Методические указания Алюминиевые сплавы в производстве деталей механизмов и машин (Штампованные поковки) (стр. 2 из 11)
- большие возможности использования эффекта сверхпластичности;
- возможность нанесения на поверхность поковки после ее механообработки сверхтвердого коррозионного покрытия (микродуговым оксидированием) , в результате чего в трущейся паре алюминиевая деталь- стальная закаленная, последняя изнашивается быстрее;
- возможность горячей объемной штамповки высококремнистых сплавов (за- эвтектических силуминов) марок 01390, 01391 и др. [3] взамен чугуна, при изготовлении деталей типа тормозных цилиндров, поршней и др. благодаря относительно высокой пластичности прутков и труб полученных поперечно-винтовой прокаткой из слитков с ультразвуковой обработкой расплава.
На рис. 2 представлена деталь, которая может быть отштампована из сплава 01391 взамен литья под давлением из сплава АК12М2. Новые сплавы представляют также интерес при штамповке деталей с тонкими ребрами. 
Рис. 2.
2. Выбор алюминиевых сплавов при конструировании деталей машин (марки, обозначения, механические характеристики, сортамент).
2.1 Классификация алюминиевых сплавов.
2.1.1 Алюминиевые сплавы подразделяются на две большие группы:
1) литейные (АК7, АК5М2, АК12М2 и др.), не подвергающиеся после отливки пластическому деформированию (за исключением тех, которые подвергаются деформированию в условиях всестороннего неравномерного сжатия);
2) деформируемые полуфабрикаты, из которых получают из слитка, прессованием, прокаткой, ковкой, штамповкой или другими видами обработки давлением. В настоящих методических указаниях приводятся данные, которые относятся в основном к деформируемым алюминиевым сплавам, отличающимся большим разнообразием прочностных, пластических, коррозионных и декоративных характеристик.
2.1.2 Наиболее важными признаками классификации алюминиевых сплавов является химический состав и определяемый составом и условиями термической обработки уровень механических свойств полуфабрикатов (см. приложение № 1) [5].
Высокими пластическими, технологическими свойствами, коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью обладают технический алюминий и термически неупрочняемые сплавы алюминия с марганцем и магнием (АД00, АД0, АМц, АМг и др.) Высокой технологичностью при обработке давлением обладают сплавы системы Al-Mg-Si. Это сплавы марки АД31, АДЗЗ, АД35. Сплавы хорошо поддаются прессованию при больших скоростях деформирования, а также штамповке в холодном и горячем состоянии. Из них получают профили и поковки различной конфигурации. Они хорошо подвергаются цветному анодированию. Однако, сплавы типа АД31 имеют не высокие прочностные характеристики (см. приложение № 1). На рис. 3 представлены детали пневмоаппаратуры (Æ 40 - 65), полученные холодной объемной штамповкой на прессе К0032 (160 тс) из сплава АДЗ1. Сплавы системы Al-Zn-Mg также обладают высокой технологичностью. Так, например, из сплава типа 1925 изготавливают детали прессформ.
Сплавы системы Al-Cu-Mg имеют широкий интервал прочностных свойств (Д1, Д16, В65 и др.) обладают низкой технологичностью при литье и обработке давлением. Сплавы относятся к категории несвариваемых плавлением из-за высокой склонности к образованию кристаллизационных трещин. Хорошо обрабатываются резаньем сплавы 2007, 2011.
Сплавы системы Al-Cu-Mg-Fe-Ni-Si применяются для изготовления изделий, работающих при повышенных температурах (до 250°С). Они имеют хорошие технологические свойства при литье и обработке давлением.
На рис. 4 представлены чертежи отливки (а) и поковка (б), изготовленные литьем (Аl2) и штамповкой из сплава АК4. Штамповка взамен кокильного литья сокращает расход металла в 2 раза. При этом нет необходимости в латунном вкладыше для нарезания резьбы.
Рис. 3. Детали пневмоаппаратуры, полученные холодной
объемной штамповкой из сплава АД31.
Рис. 4. Чертежи отливки (а) из сплава Al2 и поковки (б), полученной
изотермической штамповкой выдавливанием из сплава АК4.
Сплавы системы Al-Cu-Mn обладают хорошей технологичностью при литье и обработке давлением, отличаются высокими механическими характеристиками при температурах до 250°С, хорошо свариваются всеми видами сварки. Они применяются в условиях криогенных температур, коррозионная стойкость их низкая из-за высокого содержания меди. Коррозионную стойкость можно повысить у этих сплавов (Д20, Д21, и др.) микродуговым оксидированием (см. приложение № 2) [6].
Сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu наиболее высокопрочные. Так, например, у сплава В96цТ1, s= 650 Mпa (HB-145). Они имеют низкую штампуемость. Длительная эксплуатация возможна при температурах не выше 100-120°С. На рис. 5 представлена поковка корпуса с внутренним шпангоутом из сплава В96цЗ, у которой sв=585н-600 МПа.
