Алюминиевые сплавы. Диаграмма состояния системы алюминий – магний (Al-Mg) Диаграмма состояния системы mg al магний алюминий

Анализ полученных результатов выбора легирующих элементов для алюминия показывает, что наибольшее упрочнение обеспечивает магний, так как для него характерно наличие двух механизмов упрочнения – твердо-растворный – за счет критерия α (18,9) и с помощью термообработки γ = 0,57. Более высокой технологической пластичностью и жаропрочностью обладают сплавы системы Al-Mn, так как критерии ω и τ для них имеют наибольшее значение. – 0,77 и 0,99, соответственно. Кроме того, в них слабее всего развита пористость, поскольку величина критерия δ минимальна. Однако они не подвергаются упрочняющей термообработке как алюминиево-магниевые сплавы: для них γ = 0,96 вместо 0,57.

Максимальной жидкотекучестью, в соответствии с определением критерия λ, обладают сплавы системы Al-Si, его значение наиболее высокое из рассмотренных легирующих добавок – 7,3 вместо 6,5 у меди и 5,3 – у магния. Силумины обладают достаточно высокой жаропрочностью – τ=0,91, что лишь немногим меньше, чем у марганца. Их существенным недостатком является низкая технологическая пластичность, ω=0,13, вместо 0,77- у марганца и 0,50 – у магния и невозможность термического упрочнения – γ=0,98.

Обобщая вышеизложенное, можно констатировать, что основными деформируемыми сплавами, не подвергающимися термической обработке, являются сплавы системы Al-Mn, термически упрочняемыми - Al-Mg, литейными - Al-Si. Эти результаты хорошо известны, и их ценность заключается в том, что предложенные Б.Б. Гуляевым критерии диаграмм состояния отражают истинное положение вещей и могут быть использованы при выборе легирующих элементов для формирования заданного уровня эксплуатационных и технологических свойств для всех без исключения основ сплавов.

4.4.5 Диаграммы состояния двойных сплавов алюминия

В качестве примера для освоения методики выбора легирующих элементов и комплексов сплавов на основе алюминия использованы наиболее известные, сведения о которых широко изложены в технической и справочной литературе .

Рисунок 4.4. Диаграмма состояния Al-Ga

Рисунок 4.5. Диаграмма состояния Al-Ge
Рисунок 4.6. Диаграмма состояния Al-Li

Рисунок 4.7. Диаграмма состояния Al-Ag
Рисунок 4.8. Диаграмма состояния Al-Cu
Рисунок 4.9. Диаграмма состояния Al-Zn
Рисунок 4.10. Диаграмма состояния Al-Mg
Рисунок 4.11. Диаграмма состояния Al-Mn
Рисунок 4.12. Диаграмма состояния Al-Si

Отличительная особенность алюминия - небольшая плотность (2,7 г/см 3), невысокая температура плавления (660°С), сравнительно небольшое электросопротивление, всего в 1,51 раза больше, чем у меди. Алюминий обладает гранецентрированной кубической решеткой и в чистом виде является очень мягким пластичным металлом. Как химический элемент алюминий должен был бы медленно разлагать воду подобно кальцию, однако имеющаяся на его поверхности окисная пленка надежно защищает металл от взаимодействия как с водой, так и с кислородом воздуха. Благодаря этой прочной, очень тонкой и прозрачной окисной пленке алюминий способен длительное время сохранять блестящий вид.

Чистый алюминий широко применяется в качестве электропроводящего материала; на основе алюминия создано большое число сплавов, используемых, главным образом, в авиации. В последние годы алюминиевые сплавы активно внедряются в автомобилестроение, пищевую промышленность (упаковочный материал) и бытовую технику. Особенно бурно растет применение алюминия в строительстве как отделочного и декоративного материала, очень стойкого в условиях атмосферной коррозии. Мировое производство алюминия увеличивается очень быстро: за 18 лет (с 1955 по 1973 г.) оно возросло в 4 раза. Стоимость алюминия примерно в 5 - 10 раз выше, чем углеродистой стали.

Промышленностью выпускается несколько сортов алюминия, различающихся общим содержанием примесей - от 0,001 до 1,0%. Основные естественные примеси в алюминии - железо и кремний. На диаграмме состояния алюминий - кремний (рис. 55) имеется эвтектическая точка при 577°С и 11,7% Si. Растворимость кремния в твердом алюминии при этой температуре составляет 1,6%. С понижением температуры до 200°С она уменьшается до 0,05%. Диаграмма состояния алюминий - железо сложная, с несколькими промежуточными фазами. Наиболее богатым алюминием является соединение FeAl 3 . Между ним и алюминием имеется эвтектическая точка при 655°С и 1,8% железа (рис. 56). Растворимость железа в твердом алюминии при эвтектической температуре составляет 0,05%, ниже 400°С она падает до нуля. Это означает, что в двойных доэвтектических сплавах алюминия с железом последнее всегда выделяется в виде включений фазы FeAl 3 , которые имеют либо эвтектическое происхождение, либо появляются из-за распада твердого раствора. Эвтектические выделения могут образовываться при значительно меньших концентрациях железа чем 0,05% из-за неравновесной кристаллизации.

В алюминии, содержащем одновременно железо и кремний, кроме указанных фаз, характерных для двойных систем, могут появляться и сложные тройные соединения -α-FeAlSi и β-FeAlSi. Они могут появляться непосредственно при кристаллизации в случае больших содержаний примесей или в результате распада твердого раствора. Примеси железа и кремния в алюминии являются вредными, так как существенно снижают его пластические свойства. Обе эти примеси не только содержатся в первичном алюминии, их количество непрерывно увеличивается в алюминиевых сплавах при переплавах из-за взаимодействия с кремнеземом огнеупоров и стальным плавильным инструментом (ложками, скребками). Однако имеется много сплавов, куда кремний и иногда железо вводят намеренно.

