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.

Характеристики основных физико-механических свойств алюминия

Плотность r , (кг/м3) ∙ 10–3	2,7
Температура плавления Тпл, ° С	660
Температура кипения Ткип, ° С	2 327
Скрытая теплота плавления, Дж/г	393,6
Теплопроводность l , Вт/м × град (при 20 ° С)	228
Теплоемкость Ср, Дж/(г × град) (при 0–100 ° С)	0,88
Коэффициент линейного расширения a × 106, 1/° С (при 25 ° С)	24,3
Удельное электросопротивление r × 108, Ом× м (при 20 ° С)	2,7
Предел прочности s в, МПа	40–60
Относительное удлинение d , %	40–50
Твердость по Бринеллю НВ	25
Модуль нормальной упругости E , ГПа	70

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.

Таблица 16.1

Марки и химический состав (%) первичного алюминия (ГОСТ 11069–74)

Обозначение марок	Al, не менее	Примеси, не более
		Fe	Si	Cu	Zn	Ti	сумма
Алюминий особой чистоты
А999	99,999	–	–	–	–	–	0,001
Алюминий высокой чистоты
А995	99,995	0,0015	0,0015	0,001	0,001	0,001	0,005
А99	99,99	0,003	0,003	0,003	0,003	0,002	0,010
А97	99,97	0,015	0,015	0,005	0,003	0,002	0,03
А95	99,95	0,025	0,020	0,010	0,005	0,002	0,05
Алюминий технической чистоты
А85	99,85	0,08	0,06	0,01	0,02	0,008	0,15
А8	99,8	0,12	0,10	0,01	0,04	0,01	0,20
А7	99,7	0,16	0,15	0,01	0,04	0,01	0,30
А7Е***	99,7	0,20	0,08	0,01	0,04	0,01*	0,30
А6	99,6	0,25	0,18	0,01	0,05	0,02	0,40
А5Е	99,5	0,35**	0,10	0,02	0,04	0,015*	0,50
А5	99,5	0,30	0,25	0,02	0,06	0,02	0,50
А0	99,0	0,50	0,5	0,02	0,08	0,02	1,0

* Для суммы титана, ванадия, хрома и марганца.

** 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

Сплавы системы Al—Mn

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.

Таблица 16.6

Химический состав (масс. %) деформируемых сплавов системы Al—Mn
(остальное — Al) (ГОСТ 4784–97)

Марка сплава		Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Si	Fe
Российская	Международная
ММ 1403	3005	0,30	1,0–1,5	0,20–0,60	0,10	0,25	0,10	0,6	0,7
АМц 1400	3003	0,05–0,20	1,0–1,5	–	–	0,10	–	0,6	0,7
АМцС 1401	–	0,10	1,0–1,4	0,05	–	0,10	0,10	0,15–0,35	0,25–0,45
Д12 1521	3004	0,25	1,0–1,5	0,8–1,3	–	0,25	–	0,30	0,7

 

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.

Таблица 16.7

Гарантируемые механические характеристики полуфабрикатов из сплава АМц

Полуфабрикаты	Состояние	s в , МПа	d , %	t ср, МПа
		не менее
Листы толщиной, мм:	М
0,3–3,0		£ 100–150	22	–
3,0–6,0		£ 100–150	20	–
0,3–6,5	Н2 (П)	150–220	6	–
0,3–0,5	Н	190	1	–
0,5–0,8		190	2	–
0,8–1,2		190	3	30
1,2–1,6		190	4	40
Трубы всех размеров	М	£ 130	–	–
	Н	140	–	–
Профили всех размеров	М	£ 170	16	160
Прутки	ГП	170	16	–
Проволока для заклепок	Без ТО	–	–	70
Плиты толщиной 11–25 мм	ГК	120	15	–

Сплавы системы Al—Mg (магналии)

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.

