Алюминиевые сплавы. 
Материаловедение и технология конструкционных материалов. 
Штамповочное и литейное производство

Алюминиевые сплавы подразделяют на сплавы, деформируемые обработкой (ГОСТ 4784—74) и прессованием (ГОСТ 21 488— 76), и литейные сплавы (ГОСТ 1583—89Е).

Деформируемые обработкой алюминиевые сплавы отличаются хорошей пластичностью (относительное удлинение 8 до 40%), но невысокой прочностью. К ним относят сплавы алюминия с магнием и марганцем. Это сплавы АМц, содержащие 1,0… 1,6% Мп, АМц2, АМц5, содержащие до 1,6% Мп и до 5,8% Mg. Данные сплавы используют для изготовления сварных или штампованных малонагруженных конструкций, они устойчивы к коррозии и могут быть упрочнены методами холодной деформации.

К прессованным сплавам относят сплавы системы А1—Си—Mg с добавками других компонентов (например, марганца) — дуралюмины. Наибольшее применение имеют сплавы Д18 (2,2… 3,0% Си; 0,2…0,5% Mg) и Д16 (3,8…4,6% Си; 1,2… 1,8% Mg и 0,3…0,9% Мп).

Дуралюмины в любом состоянии хорошо деформируются, могут быть подвергнуты закалке в воде и старению. Сплавы типа В95 являются наиболее прочными и содержат в своем составе 6% Zn, 2,3% Mg, 1,7% Си, 0,4% Мп, 0,2% Сг. Недостатки этих сплавов: возможность применения при температуре ниже 150 °C и подверженность коррозии. Для работы при повышенных температурах используются сплавы АК4, АК6, АК8, АК4−1, хорошо подвергающиеся ковке и штамповке.

Алюминиевые деформируемые сплавы обладают высокими физико-механическими характеристиками, технологичны при изготовлении, используются в судои авиастроении, в строительстве, сельском хозяйстве, производстве электрои бытовой техники и электронном машиностроении. В авиастроении эти сплавы являются основным конструкционным материалом (составляют 80… 85% массы планера современного самолета).

С целью повышения надежности самолетов разработаны новые высокопрочные алюминиевые деформируемые сплавы системы А1—Zn—Mg—Си и среднепрочные сплавы системы А1—Си—Mg. Эти сплавы имеют повышенные значения предела текучести и трещиностойкости, сопротивления усталости и коррозионной стойкости и обладают повышенными прочностными свойствами. Наиболее перспективными для авиации являются следующие марки: В95пчТ2, В95очТ2, 1973, 1933 системы А1—Zn—Mg—Си и 1161, 1163 системы А1—Си—Мп. Сплавы 1973, 1933 и 1161 содержат цирконий Zr (табл. 1.3).

Сплавы, легированные литием, характеризуются пониженной плотностью.

Сплав 1420 системы А1—Mg— Li—Zr отличается самой низкой плотностью (р = 2 470 кг/м³) и обеспечивает высокую удельную прочность (о_п/(р?) = 17 км, где g — ускорение свободного падения), а также снижение массы конструкций на 20…25%.

Предел прочности о_в сварных соединений составляет примерно 0,8о_в основного материала.

Для изготовления тонких листов на базе системы А1—Си—Li—Zr разработаны сплавы 1450 и 1451, которые по основным техническим характеристикам не уступают сплаву В95, но позволяют на 10% снизить массу конструкции и на 10% повысить ее жесткость.

Сплавы 1430 и 1440, разработанные на базе системы А1—Mg— Li—Си—Zr, имеют более низкую (на 7…8%) плотность и более высокий (на 10%) модуль упругости и достаточно высокие значения сопротивления усталости и предела текучести по сравнению со сплавами системы А1—Си—Mg типа Д16.

Алюминиево-литиевые сплавы по сравнению с традиционными алюминиевыми довольно дорогостоящи и поэтому их применяют только в тех конструкциях, где необходимо снижение массы.

Таблица 1.3

Свойства алюминиевых деформируемых сплавов

Для изготовления корпусных деталей приборов используют сплавы типа 1420, обладающие эффектом сверхпластичности, что позволяет в 1,5 — 2 раза снизить трудоемкость без применения механической обработки.

В автомобилеи тракторостроении для деталей двигателей и механизмов газораспределения, работающих при температуре до 500 °C, используют легированный алюминиевый жаропрочный сплав (до 3% С), обладающий высокими параметрами прочности (с" = 470 МПа, Св⁵⁰ = 190 МПа, = 110 МПа) и коррозионной стойкостью. Благодаря высоким антифрикционным свойствам его используют для изготовления деталей узлов трения, что позволяет при замене деталей из стали и титана обеспечить снижение массы на 30%.