Особенность алюминия как основы сплавов состоит в том, что он ни с одним металлом не дает непрерывных твердых растворов. Только в системе с цинком (рис. 57) при повышенных температурах имеется достаточно большая область твердых растворов. В подавляющем большинстве случаев в двойных системах алюминий - металл появляются хрупкие промежуточные фазы. Следовательно, упрочнять алюминий посредством образования твердых растворов возможно лишь в ограниченной степени. Поэтому используют другой путь упрочнения - посредством образования частиц соединений в матрице твердого раствора. Этот путь неизбежно предопределяет использование закалки и старения. Ограниченность же области твердых растворов на основе алюминия вынуждает задавать такое содержание каждого легирующего компонента, которое не приводило бы к появлению излишнего количества хрупких промежуточных фаз.

Деформируемые алюминиевые сплавы, как правило, содержат 2 - 3 и более легирующих компонентов в количествах от 0,2 до 2 - 4% каждого. Исключение составляет лишь двойной сплав АМц с 1,0 - 1,6% Мn. Марганец входит в состав большинства деформируемых алюминиевых сплавов в количестве 0,2 - 1,5%. Его назначение состоит в том, что он существенно замедляет рекристаллизацию, повышает температуру этого процесса и тем самым упрочняет сплав при повышенных температурах, измельчает рекристаллизованное зерно, входит в состав сложных соединений, которые придают сплавам жаропрочность.

Большинство деформируемых алюминиевых сплавов способно воспринимать закалку (без полиморфного превращения) и старение и в результате этого существенно упрочняться. Типичные легирующие компоненты рассматриваемых сплавов, кроме марганца, - медь, магний, кремний, цинк. В специальных жаропрочных сплавах содержатся железо, никель, хром, титан в количестве 0,2 - 1%. Во всех алюминиевых сплавах введение 0,1 - 0,2% титана вызывает сильное измельчение зерна в литом состоянии. Этот эффект частично сохраняется и после рекристаллизации. В некоторые сплавы вводят бериллий (0,001 - 0,002%) для уменьшения окисления при плавке.

На рис. 58 и 59 представлены двойные диаграммы состояния алюминия с медью и магнием. В обоих случаях с повышением температуры наблюдается существенное изменение растворимости легирующих элементов в алюминии. Подобное же изменение растворимости отмечается и в многокомпонентных системах, что и обеспечивает возможность упрочняющей термообработки. Однако в сложных сплавах в равновесии с алюминиевым раствором будут находиться сложные по составу и строению фазы согласно соответствующим диаграммам состояния.

Типичными деформируемыми алюминиевыми сплавами являются так называемые дюралюмины - сплавы алюминия с медью, магнием и марганцем. Составы некоторых типичных деформируемых алюминиевых сплавов приведены в табл. 5. Там же приведен состав по примесям одной из марок алюминия.

Таблица 5. Состав некоторых алюминиевых деформируемых сплавов

Марка сплава	Легирующие компоненты, % остальное Al						Примеси, % не более
	Cu	Mg	Mn	Si	Zn	Прочие	Fe	Si	Cu	Zn
А5	-	-	-	-	-	-	0,3	0,3	0,02	0,06
АМц	-	-	1,0 - 1,6	-	-	-	0,7	0,6	0,2	0,1
АМг6	-	5,8 - 6,8	0,5 - 0,8	-	-	0,1 Ti; 0,001 Ве	0,7	-	0,1	0,2
Д16 (дуралюмин)	3,8 - 4,9	1,2 - 1,8	0,3 - 0,9	-	-	-	0,2	0,25	-	0,1
АК8 (супердюралюмин)	3,9 - 4,8	0,4 - 0,8	0,4 - 1,0	0,6 - 1,2	-	-	0,3	-	-	0,1
В95	1,4 - 2,0	1,8 - 2,8	0,2 - 0,6	-	5,0 - 7,0	0,1 - 0,25 Cr	0,3	0,3	-	-

Механические свойства указанных сплавов в различном состоянии приведены в табл. 6. Как видно, в результате легирования, нагартовки и термической обработки удается в несколько раз повысить прочность (со 100 до 560 МПа) и твердость НВ (20 - 150) алюминия. У высокопрочных алюминиевых сплавов удельная прочность, т. е. отнесенная к плотности, оказывается больше, чем у сталей и других сплавов. Именно это и предопределяло их применение в летательных аппаратах.

Деформируемые алюминиевые сплавы, кроме закалки и старения, часто подвергают отжигу-гомогенизации. Это объясняется тем, что из-за неравновесной кристаллизации в сплавах возникает очень сильная дендритная ликвация и появляются неравновесные эвтектические составляющие. Особенно сильно ликвируют магний и медь. Так, по равновесной диаграмме состояния эвтектическая составляющая в сплавах алюминий - медь должна была бы появляться только при 5,65% Сu, а она появляется уже при 1,6 - 2% Сu. Особенностью нагрева под закалку алюминиевых сплавов является необходимость очень строгого поддержания температуры (±5°), чтобы не допустить пережога (оплавления) и чтобы достичь наибольшего эффекта термической обработки. Так, сплавы Д16 и АК8 закаливают с температуры 495 - 505°С, а сплав В95 - с 465 - 480°С. Закалка проводится в воде. Алюминиевые сплавы после закалки подвергают естественному (20°С, 4 - 5 сут) или искусственному старению. Искусственное старение в зависимости от состава сплава проводят при 120 - 195°С 6 - 12 ч. Рекристаллизационный отжиг ведут при 300 - 350°С (чистый алюминий) и при 350 - 420°С (сплавы).

Как уже отмечалось, чистый алюминий обладает большой стойкостью против атмосферной коррозии. Сплавы алюминия, содержащие медь и цинк, значительно хуже в этом отношении. Двойные сплавы с марганцем и магнием (АМц и АМг) очень хорошо сопротивляются атмосферной коррозии.

