Сплавы для ковки и штамповки
Сплавы для ковки и штамповки (АК2, АК4, АК6, АК8) относятся к системе Алюминий + Медь + Магний с добавками кремния.
Сплавы применяют после закалки и старения для изготовления средненагруженных деталей сложной формы (АК6) и высоконагруженных штампованных деталей – поршни, лопасти винтов, крыльчатки насосов и др.
Литейные сплавы.
Для изготовления деталей методом литья применяют алюминиевые сплавы систем Al-Si, Al-Cu, Al-Mg. Для улучшения механических свойств сплавы легируют титаном, бором, ванадием. Главным достоинством литейных сплавов является высокая жидкотекучесть, небольшая усадка, хорошие механические свойства.
4. Классификация сплавов.
1. Алюминиево-магниевые сплавы.
Сплавы системы Al-Mg характеризуются хорошей прочностью, хорошей пластичностью, очень хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью. Кроме того, эти сплавы отличаются высокой прочностью. В сплавах этой системы, содержащих до 6 % Mg, образуется эвтектическая система с атомным составом Al3Mg2 c твердым раствором магния в алюминии. Наиболее широкое распространение в промышленности получили сплавы с содержанием магния от 1 до 5 %. Рост содержания магния в сплаве существенно увеличивает его прочность. Увеличение концентрации магния на каждый процент содержания повышает предел прочности сплава на 30 МПа, а предел текучести — на 20 МПа. При этом относительное удлинение уменьшается незначительно и находится в пределах 30—35 %. Сплавы с содержанием магния до 3 % (по массе) не изменяют кристаллическую структуру при комнатной и повышенной температуре, даже в существенно нагартованном состоянии. С ростом концентрации магния в сплаве, в нагартованном состоянии механическая структура сплава становится нестабильной. Кроме того, увеличение содержания магния свыше 6 % приводит к ухудшению коррозионной стойкости сплава. Для улучшения прочностных характеристик сплавы системы Al—Mg легируют хромом, марганцем, титаном, кремнием или ванадием. Примеси в сплавы этой системы меди и железа нежелательны, поскольку они снижают их коррозионную стойкость и свариваемость.
2. Алюминиево-марганцевые сплавы.
Сплавы этой системы обладают хорошей прочностью, пластичностью и технологичностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. Основными примесями в сплавах системы Al—Mn являются железо и кремний. Оба этих элемента уменьшают растворимость марганца в алюминии. Для получения мелкозернистой структуры сплавы этой системы легируют титаном. Легирование достаточным количеством марганца обеспечивает стабильность структуры нагартованного металла при комнатной и повышенной температурах.
3. Алюминиево-медные сплавы.
Эти сплавы хорошо поддаются механической обработке. Их недостаток — низкая коррозионная стойкость, поэтому необходимо использовать поверхностные защитные покрытия. Механические свойства сплавов этой системы достигают, а иногда и превышают, механические свойства низкоуглеродистых сталей. В качестве легирующих добавок используются марганец, кремний, железо и магний. Причем наиболее сильное влияние на свойства сплава оказывает магний: это заметно повышает предел прочности и текучести. Добавка кремния в сплав повышает его способность к искусственному старению. Легирование железом и никелем повышает жаропрочность сплавов.
4. Сплавы алюминий – медь – кремний.
Алюминиевые антифрикционные сплавы, называемые также алькусинами. Применяется во втулочных подшипниках, а также при изготовлении блоков цилиндров с формообразованием в том числе литьём. Имеют высокую твёрдость поверхности, поэтому плохо прирабатываются.
5. Сплавы алюминий – цинк – магний.
Сплавы этой системы имеют высокую прочность и хорошую обрабатываемость. Типичные сплавы этой системы — сплавы В95 - относятся к высокопрочным алюминиевым сплавам.
Существенным недостатком этих сплавов является крайне низкая коррозионная стойкость под воздействием механического напряжения. Повышение коррозионной стойкости сплавов под напряжением достигается легированием медью.
5. Маркировка по ГОСТ.
Принята буквенно-цифровая система маркировки. Буква, стоящая в начале, означает:
ü А — технический алюминий;
ü Д — дюралюминий;
ü АК — алюминиевый сплав, ковкий;
ü АВ — авиаль;
ü В — высокопрочный алюминиевый сплав;
ü АЛ — литейный алюминиевый сплав;
ü АМг — алюминиево-магниевый сплав;
ü АМц — алюминиево-марганцевый сплав;
ü САП — спечённые алюминиевые порошки;
ü САС — спечённые алюминиевые сплавы.