Таблица 16.8

Марки и химический состав (масс. %) деформируемых сплавов системы Al—Mg

Марка сплава			Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Другие элементы	Al	Плотность, (кг/м3) ∙ ∙ 10–3
Российская		Международная
Буквенная	Цифровая
АМг0,5	1505	5005, 5110	0,10	0,10	0,10	0,20	0,4–0,8	–	–	–	–	Остальное	2,7
АМг1	1510	5305	0,30	0,70	0,20	0,20	0,50–1,1	0,10	0,25	–	–	То же	2,69
АМг1,5	–	5050	0,40	0,70	0,20	0,10	1,1–1,8	0,10	0,25	–	–	То же	2,69
АМг2	1520	5251	0,40	0,50	0,15	0,10–0,50	1,7–2,4	0,05	0,15	0,15	–	То же	2,69
АМг2,5	–	5052	0,25	0,40	0,10	0,10	2,2–2,8	0,15–0,35	0,10	–	–	То же	2,68
АМг3	1530	5754, 5954	0,5–0,8	0,50	0,10	0,3–0,6	3,2–3,8	0,05	0,2	0,10	–	То же	2,66
АМг3,5	–	5154	0,25	0,40	0,10	0,10	3,1–3,9	0,15–0,35	0,20	0,20	0,0008 Be; 0,10–0,50 (Mn + Cr)	То же	2,66
АМг4	1540	5086	0,40	0,50	0,10	0,20–0,7	3,5–4,5	0,05–0,25	0,25	0,15	–	То же	2,66
АМг4,5	–	5083	0,40	0,40	0,10	0,40–1,0	4,0–4,9	0,05–0,25	0,25	0,15	–	То же	2,66
АМг5	1550	5056	0,50	0,50	0,10	0,3–0,8	4,8–5,8	–	0,20	0,02–0,10	0,0002–0,005 Be	То же	2,65
АМг6	1560	–	0,40	0,40	0,10	0,5–0,8	5,8–6,8		0,20	0,02–0,10	0,0002–0,005 Be	То же	2,64
АМг61	1561	–	0,40	0,40	0,10	0,7–1,1	5,5–6,5	–	0,20	–	0,0001–0,003 Be; 0,02–0,12 Zr	То же	2,64
–	01570	–	0,20	0,30	0,10	0,2–0,6	5,3–6,3	–	0,10	–	0,0002–0,005 Be; 0,05–0,15 Zr; 0,15–0,35 Sc	То же	2,64

 

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.

Таблица 16.9

Гарантируемые (не менее) механические характеристики катаных полуфабрикатов
из сплавов системы Al—Mg

Сплав	Состояние	Полуфабрикат	Толщина, мм	sв	s0,2		d, %
				МПа
АМг2	М	Листы	0,5–1,0	£ 165		–	16
			1,0–10,5	£ 65		–	18
	Н2		0,5–1,0	234–15		145	5
			1,0–5,0	234–15		145	6
			5,0–10,0	225		135	6
	Н		0,5–1,0	265		215	3
			1,0–10,5	265		215	4
	ГК, без ТО		5,0–10,5	175		–	7
		Плиты	11,0–25,0	175		–	7
			25,0–80,0	155		–	6
АМг3	М	Листы	0,5–0,6	£ 195		£ 90	15
			0,6–5,5	£ 135		£ 100	15
			4,5–10,5	£ 185		£ 80	15
	Н2		0,5–1,0	245		195	7
			1,0–5,0	245		195	7
			5,5–10,5	235		175	6
	Без ТО		5,0–6,0	185		80	12
			6,0–10,5	185		80	15
	Без ТО	Плиты	11,0–25,0	185		70	12
			25,0–80,0	165		60	11
АМг5	М	Листы	0,5–0,6	£ 275		£ 135	15
			0,6–4,5	£ 275		£ 145	15
			4,5–10,5	£ 275		£ 130	15
	Без ТО		5,0–6,0	275		130	12
			6,0–10,5	275		130	15
		Плиты	11,0–25,0	265		115	13
			25,0–80,0	255		105	12
АМг6	М	Листы	0,5–0,6	£ 305		£ 145	15
			0,6–10,5	£ 315		£ 155	15
	Без ТО		5,0–10,5	315		155	15
		Плиты	11,0–25,0	305		145	11
			25,0–50,0	295		135	6
			50,0–80,0	275		125	4
01570	М	Листы	0,8–2,3	£ 400		£ 270	13
			2,5–4,5	£ 360		£ 240	13
	Н2		0,8–2,3	410		320	6
	Н		0,8–2,3	460		410	4 £

Таблица 16.10

Гарантируемые механические характеристики прессованных прутков, труб и профилей из сплавов системы Al—Mg в состоянии без термической обработки