Таблица 6. Механические свойства алюминия и некоторых деформируемых сплавов в различном состоянии

Марка сплава	Состояние	σ в, МПа	σ т, МПа	δ, %	ψ, %	НВ
А5	Отоженный	80	60	30 - 40	70 - 90	25
	Нагартованный	150	120	5 - 10	50 - 60	35
АМц	Отоженный	130	50	20	70	30
	Нагартованный	220	180	5	50	55
АМг6	Отоженный	340	170	20	-	70
Д16	Отоженный	210	110	18	55	42
	Закаленный и естественно состаренный	450	330	17	30	105
АК8		480	380	10	25	135
В95	Отоженный	260	130	13	-	-
	Закаленный и искуственно состаренный	560	530	8	12	150

Литейные алюминиевые сплавы содержат почти те же легирующие компоненты, что и деформируемые, но в значительно большем количестве и на соответствующих диаграммах состояния литейные сплавы расположены ближе к эвтектическим концентрациям. Как было показано в § 18, только такие сплавы обладают необходимыми литейными технологическими свойствами, позволяющими получать из них здоровые фасонные отливки.

Многие литейные алюминиевые сплавы построены на основе системы алюминий - кремний (см. рис. 55) и называются силуминами . Двойная эвтектика алюминий - кремний имеет очень грубую структуру, кремний выделяется в виде больших пластин (на шлифах - в виде игл) (рис. 60, а). Поэтому такие сплавы подвергают модифицированию, которое заключается в том, что в расплав перед разливкой вводят натрий, образующийся в результате обменной реакции с флюсом, содержащим фтористый натрий. Под действием тысячных долей процента натрия выделения кремния резко измельчаются (рис. 60, б), а прочность и пластичность сплава возрастают.

Значительная группа алюминиевых литейных сплавов основана на тройной системе алюминий - кремний - медь и на двойной системе алюминий - магний. Особую группу составляют жаропрочные алюминиевые сплавы, содержащие 4 - 5% меди и небольшие добавки переходных металлов. Литейные свойства таких сплавов очень невысоки.

Многие алюминиевые литейные сплавы подвергают различным видам термической обработки. Приняты следующие обозначения режимов термообработки: Т1 - старение (после литья без закалки), Т2 - отжиг, Т4 - закалка, Т5 - закалка и частичное старение, Т6 - закалка и полное старение до наибольшей твердости, Т7 - закалка и стабилизирующий отпуск, Т8 - закалка и смягчающий отпуск. Свойства алюминиевых литейных сплавов существенным образом зависят от способа литья, где решающую роль играют скорость охлаждения при затвердевании отливки и в процессе охлаждения (для сплавов, воспринимающих закалку). В общем случае увеличение скорости отвода тепла вызывает повышение прочностных и пластических свойств. Поэтому механические свойства отливок, полученных литьем в песчано-глинистые формы и по выплавляемым моделям, оказываются более низкими, чем при литье в кокиль, а при литье под давлением свойства настолько повышаются из-за очень резкого охлаждения, что, например, для силуминов оказывается ненужным модифицирование натрием. По этой же причине при литье в кокиль и под давлением допускается большее содержание вредной примеси железа.

Таблица 7. Состав некоторых литейных алюминиевых сплавов

Марка сплава	Легирующие компоненты, % (остальное Аl)				Примеси, % не более
	Si	Cu	Mn	Mg	Fe	Si	Mg	Cu	Zn	сумма
АЛ2	10 - 13	-	-	-	0,8 - 1,5	-	0,1	0,6	0,3	2,2 - 2,8
АЛ4	8 - 10	-	0,25 - 0,50	0,17 - 0,30	0,6 - 1,0	-	-	0,3	0,3	1,2 - 1,6
АЛ8	-	-	-	9,5 - 11,5	0,3	0,3	-	0,3	0,1	2,2
АЛ10В (АК8М7)	4 - 6	5 - 8	-	0,2 - 0,5	1,2 - 1,3	-	-	0,5 Mn	0,6	2,5 - 2,7
АЛ19	-	4,5 - 5,3	0,6 - 1,0	0,15 - 0,35 Ti	0,2	0,3	0,05	-	0,2	0,8 - 1,0

В табл. 7 приведены составы некоторых наиболее распространенных литейных алюминиевых сплавов, а в табл. 8 - их механические свойства.

Сплав AЛ2 - простой двойной силумин эвтектического состава, не воспринимающий закалку. Термообработка его сводится к отжигу после литья для снятия напряжений. Сплав АЛ4 - силумин доэвтектического состава, в который введен магний, что обеспечивает возможность закалки и старения в результате переменной растворимости соединения Mg 2 Si в алюминии. Оба эти сплава подвергаются модифицированию натрием. Сплав АЛ10В (АК5М7) построен на основе системы алюминий - кремний - медь с добавками магния. Закалка и старение сплава обеспечиваются переменной растворимостью в алюминии сложных соединений, а хорошие литейные свойства - достаточным количеством двойной эвтектики А1-Si и тройной эвтектики А1-Si-Al 2 Cu. Сплав АЛ8 является практически двойным сплавом алюминия с магнием. Он по составу находится далеко от эвтектической точки, имеет большой интервал кристаллизации и поэтому обладает невысокими литейными свойствами. Однако хорошие механические свойства - пониженная плотность (2,55 г/см 2), отличная коррозионная стойкость - обусловливают достаточно широкое его применение. Увеличение содержания магния и приближение к эвтектическому составу позволило бы улучшить литейные свойства, однако при этом становится невозможной обычная плавка без покровных флюсов, так как расплав сильно окисляется. Сплав АЛ 19 - это типичный высокожаропрочный материал, способный работать при 300°С.