Вслед за буквами идёт номер марки сплава. За номером марки сплава ставится буква, обозначающая состояние сплава:
Ø М — сплав после отжига (мягкий);
Ø Т — после закалки и естественного старения;
Ø А — плакированный (нанесён чистый слой алюминия);
Ø Н — нагартованный;
Ø П — полунагартованный.
Ø
6. Термическая обработка
К видам термической обработки относятся: отжиг, закалка, старение.
Существуют три типа отжига:
1. Диффузионный (гомогенизация).
2. Рекристаллизационный.
3. Отжиг термически упрочняемых сплавов.
Гомогенизация выравнивает химическую микронеоднородность зёрен путём диффузии (уменьшение дендритной ликвации).
Рекристаллизационный отжиг восстанавливает пластичность после обработки давлением.
Отжиг термически упрочняемых сплавов полностью снимает упрочнение.
7. Применение алюминия и его сплавов.
Алюминий и алюминиевые сплавы - первые конструкционные металлы, которые были использованы в самолетостроении. Свое значение в самолетостроении алюминий сохранил и в наше время, занимая первое место среди металлов: до 3/4 массы современных самолетов изготовляют из алюминия. Также алюминий в большом объёме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей.
В промышленности используются также и алюминиевые порошки. Применяются в металлургической промышленности: в алюминотермии, в качестве легирующих добавок, для изготовления полуфабрикатов путём прессования и спекания. Этим методом получают очень прочные детали (шестерни, втулки и др.). Также порошки используются в химии для получения соединений алюминия и в качестве катализатора (например, при производстве этилена и ацетона). Учитывая высокую реакционную способность алюминия, особенно в виде порошка, его используют во взрывчатых веществах и твёрдом топливе для ракет, используя его свойство быстро воспламеняться.
Учитывая высокую стойкость алюминия к окислению, порошок используются в качестве пигмента в покрытиях для окраски оборудования, крыш, бумаги в полиграфии, блестящих поверхностей панелей автомобилей. Также слоем алюминия покрывают стальные и чугунные изделия во избежание их коррозии.
Сплавы алюминия находят широкое применение в быту, в строительстве и архитектуре, в автомобилестроении, в судостроении, авиационной и космической технике. В частности, из алюминиевого сплава был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Сплав алюминия и циркония (Zr) – широко применяют в ядерном реакторостроении.
Несмотря на широкий спектр использования алюминия, его применение наиболее развито в пяти направлениях промышленности: авиации, судостроении, железнодорожном транспорте, автомобильном транспорте, строительстве и химической промышленности.
1. Авиация.
Современная авиационная техника - это техника для длительной эксплуатации. Ее изделия находятся под воздействием циклических нагрузок, температуры и атмосферной среды. При выборе материала одной из важнейших эксплуатационных характеристик для полетных конструкций является статистическая выносливость и усталостная прочность. Невысокие значения усталостной прочности алюминиевых сплавов - один из основных недостатков при использовании их в деталях, подтвержденных высоким динамическим нагрузкам. Материалы, применяемые в самолетостроении, должны также обладать высокими коррозионными свойствами: при этом контакт материала с окружающей средой (атмосферой) следует рассматривать с учетом температурно-временного фактора. Сверхзвуковая авиация, наряду с перечисленными, выдвигает дополнительные, более жесткие требования к материалам: работоспособность при повышенных акустических нагрузках, ползучесть и ее влияние на изменение геометрических размеров конструкции в процессе эксплуатации (с учетом длительности ресурса), уровень температурных и усталостных напряжений, которые возникают в конструкции при полете на сверхзвуковых скоростях.
В России при изготовлении авиационной техники успешно используются упрочняемые термической обработкой высокопрочные алюминиевые сплавы Al-Zn-Mg-Cu и сплавы средней и повышенной прочности Al-Mg-Cu. Они являются конструкционным материалом для обшивки и внутреннего сплавного набора элементов планера самолета (фюзеляж, крыло, киль и др.).
При изготовлении гидросамолетов предусмотрено применение свариваемых коррозионно-стойких магнолиевых сплавов (AМг 5, АМг 6) и сплавов Al-Zn-Mg (1915, В92, 1420). Планер легкого самолета (фюзеляж, крылья и хвостовое оперение), как правило, изготавливаются из алюминиевого сплава Д16.
