2.2 Деформовні алюмінієві сплави, що зміцнюються термічною обробкою

Дуралюміни - сплави алюмінію з міддю, додатково леговані ма­рганцем та магнієм. Промислові сплави поділяють на групи:

1) класичний дуралюмін (Д1);

2) дуралюмін підвищеної міцності (Д16) (має підвищений вміст

М§);

3) дуралюміни підвищеної жароміцності (Д19, ВАД1, ВД17) (мають збільшене, порівняно з Д1, співвідношення Мй/Си);

4) дуралюміни підвищеної пластичності (Д18, В65) (зі зниженим вмістом легуючих елементів).

Цифри в марках сплавів вказують на умовний номер за стандар­том.

Зміцнювальна термічна обробка сплавів базується на змінній розчинності міді в алюмінії зі зниженням температури. Гартування пе­редбачає нагрівання сплавів в однофазну а-область (рис. 2.4), витри­мку при цій температурі та прискорене охолодження з метою фіксації пересиченого міддю твердого розчину.

Після цієї операції пластичність сплавів зростає, міцність, порі­вняно з відпаленим станом, збільшується. Такий стан є нестабільним, із часом проходить виділення надлишку міді у вигляді дисперсних фаз (або зон). В а-твердому розчині лишається 0,2% Си. Таке явище має назву - старіння. Процес супроводжується зростанням міцності.

Явище старіння дуралюміну було відкрито в 1906 році німецьким металургом Вільмом. Старіння - дисперсійне зміцнення, пов'язане із виділенням дрібнодисперсних твердих фаз. Розрізнюють природне ста­ріння (процес відбувається при кімнатній температурі, тривалість про-зо

цесу залежить від легування, для класичного дуралюміну Д1 - 4-5 діб) та штучне (процес проходить при підвищеній температурі (250-300°С), тривалість процесу скорочується до кількох годин).

гс 600

500

400

300

200

100

Г--■

---.

Р

 

 

 

\р+а

548°с

 

---

---т

у

 

а 7"! /'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

/

 

 

 

1

_р_

 

 

 

/    ! а+(

\(СиАЦ

е+а

 

§

е+є

 

 

І ^ І    ! ґ

 

 

 

іЗ

 

 

 

20

ЗО

33

40

50

0,2   5,7 ю

АІ, 100% Си, %(мас.)

Рисунок 2.4 - Діаграма стану системи А1-Си

При температурі 20°С (І стадія старіння) під час витримки в сплаві утворюються дископодібні скупчення атомів міді, які розміщу­ються паралельно площинам {100} ГЦК-гратки а-твердого розчину на основі алюмінію. Ці скупчення когерентно пов'язані з граткою а-фази, викликають в ній спотворення, зміцнюючи сплав. Такі утворення (то­вщиною 0,5-1,0 нм, діаметром 4-10 нм) мають назву зон Гіньє-Престона 1 (ГП-1). При подальшій витримці або при підвищенні тем­ператури виникають зони Гіньє-Престона 2 (ГП-2). Ці утворення ма­ють впорядковану структуру, містять більшу кількість міді. За хіміч­ним складом наближаються до сполуки СиА12, когерентний зв'язок з матрицею зберігається. Товщина виділень - 10 нм, діаметр - до 150 нм. Природне старіння завершується на стадії утворення зон. По­дальше збільшення часу витримки або температури супроводжується перетворенням зон ГП-2 на Э'-фазу, когерентно пов'язану з матрицею, але відмінну за типом гратки від а-твердого розчину. При штучному старінні отримують Э'-фазу. При подальшому зростанні температури або часу витримки когерентність порушується, утворюється Э-фаза (СиА12). Частинки Э-фази швидко коагулюють, що призводить до зне-міцнення сплаву.

Послідовність процесу старіння може бути представлена у ви­гляді схеми:

а+ГП-1->а+ГП-2^а+Є'^а+Є(СиЛІ2)

При природному старінні максимальне зміцнення спостерігаєть­ся після різної тривалості процесу. Чим більше співвідношення Мй/Єи тим повільніше відбувається старіння (Д1, Д16 - 4 доби, Д19 - 5 діб, ВАД - 10 діб).

Короткочасна витримка (30-120 с) дуралюмінів після природно­го старіння при температурі 230-270°С дозволяє повертати матеріал у "свіжезагартований" стан. Це явище має назву - зворот. У такій спо­сіб може бути відновлена висока пластичність сплаву при операціях формозмінювання. Обмеження використання такої обробки пов'язано із необхідністю швидкого нагріву (застосовують лише для тонкостін­них виробів) та погіршенням опору корозії на межах при багаторазо­вих обробках.

У технологічному процесі первинною термообробкою є гомогені­зація сплавів. Зливки з неоднорідною грубою структурою витримують при температурі 450-540°С від 4 до 40 годин. Охолодження має бути повільним. Після такої обробки евтектичні частинки ЄиА12 розчиняють­ся в а-твердому розчині, вирівнюється концентрація. Повільне охоло­дження супроводжується виділенням дисперсних частинок інтерметалі-дних фаз, пластичність, порівняно з литим станом, покращується. Об­робка тиском здійснюється після гомогенізації. Наступні операції - гар­тування та старіння (природне або штучне).

