Алюминиевые сплавы, классификация

РАЗДЕЛ 1 СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ЛЕКЦИЯ 1.1 ТЕМА: АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ Литейное производство алюминиевых сплавов в настоящее время представлено, фасонно-литейным производством и производством слитков. Из алюминиевых сплавов получают литые заготовки и отливки простой и сложной конфигурации, массой от нескольких грамм до десятков тонн. Металлический сплав в твердом состоянии представляет собой металлоподобные макроскопические однородные вещества, обладающие металлическими свойствами и состоящие из двух и более химических элементов. Кроме основы сплава в его состав обычно входят легирующие элементы, специально вводимые для придания требуемых свойств. что называют сплавами сплавы – смеси двух или более элементов, среди которых преобладают металлы – они являются основой сплава в сплавах используются практически все известные металлические элементы (за исключением полученных искусственно трансплутониевых элементов) твердый раствор сплавов - способность металлов взаимно растворяться с образованием твердых растворов и интерметаллидов при кристаллизации дает возможность получения огромного числа сплавов, различных по структуре и сочетаниям свойств в современной технологии применяют более 30000 разнообразных сплавов - тугоплавких и легкоплавких, пластичных или наоборот, очень твердых, с различной электропроводимостью, ферромагнитными свойствами и прочих характеристик наибольшую значимость имеют сплавы на основе железа и алюминия Согласно общепринятым теоретическим представлениям, хорошее сочетание прочности и пластичности характерно для сплавов на основе однородных твердых растворов. Однако сплавы с твердым раствором обладают низкими литейными свойствами. Поэтому сплавы такого типа преимущественно используются как деформируемые. Таблица 1 – Классификации металлов и сплавов Вид металла (сплава) Литейные Признак классификации Плотность, г/см3 5,0 более 5,0 Пластичность, % менее 3,0 более 3,0 Температура плавления, оС менее 500 500-1000 1000-1500 более 1500 Основа сплава Алюминий Медь Магний Никель Титан Количество компонентов Два Три Четыре Более четырех Технологическое назначение Литые изделия Легирование сплавов Переплав лома и отходов Способ получения изделий Литьем Деформируемые Обработкой давлением Легкие Тяжелые Пластичные Хрупкие Легкоплавкие Со средней температурой плавления С высокой температурой плавления Тугоплавкие Алюминиевые Медные Магниевые Никелевые Титановые Двойные Тройные Четверные Многокомпонентные Рабочие сплавы Лигатуры Вторичные сплавы вид металла (сплава) признак классификации признак классификации плотность, основа сплава алюминиевые вид металла (сплава) алюминий г/см3 легкие 5,0 тяжелые более 5,0 медные медь магниевые магний никелевые никель титановые титан цинковые цинк легкоплавкие менее 500 оловянистые олово со средней температурой плавления 500 - 1000 с высокой температурой плавления 1000 - 1500 тугоплавкие более 1500 количество компонентов двойные 2 тройные 3 четверные 4 многокомпонентные более 4 пластичность, % пластичные хрупкие менее 3,0 более 3,0 температура плавления, оС К Л А С С И Ф И К А Ц И Я С П Л А В О В 8 В качестве литейных сплавов используют многофазные сплавы преимущественно эвтектического типа с узким интервалом кристаллизации. Эти сплавы обладают меньшей пластичностью, но имеют хорошие литейные свойства. алюминиевые сплавы: классификация, свойства Алюминий редко используют в чистом виде, для придания им заданных полезных свойств добавляют небольшие количества (часто менее 1 %) других элементов, которые называют легирующими.Так получают сплавы алюминия Наиболее важные легирующие элементы, придающие особые свойства деформируемым и литейным сплавам (в разных количествах): кремний (Si), магний (Mg), марганец (Mn), медь (Cu), цинк (Zn) Деформируемые сплавы разливают в слитки (круглые или прямоугольные), а потом обрабатывают их давлением в горячем или холодном состоянии до придания им нужной формы: прокаткой – для получения листов и фольги; прессованием – для получения профилей, труб и прутков; формовкой – для получения более сложных форм из катанных или прессованных полуфабрикатов; ковкой для получения сложных форм с повышенными механическими свойствами. Литейные сплавы разливают непосредственно в их конечную форму одним из различных методов литья: в песчаные формы, в кокили или литьем под давлением. Эти сплавы часто имеют высокое содержание кремния для улучшения их литейных свойств каждый сплав имеет свои особенные характеристики, которые служат для обеспечения заданных свойств В зависимости от назначения, требуемой чистоты, вида шихтовых материалов и их свойств, экономических соображений сплавы получают следующими способами: сплавлением шихтовых компонентов, смешиванием жидких компонентов шихты друг с другом, совместным восстановлением элементов сплава из руды, электролизом расплавленных сред и водных растворов, замещением одного элемента другим в каком-либо соединении, диффузионным методом порошковой металлургии и комбинированным. Непосредственно сплавлением изготавливают большинство рабочих, вторичных сплавов и лигатур. По этому способу основные шихтовые компоненты расплавляют в печи и затем вводят легирующие элементы в твердом или жидком виде. Получение сплавов смешиванием жидких компонентов производится в тех случаях, когда в литейный цех шихтовые материалы поставляются в жидком виде. Эти способы высокопроизводительные, ими можно получать сплавы с небольшой загрязненностью металлическими примесями и неметаллическими включениями с заданным химическим составом и необходимыми механическими и физико-химическими свойствами. Способ получения сплавов электролизом расплавленных сред и водных растворов основан на выделении металлов на катоде под действием постоянного электрического тока. Этим способом получают сплавы натрия и калия из расплава щелочей, меди с литием. Электролизом, предварительно обезвоженного каолинита в расплавленном криолите, можно получать сплавы алюминия с кремнием. В настоящее время этим способом получают лигатуры медь-бериллий, магний-неодим, сплавы железа с церием и другими редкоземельными металлами. Для получения сплавов металл-восстановитель берут с некоторым избытком. Процесс восстановления идет обычно при высоких температурах. Восстановленный металл, растворяясь в избытке металла-восстановителя, образует сплав. В качестве металла-восстановителя широко используют алюминий, кальций, магний, натрий и другие. Этот способ широко применяют для изготовления лигатур: алюминий-титан, алюминий-ванадий, медь-бор и других. Иногда его применяют для прямого введения легирующего элемента в сплав, например, циркония в магниевые сплавы. Рассмотренный способ имеет существенные недостатки: трудность получения сплавов заданного состава, малая производительность и загрязнение сплава продуктами восстановления. Получение сплавов методом порошковой металлургии состоит в прессовании измельченных порошковых компонентов, входящих в состав сплава для создания необходимого контакта между зернами и спекании прессованных изделий при температурах ниже температуры плавления основного компонента сплава. В процессе спекания происходит взаимное проникновение элементов и диффузионное выравнивание состава. Такие сплавы отличаются пониженной плотностью и повышенным содержанием газов. Данным способом готовят сплавы, которые невозможно получить другими методами. Если сплавы получают, применяя два и более вышеотмеченных способов, то этот способ называют комбинированным. Например, совмещение процесса электролиза расплавленной среды с непосредственным сплавлением при производстве силумина. Наиболее распространенным промышленным способом производства сплавов является сплавление шихтовых материалов в плавильных печах. Что называют сплавами – это смеси двух или более элементов, среди которых преобладают металлы. Металлы, входящие в сплав, называют основой. Часто в сплав добавляют элементы неметаллы, придающие сплавам особые свойства, их называют легирующими или модифицирующими добавками. Среди сплавов наибольшую значимость имеют сплавы на основе железа и алюминия. Твердый раствор сплавов. Способность металлов взаимно растворяться с образованием твердых растворов и интерметаллидов при кристаллизации дает возможность получения огромного числа сплавов, различных по структуре и сочетаниям свойств. В современной технологии применяют более 30000 разнообразных сплавов - тугоплавких и легкоплавких, пластичных или наоборот, очень твердых, с различной электропроводимостью, ферромагнитными свойствами и прочих. Ныне в сплавах используются практически все известные металлические элементы (за исключением полученных искусственно транс плутониевых элементов). Сплавы, их получение и использование в промышленности – один из важнейших этапов человеческой цивилизации. Сегодня сплавы - важнейшие материалы для машин механизмов, конструкций и сооружений. Однако же, в последние годы стало наблюдаться сокращение потребления железа и железосодержащих сплавов в пользу большего употребления разнообразных легких цветных металлов (алюминий, магний), а зачастую и редких металлов. Способы классификации сплавов. Существует несколько способов классификации сплавов: ✓ по способу изготовления (литые и порошковые сплавы); ✓ по способу получения изделия (литейные, деформируемые и порошковые сплавы); ✓ по составу (гомогенные и гетерогенные сплавы); ✓ по характеру металла – основы (черные – основа Fe); ✓ цветные – основа цветные металлы и сплавы редких металлов – основа радиоактивные элементы); ✓ по числу компонентов (двойные, тройные и т.д.); ✓ по характерным свойствам (тугоплавкие, легкоплавкие, высокопрочные, жаропрочные, твердые, антифрикционные, коррозионностойкие и др.); ✓ по назначению (конструкционные, инструментальные и специальные). классификация сплавов вид металла (сплава) признак классификации технологическое название рабочие сплавы литые изделия лигатуры легирование сплавов вторичные сплавы переплав лома и отходов способ получения изделий \ литейные литье деформируемые обработка давлением композиционные порошковая металлургия и др. способы 9 Свойства сплавов - зависят от их структуры. Для сплавов характерны структурно-нечувствительные (определяются природой и концентрацией элементов, составляющих сплавы) и структурно-чувствительные свойства (зависят от характеристик основы). К структурно-нечувствительным свойствам сплавов относятся плотность, температура плавления, теплоту испарения, тепловые и упругие свойства, коэффициент термического расширения. Все сплавы проявляют свойства, характерные для металлов: металлический блеск, электро- и теплопроводность, пластичность и др. Также все свойства, характерные для сплавов можно разделить на химические (отношение сплавов к воздействию активных сред - вода, воздух, кислоты и т.д.) и механические (отношение сплавов к воздействию внешних сил). Если химические свойства сплавов определяют путем помещения сплава в агрессивную среду, то для определения механических свойств применяют специальные испытания. Так, чтобы определить прочность, твердость, упругость, пластичность и другие механические свойства проводят испытания на растяжение, ползучесть, ударную вязкость и др. Основные виды сплавов. Широкое применение среди всевозможных сплавов нашли различные сплавы цветных металлов: на основе меди, свинца, алюминия, магния, а также легкие сплавы. Общая классификация сплавов. В соответствии с ГОСТ 5200 предусматривается следующая общая классификация металлов и сплавов: степень чистоты металла или сплава определяет суммарное содержание в металле или сплаве основного и всех легирующих компонентов, выраженное в весовых процентах. Литейные сплавы, в отличие от других сплавов, получают методом вторичного переплава. В качестве исходных (шихтовых) материалов используют в различных количествах сплавы, полученные первичной металлургической плавкой, например: чугун доменной плавки, цветные металлы первичного металлургического процесса и др. Особенности процессов первичного и вторичного металлургического передела связаны с тем, что литейные сплавы, кроме основных компонентов, всегда содержат то или иное количество примесей. В одних случаях регламентируется допускаемое количество примесей, а в других - нет, хотя ничтожно малое их содержание может существенно повлиять на свойства сплава в жидком и твердом состояниях. Постоянными или неизбежными примесями называют такие, содержание которых в металле или сплаве предопределяется особенностями металлургического процесса и наличием этих примесей в исходных материалах первичной металлургической плавки (в руде, флюсах и т. д.). Если примеси ухудшают свойства металла или сплава их называют загрязняющими. Случайными называют примеси, попавшие в металл или сплав случайно. Присутствие их не является характерным для соответствующих сплавов. Следами примесей или загрязнения называют количество примеси или загрязнения, которое может быть установлено только качественным анализом. Однако они могут оказывать влияние на структуру и свойства сплавов, превосходящее влияние основного компонента. Отдельную группу сплавов, которую используют в литейном производстве заготовительного литья, составляют, лигатуры и модификаторы. В литейном производстве операции легирования и модифицирования сплава разделяются на две самостоятельные технологические операции. Если для легирования нужно растворить в жидком алюминии вводимые элементы, то для модифицирования их нужно связать в тугоплавкие соединения. Лигатурой называют передельные сплавы из цветных металлов, используемые главным образом в процессах приготовления цветных сплавов. легирование алюминиевых сплавов Алюминий редко используют в чистом виде, для придания им заданных полезных свойств добавляют небольшие количества (часто менее 1 %) других элементов, которые называют легирующими.