Сплав	Полуфабрикаты	s в, МПа	s 0,2, МПа	d , %
		не менее
АМг2	Прутки	175	–	13
	Трубы	155	60	10
АМг3	Профили	175	75	12
	Прутки	175	75	13
	Трубы	180	70	15
АМг5	Профили	255	115	15
	Прутки	265	118	15
	Трубы	255	110	15
АМг6	Профили, прутки	315	155	15
	Панели	315	155	15
	Трубы	315	145	15
АМг61 (1561)	Профили	330	205	11
	Прутки	330	155–205	11
	Панели	330	185	11
01570	Прутки	402	245	14
	Профили	392	255	14

Таблица 16.11

Гарантируемые механические характеристики поковок и штамповок из сплавов системы Al—Mg в отожженном состоянии в зависимости от направления волокна (Д, П, В)

Сплав	Толщина, мм	s в, МПа			s 0,2, МПа		d , %			НВ
		Д	П	В	Д	П	Д	П	В
Поковки
АМг2	До 75	165	145	135	–	–	15	13	11	44,0
АМг3	До 75	185	165	155	70	–	15	12	10	44,0
АМг6	До 75	316	305	305	135	130	15	14	14	63,5
	76–100	295	295	295	130	130	14	14	14	63,5
	100–300	285	285	285	120	120	11	11	11	63,5
Штамповки
АМг2	До 75	165	145	135	–	–	15	12	10	44,0
АМг3	До 75	185	165	155	70	–	15	12	10	44,0
АМг5	До 75	275	–	–	145	–	15	–	–	63,5
АМг6	До 75	315	305	305	155	130	15	14	14	63,5
	76–100	295	295	295	130	130	14	14	14	63,5
	100–300	285	285	285	120	120	11	11	11	63,5

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

Таблица 16.12

Показатели штампуемости листов толщиной 2 мм при различных операциях формообразования

Сплав и состояние	Вытяжка		Отбортовка		Выдавка		Радиус при гибке на 90°
	Кпр	Краб	Кпр	Краб	Кпл	Ксф	Rmin, мм	Rраб, мм
АМг1М	2,02–2,05	–	1,65–1,70	–	0,29–0,30	0,4–0,39	(0,7–0,9) ∙ s	–
АМг2М	2,0–2,6	1,8–1,85	1,52–1,56	1,32–1,40	0,23–0,26	0,36–0,42	(0,6–1,0) ∙ s	(1,0–1,5) ∙ s
АМг3М	1,92	1,86	1,86	1,63	0,22–0,25	0,36–0,32	1s	2 ∙ s
АМг4М	1,85–1,90	1,65–1,70	1,5–1,65	1,35–1,45	0,17–0,19	–	(1,0–1,55) ∙ s	(1,5–2,5) ∙ s
АМг5М	1,7–1,87	1,85–2,02	1,3–1,5	1,42–1,62	0,24–0,29	0,37–0,46	(0,6–1,0) ∙ s	(2,0–2,5) ∙ s
АМг6М	2,0–2,06	1,8–1,85	1,52–1,56	1,32–1,40	0,22–0,25	0,35–0,40	(0,6–1,0) ∙ s	2 ∙ s
АМг6Н	1,4	–	1,16	–	–	–	5 ∙ s

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).

Таблица 16.13

Характеристики сварных соединений листов
толщиной 2 мм сплавов системы Al—Mg

Сплав	МПа	Коэффициент ослабления сварного шва /s в	Коэффициент трещинообразования Ктр, %	Угол загиба, град
АМг1	90	0,9	15	120
АМг2	170	0,9	10	120
АМг3	210	0,9	5	120
АМг5	240	0,9	10	90
АМг6	290	0,85	5	90
01570	400	0,85	0	100

 

Применение. Полуфабрикаты из сплавов АМг1, АМг0,5 используются в изделиях, где требуется повышенная декоративность и высокая отражательная способность.

Сплавы АМг2, АМг3 применяются в слабонагруженных сварных конструкциях, способных работать длительное время в достаточно агрессивной коррозионной атмосфере. Эти сплавы наиболее широко используются и главным образом в виде листов.

Сплавы АМг5, АМг6 применяются в сварных конструкциях для изготовления емкостей, используемых в том числе и при криогенных температурах.

Полуфабрикаты из сплава АМг61 нашли применение в судостроении. Сплав 01570 является сравнительно новым, и полуфабрикаты из этого сплава (наряду со сплавами АМг5, АМг6) применяются в ракетно-космической технике, а также опробуются для других целей.