В конструкции самолетов гражданского флота используют в основном сплавы Д16, Д19, В95, В96 в качестве материалов для фюзеляжа, крыше и киля. Обшивка верхней поверхности крыла выполняется из сплавов типа В95, хорошо работающих на сжатие. Детали растянутой зоны крыла и обшивка фюзеляжа, вспомогательные лонжероны и нероворы изготавливаются из высокопрочного сплава типа Д16, В95. Сплавы эти рекомендуются для силовых деталей, которые воспринимают большие эксплуатационные нагрузки. Прессованные полуфабрикаты из сплавов В95 и В96 поступают на изготовление киля крупногабаритных самолетов. Обшивка в зоне двигателя, подвергающаяся нагреву, в основном, изготавливаются из сплавов Д16, Д19.
Конструкция сверхзвуковых самолетов при скоростях полета более 2,2М подвергается аэродинамическому нагреву до 120оС и значительным перегрузкам. Основным материалом в конструкции самолета данного типа является сплав АК4-1.
2. Судостроение.
Алюминий и сплавы на его основе находят все более широкое применение в судостроении. Из алюминиевых сплавов изготовляют корпусы судов, палубные надстройки, коммуникацию и различного рода судовое оборудование. Основное преимущество при внедрении алюминия и его сплавов по сравнению со сталью - снижение массы судов, которая может достигать 50-60%. В результате представляется возможность повысить грузоподъемность судна или улучшить его тактико-технические характеристики (маневренность, скорость и т.д.).
Наиболее широкое применение среди алюминиевых сплавов для изготовления конструкций речного и морского флота находят сплавы АМгЗ, АМг5, АМг61, а также сплавы АМц и Д16. Корпус судна повышенной грузоподъемности изготовляют из стали, тогда как надстройки и другое вспомогательное оборудование из алюминиевых сплавов. Имеет место изготовление рыболовецких баркасов из сплава АМг5 (обшивка).
Широкое применение в судостроении США находят свариваемые сплавы серии 5ххх и 6ххх. Там, где необходима высокая прочность (500 МПа), используются полуфабрикаты из сплавов серии 2xxx и 7ххх.
3. Железнодорожный транспорт.
Тяжелые условия эксплуатации подвижного состава железной дороги (длительный срок службы и способность выдерживать ударные нагрузки) выдвигают особые требования к конструкционным материалам. Основные характеристики алюминия и его сплавов, раскрывающие целесообразность применения их в железнодорожном транспорте, высокая удельная прочность, небольшая сила инерции, коррозионная стойкость. Внедрение алюминиевых сплавов при изготовлении сварных емкостей повышает их долговечность при перевозке ряда продуктов химической и нефтехимической промышленности.
Алюминий и его сплавы используются при изготовлении кузова и рамы вагона. Для вагона рекомендованы свариваемые сплавы средней прочности марок АМг3, AMr5, Амг6 и 1915 [96-100]. Перспективными сплавами для рефрижераторных вагонов являются алюминиевые сплавы. В зависимости от продуктов химической промышленности выбирается марка свариваемого материала для котлов цистерны.
В США из свариваемых сплавов серии 6ххх, серии 5ххх и сплава 7005 изготавливают подвижной состав с получением оптимальных прочностных характеристик и высокой коррозионной стойкости сварных элементов.
4. Автомобильный транспорт.
Одним из основных требований к материалам, применяемым в автомобильном транспорте, является малая масса и достаточно высокие показатели прочности. Принимаются во внимание также коррозионная стойкость и хорошая декоративная поверхность материала.
Высокая удельная прочность алюминиевых сплавов увеличивает грузоподъемность и уменьшает эксплуатационные расходы передвижного транспорта. Высокая коррозионная стойкость материала продляет сроки эксплуатации, расширяет ассортимент перевозимых товаров, включая жидкости и газы с высокой агрессивной концентрацией.
При изготовлении элементов каркаса, обшивки кузова полуприцепа автофургона, рефрижератора, скотовоза и т.п. перспективным материалом являются алюминиевые сплавы АД31, 1915 (прессованные профили) и сплавы АМг2, АМг5 (лист).
Находят применение алюминиевые сплавы АМц, АМгЗ и 1915 при изготовлении отдельных узлов легкового автомобиля (навесные детали, бамперы, радиаторы охлаждения, отопители).
В автомобилестроении США широко используются алюминиевые свариваемые сплавы серии Зххх, 5ххх и 6ххх.
Из прессованных полуфабрикатов сплавов 2014 и 6061 изготовляют балки, рамы тяжелых грузовых автомобилей. Панели и отдельные элементы из сплава 5052 поступают на изготовление кабины. В качестве обшивочного материала кузова грузовика используют лист из сплавов 5052, 6061, 2024, 3003 и 5154. Стойки кузова выполняются из прессованных полуфабрикатов сплавов 6061 и 6063. Сплавы серии 5ххх (5052,.5086, 5154 и 5454) являются основным материалом при изготовлении автоцистерн.