Таблица 8. Механические свойства литейных алюминиевых сплавов

Марка сплава	Состояние	σ в, МПа	δ, %	НВ
АЛ2	Литой модифицированный	150	4	50
	Модифицированный и термически обработанный по Т2 (отжиг при 300±10°С 3 ч)	140	4	50
АЛ4	Литой немодифицированный	150	2	50
	Модифицированный и термически обработанный по Т6 (закалка с 535±5°С в воду, отжиг при 175±5°С, 15 ч)	230	3	70
АЛ8	Термически отработанный по Т4 (закалка в масло после выдержки при 430±5°С, 20 ч)	290	9	60
АЛ10В (АК5М7)	Литой в песчано-глинистую форму	130	-	80
	Литой в кокиль	160	-	80
	Литой в песчано-глинистую форму, термически обработанный по Т1 (старение при 175°С, 10 ч)	150	-	80
	Литой в кокиль, термически обработанный по Т1 (старение при 175°С, 10 ч)	170	-	90
АЛ19	Термически обработанный по Т5 (закалка с 545±5°С после выдержки 10 ч в воду и старение при 175±5°С, 5 ч)	340	4	90

Во всех литейных алюминиевых сплавах допускается 0,8 - 1,2% железа как примеси, неизбежно попадающей в металл при переплавках. Поэтому во всех сплавах оговорено содержание марганца, который ослабляет вредное действие железа, переводя иглообразные выделения железной составляющей в компактные.

Имеется очень большая группа алюминиевых сплавов, получаемых путем переплавки отходов и выпускаемых в виде чушек. Раньше эти сплавы называли вторичными. По составу они почти не отличаются от обычных алюминиевых литейных сплавов, но в них содержится повышенное количество железа и некоторых неконтролируемых примесей, в частности кислорода в виде пленок окиси алюминия. Эти сплавы обозначают марками с добавлением буквы "ч" (в чушках).

В последние годы появились антифрикционные двойные сплавы на основе алюминия, содержащие сурьму, олово, медь, свинец в количестве 3 - 6%. Сплавы предназначены для вкладышей подшипников скольжения. Алюминиевые сплавы этого типа получают в виде слоя на стальной ленте обработкой давлением. Вкладыши из сплава алюминий - свинец получают методом порошковой металлургии. Характерной особенностью антифрикционных алюминиевых сплавов (как и вообще антифрикционных сплавов) является двухфазная структура, причем фазы обладают существенно разной твердостью. В процессе работы при трении с шейкой стального вала мягкая фаза вырабатывается сильнее и образующиеся зазоры служат естественными каналами, по которым смазка распределяется по всей поверхности трения. В сплаве алюминия с сурьмой и медью твердой фазой являются соединения AlSb и А1 2 Сu, а мягкой - сам алюминий. В сплавах с оловом и свинцом именно эти металлы образуют мягкие прослойки по границам более твердых зерен алюминия.

Алюминий имеет гранецентрированную кубическую решетку, которая не претерпевает полиморфных превращений при нагреве. Температура плавления алюминия 660 °С. Этот металл имеет низкие плотность (2,7 г/см3) и прочность (ств = 100 МПа), высокие электро- и теплопро­водность, пластичность (5 = 30 %) и коррозионную стойкость. Высо­кая коррозионная стойкость алюминия обусловлена образованием на его поверхности плотной пленки оксида А12О3. Легирование медью, магнием, цинком, кремнием и реже лантаном, ниобием, никелем резко улучшает его механические и технологические свойства.

Алюминиевые сплавы широко применяются в пищевой промыш­ленности, автостроении, электротехнике, строительных конструкциях и криогенной технике, но их основная область применения - само­летостроение.

Таблица 6.1

Удельная прочность бериллия и сплавов

Высокочистый алюминий марок А995, А99, А97, А95, содержащий 0,005...0,15 % примесей, используется в лабораторных целях и для приготовления особо чистых сплавов. Алюминий технической чисто­ты марок А85, А8, А7, А5 и АО с примесями 0,15...1 % применяют для получения технических сплавов. Постоянными примесями алюми­ния является железо и кремний, с ростом содержания которых сни­жается пластичность, но растет твердость и прочность.

Сплавы на алюминиевой основе характеризуются хорошей техно­логичностью. Они хорошо обрабатываются резанием, легко сварива­ются, хорошо куются, многие из них обладают высокими литейными свойствами и коррозионной стойкостью (кроме сплавов А1-Си). Алю­миний образует со многими легирующими элементами твердые рас­творы с ограниченной растворимостью, что позволяет применять для таких сплавов термическую обработку, состоящую из закалки на пере­насыщенный раствор и последующего старения.

На рис. 6.1 приведена диаграмма, характерная для системы алю­миний - легирующий элемент. Точка К соответствует предельной растворимости легирующего элемента. Сплавы, расположенные ле­вее точки К, имеют при нагреве однофазный твердый а-раствор, ко­торый определяет их высокую пластичность. Эти сплавы относятся к деформируемым и делятся на деформируемые сплавы, неупрочняе-мые (зона I) и упрочняемые (зона II) термической обработкой.

Зона II расположена на диаграмме правее зоны I. Закалка сплавов зоны II позволяет получать перенасыщенные твердые растворы, что используется для их упрочнения. Искусственное или естественное старение закаленных деталей из этих сплавов приводит к дисперси­онному твердению, в результате чего повышается их твердость и прочность. Обработка давлением также вызывает выделение из пе­ренасыщенного раствора дисперсных фаз, которые препятствуют

рекристаллизации и упрочняют сплав. Структура сплавов, имеющих химический состав по легирующему элементу правее точки ^состо­ит из а-твердого раствора и эвтектики. Такие сплавы обладают хоро­шими литейными свойствами, которые улучшаются по мере роста количества эвтектики в структуре сплава. -

Рис. 6.1. Диаграмма состояния алюминий - легирующий элемент: А - деформируемые сплавы; В - литейные сплавы; I, II - сплавы, соответ­ственно неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой

Железо и кремний во всех сплавах являются нежелательными при­месями, так как они образуют самостоятельные хрупкие фазы FeAl3 и а(А1, Fe, Si). Легирование марганцем снижает вредное влияние кремния и железа, так как в этом случае образуется компактная чет­вертная а(А1, Fe, Si, Мп)-фаза. Но наиболее эффективным приемом является снижение содержания кремния и железа в сплаве. В послед­нем случае в маркировке сплава добавляется буква Ч (чистый) или ПЧ (повышенной чистоты).

