Промышленные алюминиевые сплавы

Квасов Ф.И., Фридляндер И.Н. (ред.)

Металлургия, 1984 г.

КРИОГЕННЫЕ И ЖАРОПРОЧНЫЕ СВАРИВАЕМЫЕ СПЛАВЫ АЛЮМИНИЯ С МЕДЬЮ И МАРГАНЦЕМ

1. Сплавы Д20, Д21

Алюминиевые сплавы Д20, Д21 системы Аl—Сu—Μn в отличие от сплавов дуралюмин (Д16, Д19 и др.) имеют более высокую концентрацию меди и очень низкую магния или совсем не содержат его. Эти сплавы характеризуются высокой пластичностью, технологичностью, высокими жаропрочными свойствами. Прочностные свойства при комнатной температуре сплава Д20 (без магния) более низкие, чем сплава Д16, но сплав Д20 хорошо сваривается всеми видами сварки, в том числе аргонно-дуговой.

Сплавы Д20 и Д21 имеют следующий химический состав: 6—7 % Сu, 0,4—0,8 % Μn, 0,1—0,2 % Ti, остальное алюминий; в сплаве Д21, кроме того, 0,25—0,45 % Mg. Примесей в этих сплавах не более 0,3 % Fe, 0,3 % Si, 0,1 % Ζnи 0,1 % прочие; сплав Д20 содержит также 0,2 % Zr, до 0,05 % Mg.

Влияние меди и марганца

При исследовании закономерностей изменения механических свойств в зависимости от содержания меди установлено, что в сплавах с оптимальными механическими свойствами при комнатной температуре и длительной прочности при 300 °С концентрация меди близка к предельной растворимости 5—6 % [1]. Однако уровень жаропрочности этих сплавов при 300 °С весьма невысок. Введение добавок марганца, а также титана позволило повысить их жаропрочные свойства при 250—350 °С в 2—2,5 раза.

Добавки марганца к сплавам системы Аl—Сu более 0,4 °/о резко повышают эффект закалки и снижают эффект  искусственного и естественного старения (рис. VI. 1) [2].

снижению коэффициента трещинообразования при сварке К,определяемого по крестовой пробе (рис. VI.4) [6].

Однако пластичность основного металла (угол загиба и ударная вязкость) снижается незначительно при увеличении содержания меди от 5 до 7 %. В сварном соединении характеристики пластичности снижаются в 1,5—2 раза, особенно в интервале концентраций меди 6,5—7 %. Поэтому в сплавах Д20 для сварных изделий количество меди рекомендуется поддерживать на уровне не выше 6,5 %.

Марганец, так же как и медь, уменьшает склонность сплава к трещинообразованию при сварке. Снижение пластичности сварного соединения сплава с увеличением содержания марганца, как и в случае повышения концентрации меди, вызвано повышенной чувствительностью литого металла к гетерогенизации структуры.

Влияние титана, циркония и ванадия

Механические свойства сплавов системы Аl—Сu—Μn при комнатной температуре в искусственно состаренном состоянии не изменяются при добавках титана. Однако длительная прочность при 300 и 350 °С увеличивается и имеет максимальное значение при содержании 0,1—0,2 % Ti. Это объясняется тем, что титан повышает температуру рекристаллизации сплавов и обеспечивает большую устойчивость структуры при одновременном действии напряжения и высокой температуры. В литературе имеются также данные о том, что титан, подобно марганцу, замедляет распад твердого раствора при высоких температурах — порядка 300 °С [3].

Более сильное влияние на жаропрочность сплавов оказывает цирконий (рис. VI.5). Так, при 300 °С предел   длительной   прочности   за 100 ч от введения циркония в количестве 0,1—0,15 %  повышается до 90 МП а вместо 75—80 МП а. Как отмечается, например, в работе [7], цирконий повышает устойчивость твердого   раствора путем торможения его распада и рекристаллизации.   Цирконий   значительно увеличивает температуру рекристаллизации ряда алюминиевых сплавов. У сплавов системы Аl—Сu—Μn температура начала и конца рекристаллизации от добавок циркония возрастает на 50 °С [2]. Цирконий, подобно марганцу, снижает коэффициент диффузии меди в алюминии [3].

