Алюминий и его сплавы

Алюминий — металл серебристо-белого цвета. Кристаллизуется в решетке ГЦК с периодом a  = 0,4041 нм (при 20 ° С) и полиморфных превращений не испытывает. Алюминий обладает малой плотностью (2700 кг/м³), низкой температурой плавления (660 ° С), а также высокой электро- и теплопроводностью. Для алюминия характерна высокая пластичность и малая прочность. Основные физико-механические характеристики алюминия приведены ниже.

Алюминий обладает хорошей коррозионной стойкостью в атмосфере и среде многих органических кислот, что обусловлено образованием на его поверхности сплошной тонкой (≈ 5 нм) и плотной оксидной пленки Al₂O₃. В щелочных средах и некоторых неорганических кислотах алюминий быстро разрушается.

По масштабам производства и потребления алюминий занимает второе место после железа.

Отечественная промышленность выпускает первичный алюминий (ГОСТ 11069–74) трех сортов (табл. 16.1): особой чистоты (А999), высокой чистоты (А995–А95) и технической чистоты (А85–А0). В обозначении марки буква «А» означает алюминий, а последующие цифры указывают десятые, сотые и тысячные доли процента содержания алюминия. Например, алюминий марки А995 содержит не менее 99,995 % Al, марки А6 — 99,6 % Al, марки А0 — 99,0 % Al.

Алюминий особой и высокой чистоты применяется для лабораторных и специальных целей, алюминий технической чистоты — для технических целей (выпуск деформируемого полуфабриката, получения сплавов и др.).

Основные примеси в алюминии — Fe и Si. Железо и кремний практически не растворимы в твердом алюминии и образуют тройные промежуточные фазы a (Fe₂SiAl₆) и b (FeSiAl₅), которые приводят к повышению прочности и снижению пластичности.

* Для суммы титана, ванадия, хрома и марганца.

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

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

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.

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

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

* 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.

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.

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.

* 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».

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.

Сплавы алюминия с марганцем, а в ряде случаев с добавкой магния (табл. 16.6), отличаются невысокой прочностью и высокой пластичностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.

Эффект твердорастворного упрочнения в этих сплавах невелик, и для дополнительного упрочнения используют холодную деформацию. Из этих сплавов производят различный полуфабрикат: листы, трубы, плиты, проволоку и др. Механические характеристики сплава АМц приведены в табл. 16.7.

Технологические свойства. Сплавы Al—Mn не упрочняются термической обработкой. Для полного разупрочнения нагартованного материала проводится отжиг при температуре 300–500 ° С с охлаждением на воздухе. Для частичного разупрочнения и повышения пластичности проводится низкотемпературный отжиг при 200–290 ° С.

При производстве полуфабрикатов эти сплавы деформируются в горячем (при 320–470 ° С) и холодном состоянии. Температура ковки и штамповки 420–470 ° С, охлаждение на воздухе.

Параметры штампуемости листов из сплава АМц в отожженном состоянии при операциях формообразования деталей следующие: при вытяжке К_выт = 1,8–1,9; при отбортовке К_отб = 1,4–1,5; при выдавливании К_выд = 18–22 %; минимальный радиус гиба R_min = (0,8–0,555) × s (s — толщина листа).

Сплавы Al—Mn хорошо свариваются аргонодуговой, газовой и контактной сваркой. Обрабатываемость резанием неудовлетворительная, особенно в отожженном состоянии.

Применение. Эти сплавы используются в различных отраслях промышленности: для малонагруженных деталей (сварные баки, бензо- и маслопроводы и др.), изготовляемых глубокой вытяжкой; для радиаторов тракторов и автомобилей, в строительстве, для упаковочных материалов, заклепок и т. д.

Алюминиевые деформируемые сплавы на основе системы Al—Mg являются термически неупрочняемыми. Они имеют невысокие прочностные характеристики — временное сопротивление и, в особенности, предел текучести, но отличаются высокой пластичностью, хорошей коррозионной стойкостью в различных средах и хорошо свариваются аргонодуговой сваркой.

ГОСТ 4784–97 определяет марки и химический состав этих сплавов (табл. 16.8), называемых магналиями.

Промышленные сплавы этой системы в соответствии с равновесной диаграммой состояния (рис. 16.2) представляют собой a -твердый раствор с частицами второй фазы Al₃Mg₂. Кроме того в сплавах могут присутствовать фазы, содержащие марганец, и фаза Mg₂Si.

Магналии содержат добавки марганца и иногда — титана. Марганец способствует повышению прочностных свойств полуфабрикатов и с этой целью вводится в количестве 0,2–0,8 %; титан используется в качестве модификатора литой зеренной структуры в слитках непрерывного литья, в сварных швах, уменьшая тем самым склонность сплавов к кристаллизационным трещинам при литье и аргонодуговой сварке. При содержании в сплаве ³ 5 % магния в состав сплавов вводят добавку бериллия, назначение которого — предохранить алюминиевый расплав от интенсивного окисления во время плавки и литья, в процессе сварки полуфабрикатов, при горячей обработке давлением.

Рис. 16.2. Равновесная диаграмма состояния Al—Mg (заштрихованная зона — область составов
промышленных сплавов)

Разработана серия новых сплавов системы
Al—Mg с добавкой скандия — 01570, 01545, 01535, 01523, 01515. Эти сплавы различаются содержанием магния, которое меняется от 6 до 1 %. Основное отличие этих сплавов от традиционных магналиев — значительно более высокие прочностные характеристики. Самым распространенным является сплав 01570.

Промышленность выпускает все виды деформированных полуфабрикатов, прежде всего катаные — плиты, листы, ленты, а также прессованные панели, профили, прутки, трубы и кованые — поковки, штамповки. Полуфабрикаты выпускаются в термически необработанном состоянии, после отжига, а некоторые виды полуфабрикатов изготавливаются холодной обработкой давлением (в нагартованном состоянии). Нагартовка повышает прочностные характеристики, особенно предел текучести, но снижает пластичность. Последующая сварка устраняет нагартовку в зоне термического влияния сварного соединения, и механические свойства в указанной зоне соответствуют свойствам в отожженном состоянии.

Гарантируемые механические характеристики полуфабрикатов из промышленных сплавов в различных состояниях представлены в табл. 16.9–16.11.

Деформированные полуфабрикаты из сплавов системы Al—Mg в большинстве случаев имеют рекристаллизованную структуру, кроме прессованных полуфабрикатов из сплава АМг6 с содержанием марганца ближе к верхнему пределу и полуфабрикатов из сплава 1561, имеющего повышенное содержание марганца и дополнительно легированного цирконием.

Исключением из этого правила является сплав 01570, легированный скандием и цирконием. Все виды полуфабрикатов из этого сплава имеют нерекристаллизованную (полигонизированную) структуру и благодаря этому обладают повышенными прочностными свойствами.

Примечание. Направление волокна: Д — долевое; П — поперечное; В — высотное (по толщине).

Примечание. К_пр и К_раб — предельный и рабочий коэффициенты вытяжки; К_пл и К_сф — коэффициенты плоского и сферического выдавливания; R_min и R_раб — соответственно минимальный и рабочий радиусы гиба.

Термическая обработка. Полуфабрикаты из сплавов Al—Mg подвергаются только отжигу для снятия нагартовки и перевода их в мягкое отожженное состояние. Кроме того, отжиг как холоднодеформированных, так и горячедеформированных полуфабрикатов с содержанием магния более 5 % повышает их сопротивление расслаивающей коррозии и коррозии под напряжением. Сплавы с более низким содержанием магния обладают высокой устойчивостью против любых видов коррозии как в отожженном, так и в нагартованном состоянии.

Отжиг полуфабрикатов и изделий из магналиев необходимо проводить при температуре 310–335 ° С в течение 1–2 ч с последующим охлаждением на воздухе. Для сплавов АМг5, АМг6, АМг61, 01570 при охлаждении после отжига необходимо делать выдержку при 250–260 ° С в течение 1 ч, затем охлаждать с нерегламентированной скоростью. При невозможности осуществления ступенчатого охлаждения следует вести охлаждение со скоростью не более 30 ° С/ч.

Технологические свойства. Основные показатели технологической пластичности листов из сплавов системы Al—Mg при холодной штамповке приведены в табл. 16.12. Листы обладают в отожженном состоянии удовлетворительной штампуемостью, повышение содержания магния не ухудшает этих показателей. Нагартовка заметно снижает штампуемость листов.

Технологическая штампуемость листов сплава 01570 в отожженном состоянии сравнительно низкая и проведение штамповки вызывает определенные трудности. Эта операция может быть заменена пневмоформовкой в состоянии сверхпластичности, которая проявляется при 450–500 ° С в достаточно широком деформационно-скоростном интервале. После сверхпластической деформации прочностные характеристики листов снижаются незначительно.

Сплавы системы Al—Mg обладают хорошей свариваемостью. С повышением содержания магния коэффициент трещинообразования при сварке уменьшается (табл. 16.13). Однако, в связи с увеличением температурного интервала плавления и повышением концентрации водорода, с ростом содержания магния пористость сварных соединений возрастает.

Сварные соединения этих сплавов ослаблены по сравнению с основным материалом. Это относится к характеристикам прочности, пластичности и стойкости против коррозии. Сварные соединения низколегированных сплавов АМг1, АМг2, АМг3 обладают высокой стойкостью против коррозии. Для повышения коррозионной стойкости сварных соединений сплавов АМг5, АМг6, 01570 полуфабрикаты перед сваркой необходимо подвергать ступенчатому отжигу (см. выше).