Рубрика: Металлы и сплавы
Алюминиевые сплавы втрое легче стали, хорошо проводят тепло, не ржавеют в обычной атмосфере и отлично обрабатываются резанием. Благодаря этому они давно перестали быть только «авиационным» материалом: корпуса приборов, кронштейны, плиты оснастки, детали пневматики, теплоотводы, рамы и элементы машин всё чаще делают из алюминия. Но сплавы сильно различаются по прочности, свариваемости и коррозионной стойкости, и выбор марки определяет судьбу детали.
Плотность алюминиевых сплавов — 2,6–2,85 г/см³ против 7,8 г/см³ у стали. Прочность лучших алюминиевых сплавов достигает 500–600 МПа, то есть удельная прочность (отношение прочности к плотности) у них сопоставима с конструкционными сталями, а у высокопрочных марок — выше.
Основные преимущества алюминиевых сплавов:
Ограничения тоже существенны: низкий модуль упругости (около 70 ГПа против 210 ГПа у стали), поэтому алюминиевые детали при той же геометрии в три раза податливее; низкая твёрдость и износостойкость; потеря прочности при нагреве выше 150–200 °C; высокий коэффициент теплового расширения.
Алюминиевые сплавы делят на две большие группы по способу получения заготовок.
Поставляются в виде листа, плиты, прутка, профиля, поковок. Они пластичны и предназначены для обработки давлением и резанием. Внутри группы различают:
Предназначены для отливок: в песчаные формы, кокиль, под давлением. Основа большинства литейных сплавов — система алюминий–кремний (силумины): АК12, АК7, АК9, АК5М. Также применяются сплавы алюминий–медь (АМ5) и алюминий–магний (АМг10).
После марки указывают состояние материала. Это важно, потому что прочность одного и того же сплава в разных состояниях отличается в 2–3 раза:
Например, Д16Т — дюралюминий в закалённом и естественно состаренном состоянии, В95Т1 — высокопрочный сплав после искусственного старения.
Механизм упрочнения алюминиевых сплавов принципиально отличается от закалки стали. При нагреве до 480–530 °C легирующие элементы — медь, магний, цинк, кремний — растворяются в алюминии. Быстрое охлаждение в воде фиксирует пересыщенный твёрдый раствор. Сразу после закалки сплав мягкий и пластичный, его можно гнуть и клепать.
Затем идёт старение: из пересыщенного раствора выделяются мельчайшие частицы упрочняющих фаз, которые мешают движению дислокаций. Естественное старение протекает при комнатной температуре несколько суток, искусственное — при 120–190 °C в течение нескольких часов. Прирост прочности может составлять 50–100 % от исходной.
Сплавы АМг2, АМг3, АМг5, АМг6 не упрочняются термообработкой, но обладают сочетанием средней прочности, превосходной коррозионной стойкости, в том числе в морской воде, и отличной свариваемости. Цифра указывает примерное содержание магния. АМг6 — самый прочный в группе, предел прочности 320–340 МПа. Применение: сварные ёмкости и баки, корпуса, рамы, детали судов, кузовные панели, трубопроводы, плиты для оснастки.
Д16 — сплав системы алюминий–медь–магний, классический конструкционный материал авиации и машиностроения. В состоянии Т предел прочности достигает 420–440 МПа, предел текучести — 280–300 МПа. Хорошо обрабатывается резанием, особенно в закалённом состоянии. Недостатки — пониженная коррозионная стойкость из-за меди и плохая свариваемость плавлением. Поэтому листы Д16 часто поставляются плакированными чистым алюминием, а детали анодируют. Применение: силовые элементы конструкций, кронштейны, рычаги, детали приборов, шпангоуты, заклёпки (Д18, Д19П).
Сплавы системы алюминий–магний–кремний имеют среднюю прочность (АД31Т1 — около 200–240 МПа), но очень технологичны при прессовании. Из них делают подавляющее большинство профилей — для рам, направляющих, станочных корпусов, систем ограждений. Хорошо анодируются, обладают высокой коррозионной стойкостью, удовлетворительно свариваются.