Сплавы повышенной пластичности и ковочные

Коррозионностойкие сплавы повышенной пластичности системы Al—Mg—Si

Сплавы системы Al—Mg—Si относятся к термически упрочняемым сплавам. Они обладают хорошей коррозионной стойкостью, технологичностью в металлургическом и машиностроительном производстве, способностью подвергаться цветному анодированию, эмалированию (покрытие пленкой из эмалевого лака или смолы) и электрохимическому оксидированию для получения непрозрачной эмалевидной пленки молочного цвета с окрашиванием в любой цвет.

Высокая пластичность в горячем состоянии позволяет изготовлять из них сложные по конфигурации тонкостенные полые полуфабрикаты. Высокую пластичность сплавы имеют в отожженном, свежезакаленном и естественно состаренном состоянии, что позволяет подвергать их штамповке, вытяжке и другим операциям со значительными степенями деформации. При этом материал сравнительно мало упрочняется и допускает значительно большие вытяжки, чем сплавы АМг5 и АМг6 системы Al—Mg, которые быстро наклепываются при холодной пластической деформации.

Марки и химический состав сплавов этой системы приведены в табл. 16.14 (эти сплавы называют авиалями).

Сплав АД31 характеризуется минимальной прочностью, не содержит элементов антирекристаллизаторов (Mn, Cr), что повышает однородность и устойчивость твердого раствора и улучшает декоративный вид полуфабрикатов.

Таблица 16.14

Марки и химический состав (масс. %) сплавов системы Al—Mg—Si (остальное — Al) (ГОСТ 4784–97)

Марка сплава		Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Другие элементы
Российская	Между–народная
АД31 1310	6063	0,20–0,60	0,5	0,10	0,10	0,45–0,9	0,10	0,20	0,15	–
АД31Е 1310Е	6101	0,3–0,70	0,50	0,10	0,03	0,35–0,8	0,03	0,10	–	B: 0,06
АД33 1330	6061	0,4–0,80	0,70	0,15–0,40	0,15	0,8–1,2	0,04–0,35	0,25	0,15	–
АД35 1350	6082	0,70–1,3	0,50	0,10	0,40–1,0	0,6–1,2	0,25	0,20	0,10	–
АВ 1340	6151 6351	0,50–1,2	0,50	0,1–0,5	0,15–0,35	0,45–0,90	0,25	0,20	0,15	–

Примечание. «Е» — для алюминиевого сплава с электротехническими характеристиками.

Сплав АД33 кроме Mg и Si содержит Cu и Cr, что обеспечивает более высокую прочность, чем у АД31. Сплав обладает высоким сопротивлением коррозионной усталости.

По уровню прочности сплавы АД35 и АВ близки, но достигается этот уровень различными способами. В сплаве АД35 предусмотрено высокое содержание марганца, а в сплаве АВ дополнительно введена медь. Сплав АД35 имеет высокую коррозионную стойкость.

В системе Al—Mg—Si существует квазибинарное сечение Al—Mg₂Si (рис. 16.3), которое делит диаграмму состояния на две самостоятельные системы Al—Si—Mg₂Si и Al—Mg₅Al₈—Mg₂Si. В равновесии с алюминиевым твердым раствором находятся три фазы: Si, Mg₅Al₈, Mg₂Si.

Рис. 16.3. Алюминиевый угол диаграммы Al—Mg—Si. Распределение фазовых областей в твердом состоянии

Квазибинарный разрез отвечает соотношению концентраций Mg / Si = 1,73. В зависимости от концентрации магния и кремния сплавы могут располагаться в фазовых областях: a + Mg₂Si или a +  Mg₂Si + Si. Сплавы АД31, АД35 и АВ имеют фазовый состав a + Mg₂Si +Si, а сплав АД33 — фазовый состав a + Mg₂Si. Растворимость магния и кремния с понижением температуры уменьшается, что лежит в основе термического упрочнения.

Уровень механических свойств в основном определяется содержанием Mg₂Si, однако добавки марганца, хрома и меди вносят дополнительное упрочнение.

Термическая обработка. Сплавы упрочняются термической обработкой по следующим режимам:

• закалка (нагрев до 510–535 ° С и последующее охлаждение в холодной воде) + естественное старение в течение 10–15 сут.;
• закалка + искусственное старение при 160–170 ° С в течение 10–12 ч.

Процесс естественного старения сплавов системы Al—Mg—Si замедленный по сравнению со сплавами типа дуралюмина. Эффект естественного старения достаточно высок и составляет 30–40 % от s _в и около 50 % от s _0,2 в свежезакаленном состоянии. Максимальные прочностные свойства при удовлетворительной пластичности обеспечиваются искусственным старением.

