Алюминиевые ковочные сплавы представляют собой алюминий с небольшими добавками других элементов, которые улучшают конечные свойства компонента. Алюминиевые поковки обычно производятся в больших объемах. Из-за низкой плотности алюминия по сравнению со сталью, неудивительно, что алюминиевые сплавы широко используются в отраслях, где важно вес компонентов. Следовательно, алюминиевые ковочные сплавы используются в основном в автомобильной и аэрокосмической промышленности.
Основным элементом алюминиевых ковочных сплавов является, конечно же, алюминий. Для повышения свойств добавляются другие легирующие элементы. Медь добавляется от 0,1 до 5,0%. Медь может образовывать интерметаллическое соединение с алюминием и производить мелкие осадки в ковки, если он должным образом подвергается термической обработке. Эти мелкие осадки могут производить металл с более высокой прочностью. Сорта из кузнечного сплава с медью в качестве основного добавки составляют 2014, 2025, 2219 и 2618. Магний иногда добавляют к сплавам серии 2000 для усиления упрочнения сплава после термообработки.
После надлежащей термообработки некоторые очень мелкие микроструктурные осадки часто можно наблюдать с помощью высокомоментного электронного микроскопа. На рисунке 1 показано изображение просвечивающего электронного микроскопа очень малых осадков (менее 100 нм), которые могут возникать в алюминиевых сплавах. Эти очень мелкие осадки вносят вклад в прочность сплава. По мере того, как осадки растут, их количество уменьшается, и прочность сплава также уменьшается. Эта уменьшающаяся прочность называется сверхсрочным состоянием. Старение примерно аналогично хранению вина. Существует пиковое время для оптимальных условий, а время за пределами пика вызывает снижение качества. К сожалению, лучшие вина в нашем распоряжении редко сохраняются до оптимального времени.
Как мы уже говорили, алюминиевые поковки используются, в частности, в приложениях, чувствительных к весу. Плотность алюминия чуть более одной трети по сравнению с сталью, тогда как ее прочность может составлять чуть более половины, что приводит к более высокому отношению прочности к массе. Использование алюминиевых поковок растет в автомобильных компонентах из-за стандартов потребления топлива, а алюминий широко используется в авиационной промышленности. Алюминиевые сплавы также распространены в спортивных товарах, включая велосипеды, лодки и оборудование для походов, а также в легкие потребительские товары, такие как ходунки, инвалидные коляски и коляски. Одним из существенных ограничений является то, что прочность алюминиевых сплавов начинает уменьшаться в диапазоне 400 ° F. Следовательно, применение при высоких температурах исключено.
Алюминий куется при гораздо более низкой температуре, чем любой другой обычный металл из-за его низкой температуры плавления. Низкая плотность алюминия способствует его низкой способности удерживать тепло. Таким образом, требуется горячее оснащение, чтобы избежать быстрого охлаждения заготовки. Температура матрицы может часто находиться на уровне температуры заготовки или вблизи нее, что часто называют изотермической ковки. К счастью, большинство штамповочных сталей не выдерживают при использовании во время изотермической ковки алюминия. Типичные температуры ковки колеблются от 775-875 ° F. На рисунке 2 приведены температурные диапазоны для ковки, термической обработки и использования алюминиевых сплавов. Конкретная температура ковки будет зависеть от сплава. Поведение потока включает в себя потенциал для смягчения при высоких деформациях, что приводит к тенденции к локализации потока. Очень сложные формы могут быть выкованы с использованием изотермических условий и низкой скорости прессования. Этот тип ковки иногда называют точной ковкой.
Для большинства применений ковочного материала заготовка подвергается некоторой обработке деформации (изнашивание, прокатка или экструзия) для разрушения структуры литого зерна. С алюминием чаще всего применяются заготовки с непрерывным литьем. Заготовки могут быть гомогенизированы, когда необходима более согласованная микроструктура. Некоторая пористость существует в литых заготовках, которые должны быть «исцелены» путем ковки. Конечно, также используются экструдированные и кованные заготовки. Заготовки обычно вырезаны. Абразивные пилы не используются из-за высокой пластичности и низкой температуры плавления алюминия.
Большинство кузнечных заготовок нагреваются в газовых или электрических печах. Точка плавления алюминия значительно ниже, чем у других обычных металлов, поэтому конвекция является доминирующим видом теплопередачи из-за относительно низкой температуры ковки. Радиация доминирует в металлах с температурой ковки более 1500 ° F. Поскольку алюминий не является ферромагнитным, индукционный нагрев нецелесообразен.
Алюминиевые сплавы обычно куются на гидравлических ковочных прессах из-за их высокой чувствительности к деформации. Использование ковочных молотов и механических прессов является скорее исключением, чем правилом. Горячие штампы, в том числе изотермические, являются общими. В большинстве случаев температура инструмента находится в пределах 250 ° F от температуры заготовки. Для чистовых / точных поковок изотермическая оснастка и низкие скорости деформации являются нормой.
Молотовая ковка алюминиевых сплавов должна производиться осторожно. Из-за высоких скоростей деформации при ковке кузнечным молотом в заготовке может возникать горячая короткая задержка. Виды смазиа развивались в течение последних 25 лет, в то время как использование свинцовых смазкок постепенно прекращалось в 1980-х годы. В настоящее время смазки на масляной основе заменяются на водные и синтетические смазочные материалы. Смазка является критическим аспектом при ковке алюминия из-за сильной склонности металла к галлу (т.е. части алюминиевой детали, прилипшей к матрице).
Из-за низкого напряжения потока алюминия и высокой пластичности очень сложные формы могут быть выкованы из алюминиевых сплавов по сравнению с другими металлами. Потенциальные дефекты включают в себя кружки, истирание, локализацию потока и незаполнения / всасывания. Локализация потока может казаться кругом или трещиной. Многие высокопроизводительные алюминиевые детали отделаны без дефектов. Низкообъемные детали (как правило, аэрокосмические) изготавливаются в готовом инструменте, удаляются для измельчения дефектов и приклеиваются к размерам с использованием того же инструмента. Это было бы нецелесообразно для других сплавов из-за формирования масштаба или роста зерна.
После кузнечной обработки высокопроизводительные детали (автомобильные) сразу же подвергаются термической обработке на автоматических линиях. Одноразовые детали, например, используемые в аэрокосмической промышленности, имеют воздушное охлаждение. Последующая холодная работа выполняется путем чеканки для контроля размера и остаточного напряжения в критических приложениях.
Магний также является основным легирующим элементом в кузнечном сплаве 5083. Он обеспечивает прочность сплава без существенных потерь пластичности. Магний (около 1%) в сочетании с кремнием (около 0,75%) и небольшим количеством меди (0,3%) используют в алюминиевом сплаве 6061. Комбинация этих трех добавок сплава позволяет достичь хорошей прочности после термообработки.
Самый легированный сплав — 6061 алюминий. Он имеет относительно низкую прочность потока при температурах ковки (рис. 3) и может легко заполнять полости. Серия обычных ковочных алюминиевых сплавов относится к серии сплавов 7xxx, в первую очередь 7010, 7039, 7049, 7050, 7075 и 7079. Эти сплавы легированы цинком (5-8%) вместе с небольшими добавками меди и магния. Небольшие количества хрома и марганца также являются частью химии сплавов. Эти сплавы 7xxx при надлежащей термической обработке являются коммерческими марками, которые могут достичь наивысшей прочности всех кованых алюминиевых сплавов.
Сорт алюминиевого сплава часто присоединяется к тому, что называется обозначением температуры. Обычно обозначение — это буква, за которой следует номер. Например, очень распространенный алюминиевый сплав — 6061-Т6, где Т6 — обозначение температуры. Наиболее распространенными обозначениями являются O для отжига, H для упрочнения и T для термической обработки раствора. O temper — это сплав с наименьшей прочностью. Большинство кованых алюминиевых сплавов не подвергаются деформации, которые после холодной штамповки подвергаются холодной обработке, поэтому Н-характер часто встречается в кованых алюминиевых сплавах. Самым распространенным характером кованых сплавов будет Т-температура, наиболее распространенными из которых являются Т4 (термообработка раствора и естественный возраст),
Микроструктура кованых алюминиевых сплавов характерна для многих цветных металлов. Наблюдаемая структура обычно представляет собой однородную зернистую структуру с некоторыми крупными осадками, видимыми при довольно низком увеличении.
Как правило, алюминиевые сплавы могут быть усилены одним из двух механизмов. Рабочее упрочнение происходит, когда алюминиевый сплав деформируется при комнатной температуре, что делается для увеличения прочности. Большинство кованых компонентов не будут иметь какой-либо значительной деформации, придаваемой им после того, как форма была достигнута путем ковки. В результате упрочнение не используется для укрепления алюминиевых сплавов после ковки.
Второй механизм усиления осаждения можно использовать практически на всех имеющихся в продаже ковочных сплавах. Для достижения высокой прочности этим методом требуется многоступенчатый процесс термообработки. Первой стадией является обработка раствора, в котором сплав нагревается до высокой температуры, но ниже температуры плавления. На этом этапе многие легирующие элементы (например, медь) в металле растворяются в алюминии, создавая твердый раствор. Второй этап заключается в том, чтобы гасить металл из этой высокой температуры — обычно с водой в качестве охлаждающей жидкости. Растрескивание в виде кварца не так легко встречается в алюминиевых сплавах, как в сталях, поэтому серьезность закалки часто не является проблемой. Твердый раствор, созданный на первом этапе, удерживается при комнатной температуре на этапе гашения. Третий этап — лечение старения. Естественное старение может возникать в ряде сплавов. С естественным старением алюминиевый сплав будет увеличиваться с течением времени. Сплав достигнет максимальной прочности, и, если старение продолжится, сплав войдет в состояние переутомления и начнет терять силу.
Некоторые естественно стареющие сплавы хранятся ниже комнатной температуры до их ввода в эксплуатацию. Искусственное старение, при котором закаленный компонент нагревается до промежуточной температуры, и увеличение прочности происходит чаще. Искусственно поставленные сплавы могут переродиться, если они слишком долго остаются на этой промежуточной температуре.
В этой первой статье по цветным ковочным материалам были исследованы алюминиевые ковочные сплавы, которые используются в компонентах, где важен низкий вес. Ковку алюминия лучше всего проводить на гидравлическом прессе в изотермических условиях. Конечные свойства сплава достигаются за счет надлежащей термической обработки осаждением.