Так получают сплавы алюминия лигатура: промежуточный сплав, содержащий в большом количестве легирующий металл, добавляемый в расплав для получения требуемого химического состава, структурных и технологических свойств слитков наиболее важные легирующие элементы, придающие особые свойства деформируемым и литейным сплавам (в разных количествах): кремний (Si), магний (Mg), марганец (Mn), медь (Cu), цинк (Zn) применение обусловлено: малой скоростью растворения тугоплавких компонентов в чистом виде в жидком алюминии, повышением степени усвоения легкоокисляющихся легирующих элементов преимущества: ✓ нет перегрева металла - уменьшается угар основного и легирующего металла ✓ доля лигатур в объеме шихтовых материалов в зависимости от химического состава приходится до 50% массы сплавов для легирования используются практически все известные металлические элементы Si, Mg, Cu, Mn, Zn, Ti, Zr, Sc, Cr, Fe, Ni. 19 наиболее часто используемые лигатуры Лигатуры для измельчения зерна алюминия: обеспечивают эффективное измельчение зерна сплавов за счет введения в расплав мелкодисперсных фаз служащих центрами кристаллизации ,что приводит к повышению механических свойств и уменьшению газовой пористости. Примерами таких лигатур : (AlTiB), (AlTiC) различных составов - используются в форме прутка (проволоки) в бухтах для обеспечения непрерывной подачи во время разливки Лигатуры для модифицирования алюминиевых литейных сплавов: в области литейных Al - Si сплавов важное место занимает лигатура (AlSr) которая является эффективным “модификатором” структуры изменяя форму AlSi эвтектики из пластинчатой в зернистую, таким образом, заметно улучшая механические свойства отливки. Модифицирование лигатурой (AlSr) во многих случаях более эффективно, чем модифицирование натрием Лигатуры для изменения (корректировки) химического состава алюминиевых сплавов. эта группа включает в себя всевозможные лигатуры на основе алюминия для подшихтовки при изготовлении сплавов в эту группу входят и лигатуры, которые применяют для повышения прочности сплава. лигатуры: AlSi, AlMn, AlFe, AlCr, AlCu, AlV. Лигатуры для улучшения определенных физических или механических свойств.: лигатура алюминий-бор (AlB) добавляется для увеличения электрической проводимости алюминия для электротехнических целей - этот метод часто называют обработкой бором, AlBe), а также в настоящее время и (AlCa) добавляют для минимизации образования слоя оксида и шпинели в сплавах AlMg. Лигатура (AlZr) используют для увеличения температуры рекристаллизации некоторых алюминиевых сплавов По назначению промышленные сплавы подразделяют на две группы: литейные и деформируемые. Сплавы первой группы (литейные) предназначены для получения фасонных отливок, область их составов схематически показана на рисунок 1, а. Они должны обладать хорошими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, малой склонностью к образованию рассеянных усадочных пустот и кристаллизационных трещин. Основными легирующими элементами в промышленных литейных алюминиевых сплавах являются: Si, Mg, Cu, реже Zn и Ni. Поскольку все они образуют с алюминием диаграммы состояния эвтектического типа, промышленные сплавы (и литейные, и деформируемые) целесообразно классифицировать по структуре на четыре группы (рисунок 1, б): – сплавы типа твердых растворов (подавляющее большинство деформируемых сплавов, а также литейные на базе систем Al–Cu и Al–Mg); – доэвтектические сплавы (большинство силуминов – сплавов, в которых важнейшим легируюшим элементом является Si, например АК7 и АК8М3, а также некоторые деформируемые сплавы, в частности АК4-1); – эвтектические сплавы (силумины АК12 и АК12М2); – заэвтектические сплавы (заэвтектические силумины, например АК18). а) б) Рисунок 1 – Схема диаграммы состояния Al–К: а – области составов промышленных алюминиевых сплавов и их классификация по четырем группам (1–4); б – фигуративные прямые типичных сплавов и температуры их термообработки; К – легирующий компонент В качестве основных легирующих элементов в подавляющем большинстве промышленных деформируемых сплавов используют, как и в литейных, тоже всего пять компонентов – магний, медь, цинк, кремний и литий. Первая и главная функция легирующих элементов – повысить прочность алюминия (чистый алюминий имеет слишком низкую прочность σв <60 МПа). Упрочнение достигается за счет образования твердого раствора, во многих системах путем дисперсионного твердения. С другой стороны, от содержания легирующих элементов зависят литейные свойства и пластичность сплавов, что в значительной мере определяет их технологичность и, как следствие, степень промышленного использования. Помимо основных легирующих элементов, которые обычно вводят в сплавы в количестве более 1%, абсолютное большинство промышленных сплавов содержит еще один или несколько легирующих элементов, которые зачастую выступают в качестве малых добавок. Среди них особенно часто используют переходные и редкоземельные металлы: марганец, титан, цирконий, хром, ванадий, никель, железо, церий, скандий, а также берилий, кадмий, бор и др. Модификаторы - металлы или сплавы (иногда и неметаллы), которые в очень малых количествах вводят в сплав для преднамеренного изменения его структуры или для получения определенных свойств его в жидком или твердом состоянии. Слитки с мелкозернистой структурой обладают рядом преимуществ по сравнению со слитками с крупнокристаллической структурой: 1. Менее склонны к трещинообразованию при затвердевании, поэтому можно вести литье на более высоких скоростях; повышение скорости литья приводит к увеличению производительности плавильно-литейных агрегатов, уменьшению неслитин на слитках и повышению технологического выхода годного за счет уменьшения съема стружки при механической обработке. 2. Имеют более высокий предел прочности и удлинение, что положительно влияет на механические свойства деформированных полуфабрикатов и на сам процесс пластической деформации; 3. Полуфабрикаты из слитков с мелкозернистой структурой имеют более высокие механические свойства (особенно в высотном и поперечном направлениях). модифицирование алюминиевых сплавов в комбинации с основными легирующими элементами часто применяют другие легирующие элементы: висмут (Bi), бор (B), хром (Cr), свинец (Pb), никель (Ni), титан (Ti) и цирконий (Zr) эти элементы обычно применяют в небольших количествах (до 0,1 % по массе, хотя B, Pb и Cr могут составлять до 0,5 %), чтобы придать им особые свойства, модифицировать сплавы для специальных целей, таких как литейные качества, обрабатываемость, теплостойкость, коррозионная стойкость, прочность и т.п. лигатуры этой группы обеспечивает эффективное измельчение зерна алюминиевых сплавов за счет введения в расплав мелкодисперсных фаз служащих центрами кристаллизации марка состав: Ti и В применение AlTiB 5/1 Ti 5%, B 1% самая широкоприменяемая универсальная лигатура. микроструктура AlTiB 5/1 микроструктура лигатуры - равномерно распределённые по объёму фазы: диборид титана и алюминат титана в матрице чистого алюминия требования предъявляемые к модифицирующим лигатурам • наименьший размер интерметаллидов. Чем меньше размер интерметаллидов, тем большее количество их содержится в единице объема лигатуры, тем больше потенциальных центров кристаллизации и тем меньше расход модификатора • низкое содержание водорода в лигатуре, (не должно превышать более чем в два раза содержание водорода в расплаве) обстоятельство является особенно важным, если фильтрация расплава несовершенна • низкое содержание металлических примесей(железа, кремния, меди и др. примеси), входя в состав первичных интерметаллидов, изменяют их кристаллографическую решетку, а следовательно, нарушается принцип структурно-размерного соответствия решеток алюминия и интерметаллида и ухудшается его зародышеобразуюшая способность • отсутствие крупных оксидных включений, на которых скапливаются интерметаллические частицы с бором, образуя бориднооксидное «кольцо». Такие «кольца» при приготовлении расплава не растворяются и их трудно удалить последующей фильтрацией, что приводит к попаданию их в отливку или полуфабрикат и выявлению их при анодировании. ЛЕКЦИЯ 1.2 ТЕМА: СВОЙСТВА СПЛАВОВ, СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Алюминий - металл серебристо-белого цвета с голубоватым оттенком, плотность 2,7 г/см3, температура плавления 659°С твердость после прокатки и обжига около 20 - 25 НВ, относительное удлинение 30 - 40 %, предел прочности на растяжение 80 - 100 МПа. Алюминий — пластичный металл, обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью, хорошо обрабатывается давлением и сваривается, на воздухе покрывается тонкой оксидной пленкой, защищающей металл от дальнейшего окисления и коррозии в атмосферных условиях, в воде и других средах. характеристики алюминия алюминий имеет ✓ плотность - 2,7 г/см3 (это лишь одна третья часть плотности стали) ✓полиморфных превращений не испытывает температуру плавления 991 К, кипения 2603 К ✓ высокую электрическую проводимость ✓ плотную упаковку элементарной кристаллической решетки, что обуславливает хорошую пластичность ✓ малый предел прочности ✓ высокую химическую активность ✓сильную тенденцию к образованию соединений оксида алюминия ✓ устойчив к воздействиям окружающей среды,(герметичная оксидная пленка, изолирует металл от воздуха и обеспечивает хорошую сопротивляемость поверхности химическим воздействиям) Алюминий подразделяется на три основных класса: ✓ «чистый» алюминий; это – алюминий с различной степенью чистоты, марки алюминия; ✓ алюминиевые сплавы для литья; это – литейные алюминиевые сплавы. ✓ алюминиевые сплавы для изготовления изделий методами обработки металлов давлением, то есть, прессованием (экструзией), прокаткой, ковкой, штамповкой; это – деформируемые алюминиевые сплавы. Промышленный нелегированный алюминий – технически чистый алюминий – содержит алюминия от 99,80 до 99,00 %. Нелегированный алюминий имеет относительно низкую прочность и поэтому находит ограниченное применение в качестве конструкционного материала. Исключение составляют те случаи, когда важными являются хорошая электрическая проводимость, легкость обработки и высокая коррозионная стойкость. Чистый алюминий не обладает способностью термически упрочняться. Однако прочностные свойства чистого алюминия могут повышаться путем нагартовки, то есть холодной пластической деформации. Недостатками алюминия являются малая прочность, плохая обрабатываемость на металлорежущих станках и низкие литейные свойства. Основными рудами для выплавки алюминия служат бокситы, алуниты, каолины и др. Наиболее богатые алюминием руды - бокситы - содержат от 5060 % оксида алюминия (глинозема А12ОЗ). Технологический процесс производства алюминия состоит из двух основных этапов: получение глинозема из руд и извлечение алюминия из глинозема и рафинирование (очищение). Алюминий может быть также получен путем переплавки алюминиевых отходов и лома. 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 (таблица 2). При уменьшении содержания этих примесей и, соответственно, количества грубых первичных интерметаллидов в сплавах существенно повышаются характеристики пластичности и вязкости. 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 (таблица 2, 3) В промышленности производится несколько марок первичного алюминия двух видов: высокой чистоты и технической чистоты. По ГОСТ 11069–2001 первичный алюминий маркируется буквой «А», после которой идут цифры, определяющие содержание основного металла, а именно знаки после запятой (при этом все стандартные марки включают не менее 99,00% Аl). Таким образом, общее содержание примесей в первичном алюминии может варьироваться от 1% (марка АО) до 0,005% (марка А995). Большая доля производства и потребления алюминия приходится на марки технической чистоты, которые существенно дешевле высокочистых. Таблица 2 - Марки и химический состав (%) первичного алюминия (ГОСТ 11069) Обозначение марок Al, не менее Примеси, не более Fe Si Cu Zn Ti сумма – – – – – 0,001 Алюминий особой чистоты А999 99,999 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 А6 99,6 0,25 0,18 0,01 0,05 0,02 0,40 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 Таблица 3 -Химический состав (%) технического алюминия Марка Примеси, не более Российская Между– народная Al, не менее 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 – АД0 1011 1050 99,50 0,05 0,05 0,05 0,40 0,25 0,07 0,05 – АД1 1013 1230 99,30 0,05 0,05 0,025 0,30 0,30 0,10 0,15 – В зависимости от количества примесей установлены 13 марок алюминия: особой чистоты - А999; высокой чистоты - А995, А99, А97, А95; технической чистоты - А85, А8, А7, А6, А5. марки, химический состав (%) первичного алюминия (ГОСТ11069) примеси, не более обозначение Al, марок не менее Fe Si Cu Zn Ti сумма алюминий особой чистоты А999 99,999 – А995 99,995 0,0015 0,0015 А99 99,99 0,003 А97 99,97 0,015 А95 99,95 0,025 – – – – 0,001 0,001 0,001 0,001 0,005 0,003 0,003 0,003 0,002 0,010 0,015 0,005 0,003 0,002 0,03 0,020 0,010 0,005 0,002 0,05 алюминий высокой чистоты алюминий технической чистоты А8 99,8 0,08 0,06 0,01 0,02 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 А6 99,6 0,25 0,18 0,01 0,05 0,02 0,40 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 0,008 0,15 Число после буквы указывает на содержание алюминия в тысячных, сотых или десятых долях процента сверх 99 %. Например, в марке А95 содержится 99,95 % алюминия, в марке А8 – 99,8 %. Исключение составляют марки А и АЗЕ, в которых содержание алюминия такое же, как и в марках АО и А5. В марке А5Е буква Е означает, что этот алюминий используют для производства электропроводов. Промышленность выпускает алюминий перечисленных марок в виде листов, фольги, прутков, проволоки и сортовых профилей (уголок, тавр, швеллер). 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. В конечной продукции может использоваться и нелегированный алюминий технических марок (например, для производства фольги), но в большинстве случаев его легируют другими элементами, получая различные алюминиевые сплавы. Последние, как правило, содержат в своем составе несколько элементов и примесей, их влияние на различные параметры структуры показано в таблице. 4. Таблица 4 – Классификация легирующих элементов и примесей в промышленных алюминиевых сплавах по их влиянию на различные элементы структуры Воздействие на структуру Легирующие элементы и примеси* ** Твердорастворное охлаждение (Al) и образование фаз-упрочнителей при Cu, Mg, Si, Zn, Li, Mn старении Образование нерастворимых (при отжиге) Fe, Ni, Mn, Mg, Si, Cu, Be эвтектических фаз Образование первичных кристаллов Fe, Ni, Mn, Si, Zr, Cr, Ti Образование дисперсоидов*** Mn, Zn, Cr, Ti, Sc, (Si, Cu) Микродобавки для связывания вредных примесей, измельчения зерна (Al), Be, Cd, Sr, Na, Ti, B воздействия на распад (Al) * Один и тот же элемент может быть классифицирован по-разному в зависимости от его количества и состава сплава. ** (Al) – твердый раствор на основе алюминия *** Дисперсоиды – алюминиды переходных металлов, образующиеся при высокотемпературных обработках в результате распада (Al) 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. От чистого алюминия к алюминиевым сплавам Сплавы на основе алюминия занимают особое положение среди конструкционных материалов. С одной стороны, это связано с возможностью достижения уникального сочетания основных эксплуатационных свойств (прочности, пластичности, коррозионной стойкости и т.