Упрочнение при старении сплавов системы Al—Mg—Si вызывается зонами Гинье—Престона и метастабильными выделениями фазы b ¢ на базе соединения Mg₂Si. В процессе распада пересыщенного твердого раствора последовательно выделяются зоны игольчатой формы с последующим упорядочением структуры b ¢ ¢ , метастабильная фаза b ¢ , стабильная фаза b пластинчатой формы.

Максимальное упрочнение обусловлено преимущественно выделениями b ¢ или b ¢ ¢ + b ¢ — фаз с размером частиц около 0,03 мкм, что на порядок меньше, чем в других стареющих сплавах. Упрочнение в сплавах системы Al—Mg—Si является в основном следствием химических эффектов, поскольку значительных когерентных напряжений на межфазных границах не обнаружено.

Важно отметить, что искусственное старение необходимо проводить не позднее 20–30 мин после закалки. В противном случае эффект упрочнения уменьшается (в частности, s _в и s _0,2 снижаются на 30–50 МПа при перерыве между закалкой и искусственным старением более 1 ч). Для предотвращения этого явления (в случае технологической невозможности проведения искусственного старения сразу после закалки) рекомендуется кратковременное искусственное старение при 150–180 ° С в течение 5–20 мин сразу после закалки. Это обеспечивает максимальное упрочнение при искусственном старении независимо от продолжительности предшествующего вылеживания.

Отжиг полуфабрикатов рекомендуется проводить при температурах 350–370 ° С (АД35, АВ), 350–400 ° С (АД31), 380–420 ° С (АД33). Охлаждение производится в печи со скоростью 30° /ч до температуры 250 ° С, дальнейшее охлаждение — на воздухе.

Технологические свойства. Сплавы АД31, АД33, АД35 и АВ хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. Пластичность сплавов при температуре обработки давлением 450–500 ° С высокая. Допустимая степень деформации за один прогрев 85 %.

Для обеспечения высокой пластичности при холодной деформации сплавы отжигают (см. выше). Для снятия технологического наклепа, полученного в результате холодной деформации, рекомендуется проводить отжиг при 350–370 ° С в течение 0,5–1,5 ч, охлаждение на воздухе.

Пластичность сплавов системы Al—Mg—Si в отожженном состоянии хорошая, в естественно и искусственно состаренном состояниях удовлетво-рительная (табл. 16.15).

Обрабатываемость резанием сплавов Al—Mg—Si в отожженном состоянии неудовлетворительная, в естественно и искусственно состаренном состояниях удовлетворительная.

Таблица 16.15

Параметры штампуемости листов из сплавов системы Al—Mg—Si

Сплав	Состояние	Квыт	Котб	Квыд, %	Rmin , мм
АД33	М	1,8–1,95	1,35–1,55	12–15	(0,8–1,25) × s
АД35	З*	1,7–1,8	1,3–1,5	10–12	(1,0–1,55) × s
АВ	Т1	–	–	–	(2,0–2,5) × s

* Свежезакаленное состояние.

Сплавы АД31, АД33 и АД35 при сварке плавлением и контактной сварке обладают удовлетворительной свариваемостью. Сплав АВ хорошо сваривается дуговой и контактной сваркой.

Для указанных сплавов рекомендуется присадочная проволока СвАК5. Временное сопротивление s _в сварного соединения с предварительной закалкой и искусственным старением материала не ниже 0,7 от s _в основного материала. Искусственное старение сварного соединения повышает его s _в до 0,8–0,9 от s _в основного материала.

Применение. Из сплавов АД31, АД33 и АД35 выпускаются преимущественно прессованные полуфабрикаты и штамповки, а из сплава АВ — плиты, листы, прессованные полуфабрикаты и штамповки. Механические характеристики полуфабрикатов сплавов приведены в табл. 16.16.

Сплав АД31 применяется для деталей невысокой прочности (s _в £ 200 МПа) с хорошей коррозионной стойкостью и декоративным видом, работающих в интервале температур от –70 до 50 ° С. Сплав применяется с различными цветовыми покрытиями, в том числе для ювелирных изделий «под золото», отделки кабин самолетов и вертолетов. Цветовые покрытия на изделиях из сплава АД31 (и других алюминиевых сплавов) получают двумя способами:

– непосредственно при электрохимическом оксидировании в растворе щавелевой кислоты. При этом декоративная окраска образующейся оксидной пленки зависит от плотности тока I и может иметь цвет серебристый при I = 1,5–2,0 A/дм², желтый (под латунь) при I = 3,0 A/дм² или коричневый при I = 5 A/дм²;

– адсорбционным окрашиванием пористых оксидных пленок, полученных химическим оксидированием в растворе серной кислоты. Процесс окрашивания основан на способности оксидных пленок впитывать и удерживать в себе красящие вещества (органические красители или минеральные пигменты). Получаемая цветовая гамма покрытий в данном случае может меняться от черного до золотисто-желтого цвета.