Деформируемые алюминиевые сплавы легированы медью, магнием, марганцем и в отдельных случаях титаном, цинком и кремнием. Они делятся на две группы: упрочняемые и неупрочняемые термической об­работкой. Склонность к упрочнению зависит от количества и приро­ды вторичной фазы, вьщеляющейся из перенасыщенного раствора на базе алюминия при старении.

Диаграммы состояния сплавов алюминия с марганцем, магнием и медью приведены на рис. 6.2, а состав и некоторые свойства - в табл. 6.2.

Для условного обозначения алюминиевых деформируемых спла­вов (ГОСТ 4784-97) используется следующая система. Буква Д в на­чале марки обозначает сплавы типа дуралюминов; АК - алюминиевый ковочный сплав; В - высокопрочный сплав; АМц - сплав А1-Мп; АМг - сплав Al-Mg. Цифры после букв В, Д и К - услов­ный номер сплава; цифра после Мг - средняя массовая доля магния в сплаве.

Рис. 6.2. Диаграммы состояния А1-Мп (a), Al-Mg (б), А1-Си (в)

Таблица 6.2

Химический состав и свойства некоторых алюминиевых сплавов

Марка	Состав, %	Свойства
сплава	Си	Mg	Мп	Si	Прочие	0B, МПа	S, %
АМц	-	-	1Д..1.6	-	-
АМг2		1.8...2.6	0,2...0,6	-	-
АМг5	-	4,8...5,8	0,3..,0,8	-	0,02...0,lTi; 0,0002...0,005 Be
Д1	3.8...4.8	0,4...0,8	0,4...0,8		-
Д16	3,8...4,9	1,2...1,8	0,3...0,9	-
В95	1.4...2.0	1,8-2,8	0,2...0,6	-	5...7Zn; ." 0,01...0,2Cr
АК6	1,8...2,6	0,4...0,8	0,4...0,8	0.7...1.2	" -	420"
АК9	-	0,2...0,4	0,2...0,5	8...11	-
AM 5	4,5...5,3	-	0,6...1,0		0,2...0,3Ti
АМгЮ	-	9,5...10,5	-	-	-
АК8М	1.0...1.5	0,3...0,5	О,З...О,5	7,5...9,0	0, l...O,3Ti

Примечание. Выше штриховой линии указаны сплавы деформируемые, ниже - литейные.

Сплавы АМц, АМг2 и АМг5 относятся к неупрочняемым терми­ческой обработкой. Из диаграммы состояния А1-Мп видно, что теоретически упрочнение возможно за счет выделения из пересы­щенного раствора дисперсной фазы МпА16. Но присутствие в спла­вах постоянной примеси (железа) дает вместо нее сложную фазу (Mn, Fe)Al6, нерастворимую в твердом алюминии, что исключает об­разование перенасыщенного раствора. Тем не менее пластическая де­формация вызывает заметное упрочнение сплава. Эти сплавы идут на изготовление изделий, получаемых глубокой вытяжкой из листовых заготовок, в виде которых они поставляются.

Сплавы АМг практически не упрочняются термической обработ­кой, но упрочняются нагартовкой (наклепом). Наличие магния повы­шает склонность сплавов к окислению, а добавка бериллия устраняет этот недостаток, но способствует укрупнению зерна слитков. Для из­мельчения зерна необходимо микролегирование титаном и циркони­ем. Из неупрочняемых термической обработкой сплавов изготавли­вают баки, трубопроводы, заклепки, корпуса судов и лифты.

Упрочняемые термической обработкой сплавы (дуралюмины) харак­теризуются сочетанием высокой прочности и пластичности. Это спла- -вы системы А1-Си-Mg. Как следует из диаграммы, приведенной на рис. 6.2, в, максимальная растворимость меди в алюминии составляет 5,65 %, минимальная - 0,1 %. Закалкой фиксируется перенасыщенный твердый раствор на базе алюминия. Выделяющаяся из раствора при старении 0-фаза (CuAI2, а в сплавах системы А1-Си-Mg - CuMgAL,), приводит к резкому упрочнению сплавов. Максимум прочности дос­тигается при содержании 4 % меди и 1 % магния. Термическая обра­ботка сплавов включает закалку с 500 °С и последующее старение: ес­тественное - при комнатной температуре, искусственное - при на­греве до 100...150 °С. В начальный период старения образуются зоны повышенной концентрации меди - так называемые зоны Гинье - Престона. В этих зонах кристаллическая решетка алюминия искаже­на, вследствие чего в кристаллах возникают большие напряжения, что увеличивает прочность и твердость материала. Дальнейшее уве­личение выдержки или повышение температуры старения приводит к укрупнению зон, а затем к выделению мельчайших частиц 0-фазы и завершению процесса дисперсионного упрочнения.

У различных по составу стареющих алюминиевых сплавов упроч­нение достигается преимущественно за счет зонного либо фазового старения. Следует отметить, что зонное старение обеспечивает более «мягкое» упрочнение материала, который сохраняет повышенную пластичность и низкую чувствительность к хрупкому разрушению. Выделение Э-фазы сопровождается снижением пластичности и вяз­кости.