5. Строительство
Перспективность применения алюминиевых сплавов в строительных конструкциях подтверждается технико-экономическими расчетами и многолетней мировой практикой в области сооружения различных строительных объектов.
Внедрение алюминиевых сплавов в строительстве уменьшает металлоемкость, повышает долговечность и надежность конструкций при эксплуатации их в экстремальных условиях (низкая температура, землетрясение и т.п.). В зависимости от назначения строительных алюминиевых конструкций рекомендуются различные марки сплавов: АД1, АМц, АМг2, АД31, 1915 и др.
Опыт, накопленный в США, подтверждает целесообразность использования алюминиевых сплавов в строительных конструкциях. На них расходуется больше алюминия, чем в любой другой отрасли промышленности. При этом предпочтение отдается внедрению свариваемых сплавов серии Зххх, 5ххх и 6ххх.
6. Нефтяная и химическая промышленность.
Освоение новых месторождений, увеличение глубины скважин выдвигают определенные требования к материалам, применяемым для изготовления деталей и узлов нефте- и газопромыслового оборудования и аппаратуры для переработки продуктов нефти.
Высокая удельная прочность алюминиевых сплавов позволяет уменьшить массу бурильного оборудования, облегчить их транспортабельность и обеспечить прохождение глубоких скважин. Коррозионно-стойкие алюминиевые сплавы дают возможность повысить эксплуатационную надежность бурильных, насосно-компрессорных и нефтегазопроводных труб. Повышенная сопротивляемость коррозионному растрескиванию позволяет применить алюминиевые сплавы при изготовлении емкостей для хранения нефти и ее продуктов.
Основным конструкционным материалом при изготовлении бурильных труб из алюминиевых сплавов является сплав марки Д16. Высокую стойкость к сырой нефти и некоторым бензинам показали алюминиевые сплавы АМг2, AMr3, АМг5 и АМг6. Из перечисленных магналиевых сплавов наиболее технологичным сплавом для изготовления аппаратов является сплав АМг2, особенно при изготовлении конденсаторов и холодильников на нефтеперегонных заводах.
В США оборудование для нефтяной промышленности изготовляется из алюминиевых сплавов серии Зххх, 5ххх и 6ххх. В конструкции бурового оборудования применяют трубы из сплава 6063. Морские платформы собираются из труб 6061, 6063, а также из высокопрочных сплавов марок 2014 и 7075. Из алюминия АДОО, АДО и АД1 изготовляют емкости, колонны, конденсаторы и т.п. для производства уксусной кислоты, сульфирования жирных спиртов, хлората калия, натриевой и аммиачной селитры, синильной кислоты и т.д.
Химической промышленности рекомендованы алюминиевые сплавы АМц, АМг2, АМгЗ, АМг5 для изготовления сосудов, работающих под давлением при температурах от - 196 до +150 0С.
Из алюминия АДОО, АДО и АД1 изготовляют емкости, колонны, конденсаторы и т.п. для производства уксусной кислоты, сульфирования жирных спиртов, хлората калия, натриевой и аммиачной селитры, синильной кислоты и т.д.
В США в зависимости от условий эксплуатации аппаратуры химической промышленности применяют сплавы серий 1ххх, Зххх, 5ххх. В отдельных случаях для обеспечения наибольшей прочности применяют термически упрочняемые сплавы 2ххх и 7ххх с пониженной коррозионной стойкостью.
Емкости для хранения химических продуктов выполняют из сплавов высокой коррозионной стойкости - 1100 или 3003; сосуды высокого давления - из сплавов 5052 или 6063; тара, цистерны и другие виды оборудования для хранения уксусной кислоты, высокомолекулярных жирных кислот, спиртов и других продуктов - из сплавов 3003, 6061, 6063, 5052; емкости для озоносодержащих растворов удобрений из сплавов 3004; 5052 и 5454; емкости для хранения растворов нитрата аммония из сплавов 1100, 3003, 3004, 5050, 5454, 6061 и 6062.
8. Вывод.
Таким образом, мы можем сделать следующие выводы:
1. Из выше изложенного видно, что благодаря хорошим физическим свойствам алюминий занимает лидирующее место в авиации, судостроении и других стратегически важных отраслях промышленности.
2. Сплавы на основе алюминия благодаря неплохим механическим свойствам также нашли широкое применение в промышленности, например: в электронике, строительстве, нефтегазовой отрасли и т.д.