Алюминиево-медный сплав

Алюминиево-медные сплавы ( AlCu ) - это алюминиевые сплавы - сплавы, которые в основном состоят из алюминия (Al), - которые содержат медь (Cu) в качестве основного легирующего элемента . Важные типы по-прежнему содержат добавки магния и кремния (AlCu (Mg, Si)), а марганец часто также добавляют для повышения прочности (см. AlMn ). Основная область применения - авиастроение . Эти сплавы обладают средними до высокой прочности и возрастные отверждаемые . Доступны как деформируемые, так и литые сплавы . Недостатками являются их подверженность коррозии и плохая свариваемость . Они стандартизированы в серии 2000. Дюралюмин - самая старая разновидность в этой группе, восходящая к Альфреду Вильму , который открыл его в 1903 году. Только за счет использования алюминиево-медных сплавов алюминий можно было использовать в качестве широко распространенного конструкционного материала, поскольку чистый алюминий слишком мягкий для этого, а другие закаливаемые сплавы, такие как сплавы алюминия-магния-кремния (AlMgSi) или естественно твердые (не закаливаемые) сплавы, все еще остаются не были известны.

Типы, элементы сплава и состав

Как и почти все алюминиевые сплавы, различают деформируемые сплавы для прокатки и ковки и литейные сплавы для литья .

Содержание меди обычно составляет от 3 до 6%. Считается , что при содержании от 0,3% до 6% их невозможно или очень трудно сваривать ( сваркой плавлением ), при более высоком содержании Cu они свариваются. Большинство типов по-прежнему содержат магний , марганец и кремний, добавленные для увеличения прочности. Свинец и висмут образуют мелкие включения, которые плавятся при низких температурах и, таким образом, приводят к лучшему стружкообразованию , как у автоматной стали . Тепловое сопротивление увеличивается при добавлении никеля и железа.

Железо, содержащееся в технических сплавах в качестве примеси, препятствует холодному упрочнению . Это снова становится возможным при добавлении магния. Увеличение количества магния до 1,5% увеличивает прочность и удлинение при разрыве (см. AlMg ). Марганец также используется для увеличения прочности (см. AlMn ). Однако большие количества имеют отрицательные побочные эффекты, поэтому содержание Mn ограничено примерно 1%. Меньшие добавки кремния добавляются для связывания железа, поскольку он предпочтительно образует фазу AlFeSi, в то время как образование Al 7 Cu 2 Fe приведет к удалению большего количества меди из материала, что в таком случае больше не приведет к образованию действительно желаемых фаз (особенно Al 2 Cu, алюминид меди ). Большие количества кремния добавляют для образования Mg 2 Si ( силицид магния ) с магнием , который, как и AlMgSi, улучшает прочность и прокаливаемость.

Некоторые сплавы все еще содержат литий от 1,5% до 2,5%. Из-за очень низкой плотности Li (0,53 г / см³ по сравнению с 2,7 г / см³ алюминия) это приводит к более легким компонентам, что особенно выгодно в авиации. Подробнее см. Алюминиево-литиевый сплав .

Литейные сплавы

Литейные сплавы содержат около 4% меди и другие небольшие количества добавок, улучшающих литье , включая титан и магний . Исходный материал - первичный алюминий ; Вторичный алюминий (изготовленный из лома), в отличие от других алюминиевых литейных сплавов, не используется, поскольку он снижает удлинение при разрыве и ударную вязкость. Литейные сплавы AlCu склонны к образованию горячих трещин и используются в состояниях упрочнения Т4 и Т6.

В следующей таблице показан состав некоторых марок согласно DIN EN 1706. Все данные в процентах по массе , остальное - алюминий.

количество Химическая промышленность ( обозначение CEN ) Кремний железо медь марганец магний цинк титан
21000 AlCu4TiMg 0,2 0,4 4,2-5,0 0,10 0,15-0,35 0,1 0,15-0,30
21100 AlCu4Ti 0,18 0,2 4,2-5,2 0,55 - 0,07 0,15-0,30

Кованые сплавы

количество Химическая промышленность ( обозначение CEN ) Кремний железо медь марганец магний хром цинк титан Другие
EN AW-2007 AlCu4PbMgMn 0,8 0,8 3,3-4,6 0,50–1,0 0,4-1,8 0,10 0,8 0,20 0,20 Bi
0,8-1,5 Pb
0,2 Sn
0,2 Ni
EN AW-2011 AlCu6BiPb 0,40 0,7 5,0-6,0 - - - 0,30 - 0,20-0,6 Bi
0,2-0,6 Pb
EN AW-2014
(EN AW-2014A)
AlCu4SiMg
AlCu4MgSi (A)
0,5-1,2
(0,5-0,9)
0,7
(0,5)
3,9-5,0 0,40–1,2 0,20-0,8 0,10 0,25 0,15 0,2 Zr + Ti
(0,2 (Zr + Ti), 0,10 Ni)
RU AW-2017 AlCu4MgSi (А) 0,2-0,8 0,7 3,5-4,5 0,4-1,0 0,4-1,0 0,10 0,25 - 0,25 Zr + Ti
EN AW-2024 AlCu4Mg1 0,50 0,5 3,8-4,9 0,30-0,9 1,2–1,8 0,10 0,25 0,15 0,2 Zr + Ti
AA 2026 AlCu4Mg1Zr 0,05 0,07 3,6-4,3 0,30-0,8 1,0–1,6 - 0,10 0,06 0,05-0,25 Zr