Достоинством дуралюминов является их высокая удельная проч­ность, благодаря чему они широко используются в самолетостроении, недостатком - их пониженная коррозионная стойкость. Для защиты от Коррозии дуралюминий плакируют чистым алюминием либо под­вергают электрохимическому оксидированию. При этом прочность плакированного или анодированного сплава незначительно снижает­ся, зато коррозионная стойкость резко возрастает.

Высокопрочные сплавы В относятся к системе А1-Zn-Mg-Си И отличаются высокими значениями ав, достигающими 700 МПа. В хо­де дисперсионного твердения выделяются сложные фазы интерме-таллидов (MgZn, CuMgAl2, Mg3Zn3Al2). Пластичность сплавов невы­сокая (5 = 1... 12 %), но она может быть увеличена путем повышения температуры старения до 170 °С. В этом случае наблюдается укрупне­ние и коагуляция дисперсных фаз.

Ковочные сплавы АК отличаются высокой пластичностью. По соста­ву это дуралюмины, но с добавкой кремния. После старения в сплаве образуются фазы AlCuMgSi и Mg2Si. Из этих сплавов штамповкой при 450.. .470 °С получают детали самолетов и судов. С ростом содержания меди прочность сплавов увеличивается, а пластичность падает.

Литейные алюминиевые сплавы в первом приближении можно раз­бить на четыре группы: А1-Si, А1-Си, А1-Mg и сложные, содержащие в разной пропорции кремний, медь, магний и другие элементы. При­меры сплавов из каждой группы были приведены в табл. 6.2.

Принцип маркировки алюминиевых литейных сплавов (ГОСТ 1583-93) несколько отличается от принципа маркировки деформи­руемых сплавов. Буква А означает, что сплав - алюминиевый литей­ный, а остальные буквы - элементы сплава: К- кремний; М - медь; Н - никель; Ц - цинк; Су - сурьма; Мг - магний; Кд - кадмий; Мц - марганец. Цифры после букв обозначают среднюю массовую долю соответствующего элемента (в %).

Наиболее широко применяемые литейные сплавы - это сплавы эвтектической системы А1-Si (силумины), обладающие хорошими ли­тейными свойствами. Они «герметичны», имеют хорошую жидкоте-кучесть и не склонны к образованию трещин и усадочных дефектов.

Как следует из рис. 6.3, структура силумина состоит из а-фазы и эв­тектики (а + Si). Несмотря на уменьшение растворимости кремния с 1,65 до 0,05 %, дисперсионного упрочнения в растворе не происхо­дит в связи с выпадением кремния из раствора и коагуляцией его час­тиц уже в процессе закалки. Поэтому основной способ повышения свойств силуминов - модифицирование расплава натрием, который вводится в виде металлического натрия или в виде хлористых или фтористых солей. Если в немодифицированном силумине эвтектиче­ский кремний выделяется в виде крупных игл (рис. 6.4, а), то в моди­фицированном - в виде дисперсных включений (рис. 6.4, б).

Рис. 6.3. Диаграмма состояния Al-Si

Рис. 6.4. Микроструктура силумина до (а) и после (б) модифицирования

Наиболее широко распространенным среди силуминов является сплав АК12, содержащий 10... 13 % кремния и обладающий высо­кой коррозионной стойкостью. Однако его механические свойства недостаточно высоки и если необходимо обеспечить повышенные прочностные показатели, его заменяют доэвтектическими силуминами с добавками магния, меди, марганца и титана (АК9, АК5М, АМгЮ). Силумины с такими добавками более прочны и тверды. Первые два элемента позволяют упрочнять сплав термической обработкой, состоящей из закалки с 515...535 °С и старения при 150...180 °С, а мар­ганец, титан и цинк способствуют получению перенасыщенных рас­творов, что вызывает упрочнение при старении, даже если закалка не применялась. Из силуминов получают корпуса компрессоров, порш­ни двигателей, головки и блоки цилиндров, крышки и т. д.

Литейные сплавы группы Al-Си имеют высокую прочность при по­вышенных температурах, хорошо обрабатываются резанием и свари­ваются, но литейные свойства у них низкие, а отливки из них порис­тые. Добавки титана и марганца благоприятно влияют на их свойства, особенно после термической обработки. Сплавы этой группы приме­няются для изготовления поршней, литейной оснастки и других вы-соконагруженных деталей.

Литейные сплавы группы Al-Mg обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошо обрабатываются реза­нием. Так как в их структуре нет эвтектики, они имеют низкие литей­ные свойства, отливки из них негерметичны. Примеси железа и крем­ния резко снижают их пластичность. Эти сплавы склонны к окисле­нию при плавке. Дополнительное легирование бериллием, титаном и цинком устраняет этот недостаток. Закалка с 530 °С и последующее старение способствуют существенному повышению прочности. В ос­новном эти сплавы применяются для отливки деталей приборов и де­талей, работающих в условиях высокой влажности.

Необходимо иметь в виду, что эти соотношения отвечают равновесным условиям, которые имеют место при полном протекании диффузионных процессов.

Наряду с неограниченными растворами ряд металлов и элементов образуют друг с другом ограниченные твердые растворы, когда растворы образуются лишь в определенном диапазоне концентраций, а при более высоких концентрациях образуются другие структурные образования.

Специфика ограниченных твердых растворов состоит в том, что на диаграммах состояния область твердых растворов примыкает к чистым компонентам (небольшие концентрации легирующего элемента). Эти твердые растворы сохраняют структуру чистых металлов, а другие структурные образования на диаграмме состояния, называемые промежуточными фазами или интерметаллическими соединениями , имеют структуру, отличающуюся от основного и легирующего металла. На рис. 13 в качестве примера приведена двойная диаграмма состояния алюминий – магний (левая часть диаграммы). Предельная растворимость магния в алюминии при температуре 449°С равна 17,4 % (по массе), а минимальная растворимость при температуре 20°С составляет лишь 1,4 % Mg (для равновесного состояния). Только в этом интервале магний образует с алюминием твердый раствор – a. Свыше отмеченных предельных концентраций растворимости магния в алюминии появляется промежуточная фаза (интерметаллическое соединение) примерного химического состава .

