Вопросы для самопроверки

1. Приведите характерные свойства магния?

2. Как влияют легирующие элементы Al, Zn, Zr, Se на структуру и механические свойства магния?

3. Какому виду термической обработки подвергают магниевые сплавы для улучшения механических свойств?

4. Какие трудности возникают при изготовлении деталей методами литья из магниевых литейных сплавов?

5. Какие трудности возникают при изготовлении деталей методам литья из магниевых литейных сплавов, позволяющих применять их в бортовой радиоаппаратуре?

6. Приведите основные марки литейных и деформируемых сплавов, применяемых в конструкциях РЭС.

7. Приведите состав и основные достоинства магниевого сплава марки МНЦ.

4. Алюминиевые сплавы

0. Алюминий

Аюминий и его сплавы занимают одно из ведущих мест среди конструкционных материалов, применяемых для изготовления деталей РЭС.

Алюминий - элемент III группы периодической системы элементов, порядковый номер 13, атомная масса 26,98, температура плавления технического алюминия 657 °С, высокой чистоты 680 °С. Алюминий имеет ГЦК - решетку с периодом а=4,0412 Нм. Плотность алюминия 2,7 т/м³, удельное электрическое сопротивление 2,610^-8 Омм, коэффициент линейного расширения в диапазоне 20  100 °С, 23,9 10^-6 °С^-1, модуль упругости 71000 МПа. Алюминий не имеет полиморфных превращений, обладает большим сродством к кислороду, в результате чего на воздухе покрывается тонкой пленкой окиси алюминия. Беспористая плотная пленка защищает поверхность алюминия от дальнейшего окисления.

В зависимости от количества примесей производится алюминий особой, высокой и технической чистоты. Алюминий особой чистоты марки А999 содержит 99,999 % Al и примесей не более 0,001 %; алюминий высокой чистоты марок 99,995 (99,995 % Аl), А99 (99,99 % Al), А97 (99,97 % Al), А95 (99,95 % Al); алюминий технической чистоты марок А85, А8, А7, А6, А5, АО от 99,85 % до 99,0 % Al соответственно. Технический алюминий марок АДО, АД1 (99,5 и 99,3 % Al) содержит примеси Fe, Si, Cu, Mn, Zn, Mg.

Алюминий растворяется в щелочах, в соляной и серной кислотах; органические и азотная кислоты на него не действуют.

В производстве радиоэлектронных средств алюминий в чистом виде применяется для пленочных проводников микросхем, электрических конденсаторов, проводов, шкал, стрелок и др. Для изготовления несущих деталей конструкций РЭС применяются сплавы на основе Al - Cu, Al - Si, Al – Mg, Al – Mn, являющихся основными сплавами деформируемых, литейных конструкционных материалов на основе алюминия.

На рис.4.1 представлена левая часть диаграммы состояния Al - Cu, на основе которой формируется большинство конструкционных деформируемых сплавов.

Температура плавления алюминия 657 °С, меди 1083 °С. Эвтектический сплав содержит 33 % Cu и имеет температуру плавления 548 °С. Область однофазного твердого раствора А1-Си ограничена линиями АВD. Из диаграммы следует, что растворимость меди в алюминии при нормальной температуре составляет около 0,5 %, а с повышением температуры до эвтектической - 5,7 %. Сплавы с содержанием меди 0,5-5,7 % можно перевести в однофазную структуру -твердого раствора путем нагрева выше линии ВD, выдержки при этой температуре и быстром охлаждении до комнатной температуры, т.е. закалить. При нагреве под закалку избыточная интерметаллидная фаза CuAl₂ полностью растворяется, и при быстром охлаждении фиксируется только пересыщенный  - твердый раствор. Время выдержки при температуре закалки зависит от структурного состояния сплава, толщины изделия. После закалки сплавы имеют сравнительно невысокую прочность (_в, _0,2) и высокую пластичность (, ).

Но пересыщенный твердый раствор является неустойчивым и в нем при нормальной температуре происходят сложные превращения, приводящие к распаду его, что увеличивает прочность сплава. Процесс распада твердого раствора проходит в течение 4-5 суток, который называется старением. После старения предел прочности значительно возрастает и достигает 400 МПа. После закалки в первые часы скорость упрочнения значительно меньше, чем в последующие. Начальный период старения после закалки называется инкубационным и имеет важное технологическое значение, так как сплав обладает большой способностью к пластической деформации. Закаленные образцы можно подвергать разнообразным технологическим операциям, связанным с деформацией (гибке, отбортовке и т.д.) Через 23 часа способность к пластической деформации начинает резко уменьшаться и эти операции становятся неосуществимыми.

