими силовыми и температурными нагрузками).

Минералокерамические материалы.

Кроме твердых металлокерамических сплавов, в машиностроении применяют минералокерамические материалы. Получают их путем специальной обработки порошкообразных минералов (технической окиси алюминия Al₂O₃) с другими веществами и последующего обжига отформованных заготовок. По составу режущую керамику подразделяют на оксидную – Al₂O₃ (99 %) c добавками оксидов магния и циркония (белая); оксидно-карбидную Al₂O₃ (60-80 %) с оксидами и карбидами тугоплавких металлов (черная); оксидно-нитридная Al₂O₃ и TiN (кортинит); на основе нитрида кремния Si₃N₄ (силинит – Р).в отличии от твердых сплавов керамика не содержит металла – связки, в ее состав входят только твердые компоненты – оксиды, карбиды, нитриды. Поэтому керамика имеет весьма теплостойкость (1200-1400º С) и твердость (до 96 HRC), что позволяет выполнять резание со скоростями 400-600 м/мин. Отсутствие пластичной фазы в структуре керамики определяет высокую хрупкость и низкую прочность режущего инструмента.

Широкое применение получил минералокерамический материал – микролит ЦМ-332. он обладает высокими твердостью (HRC 90-95), тепло- и износостойкостью, по которым превосходит твердые сплавы.

Инструменты, оснащенные пластинками микролита, эффективно применяются при чистовой и получистовой обработке стали и чугуна, а также неметаллических материалов, цветных металлов и их сплавов.

Наплавочные сплавы и электроды.

Наплавочные материалы изготавливают в виде порошка, крупки (зернообразные сплавы – сталинит и др.) и в виде электродов – кусков электродной железной проволоки, обмазанных специальными составами, основу которых составляют различные ферросплавы (феррохром, ферромарганец и др. Таблица.8.)

Таблица.8. Основной состав наплавочных сплавов.

Название сплава	Марка	Основной состав	Твердость наплавленного слоя HRC
Сталинит	Улучшенный	Хром, марганец, углерод, кремний, железо.	75
Боридо-хромистая смесь	КБХ	Хром, бор, кремний, углерод, железо.	78
Боридная смесь	БХ	Хром, бор, углерод.	80
Литые карбиды вольфра-ма	ТЗ	Зерна карбида вольфрама в железной трубке	90
То же	З	Зерна карбида вольфрама	90

Сталинит применяют в основном для наплавки деталей, подвергающихся грубому износу, например щек камнедробилок, зубьев козырьков ковшей экскаваторов, буровых долотьев и т.п.

Боридно-хромистая смесь используется для наплавки новых и восстановления изношенных деталей строительных, дорожных и горнорудных машин.

Боридная смесь применяется для тех же целей, но в более ответственных деталях машин.

Стойкость инструментов и деталей, наплавленных литыми твердыми сплавами, повышается в 8-12 раз и более.