Рис. 13. Левая часть диаграммы состояния Al-Mg

Рис. 14. Диаграмма состояние Al-Si

Интерметаллические соединения, как правило, повышают твердость и снижают пластичность сплава.

Диаграмму состояния эвтектического типа образуют два металла, образующие в жидком состоянии взаимные растворы, но практически не растворимые в твердом состоянии. В твердом состоянии структура таких сплавов представляет эвтектику – механическую смесь зерен двух металлов.

Примером диаграммы эвтектического типа служит диаграмма состояния алюминий-кремний. Для такой системы сплавов характерно наличие чисто эвтектического состава – для сплава Al-Si эвтектический состав равен 11,7 % Si + Al – остальное.

Эвтектические сплавы имеют строго определенную температуру солидуса; в частности для сплавов Al-Si температура солидуса равна 588°С.

Именно при этой температуре происходит окончание затвердевания при всех концентрациях кремния. Чисто эвтектический сплав данной системы имеет концентрацию кремния 11,7 %, его затвердевание происходит при постоянной температуре – 588°С (без интервала затвердевания). Литейный сплав Ак12 считается чисто эвтектическим сплавом. Сплавы с концентрацией кремния менее 11,7 % Si являются доэвтектическими и имеют структуру: a + эвтектика, где a – твердый раствор кремния в алюминии имеет очень низкую концентрацию кремния и представляет почти чистый алюминий. Сплавы с концентрацией кремния свыше 11,7 % – заэвтектические и характеризуются структурой: кремний + эвтектика. Доэвтектические и заэвтектические сплавы затвердевают в температурном интервале, но при одинаковой температуре солидуса 588°С.

Значительно меньшее применение в технике имеют сплавы, характеризующиеся диаграммами состояния перитектического типа; равно как и сплавы с фазовыми диаграммами, имеющие химические соединения.

Кроме того, большинство сплавов являются многокомпонентными, т.е. содержат не один, а несколько легирующих элементов. В этом случае диаграмма состояния не может быть представлена плоским изображением. Так сплавы из трех элементов представляются диаграммой состояния в трехмерном изображении: равносторонним треугольником задается состав сплавов, а перпендикуляры в углах к плоскости треугольника отражают величину температуры; фазовые превращения в трехкомпонентном сплаве представляются поверхностями над плоскостью равностороннего треугольника. Для плоского изображения при анализе таких диаграмм пользуются политермическими разрезами (сечение вертикальной плоскостью) и изотермическими разрезами (сечение горизонтальной плоскостью). Однако чаще всего многокомпонентный сплав рассматривают как двухкомпонентный с плоским представлением диаграммы состояния. Легирующие элементы по своему действию на фазовые переходы учитываются путем введения коэффициентов приведения к основному легирующему элементу.

На основе алюминия производится большое количество разнообразных сплавов, отличающихся малой плотностью (до 3 г/см 3), высокими коррозионной стойкостью, теплопроводностью, электропроводностью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью при низких температурах, хо­рошей светоотражательной способностью. На изделия из алюминиевых сплавов легко наносятся защитные и декоративные покрытия, они легко обрабатываются резанием и свариваются контактной сваркой.

Алюминиевые сплавы наряду с основным металлом-алюминием могут содержать один или бо­лее из пяти основных легирующих компонентов: медь, кремний, магний, цинк и марганец, а также железо, хром, титан, никель, кобальт, серебро, литий, ванадий, цирконий, олово, свинец, кадмий, висмут и др. Легирующие компоненты при достаточно высокой температуре полностью растворяются в жидком алюминии. Растворимость в твердом состоянии с образованием твердого раствора для всех элементов ограничена. Нерастворившиеся частицы или образуют в структуре сплава самостоятельные, чаще всего твердые и хрупкие кристаллы, или присутствуют в виде чистых эле­ментов (кремния, олова, свинца, кадмия, висмута), или в виде интерметаллических соединений с алюминием (А 2 Cu; Al 3 Mg 2 ; Аl 6 Mn; АlMn; Al 3 Fe ; А 7 Сг; Al 3 Ti ; Al 3 Ni ; AlLi ).

В сплавах с двумя или тремя легирующими компонентами интерметаллические соединения входят в состав двойных (Mg 2 Si , Zn 2 , Mg ), тройных [ α (AlFeSi )] и более сложных фаз.

Образующийся твердый раствор и наличие гетерогенных структурных составляющих опреде­ляют физические, химические и технологические свойства сплавов. Влияние легирования на структуру сплавов описывается диаграммой состояния, по которой определяется характер проте­кания процесса затвердевания, состав образующихся фаз и возможность различных превращений в твердом состоянии. На рис. 1 - 9 рассмотрены диаграммы состояния двойных и тройных алюминиевых сплавов.

Сплав системы Al -Cu. Из диаграммы видно, что при содержании меди от 0 до 53% имеет место простая эвтектическая система Аl(α ) – Аl 2 Cu(θ) с эвтектикой при температуре 548°С и содержании 33% Cu. Максимальная растворимость (при эвтектической температуре) меди в α -твердом растворе - 57%. Растворимость меди уменьшается с понижением температуры и при температуре 300°С составляет 0,5%. Нерастворившаяся медь находится в равновесном состоянии в виде фазы А 2 Cu. При средних температурах в результате распада пересыщенного твердого рас­твора образуются метастабильные промежуточные фазы (θ " и θ ").