Алюминиевые литейные сплавы обозначают буквами АЛ и подразделяют на 5 групп.

Группа I — силумины — сплавы системы А1—Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9). Эти сплавы устойчивы к коррозии, обладают хорошей текучестью и малой усадкой. При модификации в них вводят металлический натрий, в результате чего структура сплава становится мелкозернистой, а сплав приобретает пластичность.

Группа 2 — сплавы системы А1—Si—Си (АЛЗ, АЛ5, АЛ6, а также сплав АЛ32, содержащий дополнительно марганец и титан).

Группа 3 — сплавы системы А1—Си (АЛ7 и АЛ 19), имеющие повышенное содержание меди.

Группа 4 — сплавы системы А1—Mg (АЛ8, АЛ 13, АЛ22), обладающие низкой плотностью, хорошей коррозионной стойкостью и высокими механическими характеристиками. Используют данные сплавы при изготовлении отливок в автомобильном производстве.

Группа 5— сплавы на основе алюминия и других компонентов. Например, сплав АЛ24 содержит марганец, магний, цинк, титан и другие компоненты.

Среди последних разработок можно выделить сплавы ВАЛ 12, ВАЛ 14, ВАЛ 16.

Высокопрочный сплав ВАЛ 12 на основе системы А1—Zn—Mg— Си предназначен для изготовления деталей, к которым предъявляются повышенные требования по прочности и усталости. Он может успешно конкурировать как с алюминиевыми деформируемыми сплавами, так и с малоуглеродистыми сталями, некоторыми латунями и бронзами. Детали из сплава ВАЛ 12 могут длительно работать при 200 °C и кратковременно при 250 °C.

Детали, получаемые литьем по методу жидкой штамповки, при которой кристаллизация происходит в металлической форме под давлением, обладают особо высокими механическими свойствами: о_в = 550…600 МПа, 002 = 500…550 МПа, 5 = 3…6%, а_| = = 140… 160 МПа.

Высокопрочный и жаропрочный сплав ВАЛ 14 на основе системы А1—Си—Mn—Cd имеет высокие физико-механические характеристики (а_в = = 400…500 МПа, а., = 104… 120 МПа, 6 = = 7… 15%), предназначен для деталей, испытывающих большие динамические и вибрационные нагрузки. Детали из этого сплава могут длительно работать при 300 °C и кратковременно при 350 °C.

Сплав ВАЛ 16 обладает высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. Детали из этого сплава могут успешно работать в любых климатических условиях при температуре до 150 °C. Сплав характеризуется высокими механическими свойствами (а_в = = 300… 350 МПа, 6 = 10… 15%), что позволяет его применять для изготовления сварных конструкций совместно с деформируемыми сплавами типа АМгб.

В изделиях современного машиностроения алюминиевые литейные сплавы, обладающие высокой удельной прочностью, заменяют чугун и малоуглеродистые литейные стали. Свойства литейных алюминиевых сплавов, серого чугуна и стали, применяемых для изготовления литых заготовок деталей машин, приведены в табл. 1.4.

Области применения алюминиевых литейных сплавов:

• • в авиастроении — силовые детали фюзеляжа, агрегатов, приборов;
• • судостроении — кронштейны палубных надстроек, корпуса механизмов управления и компасов;
• • машиностроении — корпуса электродвигателей, роторов компрессоров, насосов, редукторов, вентиляторов; крыльчатки, шкиТаблица 1.4

Свойства литейных алюминиевых сплавов, серого чугуна и стали

вы ременных передач, муфты сцепления, корпуса и крышки картеров, коробки передач, редукторы, головки и блоки цилиндров, поршни;

• • текстильной промышленности — станины ткацких станков, бобины, корпуса и кожухи швейных машин;
• • пищевой промышленности — детали смесителей, просеивающих агрегатов, разливочных машин;
• • электротехнической промышленности — детали контактных соединений, панели, радиаторы охлаждения, платы и корпуса приборов.

Алюминиевые литейные сплавы по сравнению с чугунами и сталями обладают рядом важных преимуществ: возможностью получения более точных литых заготовок с малой шероховатостью поверхности при использовании высокопроизводительных методов литья в металлические формы (в кокиль, под давлением, жидкой штамповкой), а также более высокой коррозионной стойкостью.

Замена чугуна и стали литейными алюминиевыми сплавами позволяет получать значительный технико-экономический эффект за счет следующих факторов: снижения массы (металлоемкости) конструкций; повышения эксплуатационной надежности и долговечности; уменьшения трудоемкости благодаря применению более точных литых заготовок, а также более легкой обрабатываемости резанием.