д.) с низкой плотностью (в частности, сравнительно со сталью и медными сплавами). С другой стороны, алюминий относится к наиболее распространенным в природе элементам, занимая по содержанию в земной коре третье место (и первое среди металлов, превосходя по этому показателю медь в 800 раз). Уже сейчас он занимает прочное первое место по объему производства и потребления среди всех цветных металлов. Все это говорит о хороших перспективах увеличения его производства и потребления. от чистого алюминия к алюминиевым сплавам Нелегированный алюминий имеет предел прочности на растяжение около 90 МПа. небольшие добавки цинка, меди, магния, хрома, а также подходящая термическая обработка повышает его прочность до 700 МПа. Прочность и другие механические свойства деформируемых и литейных сплавов определяются количеством в алюминии легирующих элементов и вредных примесей (химический состав), возможно также изменение этих свойств для достижения их оптимального сочетания путем дополнительной обработки сплавов термической или деформационной, или и той, и другой В результате этого сплав изменяет свои первоначальные механические свойства и получает свое окончательное состояние, в котором и поставляется заказчику Алюминий или сталь При выборе алюминиевого сплава в качестве конструкционного материала, главным фактором является обеспечение прочности изготавливаемого из него конструкционного элемента. Однако конструкционную прочность различных типов элементов обеспечивают различные свойства одного и того же конструкционного материала. Например, прочность «толстой» колонны будет зависеть в основном от предела текучести металла, тогда как прочность «тонкой» - главным образом, от модуля упругости. Поскольку предел текучести алюминиевых сплавов нередко сравним с пределами текучести рядовых конструкционных сталей, то алюминий мог бы вполне потягаться с ними для «толстых» колонн. Напротив, поскольку модуль упругости алюминия и его сплавов составляет всего лишь где-то треть от модуля упругости сталей, то алюминий вряд ли может соперничать со сталями в «тонких» колоннах. Прочность, однако, не является единственной рабочей характеристикой конструкции или изделия. Такие дополнительные факторы, как коррозионная стойкость, легкость обработки (прессуемость или свариваемость), жесткость (модуль упругости), пластическое разрушение (относительное удлинение), вес (плотность), усталостная прочность, а также стоимость, должны в той или иной мере учитываться при выборе нужного конструкционного материала. Алюминиевые сплавы предлагают инженерам-конструкторам широкий выбор материалов. Каждый сплав имеет свои особенные характеристики, которые служат для обеспечения заданных свойств. Когда коррозионная стойкость, высокое отношение прочности к весу и легкость изготовления являются существенными конструкционными параметрами, тогда алюминиевые сплавы заслуживают серьезного рассмотрения. Алюминиевые сплавы создают для того, чтобы получить алюминий со специальными свойствами, например, с более высокими механическими свойствами (рисунок 2). Наибольшее применение имеют алюминиевые сплавы, которые благодаря легирующим элементам имеют высокие прочность и твердость. Рисунок 2 – Рейтинг прочности деформируемых алюминиевых сплавов Нелегированный алюминий имеет предел прочности на растяжение около 90 МПа, небольшие добавки цинка, меди, магния, хрома, а также подходящая термическая обработка повышает его прочность до 700 МПа. В настоящее время есть материалы с показателем 1000 МПа, но они имеют нулевое относительное удлинение, что делает их очень хрупкими. Задача производителей алюминия в ближайшем будущем – получение алюминия с временным сопротивлением разрыву в 1000 и более МПа и относительным удлинением хотя бы в 8%, алюминий вытеснит с рынка такие материалы как сталь, бетон и многие композиционные материалы. Поиск новых сплавов, которые способны заменить почти все, что угодно от дерева до пластика является ключевой задачей ученых по всему миру. Определяя место России в мировой алюминиевой промышленности сегодня и в будущем, можно отметить, что Россия сегодня является и останется в дальнейшем: крупным производителем алюминия; крупным экспортером алюминия; потенциально крупным потребителем этого металла, изделий и конструкций из него; потребителем новых технологий и новой техники (оборудования) в области производства алюминия и продукции из него; крупным потенциальным потребителем кредитных ресурсов для целей модернизации и развития производства; крупным потребителем алюминиевого сырья (импортного). Алюминиевые сплавы – это смеси двух или более элементов среди которых преобладающий металл алюминий – он является основой сплава (рисунок 3). Рисунок 3 – Легирующие элементы для алюминиевых сплавов В сплавах используются практически все известные металлические элементы Si, Mg, Cu, Mn, Zn, Ti, Zr, Sc, Cr, Fe, Ni (за исключением полученных искусственно транс плутониевых элементов). легирование алюминиевых сплавов Алюминий редко используют в чистом виде, для придания им заданных полезных свойств добавляют небольшие количества (часто менее 1 %) других элементов, которые называют легирующими.Так получают сплавы алюминия лигатура: промежуточный сплав, содержащий в большом количестве легирующий металл, добавляемый в расплав для получения требуемого химического состава, структурных и технологических свойств слитков наиболее важные легирующие элементы, придающие особые свойства деформируемым и литейным сплавам (в разных количествах): кремний (Si), магний (Mg), марганец (Mn), медь (Cu), цинк (Zn) применение обусловлено: малой скоростью растворения тугоплавких компонентов в чистом виде в жидком алюминии, повышением степени усвоения легкоокисляющихся легирующих элементов преимущества: ✓ нет перегрева металла - уменьшается угар основного и легирующего металла ✓ доля лигатур в объеме шихтовых материалов в зависимости от химического состава приходится до 50% массы сплавов для легирования используются практически все известные металлические элементы Si, Mg, Cu, Mn, Zn, Ti, Zr, Sc, Cr, Fe, Ni. требования предъявляемые к лигатурам ✓ достаточно низкая температура плавления лигатуры - обеспечивает минимальную температуру присадки элемента, которая на 100-200 °С выше температуры ликвидуса, низкая температура ликвидуса лигатуры способствует быстрому растворению легирующего элемента и его однородному распределению по объему расплава, особенно при условии достаточно интенсивного и равномерного перемешивания последнего ✓ однородное распределение легирующих элементов по сечению чушки во избежание неоднородного химического состава чушек необходимо тщательно перемешивать расплав перед разливкой, а саму разливку производить как можно быстрее ✓ в магниевых лигатурах, легирующий элемент присутствует обычно в чистом виде, этот фактор действует постоянно; в алюминиевых - ликвация интерметаллидов по плотности развивается при понижении температуры лигатуры ниже ее ликвидуса ✓ малое испарение и окисление легирующего элемента при введении его в расплав из лигатуры ✓ отсутствие неметаллических, оксидных и газообразных включений на поверхности и в изломах чушек, видимых невооруженным глазом 19 лигатуры (мастер сплавы) на основе алюминия мерные отрезки прутка проволоки) пруток (проволока) диаметром 9.5 мм мерными отрезками: длинной 50 см (вес отрезка 100 г) или длинной 100 см (вес отрезка 200 г) пруток (проволока) диаметром 9.5 мм мерными отрезками: длинной 50 см (вес мерные отрезки прутка (проволоки) отрезка 100 г) или длинной 100 см (вес отрезка 200 г) вафельные слитки вафельный слиток весом 7 кг разрезанные слитки разрезанный вафельный слиток куски в виде хлопьев куски лигатуры в виде хлопьев. отрезки слитка полученного непрерывным способом разрезанный слиток, полученный непрерывным способом весом 500 г или 2,5 кг отрезки слитка полученного непрерывным способом разрезанный слиток круглого сечения, полученный непрерывным способом весом 100 г или 200 г При взаимном растворении металлов образуется твердый раствор сплавов и интерметаллидов при кристаллизации. С элементами Si, Mg, Cu, Mn, Ni, Fe алюминий образует диаграммы эвтектического типа. С элементами Zr, Cr, Ti алюминий образует диаграммы перитектического типа. Прочность и другие механические свойства деформируемых и литейных сплавов определяются количеством в алюминии легирующих элементов (часто менее 1 %) и вредных примесей (химический состав). Возможно также изменение этих свойств путем дополнительной обработки сплавов термической, деформационной, или совмещенной в результате сплав изменяет, свои первоначальные механические свойства и получает свое окончательное состояние. номинальная массовая доля для легирующих элементов, % марка сплава Si Cu Mn Mg Cr 1060 99,60 1100 0,12 3003 0,12 4043 Al 99,0 ост. Al 1,2 ост. Al 5,2 5052 5086 0,45 2,5 0,25 ост. Al 4,0 0,15 ост. Al Ni 0,45 8280 1,5 1,0 Sn 6,2 ост. Al 26 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. По способу переработки в изделия алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые, подвергающиеся обработке давлением, и литейные, из которых изготовляют детали и заготовки литьем (рисунок 4). Согласно общепринятым теоретическим представлениям, хорошее сочетание прочности и пластичности характерно для сплавов на основе однородных твердых растворов. Однако сплавы с твердым раствором обладают низкими литейными свойствами. Поэтому сплавы такого типа преимущественно используются как деформируемые. В качестве литейных сплавов используют многофазные сплавы преимущественно эвтектического типа с узким интервалом кристаллизации. Эти сплавы обладают меньшей пластичностью, но имеют хорошие литейные свойства. I- сплавы, не упрочняемые термической обработкой; II – сплавы, упрочняемые термической обработкой Рисунок 4 – Схема диаграммы состояния сплавов алюминий-легирующий элемент классификация сплавов по технологическим свойствам, способности термически упрочняться все сплавы алюминия по технологическим свойствам можно разделить на литейные, предназначенные для производства отливок, и деформируемые – для изготовления проката и поковок (листов, прутков и т.д.) сплавы с концентрацией легирующих элементов ниже предела растворимости (точка N) имеют однофазную структуру – α, и поэтому не могут быть термически упрочнены при концентрации легирующих элементов больше N претерпевают фазовые превращения с выделением из твердого раствора вторичных фаз и соответственно термически упрочняются Схема диаграммы состояния сплавов алюминий-легирующий элемент I – сплавы, не упрочняемые термической обработкой II – сплавы, упрочняемые термической обработкой Сплавы с концентрацией легирующих элементов ниже предела растворимости (точка N) имеют однофазную структуру – α, и поэтому не могут быть термически упрочнены при концентрации легирующих элементов больше N претерпевают фазовые превращения с выделением из твердого раствора вторичных фаз и соответственно термически упрочняются. ЛЕКЦИЯ 1.3 ТЕМА: ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ Большинство алюминиевых сплавов, которые применяют для изготовления изделий методами обработки металлов давлением, содержат не более 7 % легирующих элементов. Путем регулирования количества и типа легирующих элементов улучшают свойства алюминия и повышают его технологические характеристики. Например, для таких специфических производственных процессов как прессование (экструзия) и ковка разработаны специальные алюминиевые сплавы. 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. Международная система обозначений деформируемых сплавов основана на американской системе обозначений, которая была разработана еще в 1950-е годы. Эта система применяет обозначения, которые состоят из четырех цифр. Цифры на месте знаков «х» применяют для подразделения сплавов внутри серии. ✓ 1ххх – Технически чистый алюминий с контролируемым химическим составом. Например, алюминий 1050. ✓ 2ххх – Главным легирующим элементом является медь, хотя другие элементы, такие как магний, также могут присутствовать. Широко применяются в самолетостроении, благодаря их высокой прочности (предел текучести до 455 МПа). Примеры – 2014 и 2024. ✓ 3ххх – Марганец, является главным легирующим элементом. Применяются как сплавы общего назначения для строительства и различной потребительской продукции, в том числе алюминиевых банок для прохладительных напитков и пива. Пример – 3105. ✓ 4ххх – Главным легирующим элементом является кремний. Применяются в сварочных прутках и проволоке, а также листов для пайки. ✓ 5ххх – Главным легирующим элементом является магний. Применяется в корпусах судов, трапах и других изделиях, которые подвержены воздействию морской атмосферы. Пример – 5252. ✓ 6ххх – Главными легирующими элементами являются магний и кремний. Обычно применяются для строительных профилей и деталей автомобилей. Примеры – 6060 и 6063. ✓ 7ххх – Главным легирующим элементом является цинк, хотя другие элементы, такие как медь, магний, хром и цирконий, также могут присутствовать. Применяются в несущих элементах самолетов и других высокопрочных конструкциях и изделиях. К этой серии относятся самые прочные алюминиевые сплавы с пределом текучести более 500 МПа. Пример – 7075. ✓ 8ххх – Различные главные легирующие элементы. Сплавы серии 8ххх могут содержать заметные количества олова, лития и/или железа. ✓ 9ххх: Зарезервировано для будущих применений. К деформируемым алюминиевым сплавам ГОСТ 4784 относит легированный алюминий и сплавы с суммарным содержанием легирующих элементов и примесей более 1%. ГОСТ 4784 Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые дает маркировку сплавов тремя способами: как в буквенно-цифровом виде, так и только в цифровом виде, а также и с учетом требований международного стандарта (международная маркировка) ИСО 209-1 (ISO 209) (таблица 5). Таблица 5 - Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые (ГОСТ 4784) Для обозначения деформируемого алюминия и деформируемых алюминиевых сплавов (таблица 6, 7) применяется цифровая система из четырех цифр). Таблица 6 – Цифровая маркировка деформируемых сплавов Алюминий, не менее 99,00% Алюминиевые сплавы, серии: Медь Марганец Кремний 1ххх Магний Магний и кремний (Mg2Si) Цинк Другие элементы Резервная группа 5ххх 6ххх 7ххх 8ххх 9ххх 2ххх 3ххх 4ххх Таблица 7 – Цифровая маркировка деформируемых алюминиевых сплавов Марка сплава 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 Первая цифра обозначает основу сплавов - 1 алюминий. Вторая цифра в марке несет главную смысловую нагрузку, указывая систему легирования. Последние две цифры в марке сплава 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, и/или холодной обработкой давлением. В международной маркировке первая цифра обозначает группу основных легирующих элементов: 1000 серия - чистый алюминий с минимум 99% содержанием алюминия по весу. По ISO 1050 1060 1070А 1080А 1200 1350 1370 По ГОСТ АД0 АД00 АД000 АД АД0Е АД00Е 2000 серия - сплавы, легированные медью, дюралюмины, они были когда-то самым распространенным из аэрокосмических сплавов. Главный недостаток - чувствительность к коррозионному растрескиванию и сплавы этой серии все чаще замененяются на серию 7000. По ISO 2017 2024 2117 2124 2618 2219 2014 По ГОСТ Д1 Д16 Д18 АД16ч АК4-1 1201 АК8 3000 серия - сплавы, легированные марганцем. Сплавы типа АМц. 4000 серия - сплавы, легированные кремнием. Они также известны как силумины. 5000 серия - сплавы, легированные магнием. Сплавы типа АМг. По ISO 3003 3004 3005 5005 5050 5251 5052 5754 5154 5086 5083 5056 По ГОСТ АМц Д12 ММ АМг1 АМг1,5 АМг2 АМг2,5 АМг3 АМг4 АМг4,5 - 6000 серия - сплавы, легированные магнием и кремнием, самые пластичные, и могут быть термоупрочнены закалкой на твердый раствор, но не достигают высокой прочность, как в 2000 и 7000 серии. 