Сплав системы Al - Si . Система чисто эвтектическая, существующая при температуре 577°С и содержании 12,5% Si . В α -твердом растворе при этой температуре растворяется 1, 6 % Si . На кристаллизацию эвтектического кремния может влиять незначительная добавка натрия. При этом происходит зависимое от скорости затвердевания переохлаждение и смещение эвтектической точки с соответствующим измельчением эвтектической структуры.

Сплав системны Al - Mg . Область содержания магния в сплаве от 0 до 37,5% является эвтектической. Эвтектика существует при температуре 449°С и содержании 34,5% Mg . Рас­творимость магния при этой температуре максимальная и составляет 17,4%. При температуре 300°С в α -твердом растворе растворяется 6,7% Mg ; при 100°С - l ,9% Mg . Нерастворившийся магний находится в структуре чаще всего в виде β -фазы (Al 3 Mg 2 ).

Сплав системы Al - Zn . Сплавы этой системы образуют эвтектическую систему при температуре 380°С с богатой цинком эвтектикой при содержании 97% Zn . Максимальная растворимость цинка в алюминии - 82%. В области α -твердого раствора ниже температуры 391°С имеется разрыв. Обогащенная цинком α -фаза при температуре 275°С распадается с образованием эвтектической смеси алюминия с 31,6% Zn и цинка с 0,6%Аl. Далее растворимость цинка понижается и при температуре 100°С она составляет всего 4%.

Диаграммы состояния сплавов систем Al -Mn , Al - Fe свидетельствуют о существовании эвтектики при очень малых концентрациях легирующих элементов. За исключением марганца растворимость элементов в твердом состоянии незначительна, например, железа < 0,05%.

В сплавах систем Al - Ti (см. рис. 1.14), Аl- C r растворимость элементов составляет десятые доли процента.

В сплаве системы Al -Рb с понижением температуры происходит разделение компонентов уже в расплаве с образованием двух жидких фаз. Затвердевание начинается практически при температуре плавления алюминия и заканчивается при температуре плавления легирующего элемента (моноэвтектическая кристаллизация).

Сплав системы Al - Mg - Si состоит из двух тройных эвтектик. Тройная эвтектика Al - Mg 2 S i - Si , содержащая 12% Si и 5% Mg , плавится при температуре 555°С. Эвтектика Al - Mg 2 Si - AlbMg 2 с температурой плавления 451°С почти не отличается от двойной системы Al - Al 3 Mg 2 . Линия ликвидуса, соединяющая обе тройные эвтектические точки, переходит через максимум при температуре 595°С точно по квазибинарному сечению (8,15% Mg и 4,75% Si ). Благодаря избытку магния (по отношению к Mg 2 Si ) растворимость кремния в α -твердом растворе сильно уменьшается. Сплавы Al - Mg , особенно литейные, содержат несколько десятых процента кремния и поэтому относятся к частичной системе Al - Mg 2 Si - Al 3 Mg 2 .

Сплав системы Al - Cu - Mg . Диаграмма состояния этой системы показывает, что наряду с двойными фазами A 3 Mg 2 (β ) и Аl 2 Cu(θ) в равновесии с твердым раствором α могут находится две тройные фазы S и Т. За перитектическим превращением при высоком содержании меди образуется близко к квазибинарному сечение A l- S (температура эвтектики 518°С) и частичная эвтектическая область Al - S - Al 2 Cu (температура эвтектики 507°С). Богатая магнием фаза Т (Al 6 Mg 4 Cu ) возникает на основе фазы S в результате перитектической четырехфазной реакции при температуре 467°С. При температуре 450°С происходит последующая перитектическая четырехфазная реакция, по которой фаза Т превращается в β.

Сплав системы Al - Cu - Si . Диаграмма состояния сплава показывает, что алюминий образует с кремнием и фазой А 2 Cu простую тройную эвтектическую частичную систему (температура эвтектики 525°С). Совместное присутствие меди и кремния не влияет на взаимную растворимость их в α -твердом растворе.

Сплав системы Al - Zn - Mg . В построении алюминиевого угла системы участвуют двойные фазы Al 3 Mg 2 , MgZn 2 и тройная фаза Т, отвечающая среднему химическому составу Al 2 Mg 3 Zn 3 . Сечения Al - MgZn 2 и Al -Т остаются квазибинарными (температура эвтектики 447°С). В частичной области Al - T - Zn при температуре 475°С имеет место перитектическая четырехфазная реакция, по которой фаза Т превращается в фазу MgZn 2 . В дальнейшем при прохождении четырехфазной реакции при температуре 365°С из фазы MgZn 2 при высоком содержании цинка образуется фаза MgZn 5 , которая вместе с алюминием и цинком кристаллизуется по эвтектической реакции при температуре 343°С.

В сплавах на основе алюминия легирование основными компонентами предусматривается та­ким образом, чтобы их суммарное содержание находилось ниже максимальной растворимости. Исключение составляет кремний, который благодаря благоприятным механическим свойствам эвтектики используется в эвтектической и заэвтектической концентрациях.

Примеси и добавки могут видоизменить диаграмму состояния лишь незначительно. Эти элементы чаще всего слабо растворяются в твердом растворе и образуют гетерогенные выделения в структуре.

Вследствие неполного выравнивания концентрации внутри первичных кристаллов алюминиевого твердого раствора во время его затвердевания в структуре могут появиться эвтектические участки при концентрации ниже максимальной растворимости, особенно в литом состоянии. Они располагаются по границам первичных зерен и препятствуют обрабатываемости.

Поскольку легирующие добавки растворяются в твердом растворе, гетерогенные структурные составляющие могут быть устранены длительным нагреванием при высоких температурах (гомо­генизации) дуффузионным путем. При горячем деформировании хрупкие выделения по границам зерен механически разрушаются и распределяются в структуре в строчечном режиме. Этот про­цесс характерен при превращении литой структуры в деформированную.

Алюминиевые сплавы по способу обработки подразделяются на деформируемые и литейные.