Механические свойства

Условия:

  • O мягкий ( мягкий отжиг , также горячее формование с теми же предельными значениями прочности).
  • T3: отожженный на твердый раствор, закалка, деформационная закалка и искусственное старение
  • T4: раствор, отожженный, закаленный и искусственно состаренный
  • T6: раствор, отожженный, закаленный и искусственно состаренный
  • T8: отожженный на твердый раствор, деформационная закалка и искусственное старение
Численно Химическая промышленность (CEN) Положение дел Модуль упругости / МПа Модуль G / МПа Предел текучести / МПа Предел прочности на разрыв / МПа Относительное удлинение при разрыве /%
EN AW-2007 AlCu4PbMgMn
  • Т3
  • T8
72 500 27 300
  • 300
  • 310
  • 380
  • 405
  • 16
  • 14-е
EN AW-2011 AlCu6BiPb
  • Т3
  • Т4
  • T6
  • T8
72 500 27 300
  • 290
  • 270
  • 300
  • 315
  • 365
  • 350
  • 395
  • 420
  • 15-е
  • 18-е
  • 12
  • 13
RU AW-2014 AlCu4Mg
  • 0
  • Т4
  • T6
73 000 27 400
  • 85
  • 275
  • 425
  • 190
  • 430
  • 485
  • 20-е
  • 18-е
  • 12
RU AW-2017A AlCu4MgSi (А)
  • 0
  • Т4
72 500 27 200
  • 70
  • 275
  • 180
  • 425
  • 20-е
  • 21-е
EN AW-2024 AlCu4Mg1
  • 0
  • T8
73 000 27 400
  • 75
  • 450
  • 185
  • 485
  • 20-е
  • nb

Приложения

Алюминиево-медные сплавы используются в основном в авиастроении , где их низкая коррозионная стойкость играет второстепенную роль. Сплавы обрабатываются прокаткой , ковкой , экструзией, а иногда и литьем .

Чистые деформируемые сплавы AlCu

Выдержка из фазовой диаграммы для технически используемых сплавов
Полная фазовая диаграмма

Все сплавы AlCu основаны на системе чистых сплавов AlCu.

Растворимость меди и фаз

Алюминий образует эвтектику с медью при 547 ° C и 33 % по массе меди, что также соответствует максимальной растворимости. При более низких температурах растворимость резко падает; при комнатной температуре всего 0,1%.

При более высоком содержании меди образуется фаза Al 2 Cu - интерметаллическая фаза . Именно в тетрагональной структуре, которая настолько отличается от гранецентрированной кубической структуры алюминия, что фаза существует только как некогерентная фаза. Также есть частично когерентные и фазы.

Структурные преобразования

После того, как литье, материал, как правило, пересыщенный - твердый раствор , перед которым даже при комнатной температуре не содержит меди можно считать практически решены при этой температуре.

  • После этого при температурах ниже 80 ° C образуются зоны GP ( зоны GP (I)), в которых присутствуют повышенные концентрации меди, но которые еще не имеют структуры и не образуют собственных фаз.
  • При несколько более высоких температурах, до 250 ° C, образуется фаза (также называемая зонами GP (II)), которая увеличивает прочность.
  • При еще более высоких температурах образуется частично когерентная фаза.
  • и при более высоких температурах около 300 ° C образуется некогерентная фаза, в которой прочность снова падает.

Отдельные диапазоны температур перекрываются: даже при низких температурах образуются фазы или фазы, но они образуются гораздо медленнее, чем зоны GP (I / II). Каждая из фаз образуется быстрее, чем выше температура.

Зоны GP (I)

Образование зон GP (I) называется холодным упрочнением и происходит при температуре до 80 ° C. Это крошечные дискообразные слои толщиной всего в один атом и диаметром от 2 до 5 нанометров. Со временем количество зон и концентрация в них меди увеличиваются, но не их диаметр. Они когерентные с решеткой алюминия и формы на {100} плоскостей.