7000 серия сплавы, легированные цинком, термоупрочняемые, самые прочные из алюминиевых сплавов. По ISO 6063 6101 6061 6082 6151 7005 7075 7175 По ГОСТ АД31 АД31Е АД33 АД35 1915 - 8000 серия в основном используются для литиевых сплавов. марка сплава Li Mg Cu Zr 8090 2,5 1,0 1,3 0,14 - NAVALITE 1,80 3,0 1,5 0,12 0,3 Mn магнием, алюминиевые сплавы: классы, серии, обозначения 1000 серия (чистый алюминий) ISO 1050 1060 1070А 1080А 1200 1350 1370 ГОСТ АД0 - АД00 АД000 АД АД0Е АД00Е 2000 серия (легированные медью) ISO 2017 2024 2117 2124 2618 2219 2014 ГОСТ Д1 Д16 Д18 АД16ч АК4-1 1201 АК8 3000 и 5000 серии (легированные: 3 - марганцем, 4 - кремнием, 5 –магнием) ISO 3003 3004 3005 5005 5050 5251 5052 ГОСТ АМц Д12 ММ АМг1 АМг1,5 АМг2 АМг2,5 5754 5154 5086 5083 - АМг3 АМг4 АМг4,5 5056 - 6000 и 7000 серии (легированные:6 - магнием и кремнием,7 – цинком, магнием) ISO 6063 6101 6061 6082 6151 7005 7075 7175 ГОСТ АД31 АД31Е АД33 АД35 - 1915 - - Из деформируемых сплавов методом полунепрерывного литья получают круглые и плоские слитки, которые подвергают горячей и холодной обработке давлением (прессованию, прокатке, ковке, штамповке). Деформируемые алюминиевые сплавы (также как и литейные сплавы) подразделяются на две группы: термически упрочняемые и термически не упрочняемые сплавы. Прочность и другие механические свойства алюминиевых сплавов, как деформированных, так и литейных, определяются в основном их химическим составом, т. е. содержанием в алюминии легирующих элементов, а также вредных примесей. Однако возможно изменение этих свойств для достижения их оптимального сочетания путем дополнительной обработки сплавов – термической или деформационной, или и той, и другой. В результате этого сплав изменяет свои первоначальные механические свойства и получает свое окончательное состояние, в котором и поставляется заказчику. Упрочняющую термическую обработку применяют как к литейным, так и к деформированным сплавам, они в этом случае называются сплавами, упрочняемыми термической обработкой. Термически упрочняемый сплав – сплав, который может быть упрочнен соответствующей термической обработкой (рисунок 5 - 7). Рисунок 5 – Закалка и упрочнение старением алюминиевых сплавов Рисунок 6 – Типичное термическое упрочнение старением Рисунок 7 – Эффект термического упрочнения на механические свойства сплава 7075 ПРИНЦИПЫ УПРОЧНЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СТАРЕНИЕМ Необходимым условием для того, чтобы в алюминиевом сплаве происходило упрочнение старением, является уменьшение растворимости в твердом растворе алюминия одного или нескольких компонентов сплава с понижением температуры. Как правило, процесс искусственного старения включает три стадии: 1. При нагреве на твердый раствор (нагреве под закалку) происходит растворение в твердом растворе алюминия достаточного количества компонентов сплава, которые обеспечивают упрочнение старением. 2. При достаточно быстром охлаждении при закалке эти компоненты остаются в твердом растворе. В этом состоянии отливки остаются относительно мягкими. 3. При старении – для литых изделий, в основном, искусственном – происходит выделение этих растворенных компонентов в форме мельчайших субмикроскопических фаз, которые дают повышение твердости и прочности алюминиевого сплава. Эти мельчайшие фазы, которые по-научному называют «когерентными или полу когерентными фазами», представляют собой препятствия для движения дислокаций в металле и поэтому упрочняют до этого мягкий металл. Литейные термически упрочняемые алюминиевые сплавы Термической обработке старением поддаются следующие типы алюминиевых литейных сплавов: ✓ алюминий-медь; ✓ ✓ ✓ ✓ алюминий-медь-магний; алюминий-кремний- магний; алюминий-магний-кремний; алюминий-цинк-магний. Нагрев на твердый раствор (нагрев под закалку) Для того, чтобы ввести упрочняющие компоненты сплава в твердый раствор так быстро, как это только возможно, температура нагрева на твердый раствор должна быть максимально высокой, не ближе, чем 15 °С к температуре ликвидус, чтобы избежать локального подплавления. По этой причине часто литейные алюминиевые сплавы, содержащие медь, подвергают нагреву на твердый раствор в два этапа: сначала до 480 °С, потом до 520 °С. Длительность нагрева под закалку зависит от толщины стенки отливки и метода литья. По сравнению с литьем в песчаные формы, литье в кокиль требует более короткий нагрев под закалку для растворения упрочняющих компонентов сплава благодаря более измельченной микроструктуре. В принципе, нагрева около одного часа обычно достаточно. Более длительный нагрев под закалку – до 12 часов – применяют, например, для сплавов алюминий-кремний-магний для сфероидизации или округления эвтектического кремния, чтобы повысить пластические свойства сплава (относительное удлинение).В ходе нагрева под закалку прочность отливок остается еще очень низкой. Поэтому необходимо принимать меры по предотвращению их прогиба и коробления. Для этого большие и сложные отливки закрепляют в специальных приспособлениях. Закалка алюминиевых отливок Горячую отливку необходимо охладить в воде как можно быстрее – за 5-20 секунд в зависимости от толщины ее стенок, чтобы подавить любое нежелательное и преждевременное выделение растворенных компонентов сплава. После закалки отливки имеют высокую пластичность. Резкое охлаждение отливки при закалке может приводить к образованию больших внутренних напряжений и короблению изделия. Эту проблему решают выбором закалочной среды и способа ее подачи: погружение в воду или подача воды через спрейеры – вода холодная, вода горячая или масло. В любом случае, любые действия по правке изделия должны производиться после закалки, но до старения. Операция старения Операция старения приводит к значительному увеличению твердости и прочности литейной структуры за счет выделения мельчайших упрочняющих фаз. Только после этой операции изделие получает свои заданные свойства, свою окончательную форму и размеры. Обычные сплавы подвергают искусственному старению. Искусственное старение – это старение при повышенных температурах, в отличие от естественного старения, которое проводят при температуре окружающей среды («комнатной» температуре). Температура старения и ее длительность могут быть различными в зависимости от требуемых свойств алюминиевого сплава в отливке. Например, механические свойства можно «отрегулировать» так, чтобы получить высокую твердость и прочность, но за счет более низкой пластичности (относительного удлинения) материала отливки. И наоборот, можно достичь более высокой пластичности (относительного удлинения), но в ущерб твердости и прочности. При выборе температуры старения и длительности его выдержки применяют диаграммы старения конкретного сплава, которые разработаны для многих сплавов. В сплавах алюминий-кремний-магний имеется дополнительная возможность влиять на уровень предела прочности и относительного удлинения материала отливки путем изменения содержания магния в комбинации с варьированием параметров термической обработки. Типичные параметры искусственного старения для различных типов литейных алюминиевых сплавов представлены в таблица 8. Таблица 8 – Параметры искусственного старения литейных алюминиевых сплавов ДЕФОРМИРУЕМЫЕ ТЕРМИЧЕСКИ УПРОЧНЯЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ Деформируемые сплавы, которые являются термически упрочняемыми, включают сплавы серий 2xxx, 6xxx, 7xxx и некоторые сплавы серии 8xxx. Различные комбинации легирующих элементов и механизмы упрочнения, которые применяются для деформируемых сплавов, показаны в таблица 9. Таблица 9 – Классификация алюминиевых сплавов Серия (группа) Главный легирующий компонент 1ХХХ нет не упрочняемые ТО 2ХХХ медь упрочняемые ТО 3ХХХ марганец Способность к термическому упрочнению не упрочняемые ТО 4ХХХ кремний зависит от сплава 5ХХХ магний не упрочняемые ТО 6ХХХ магний и кремний упрочняемые ТО 7ХХХ цинк упрочняемые ТО 8ХХХ другие зависит от сплава Повышение механических свойств термически упрочняемых сплавов достигают путем их закалки с подходящей температурой и последующего старения. Содержание основных легирующих элементов в таких сплавах, как правило, не превышает их растворимости в алюминии при высокой температуре. Для некоторых термически упрочняемых сплавов применяют комбинацию термической обработки и нагартовки. 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. Из деформируемых сплавов методом полунепрерывного литья получают круглые и плоские слитки, которые подвергают горячей и холодной обработке давлением (прессованию, прокатке для изготовления лент в рулонах, листов, плит, полос, прутков, профилей, шин, труб, проволоки, поковок и штамповок (горячая или холодная деформация), а также слябов и слитков для дальнейшей деформационной переработки. Деформируемые алюминиевые сплавы, легируемые медью, магнием, марганцем, цинком, железом, кремнием и другими элементами, имеют высокую пластичность. Основными видами изделий-полуфабрикатов, которые получают из деформируемых алюминиевых сплавов, являются: листы, фольга, полосы, плиты, прутки, проволока, трубы, поковки и др. Наиболее распространенными не упрочняемыми сплавами алюминия являются сплавы на основе алюминия и марганца, алюминия и магния ( АМц АМг). В сплаве алюминия с марганцем марки АМц содержится от 1,0 до 1,6 % марганца, а в сплавах с магнием марок АМг1, АМг2, АМгЗ, АМг4, АМг5, АМг6 - примерно 1–6 % магния. Их используют для изготовления металлической посуды. Наиболее распространенными упрочняемыми сплавами являются сплавы алюминия с медью – дюралюмин (дуралюмины), (серия 2ххх). Название происходит от немецкого города Дюрен, нем. Düren, где в 1909 году было начато его промышленное производство. Сплавы маркируются буквой Д и цифрой, указывающей номер сплава: Д1, Д6, Д18. Состав дуралюмина, следующий: медь – от 3,8 до 4,8 %, магний – от 0,4 до 2,3 %, марганец – от 0,4 до 0,8 %, остальное – алюминий. Прочность и твердость дуралюмина более чем вдвое превосходит прочность и твердость чистого алюминия. Однако дуралюмин имеет низкую коррозионную стойкость и для защиты от коррозии подвергается плакированию — нанесению на поверхность деталей и изделий тонкого защитного слоя из чистого алюминия. Близки по химическому составу к дуралюминам деформируемые сплавы для ковки и штамповки (АК4, АК6, АК8); их применяют для изготовления поршней авиационных двигателей, лопастей винтов, крыльчаток насосов и другие. Химический состав алюминиевых деформируемых сплавов приведен в таблица 10, 11. Таблица 10 – Химический состав деформируемых алюминиевых сплавов Марка сплава Номинальная массовая доля для легирующих элементов, % Al Si Cu Mn Mg Cr Ni Sn 1060 99,60 _ _ _ _ _ _ _ 1100 99,0 _ 0,12 _ _ _ _ _ 3003 ост. Al _ 0,12 1,2 _ _ _ _ 4043 ост. Al 5,2 _ _ _ _ _ _ 5052 ост. Al _ _ _ 2,5 0,25 _ _ 5086 ост. Al _ _ 0,45 4,0 0,15 _ _ 8280 ост. Al 1,5 1,0 _ _ _ 0,45 6,2 Таблица 11 – Химический состав деформируемых алюминиевых сплавов марка сплава Номинальная массовая доля для легирующих элементов, % Al Si Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr 2219 ост, Al _ 6,3 0,30 _ _ _ _ - 2017 ост.Al 0,5 4,0 0,7 0,6 _ _ _ _ 2014 ост.Al 0,80 4,4 0,8 0,5 _ _ _ _ 2024 ост.Al 4,4 0,6 1,5 _ _ _ _ 6063 ост.Al 0,4 _ _ 0,7 _ _ _ _ 6066 ост.Al 1,3 1,0 0,8 1,1 _ _ _ _ 7075 ост.Al _ 1,6 _ 2,5 0,23 5,6 _ _ 7005 ост. Al _ _ 0,45 1,4 0,13 4,5 0,03 0,14 НАГАРТОВЫВАЕМЫЕ СПЛАВЫ Деформационно упрочняемый сплав (“термически не упрочняемый,” нагартовываемый) – сплав, который упрочняется только путем деформационной обработки, а не термической обработкой, Не упрочняемые сплавы алюминия отличаются высокой коррозионной стойкостью, пластичностью. Повышение механических свойств термически не упрочняемых алюминиевых сплавов производят путем нагартовки, то есть холодной пластической деформации с последующим частичным отжигом или без него (рисунок 8, 9), Рисунок 8 - Влияние холодной пластической обработки – нагартовки – на прочность, твердость и пластичность алюминиевых сплавов Рисунок 9 – Кривые нагартовки (деформационного упрочнения) термически не упрочняемых алюминиевых сплавов Таблица 12 – Классификация деформируемых деформационно - упрочняемых алюминиевых сплавов Система легирования Технический алюминий Алюминий – марганец Алюминий – кремний Алюминий – магний Алюминий – железо Алюминий – железо – никель Серии сплавов 1ХХХ 3ХХХ 4ХХХ 5ХХХ 8ХХХ 8ХХХ МЯГКИЕ СПЛАВЫ Марки алюминия (серия 1ххх). Содержание примесей (или легирующих элементов) не более 1,00 %. Алюминиевые сплавы Al-Mn (серия 3ххх). Термически не упрочняемые сплавы. Интересно, что эта система формально имеет соединение Al6Mg с переменной растворимостью и ее сплавы должны бы быть термически упрочняемыми. Однако оказывается, в присутствии неизбежной примеси – железа – вместо растворимой фазы образуется нерастворимое в алюминии соединение Al6(Mn, Fe). Марганец, в отличие от других легирующих элементов, не ухудшает, а улучшает коррозионную стойкость сплава. Поэтому эти сплавы превосходят технический алюминий и по прочности, и коррозионной стойкости. Сплавов этой системы в стандарте не так уж много: ММ, АМц, АМцС и Д12. Все они применяются, в основном, в виде листов и лент в различных нагартованных состояниях. УМЕРЕННО ПРОЧНЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ Алюминиевые сплавы Al-Mg (серия 5ххх). Термически не упрочняемые сплавы. Магний в количестве до 6 % дает упрочнение твердого раствора сплава и высокую эффективность деформационного упрочнения. Поэтому сплавы серии 5ххх имеют довольно высокие прочностные свойства. Эти сплавы широко имеют хорошую коррозионную стойкость, особенно сопротивление коррозии в морской воде и морской атмосфере, и поэтому широко применяются в судостроении, в основном в виде листов. Из этих сплавов изготавливают штампованные детали корпуса и шасси автомобилей благодаря хорошей комбинации их прочности и формуемости. Алюминиевые сплавы Al-Mg-Si (серия 6ххх) Термически упрочняемые сплавы. Упрочняющей фазой является соединение Mg2Si. Эти сплавы иногда (только у нас) называют «авиалями. Алюминиевый сплав АД31 – полный аналог «американского» сплава 6063 и, частично, «европейского» сплава 6060. Соотношение среднего содержания кремния и магния в нем близко к стехиометрическому соотношению 1:1,73 для соединения Mg2Si. АД31 (6060/6063) — самый популярный промышленный алюминиевый сплав. Широко применяется для изготовления алюминиевых профилей для строительных ограждающих конструкций (окон, дверей, фасадов) и других, как правило, не несущих конструкций. Алюминиевый сплав АД33 – аналог сплава 6061. Большее содержание магния и кремния, чем у АД31 (кремний в избытке), а также добавки меди. Более прочный, чем АД31. Применяется в несущих строительных конструкциях. Алюминиевый сплав АД35 – аналог сплава 6082. По сравнению со сплавом АД33 магния почти столько же, как и у сплава АД33, а кремния раза в полтора больше и дополнительно до 1 % марганца. Поэтому сплав АД35 еще более прочный, чем АД33. Применяется в несущих строительных конструкциях. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ, «ТВЕРДЫЕ» АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ Алюминиевые сплавы Al-Cu-Mg и Al-Cu-Mn (серия 2ххх) Термически упрочняемые сплавы. Так называемые дуралюмины или дюралюмины. В зависимости от содержания меди и магния, а также соотношения их концентраций, в них могут образовываться различные упрочняющие фазы: двойные или тройные соединения алюминия с медью, магнием и марганцем. Алюминиевый сплав Д1 – «классический», нормальный дюралюминий с упрочняющей фазой CuAl2. Сплав Д16 – более прочный, так называемый «супердюралюмин», по сравнению с Д1 содержит повышенное количество магния (в среднем 1,5 %). Поэтому основной упрочняющей фазой у него является уже тройная фаза CuMgAl2, что и дает более высокую прочность. Прочность дюралюминиев зависит от вида полуфабриката: в прутках больше, в листах – меньше. Предел прочности нормального листового (Д1) достигает 410 МПа, а листового Д16 – 440 МПа. Алюминиевый сплав Д18 специально предназначен для заклепок, он содержит пониженное количество меди и магния и поэтому имеет существенно более низкую прочность, но и более высокую пластичность, чем, скажем, дюралюминий Д1. Алюминиевый сплав В65 предназначен для заклепок, которые работают при температуре не выше 100 °С. Алюминиевые сплавы АК (АК4, АК6 и АК8) – близкие «родственники» дюралюминия — предназначены для поковок и штамповок. Алюминиевые сплавы Al-Zn-Cu-Mg (серия 7ххх) Термически упрочняемые. Включают самые прочные алюминиевые сплавы В95, В96. Алюминиевый сплав В95 содержит цинка от 5 до 7 %, магния от 1,8 до 2,8 % и меди 1,4 - 2 % при пределе прочности до 600 МПа. Сплав В96 имеет прочность под 700 МПа при содержании цинка от 8 до 9 % и увеличенном содержании магния и меди. Алюминиевые сплавы 1915 и 1925 удобны тем, что являются самозакаливающимися. Их прочность мало зависят от вида закалочной среды (вода, воздух). Поэтому при прессовании из них профилей с толщиной полок до 10 мм их охлаждают на воздухе. Старение проводят как при комнатной, так и при повышенных температурах. ХАРАКТЕРИСТИКА СЕРИЙ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Серия 1ххх — технический алюминий. Эта серия создана для технически чистого алюминия с содержанием алюминия не менее 99 %. Обозначения сплавов в серии 1ххх назначаются в зависимости от степени чистоты алюминия и вида примесей, основными из которых являются железо и кремний. Основными применениями сплавов этой серии являются электрические проводники, а также химическое оборудование, поскольку отличительными свойствами сплавов этой серии являются хорошая электропроводность и коррозионная стойкость. Последние две цифры обозначения сплава указывают на две цифры справа от десятичной точки (запятой) процентного содержания алюминия. Например, 1050 обозначает сплав, у которого содержание алюминия составляет 99,50 %. Основные легирующие компоненты – Fe и Si. Свойства: хорошая коррозионная стойкость и барьерные свойства против УФ света, влаги и запаха; хорошая пластичность и свариваемость;низкие механические свойства; отличная обрабатываемость; хорошая тепло – и электропроводность. Сплавы 1000 серии термически не упрочняются. Для повышения показателей того или иного свойства сплавы 1000 серии могут быть дополнительно легированы: Mg, Ti, Zn, Cu, Mn. Алюминиевые сплавы, содержащие только примеси и попадающие в алюминий в процессе электролиза, в настоящее время принято называть нелегированным алюминием. Однако с целью повышения технологичности данные сплавы обычно легируют небольшим количеством железа и титана, а в процессе литья производят модифицирование лигатурой алюминий – титан – бор. Для применения данных сплавов в специальных областях техники в нелегированном алюминии ограничивают содержание некоторых элементов, например, для алюминия электротехнического назначения ограничивают сумму Mn + Cr + Ni + V, для атомной энергетики ограничивают содержание бора, для алюминия пищевого назначения ограничивают примеси свинца и мышьяка. Нелегированный алюминий относится к сплавам, упрочняемым только деформацией (термически не упрочняемым сплавам). Химический состав сплавов, относящихся к нелегированному алюминию, в соответствии с российскими и зарубежными стандартами приведен в таблица 13. Таблица 13 – Химический состав основных марок нелегированного алюминия Область применения: изготовление литографических плит (1110D, 1235, 1050); фольги для пищевой упаковки и контейнеров (1200); проводников электрического тока (1350); продукции под анодирование; пиротехнический порошок (1050А); проволока для сварки (1100) Характерные дефекты при производстве 1000 серии алюминиевых сплавов: структура «Fir Tree»; веерная структура; плавающие (светлые, свободные) зерна. Дефекты поверхности: трещины различного происхождения, нарывы, царапины. Образование вышеперечисленных дефектов связано в основном с тем, что сплавы 1000 серии низко легированы дополнительными элементами. 1000 серия алюминиевых сплавов чистота сплава - не менее 99% Al легирующие компоненты - Fe, Si (основные) дополнительные - Mg, Ti, Zn, Cu, Mn свойства: • • • • • • хорошая коррозионная стойкость барьерные свойства против УФ света, влаги и запаха хорошая пластичность и свариваемость низкие механические свойства отличная обрабатываемость хорошая тепло – и электропроводность применение – изготовление: • • • • • • литографические плиты (1110D, 1235, 1050) фольга для пищевой упаковки и контейнеров(1200) проводники электрического тока (1350) продукция под анодирование; пиротехнический порошок (1050А) проволока для сварки (1100) характерные дефекты: • структура «Fir Tree» • веерная структура • плавающие (светлые, свободные) зерна • дефекты поверхности: трещины различного происхождения, царапины Серия 2ххх — сплавы алюминия с медью. Главным легирующим элементом этой серии является медь, что обеспечивает сплавам высокую прочность, но приводит к пониженной коррозионной стойкости. Эти сплавы были среди первых алюминиевых сплавов и их назвали дюралюминами. Сплав 2024 (наш Д16) является, наверное, самым известным и наиболее широко применявшимся «самолетным» сплавом. В настоящее время большинство сплавов этой серии потеряли свою былую популярность, поскольку они имеют недостаточную коррозионную стойкость при работе наоткрытом воздухе без защитного покрытия, а также трудно свариваются. 2000 серия алюминиевых сплавов система Al-Cu-Mg (по прочности, уступающие только 7000 серии) легирующий компонент – Cu, Mg и Ag. свойства: • высокая прочность (особенно при повышенных температурах); • высокая твердость; • хорошая свариваемость; • плохая устойчивость к атмосферным воздействиям (изделия покрывают защитными красками); • высокая вязкость разрушения; • плохие литейные свойства и герметичность применение • плиты фюзеляжа или обшивки самолетов (АА2024, АА2324) • кузова самосвалов и тягачей (2014) • болтовые, клепочные соединения различных конструкций (2219, 2048) • авиакосмическая промышленность( 2195, 2124, 2324, 2419) • крепеж машин и механизмов (2011, 2017 и 2117) сплавы имеют среднюю прочность, но хорошо выдерживают воздействие высоких и низких температур, (вплоть до температуры жидкого водорода) Сплавы с высоким содержанием Сu (свыше 4%) — двойные сплавы Al—Сu и сплавы тройной системы Al—Cu—Mn с добавкой Ti по жаропрочности превосходят сплавы первых трёх групп, но имеют несколько пониженные коррозионную стойкость, литейные свойства и герметичность Серия 3ххх — сплавы алюминия с марганцем. Марганец является главным легирующим элементом серии 3ххх, повышая прочность нелегированного алюминия где-то на 20 %. Коррозионная стойкость и обрабатываемость этих сплавов очень высокая. Самый популярный сплав серии – 3003 (АМц по ГОСТ 4784). Сплавы этой серии нередко применяют в строительстве, при устройстве дождевых водостоков, кровли и облицовки зданий. 3000 серия алюминиевых сплавов свойства система Al-Mn, легирующий компонент – Mn, до 1,25% дополнительные Cu, Ti упрочняется только холодной пластической деформацией • прочность при растяжении: 110 – 280 Мпа (добавление 1% Mn увеличивает прочность на растяжение готового продукта на 10-15 Мпа) хорошая формуемость • отличная коррозионная стойкость • высокая пластичность • хорошая свариваемость применение • банки для напитков (3004, 3104) • автомобильные радиаторы (3002) • теплообменники и радиаторов транспортных средств (3003) • посуда и химическое оборудование (3003) • кровля и сайдинг (3105) влияние легирующих элементов Марганец мало растворим в твердом алюминий, образует химическое соединение MnAl6. Это соединение дает с алюминием эвтектику, содержащую 1,95 % Mn, Al- остальное. Растворимость марганца в алюминии при эвтектической температуре составляет 1,82 %, при 500 °С - 0,36 %. При дальнейшем понижении температуры растворимость марганца изменяется мало, поэтому сплав термической обработкой (закалка - старение) не упрочняется ФПК КРАМЗ Серия 4ххх — кремнистые сплавы алюминия. Это довольно экзотическая серия сплавов имеет кремний главным легирующим элементом. Медь, магний и бериллий могут добавляться как дополнительные легирующие элементы. Подавляющее большинство сплавов этой серии являются нетермоупрочняемыми, но есть и исключения. Содержание кремния может достигать 13,5 % для снижения температуры начала плавления и повышения текучести, что очень важно, поскольку большинство этих сплавов применяются для изготовления проволоки и прутков для сварки и пайки. Серия 5ххх — сплавы алюминия с магнием. В сплавах серии 5ххх основной легирующий элемент — магний. В результате получают прочные, стойкие к коррозии, хорошо свариваемые алюминиевые сплавы. Эти сплавы применяются для изготовления корпусов судов и другой морской техники, сварочной проволоки и сварных резервуаров. Прочность сплавов этой серии прямо пропорциональна содержанию магния, которое может достигать 6 %. 5000 серия алюминиевых сплавов свойства система Al - Mg. (Mg< 10%) относятся к группе не упрочняемых термически, (упрочнение происходит за счет холодной пластической деформации). Свойства достигаются увеличением концентрации магния в пересыщенном твердом растворе • • • • высокая коррозионная стойкость хорошая свариваемость хорошая стойкость к криогенным температурам хорошая устойчивость к кислотам: разбавленной серной, азотной, ортофосфорной, в средах, содержащих SO2 • хорошая пластичность • низкая плотность • высокая прочность применение • • • • • • • • изготовление сосудов под давлением (5052, 5754, 5083, 5154, 5454, 5456) автомобильные и железнодорожные емкости для сыпучих веществ (5052, 5083, 5154, 5456) изготовление автомобилей и морских судов (5005, 5042, 5083, 5182, 5454, 5745, 5754, 5052) химическая промышленность (5083,5254) крышки, ключи, банки для напитков (5052, 5182) броневая защита в конструкции военной техники (5083, 5456) строительные и архитектурные конструкции (5005, 5052, 5252, 5457) бытовые изделия, кухонная утварь (5005) Для улучшения прочностных характеристик и стойкости к коррозии сплавы легируют Mn и Cr, в виде упрочняющих элементов в малых концентрациях используют Sc,Zr Серия 6ххх — сплавы алюминия с магнием и кремнием. Сплавы этой серии содержат магний и кремний от 0,2 до 1,8 % в пропорциях для образования силицида магния Mg2Si. Эти сплавы имеют хороший баланс коррозионной стойкости и прочности. Популярным конструкционным материалом является сплав 6061 (АД33), который по пределу текучести близок к малоуглеродистым сталям. Подавляющее большинство алюминиевых профилей производится из аналогичных сплавов 6060 и 6063 (европейский и американский аналоги нашего АД31). Из таких профилей изготавливают все алюминиевые строительные ограждающие конструкции (фасады, окна и двери). Серия 7ххх — алюминиево-цинковые сплавы. Главный легирующий элемент сплавов этой серии – цинк. Серия 7ххх включает два типа сплавов: сплавы Al-Zn—Mg, например, 7005 (1915) и сплавы Al—Zn-Mg-Cu, например, 7075 (близок к В95). Добавки меди к сплавам Al-Zn—Mg вместе с небольшими количествами хрома и марганца дают самую высокую, которая только возможна для алюминиевых сплавов. В некоторых сплавах предел прочности может превышать 600 МПа. Хотя медь и снижает общую коррозионную стойкость, она повышает сопротивление коррозии под напряжением. Серия 8ххх — все остальные алюминиевые сплавы, Эта серия включает недавно разработанные сплавы, главные легирующие элементы которых отличаются от главных элементов других серий или по другим причинам не могут быть включены в «традиционные» серии. Например, в эту серию включены, в том числе ✓ сплавы с литием для аэрокосмической промышленности (например, 8090); ✓ сплавы с содержанием железа более 1 % для изготовления алюминиевой фольги (например, 8006, 8011, 8079, 8111); ✓ сплавы, которые применяют для изготовление алюминиевых проводов (например, 8017, 8030, 8076, 8177). Литий имеет значительно более низкую плотность, чем алюминий (0,53 г/см³), а его растворимость в алюминии относительно велика. Поэтому он может легировать алюминий в больших количествах и обеспечивать значительное снижение плотности алюминиевого сплава – до 10 % по сравнению с другими алюминиевыми сплавами. 8000 серия алюминиевых сплавов свойства систем включает все деформируемые сплавы, не вошедшие в остальные группы, легирующие элементы - Fe, Ni, Li, Sn, Si, Ce, также все элементы, входящие в сплавы остальных групп • Al-Fe-Ni: хорошая прочность и электропроводность • Al-Li: высокая прочность и жесткость, достаточно низкая плотность (обычно около 10% меньше, чем у других алюминиевых сплавов) • Al-Sn: высокая коррозионная стойкость и прочность • Al-Fe-Si: хорошая формуемость, пластичность и теплопроводность применение • атомная энергетика - устройства, требующие устойчивости к водной коррозии при повышенных температурах и давлениях(8001) • легковые, грузовые автомобили – изготовление подшипников (8081, 8280) • защитные покрытия (8280) • проводники (8017, 8030, 8076, 8176) • авиакосмическая промышленность (8024, 8090,8091,8093) • пищевая промышленность, медицина (8011, 8079) • изготовление теплообменников (8011) основные легирующие элементы сплав 8001 – никель; сплавы 8009, 8022 – железо-ванадий; сплав 8019 – церий, сплавы 8081, 8280 – олово; сплав 8007 – цинк; сплавы 8024, 8090,8091,8093 – литий; сплав 8011 – железо-кремний Сопоставление обозначений состояний (обработки) полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых сплавов по российской и международной системам приведены в таблица 14. Таблица 14 – Обозначений видов обработки деформируемых алюминиевых сплавов Маркировка Россия США Состояние, назначение После изготовления, без дополнительной термической обработки. Степень нагартовки и механические свойства не контролируются Горячекатаное Горячепрессованное Отожженное (мягкое). Наиболее высокая пластичность и стабильность размеров Нагартованное (холоднодеформированное) Усиленно нагартованное (прокаткой листов около 20 %, для максимального упрочнения) Без ТО F ГК ГП - М О Н - Н4 Н18 Н3 Н16 Нагартованное на три четверти (3/4), повышение прочности Н2 (П) Н14 Н1 Н12 З W Т Т3, Т4 Т1 Т6 Полунагартованное (1/2), повышение прочности Нагартованное на одну четверть (1/4), повышение прочности Закаленное (нестабильное, обычно указывается длительность естественного старения после закалки), повышение прочности Закаленное + естественно состаренное. Получение достаточно высокой прочности, повышенной пластичности, трещиностойкостии, сопротивления усталости Закаленное + искусственно состаренное на максимальную прочность Т12 тн** Т1Н Т1Н1 Закаленное + искусственно состаренное. Улучшение характеристик сопротивления коррозии, Т77 трещиностойкости, пластичности при некотором снижении прочности. русской маркировке первой Закаленное +Вестественно