Добавки циркония улучшают свариваемость сплава и пластичность сварного шва в результате измельчения структуры. Поэтому для повышения жаропрочности и улучшения свариваемости необходимо в сплав Д20, а также в присадочную проволоку, применяемую для сварки, вводить цирконий в количестве 0,1—0,2 %. В сплаве Д20 содержится в виде примеси до 0,2 % Zr.

Аналогичное влияние на измельчение зерна твердого раствора оказывают малые добавки ванадия.

Влияние магния

Добавки до 0,45 % Mgповышают прочностные характеристики сплава Д20 в закаленном и искусственно состаренном состояниях примерно на 30—40 МПа и жаропрочность при 150—250 ^СС.

На рис. VI.6 показано влияние магния на длительную прочность и ползучесть сплава системы Аl—Сu—Μn при 175 °С. При 0,3% Mgустановлена максимальная жаропрочность. Содержание магния в пределах 0,25—0,45 % не ухудшает технологических свойств сплава Д20 при свободной ковке, прессовании и прокатке.

На основе полученных данных был предложен новый жаропрочный сплав марки Д21. Его химический состав по основным легирующим элементам — меди, марганцу и титану— аналогичен сплаву Д20, т. е. 6—7 % Сu, 0,4—0,8 % Μn, 0,1—0,2 % Ti и добавки магния в пределах 0,25— 0,45 %.

Сплав Д21 может применяться в виде поковок, штамповок, листов и прессованных полуфабрикатов. Данный сплав не сваривается аргонно-дуговой сваркой. Магний резко ухудшает свариваемость сплава, поэтому в свариваемом сплаве Д20 примеси магния строго ограничены: не должны превышать 0,05 %. Сплав Д21 по сравнению со сплавом АК4 — 1 имеет более высокие прочностные свойства при комнатной температуре и высокую жаропрочность.

В табл. VI. 1 приведены сравнительные жаропрочные свойства сплавов Д21, Д20 и АК4 — 1.

Предел ползучести σο,2 при 175 °С за время испытания 100 ч листов из сплавов Д21 и АК4— 1 составляет 180— 200 МПа и 140—150 МПа соответственно.

Влияние железа, кремния и цинка

Добавки железа свыше 0,45 % снижают механические свойства сплавов системы Аl—Сu—Μn в закаленном и состаренном состояниях вследствие уменьшения растворимости меди и образования практически нерастворимой фазы Cu₂FeAl₇. Длительная прочность при 300 °С также резко падает. Поэтому содержание железа в сплаве в виде примеси допускается не более 0,3 °/о [2].

Малые концентрации кремния (до 0,4 %) повышают прочностные свойства сплавов Аl—Сu—Μn. Например, кремний улучшает также и жаропрочность сплава Д21 при 150 и 175 °С (рис. VI.7). При 300 °С кремний отрицательно влияет на длительную прочность сплава Д20.

Увеличение прочностных свойств при малых концентрациях кремния связано с влиянием последнего на распад твердого раствора Аl—Сu на стадии фазового   старения

Кремний вызывает более интенсивный процесс выделения θ-фазы, при этом повышается плотность выделений и дисперсность этой фазы.

При содержании кремния свыше 0,4 % уменьшаются механические свойства сплавов вследствие образования соединений типа AlMnSi, в присутствии магния образуется соединение Mg₂Si. При значительных содержаниях кремний преимущественно выделяется в свободном виде. В результате снижается температура тройной эвтектики до 525 °С в системе Аl — Сu — Si и уменьшается температура нагрева под закалку.

Присутствие кремния в свободном состоянии вызывает ускорение распада твердого раствора и разупрочнение при температурах старения 200— 220°С. Поэтому содержание кремния в сплавах ограничено до 0,2—0,3%.

Содержание цинка до 0,3 % не изменяет механические свойства сплавов при комнатной температуре. Однако длительная прочность при 300°С несколько снижается. При указанных концентрациях цинк полностью растворяется в твердом растворе и способствует разупрочнению сплава при испытаниях  на жаропрочность. Показано, что присутствие цинка в сплавах Аl—Сu сильно увеличивает скорость диффузии меди при повышенных температурах за счет повышения коэффициента диффузии меди в алюминии [4]. Особенно сильная диффузия меди отмечается по границам зерен. В сплавах допускается содержание примеси цинка не более 0,1 %.