Таблица 16.16

Гарантируемые механические характеристики полуфабрикатов из сплавов системы Al—Mg—Si

Сплав	Полуфабрикат	Состояние	Толщина (s) или диаметр (d), мм или масса (m), кг	Направление вырезки образцов	s в, МПа	s 0,2, МПа	d , %
					не менее
АД31	Прессованный профиль	Т	s £ 125	Д	140	70	13
	Пруток		5 £ d £ 300
	Прессованный профиль	Т1	s £ 125		200	150	8
	Пруток		5 £ d £ 300
АД33	Прессованный профиль	Т	Всех размеров	Д	180	110	15
	Пруток		5 £ d £ 300		180	110	15
	Прессованный профиль	Т1	s £ 10		260	230	10
	Пруток		5 £ d £ 300		270	230	10
	Штамповка		m £ 10		270	200	8
			30 £ m £ 425		250	190	6
АВ	Прессованный профиль	Т	s £ 125	Д	180	–	14
	Пруток		5 £ d £ 300		180	–	14
	Труба прессованная		s ³ 5 (стенка)		210	–	14
	Труба катаная, тянутая		Всех размеров		210	–	14
АВ	Прессованный профиль	Т1	s £ 125	Д	300	230	10
	Пруток		5 £ d £ 300		300	–	12
	Труба прессованная		s ³ 5 (стенка)		310	230	8
	Труба катаная, тянутая		Всех размеров		310	–	8
	Поковка		m £ 1500		280	–	10
	Штамповка		m £ 200	Д	300	220	12
				П	270	–	4
АВ	Лист неплакированный	М	0,5 £ s £ 5	П	150	–	20
			5 £ s £ 10,5		150	–	15
		Т	0,6 £ s £ 0,3		200	–	20
			3 £ s £ 5		200	–	18
			5 £ s £ 10,5		180	–	16
		Т1	0,4 £ s £ 5		300	–	10
			5 £ s £ 10,5		300	–	8
АВ	Плита	Т	11 £ s £ 25	П	180	–	14
			25 £ s £ 40		170	–	12
			40 £ s £ 80		170	–	10
		Т1	11 £ s £ 25	П	300	–	7
			25 £ s £ 40		290	–	6
			40 £ s £ 80		280	–	6

Сплав широко используется в гражданском строительстве для оконных витражей, дверных рам, перегородок, эскалаторов, а также в мебельной, автомобильной, легкой промышленностях. При применении специальной термомеханической обработки сплав АД31Е приобретает высокие электрические свойства при относительно высоких прочностных свойствах.

Сплав АД33 применяется для деталей средней прочности (s _в £ 270 МПа), от которых требуется удовлетворительная коррозионная стойкость во влажной воздушной и морской средах (лопасти вертолетов, барабаны колес гидросамолетов). Сплав АД33 и его сварные конструкции успешно работают при температурах до 200 ° С, а также в криогенной технике (трубопроводы, патрубки), в судостроении и гражданском строительстве.

Сплав АД35 применяется для деталей средней прочности (s _в ³ 300 МПа) в закаленном и искусственно состаренном состояниях или при s _в ³  200 МПа в закаленном и естественно состаренном состояниях, от которых требуется высокая коррозионная стойкость и равномерная структура, практически без крупнокристаллического ободка (см. гл. 3). В судостроении для различных деталей и конструкций используются профили из этого сплава в закаленном и естественно состаренном состояниях.

Сплав АВ (s _в ³ 300 МПа) применяется для деталей самолетов, двигателей, от которых при изготовлении требуется высокая пластичность в холодном и горячем состояниях, лопастей вертолетов, штампованных и кованых деталей сложной формы.

 

Ковочные сплавы системы Al—Cu—Mg—Si

К этой системе принадлежат сплавы АК6 и АК8 (табл. 16.17), которые обладают хорошей пластичностью и стойкостью к образованию трещин при горячей пластической деформации. Их применяют для изготовления штамповок и поковок. Эти сплавы термически упрочняемые.