Особливістю обробки дуралюмінів є необхідність забезпечення високої точності температури, при гартуванні, наприклад, Лї±5 °С. Це пов' язано із наближенням температури гартування до температури плавлення евтектики. Перегрів призводить до плавлення евтектики на межах зерен, що супроводжується окисленням металу, такий дефект є невиправним.

Структурне зміцнення алюмінієвих сплавів. Пресефект.

Температура рекристалізації деяких алюмінієвих сплавів, для яких застосовують гарячу деформацію за певними режимами, переви­щує температуру нагрівання під гартування. За таких умов, гарячеде-формований напівфабрикат після остаточної термообробки зберігає полігонізовану структуру, що зумовлює підвищення міцності у порів­нянні зі сплавом після рекристалізації. Підвищення міцності внаслідокзбереження після термічної обробки нерекристалізованої структури найбільш характерно для пресованих напівфабрикатів, це явище отри­мало назву пресефект (структурне зміцнення). Структурне зміцнення напівфабрикатів залежить від кількох факторів : складу сплавів, режи­мів гомогенізації зливків перед обробкою тиском, температури та сту­пеня деформації, швидкості деформування при гарячій деформації, режимів остаточної термообробки.

Дуралюміни знайшли широке застосування в авіабудуванні че­рез високу питому міцність.

З метою збільшення корозійної стійкості дуралюмінів застосо­вують плакування технічним алюмінієм (99,5%), при цьому зливок по­кривають планшетами технічного алюмінію, в процесі подальшого деформування товщина покриття складає до 4% від товщини листа. В композиції "А1 - дуралюмін", дуралюмін є катодом і не кородує. Не­доліком плакованих листів є низький опір втомі. Інший спосіб збіль­шення корозійної стійкості - електрохімічне оксидування (анодуван­ня). Спосіб передбачає витримку напівфабрикатів в сірчаній кислоті, на поверхні виробів при цьому утворюється щільна плівка А1203, що має товщину більшу за звичайну.

Сплави системи Al-Mg-Si (авіалі). Характерною особливістю цих сплавів є висока пластичність, корозійна стійкість. За міцністю авіалі поступаються дуралюмінам. Сумарний вміст легуючих елемен­тів в авіалях знаходиться на рівні 1-2%. Маркірують авіалі: АВ, АД31, АД33, АД35. Додатково до складу авіалей можуть входити мідь, мар­ганець та хром. Термічна обробка авіалей складається з гартування від температури 500-520°С та природного або штучного старіння (160­170°С - 12-15 год.). Найбільша міцність відповідає природному ста­рінню (тривалість процесу - два тижні). Структура після термооброб­ки а+Мй28і. Використовують авіалі для виготовлення лопастей гвинта вертольотів, після анодування - для корпусів годинників, декоратив­них елементів оздоблення автомобілів.

Ковочні сплави відповідають системі Al-Mg-Si-Cu. Маркірують АК6, АК8. У порівнянні з авіалями ці сплави мають більшу кількість міді. Ковочні сплави призначені для виготовлення штамповок та поко­вок. Сплави зміцнюються гартуванням (500-520°С) та старінням, най­більший рівень міцності забезпечується при штучному старінні (160­170°С - 12-15 год.). Структура після термообробки а+9(ЄиА12)+\¥(А1-зз

Мй~8і-Си)+Мй28і. Сплав АК6 призначений для виготовлення поковок та штамповок складної конфігурації в авіабудуванні, АК8 - для відпо­відальних силових штамповок, можливе зварювання. Недоліком цих сплавів є низька корозійна стійкість, обов' язковим є захист поверхні деталей.

Високоміцні алюмінієві сплави належать до систем Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu. Цинк та магній мають найбільшу розчинність в алюмінії при підвищених температурах (70% та 17,4%, відповідно), що різко зменшується при охолодженні. Сплави зміцнюють гартуванням з тем­ператури 460-470°С, охолодження проводять у воді, з подальшим штучним старінням при температурі 120-140°С впродовж 16-24 год. Структура сплавів після такої термообробки складається з а+г|(Мй2п2)+Т(А12Мйз2пз)+8(А12СиМй). Перевага надається штучно­му старінню, після якого забезпечується найвища міцність. Сплави маркірують В95, В96, В93, В96Ц (з цирконієм). До складу В95входять наступні елементи: 6% 2п; 2,3% Мй; 1,7% Си; 1,18% Сг; решта - алю­міній, для листової заготовки матеріалу границя міцності складає 540 МПа.

Сплави системи Al-Cu-Mg, додатково леговані залізом та ніке­лем, належать до жароміцних. Маркірують АК4-1, склад цього сплаву (%): 2,2 Си, 1,6 Мй, 1,1 Бе, 1,1 №, 0,06 Ті. Сплав зміцнюється гарту­ванням (530±5°С) охолодження у воді, старіння (190-200°С - 12­24 год.). Структура після термообробки: а+8(А12СиМй)+А19Р-е№. Сплав АК4-1 використовують при виготовленні поковок та штамповок деталей з температурою експлуатації до 250-з00°С (поршні авіадвигу­нів, обшивка та силовий каркас надзвукових літаків). Недоліком мате­ріалу є низька корозійна стійкість, для захисту листи - плакують, на­півфабрикати - анодують.