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 |
|
72 500 | 27 300 |
|
|
|
EN AW-2011 | AlCu6BiPb |
|
72 500 | 27 300 |
|
|
|
RU AW-2014 | AlCu4Mg |
|
73 000 | 27 400 |
|
|
|
RU AW-2017A | AlCu4MgSi (А) |
|
72 500 | 27 200 |
|
|
|
EN AW-2024 | AlCu4Mg1 |
|
73 000 | 27 400 |
|
|
|
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
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
- ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр. 117 f.
- ↑ Aluminium-Taschenbuch - Том 1. 16-е издание, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, стр. 439.
- ↑ Aluminium-Taschenbuch - Том 1. 16-е издание, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, стр. 140 и выше.
- ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., с. 185.
- ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., приложение.
- ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., приложение.
- ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., приложение.
- ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр.118.
- ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр.119.
- ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр.119.
- ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр. 119 f.
- ↑ Джордж Э. Тоттен, Д. Скотт Маккензи: Справочник по алюминию - Том 1: Металлургия и процессы. Марсель Деккер, Нью-Йорк / Базель, 2003, стр. 140 f.
- ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр. 120.
- ↑ Джордж Э. Тоттен, Д. Скотт Маккензи: Справочник по алюминию - Том 1: Металлургия и процессы. Марсель Деккер, Нью-Йорк / Базель 2003, с. 141.
- ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр. 120.
- ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр. 120.
- ↑ Джордж Э. Тоттен, Д. Скотт Маккензи: Справочник по алюминию - Том 1: Металлургия и процессы. Марсель Деккер, Нью-Йорк / Базель 2003, стр. 141–143.
- ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр. 120 f.
- ↑ Джордж Э. Тоттен, Д. Скотт Маккензи: Справочник по алюминию - Том 1: Металлургия и процессы. Марсель Деккер, Нью-Йорк / Базель 2003, стр. 143.
- ^ Фридрих Остерманн: Применение алюминия в технологии. 3-е издание, Springer, 2014 г., стр.121.
- ↑ Джордж Э. Тоттен, Д. Скотт Маккензи: Справочник по алюминию - Том 1: Металлургия и процессы. Марсель Деккер, Нью-Йорк / Базель, 2003, стр. 146–149.
- ^ Aluminium-Taschenbuch - Volume 1. 16-е издание, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, стр. 114 f.