Цветные металлы и сплавы (стр. 3 )

** Допускается массовая доля железа не менее 0,18 %.

*** «Е» — в марках с гарантированными электрическими характеристиками.

Технический алюминий

Марки и химический состав технического алюминия (ГОСТ 4784–97) приведены в табл. 16.2. Большой объем производства полуфабрикатов из технического алюминия составляют листы, проволока, прутки, трубы, которые применяются в трех состояниях: отожженном (М), полунагартованном (Н2) или нагартованном (Н), горячекатаном (ГК). Механические свойства технического алюминия приведены в табл. 16.3.

Технический алюминий и его сварные соединения обладают высокой коррозионной стойкостью к межкристаллитной, расслаивающей коррозии и не склонны к коррозионному растрескиванию.

Таблица 16.2

Химический состав (%) технического алюминия

Марка	Al, не менее	Примеси, не более
Российская	Между–народная	Cu	Mg	Mn	Fe	Si	Zn	Ti	Cr
Буквенная	Цифровая
АД000	–	1080А	99,80	0,03	0,02	0,02	0,15	0,15	0,06	0,02	–
АД00	1010	1070А	99,70	0,03	0,03	0,03	0,25	0,20	0,07	0,03	–
АД00Е	1010Е	1370	99,70	0,02	0,02	0,01	0,25	0,10	0,04	*	0,01
АД0	1011	1050	99,50	0,05	0,05	0,05	0,40	0,25	0,07	0,05	–
АД0Е	1011Е	1350	99,50	0,05	–	0,01	0,40	0,10	0,05	**	0,01
АД1	1013	1230	99,30	0,05	0,05	0,025	0,30	0,30	0,10	0,15	–
АД	1015	1200	98,80	0,05	–	0,05	Fe + Si: 1,0	0,10	0,05	–
АД1пл	–	–	99,30	0,02	0,05	0,025	0,30	0,30	0,10	0,15	–

* B: 0,02 %; Ti + V: 0,02 %.

** B: 0,05 %; Ti + V: 0,02 %.

Таблица 16.3

Гарантируемые механические характеристики (не менее) листов из АД0, АД1

Состояние	Толщина листа, мм	s в, МПа	d 10, %
М	0,5	£ 60	20
От 0,6 до 0,9	£ 60	25
От 1,0 до 10,0	£ 60	28
Н*	От 0,5 до 0,8	145	3
От 0,9 до 4,0	145	4
От 4,1 до 10,0	130	5
ГК	От 5,0 до 10,5	70	15

* Для полунагартованного состояния Н2 (деформация при прокатке 40–60 %) s в = 100–135 МПа, d 10 = 8 %.

Термической обработкой алюминий не упрочняется. Для полного разупрочнения нагартованного алюминия применяют отжиг при температурах 300–500 ° С с охлаждением на воздухе или в воде. Для частичного снятия упрочнения нагартованного алюминия проводят отжиг при 150–300 ° С.

Алюминий обладает высокой технологической пластичностью, сваривается всеми методами. Обрабатываемость резанием плохая вследствие высокой вязкости.

Применение. Алюминий используется во многих отраслях промышленности и в быту. Он применяется в химической и пищевой промышленности, так как не взаимодействует с концентрированной азотной, органическими кислотами и пищевыми продуктами. Из него изготавливается различная тара, емкости, упаковочный материал и др. В отличие от плакированной жести, он легко перерабатывается. Кроме того алюминий широко применяют в строительстве, авто - и вагоностроении, электротехнике и криогенной технике. Алюминий марок АД1 и АД1пл используется в качестве плакирующего слоя на листах из сплава типа дуралюмин для защиты от коррозии.

Классификация алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы, наряду с сохранением достоинств алюминия, обладают значительно более высокой прочностью и требуемыми эксплуатационно-технологическими характеристиками.

Основными легирующими элементами в алюминиевых сплавах являются Cu, Zn, Mg, Mn, Zr. В условиях равновесия алюминиевые сплавы представляют собой равновесный твердый раствор с выделениями интерметаллидных фаз типа CuAl2
(q -фаза), Al2CuMg (S-фаза), Al6CuMg4 (Т-фаза) и др. Помимо основных элементов в сплавы вводят малые добавки Cr, Zr, Ti, Sc, V, Be и некоторые редкоземельные элементы, которые существенно влияют на кинетику распада пересыщенного твердого раствора, на процесс рекристаллизации и размер зерна, на коррозионные и технологические свойства.

Большое влияние на технологические, особенно литейные свойства, в частности на пластичность и склонность к кристаллизационным трещинам, оказывают уровень и соотношение постоянно присутствующих примесей железа и кремния. При уменьшении содержания этих примесей и, соответственно, количества грубых первичных интерметаллидов в сплавах существенно повышаются характеристики пластичности и вязкости разрушения. Поэтому для техники ответственного назначения, в том числе для авиакосмической, разработаны сплавы с жестким ограничением по примесям, которые в марке имеют обозначение «ч» — чистые; «пч» — повышенной чистоты; «оч» — особой чистоты.