В95 — сплав системы алюминий–цинк–магний–медь с пределом прочности 500–600 МПа в состоянии Т1. Это один из самых прочных алюминиевых сплавов. Применяется для высоконагруженных силовых деталей: лонжеронов, нервюр, стоек, рычагов, деталей шасси, ответственных кронштейнов. Его слабые стороны — чувствительность к концентраторам напряжений, коррозионному растрескиванию и низкая свариваемость. Для повышения стойкости применяют режимы перестаривания (Т2, Т3), немного жертвуя прочностью.
Предназначены для горячей штамповки и ковки сложных деталей. АК6 и АК8 — для силовых поковок, крыльчаток, фитингов, деталей гидравлики. АК4 и АК4-1 — жаропрочные, сохраняют прочность до 250–300 °C; применяются для поршней, деталей двигателей и компрессоров.
Силумины с кремнием от 5 до 13 % имеют отличную жидкотекучесть и малую усадку, благодаря чему позволяют получать тонкостенные отливки сложной формы. АК12 (эвтектический силумин) применяется для тонкостенных корпусных отливок под давлением, АК7 и АК9 упрочняются термообработкой и идут на нагруженные корпуса, головки цилиндров, детали насосов. АК5М и АК5М2 с медью — для деталей, работающих при повышенных температурах.
Литейные сплавы хуже деформируемых по пластичности и усталостной прочности, а в отливках возможны поры и раковины. Поэтому ответственные поверхности отливок обрабатывают резанием, а качество проверяют контролем герметичности или рентгеном.
| Марка и состояние | Система легирования | Предел прочности, МПа | Свариваемость | Коррозионная стойкость | Типичные детали |
|---|---|---|---|---|---|
| АД31Т1 | Al–Mg–Si | 200–240 | Удовлетворительная | Высокая | Профили, рамы, корпуса |
| АМг3М | Al–Mg | 190–230 | Отличная | Высокая | Листовые детали, ёмкости |
| АМг6 | Al–Mg | 320–340 | Отличная | Высокая, в т.ч. морская вода | Сварные корпуса, плиты |
| Д16Т | Al–Cu–Mg | 420–440 | Плохая | Пониженная | Кронштейны, рычаги, детали приборов |
| В95Т1 | Al–Zn–Mg–Cu | 500–600 | Плохая | Пониженная | Силовые детали |
| АК6Т1 | Al–Mg–Si–Cu | 380–420 | Ограниченная | Средняя | Поковки, фитинги, крыльчатки |
| АК12 | Al–Si | 150–200 | Удовлетворительная | Высокая | Тонкостенные отливки |
Алюминиевые сплавы обрабатываются на высоких скоростях резания, но имеют свои особенности.
Низкий модуль упругости и внутренние напряжения в прокате приводят к короблению тонкостенных деталей после снятия большого объёма материала. Для точных деталей применяют черновую обработку с последующей вылежкой или стабилизирующим отжигом, затем чистовую. Важно закреплять заготовку без излишнего усилия: мягкий металл легко деформируется и мнётся кулачками.
Отожжённые и нетермоупрочняемые сплавы — АД1, АМг2М — вязкие, склонны к налипанию и образованию заусенцев. Закалённые Д16Т и В95Т1, наоборот, режутся легко и дают чистую поверхность. Поэтому для деталей с высокими требованиями к шероховатости предпочтительнее термоупрочнённый материал.
фрезерование корпусов и плит, точение, сверление, нарезание резьбы, электроэрозионная резка, анодирование
Естественной оксидной плёнки недостаточно для агрессивных условий и для сплавов с медью. Основные способы защиты и повышения поверхностных свойств:
Подробнее о технологиях — на странице нанесения покрытий.
Если деталь работает в паре трения, алюминиевый сплав почти всегда требует твёрдого анодирования или замены в зоне контакта на стальную или бронзовую вставку. В резьбовых соединениях, которые часто разбираются, используют стальные резьбовые вставки, потому что резьба в алюминии быстро изнашивается.
Алюминиевые сплавы — это семейство материалов от мягкого технического алюминия до высокопрочного В95, не уступающего по удельной прочности легированным сталям. Нетермоупрочняемые АМг выигрывают свариваемостью и коррозионной стойкостью, дюралюмины и высокопрочные сплавы — прочностью, авиали — технологичностью и доступностью профиля, силумины — литейными свойствами.
Мы выполняем фрезерную и токарную обработку деталей из алюминиевых сплавов, а также наносим защитные покрытия. Пришлите чертёж — предложим оптимальную марку, технологию и рассчитаем стоимость.
