Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

Ж е л е зо и алюминий образуют химическое соединение

FeAl3, которое с ним дает эвтектику, содержащую около

1,82% Fe. Диаграмма состояния А1 Fe приведена на рис. 5.

Растворимость железа в твердом алюминии при температуре

эвтектики 655° С составляет около 0,05% и при 400° С 0,003

0,005% Таким образом, уже при ничтожных содержаниях же

леза >0,05% по границам зерен алюминия появляется эвтек

тика, состоящая из алюминия и иглообразных кристаллов сое

динения FeAl3 (рис. 3 атласа)

37,5%

Рис. 5. Диаграмма состояния А1 Fe

Соединение FeAl3 хрупкое и снижает пластичность алюми

ния.

Кремний , так же как железо, с алюминием образует диаг

рамму состояния эвтектического типа (рис. 6)

Растворимость кремния в алюминии при эвтектической тем

пературе составляет 1,65%, при комнатной температуре 0,05%

При содержании кремния выше 0,05% в структуре алюминия по

границам зерен появляются выделения хрупкого кремния в ви

де иглообразных кристаллов, подобно железосодержащей фазе.

В технических сортах алюминия железо и кремний как при

меси присутствуют одновременно. Поэтому их влияние на струк

туру можно правильно оценить, пользуясь тройной диаграммой

состояния А1 Fe Si.

На рис. 7 показана проекция поверхностей ликвидуса этой

системы. Согласно рис. 7, из жидкости в зависимости от содер

«57, % (атомн.)

Рис. 6. Диаграмма состояния А1 Si

Si, %

Рис. 7 Проекция поверхностей ликвидуса системы А1 Fe Si

жания кремния и железа могут выпадать кристаллы алюминия

вернее, твердого раствора кремния и железа в алюминии ,

двойного химического соединения FeAl3 и два тройных соедине

ния, обозначенные a (AlFeSi) и р (AlFeSi Фаза a (AlFeSi)

может непосредственно кристаллизоваться из жидкости при

больших содержаниях железа и кремния или образовываться

по перитектической реакции.

630°С

L + FeAl3~ — a (AlFeSi).

Эта фаза выделяется обычно в форме скелетообразных кри

сталлов и имеет тетрагональную решетку с периодами а = b =

= 6,0А и с = 9,46 А.

Фаза р (AlFeSi) образуется также по перитектической реак

ции

L + a (AlFeSi) р (AlFeSi)

или выделяется непосредственно из жидкости в форме пластин

и иглообразных кристаллов. Фаза р AlFeSi) имеет ромбиче-

о о

скую решетку с периодами а = Ь = 6 А, с = 43,4 А.

При малых концентрациях примесей кремния и железа как

это имеет место в техническом алюминии) по границам зерен

алюминия образуются иглообразные кристаллы FeAl3 (см.

рис. 3 атласа), которые выделяются из расплава как составля

ющие эвтектики а Al) + FeAl3.

Кристаллизация таких сплавов (например, сплава 1 на

рис. 7) протекает в две стадии.

1-ая стадия: L - —>a(A\ + L0CT.(rt),

2-ая стадия: ЦП)--^эвт [а(А1 +FeAl3].

При определенных соотношениях между железом и кремнием

(например, сплав 2 на рис. 7) может образоваться эвтектика

а А1) + а AlFeS Такая эвтектика, имеющая скелетообразное

строение, показана на рис. 4 атласа.

Все указанные железосодержащие фазы снижают пластич

ность алюминия.

Вредное влияние железа можно в значительной степени па

рализовать введением небольших добавок марганца, хрома и

других металлов. Подробно эти вопросы будут рассмотрены

ниже.

Технический алюминий имеет малую прочность, но высокую

пластичность. Ввиду низкой прочности применение алюминия

как конструкционного материала ограничено.

Прокатанный и отожженный алюминий имеет- оь = 8-*-

10 кГ мм2, сг0 2 = З-т-4 кГ мм2, НВ = 2530 кГ/мм2, б = 35ч-

4-40% ф = 80%

Примеси железа, кремния и некоторых других металлов не

сколько повышают предел прочности и твердость алюминия, но

снижают его пластичность. Изменение механических свойств

алюминия различной чистоты в зависимости от степени дефор

мации и температуры отжига показано на рис. 8 и 9 [1].

Как следует из кривых, даже при максимальных степенях

деформации (около 70%) удается довести прочность алюминия

лишь до 16—20 кГ мм2 Однако он сильно разупрочняется с по

вышением температуры (рис. 10

Алюминий имеет высокую теплопроводность и электропро

водность. Электропроводность чистого алюминия составляет

60% от электропроводности меди, что обеспечивает алюминию

при его малом удельном весе широкое применение в электро

технике в качестве проводникового материала.

0 10 20 30 ЬО 50 6070

Степень йефорпации %

Рис. 8. Изменение меха

нических свойств алюми

ния марок А1(99,5% А1

и А2(99,0% А1) в зависи

мости от степени дефор

мации [1]

О 100 200300М 500ООО

Темпесатпоа от mu га X

Рис. 9. Изменение меха

нических свойств алюми

ниевых марок А1(99,5%

А1) и А2(99,0% А1) в за

висимости от температу

ры отжига [1]

J 200 Ш 600

Температурах

Рис. 10. Изменение меха

нических свойств алюми

ния (99,57% А1, 0,22% Si,

0,21% Fe при высоких

температурах

Электропроводность и теплопроводность алюминия понижа

ются при легировании его различными металлами. Наиболее

резко снижают электропроводность алюминия добавки марган

ца, хрома и ванадия, затем серебра и магния и в меньшей сте

пени железа, кремния, никеля и меди. Влияние некоторых при

месей на электропроводность алюминия показано на рис. 11

[5]. На рис. 12 показано влияние некоторых металлов на тепло

проводность алюминия.

Алюминий характеризуется большой химической стойкостью

на воздухе и в некоторых средах.

Повышенная коррозионная устойчивость алюминия объясня

ется образованием на его поверхности тонкой, но достаточно

плотной защитной окисной пленки.

Высокая коррозионная стойкость алюминия обеспечивает

широкое его применение в химическом аппаратостроении, в бы

ту и других областях.

Как уже указывалось, чистый алюминий имеет низкую проч

ность (стб = 8-ИО кГ/мм2), поэтому применение его как конст

рукционного материала в технике ограничено.

Алюминий можно значительно упрочнить введением в него

различных легирующих компонентов и получить сплавы с необ

ходимыми прочностными характеристиками. Наиболее распрост

раненными легирующими присадками являются медь, магний,

цинк, марганец, кремний, хром и др.

Упрочнение сплавов достигается за счет образования твер

дых растворов на основе алюминия, а также различных метал

лических соединений. Взаимодействие алюминия с различными

О / 2 3 4 5

Содержание добавок

% (по пассе)

Рис. 11 Влияние приме

сей на электропроводи

мость алюминия

/ г з 4 5

Содержание

добавок, % (по м ассе)

Рис. 12. Влияние некото

рых легирующих доба

вок на теплопроводность

алюминия

элементами показано на диаграммах состояния (см. приложе

ние III

Ниже рассматриваются важнейшие группы промышленных

алюминиевых сплавов.

§ 2. СПЛАВЫ АЛЮМИНИЯ

Применяющиеся в технике алюминиевые сплавы делятся на

две основные группы литейные и деформируемые. Сплавы пер

вой группы применяются для получения различных отливок

Сплавы второй группы используются для изготовления дефор

мируемых полуфабрикатов (поковок, лент, листов, труб, прут

ков, профилей и т д.

Ниже рассмотрены структура и свойства наиболее распрост

раненных литейных и деформируемых промышленных алюмини

евых сплавов.

1. Литейные сплавы

Теоретические основы создания литейных сплавов рассмотре

ны в работах [6—8].

Состав важнейших промышленных литейных сплавов и их

условная классификация приведены в табл. 2.

Небольшие добавки марганца, присутствующие почти во всех

литейных сплавах, вводятся для подавления вредного влияния

примесей железа, а также для повышения механических и кор

розионных свойств сплавов.

Железо и кремний являются обычными примесями в алюми

нии. В некоторые сплавы железо вводят в больших количествах

для получения особых свойств жаропрочности и др

Литейные алюминиевые сплавы отличаются большим разно

образием структур Отдельные структурные составляющие этих

сплавов различают под микроскопом по характерной кристал

лической форме, их цвету и изменению цвета под действием

различных травителей.

Рекомендуемые травители, их назначение, режимы травле

ния шлифов и воздействие их на отдельные структурные элемен

ты сплавов указаны в приложении I и II Эти же травители

применяют для выявления структурных составляющих в дефор

мируемых алюминиевых сплавах.

Наиболее распространенным травителем алюминиевых спла

вов является 0,5— 1% ный водный раствор плавиковой кислоты.

Этот травитель, за исключением отдельных случаев, применялся

нами для выявления микроструктуры всех алюминиевых спла

вов, приведенных в атласе.

Большинство литейных сплавов подвергается термической

обработке. Режимы термической обработки для различных спла

вов приведены в табл. 3.

В дальнейшем для краткости в тексте указаны ссылки на эти

режимы (в соответствии с их условными обозначениями без

подробной расшифровки самих режимов.

Механические свойства сплавов для различных условий

литья и термической обработки даны в табл. 4—6.

В табл. 7 и 8 приведены некоторые физические и технологи

ческие свойства наиболее важных литейных сплавов.