Дополнительное легирование сплавов медью повышает эффект упрочнения по сравнению с авиалями при некотором снижении относительного удлинения, вязкости разрушения и сопротивления коррозионному растрескиванию.

Небольшие добавки титана (0,10–0,15 %) и хрома (≈ 0,01 %) позволяют устранить столбчатую структуру слитков и повысить пластичность в горячем состоянии. После термообработки сплавы с этими добавками имеют сильно измельченную структуру и повышенные механические свойства.

Распад твердого раствора при старении в сплавах системы Al—Cu—Mg—Si протекает по двум направлениям: b ¢ ¢ ® b ¢ ® b (Mg₂Si) и q ¢ ¢ ® q ¢ ® q (CuAl₂). При наибольшем упрочнении сплава АК6 наблюдается фаза q ¢ ¢ , сплава АК8 — фаза q ¢ . В сплавах АК6 и АК8 могут присутствовать частицы избыточной фазы Mg₂Si, а в сплаве АК8 — также фазы W (AlCuMgSi) и частицы нерастворимого соединения AlFeMnCuSi.

Термическая обработка. Сплавы АК6 и АК8 применяются в закаленном и, как правило, в искусственно состаренном состоянии. Режимы их термической обработки приведены в табл. 16.18.

Для получения высоких механических свойств полуфабрикатов и деталей из этих сплавов охлаждение при закалке проводят в воде с температурой не выше 40 ° С. Для снижения закалочных напряжений и коробления при закалке массивных, сложных по конфигурации деталей и полуфабрикатов из сплавов АК6 с толщиной стенки до 30 мм допускается охлаждение в воде, нагретой до 80–90 ° С, а с толщиной до 150 мм — до 70–80 ° С. Закалка в горячей воде вызывает снижение прочностных характеристик на ≈ 5 %, но не ухудшает другие свойства. При этом наблюдается некоторое повышение сопротивления коррозионному растрескиванию.

Таблица 16.17

Марки и химический состав (масс. %) сплавов системы Al—Cu—Mg—Si
(остальное — Al) (ГОСТ 4784–97)

Марка сплава		Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Ni	Другие элементы
Российская	Международная
АК6 1360	–	0,7–1,2	0,7	1,8–2,6	0,4–0,8	0,4–0,8	–	0,3	0,1	0,1	–
АК6ч	–	0,7–1,2	0,4	1,8–2,6	0,4–0,8	0,4–0,8	–	0,3	0,1	0,1	–
АК8 1380	2014	0,5–1,2	0,7	3,9–5,0	0,4–1,0	0,2–0,8	0,1	0,25	0,15	–	Ti + Zr: 0,2

Таблица 16.18

Рекомендуемые режимы термической обработки сплавов АК6 и АК8

Сплав	Полуфабрикат	Закалка		Старение
		температура, ° С	закалочная среда	вид	температура, ° С	выдержка, ч
АК6, АК6ч	Все виды	505–525	Вода	Естественное Т	20	96
				Т1	155–165	10–15
				Т2	195–205	11–13
АК8	Поковки, штамповки	495–505	Вода	Естественное Т	20	96
				Т1	155–165	10–15
				Т2	195–205	11–13
	Прессованные			Естественное Т	20	96
				Т1	165–175	10–12

 

Сплав АК6, так же, как сплавы системы Al—Mg—Si, чувствителен к перерыву между закалкой и искусственным старением (см. выше). Сплав АК8 к такому перерыву не чувствителен, и его вылеживание после закалки не сказывается на механических свойствах после последующего искусственного старения.

Старение при 20 ° С (естественное) сплавов АК6 и АК8 обеспечивает высокую пластичность и сопротивление коррозионному растрескиванию при пониженных прочностных свойствах по сравнению с искусственным старением. Режим Т1 применяют для получения высокой прочности и удовлетворительной пластичности. Для сплава АК6 допускается применение сокращенного режима Т1: 170–175 ° С, 3 ч. Режим Т2 обеспечивает высокое сопротивление коррозионному растрескиванию при некотором снижении механических свойств по сравнению с режимом Т1 и применяется для деталей из сплавов АК6 (АК6ч) и АК8, испытывающих постояннодействующие растягивающие напряжения, в частности от постановки болтов или втулок с натягом.

Типичные механические свойства поковок, штамповок и полуфабрикатов из сплавов приведены в табл. 16.19 и 16.20.