Состав промышленных алюминиевых сплавов (ГОСТ 4784–97, ГОСТ 1583–93 и др.), структура и свойства изделий из них в значительной степени определяются способом производства. По способу производства алюминиевые сплавы делятся на две основные группы: деформируемые и литейные.

По способности к упрочнению термической обработкой алюминиевые сплавы подразделяются на неупрочняемые термообработкой и упрочняемые термообработкой (см рис 16.1).

Рис. 16.1 Типовая диаграмма состояния сплавов Al—легирующий элемент (схема):
Д — деформируемые сплавы; Л — литейные сплавы; I — сплавы, не упрочняемые термической обработкой; II — сплавы, упрочняемые термической обработкой

В зависимости от уровня прочности, технологических свойств и назначения алюминиевые сплавы разделяют на сплавы высокой, средней и пониженной прочности; ковочные, заклепочные, свариваемые; коррозионностойкие, жаропрочные, криогенные, со специальными физическими свойствами (например, пониженной плотности) и др.

ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Общие сведения

Из деформируемых сплавов методом полунепрерывного литья получают круглые и плоские слитки, которые подвергают горячей и холодной обработке давлением (прессованию, прокатке, ковке, штамповке и др.). Главной структурной составляющей деформируемых сплавов является твердый раствор на основе алюминия, а объемная доля хрупких интерметаллидов сравнительно невелика (не более 10 %), что обеспечивает деформируемость этих сплавов.

Упрочнение деформируемых алюминиевых сплавов, а также изменение физических, технологических, коррозионных свойств достигается с помощью различных методов: нагартовки, термической обработки (закалка + старение), термомеханической обработки (сочетание термической обработки и пластической деформации), закалки из жидкого состояния и упрочнения нерастворимыми частицами оксида алюминия, интерметаллидов и др. (порошковые материалы).

Состояние полуфабрикатов из алюминиевых деформируемых сплавов обозначаются буквенно-цифровой маркировкой (табл. 16.4).

Упрочнение нагартовкой, повышающее прочностные свойства, применяется особенно широко для термически неупрочняемых сплавов и при термомеханической обработке — для термоупрочняемых сплавов. Сильная нагартовка используется для изделий простой формы (листы, плиты, иногда поковки).

Значительная часть алюминиевых деформируемых сплавов упрочняются термической обработкой: закалкой и естественным (искусственным) старением. Содержание основных легирующих элементов в таких сплавах как правило не превышает их растворимости в алюминии при высокой температуре. После закалки структура сплавов представляет собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии. Такая структура, в отличие от закаленных сталей, обладает невысокой прочностью и повышенной пластичностью. При последующем старении происходит закономерное изменение структуры и свойств сплавов в результате распада пересыщенного раствора с образованием интерметаллидов.

Таблица 16.4

Состояния (обработки) полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых сплавов

Маркировка	Состояние, назначение
Россия	США
Без ТО	F	После изготовления, без дополнительной термической обработки. Степень нагартовки и механические свойства не контролируются
ГК	–	Горячекатаное
ГП	–	Горячепрессованное
М	О	Отожженное (мягкое). Наиболее высокая пластичность и стабильность размеров
Н	–	Нагартованное (холоднодеформированное)
Н4	Н18	Усиленно нагартованное (прокаткой листов около 20 %, для максимального упрочнения)
Н3	Н16	Нагартованное на три четверти (3/4), повышение прочности
Н2 (П)	Н14	Полунагартованное (1/2), повышение прочности
Н1	Н12	Нагартованное на одну четверть (1/4), повышение прочности
З	W	Закаленное* (нестабильное, обычно указывается длительность естественного старения после закалки), повышение прочности
Т	Т3, Т4	Закаленное + естественно состаренное. Получение достаточно высокой прочности, повышенной пластичности, трещиностойкостии, сопротивления усталости
Т1	Т6	Закаленное + искусственно состаренное на максимальную прочность
Т12	Т77	Закаленное + искусственно состаренное. Улучшение характеристик сопротивления коррозии, трещиностойкости, пластичности при некотором снижении прочности. В русской маркировке возрастание первой цифры при букве указывает на увеличение степени перестаривания и разупрочнения
Т2	Т76
Т3	Т73
ТН**	Т31, Т36, Т37, Т39	Закаленное + естественно состаренное + нагартованное. На степень деформации нагартовки указывает вторая цифра. Повышение прочности при снижении характеристик пластичности, трещиностойкости
Т1Н**	Т81, Т83, Т86, Т87	Закаленное + нагартованное + искусственно состаренное. На степень деформации (нагартовки) указывает вторая цифра. Повышение прочности
Т1Н1**	Т9	Закаленное + искусственно состаренное + нагартованное. Повышение прочности особенно при совмещении с процессом формообразования детали

* В свежезакаленном состоянии длинномерные полуфабрикаты (катаные, прессованные), как правило, подвергаются регламентированному растяжению со степенью остаточной деформации 1–3 % для правки и снижения закалочных напряжений, а также некоторого повышения прочности, особенно предела текучести. Для этих же целей кованые полуфабрикаты (поковки, штамповки) в ряде случаев подвергаются обжатию или обжатию–растяжению с остаточной деформацией 1–5 %.

** Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО).

Для всех алюминиевых сплавов этот процесс имеет общие закономерности. На первой стадии старения возникают зоны Гинье—Престона (ГП), в которых в результате повышенной концентрации легирующего элемента наблюдается сильное искажение кристаллической решетки, приводящее к увеличению прочности и твердости. Эта стадия называется стадией зонного старения. При повышении температуры старения (или увеличении его продолжительности при достаточно высокой температуре) возникают частицы метастабильных фаз, когерентно связанных с матрицей твердого раствора, — стадия фазового старения. Затем появляются более крупные частицы метастабильных фаз — стадия коагуляции. В дальнейшем частицы метастабильных фаз обособляются и укрупняются — стадия отжига. При этом искаженность решетки снижается и, следовательно, снижаются прочность и твердость.

Для каждой стадии старения независимо от систем алюминиевых сплавов характерен определенный комплекс свойств. Зонному старению свойственны относительно низкий предел текучести (s 0,2/s в = 0,6–0,7), высокое относительное удлинение (d >  10–15%), высокая коррозионная стойкость, в том числе и стойкость против коррозии под напряжением, высокая вязкость разрушения, низкая чувствительность к трещине.

Для фазового старения характерны высокий предел текучести (s 0,2/s в = 0,9–0,95), низкая пластичность, пониженные вязкость разрушения, сопротивление коррозии под напряжением и расслаивающей коррозии.

На стадии коагуляции прочностные свойства, достигнув максимума, снижаются, при этом значительно улучшается сопротивление коррозии под напряжением и замедленному разрушению.

Для каждого стареющего алюминиевого сплава имеются свои температурно-временные области зонного и фазового старения. Для сплавов систем Al—Cu—Mg, Al—Mg—Si, Al—Cu—Mg—Si и Al— Zn—Mg—Cu зонное старение протекает при 20 ° С. Для сплавов системы Al—Zn—Mg при 20 ° С наблюдается фазовое старение. Сплавы систем Al—Cu—Li, Al—Mg—Li при 20 ° С практически не старятся; для осуществления зонного старения их необходимо подогревать. Поэтому термины «естественное старение» и «искусственное старение» следует употреблять только для указания условий старения — без подогрева или с подогревом. Для характеристики структурного состояния и соответствующего ему комплекса свойств надо использовать термины «зонное старение», «фазовое старение» и «коагуляция при старении».

Маркировка сплавов

Для деформируемых алюминиевых сплавов изначально принята и в настоящее время в основном применяется смешанная буквенная и буквенно-цифровая маркировка. Происхождение букв и цифр довольно случайное и строгой системы обозначения нет.

Позднее (в 1960-х годах) была введена единая цифровая маркировка алюминиевых сплавов, которая постепенно внедряется в практику, введена в стандарты и присваивается всем новым сплавам. Для обозначения марок сплавов применяют систему в основном из четырех цифр (табл. 16.5). Первая цифра 1 обозначает основу сплавов — алюминий. Вторая цифра в марке несет главную смысловую нагрузку, указывая систему легирования. Пока использованы семь вторых цифр, а из них, цифры 6, 7 и 8 — резервные для возможных новых систем.

Последние две цифры в марке указывают номер сплава, причем последняя из них имеет дополнительный смысл: все деформируемые сплавы обозначаются нечетными цифрами, включая и ноль. Порошковые сплавы обозначаются последней цифрой 9. Опытные сплавы обозначаются цифрой 0, которая ставится перед единицей.

Таблица 16.5

Цифровая маркировка деформируемых  алюминиевых сплавов

Марка	Группа сплавов, основная система легирования
1000–1018	Технический алюминий
1019, 1029 и т. д.	Порошковые сплавы
1020–1025	Пеноалюминий
1100–1190	Al—Cu—Mg, Al—Cu—Mg—Fe—Ni
1200–1290	Al—Cu—Mn, Al—Cu—Li—Mn—Cd
1300–1390	Al—Mg—Si, Al—Mg—Si—Cu
1319, 1329 и т. д.	Al—Si, порошковые сплавы САС
1400–1419	Al—Mn, Al—Be—Mg
1420–1490	Al—Li
1500–1590	Al—Mg
1900–1990	Al—Zn—Mg, Al—Zn—Mg—Cu

Термически неупрочняемые коррозионностойкие и свариваемые сплавы