состаренное возрастание + нагартованное. На Т31, Т36, Т37, цифры при букве указывает на увеличение степени степень деформации нагартовки указывает вторая цифра. Т39 перестаривания и разупрочнения Повышение прочности при снижении характеристик пластичности, трещиностойкости Закаленное + нагартованное + искусственно состаренное. Т81, Т83, Т86, На степень деформации (нагартовки) указывает вторая Т87 цифра. Повышение прочности Закаленное + искусственно состаренное + нагартованное. Т9 Повышение прочности особенно при совмещении с процессом формообразования детали ЛЕКЦИЯ 1.4 ТЕМА: ЛИТЕЙНЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ СПЛАВЫ, ИХ Алюминиевые литейные сплавы, которые предназначены для литья отливок содержат один или более легирующих элементов в количестве не более 12 % каждого. Некоторые литейные сплавы «сконструированы» так, чтобы их можно было применять в литом состоянии без какой-либо термической обработки. Другие сплавы имеют такой химический состав, чтобы их можно было подвергать термической обработке для повышения их механических свойств и размерной стабильности. Высокую прочность вместе с хорошей пластичностью можно получать путем выбора подходящего химического состава и термической обработки. Условная граница между литейными и деформируемыми группами алюминиевых сплавов при одинаковых легирующих компонентах связана с пределом насыщения твердого раствора при эвтектической температуре (рисунок 10). Рисунок 10 – Граница между деформируемыми и литейными сплавами Алюминиевые сплавы с содержанием компонента меньше предела растворимости при высокой температуре обладают наибольшей пластичностью и наименьшей прочностью и, следовательно, хорошо поддаются горячей обработке давлением. Наилучшую жидкотекучесть (важнейшее свойство литейных алюминиевых сплавов) имеют металлы, кристаллизирующиеся при постоянной температуре (чистые металлы, эвтектические сплавы). При переходе за предел растворимости при высокой температуре жидкотекучесть резко повышается. Однако литейные алюминиевые сплавы не должны содержать больше 15-20 % эвтектики во избежание ухудшения механических и технологических свойств. Все литейные алюминиевые результате термической обработки. сплавы могут упрочняться в Степень упрочнения тем меньше, чем больше литейный алюминиевый сплав легирован и, следовательно, в его структуре больше эвтектики. В качестве литейных материалов используют как первичные сплавы, изготовленные легированием чистого алюминия, так и стандартные вторичные сплавы, полученные из скрапа и отходов алюминиевых сплавов. В особых случаях отливают детали также из чистого алюминия, в основном для химической и пищевой промышленности, а также для электротехники. Литейные сплавы в России в общем объеме производства алюминиевых сплавов составляют 20 %. В России алюминиевые литейные сплавы в чушках производят на алюминиевых заводах из первичных металлов, на предприятиях вторичной цветной металлургии – из вторичных лома и отходов. Доля алюминиевых литейных сплавов в чушках, производимых в России из вторичного лома и отходов, составляет около 50 %. На алюминиевых заводах России производят сплавы-силумины различной чистоты (АК12, АК12ч, АК12пч и АК12оч); высококремниевые сплавы различной композиции и чистоты (АК9, АК9ч, АК9пч, АК8, АК7ч, АК7пч); сплавы системы AL–Si– Cu – Mg (АК5М, АК5Мч, АК5М2, АК6М2, АК8М3ч, АК9М2); сплавы различных композиций системы Al - Mg; жаропрочные сплавы (АК12М2МгН) и др. На предприятиях вторичной цветной металлургии из лома и отходов производят сплавы: АК9; АК7; АК9М2; АК8М3; АК5М2; АК5М4; АК5М7; АК12М2МгН и др. для подшихтовки сплавов в небольших количествах применяются первичные металлы. Сплавы АК9 и АК8 являются для предприятий вторичной цветной металлургии дефицитными марками (из лома и отходов сплавы производятся с большим трудом). Сплавы АК5М2, АК5М4, АК9М2, АК8М3, АК12М2 по содержанию меди, железа, цинка легко получают из лома и отходов различных сплавов. Во многих промышленно-развитых странах мира, включая США, Германию, Японию, доля производства алюминиевых литейных сплавов из вторичного сырья достигает в настоящее время 85 – 90 %. По количеству стандартных алюминиевых литейных сплавов в чушках (более 40 марок) Россия опережает европейские страны, но уступает США (76) и Японии (50). Литейные алюминиевые сплавы и их обозначения Для литейных сплавов применяется система обозначений из трех цифр, за которыми следует своего рода «десятичная дробь». Десятичная дробь .0 во всех случаях относится к пределам литейных сплавов. Десятичные дроби 1 и 2 относятся к химическому составу готовых слитков. ✓ 1хх.х – технически чистый алюминий с контролируемым химическим составом, в том числе по примесям. Применяется для изготовления роторов электродвигателей. ✓ 2хх.х – главным легирующим элементом является медь. Другие легирующие элементы также могут присутствовать. ✓ 3хх.х – главным легирующим элементом является кремний. Дополнительными легирующими элементами могут быть медь и магний. Сплавы серии 3хх.х составляют около 90 % всех фасонных алюминиевых отливок. ✓ 4хх.х – главным легирующим элементом является кремний. ✓ 5хх.х – главным легирующим элементом является магний. ✓ 6хх.х – не применяется. ✓ 7хх.х – главным легирующим элементом является цинк. Дополнительными легирующими элементами являются медь и магний. ✓ 8хх.х – главным легирующим элементом является олово. ✓ 9хх.х – не применяется. К термически упрочняемым сплавам относятся литейные сплавы серий 2хх, 3хх и 7хх. Литейные сплавы по системе ANSI (AA) имеют трехзначное обозначение и сгруппированы в серии, которые относятся к определенным системам легирования. Первая цифра каждой серии указывает основную систему сплава (таблица 15). Таблица 15 – Системы обозначения регламентируемая стандартами: по системе АА – NSI (США) Основная система Основная система Серия Серия сплава сплава 2ХХ Al – Cu 5ХХ Al – Mg Al – Si – Mg, Al – Si 3ХХ 7ХХ Al – Zn – Cu 4ХХ Al - Si 8ХХ Al – Sn Алюминиевые литейные сплавы позволяют обеспечивать широкий диапазон механических свойств изделий путем выбора химического состава, а также, при необходимости, термической обработки и строго технологического контроля. Рисунок 11 – Микроструктура типичного доэвтектического алюминиевого литейного сплава AlSi7Mg (A356). Алюминиевые дендриты, окруженные эвтектикой алюминий + кремний Литейные алюминиевые сплавы объединяют четыре основных семейства сплавов, которые основаны на следующих системах легирования: ✓ Al-Si(-Cu); ✓ Al-Cu; ✓ Al-Mg(-Si); ✓ Al-Zn(-Si). Категории литейных сплавов для сплавов для производства отливок: 2xx – Al-Cu, Al-Cu-Ni-Mg, Al-Cu-Si; 3xx – Al-Si-Cu, Al-Si-Cu-Mg, Al-Si-Mg; 4xx – Al-Si; 5xx – Al-Mg; 7xx – Al-Zn; 8xx – Al-Sn. Большинство литых алюминиевых деталей и изделий изготавливают из алюминиево-кремниевых сплавов, благодаря их исключительно хорошим литейным свойствам. Некоторые сплавы из серий Al-Cu, Al-Mg и Al-Zn имеют более высокие механические свойства, чем сплавы Al-Si, но их литейные характеристики обычно довольно низкие и их очень трудно лить. В частности, они весьма склонны к горячему растрескиванию. Алюминиево-магниевые литейные сплавы - обладают высокой коррозионной стойкостью. Их можно полировать до зеркального блеска, а также анодировать. Они обеспечивают высокие механические свойства без необходимости применения термической обработки. Эти сплавы обычно применяют при изготовлении деталей методом литья под высоким давлением. Алюминиевые литейные сплавы Al-Zn-Mg - применяют, когда необходимо избежать коробления при закалке, так как они подвергаются термическому упрочнению старением при комнатной температуре без предварительной закалки. Литейные сплавы Al-Mg-Si и Al-Zn-Si-Mg - добавки кремния в этих сплавах в достаточном количестве обеспечивают им хорошие литейные свойства. Алюминиевые литейные сплавы Al-Cu - самые прочные литейные алюминиевые сплавы. Применяются в основном в аэрокосмической промышленности. Из этих сплавов изготавливают также ответственные детали автомобильной подвески. Эти сплавы очень подвержены горячему растрескиванию и из них трудно отливать сложные отливки. Они применяются в ограниченном количестве для деталей спортивных автомобилей и других экзотических транспортных средств. Литейные сплавы Al-Si - наиболее популярные литейные сплавы во всем мире (рисунок 12). Проявляют отличные литейные свойства: высокая жидкотекучесть (хорошо наполняют литейные формы, стойкие к горячему растрескиванию и в целом являются самыми технологичными литейными сплавами. Добавление магния обеспечивает хорошие механические свойства после термической обработки, а медь улучшает обрабатываемость резанием и повышает прочность при повышенных температурах. Их можно подразделить на простые силумины (AK12 - АЛ2) и специальные силумины, содержащие кроме А1 и Si дополнительно Мg (десятые доли процента) или совместно (в тех же количествах) и Сu. Сплавы Al-Si-Mg применяют для изготовления колесных дисков, конструкционных литых деталей и элементов подвески, которые требуют высокой прочности и хорошей вязкости. Сплавы Al-Si-Cu(-Mg) доминируют на рынке деталей и агрегатов силовых установок, таких как алюминиевые блоки двигателей, головки цилиндров, втулки цилиндров двигателей и других литых деталей, для которых высокая прочность при повышенных температурах и стойкость к изнашиванию важнее, чем вязкость. Рисунок 12 – Схематическая диаграмма состояния алюминиевокремниевых литейных сплавов (указаны диапазоны содержания кремния в наиболее применяемых сплавов Для изготовления отливок используют доэтвектические (до 9 % Si) и заэвтектические (до 25 % Si) сплавы (рис. 6.1). Как видно из диаграммы фазового равновесия системы А1—Si, эвтектика содержит 11,7% Si и состоит из твердого раствора кремния в алюминии. Максимальная растворимость кремния в алюминии составляет 1,65 % при эвтектической температуре 577 ˚С. По мере увеличения в доэвтектических сплавах содержания кремния в их структуре возрастает количество эвтектики и улучшаются литейные свойства. Обычная структура доэвтектических силуминов состоит из дендритов твердого раствора кремния в алюминии и эвтектики: твердый раствор — кремний. Крупные выделения пластинок кремния в эвтектике, являясь концентраторами напряжений, сильно снижают пластичность сплава (подобно крупным пластинкам графита в чугуне). Для измельчения включений кремния сплавы модифицируют солями натрия (NаF + NаС1). Эффект модифицирования тем больше, чем выше содержание кремния, так как модификатор действует только на кремний. В сплавах, содержащих менее 8 % Si, применение модифицирования теряет смысл, так как улучшение свойств незначительное и может перекрываться влиянием скорости охлаждения. К простым двойным силуминам относится только один сплав АЛ2 (АК12). Из-за отсутствия в составе интерметаллидов он является нетермообрабатываемым, но обязательно модифицированным. В специальных силуминах (АЛ4-AK9ч, АЛ9-АК7ч, АЛ34-АК8л) при введении в них магния образуется интерметаллид Мg2Si, который является упрочняющей фазой. В литом состоянии крупные выделения Мg2Si располагаются по границам зерен, придавая сплаву хрупкость. Для измельчения структуры и увеличения пластических свойств отливки из специальных силуминов подвергают закалке и искусственному старению. В сплавы АЛ5 (АК5М), АЛ32 (АК8М), ВАЛ8 (АК8М3ч), АК5М2, АК5М7, АК6М2, АК5М4, АК8МЗ, АК9М2 дополнительно с магнием вводится медь от 1 до 7 %. При этом появляются новые упрочняющие фазы, в частности интерметаллид СuА12. Как уже отмечалось выше, сплавы с уменьшенным содержанием кремния не модифицируют, а подвергают термической обработке. Эвтектические специальные силумины (АЛ25 – АК12М2МгН, АЛЗ0 АК12ММгН, АК12М2) содержат дополнительно 1,0...2,0% Ni, повышающего их жаростойкость. Взамен эвтектических силуминов разработаны сплавы, называемые «никалинами», в которых в качестве второй фазы эвтектики содержатся соединения А13Ni. Такая эвтектика обладает более дисперсным строением и более высокой температурой плавления (640 против 577 °С) по сравнению с алюминиево-кремниевой. Заэвтектический силумин АК21М2,5Н2,5 (ВКЖЛС-2) характеризуется хорошими антифрикционными, антикоррозионными свойствами и низким температурным коэффициентом линейного расширения (у кремния он меньше, чем у алюминия). Кремний в литейных алюминиевых сплавах Химический состав литейных алюминиевых сплавов может включать до десяти конкретных легирующих элементов, не считая колонки «другие» или «сумма примесей». Не все эти элементы являются основными легирующими элементами для каждого алюминиевого сплава: некоторые элементы являются основными или примесями в одних сплавах и могут поменяться местами в других. Цинк, например, в большинстве литейных алюминиевых сплавов является примесью, и только в некоторых – основным легирующим элементом. К главным легирующим элементам литейных алюминиевых сплавов в разных стандартах относят: кремний, медь, магний, цинк, олово. Остальные элементы могут быть второстепенными элементами, модификаторами структуры, а также примесями. Роль кремния в литейных сплавах: кремний без сомнения является наиболее важным легирующим компонентом в подавляющем большинстве литейных алюминиевых сплавов. Кремнию эти сплавы обязаны так называемыми «хорошими литейными свойствами», то есть способностью легко заполнять литейные формы и затвердевать в отливки без образования горячих трещин. Важная роль кремния, как легирующего элемента литейных алюминиевых сплавов заключается в следующем: 1. Высокая скрытая теплота затвердевания кремния обеспечивает хорошую или удовлетворительную жидкотекучесть сплава в целом. 2. Кремний имеет ограниченную растворимость в твердом растворе (максимум 1,65 %) и образует с алюминием эвтектику при довольно большом содержании (12 %). Это приводит к тому, что у сплава даже с содержанием в несколько процентов кремния затвердевание происходит в основном в режиме, близком к изотермическому. При этом литейный алюминиевый сплав достигает значительной прочности, поскольку мало подвергаются или вообще не подвергаются термической усадке, что очень важно для предотвращения образования горячих трещин. 3. Чем больше кремния содержит алюминиевый сплав, тем меньше его коэффициент термического расширения. 4. Кремний является очень твердой фазой, поэтому он дает значительный вклад в износостойкость алюминиевого сплава. 5. Соединения кремния с другими элементами, например, с магнием, повышают прочность алюминиевого сплава и делают его термически упрочняемым. 