Сплавы алюминия с кремнием

Сплавы алюминия с кремнием, известные под названием

силумины, являются весьма распространенными литейными

алюминиевыми сплавами.

Микроструктура силуминов различного состава показана на

рис. 5 атласа, где на фоне игольчатой эвтектики a -f Si видны

кристаллы первичных выделений a-твердого раствора или |3 Si)

в зависимости от положения сплавов относительно эвтектиче

ского состава.

Силумины с грубоигольчатой эвтектикой вследствие большой

хрупкости кремния характеризуются невысокими механическими

свойствами оь — 13-5-14 кГ/мм2, б = 1^-2%) и пониженными ли

тейными и коррозионными свойствами.

Таблица 2

Состав алюминиевых литейных сплавов [9]

Группа

Система Марка

Основные компоненты, %

Примеси, %, не более

Си

Мп

прочие ком

поненты

Si Mg

Си

Sn Ni

сумма

приме

сей

1 A l— Si

АЛ 2

10—13

Осн.

0 8 1 0 1 5

0 5

0 8 0 3

2 2

4 5—6 »

0 6

— —

0 2 0 1

0 9

2 Al—Si—Mg

АЛ4

8 - 0 17-

0,25-

0 15Т i

0 6

0 9

1 2

0 3 0 3

0 01

1 1

10 5 0.3

0 5

АЛ4В

8-11

0,2—

0 ,2 -

0,9

1 2

1 5

—

1 0 0 5

0 01

0 3

2 6

0 4

АЛ9

6-8

0.2— »

0,6 1

1 5

0 5

0 2 0 3

0 01

1 0

0 4

АЛ9В 6- 8

0,2—

1 1

1 2

—

0 6

1 5 0 3 0 3

0 5

А 1— Si—Си

АЛ 15В 3-5

со

сл

0 .2 -

1 2

1 3

0 5

4 0

0 6

A l— Si—Mg— Си АЛЗ

4—6

0 ,2 -

1 5—

0,2—

1 0

1 2

1 5

—

0 3

0 01

1 3

0,8 3,5

0 8

АЛЗВ

4—6 0 ,2 -

1,5—

0,2—

1 1

—

___

0 5

0 5 2 0

0,8

3,5 0 8

АЛ 5

4 5

0 35

1 ° Г

0 6

1 5

—

0,5 0 3

0 I

1 0

АЛ 10В 4-6 0,2—

5-8

1 2

1 5

0 5

0 6

0 5

2 5

0,5

АЛ 14В

6-8 0,2—

1,5-3

—

0,2—

—

1,1

1,5

— — —

0,5 0,3

1.8

0 6

Al—Си

АЛ 7 4- 5 1

—

1,2

0 03

—

0 3

2 2

АЛ7В

— —

3-5

— —

— »

1,1

1,3

—

1,5

0,3

0,5 —

0.5

0 3

4 0

A l—Mg АЛ8 9,5-

До 0,1

До 0,07Ве

0,3

—

0,3

ОЛ

0.3

0,1

1,1

11 5 » 0 07Ti

Продолжение табл. 2

Основные компоненты, %

Примеси, не более

СС

Система

Марка

Си

прочие ком

Mg Mn Cu

CO <v

Z Z

е.

L-

поненты

3 1

1 Д

>■> O* (U

и с u

Ai—Mg—Si

АЛ 13

0,8- 4,5-

0,1 - До 0,03- Осн.

0 5

0 1 0 2

0 6

1,3

5,5

0 4

0,05Ве

АЛ22 0,8- 10,5— 0,01—0,05Ti

0 5

—

0 1 0 6

1,2

Al—Mg—Cu— АЛ1 1,25- 3,75-

1 75—2,25N4

0 8 0 8

0 7

0 3

I 5

1 75

4 5

АЛ 21

0,8 -

1,3

4 6-6

0,15—

0,25

2,6—3,6N:i и

0,1—0,25Сг

0 6

—

0 5

0 3

1 4

Al—Si—Си-

Mg—Ni

АЛ‘20 1 5-2

0 7—

3,6 -

4,5

0 15—

0 3

1,3—l,5Fe,

0,15—0,25Cr,

0,05-0. H i

0 8

0 5

0 1

0,2C

1 2

АЛ25

11 13 0 8—

1 5-3

0.3-

0,8—l,3Ni,

— —

0 6

АЛ 30

11— 13 0,8-

1.3

0,8—

1 5

0,8—I,3NTi,

0,2—Ti

—

0 7

—

0 2

I 2

Al—Si—Zn АЛ 11 6-8

0,1—

0 3

10-14

0,8

1 2

—

0.5

0 6

I 8

АЛ 16 В 3-5

2-4

2—4

0,2- »

1 1 I 2

0 3

I 7

0 5

Ai—Si — Zn—Cu

АЛ 17В 3-5

1,5-

3 5

1,5-

3,5

0.2 -

0,6

1 1

1,2

—

0 3

I 7

АЛ 19

—

4.5-

—

0,6 -

0,25—0.45Ti

0,3 0 3

0 05 I 1

5,3 1,0

13 Al— Cu—M n-

<АЛ18В

1,5—

7,5—

0 3- I — l,8Fe

— —

0 3

0 8

0 5 0 5

I 7

Fe-Si

2 5 9 5 0.8

Al—Zn—Mg.