2.2 Новые деформируемые термически неупрочняемые сплавы на основе системы
Al-Mg-Sc марок 01515. 01523. 01535. 01545, 01570. 01571.
Новые сплавы на основе системы Al-Mg-Sc имеют те же основные достоинства, что и традиционные сплавы системы Al-Mg:
- хорошую свариваемость;
- высокую коррозионную стойкость;
- высокую технологичность в металлургическом и машиностроительном производствах;
- полуфабрикаты и готовые детали из них не требуют упрочняющей термической обработки.
При одном и том же содержании магния (1-6,8%) сплавы на основе системы Al-Mg-Sc по прочностным характеристикам, особенно по пределу текучести, в 1,5-2 раза превосходят традиционные алюминиево-магниевые сплавы при удовлетворительной пластичности (см. таблицу № 1, приложение № 2).
2.1.1 Области применения сплавов системы Al-Mg-Sc:
- сварные корпуса космических летательных аппаратов (01570);
- сварные корпуса легких скоростных судов (01570);
- детали сложной формы, получаемые сверхпластической формовкой (01570, 01571);
- элементы шасси легкового автомобиля (01535, 01545);
- криогенные сварные конструкции, в том числе эксплуатируемые при
- температуре жидкого водорода (01535, 01545);
- сварные конструкции, работающие в агрессивных средах, в том числе резервуары и трубопроводы для хранения и перекачки сырой нефти с повышенным содержанием сероводорода (01535, 01523);
- радиационно стойкие сварные конструкции (01523);
- теплообменники (01515).
Применение сплавов системы Al-Mg-Sc взамен традиционных сплавов системы Al-Mg позволяет снизить массу и металлоемкость конструкций на 20-30%. В ряде конструкций сплавы системы Al-Mg-Sc могут использоваться взамен термически упрочняемых алюминиевых сплавов (Д16, 1201 и др.). В этом случае эффект достигается за счет исключения операций закалки и старения.
Рис. 5. Поковка корпуса с внутренним шпангоутом из сплава В96цЗ.
2.3. Особую группу составляют высококремнистые сплавы системы Al-Si-Mg и Al-Si-Cu-Mg (А356, А357, С355, А319, А390), поставляемые в виде слитков для тиксотропной штамповки. Из этих сплавов изготавливают поковки тормозных цилиндров и других деталей сложной формы в автомобиле- и тракторостороении.
3. Экономическая эффективность использования алюминиевых сплавов в машиностроении.
3.1. Основной составляющей экономической эффективности использования алюминиевых сплавов в деталях транспортных механизмов и машин является снижение затрат на топливо и повышение грузоподъемности.
В мировой практике установлено, что снижение массы машины на 1 кг позволяет экономить 1 кг топлива в год. Применительно к сельхозмашинам не менее важным эффектом будет снижение давления на почву. В транспортном машиностроении эффективным является изготовление различных емкостей и цистерн, а так же вагонов из высокопрочных алюминиевых сплавов. Растет использование алюминиевых сплавов в судостроении.
Использование алюминиевых сплавов в производстве автомобильных колес получило большое распространение (см. приложение № 3). Снижение массы движущихся механизмов в дальнейшем пойдет и по пути применения магниевых сплавов, что также подтверждает тенденцию увеличения доли легких сплавов в производстве деталей машин.
3.2. Алюминиевые трубы, также как и стальные, в основном используются в нефтегазовой промышленности. Особенно эффективно применение высококачественных труб из алюминиевых сплавов (бурильных, насосно-компрессорных и обсадных труб) взамен дорогостоящих труб из нержавеющих сталей для работы в сероводородсодержащих нефтепромысловых средах. При этом стоимость бурильных алюминиевых труб составляет $3 тыс. за тонну, а применение труб из нержавеющих сплавов с содержанием хрома 20-30% и никеля до 50% ведет к повышению их стоимости до $18-25 тыс. за тонну [7].
Эффективным является возможность штамповки крупногабаритных плоских и воротниковых фланцев (ГОСТ 12820 и ГОСТ 12821) диаметром 24” и более из литых трубных заготовок.
3.3. В арматуростроении перспективным является использование алюминиевых сплавов при изготовлении штамповкой различных пробок и других деталей шаровых кранов и клапанов. Так, например, для штамповки пробки шаровой из стали 12х13 Н9Т для запорного клапана Ду125 используется 12 кг. стальной трубы стоимостью 100 руб. за 1 кг. При переходе на технологию штамповки из алюминиевого сплава АК6 примерно в три раза уменьшается масса поковки, что позволяет даже при последующей относительно дорогой операции микродугового оксидирования поверхности пробки получить значительный экономэффект.
3.4. В мелкосерийном и серийном производстве большое количество стальных деталей изготавливается с низким коэффициентом использования металла (КИМ). Зачастую он находится в пределах 0,2-0,4. В этом случае эффективным является переход с затратной технологии (формообразование детали в основном за счет лезвийной механообработки) на прогрессивную точную объемную штамповки из алюминиевых сплавов.