Дюралюмины

Категория:
Цветные металлы


Дюралюмины

Вследствие невысокой прочности двойные алюминиевые сплавы находят ограниченное применение. Основными материалами для деталей летательных аппаратов и двигателей являются сплавы, упрочняемые термической обработкой. Типичную группу этих сплавов составляют дюралюмины.

Дюралюмины являются высокопрочными алюминиево-медны-ми сплавами с улучшающими добавками марганца, магния и кремния. В них присутствует также вредная примесь железа. Некоторые виды дюралюминов содержат цинк и другие элементы.

Основным легирующим элементом в дюралюминах является медь. В сплавах алюминия с медью, как известно, присутствует химическое соединение СиА12. Кроме того, алюминий с медью образуют ограниченные твердые растворы с переменной растворимостью, растущей с повышением температуры.

При нагревании химическое соединение переходит в твердый раствор, а при медленном охлаждении выделяется из него. При быстром охлаждении выделение химического соединения не происходит и образуется неравновесная, или метастабильная струк-тУра пересыщенного твердого раствора. Это явление используется при упрочняющей термической обработке сплавов типа дюралюминов, состоящей из закалки и старения (естественного и искусственного).

Естественное старение алюминиево-медных сплавов протекает беспрепятственно при полном отсутствии железа в алюминии. Однако алюминий, применяемый при выплавке сплавов, всегда содержит некоторое количество железа, которое образует нерастворимое в алюминии химическое соединение Cu2FeAl7, называемое фазой N. При этом ограничивается образование фазы СиА12, способной переходить в твердый раствор при закалке и упрочнять сплав при естественном старении. Чтобы вернуть сплаву способность естественно стареть, в него необходимо ввести 0,5—1,5% магния. Тогда вместо нерастворимой фазы N образуется хорошо растворимое соединение CuMgAl2, называемое фазой S и являющееся весьма эффективным упрочнителем. При этом железо связывается в нерастворимом соединении FeAl3, не мешающем естественному старению. При исследовании в микроскоп фаза N наблюдается в виде продолговато-округлых включений черного цвета, a FeAl3 — в форме игл.

Влияние железа и магния на способность алюминиевых сплавов к естественному старению иллюстрируется графиками, приведенными на рис. 149.

Закаленные дюралюмины могут быть упрочнены и при помощи искусственного старения, т. е. нагрева до 150—250° и выдержки в течение нескольких часов.

Термическая обработка дюралюминов состоит из закалки и старения. При выборе температуры закалки дюралюминов можно руководствоваться диаграммой сплавов А1—СиА12. Однако следует иметь в виду, что под влиянием магния и других добавок линии фазовых превращений этой диаграммы смещаются в сторону пониженных температур и концентраций. Так, например, введение 0,8% магния и 0,5% кремния уменьшает предельную растворимость меди в алюминии примерно на 10% и снижает эвтектическую температуру с 548 до 515 °С.

Рис. 1. Область дюралюминов на диаграмме сплавов состояний сплавов

Рис. 2. Изменение твердости при старении сплава алюминия с 4% меди: 1 — с железом; 2 — без железа; 3 — с железом и 0,5% магния

Рис. 3. Зона температур закалки дюралюминов на диаграмме

Этот порок возникает в результате оплавления и окисления тончайших прослоек эвтектического состава, образующихся между зернами твердого раствора вследствие дендритной ликвации при ускоренном охлаждении и кристаллизации жидкого сплава в обычных производственных условиях.

Рис. 4. Микроструктура дюралюмина: а — правильно закаленного; б — пережженного. Ув. 250. Травитель: 7% HF, 27% HN03, 66% Н20

При температуре закалки сплав выдерживается с целью полного растворения упрочняющей фазы и получения однородного твердого раствора. Затем следует быстрое охлаждение. При этом фиксируется пересыщенный пластичный твердый раствор.

Упрочнение закаленного сплава достигается последующим естественным старением. Искусственное старение для упрочнения дюралюминов применяется значительно реже. Упрочнение дюралюминия при естественном старении не связано с распадом твердого раствора и выделением из него упрочняющей фазы. Механизм упрочнения при естественном старении является совершенно другим.

В закаленном сплаве, находящемся в состоянии однородного твердого раствора, атомы меди размещаются в узлах кристаллической решетки, равномерно распределяясь по всему объему твердого раствора. При естественном старении эти атомы диффундируют к некоторым узлам решетки алюминия, распределенным в плоскости куба, и создают обогащенные медью области, по соотношению компонентов близкие к химическому соединению CuA12. Однако химическое соединение при этом не образуется и из твердого раствора не выделяется. Эти области представляют собой плоские округлые скопления медных атомов, именуемые зонами Гинье—Престона. Они имеют толщину в 2—3 атомных слоя. Диаметр их изменяется в зависимости от температуры естественного старения и составляет от 50 до 600 кХ.

Эти скопления атомов меди вызывают искажение решетки твердого раствора и упрочнение сплава при старении.

Теория естественного старения хорошо объясняет явление так называемого возврата. Обработка на возврат состоит в нагреве закаленного и подвергнутого естественному старению дюралюминия примерно до 270 °С и выдержке при этой температуре в течение около 30 сек. При этом наблюдается возврат материала к свойствам свежезакаленного сплава — низкой твердости и высокой пластичности.

Сущность этого явления состоит в диффузионном рассасывании зон, обогащенных медью, и в новом образовании, как и после закалки, однородного твердого раствора.

Наилучшее упрочнение дюралюминия при термической обработке наблюдается только в том случае, когда все параметры режима этого процесса выдерживаются с безукоризненной тщательностью. Особенно важным является точное поддержание температуры закалки. Это достигается применением в качестве нагревающих сред селитровых ванн, использованием электрического обогрева этих ванн, автоматической регулировкой температур и непрерывным механизированным перемешиванием селитры.

Длительность выдержки при нагреве под закалку выбирается от 3 до 5 минут для тонких полуфабрикатов и деталей и до 30 минут для более массивных, имеющих толщину до 10—15 мм.

Охлаждение при закалке обычно проводится в холодной проточной воде. Для устранения короблений проводят правку изделий.

Преимущественное применение естественного, а не искусственного старения дюралюминов может быть обосновано при помощи графиков, приведенных на рис. 152. Как видно из этих графиков, наибольшее упрочнение дюралюминия может быть достигнуто при естественном старении, т. е. в результате выдержки закаленного сплава при обычной температуре 20 °С. Упрочнение в результате искусственного старения, проводимого при температуре 100, 150 и 200 °С, оказывается менее значительным.

Рис. 5. Изменение прочности закаленного дюралюминия в результате старения при различных температурах

Продолжительность естественного старения зависит от температуры помещения, в котором оно проводится, и составляет 5—7 суток. Задержка естественного старения путем снижения температуры часто используется на практике, например, с целью приостановки твердения при необходимости пластической деформации в случае правки изделия или при другой операции.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум