Алюминий и его сплавы. Особенности обработки

Особенности обработки изделий из алюминиевых сплавов

Деревцов Андрей Олегович
Магистрант РУТ (МИИТ)
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Российский университет транспорта (МИИТ)»
E-mail: t.teh-mash@rambler.ru

Алюминиевые сплавы с точки зрения обрабатываемос­ти можно разделить на три группы. К первой относятся сплавы низкой твердости, имеющие склонность к налипанию на инструмент, например дюралюминий в отожженном состоянии. Сплавы второй группы имеют более высокую твердость, не налипают на инструмент. К этой группе относятся термически упрочненный дюралюминий, а также кованые сплавы АК6, АК8 и др.

В третью группу входят широко распространенные литые сплавы, содержащие кремний, в частности силумины различных марок. Для первых двух групп наиболее характерно образование сливной стружки в виде длинных лент или спиралей, для третьей — стружка легко дробится на короткие элементы.

По сравнению со сталью алюминиевые сплавы обла­дают меньшей твердостью, более низким временным сопротивлением и лучшей теплопроводностью, что позво­ляет значительно повышать скорость резания и подачу.

Обработка алюминиевых сплавов характеризуется следующими особенностями:

· высокие скорости резания

· минимальный износ режущего инструмента

· сравнительно низкая температура резания

Для обработки алюминия лучше всего использовать режущие инструменты со специально разработанной геометрией. Также можно использовать обычные режущие инструменты, но в этом случае сложно достигнуть необходимого качества поверхности и избежать образования на режущей кромке нароста.

Алюминий может подвергаться всем способам обработки со снятием стружки. Обработка резаньем алюминия по сравнению со сталью характеризуется значительно более высокой скоростью резания при равной стойкости инструмента. Алюминий должен обрабатываться со скоростями резания не ниже 90 м/мин. Исключением являются ручные работы, протяжка, сверление, зенковка и нарезание резьбы . В зависимости от состава и состояния или прочности при обработке резанием алюминия выделяют три группы: 1 — нестареющие деформируемые сплавы; 2 — стареющие деформируемые сплавы и литейные сплавы с содержанием Si меньше 10 %; 3 — литейные сплавы с Si более 10 % [1].

При изготовлении деталей из крупногабаритных поковок целесообразно использовать следующую схему изготовления: — черновая механическая обработка; — закалка; — искусственное старение 190º C, 22 часа, (допускается 36 часов для крупногабаритных поковок с целью уменьшения коробления во время механической обработки и повышения размерной стабильности); — получистовая механическая обработка; — стабилизирующее старение 190º C, 19 часов; — чистовая механическая обработка. Контроль параметров качества и в частности точности размеров производится после каждой операции.

Для алюминиевых сплавов 1201 и Д16 необходима выдержка деталей, особенно тонкостенных, перед переустановкой, в п ротивном случае может произойти её деформирмация вследствие остаточных внутренних напряжений, полученных в результате механической обработки. Так же необходимо обеспечение постоянной и равномерной подачи СОЖ либо применение системы охлаждения инструмента масляным туманом для создания термоконстантных условий резания и исключения деформаций детали.

Алюминиевые сплавы с улучшенной обрабатываемостью резанием содержат низкоплавкие мягкие металлы, которые способствуют образованию короткой стружки. Обычно — это сплавы с добавками свинца или висмута.

Одним из технологических параметров, которые влияют на форму стружки, является геометрия зуба режущего инструмента. Так, при пониженном переднем угле образуются более короткая стружка в тех сплавах, для которых обычно характерна длинная стружка. Это происходит за счет сжатия стружки (рисунок 1).

Рисунок 1 — Сжатие стружки при большом и малом переднем угле зуба

Иногда при обработке алюминия можно столкнуться и с негативными эффектами.
Первый — высокая вязкость некоторых сплавов. Поэтому, как правило, на инструменте для обработки сплавов алюминия делают большие стружечные канавки для облегченного схода стружки, хотя это и ограничивает максимальное количество зубьев на фрезе двумя либо тремя.

Второй негативный эффект — наростообразование. При наплавке материала, происходит забивание канавки, что ведет к дисбалансу инструмента. При затуплении режущей кромки, происходит перегрев инструмента, что может привезти к заклиниванию и как следствие, к поломке дорогостоящего инструмента.
На степень и глубину наплавки материала, влияют режимы резания, геометрия режущего инструмента, степень его затупления, т.е. все факторы, определяющие протекание пластической деформации в зоне резания.

Увеличение скорости резания способствует уменьшения глубины и степени наплавки, а подачи и глубины резания — к их увеличению.

Обрабатываемость алюминия

Алюминиевые сплавы в общем также высоко оцениваются по обрабатываемости по большинству критериев. Как и у магния, температура плавления алюминия (659° С) и его сплавов низкая, и возникающая при резании температура не бывает никогда достаточно высокой, чтобы повлиять на структуру термообработанных инструментов из быстрорежущей стали. Хорошая стойкость инструмента может быть получена при обработке большинства алюминиевых сплавов со скоростями резания вплоть до 600 м/мин твердосплавными инструментами и 300 м/мин инструментами из быстрорежущей стали. Скорости вплоть до 4500 м/мин применялись для специальных целей.

При работе инструмента изнашивается задняя поверхность, однако о подробном изучении механизма износа в литературе не сообщалось. Высокие скорости износа инструмента стали серьезной проблемой только при обработке некоторых алюминиевых сплавов. В структуре литейных алюминиевых сплавов (силуминах) 17—23% кремния, в которых содержание кремния выше эвтектического состава, имеются зерна кремния большего размера, вплоть до 70 мкм в поперечнике, в дополнение к тонко диспергированному кремнию в эвтектической структуре. Большие кристаллы кремния в значительной степени увеличивают скорость износа, даже когда обработка ведется твердосплавными инструментами. Эвтектические сплавы, содержащие 11—14% Si, могут быть обработаны со скоростью 300—450 м/мин при достаточной стойкости твердосплавного инструмента, однако присутствие зерен кремния большого размера может снизить допустимую скорость резания всего лишь до 100 м/мин. Сильное влияние частиц кремния большого размера обусловлено тем, что они способствуют возникновению высоких напряжений и температуры на режущей кромке. Сечение по изношенной режущей кромке твердосплавного инструмента после обработки алюминиевого сплава, содержащего 19% Si, показано на рис. 7.2. Слой кремния, прочно соединенный с изношенной поверхностью, свидетельствует о том, что большие кристаллы кремния вызывают адгезионный износ. Частицы кремния имеют высокую температуру плавления (1420° С) и высокую твердость (HV>400). Это служит доказательством того, что износ инструментов зависит не только от фаз, присутствующих в материале заготовки, но также от их размера и распределения. Мелкие частицы кремния в эвтектическом сплаве могут проходить режущую кромку, не вызывая большого повреждения инструмента. Механическая обработка высококремнистых силуминов является одной из областей применения алмазных инструментов и для разработанных в последнее время инструментов с алмазным покрытием.

Как правило, силы резания при обработке алюминиевых сплавов низкие и имеют тенденцию к слабому уменьшению с увеличением скорости резания. Однако при обработке технически чистого алюминия возникают высокие силы резания, особенно на низких скоростях резания. В этом отношении алюминий отличается от магния, но аналогичен многим другим чистым металлам.

Площадка контакта на передней поверхности инструмента очень большая, что приводит к большим силам подачи Ff, небольшой величине угла сдвига, очень толстой стружке и, как следствие, большой силе резания Fc и большой затрачиваемой мощности. Влияние на чистый алюминий большинства легирующих добавок или холодной обработки заключается в уменьшении сил резания, особенно при низких скоростях резания. Обычно большинство алюминиевых сплавов, как литых, так и пластически деформируемых, легче обрабатываются, чем чистый алюминий, несмотря на его более низкий предел прочности на сдвиг.

При обработке технически чистого алюминия отсутствует нарост, однако шероховатость поверхности увеличивается (за исключением обработки с очень высокими скоростями резания). Большинство алюминиевых сплавов имеют структуру, содержащую более одной фазы, и при их обработке нарост возникает при низких скоростях резания (рис. 7.3). При более высоких скоростях резания, например, свыше 60—90 м/мин, нарост может не образовываться. Силы резания меньше там, где образуется нарост, а стружка тонкая, однако шероховатость поверхности ухудшается.

Основной проблемой, влияющей на обрабатываемость алюминия, является отвод стружки из зоны резания. Обширные пластические деформации до разрушения легче протекают при обработке алюминия, имеющего гранецентрированную кубическую структуру, чем магния, имеющего гексагональную структуру. При обработке алюминия и некоторых его сплавов образуется сливная стружка сравнительно толстая, прочная и с трудом разрушающаяся. Фактическая форма стружки в значительной степени изменяется, но она может опутывать инструмент, что вызывает остановки при работе для уборки стружки. В сверлах, метчиках и многих типах фрез стружка может привести к засорению канавок или пространства между зубьями, что часто вызывает необходимость изменения конструкции инструмента для обработки алюминия. Режущая способность может быть часто улучшена путем изменения переднего угла или при применении стружколомателей или стружкозавивателей для завивки стружки в спираль малого радиуса. Другим методом является модификация состава сплава для получения элементной или более легкой разламывающейся стружки. В стандартные технические условия на алюминий теперь включены легкообрабатываемые сплавы с добавками свинца, свинца и висмута или олова и сурьмы в количестве до 0,5%. Неизвестно, как эти добавки действуют, однако стружка легче разламывается на мелкие сегменты. Эти металлы имеют низкую температуру плавления, не переходят в твердый раствор в алюминии и присутствуют в структуре как диспергированные мелкие сферические частицы. Основная цель добавления легкообрабатываемых присадок в алюминий и его сплавы состоит скорее в улучшении формы стружки, чем в повышении стойкости инструмента или увеличении скорости съема металла.

Превосходная обрабатываемость алюминиевых сплавов вообще делает их идеальным материалом для обработки на станках-автоматах. Может быть успешно освоено автоматическое производство определенных форм деталей, так как большая стойкость инструмента и постоянство его характеристик могут быть гарантированы даже при высокой скорости съема металла и при большом разнообразии операций механической обработки, включающих, например, точение, фрезерование, сверление, резьбонарезание и развертывание. Попытки распространить методы автоматической обработки на другие классы обрабатываемых материалов не были столь успешными.

Механическая обработка алюминия / Machining of aluminium

89 Справочник HOFFMANN GROUP 2012 Обработка материалов резанием Garant ToolScout Стр.61

Обрабатываемость алюминиевых сплавов резанием Алюминий относится к металлам, легко поддающимся резанию В сравнении со сталью той же прочно

Обрабатываемость алюминиевых сплавов резанием Алюминий относится к металлам, легко поддающимся резанию. В сравнении со сталью той же прочности возникающие силы резания более оптимальны (прим. на 30% меньше). Из-за относительно большого объёма стружки, образующейся при обработке алюминия, важным критерием является её форма. Она зависит от материала, режимов резания и частично от геометрии рабочего инструмента. При обработке алюминия резанием имеет место большое расхождение стойкости. Решающим параметром износа является износ задней поверхности режущей части. Износ по передней поверхности (лункообразный износ) при обработке алюминия не возникает. Рис. 1.16 Фрезерование полостей в алюминиевой заготовке 61 Материалы Разработка сплавов на основе алюминия для поршней ДВС в отдельных случаях приводит к образованию заэвтектических составов (Si > 12%). С увеличением содержания кремния происходит одновременное снижение коэффициента расширения алюминиевого сплава. 3.1.2

762 SANDVIK COROMANT 2010 Руководство по металлообработке Точение Фрезерование Сверление Стр.H31

Особенности обработки алюминия резанием на станках Материал дающий длинную стружку Относительно хорошее стружкодробление при условии легирования

Особенности обработки алюминия резанием на станках Материал дающий длинную стружку Относительно хорошее стружкодробление при условии легирования _ Чистый алюминий вязок и требует острых режущих кромок и высокой скорости резания vc. Удельная сила резания 350-700 Н/мм2. Усилия резания и соответственно мощность необходимая для резания небольшие. При содержании кремния до 7-8% можно обрабатывать мелкозернистыми твёрдыми сплавами без покрытия а при большем содержании кремния — сплавами с вставками из PCD для алюминия. Алюминий с содержанием кремния 12% очень абразивен. Типовые детали Блоки двигателей головки цилиндров корпуса КПП кожухи элементы корпусов самолёта. Коды MC для материалов N Более подробная информация по обработке материалов группы ISO N приведена в разделах Точение с. A 39 Отрезка и обработка с. В 10 Фрезерование с. D 38 и Сверление с. E 17. Код MC Группа материалов Подгруппа обрабатываемого материала Метод получения Термическая обработка Твёрдость Удельная сила резания (Н/мм2) тс N1.1.Z.UT 1 сплавы на основе алюминия 1 технически чистые Z литьё UT необработанные 30 HB 350 0.25 N1.2.Z.UT 1 2 2 2 2 сплавы AISi Si 1% Z Z UT 60 HB 400 0.25 N1.2.Z.AG 1 AG подверженные старению 100 HB 650 0.25 N1.2.S.UT 1 S спекание UT необработанные 75 HB 410 0.25 N1.2.C.NS 1 C литьё NS не указано 80 HB 410 0.25 N1.3.C.UT 1 3 3 литые сплавы AISi Si 1% и 13% C C UT необработанные 75 HB 600 0.25 N1.3.C.AG 1 AG подверженные старению 90 HB 700 0.25 N1.4.C.NS 1 4 литые сплавы AISi Si 13% C NS не указано 130 HB 700 0.25 N2.0.C.UT 2 сплавы на основе магния 0 основная группа C литьё UT необработанные 70 HB N3.1.U.UT 3 сплавы на основе меди 1 бессвинцовые сплавы меди (включая электролитическую медь) U не указано UT необработанные 100 HB 1350 0.25 N3.2C.UT 3 2 2 свинцовистая латунь и бронза (Pb 1%) C литьё UT 90 HB 550 0.25 N3.3.S.UT 3 S спекание UT 35 HB N3.3.U.UT 3 3 сплавы на основе автоматной меди (Pb 1%) U не указано UT 110 HB 550 0.25 N3.4.C.UT 3 4 высокопрочная бронза (225HB) C литьё UT 300 HB N4.0.C.UT 4 сплавы на основе цинка 0 основная группа C литьё UT необработанные 70 HB SANDVIK H 31 Обрабатываемые материалы Цветные металлы Определение В эту группу входят цветные мягкие металлы твёрдостью до 130 HB кроме высокопрочной бронзы (225HB). Цветные металлы ISO N Сплавы алюминия Al с содержанием кремния Si до 12 13% самая крупная подгруппа MMC композитный материал с металлической матрицей Al SiC (20-30%). Сплавы на основе магния Медь электролитическая медь (9995% Cu). Бронза сплав меди с оловом (Sn) (10-14%) и или алюминием (3-10%). Латунь сплав меди (60-85%) с цинком (Zn) (15-40%). Обрабатываемость алюминия

22 Руководство DORMER 2008 Обработка металлов резанием на металлорежущих станках Стр.22

Особенности технологии станочной обработки алюминиевых сплавов и алюминия Высокие скорости резания Низкие усилия Минимальный износ режущего инструмента

Особенности технологии станочной обработки алюминиевых сплавов и алюминия Высокие скорости резания Низкие усилия Минимальный износ режущего инструмента _ сравнительно низкая температура резания. Для обработки алюминия лучше всего использовать режущие инструменты со специально разработанной геометрией. Также можно использовать обычные режущие инструменты, но в этом случае сложно достигнуть необходимого качества поверхности и избежать образования на режущей кромке нароста. ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ Часто алюминий используется в виде сплавов, легированных кремнием (Si), магнием (Mg), марганцем (Mn), медью (Cu) и цинком (Zn) для получения различных показателей прочности, твердости и пластичности. Сплав, содержащий менее 1% железа и кремния, называется технически чистым алюминием. Алюминиевые сплавы обычно делятся на деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы могут быть термообрабатываемые, нетермообрабатываемые и механически упрочняемые. Отливки из алюминиевых сплавов могут изготавливаться литьем в металлическую или в песчаную форму. Как правило, они содержат от 7 до 12% кремния. Выбор марки литейного сплава зависит от метода литья и характеристик конечного изделия. Деформируемые алюминиевые сплавы в основном бывают термообрабатываемыми и нетермообрабатываемыми. Различные виды термообработки и старения позволяют улучшить механические свойства этих сплавов. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ Алюминий является вторым по используемости металлом. Причиной этому служит привлекательное сочетание низкой плотности, высокой прочности, хорошей проводимости и простоты утилизации. Алюминий используется везде: Транспорт: автомобили, грузовики, автобусы и поезда, где применение алюминия позволяет снизить вес. Например, из него изготавливаются блоки цилиндров, поршни и радиаторы. Машиностроение: изготовление различных конструкций, в том числе из специально сконструированных профилей. Алюминиевые сплавы широко используются в электромеханических устройствах, строительстве и в качестве упаковочного материала. ВАЖНАЯ ИНФОРМАЦИЯ ОБ ОБРАБОТКЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ При обработке алюминиевых сплавов необходимо использовать инструмент с острыми режущими кромками и позитивной геометрией. Правильный выбор скорости резания и подачи очень важны для снижения образования нароста и улучшения стружкодробления. Для обработки алюминиевых сплавов с содержанием кремния больше 6%, обладающих абразивными свойствами, необходимо использовать инструмент с покрытием. Использование СОЖ важно при обработке алюминиевых сплавов. 22 Общая информация Обработка алюминиевых сплавов Обработка алюминиевых сплавов характеризуется следующими особенностями:

273 Каталог KORLOY 2013 Металлорежущий инструмент и инструментальная оснастка Стр.

Фасонное точение на токарном металлорежущем оборудовании с числовым программным управлением (ЧПУ) Токарный профильный сборный резец Иллюстрация из каталога

Фасонное точение на токарном металлорежущем оборудовании с числовым программным управлением (ЧПУ) Токарный профильный сборный резец Иллюстрация из каталога _ Карлой с твердосплавной многогранной режущей пластиной крупным планом на цветной фотографии инструментального промышленного каталога 2013 года Механическая обработка

Учебные материалы

Алюминий — металл серебристо-белого цвета, порядковый номер в Периодической системе Д.И. Менделеева — 13, атомный вес 26,97. Кристаллическая решетка ГЦК с периодом а = 4,0414 Å, атомный радиус 1,43 Å. Плотность — 2,7 г/см 3 , температура плавления 660 0 С. Имеет высокую тепло- и электропроводность. Удельное электросопротивление 0,027 мкОм×м. Предел прочности s_в = 100 МПа, относительное сужение y = 40 %.

В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты А999 (99,999 % Аl), высокой чистоты: А995,А99, А97, А95 и технической чистоты: А85, А8, А7, А6, А5 (99,5 % Аl), АО (99,0 % Аl).

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на его поверхности тонкой прочной пленки Аl₂О₃. Алюминий легко обрабатывается давлением, обработка резанием затруднена, сваривается всеми видами сварки.

Ввиду низкой прочности алюминий применяют для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от металла требуется легкость, высокая электропроводность. Из него изготовляют трубопроводы, фольгу, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуду теплообменники, провода, кабели. Алюминий имеет большую усадку затвердевания (6 %).

Как конструкционный материал значительно чаще применяются алюминиевые сплавы. Они характеризуются высокой удельной прочностью, способностью сопротивляться инерционным и динамическим нагрузкам, хорошей технологичностью. Предел прочности достигает 500…700 МПа. Большинство обладают высокой коррозионной стойкостью (за исключением сплавов с медью). Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются Сu, Mg, Si, Mn, Zn, реже Li, Ni, Ti. Многие образуют с алюминием твердые растворы ограниченной переменной растворимости и промежуточные фазы СuAl₂, Mg₂Si и др. Это дает возможность подвергать сплавы упрочняющей термической обработке. Она состоит из закалки на пересыщенный твердый раствор и естественного или искусственного старения.

По технологическому признаку алюминиевые сплавы подразделяются на две группы (рисунок 52): деформируемые, литейные.

1. деформируемые: а — не упрочняемые ТО; б — упрочняемые ТО;
2. литейные

Рисунок 52 — Диаграмма состояния сплавов алюминий — легирующий элемент

Сплавы левее точки F имеют структуру однофазного a — твердого раствора, который имеет высокую пластичность и не упрочняются термической обработкой. Упрочнить эти сплавы можно холодной пластической деформацией (наклепом). На участке FD’ сплавы имеют предельную растворимость легирующего элемента в алюминии и поэтому упрочняются термической обработкой. Сплавы правее точки D’ имеют в структуре эвтектику, которая придает сплавам высокую жидкотекучесть. Поэтому эти сплавы относятся к литейным.

Старение закаленных сплавов. После закалки алюминиевые сплавы подвергаются старению, которое приводит к дополнительному повышению прочности сплава при некотором снижении пластичности и вязкости.

В зависимости от условий проведения, различают два вида старения:

1. естественное, при котором сплав выдерживают при нормальной температуре несколько суток;
2. искусственное, при котором сплав выдерживается при повышенной температуре в течение 10…24 ч.

В процессе старения происходит распад пересыщенного твердого раствора, в решетке которого атомы меди располагаются статистически равномерно. В зависимости от температуры и продолжительности, старение протекает в несколько стадий.

Так, например, в сплавах Аl — Сu при естественном или низкотемпературном искусственном старении (ниже 100…150 0 С) образуются зоны Гинье-Престона 1 (ГП-1). На начальной стадии в пересыщенном a — твердом растворе образуются объемы (сегрегации), обогащенные атомами меди. Они представляют собой пластинчатые или дисковые образования диаметром 4…6 нм и толщиной несколько атомных слоев.

При более высоких температурах нагрева образуются крупные зоны ГП-2. Выдержка в течение нескольких часов приводит к образованию в зонах ГП-2 дисперсных частиц q — фазы (СuAl₂). Образование зон ГП-1, ГП-2 и q- фазы приводит к повышению прочности и твердости закаленных алюминиевых сплавов.

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термообработкой. Эти сплавы отличаются высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью. Пластическая деформация упрочняет сплавы почти в 2 раза.

К этой группе сплавов относятся марки АМц (1,1…1,6 % Мn), АМг2, АМг3, АМг5, АМг6 (цифра показывает содержание магния в процентах).

Они применяются для сварных элементов конструкций, испытывающих сравнительно небольшие нагрузки и требующие высокого сопротивления коррозии. Из сплавов АМц, АМг2, АМг3 изготовляют емкости для хранения нефтепродуктов, трубопроводы для масла и бензина, палубные надстройки, в строительстве — витражи, перегородки, двери, оконные рамы и др. Сплавы АМг5, АМг6 применяются для средненагруженных деталей и конструкций: рамы и кузова вагонов, перегородки зданий переборки судов, кабины лифтов.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой. Наиболее распространенными представителями группы алюминиевых сплавов, применяемыми в деформированном виде и упрочняемыми термической обработкой, являются дуралюмины (от французского dur- твердый). К ним относятся сплавы системы Al — Cu – Mg — Mn. Типичными дуралюминами являются марки Д1 и Д16. Их химический состав приведен в таблице 18.

Таблица 18 — Химический состав дуралюминов, %

Дуралюмины после закалки подвергают естественному старению, т.к. при этом обеспечивается более высокая коррозионная стойкость. Время старения 4…5 суток. Иногда применяют искусственное старение при температуре 185…195 0 С. Из сплава Д16 изготовляют обшивки, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей, шпангоуты, стрингера, лонжероны самолетов и т.д.

Сплавы авиаль (АВ) уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях, хорошо свариваются и сопротивляются коррозии, имеют высокий предел усталости. Упрочняющей фазой является соединение Мg₂Si.

Авиаль закаливается при 515…525 0 С с охлаждением в воде, а затем подвергается естественному старению (АВТ) или искусственному при температуре 160 0 С в течение 12 часов (АВТ1). Изготовляют листы, трубы, лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери.

Высокопрочные алюминиевые сплавы. Прочность этих сплавов достигает 550…700 МПа, но при меньшей пластичности, чем у дуралюминов. Они, кроме Сu и Mg содержат Zn. К ним относятся сплавы В95, В96. Упрочняющими фазами являются MgZn2, Al3Mg3Zn3, Al2CuMg. С увеличением содержания цинка прочность повышается, но снижается пластичность и коррозионная стойкость.

Сплавы закаливают при 465…475 0 С с охлаждением в воде и подвергают искусственному старению при 135…145 0 С в течение 16 ч. Они более чувствительны к концентратам напряжений и имеют пониженную коррозионную стойкость под напряжением. Применяются там же, где и дуралюмины.

Ковочные алюминиевые сплавы отличаются высокой пластичностью при температурах ковки и штамповки (450…475 0 С) и удовлетворительными литейными свойствами. Закалка проводится при 515…525 0 С с охлаждением в воде, старение при 150…160 0 С в течение 4…12 ч. Упрочняющими фазами являются Mg₂Si, CuAl₂.

Сплав АК6 используют для деталей сложной формы и средней прочности (sв = 360 МПа) — крыльчатки, качалки, крепежные детали.

Сплав АК8 с повышенным содержанием Сu хуже обрабатываются давлением, но более прочный и применяется для изготовления подмоторных рам, лопастей винтов вертолетов и др.

Жаропрочные сплавы. Эти сплавы применяются для деталей, работающих до 300 0 С (поршни, головки цилиндров, обшивка самолетов, лопатки и диски осевых компрессоров, крыльчатки и т.д.). Эти сплавы дополнительно легируют Fe, Ni, Ti.

Сплав АК4-1 закаливают при 525…535 0 С, а сплав Д20 — при 535 0 С в воде и подвергают старению при 200…220 0 С. Упрочняющими фазами являются СuAl₂, Mg₂Si, Al₂CuMg, Al₉FeNi. При частичном распаде твердого раствора они выделяются в виде дисперсных частиц, устойчивых к коагуляции, что обеспечивает повышенную жаропрочность.

Литейные алюминиевые сплавы. Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии.

Высокие литейные свойства имеют сплавы, содержащие в структуре эвтектику. Содержание легирующих элементов в этих сплавах больше предельной растворимости их в алюминии и больше, чем в деформируемых. Чаще применяют сплавы Al — Si, Al — Cu, Al — Mg. Для измельчения зерна, а следовательно улучшения механических свойств, в сплавы вводят модифицирующие добавки (Ti, Zr, B, V, Na и др.). Многие отливки из алюминиевых сплавов подвергают термической обработке. Например: отжиг при 300 0 С в течение 5… 10 ч; закалка и естественное старение t_зак = 510…520 0 С и охлаждение в горячей воде (40…100 0 С) выдержка до 20 часов.

Сплавы Al — Si (силумины) содержат много эвтектики, поэтому обладают высокими литейными свойствами отливки, более плотные. К ним относятся сплавы АЛ2, АЛ4, АЛ9.

АЛ2 содержит 10-13% Si и является эвтектическим сплавом, упрочняющей термической обработке не подвергается.

АЛ4, АЛ9 — доэвтектические и дополнительно легированы Мg. Могут упрочняться термообработкой. Упрочняющей фазой служат Mg₂Si. Эти сплавы применяют для изготовления крупных нагруженных деталей: корпуса компрессоров, картеры и блоки цилиндров двигателей.

Сплавы Al — Cu. Эти сплавы (АЛ7, АЛ19) имеют более низкие литейные свойства, чем силумины. Поэтому их применяют, как правило, для отливок небольших деталей простой формы (арматура, кронштейны и т.д.). Имеют большую усадку, склонность к образованию горячих трещин и к хрупкому разрушению.

Сплавы Аl — Mg. Эти сплавы (АЛ8, АЛ27) имеют низкие литейные свойства, так как не содержат эвтектики. Характерной особенностью этих сплавов является хорошая коррозионная стойкость, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием. Они предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере. Сплавы марок АЛ13 и АЛ22 имеют более высокие литейные свойства в результате образования тройной эвтектики.

Жаропрочные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АЛ1, из которого изготовляют поршни, головки цилиндров и другие детали, работающие при температуре 275…300 0 С. Структура литого сплава АЛ1 состоит из a- твердого раствора, содержащего Cu, Mg, Ni, и избыточных фаз Al₂CuMg, Al₆CuNi.

Более жаропрочными являются сплавы АЛ19 и АЛ33. Это достигается добавками в сплавы Mn, Ti, Ni, Zn, Ce и образованием нерастворимых интерметаллидных фаз Al6Cu3, Al2Ce, Al2Zr и др.

Для крупногабаритных деталей работающих при 300…350 0 С применяют сплав АЛ21.

Токарная обработка алюминия

Токарная обработка алюминия связана с определенными сложностями ввиду пластичности материала. В основном используют не чистый металл, а более твердые алюминиевые сплавы.

Особенности механической обработки алюминия

Алюминий обладает высокой теплопроводностью. При обработке тепло эффективно отводится с образовавшейся стружкой. В итоге снижается вероятность перегрева оборудования и становится возможной работа на высоких скоростях.

При снятии стружки с алюминиевых болванок во время токарных работ требуются сравнительно небольшие нагрузки (по сравнению с обработкой стали, например), что приводит к малому износу инструмента.

Сложности обработки алюминия

Токарная обработка алюминия имеет свои сложности:

• токарные резцы могут забиться длинной алюминиевой стружкой. По этой причине при обработке на токарном станке рационально применять особые резцы, которые защищены от налипания;
• большой объем образовавшейся стружки мешает работе на станке. Чтобы справиться с проблемой, необходимо эффективно очищать токарный станок, своевременно удаляя стружку;
• в области резания происходит наростообразование на режущей кромке, что ведет к притуплению режущего клина и повышению нагрузки на инструмент. Для предотвращения этого явления повышают гладкость поверхности режущего клина и задают определенные значения его углам.

Методы токарной обработки алюминия

В зависимости от поставленной задачи, прибегают к одному из следующих методов механической обработки на токарном станке:

• автоматный;
• лоботокарный;
• резьботокарный;
• винторезный;
• карусельный;
• револьверный.

Наиболее часто для резки алюминиевых деталей применяют токарный станок с ЧПУ.

Классификация алюминиевых сплавов

Обработка алюминия на токарном станке предпочтительна при выборе алюминиевых сплавов определенных марок. Сплавы разделяют на:

• мягкие, с резанием которых возникают сложности;
• твердые, которые легко резать на токарном станке.

К мягким сплавам относят:

• отожженные (Д16, АВ);
• не упрочняемые термообработкой (АМц, АМг2, АМг3, АМг5, АМг6).

К твердым прочным алюминиевым сплавам относят:

• закаленные и искусственно состаренные (Д16Т, Д16Н, АВТ);
• ковочные (АК6, АК8, АК4-1);
• литейные: АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ8, АЛ27, АЛ1, АЛ21, АЛ33.

При обработке всех сплавов рекомендуется обеспечивать непрерывную подачу СОЖ, или охлаждать инструмент масляным туманом.

Термообработка алюминиевых сплавов

Термическая обработка алюминиевых сплавов предназначена для корректировки характеристик материала с помощью воздействия высоких температур. Различными способами обработки можно добиться широкого разнообразия структуры и свойств.

Сплавы, которые содержат примеси в размере 15-18%, имеют вид твердого раствора. В качестве дополнительных компонентов применяются медь, магний, цинк, кремний и другие вещества, различное сочетание которых и их процентное соотношение прямо пропорционально влияют на свойства материала.

В обычном состоянии алюминиевые сплавы не отличаются высокой прочностью, при этом довольно пластичны. Наиболее неустойчивые сплавы включают в состав большое количество легирующих компонентов, которые влияют на равновесную структуру.

Для упрочнения алюминиевых сплавов применяется методы термообработки. Путем равномерного нагрева, который регламентируется техническими условиями, получают соответствующую структуру, необходимую для начальной стадии распада твердого раствора.

С помощью термообработки можно получить множество типов структуры материала, которые соответствуют требованиям производства. Термическая обработка позволяет создать структуру, не имеющую аналогов.

На сегодняшний день разработано множество методов термообработки алюминиевых изделий, среди которых наибольшую популярность обрели три: отжиг, закалка, старение.

Особенности термообработки алюминиевых сплавов

Алюминий и его сплавы требуют особого подхода к термообработке для достижения определенной прочности и структуры материала. Очень часто применяют несколько методов термообработки. Обычно, после закалки следует старение. Но некоторые типы материалов могут подвергаться старению без закалки.

Такая возможность появляется после отливки, когда компоненты, при повышенной скорости охлаждения, могут придать металлу необходимую структуру и прочность. Это происходит во время литья при температуре около 180 градусов. При такой температуре повышается уровень прочности и твердости, а также снижается степень тягучести.

Каждый из методов термообработки имеет некоторые особенности, которые стоит учитывать при обработке алюминиевых изделий.

Отжиг необходим для придания однородной структуры алюминиевому сплаву. С помощью этого метода состав становиться более однородным, активизируется процесс диффузии и выравнивается размер базовых частиц. Также можно добиться снижения напряжения кристаллической решетки. Температура обработки подбирается индивидуально, исходя из особенностей сплава, необходимых конечных характеристик и структуры материала.

Состав и свойства алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой

Важным этапом отжига является охлаждение, которые можно проводить несколькими способами. Обычно проводят охлаждения в печи или на открытом воздухе. Также применяется поэтапное комбинированное охлаждение, сначала в печи, а потом на воздухе.

От скорости снижения температуры напрямую зависят характеристики готового материала. Быстрое охлаждение способствует образованию перенасыщенности твердого раствора, а медленное – значительного уровня распада твердого раствора.

Закалка требуется для упрочнения материала путем перенасыщения твердого раствора. Этот метод основан на нагреве изделий температурам и быстром охлаждении. Это способствует полноценному растворению составных элементов в алюминии. Используется для обработки деформируемых алюминиевых сплавов.

Для использования этого способа нужно правильно рассчитать температуру обработки. Чем выше степень, тем меньше времени требуется на закалку. При этом стоит подобрать температуру так, чтобы она превышала значение, необходимое для растворимости компонентов, но была меньше границы расплава металла.

Методом старения достигается увеличение прочности алюминиевого сплава. Причем необязательно подвергать изделия искусственному старению, так как возможен процесс естественного старения.

В зависимости от типа старения изменяется скорость структурных изменений. Поэтому искусственное старение более предпочтительно, так как оно позволяет повысить производительность работ. Подбор температуры и времени обработки зависит от свойств материала и характеристик легирующих компонентов.

Правильное сочетание уровня нагрева и времени выдержки позволяет повысить прочность и пластичность. Такой процесс называется стабилизацией.

Методы отжига алюминиевых листов

Отжиг алюминиевых сплавов не является обязательным к применению. Но в некоторых случаях без этого способа термообработки невозможно достичь желаемых характеристик материала.

Причиной применения отжига может стать особое состояние сплава, которое может выражаться в понижении пластичности материала.

Применение отжига рекомендуется при наблюдении трех типов состояний:

1. Свойственное литым изделиям неравновесное состояние связано с разницей температурных режимов. Скорость охлаждения литых изделий значительно превышает рекомендуемую, при которой достигается эффект равновесной кристаллизации.
2. Пластическая деформация. Такое состояние может быть вызвано технологическими требованиями к характеристикам и форме готового изделия.
3. Неоднородная структура материала, вызванная иными методами термообработки, в том числе закалкой и старением. В таком случае происходит выделение одного из легирующих компонентов в интерметаллидную фазу, сопровождающуюся перенасыщением компонентов.

Вышеуказанные проблемы могут устранятся методом отжига. Нормализация структуры и состояния алюминиевого сплава сопровождается повышением пластичности. В зависимости от типа неравновесного состояния подбираются различные методы отжига.

На сегодняшний день выделяют три режима отжига:

1. Гомогенизация. Предназначен для обработки литых слитков. В процессе термической обработки слитков при высоких температурах достигается равномерная структура. Это позволяет упростить процесс проката с уменьшением количества производственных расходов. В некоторых случаях может применяться для повышения качества деформированных изделий. Температура отжига соблюдается в пределах 500 градусов с последующей выдержкой. Охлаждение можно проводить несколькими способами.
2. Рекристаллизация. Применяется для восстановления деформированных деталей. При этом требуется предварительная обработка прессом. Температура отжига варьируется в диапазоне от 350 до 500 градусов. Время выдержки не превышает 2-х часов. Скорость и способ охлаждения не имеет особых рамок.
3. Гетерогенизация. Дополнительная отжиг после других методов термообработки. Этот метод необходим для разупрочнения алюминиевых сплавов. Данный метод обработки позволяет понизить степень прочность с одновременным повышением уровня пластичности. Отжиг производится примерно при 400 градусах Цельсия. Выдержка обычно составляет 1-2 часа. Этот тип отжига значительно улучшает эксплуатационные характеристики металла и повышают степень сопротивления коррозии.

Закалка алюминиевых отливов

Закалка подходит не для всех типов алюминиевых сплавов. Для успешного структурного изменения, сплав должен содержать такие компоненты как медь, магний, цинк, кремний или литий. Именно эти вещества способны полноценно растворится в составе алюминия, создав структуру, имеющую отличные от алюминия свойства.

Данный тип термообработки проводиться при интенсивном нагреве, позволяющем составным элементам раствориться в сплаве, с дальнейшим интенсивным охлаждением до обычного состояния.

Термические превращения в сплавах 6060, 6063, АД31

При выборе температурного режима следует ориентироваться на количество меди. Также, нужно учитывать свойства литых изделий.

В промышленных условиях температура нагрева под закалку колеблется в диапазоне от 450 до 560 градусов. Выдержка изделий при такой температуре обеспечивает расплавление компонентов в составе. Время выдержи зависит от типа изделия, для деформированных обычно не превышает более часа, а для литых – от нескольких часов до двух суток.

Скорость охлаждения при закалке необходимо подбирать так, чтобы состав алюминиевого сплава не подвергался распаду. На промышленном производстве охлаждение проводят с помощью воды. Однако такой способ не всегда оптимально подходит, так как при охлаждении толстых изделий происходит неравномерное снижение температуры в центре и по краям изделия. Поэтому для крупногабаритных и сложных изделий применяются другие методы охлаждения, которые подбираются индивидуально.

Старение алюминиевых сплавов

Старение проводится для улучшения прочностных характеристик изделия. Этот вид термической обработки заключается в выдержке в условиях обычного температурного режима.

Повышение прочности достигается путем распада твердого раствора, что необходимо после закалки, так как закалка приводит к пресыщенности металла.

Существует два способа старения алюминиевых сплавов: естественное и искусственное.

Естественное старение происходит без предварительного нагрева при обычных температурах. Это может происходить в условиях обычного склада или промышленного помещения, где температура воздуха не превышает 30 градусов.

Естественное старение возможно из-за особого свойства алюминия, которое называется «свежезакаленное состояние». Свойства изделий значительно отличаются сразу после закалки и после некоторого времени пребывания на складе.

Искусственное старение проводится путем нагрева изделий до температуры 200 градусов. Это активирует процесс диффузии, что способствует улучшенному растворению составных элементов. Выдержка составляет от нескольких часов до нескольких суток.

Следует отметить, что искусственно состаренные сплавы можно вернуть к изначальному состоянию. Для этого нужно нагреть изделие до 250 градусов с выдержкой до одной минуты. Выдержка должна проводится в селитряной ванне в строго определенное время, с точностью до нескольких секунд.

Причем подобный возврат можно выполнять несколько раз, без потери прочности материала, но с небольшим изменением свойств. Возврат состаренного металла обычно проводят с целью восстановления пластичности, необходимой для изменения формы изделия.

Любой из типов термообработки широко используется в промышленности. Благодаря чему у производителей есть возможность получения материалов, полностью соответствующих требованиям производства. Причем такая обработка сплавов позволяет значительно улучшить свойства алюминия и получить материал, не имеющий аналогов.

Главное условие при термообработке – соблюдение требований и рекомендаций к температурному режиму обработки и времени выдержки. Малейшие отклонения могут привести к необратимым изменениям свойств материала.

Мехобработка алюминия

Алюминий относится к тем конструкционным материалам, которые достаточно легко можно обрабатывать механическим способом. Механообработка данного материала включает точение, фрезерование, сверление, строгание и множество других операций.

Что касается механической обрабатываемости, то она может характеризоваться по-разному — все зависит от алюминиевого сплава, ведь их существует огромное количество. В понятие обрабатываемости входят параметры, так или иначе связанные с мехобработкой:

• износ металлорежущего инструмента;
• сила резания;
• геометрия стружки;
• качество обрабатываемой поверхности.

Определить механическую обрабатываемость каким-либо одним параметром нельзя, потому что это комплексный термин. Повлиять на данное свойство металла способны физико-химические характеристики алюминия и его сплавов, а также метод производства алюминиевой детали.

Взаимодействие металлорежущего инструмента и заготовки на уровне кинематики — еще один критерий, во многом определяющий механообработку.

Исходя из всего вышеперечисленного, механическая обрабатываемость для токарных, сверлильных, фрезерных, шлифовальных и прочих работ будет определяться в отдельности. Каждая из этих технологий зависит от режимов резания, геометрии и материала инструмента, используемого станка. Следует отметить, что в большинстве случаев данное понятие употребляют в контексте токарной обработки (объясняется это четким взаимодействием инструмента и заготовки).

Специфические особенности алюминиевой стружки

Внешний вид стружки характеризует механообработку алюминия как нельзя лучше. Эталоном считается свитая стружка цилиндрической формы небольшой длины. Разновидностей алюминиевой стружки, на самом деле, очень много, что объясняется наличием большого разнообразия сплавов, в основе которых лежит алюминий. При этом наблюдается следующая закономерность: с улучшением прочностных свойств металла длина стружки укорачивается.

Общие правила стружкообразования:

• алюминий в чистом виде и его сплавы, отличающиеся мягкостью и простотой деформирования, при мехобработке дает длинную стружку. Из-за этого требуется выполнять определенные действия, к примеру, использовать приспособления, основное назначение которых — измельчение стружки;
• с алюминиевыми сплавами, характеризующимися высокой прочностью, не возникает проблем в плане стружкообразования;
• сплавы из алюминия, называющиеся эвтектическими, образовывают длинную стружку;
• стружка доэвтектических алюминиевых сплавов, как правило, имеет форму спирали или кольца. Ее характерной особенностью является простота уления;
• проблемы нередко возникают со стружкообразованием в заэвтектических сплавах алюминия, о чем свидетельствует стружка, имеющая небольшую длину и разделенная на фрагменты.

Алюминиевые сплавы, которые легко поддаются механообработке резанием, имеют в своем составе мягкие металлы (свинец, висмут). При этом форма и длина стружки зависит не только от вида металла, но и от геометрических характеристик зуба металлорежущего инструмента. Инструмент с небольшим передним углом будет образовывать короткую стружку в тех случаях, несмотря на состав материала.

От чего зависит качество поверхности, образуемой в процессе механообработки?

Качество образуемых в процессе мехобработки алюминия поверхностей определяется тремя параметрами:

• кинематической шероховатостью — теоретическая глубина шероховатости, рассчитываемая по движению металлорежущего инструмента и заготовки относительно друг друга;
• шероховатостью поверхности, которая подвергалась механической обработке — реакция металла на его разделение механическим путем. Данный показатель напрямую зависит от микроструктуры материала;
• воздействием внешних факторов — устойчивость системы, острота лезвия инструмента и т.д. Перечисленные параметры играют особую роль при обработке алюминия на высоких скоростях.

Качество обработанной поверхности детали определяется теми же факторами, что и форма стружки. С увеличением прочностных характеристик алюминия улучшается гладкость новых поверхностей, образуемых в процессе мехобработки.

В литейных алюминиевых сплавах качество образуемых поверхностей зависит от микроструктуры металла. Твердые вкрапления сплава, внедряясь в мягкую матрицу, способны вырываться, в результате чего образуется грубая поверхность. Если рассматривать литейные сплавы в целом, то они обрабатываются достаточно просто, а качество механической обработки поверхности находится на хорошем уровне.

Алюминий и его сплавы: характеристика, свойства, применение

Алюминий — серебристо-белый легкий парамагнитный металл. Впервые получен физиком из Дании Гансом Эрстедом в 1825 году. В периодической системе Д. И. Менделеева имеет номер 13 и символ Al, атомная масса равна 26,98.

Производство алюминия

Для производства алюминия используют бокситы — это горная порода, которая содержит гидраты оксида алюминия. Мировые запасы бокситов почти не ограничены и несоизмеримы с динамикой спроса.

Боксит дробят, измельчают и сушат. Получившуюся массу сначала нагревают паром, а затем обрабатывают щелочью — в щелочной раствор переходит большая часть оксида алюминия. После этого раствор длительно перемешивают. На этапе электролиза глинозем подвергают воздействию электрического тока силой до 400 кА. Это позволяет разрушить связь между атомами кислорода и алюминия, в результате чего остается только жидкий металл. После этого алюминий отливают в слитки или добавляют к нему различные элементы для создания алюминиевых сплавов.

Алюминиевые сплавы

Наиболее распространенные элементы в составе алюминиевых сплавов — медь, марганец, магний, цинк и кремний. Реже встречаются сплавы с титаном, бериллием, цирконием и литием.

Алюминиевые сплавы условно разделяют на две группы: литейные и деформируемые.

Для изготовления литейных сплавов расплавленный алюминий заливают в литейную форму, которая соответствует конфигурации получаемого изделия. Эти сплавы часто содержат значительные примеси кремния для улучшения литейных свойств.

Деформируемые сплавы сначала разливают в слитки, а затем придают им нужную форму.

Происходит это несколькими способами в зависимости от вида продукта:

1. Прокаткой, если необходимо получить листы и фольгу.
2. Прессованием, если нужно получить профили, трубы и прутки.
3. Формовкой, чтобы получить сложные формы полуфабрикатов.
4. Ковкой, если требуется получить сложные формы с повышенными механическими свойствами.

Марки алюминиевых сплавов

Для маркировки алюминиевых сплавов согласно ГОСТ 4784-97 пользуются буквенно-цифровой системой, в которой:

• А — технический алюминий;
• Д — дюралюминий;
• АК — алюминиевый сплав, ковкий;
• АВ — авиаль;
• В — высокопрочный алюминиевый сплав;
• АЛ — литейный алюминиевый сплав;
• АМг — алюминиево-магниевый сплав;
• АМц — алюминиево-марганцевый сплав;
• САП — спеченные алюминиевые порошки;
• САС — спеченные алюминиевые сплавы.

После первого набора символов указывается номер марки сплава, а следом за номером — буква, которая обозначает его состояние:

• М — сплав после отжига (мягкий);
• Т — после закалки и естественного старения;
• А — плакированный (нанесен чистый слой алюминия);
• Н — нагартованный;
• П — полунагартованный.

Виды и свойства алюминиевых сплавов

Алюминиево-магниевые сплавы

Эти пластичные сплавы обладают хорошей свариваемостью, коррозийной стойкостью и высоким уровнем усталостной прочности.

В алюминиево-магниевых сплавах содержится до 6% магния. Чем выше его содержание, тем прочнее сплав. Повышение концентрации магния на каждый процент увеличивает предел прочности примерно на 30 МПа, а предел текучести — примерно на 20 МПа. При подобных условиях уменьшается относительное удлинение, но незначительно, оставаясь в пределах 30–35%. Однако при содержании магния свыше 6% механическая структура сплава в нагартованном состоянии приобретает нестабильных характер, ухудшается коррозийная стойкость.

Для улучшения прочности в сплавы добавляют хром, марганец, титан, кремний или ванадий. Примеси меди и железа, напротив, негативно влияют на сплавы этого вида — снижают свариваемость и коррозионную стойкость.

Алюминиево-марганцевые сплавы

Это прочные и пластичные сплавы, которые обладают высоким уровнем коррозионной стойкости и хорошей свариваемостью.

Для получения мелкозернистой структуры сплавы этого вида легируют титаном, а для сохранения стабильности в нагартованном состоянии добавляют марганец. Основные примеси в сплавах вида Al-Mn — железо и кремний.

Сплавы алюминий-медь-кремний

Сплавы этого вида также называют алькусинами. Из-за высоких технических свойств их используют во втулочных подшипниках, а также при изготовлении блоков цилиндров. Обладают высокой твердостью поверхности, поэтому плохо прирабатываются.

Алюминиево-медные сплавы

Механические свойства сплавов этого вида в термоупрочненном состоянии порой превышают даже механические свойства некоторых низкоуглеродистых сталей. Их главный недостаток — невысокая коррозионная стойкость, потому эти сплавы обрабатывают поверхностными защитными покрытиями.

Алюминиево-медные сплавы легируют марганцем, кремнием, железом и магнием. Последний оказывает наибольшее влияние на свойства сплава: легирование магнием значительно повышает предел текучести и прочности. Добавление железа и никеля в сплав повышает его жаропрочность, кремния — способность к искусственному старению.

Алюминий-кремниевые сплавы

Сплавы этого вида иначе называют силуминами. Некоторые из них модифицируют добавками натрия или лития: наличие буквально 0,05% лития или 0,1% натрия увеличивает содержание кремния в эвтектическом сплаве с 12% до 14%. Сплавы применяются для декоративного литья, изготовления корпусов механизмов и элементов бытовых приборов, поскольку обладают хорошими литейными свойствами.

Сплавы алюминий-цинк-магний

Прочные и хорошо обрабатываемые. Типичный пример высокопрочного сплава этого вида — В95. Подобная прочность объясняется высокой растворимостью цинка и магния при температуре плавления до 70% и до 17,4% соответственно. При охлаждении растворимость элементов заметно снижается.

Основной недостаток этих сплавов — низкую коррозионную стойкость во время механического напряжения — исправляет легирование медью.

Авиаль

Авиаль — группа сплавов системы алюминий-магний-кремний с незначительными добавлениями иных элементов (Mn, Cr, Cu). Название образовано от сокращения словосочетания «авиационный алюминий».

Применять авиаль стали после открытия Д. Хансоном и М. Гейлером эффекта искусственного состаривания и термического упрочнения этой группы сплавов за счет выделения Mg2Si.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью и удовлетворительной коррозионной стойкостью. Из авиаля изготавливают кованые и штампованные детали сложной формы. Например, лонжероны лопастей винтов вертолетов. Для повышения коррозионной стойкости содержание меди иногда снижают до 0,1%.

Также сплав активно используют для замены нержавеющей стали в корпусах мобильных телефонов.

Физические свойства

• Плотность — 2712 кг/м 3 .
• Температура плавления — от 658°C до 660°C.
• Удельная теплота плавления — 390 кДж/кг.
• Температура кипения — 2500 °C.
• Удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг.
• Удельная теплоемкость — 897 Дж/кг·K.
• Электропроводность — 37·10 6 См/м.
• Теплопроводность — 203,5 Вт/(м·К).

Химический состав алюминиевых сплавов

Применение алюминия

Ювелирные изделия

В далеком прошлом из-за высокой стоимости алюминия его использовали для изготовления ювелирных изделий. Так, весы с алюминиевыми и золотыми чашами были подарены Д. И. Менделееву в 1889 г.

Когда себестоимость алюминия снизилась, мода на ювелирные изделия из этого металла прошла. Но и в наши дни его используют для изготовления бижутерии. В Японии, например, алюминием заменяют серебро при производстве национальных украшений.

Столовые приборы

По-прежнему пользуются популярностью столовые приборы и посуда из алюминия. В частности, в армии широко распространены алюминиевые фляжки, котелки и ложки.

Стекловарение

Алюминий широко применяют в стекловарении. Высокий коэффициент отражения и низкая стоимость вакуумного напыления — основные причины использования алюминия при изготовления зеркал.

Пищевая промышленность

Алюминий зарегистрирован как пищевая добавка Е173. Ее используют в качестве пищевого красителя, а также для сохранения продуктов от плесени. Е173 окрашивает кондитерские изделия в серебристый цвет.

Военная промышленность

Из-за небольшого веса и низкой стоимости алюминий широко применяют при изготовлении ручного стрелкового оружия — автоматов и пистолетов.

Ракетная техника

Алюминий и его соединения используют в качестве ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твердых ракетных топливах.

Алюмоэнергетика

В алюмоэнергетике алюминий используют для производства водорода и тепловой энергии, а также выработки электроэнергии в воздушно-алюминиевых электрохимических генераторах.

Алюминий и алюминиевые сплавы. Обработка алюминия

Все сплавы алюминия можно разделить на две группы:

• • Деформируемые алюминиевые сплавы — предназначены для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей, труб и т. д.), а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки.

• а) Упрочняемые термической обработкой:

• • • Дуралюмины, « дюраль » (Д1, Д16, Д20*, сплавы алюминия меди и марганца [Al-Cu-Mg]) — удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состояниях, но плохо в отожженном состоянии. Дуралюмины хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлением вследствие склонности к образованию трещин. Из сплава Д16 изготовляют обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова автомобилей.

• • • Сплав авиаль (АВ) удовлетворительно обрабатывается резанием после закалки и старения, хорошо сваривается аргонодуговой и контактной сваркой. Из этого сплава изготовляются различные полуфабрикаты (листы, профили, трубы и т.д.), используемые для элементов конструкций, несущих умеренные нагрузки, кроме того, лопасти винтов вертолетов, кованные детали двигателей, рамы, двери, для которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем состоянии.

• • • Высокопрочный сплав (В95) имеет предел прочности 560-600 Н/мм2, хорошо обрабатывается резанием и сваривается точечной сваркой. Сплав применяется в самолетостроении для нагруженных конструкций (обшивки, стрингеры, шпангоуты, лонжероны) и для силовых каркасов в строительных сооружениях.

• • • Сплавы для ковки и штамповки (АК6, АК8, АК4-1 [жаропрочный]). Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительными литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки. Алюминиевые сплавы этой группы хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются контактной и аргонодуговой сваркой.

• б) Не упрочняемые термической обработкой:

• • • Сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием (АМг2, АМг3, АМг5, АМг6) легко обрабатываются давлением (штамповка, гибка), хорошо свариваются и обладают хорошей коррозионной стойкостью. Обработка резанием затруднена, поэтому для получения резьбы используют специальные бесстружечные метчики (раскатники), не имеющие режущих кромок.

• • Литейные алюминиевые сплавы — предназначенные для фасонного литья (как правило, хорошо обрабатываются резанием).

• • • Сплавы алюминия с кремнием (силумины) Al-Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9) отличаются высокими литейными свойствами, а отливки — большой плотностью. Силумины сравнительно легко обрабатываются резанием.

• • • Сплавы алюминия с медью Al-Cu (АЛ7, АЛ19) после термической обработки имеют высокие механические свойства при нормальной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием.

• • • Сплавы алюминия с магнием Al-Mg (АЛ8, АЛ27) имеют хорошую коррозионную стойкость, повышенные механические свойства и хорошо обрабатываются резанием. Сплавы применяют в судостроении и авиации.

• • • Жаропрочные алюминиевые сплавы (АЛ1, АЛ21, АЛ33) хорошо обрабатываются резанием.

С точки зрения обработки фрезерованием, нарезания резьбы и токарной обработки, алюминиевые сплавы также можно разделить на две группы. В зависимости от состояния (закаленные, состаренные, отожженные) алюминиевые сплавы могут относиться к разным группам по легкости обработки:

• • Мягкие и пластичные алюминиевые сплавы , вызывающие проблемы при обработке резанием:

• а) Отожженные: Д16, АВ.

• б) Не упрочняемые термической обработкой: АМц, АМг2, АМг3, АМг5, АМг6.

• • Сравнительно твердые и прочные алюминиевые сплавы , которые достаточно просто обрабатываются резанием (во многих случаях, где не требуется повышенная производительность, эти материалы могут обрабатываться стандартным инструментом общего применения, но если требуется повысить скорость и качество обработки, необходимо применять специализированный инструмент):

• а) Закаленные и искусственно состаренные: Д16Т, Д16Н, АВТ.

• б) Ковочные: АК6, АК8, АК4-1.

• в) Литейные: АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ8, АЛ27, АЛ1, АЛ21, АЛ33.

Другие статьи по сходной тематике

Основные понятия о токарной обработке и токарных станках.

Стали марок AISI 409, 430, 439 — аналоги отечественных марок 08×13, 12×17 и 08×17Т

Гидравлические гильотинные ножницы, гильотинные ножницы с ЧПУ для раскроя и обработки листовых материалов.

Правила нанесения обозначений шероховатости поверхностей на чертежах

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2018

ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

• Авторы
• Файлы работы
• Сертификаты

Алюминий – лёгкий, пластичный металл, использование которого широко распространено в таких промышленных отраслях, как:

Авиации и космосе

Товары массового употребления.

По данным всему миру в год добывается и обрабатывается примерно 50 мил. тон алюминия, 27% из которого обрабатывается резанием. [3] Целью данного исследования является ознакомление с обработкой резанием алюминия и его сплавов, геометрических и конструктивных особенностях режущего инструмента для данного вида обработки.

Задача данной статьи:

Проанализировать имеющиеся источникам информации.

Выделить основные характеристики обрабатываемости алюминия и его сплавов.

Выявить общие закономерности при механической обработки алюминия и его сплавов.

Обзор литературных источников [2], [3], [4], [5], [6], [8].

В открытом доступе имеются большое количество информации, по данной теме. В более ранних изданиях, в таком как справочник «Алюминиевые сплавы» Нильсона. Х., даются более подробно общие сведенья, в более поздних, например Ковалевский А.В. «Выбор рациональных режимов для фрезерования для обработки алюминиевых сплавов», описываются решения частных проблем при обработки определенных сплавов или определенным режущим инструментом. Так как целью данной статьи являются ознакомлением, основными источниками информации послужили справочники и учебники, а так же диссертации и статьи в основном не ранее 2008 года издания, но так же в данной работе присутствуют сведения и из более поздних работ.

Механическая обработка алюминия

Алюминий и его сплавы относительно легко поддаются обработке резанием. Однако от вида сплава, от его физических и химических свойств, характеристика обрабатываемости будет меняться.

Обрабатываемость включает в себя такие критерии обработки как: форма стружки, сила резания, износ режущего инструмента и качество поверхности после обработки. [5]

Обрабатываемость определяется для каждого типа обработки, будь то это сверление, фрезерование, точение или токарная обработка. В зависимости от принимаемого оборудования, параметров резания и геометрии инструмента, материала режущего инструмента, обрабатываемость будет изменяться. Критерии обрабатываемости.

Одним из самых важных критериев при механической обработке алюминия и его сплавов является форма стружки. В основном, это сливная стружка, различающаяся по размерам и формой.

Так чистый алюминий и мягкие его сплавы дают очень длинную стружку, для которой приходится принимать специальные меры, например, использовать стружколоматель. А вот высокопрочные алюминиевые сплавы, такие как AlMg5, AlMgSi1, не вызывают таких проблем. Так же доэвтектические литейные алюминиевые сплавы AlSi8Cu3, AlSi10Mg дают короткую, кольцевую или спиральную стружку. Эвтектические литейные сплавы, чаще всего дают длинную стружку, а уже заэвтектичсеские дают фрагментную. [8]

Эвтектика- точка в системе из n компонентов, при постоянном давлении, в которой находятся в равновесии n твердых фаз и жидкая фаза [6]

Для улучшения обрабатываемости в алюминиевые сплавы добавляют низкоплавкие, но мягкие металлы, которые способствуют при образовании короткой стружки, обычно это свинец или висмут.

На образование стружки также влияют геометрия режущего клина инструмента, при уменьшении переднего угла при обработке сплавов стружка образуется более короткой, за счет ее сжатия (Рис.1).

Рис.1 Зависимость сжатия стружки от переднего угла.

Эта означает, что на стружкообразование влияет такие внешнее факторы, как наличие смазки и гладкость режущего инструмент – износ инструмента. Износ инструмента при механической обработки алюминия происходит путем истирания режущей поверхности. Поэтому для измерения износа инструмента измеряется его ширина VB (Рис.2). [5]

Рис. 2 Измерение ширины износа

В основном износ завит от обрабатываемого материала, его микроструктуры и температуры в зоне резания. Для инструмента с твердосплавными многогранными сменными пластинами, такой износ должен составлять не менее 0,3 мм. [5]Так же на него влияет, наличие смазочно – охлаждающей жидкости, скорость подачи и глубина резания, чем они сильнее уменьшаются, тем износ инструмента становиться меньше.

Следующий критерий — это качество обрабатываемой поверхности. Оно зависит от нескольких параметров:

Теоретическая высота гребешка микронеровностей — теоретическое значение определяемое на основе движения инструмента и детали.

Характер поведения материала при его разделении (особенности микроструктуры).

Внешние факторы (острота режущих кромок, виброустойчивость системы и другое).[8]

Для алюминия и его сплавов соотношение этих параметров складываются в определенную закономерность.

Чем выше твердость и прочность сплава алюминия, тем более высокое качество поверхности мы можем получить

За исключением литейных сплавов, чья шероховатость зависит от микроструктуры сплава. В их случае твердые частицы, внедренные в пластичную структуру сплава, могут вырываться, образовывая более низкое качество поверхности. [3]

Последним из важных критериев обработки алюминия является скорость резания.

Обычно скорость резания является обратно пропорционально величине шероховатости, то есть при уменьшении скорости резание шероховатость увеличивается. Это происходит из-за налипания стружки на режущую кромку инструмента, с последующим его срывов — происходит так называемое «образование нароста».

Так скорость резание влияющая на шероховатость обработанной поверхности чистого алюминия разделяет качество механической обработки на 4 секции. (Рис.3).

Рис. 3 Зависимость скорости резания качества поверхности

1 секция – Качество поверхности неудовлетворительное из-за образования нароста, материал не режется, а разрывается.

2 секция – Шероховатость уменьшается с увеличением скорости резания.

3 секция – Увеличение влияния внешних факторов

4 секция – Стружка собирается на заготовки и приваривается к инструменту.

Виды сплавов обрабатываемые режущими инструментами.

В зависимости от соотношений этих критериев различают несколько групп алюминиевых сплавов для обработки резания.

Деформируемые алюминиевые сплавы с низкой прочностью.

В эту группу входят термически не упрочняемые сплавы (AlMgMn, AlMn) и термически упрочняемые сплавы в не состаренном состоянии (AlMgSi1). Данная группа характеризуется мягкостью и пластичностью, отсутствием твердых вкраплений, из чего вытекает их низкая прочность и склонность к налипанию на режущий инструмент.

2. Сплавы с повышенной прочностью

2.1 Деформируемые сплавы повышенной прочности

В группу входят такие сплавы как: термически не упрочняемые в нагартованном состоянии (AlMg4,5Mn, AlMg4, AlMg5) и термически упрочняемые в состаренном состоянии или нагартованном (AlCuMg1, AlZnMg1). Характеристика этой группы выражаться в отсутствие твердых включений, что благоприятно влияет на продолжительность службы режущего инструмента. Прочностью этих сплавов составляет 300-600 H/мм 2 , за счет чего налипание стружки не происходит

Нагортованние — это упрочнение материала за счет холодного деформирования или отжига.[6]

2.2 Специальные алюминиевые сплавы для обработки резанием.

Эти сплавы содержат в своем составе специальные добавки Pb и Bi для ломки стружки и высокого качества обработки.

3. Литейные сплавы с содержанием алюминия

3.1Литейные сплавы Al-Si с содержанием кремния менее 10%

Прочность этих сплавов варьируется от 250 до 350 H/мм2, твердые включения в микроструктуре сплавов способствую быстрому износу инструмента. Так же они склонны налипанию, если в них содержится более 5% алюминия

3.2 Литейные сплавы Al-Si с содержанием кремния около12%

Группа сплавов отличаются низкой твердостью, наличием твердых включений и высокой склонностью к наростообразованию

3.3Литейные сплавы Al-Si с содержанием кремния более 12%

Данная группа, наоборот, отличаются высокой твердостью, средней прочностью, а так же имеет твердые включения в мягкой матрице микроструктуры, в основном первичного кремния, из-за чего резко повышается износ инструмента, характеризуется высокой склонностью налипания стружки на режущую кромку инструмента. [6, c 81]

Сравнительный анализ обрабатываемости алюминиевых сплавов по отношению к другим конструктивным материалам.

Из-за малых усилий резания при обработки алюминий (30% от усилий при обработке стали) и его сплавы легче поддаются лезвийной обработке, чем стали, чугуны, латуни или бронзы. Так при одинаковых параметров резанья скорость резания алюминия превышает в три раза скорость резанья бронз и в 5 скорость резания сталей. [9] Это обозначает, что алюминий и его сплавы можно обрабатывать быстрее чем, данные материалы.

Хотя алюминий и его сплавы механически обрабатываются легче, чем стали, возникают другие трудности при достижении высокой точности и экономичности производства, которые необходимо учитывать.

В основном эти трудности: налипание стружки, длинна и форма стружки, износ инструмента, для решение которых необходимо учитывать такие закономерности как:

При обработке алюминия и его сплавов, чем больше скорость резания, тем ниже шероховатость.

Чем больше процент кремния в сплаве алюминия, тем быстрее инструмент будет изнашиваться.

Чем пластичнее сплав, тем стружка будет длиннее.

Чем больше передний угол режущего инструмента, тем стружка меньше.

Однако необходимо учитывать и другие параметры, и критерии резания, так же есть частные проблемы при обработки определенных сплавов. Но данные закономерности справедливы к большинству механически обрабатываемых сплавов алюминия.

Список используемых источников:

Machining of Aluminum and Aluminium Alloys, ASM Handbook, Volume 16: Machining, 1989.

Альтман М.Б. Повышение свойств стандартных литейных алюминиевых сплавов. / М.Б. Альтман, И.П Стромская М.: Металлургия, 1984. 128 с.

Алюминиевый информационный портал [Электронный ресурс]. –URL: http://aluminium-guide.ru – Понимание алюминия – Научно. Технично. Популярно. (Дата обращения 21.12.17)

Ковалевский А.В.Выбор рациональных режимов для фрезерования для обработки алюминиевых сплавов/ А. В. Ковалевский // Омский научный вестник – 2008. — №4 – С 64-66.

Косилова А.Г. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. / А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1986. 656 с.

Лахтин Ю.М. Материаловедение: учебник для вузов/ Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. 5-е изд., стер. Москва: Альянс, 2009. 528 с.

Мальцев М.В. Алюминиевые сплавы. /Мальцева М.В. М.: Оборонгиз, 1955. 127 с.

Нильсен Х. Алюминиевые сплавы (свойства, обработка, применение) / Х. Нильсен, В. Хуфнагель, Г. Ганулис ; пер. с нем. под ред. М. Е. Дрица, Л. Х. Райтбарга — 13-е изд., переработ. и доп. — Москва : Металлургия, 1979. – 678 с.