Зоны GP (II)

Зоны ( фазы) GP (II) в значительной степени ответственны за повышение прочности сплавов AlCu. Они связаны с кристаллом алюминия и состоят из чередующихся слоев алюминия и меди с толщиной слоя около 10 нанометров и размерами до 150 нанометров. В отличие от зон GP (I), это трехмерные выделения. Их слои параллельны плоскости {100} алюминия. Фаза образует фазы, но есть совпадения.

Зоны GP (II) требуют вакансий для роста , поэтому их недостаток ( например, из-за магния) приводит к задержке роста.

Частично когерентные фазы

Фаза лишь частично когерентный с сеткой алюминия и формами при температурах от 150 ° С до 300 ° С Он имеет форму тромбоцитов и может возникать из зон GP (II). Однако он также может возникать непосредственно в виде преципитации из смешанного кристалла. В первом случае увеличивающаяся межфазная энергия уменьшается за счет дислокаций , во втором случае выделения образуются преимущественно на дислокациях.

Некогерентные фазы

Фаза некогерентного с решеткой смешанного кристалла. Образуется при температуре 300 ° С и выше. Обычно он образует более крупные частицы на большем расстоянии, чем другие фазы, и, таким образом, не приводит к увеличению прочности или даже к уменьшению, если его образование происходит за счет других фаз. Фаза также возникает при температуре от 150 ° C до 250 ° C в виде осадков на границах зерен, так как это уменьшает межфазную энергию.

В фазе приводит к частично межкристаллитному перерыву ; что поведение трещины остается Ковкими в целом. Изменение характера разрушения вызвано зонами без осадков на границах зерен.

Эта фаза имеет большую разность потенциалов по сравнению со смешанным кристаллом, поэтому может возникнуть коррозия слоев и межкристаллитная коррозия . В случае более длительного отжига фазы зерен также разделяются, и разность потенциалов становится меньше.

Деформируемые сплавы AlCuMg (Si, Mn)

Сплавы AlCuMg являются наиболее важной группой сплавов AlCu. В них могут образовываться многие другие фазы:

  • Al 8 Mg 5 ( фаза, см. AlMg )
  • Al 2 CuMg, S фаза
  • Al 6 Mg 4 Cu, Т-фаза

Добавки магния ускоряют процесс закалки в холодном состоянии. Какие фазы образуются в основном, зависит от соотношения меди и магния. Если соотношение меньше 1/1, кластеры, содержащие Cu и Mg, удаляются. При соотношении более 1,5 / 1, что характерно для большинства технических сплавов, предпочтительно образуется фаза. Эти сплавы имеют значительно более высокую твердость и прочность.

литература

  • Aluminium-Taschenbuch - Volume 1. 16-е издание, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, стр. 101 f., 114-116, 121, 139-141.
  • Джордж Э. Тоттен, Д. Скотт Маккензи: Справочник по алюминию - Том 1: Металлургия и процессы. Марсель Деккер, Нью-Йорк / Базель 2003, стр. 140–152.
  • Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технике. 3-е издание, Springer, 2014 г., ISBN 978-3-662-43806-0 , стр. 117–124.

Индивидуальные доказательства

  1. ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр. 117 f.
  2. Aluminium-Taschenbuch - Том 1. 16-е издание, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, стр. 439.
  3. Aluminium-Taschenbuch - Том 1. 16-е издание, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, стр. 140 и выше.
  4. ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., с. 185.
  5. ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., приложение.
  6. ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., приложение.
  7. ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., приложение.
  8. ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр.118.
  9. ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр.119.
  10. ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр.119.
  11. ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр. 119 f.
  12. Джордж Э. Тоттен, Д. Скотт Маккензи: Справочник по алюминию - Том 1: Металлургия и процессы. Марсель Деккер, Нью-Йорк / Базель, 2003, стр. 140 f.
  13. ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр. 120.
  14. Джордж Э. Тоттен, Д. Скотт Маккензи: Справочник по алюминию - Том 1: Металлургия и процессы. Марсель Деккер, Нью-Йорк / Базель 2003, с. 141.
  15. ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр. 120.
  16. ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр. 120.
  17. Джордж Э. Тоттен, Д. Скотт Маккензи: Справочник по алюминию - Том 1: Металлургия и процессы. Марсель Деккер, Нью-Йорк / Базель 2003, стр. 141–143.
  18. ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр. 120 f.
  19. Джордж Э. Тоттен, Д. Скотт Маккензи: Справочник по алюминию - Том 1: Металлургия и процессы. Марсель Деккер, Нью-Йорк / Базель 2003, стр. 143.
  20. ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр.121.
  21. Джордж Э. Тоттен, Д. Скотт Маккензи: Справочник по алюминию - Том 1: Металлургия и процессы. Марсель Деккер, Нью-Йорк / Базель, 2003, стр. 146–149.
  22. ^ Aluminium-Taschenbuch - Volume 1. 16-е издание, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, стр. 114 f.