АЛ 24 1.5-2

3,5-

0,2—

0,1—0,2Ti

0 5

—

0 3 0 2

I 0

(ВАЛ1) 4 5

0 3 0.1-0,1 Be

Примечания. 1 В обозначении марок буква В указывает что этлизки изгогозляюгся из литейных вторичных алюминиевых сплавов в чушка*

2. Буквы указывают способ литья: 3 — в землю, К — в кокиль, Д — под давлением

КИПЫ 1Ц>1111‘1|Л.яоИ J p a J ik il dill I *»«£вы/

Закалка

Отжиг или отпуск

Марка

сплава

Условное

обозначе

ние термо

обработки

температура

нагрева, °С

выдержка

не менее, ч

охлаждающая

среда

темпера

тура на

грева,

°С

выдер

жка не

менее,

охлаж

дающая

среда

Характеристика и услози?. работы деталей

АЛ1

АЛЗ

Т5

Т1

Т2

515±5 2—4 Вода 100э С 220±10

180±5

290 ±10

2—4

2-4

Воздух

Детали средней нагруженности

Детали небольшой нагруженности

Детали, для которых требуется сохране

ние постоянства размеров

Т5

525-2 4—6

Вода

50-100° С

180±5

Крупные детали средней нагруженности

Т7

5254; 5

4-6 То же 230±5

>- Детали, работающие при повышенных тем-

Т 8

500±5 5-6

» » 3304:5 3

пературах

Мелкие детали, требующие повышенной

пластичности при высоком содержании в спла

ве магния

АЛ4

АЛ5

Тб

Т1

5354-5

2-6

» »

1754-5

180±5

Крупные детали большой нагруженности

Детали средней нагруженности

Т5

525±5

3—5 Вода 100° С 180±5

Крупные детали большой нагруженности

Т7

525 ±5

То же 230±5

Детали, работающие при повышенных тем

пературах

АЛ 7

Т4

Т5

515±5

10-15

10—15

» »

150±5

2—4

Детали, требующие повышенной пластич

ности

Детали, требующие повышенного предела

текучести и повышенной твердости

АЛ8

Т4 435+5

15-20

Вода

50-100° С

или масло

Детали отливок с резкими переходами в

сечениях (закалка в масле)

Продолжение табл. 3

Закалка Отжиг или отпуск

Условное

Марка

сплава

обозначе

ние термо температура

выдержка

охлаждающая

темпера

тура на

выдер

жка не

охлаж

Характеристика и условия работы деталей

обработки нагрева, °С

не менее, ч

среда

грева,

менее,

дающая

°С

среда

АЛ9

Т4

5354;5

2—8 (литье

в землю)

2—6 (литье

в кокиль)

Вода

50-100° С

Детали, требующие повышенного предела

прочности и твердости

АЛ 19

Т4 Ступенчатый

нагрев с

535±5° С до

545° С 1—3 ч

и выдержка

545° С

5-7

Вода

60—80° С

Для повышения прочности

Т5 То же

5—7

То же 175

Воздух

Для повышения прочности

АЛ20

Т2

—

250

Для деталей сложной конфигурации

Т5

5154-.5

3-5

Вода

80—100° С

250

» Для деталей, несущих повышенные на

грузки

АЛ21 Т2

300

5-10

Для деталей сложной конфигурации, рабо

тающих при 300—350° С

Т5

Ступенчатый

500

Вода

80-100° С

300

3-5 Для деталей, работающих при больших на

грузках

525

4-10

300 3—5 Для деталей сложной конфигурации

Т5 535±5 2—8 (литье

Вода

150± Ю

1-3

—

в землю)

50-100° С

АЛ22

Т4 4304-5

2—6 (литье

е кокиль)

15-20, 8-10

(литье в кокиль

под давлением)

То же

Детали, требующие повышенной коррози-

онной стойкости

Примечания: 1 Длительность выдержки указана без учета времени нагрева до температуры.

2. Условные обозначения режимов термической обработки: Т1 — старение; T2—-отжиг; Т4 — закалка; То— закалка и частичное старение; Тб —за

калка и полное старение до наибольшей твердости; Т7 — закалка и стабилизирующий отпуск; Т8 — закалка и смягчающий отпуск.

____________________