Рис. 4.1. Диаграмма состояния Al – Cu

Рассмотрим процессы, протекающие в сплаве Al - Cu при старении. При естественном (при 20 °С) или низкотемпературном искусственном старении (ниже 100-150 °С) после закалки не наблюдается распада твердого раствора с выделением избыточной фазы; при этих температурах атомы меди перемещаются только внутри кристаллической решетки  -твердого раствора на весьма малые расстояния и собираются по плоскостям (100) в двумерные пластинчатые образования или диски, так называемые зоны Гинье -Престона (ГП-1). Зоны ГП-1 имеют протяженность 30-60 А и толщиной 510 А. Содержание меди в зонах повышенное, но еще не отвечает формуле CuAl₂. Естественно, такое состояние сплава является неустойчивым.

Если сплав после естественного старения кратковременно нагреть (на несколько минут) до 230-270 °С, то упрочнение полностью снимается, и свойства сплава будут соответствовать свежезакаленному состоянию. Это явление называется возвратом. Разупрочнение при возврате связано с тем, что зоны ГП-1 при этих температурах оказываются нестабильными и поэтому растворяются в твердом растворе, а атомы меди распределяются равномерно в объемах каждого кристалла. После возврата при естественном старении (при комнатной температуре) вновь происходит упрочнение сплава, однако в этом случае ухудшаются коррозионные свойства сплава.

Процесс естественного старения, связанный с образованием зон ГП-1, называют зонным старением. Длительная выдержка при 100 °С или 150 °С (несколько часов) приводит к образованию зон ГП-2, имеющих больший размер, чем зоны ГП-1. Концентрация меди в них соответствует содержанию ее в CuAl₂. С повышением температуры старения процессы структурных превращений и самоупрочнение протекают быстрее. Выдержка в течение нескольких часов при температуре 150  200 °С приводит к образованию в местах, где расположены ГП-2, дисперсных (тонкопластинчатых) частиц промежуточной - фазы, не отличающейся по химическому составу от стабильной -фазы (CuAl₂), но имеющей отличную кристаллическую решетку. Повышение температуры до 200250 °С приводит к перерождению  фазы в  фазу (CuAl₂) и происходит ее коагуляция. Такой процесс образования  -фазы именуется старением.

Таким образом, при естественном старении образуются лишь зоны ГП-1. При искусственном старении последовательность структурных изменений представляется в виде схем: ГП-1ГП-2' (CuAl₂).

После зонного старения сплавы в основном имеют повышенный предел текучести и относительно невысокое отношение _0,2/_в < 0,60,7, повышенную пластичность, хорошую коррозионную стойкость и низкую чувствительность к хрупкому разрушению.

После фазового старения отношение _0,2/_в повышается до 0,90,95, а пластичность, вязкость, сопротивление хрупкому разрушению и коррозии под напряжением снижаются.

В простых сплавах Al - Cu с 35 % Cu (или в таких же сплавах, но с небольшим количеством магния) процесс зонного старения протекает при комнатных температурах и приводит к максимальному упрочнению (рис.4.2); при температурах 100-150 °С зонное старение переходит в фазовое, а оно приводит к получению максимальной прочности. При еще больших температурах (200 °С) происходит перерождение ' - фазы в -фазу (или прямое образование -фазы из твердого раствора), что дает меньшее упрочнение сплава.

0. Конструкционные деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой

Деление алюминиевых сплавов Al - Cu на деформируемые и литейные иллюстрируется диаграммой, приведенной на рис.4.1. Линия II - II, прове-

Рис.4.2. Кривые старения дюралюминия при различных температурах

денная параллельно оси ординат через точку В (5,7 % Си), является границей, разделяющей сплавы на деформируемые (слева от линии) и литейные (справа от линии II - II). Линия I - I проведенная через точку D делит деформируемые сплавы на упрочняемые термической обработкой, находящиеся между линией I - I и II - II и на не упрочняемые термической обработкой (слева от линии I - I).

Теоретической границей (линия I - I) между упрочняемыми и не упрочняемыми сплавами является предел насыщения твердого раствора при комнатной температуре, но практически сплавы, содержащие меди до 2 % не дают ощутимых результатов в свойствах, так как не имеют большого пресыщения твердого раствора. Они не упрочняются при термической обработке из-за малого количества упрочняющей фазы.

Практическое применение нашли сплавы алюминия, легированные марганцем или магнием. Химический состав деформируемых не упрочняемых сплавов приведен в табл.4.1, а механические свойства - в табл.4.2. В этих таблицах приведен также состав и свойства технического алюминия марок АДО, АД1.

Из таблицы видно, что алюминиево-марганцевые и алюминиево-магниевые сплавы имеют более высокие механические свойства, по сравнению с чистым алюминием, и высокую пластичность. Кроме того, они обладают повышенной коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. При содержании Mg выше 2 % имеют меньшую плотность, чем чистый Al.

Таблица 4.1