6. Большое содержание кремния может приводить к нестабильности размеров отливки, особенно при повышенных температурах. Поэтому, например, при применении литейного алюминиевого сплава АЛ2 для высокоточных приборных деталей, предусматривают специальную стабилизирующую термическую обработку. Почти изотермическое затвердевание. Чистый алюминий затвердевает «изотермически», то есть при постоянной температуре. Эвтектические составы (алюминий и 12 % кремния, как, например, нормальный силумин) также затвердевают практически «изотермически», то есть в очень узком интервале температуры. Эвтектические алюминиевые сплавы затвердевают постепенно от поверхности литейной формы по направлению к термическому центру поперечного сечения отливки. Для них характерна очень малая толщина фронта между уже затвердевшей частью отливки и оставшимся жидким металлом. Такое затвердевание сводит к минимуму тенденцию к образованию горячих трещин. Кремний залечивает горячие трещины: присутствие кремния обычно предотвращает образование горячих трещин, а также улучшает текучесть литейных алюминиевых сплавов. Всего лишь 5 % кремния в сплаве обеспечивает достаточную степень изотермического затвердевания, чтобы исключить образование горячих трещин и, в то же время, повысить текучесть сплава. Литейщики часто называют алюминиевые сплавы с широким интервалом температуры затвердевания как «трудные для литья». Однако трудными их делает не широкий температурный интервал затвердевания, а скорее характерная, неизотермическая, форма кривых охлаждения, а также недостаточная жидкотекучесть. Обе эти проблемы — от отсутствия в достаточном количестве кремния. Американский литейный алюминиевый сплав 332 (9,5%Si-3,0%Cu-1,0%Mg), его ближайший отечественный аналог – АЛ25, имеет относительно широкий температурный интервал затвердевания, но поскольку он содержит значительное количество кремния, то имеет неплохую жидкотекучесть и близкое к изотермическому затвердевание. Литейные алюминиевые сплавы с большим содержанием кремния (американские серии 3хх и 4хх, группы I и II по ГОСТ 1583) значительную часть своего затвердевания «проводят» на эвтектической «площадке» кривой охлаждения. Когда охлаждение доходит до температур ниже этой «площадки», большая доля твердого сплава уже образовалась и только фазы с самыми низкими температурами затвердевания еще остаются жидкими (обычно эвтектики с участием меди и/или магния). К этому моменту сплавы уже успевают сформировать достаточную твердую и прочную структуру. Эта структура способна успешно противостоять усадке при оставшемся охлаждении от эвтектической «площадки» до полного затвердевания без образования горячих трещин. Кремний и магний в алюминиевых сплавах: кремний сам по себе дает очень малый вклад в прочность литейных алюминиевых сплавов. Однако в комбинации с магнием в виде Mg2Si кремний обеспечивает очень эффективный упрочняющий механизм в алюминиевых отливках. Влияние кремния на свойства алюминиевых сплавов: с увеличением содержания кремния коэффициент термического расширения сплава, как и его плотность, уменьшаются. Кремний повышает износостойкость алюминиевого сплава, что часто делает отливки из алюминиево-кремниевых сплавов привлекательной заменой серых чугунов, например, в автомобилестроении. Например, заэвтектический американский сплав 390 широко применяется для изготовления деталей двигателей, насосов, компрессоров, поршней и коробок передач. Кремний и режущий инструмент: важность вклада кремния в улучшение литейных свойств алюминиевых сплавов имеет и обратную сторону. Чем больше кремния в сплаве, особенно в заэвтектическом интервале, тем больше износ режущего инструмента при его механической обработке. С появлением поликристаллических алмазных материалов проблема износа режущего инструмента перестала быть такой актуальной при выборе подходящего литейного сплава. Однако при обработке отливок режущим инструментом из быстрорежущих сталей, карбидным режущим инструментом и другими менее износостойкими материалами это обстоятельство необходимо учитывать. Введение сотых долей процента натрия позволяет модифицировать структуру до эвтектических и эвтектических силуминов: вместо грубых хрупких кристаллов кремния появляются кристаллы сфероидальной формы и пластичность сплава существенно возрастает. Силумины охватывают двойные сплавы системы Al – Si (АЛ2) и сплавы на основе более сложных систем: Al – Si – Mg (АЛ9); Al – Si – Cu (АЛ3, АЛ6); Al – Si – Mg – Cu (АЛ5, АЛ10). Сплавы этой группы характеризуются хорошими литейными свойствами, сравнительно высокой коррозионной стойкостью, высокой плотностью, средней прочностью и применяются для сложных отливок. К сплавам с высоким содержанием магния (свыше 5 %) относятся двойные Al – Mg сплавы (АЛ8) системы Al – Mg – Si с добавкой марганца (АЛ13 и АЛ 28), бериллия и титана (АЛ22). Сплавы этой группы коррозионностойки, обладают высокой прочностью и пониженной плотностью. Наиболее высокопрочен сплав АЛ8, но технология его изготовления сложна. Для уменьшения окисляемости в жидком состоянии в него вводится 0,05 – 0,07 % Ве, а для измельчения зерна – такое же количество титана. Сплав АЛ8 отливается главным образом в земляные формы. Сплавы АЛ13 и АЛ28 имеют лучшие литейные свойства, но меньшую прочность и не способны упрочняться термической обработкой. Они отливаются в кокиль под давлением и в землю. Длительные низкотемпературные нагревы могут привести к ухудшению коррозионной стойкости алюминиевых литейных сплавов с высоким содержанием магния. Сплавы с высоким содержанием цинка (свыше 3 %) систем Al – Si – Zn (АЛ11) и Al – Zn – Mg – Cu (АЛ24) имеют повышенную плотность и пониженную коррозионную стойкость, но обладают хорошими литейными свойствами и могут применяться без термической обработки. Эти сплавы не получили широкого распространения. Сплавы с высоким содержанием меди (свыше 4 %) – двойные сплавы Al – Cu (АЛ7) и сплавы тройной системы Al – Cu – Mn с добавкой титана (АЛ19) по жаропрочности превосходят все предыдущие сплавы, но имеют несколько повышенную коррозионную стойкость, литейные свойства и герметичность. Сплавы систем Al – Cu – Mg – Ni и Al – Cu – Mg – Mn – Ni (АЛ1, АЛ21) отличаются высокой жаропрочностью, но плохо обрабатываются. Химический состав некоторых литейных алюминиевых сплавов приведен в таблица 16, 17. Таблица 16 – Химический состав литейных алюминиевых сплавов Содержание элементов, % Сплав Si Fe Cu Mn Mg Zn Прочие А356 6,5-7,5 0,20 0,20 0,10 0,25 - 0,45 0,10 Ti 0,20 D357.0 6,5-7,5 0,20 - 0,10 0,55 - 0,6 - Ti 0,1–0,2 A360.0 9–10 1,3 0,6 0,35 0,4 – 0,6 0,5 Ni 0,5, Sn 0,15 384.0 10,5-12,0 1,3 3,0– 4,5 0,50 0,10 3,0 Ni 0,50. Sn 0,35 B390.0 16,0–18,0 1,3 4,0– 5,0 0,50 0,45 –0,65 1,5 Ti 0,20. Ni 0,1 А391.0 18,0-20,0 0,6 0,20 0,3 0,45–0,7 0,10 Ti 0,20 Таблица 11 - Литейные сплавы, производимые в литейных отделениях ОК РУСАЛ Марка сплава A356.2 A356.2 (Sr) A356.2 (Sr) A357 (Sr) AlSi10 AlSi10Mg AlSi10MgMn AlSi11 AlSi11Mg AlSi11MgSr AlSi11MgSr AlSi11MgSr AlSi7 AlSi7Mg AlSi7MgCu0.5 AlSi7MgSr AlSi9Mg AlSi9MgSr AS6 Si Fe max 7,3-6,8 0,1 7,3-6,7 0,12 7,4-6,8 0,1 7,4-6,6 0,12 10,0-9,0 0,2 11,0-10,0 0,3 10,3-9,7 0,14 11,8-11,0 0,12 11,7-10,5 0,13 11,0-10,3 0,13 11,8-10,5 0,11 11,5-10,5 0,12 7,4-6,6 0,12 7,5-6,5 0,12 7,5-6,5 0,15 7,4-6,8 0,13 10,0-9,0 0,15 10,0-9,0 0,3 7,5-6,5 0,15 Ti 0,15-0,1 0,2-0,1 0,15-0,1 0,2-0,1 0,2-0 0,15-0 0,15-0 0,15-0.1 0,09-0,06 0,15-0,09 0,12-0,08 0,14-0,08 0,18-0,12 0,15-0,11 0,2-0,15 0,15-0,10 0,12-0,03 0,15-0,08 0,15-0,08 Mn 0,03-0 0,02-0 0,04-0 0,03-0 0,02-0 0,45-0 0,55-0,40 0,03-0 0,03-0 0,01-0 0,019-0 0,04-0 0,2-0 0,1-0 0,1-0,05 0,03 0,1 0,2 0,1 Cu Mg 0,005-0 0,4-0,3 0,02-0 0,45-0,35 0,009-0 0,35-0,30 0,05-0 0,74-0,60 0,03-0 0,01-0 0,03-0 0,42-0,32 0,05-0 0,06-0 0,03-0 0,05-0 0,01-0 0,25-0,2 0,01-0 0,26-0,16 0,011-0 0,075-0,025 0,02-0 0,3-0,2 0,2-0 0,04-0 0,03-0 0,45-0,35 0,60-0,45 0,45-0,39 0,01-0 0,31-0,26 0,03-0 0,45-0,35 0,03-0 0,3-0,2 0,60-0,40 0,4-0,3 Sr 0,003-0 0,026-0,018 0,03-0,015 0,04-0,025 0,2-0 0,003-0 0,022-0,012 0,03-0,02 0,001-0 0,03-0,02 0,045-0,035 0,055-0,045 0,001-0 0,001-0 0,02-0,01 0,03-0,02 0,002-0 0,017-0,007 0,005-0 Литейные сплавы по системе ANSI (AA) имеют трехзначное обозначение и сгруппированы в серии, которые относятся к определенным системам легирования. Первая цифра каждой серии указывает основную систему сплава (таблица 12). Таблица 12 - Система обозначения регламентируемая стандартами: системе АА-NSI (США) Серия Основная система сплава Серия 2ХХ 3ХХ 4ХХ Al – Cu Al – Si – Mg, Al – Si – Cu Al - Si 5ХХ 7ХХ 8ХХ Основная сплава Al – Mg Al – Zn Al – Sn система Таблица 13 - Алюминиевые литейные сплавы в чушках (слитках) по ГОСТ 1583 и их зарубежные аналоги Марка Европейс Марки сплавов-аналогов по зарубежным стандартам сплава кий США, ГОСТ стандарт Япония, Франция Италия, Англия ASTM 1583 EN 1676 1 2 3 4 5 6 7 Система сплава: Al – Si (Al – Si - Mg) ENABАК12 44100 А413.1 A-S12G G-AlАС3А.1 LM6 3) (АЛ2) (ENAB(А14131) A-S13 Si13 AlSi12(b) ENABАК12ч 44200 A413.2 AC3A.2 3) (СИЛ-1) (ENAB(A14132) AlSi12(a) ENAB43200 A360.1 A-S12U АК9 (ENABAC4A.1 (A13601) A-S9G AlSi10Mg Cu) ENABAlSi9M 43100 АК9ч A360.1 nMg (ENABAC4A.2 (АЛ4) (A13601) (UNI AlSi10Mg 3051) (b) ENAB357.0 42000 AlSi7M АК7 356.1 AC4C.1 (ENABg (A03561) AlSi7Mg) ENAB356.0; АК7ч 42000 356.1 AAlSi7M AC4C.1 LM25 (АЛ9) (ENAB(А03561) S7GU3 gTi AlSi7Mg) SG70A Система сплава: Al – Si – Cu (Al – Si – Cu - Me) ENAB45100 A319.0 AАК5М2 (ENAB319.1 LM4 S5U3G AlSi5Cu3 (A03191) Mg) ENAB319.0; SG46600 AC2B.1, АК6М2 SG64D AlSi6Cu (ENABAC2B.2 326 2 AlSi7Cu2) A383.1; ENABSG(A13831) 46000 AAlSi9Cu АК9М2 A360.0; AC8B.1 LM2 (ENABS10CG 1 (UNI SG100A; AlSi9Cu3) 7369) 309 Германия, 8 G-AlSi12 (GKAlSi12g) - GDAlSi12(Cu) GAlSi10Mg GAlSi10Mg wa GAlSi9Mg - GAlSi7Mg - - GDAlSi9Cu3 ЛЕКЦИЯ 1.5 ТЕМА: СТРОЕНИЕ ЖИДКОГО РАСПЛАВА Качество литых деталей во многом зависит от свойств расплавленного металла. Изучение строения жидкого металла показывает, что оно определяется температурными условиями, в которых находится расплавленный металл. Рентгенографическими исследованиями установлено, что в жидких металлах с температурой, близкой к точке плавления, расположение атомов частиц сходно с расположением их в твердых металлах. Таким образом, расположение атомов и молекул в жидком металле не хаотичное и не случайное, а в известной степени близкое к расположению их в твердом теле. Упорядоченное расположение атомов в пределах нескольких соседних кристаллических решеток, характерное для жидкого состояния, называют ближним порядком в отличие от дальнего порядка, характерного для твердых кристаллических тел. Значительное изменение в строении металлы претерпевают при нагревании их до температуры кипения, когда они могут переходить в парообразное состояние, причем стройный порядок расположения молекул и атомов нарушается. Технические металлы обычно имеют большую разницу между температурами плавления и кипения. Например, железо плавится при 1535°С, а кипит при температуре 3000°С. Температура заливки низкоуглеродистой стали составляет 1600-1650°С. Медь плавится при температуре 1084°С, кипит при 2310°С, а заливка меди и медных сплавов находится в пределах 1000-1250 °С. По мере нагревания металла тепловое расширение приводит к такому увеличению расстояний между атомами, при котором устойчивость кристаллической решетки нарушается и металл из твердого состояния переходит в жидкое, характеризующееся определенной вязкостью и жидкотекучестью. Понятие о вязкости металлов – вязкость или, внутренние трение сопротивление, испытываемое средой при движении одних ее частиц относительно других. Коэффициент динамической вязкости представляет собой силу (в динах), которую надо приложить к 1 см2 элементарной площадки внутри движущейся жидкости для сообщения ей скорости 1 см/сек относительно другой, параллельной ей площадки, отстоящей от нее на 1 см. Увеличение динамической вязкости замедляет скорость движения металла в форме. Значение динамической вязкости жидкого металла в литейном производстве приобретает особое значение при заполнении сложных форм и получении отливок хорошего качества. На вязкость металла оказывает влияние не только его строение в жидком состоянии, но и наличие в жидкости твердых неметаллических включений, газов и т. п. Для характеристики металла, движущегося в каналах, пользуются 𝑛 величиной v = см2/сек, которую называют кинематической вязкостью. 𝑑 Поток жидкости, движущейся в канале, сохраняет ламинарный характер движения до тех пор, пока скорость его движения не будет выше критической, определяемой из гидродинамики критическим значением числа Рейнольдса: Rе кр = 𝑣 кр 𝐷/𝛾, где Re- число Рейнольдса (безразмерное); D - диаметр канала, см; Vкp - критическая скорость движения, см/сек; γ- кинематическая вязкость, см2/сек. При течении жидкости в канале с диаметром D критическая скорость vкр до перехода из ламинарного в турбулентный поток может быть тем более высокой, чем больше кинематическая вязкость. В соответствующих расчетах потоков необходимо считаться с тем, что величины вязкости меняются при заполнении литейной формы, так как изменяется температура металла. Динамическая вязкость оказывает большое влияние на всплывание газовых и неметаллических включений, находящихся в жидком металле. Скорость всплывания неметаллических включений и газов в жидком металле определяется формулой: V= 2 9 1 𝑞 𝑟 2 (dм–dвкл) см/сек, ղ где v - скорость всплывания включений, см/сек; g - ускорение, см/сек2; ղ - динамическая вязкость, г/см∙сек; r - радиус включений, см dм, dвкл - плотность металла и включений, г/см3. Понижение вязкости металла и сплавов практически достигается повышением температуры нагрева жидкого металла или введением в его состав дополнительных элементов. Понятие о поверхностном натяжении. Следующей важной характеристикой жидкого металла является поверхностное натяжение. Поверхностный слой расплавленного металла отличается по своим свойствам от основной массы. Частички (молекулы), находящиеся на поверхности жидкого металла, испытывают одностороннее притяжение внутренних частиц. Это явление может быть представлено графически (рисунок 13). Внутримолекулярные силы уравновешены окружающей средой (рисунок 2.2, а), и молекулы никакой избыточной энергии не имеют. Молекулы, находящиеся на поверхности, не могут уравновешиваться, так как они не находятся в однородной среде (рисунок 14, б). В силу этого на поверхности расплавленного металла образуется как бы тонкая пленка, которая сжимает металл. Чтобы увеличить поверхность расплавленного металла, необходимо совершить работу, преодолевающую молекулярную силу. Работу, необходимую для образования 1 см2 новой поверхности расплавленного металла, называют поверхностным натяжением; размерность поверхностного натяжения эрг/см2, или дн/см. Запас избытка энергии частиц, затрачиваемой на единицу поверхности, называют поверхностной энергией. Поверхностное 𝑑𝜎 натяжение ϭ связано с поверхностной энергией формулой ϭ=F-Т и зависит 𝑑𝑇 от температуры. Кроме того, величина поверхностного натяжения зависит от природы самой жидкости и от среды, с которой граничит поверхность жидкого металла. Поверхностное натяжение жидкого металла имеет большое значение: изменяя его, можно воздействовать на заполнение литейной формы и на чистоту поверхности получаемой детали. Рисунок 13 - Схема действия поверхностного натяжения а – не смачивается; б – смачивается Рисунок 14 – Схематическое изображение условий смачиваемости твердого тела жидким металлом, а – не смачивается; б - смачивается Металлы и сплавы с повышенным поверхностным натяжением не смачивают поверхности формы (рисунок 14, а), дают чистую поверхность отливки. Но для того, чтобы такой жидкий металл заполнял форму, необходимо преодолевать противодавление поверхностного натяжения: р = 2σ/r cos г /см 2 , где р — сила; ϭ — поверхностное натяжение; г — радиус канала, в котором движется жидкость; а - угол, образуемый металлом и формой (угол смачивания). Сплавы с малым поверхностным натяжением [а <90°] смачивают поверхность твердого тела и оказывают незначительное сопротивление при течении металлов по каналам. Смачивание поверхности приводит к получению более четкого рельефа отливки, но зато может получиться весьма прочное соединение металла с материалом формы за счет диффузии, молекулярного сцепления или механического проникновения металла в поры формы. Величина поверхностного натяжения меняется в зависимости от состава и температуры жидкого металла. ЛЕКЦИЯ 1.5 ТЕМА: ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВА Важнейшими литейными свойствами сплавов являются: высокая жидкотекучесть расплава, небольшая усадка при затвердевании и охлаждении отливки, небольшая склонности к образованию литейных напряжений, кристаллическое строение (структура) и незначительная ликвация. Усадка - уменьшение объема и линейных размеров литой заготовки в процессе ее формирования, а также охлаждения с температуры заливки до температуры окружающей среды. Усадка является одним из важнейших литейных свойств сплавов. Виды усадки. Для оценки усадки используют понятия: относительная усадка и коэффициент усадки в интервале температур. В зависимости от агрегатного состояния сплава различают усадку в жидком, твердожидком и твердом состояниях. Полная усадка является суммой этих трех слагаемых. Основу усадки составляет термическое сжатие, которое увеличивается или уменьшается в результате фазовых превращений и изменения растворимости газов. У ряда сплавов вблизи от температуры ликвидуса наблюдается увеличение объема, называемое предусадочным расширением. Усадка зависит от химического состава. Так в алюминиевых сплавах повышенное содержание кремния уменьшает усадку, магний и медь, наоборот увеличивают усадку этих сплавов. Для характеристики усадки на различных этапах формирования отливки используют следующие способы ее оценки. Объемная усадка – относительное изменение объема сплава – используется для характеристики изменения в жидком или твердожидком состоянии, а также для полного изменения объема. Линейная усадка - оценивает относительное изменение размеров отливки с момента перехода ее в твердое или твердожидкое состояние с разрозненными включениями жидкой фазы и твердой наружной коркой. Литейная усадка – относительная (в процентах) разность линейных размеров модели и отливки Она оценивает полное изменение размеров отливки и поэтому наиболее удобна для использования в технологических расчетах и операциях. Литейная усадка зависит не только от свойств и состояния сплава, но также от конструкции отливки и формы, от технологических условий литья и других факторов. В связи с торможением усадочного процесса формой (для фасонных отливок) необходимо различать свободную и затрудненную усадку, которые численно не совпадают. Общее уменьшение объема сплава в процессе усадки отливки дают три составляющие - наружная усадка, усадочная раковина и пористость. Наружная усадка - изменение наружных размеров и объема. Именно этот вид усадки оценивается характеристикой Е лит. Усадочная раковина – полость в теле отливки или прибыльной части, образующаяся вследствие некомпенсированной объемной усадки при затвердевании. Различают внутренние раковины; образующиеся обычно в тепловых узлах, и наружную раковину, которая может быть открытой или закрытой (т.е. под коркой металла). Размер усадочной раковины зависит от усадочных свойств сплава, условий формирования отливки и технологических условий литья. в междуосных пространствах дендритов, в условиях отсутствия питания жидким расплавом. Усадочная пористость – скопление мелких пустот, возникающих в изолированных микрообъемах отливки, обычно различают рассеянную пористость, распределенную более или менее равномерно по всему объему отливки, и зональную пористость, сосредоточенную в осевых частях, в тепловых узлах и других частях отливки. Формирование пористости при затвердевании отливки идет параллельно с процессом выделения газов, которые заполняют поры и могут создавать в них значительное давление. В связи с этим в реальных условиях пористость в большинстве случаев имеет газоусадочный характер. Развитие усадочных дефектов и их, распределение в отливке зависят от взаимодействия факторов, отражающих усадочные свойства сплава, а также тепловые и кинетические условия формирования отливки. Склонность сплава к образованию усадочных дефектов (раковин и пористости) определяется на технологических пробах – небольших отливках, имеющих форму усеченного конуса или шара. Конфигурация и размеры проб ГОСТом не регламентируются. Линейная усадка цветных металлов и сплавов определяется согласно ГОСТ 16817 путем отливки пробы в сухую песчаную или металлическую (полукокильную) форму. Проба представляет собой призматический образец сечением 25 х 25 мм и длиной 130 мм с выемками с обоих концов. В результате усадки при затвердевании образец перемещает подвижную часть формы, что фиксируется стрелочным индикатором. Линейная усадка большинства сплавов колеблется в пределах 0,7 – 2,2 %: углеродистой стали 1,2 – 2,2 %, серого чугуна 0,7 – 1,3 %, силумина 1 – 1,2 %, магниевых сплавов 1 – 1,6%, бронзы 1 – 1,5 % (таблица 14). Таблица 14 – Примерные значения линейной усадки сплавов Сплав Алюминиево-кремниевый Алюминиево-магниевый Усадка, % Свободная 0,9 – 1,3 1,3 – 1,5 Затруднённая 0,8 – 1,1 1,1 – 1,2 Образование усадки. Исследованиями А.А. Бочвара установлено, что в сплавах, кристаллизующихся в интервале температур, линейная усадка проявляется после образования в отливке твердого кристаллического скелета когда, несмотря на наличие остаточного количества жидкости, в целом отливка ведет себя как твердое тело. В зависимости от формы первичных кристаллов, степени развития и разветвленности дендритов количество твердой фазы, при котором формируется твердый скелет, колеблется в очень широких пределах – от 20 до 80 % от общего объема сплава. Технологические факторы особенно сильно влияют на усадочные процессы в широко - интервальных сплавах, склонных к объемному затвердеванию. В отливках из таких сплавов соотношение между объёмом пор и усадочной раковиной может изменяться в очень широких пределах. В связи с этим все зависимости усадочных и других литейных свойств от положения сплава на диаграмме состояния справедливы только в условиях постоянства технологических факторов. В противном случае будут оцениваться не усадочные свойства сплавов, а влияние условий формирования отливки. В практике литейного производства при анализе причин брака и разработке технологических процессов необходимо учитывать весь комплекс условий – и технологические факторы, и усадочные характеристики сплавов. На рисунке 15 приведена конструкция металлической (полукокильной) формы для измерения линейной усадки. Рисунок 15 – Конструкция и размеры металлической (полукокильной) формы для измерения линейной усадки. Жидкотекучесть — способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки. Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств литейной формы и т. д. Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре (эвтектические сплавы), обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, образующие твердые растворы и затвердевающие в интервале температур. Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается и тем больше, чем тоньше канал в литейной форме, с повышением температуры заливки расплавленного металла и температуры формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму, которая интенсивно охлаждает расплав. 1, 2 — нижняя и верхняя полуформы; 3 — заливочная чаша; 4 — графитовая пробка Рисунок 16 – Спиральная проба (а) и литейная форма (б) для определения жидкотекучести сплавов Жидкотекучесть литейных сплавов определяют путем заливки специальных технологических проб (рис. 10). Расплавленный металл заливают в чашу, отверстие в которой закрыто графитовой пробкой. После подъема пробки металл сначала сливается в зумпф, а затем плавно заполняет спираль. За меру жидкотекучести принимают длину заполненной части спирали, измеряемую в миллиметрах. Наибольшей жидкотекучестью обладает серый чугун, наименьшей — магниевые сплавы (таблица 15, 16). Таблица 15 – Сравнительная жидкотекучесть литейных сплавов Степень жидкотекучести Сплав Высокая Сплав алюминия с кремнием, кремнистая латунь, цинковый сплав Средняя Сплав алюминия с медью и магнием, оловянная бронза, лутунь (кроме кремнистой) Низкая Магниевый сплав Таблица 16 – Сравнительная жидкотекучесть литейных сплавов Сплав Содержание водорода, см3 / 100 г Жидкотекучесть, мм АК5М2 0,28 265 АК7 - 295 АК12 0,2 365 АК5М4 0,28 240 АК5М4 0,18 280 АК5М4 0,10 300 Al – 15 % Si - 0,3 % Fe Линейная усадка 1,55 % 94 Al – 15 % Si – 1,15 % Fe Линейная усадка 2,32 % 137 Al – 15 % Si – 2,0 % Fe Линейная усадка 2,20 % 115 Литейные напряжения Под литейными напряжениями подразумевают такие напряжения, которые вызваны в отливке неравномерной усадкой, неодинаковым охлаждением её отдельных частей и изменением кристаллической структуры сплава. Практически всегда в разной степени возникает препятствие к усадке, что приводит к неравномерной усадке в разных частях отливки. Помимо этого, процесс охлаждения отдельных частей отливки происходит неодинаково: вначале быстро охлаждаются тонкие части, а затем медленно толстые. Тонкие части отводят тепло от толстых частей и тем самым ускоряют их охлаждение. И как следствие, между отдельными частями отливки при их неравномерном охлаждении возникают напряжения. В некоторых сплавах в процессе охлаждения изменяется структура и размеры отдельных кристаллов, что вызывает уменьшение или увеличение объёма отливок. Эти изменения совершаются в разное время. Литейные напряжения могут привести к образованию в отливках горячих и холодных трещин, к короблению отливок. Алюминиево-кремниевые сплавы наряду с высокими жидкотекучестью и герметичностью не склонны к образованию горячих трещин, а алюминиевомедные склонны. Большую склонность к образованию горячих трещин имеют некоторые магниевые сплавы. Горячие трещины в отливках возникают при высоких температурах (близких к температуре плавления) вследствие того, что сплавы при таких температурах обладают низкими механическими свойствами и достаточно небольшого препятствия усадке, чтобы в отливке образовались горячие трещины. Такие трещины имеют тёмную окисленную поверхность. Для уменьшения склонности сплавов к образованию горячих трещин необходимо: - увеличит жидкотекучесть сплава; - уменьшить содержание вредных примесей, газовых и шлаковых включений; - уменьшить скорость охлаждения отливки. Предотвращение горячих трещин достигается устранением препятствий к усадке, оказываемое выступающими частями формы и стержнями, благоприятной конструкции отливки с равномерными сечениями и плавными переходами от толстых стенок к тонким, заливкой толстостенных отливок при пониженной температуре расплава и меньшей скорости. Холодные трещины образуются при сравнительно низких температурах и отличаются от горячих меньшей шириной и чистой неокисленной поверхностью. Сплавы с высокими упругими свойствами, значительной усадкой при пониженных температурах и большими изменениями объёма обладают повышенной склонностью к образованию холодных трещин. При конструировании отливок из сплавов цветных металлов следует создавать равномерные сечения без резких переходов в них, а так же обеспечивать медленное охлаждение отливок после их затвердевания. Необходимо учесть, что в отливках, особенно больших габаритных размеров, после их охлаждения остаются литейные напряжения, которые при эксплуатации деталей могут вызвать коробления. Напряжения в таких отливках устраняются термической обработкой, заключающейся в медленном нагреве отливок в печи до определённой температуры и последующем медленном охлаждении. Ликвация Неоднородность по химическому составу в отдельных частях литой заготовки называют ликвацией. Её можно наблюдать при значительной разнице в плотности составляющих сплава. Обычно ликвация характеризуется тем, что отдельные составляющие сплава вследствие неодинаковой плотности и различных температур затвердевания отделяются от основной массы сплава, как в жидком состоянии, так и при его затвердевании. Ликвация усиливается при повышенном содержании ликвирующих компонентов, а также при увеличении размеров и объёма отливки, уменьшается при снижении температуры и скорости заливки. Основной причиной ликвации является то, что при затвердевании сплава твердая и жидкая фазы имеют различный состав в результате избирательного затвердевания. Неравномерное распределение компонентов сплава по сечению отливок ухудшает их качество и часто служит причиной поломки деталей. Различают два вида ликвации: внутрикристаллическую и зональную. зональная ликвация особенно развита в толстостенных массивных отливках, которые медленно охлаждаются в формах. Внутрикристаллическая ликвация характерна для фасонных отливок, изготовляемых из сплавов, образующих твердые растворы. В практических условиях в большинстве случаев скорость затвердевания отливки превышает скорость диффузии, которая необходима для выравнивания химического состава. Последнее является основной причиной развития внутрикристаллической ликвации в отливках из сплавов, образующих твердые растворы. Поэтому чем быстрее охлаждается отливка из таких сплавов, тем больше будет развита внутрикристаллическая ликвация, и чем медленнее охлаждается отливка, тем более однородным получится состав кристаллита. На схеме (рисунок 17) условно показан процесс затвердевания сплава, представляющего собой твердый раствор. В точке α должен образоваться твердый кристалл, в котором содержание компонента А должно соответствовать линии 1. Рисунок 17 – Схема дендритной ликвации Но для того, чтобы состав, соответствующий линии I, затвердел в точке а, нужно иметь переохлаждение до точки б, так как затвердевание начинается с этой точки, в которой состав первых кристаллов содержит количество компонента А, соответствующее линии 2. Соответственно этому изменяется состав жидкой фазы: вместо состава, а будет состав б, т. е. произойдет обогащение жидкой фазы компонентом В. При понижении температуры эти процессы протекают непрерывно в зависимости от времени. Чем быстрее будет происходить затвердевание, тем большими будут переходы от а к б и от б к в и т. д. и тем большей будет внутрикристаллическая ликвация. При медленном охлаждении эти переходы будут малы и внутрикристаллическая ликвация будет иметь незначительное развитие. Равномерный состав отливки будет зависеть от скорости роста и образования кристаллитов в жидком сплаве в период затвердевания. Внутрикристаллическую ликвацию в отливках из сплавов типа твердых растворов можно уменьшить путем термической обработки. Отливки в этом случае подвергаются отжигу при возможно более высокой температуре и длительной выдержке. Зональная ликвация при больших скоростях охлаждения отливок получает весьма малое развитие. Поэтому в тонкостенных отливках, которые быстро охлаждаются, она слабо развита. Зональная ликвация в отливках обнаруживается как в поперечном, так и в продольном направлении, в зависимости от расположения отливки в форме.