Технологические свойства. Сплавы АК6 и АК8 имеют высокие технологические свойства при непрерывном литье, горячей обработке давлением (свободной ковке, штамповке, прессовании). Сплавы хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. Температурный интервал горячей деформации составляет 420–470 ° С.

Сплав АК6 может успешно деформироваться и в более высоком температурном интервале. Деформация сплава при 505–525 ° С с непосредственной закалкой в воде и последующее старение (ВТМО) приводят к некоторому повышению прочности и является перспективным технологическим процессом.

Таблица 16.19

Гарантируемые механические свойства при растяжении
(не менее) полуфабрикатов из сплавов АК6, АК6ч

Характеристика

Пруток прессованный

Труба прессованная

Штамповка

Поковка

Диаметр или толщина, мм

10 £ d £ 28

28 £ d £ 54

54 £ d £ 300

стенка

–

–

–

s £ 5

s > 5

Масса, кг

–

–

–

–

До 350

До 1500

До 200

Состояние

Т1

Т

Т1

Т1

Т1

Т

Направление вырезки образца

Д

Д

Д

П

В

Д

П

В

Д

s в, МПа

375

390

430

285

315

355

380

365

345

365

345

335

325

s 0,2, МПа

265

275

325

–

–

–

275

245

–

–

–

–

155

d , %

10

10

10

8

10

10

10

7

5

8

6

4

16

Таблица 16.20

Гарантируемые механические характеристики при растяжении
(не менее) полуфабрикатов из сплава АК8

Характеристика	Пруток прессованный							Штамповка						Поковка
Диаметр, мм	10–28		св. 28–150		св. 150–250		св. 250–300	–						–
Масса, кг	–		–		–		–	до 200						до 2000			до 750			св. 750–2000
Состояние	Т1							Т1			Т			Т1			Т
Направление вырезки образца	Д							Д	П	В	Д	П	В	Д	П	В	Д	П	В	Д	П	В
s в, МПа	460	460		460		460		410 (430)	390	355	380	365	345	380 (410)	355	335	380	365	325	375	355	325
s 0,2, МПа	335	365		345		335		295 (315)	–	–	245	235	–	–	–	–	245	–	–	235	–	–
d 5, %	8	8		8		8		8 (10)	6	3(4)	11	8	6	6 (8)	4	2 (3)	10	8	4	8	7	4

Примечание. В скобках указаны свойства поковок и штамповок массой до 30 кг.

Все сплавы удовлетворительно свариваются точечной и роликовой сваркой, а сплав АК8 — аргонодуговой сваркой с присадочной проволокой СвАК5. Прочность сварных соединений составляет 0,6–0,7 от прочности основного металла.

Сплавы хорошо обрабатываются резанием.

Сплавы АК6 (АК6ч) и АК8 обладают пониженной коррозионной стойкостью. Сопротивление коррозионному растрескиванию s _кр сплава АК6 в состоянии Т1 в условиях заданной деформации при переменном погружении в 3 %-ный раствор NaCl составляет в направлении по толщине листа (В) 120 МПа, в поперечном (П) — 150 МПа, в продольном (Д) — 200 МПа. При перестаривании эти показатели повышаются.

Технологические и эксплуатационные нагревы не приводят к ухудшению коррозионной стойкости сплавов. Защита от коррозии в зависимости от назначения деталей осуществляется анодно-оксидными химическими и лакокрасочными покрытиями.

Применение. Сплав АК8 вошел в международные стандарты под маркой 2014. Он особенно широко применяется за рубежом, причем не только в виде кованых, но и катаных, и прессованных полуфабрикатов.

Сплав АК6 — высокотехнологичный оригинальный российский ковочный сплав средней прочности с хорошими характеристиками вязкости и пластичности. Из него изготовляют стыкующие детали планера пассажирских самолетов длительного ресурса. Отечественные авиастроители на основании продолжительного опыта отдают предпочтение этому сплаву для применения в сложных штампованных деталях, требующих повышенной выносливости.

Сплавы АК6 и АК8 используются для ответственных силовых деталей авиационной техники, в частности в крыльях пассажирских самолетов.

Сплав АК6 применяют для изготовления сложных штамповок: крыльчаток компрессора, крыльчаток вентилятора для компрессоров реактивных двигателей, корпусных деталей агрегатов.

Кроме того эти сплавы широко используют в строительстве, транспорте, электротехнике и других отраслях промышленности.