Алюминий на складе
«М-Комплект» (044)490-04-88 (063)717-67-74

Конструкционные высокопрочные сплавы на основе системы Аl—Zn—Mg—Cu (алюминий-цинк-магний)

История открытия сплавов

Сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu обладают наивысшей прочностью до 800МПа в долевом направлении для прессованных полуфабрикатов среди алюминиевых сплавов. Они имеют особенно высокий предел текучести, который на 40—50 % выше, чем у сплавов типа Д16 в естественно состаренном состоянии Т. Развитие высокопрочных сплавов началось с открытия в 1923—1926 гг. немецкими учеными Зандером и Мейснером чрезвычайно высокого эффекта закалки и старения в трехкомпонентных сплавах Al-Zn-Mg.

В начале 40-х годов был разработан сплав В95 (табл. IV. 1). Он нашел широкое промышленное применение как высокопрочный сплав и до настоящего времени наряду со сплавом Д16Т является основным конструкционным материалом авиационной техники. В 1956 г. И. Н. Фридляндер и Е. И. Кутайцева создали более прочный сплав В96Ц, в который впервые в мировой практике был введен цирконий вместо марганца и хрома. Это позволило повысить пластичность и улучшить прокаливаемость высокопрочных сплавов. Позднее были разработаны еще два сплава с цирконием — самый прочный сплав В96Ц-1 (в основном для прессованных полуфабрикатов) несколько менее легированный, ковочный сплав В96Ц-3 С высокой технологической пластичностью.

профиль в95

В 1957 г. для изготовления массивных поковок и штамповок создан оригинальный отечественный сплав В93, который легирован небольшим количеством железа взамен традиционных элементов — антирекристаллизаторов марганца, хрома, циркония. Это обеспечило повышенную прокаливае-мость и однородность прочностных свойств во всех направлениях при хорошей технологичности литья, ковки, штамповки.

Специально для заклепок разработан сплав В94, обладающий хорошей расклепываемостью в искусственно состаренном состоянии и сопротивлением срезу в расклепанном состоянии. По сравнению со среднепрочными сплавами высокопрочные сплавы менее пластичны и более чувствительны к надрезам, перекосам, что необходимо учитывать при обработке деталей и сборке конструкций из них. При применении сплавов еледует тщательно подходить к конструированию деталей: выбирать формы с минимальными концентраторами напряжений, с большой плавностью переходов при изменении сечения, уменьшать экцентриситеты.

Высокопрочные сплавы не теплопрочны и при длительной эксплуатации их можно использовать до температур не выше 100—120°С.

На первом этапе применения основных высокопрочных сплавов В95 и В93 главное требование, предъявляемое к ним, состояло в обеспечении максимальной статической прочности С учетом этого был установлен химический состав сплавов с довольно широкими допусками на содержание примесей железа и кремния и режим термообработки Т1, отвечающий фазовой стадии старения . При этом полуфабрикаты из таких сплавов обычной чистоты по примесям в состоянии Т1 имели ряд недостатков, к числу которых следует отнести склонность к коррозионному растрескиванию и расслаивающей коррозии, большую чувстви-тельность ко всякого рода концентраторам напряжений, пониженную пластичность и статическую выносливость.

В 60-е годы обострилась проблема надежности, долговечности, экономичности современной техники, что существенно изменило подход к оценке работоспособности высокопрочных сплавов. Они юлжны обладать оптимальным комплексом свойств: высокая прочность должна сочетаться с высоким сопротивлением коррозии и усталости и с достаточно высокими значениями характеристик пластичности и трещиностойкоси, введенных в расчеты при проектировании самолетных конструкций по новому принципу безопасной повреждаемости.

Поэтому для дальнейшего надежного и эффективного применения высокопрочных сплавов были разработаны новые модификации с ограниченным содержанием примесей железа и кремния (а для сплава В95 с одновременным снижением концентрации цинка) — сплавы В95пч, В95оч и В93пч повышенной и особой чистоты. Это позволило существенно повысить пластичность и трещиностойкость при сохранении статической прочности и некотором увеличении сопротивления малоцикловой усталости.

Задача кардинального повышения стойкости к коррозми под напряжением и расслаивающей коррозии при дополнительном увеличении сопротивления разрушению сплавов была решена в результате разработки новых двухступенчатых режимов коагуляционного старения Т2 и Т3. Эти режимы называют также смягчающими, так как они приводят к небольшому разупрочнению (на 10—15%) по сравнению с режимом Т1. По коррозионной стойкости сплавы В95пч, В95оч и В93пч в состояниях Т2 и Т3 значительно превосходят сплавы типа дуралюмин.

Химический состав (%) сплавов на основе системы алюминий-цинк-магний
Сплав Основные компоненты Примеси (не более)
Zn Mg Сu Мn Сг Другие Fe Si Мn Ti Прочие
Каждая Сумма
В93 6,3-7,3 1,6-2,2 0,8-1,2 - - Fe 0,2-0,45 - 0,2 0,1 0,1 0,05 0,1
В94 5,9-6,8 1,2-1,6 1,8-2,4 - - Ti 0,02-0,08 0,2 0,2 0,1 0,05 0,05 0,1
В95 5,0-7,0 1,8-2,8 1,4-2,0 0,2-0,6 0,1-0,25 - 0,5 0,5 - 0,05 0.05 0,1
В96 7,6-8,6 2,5-3,2 2,2-2,8 0,2-0,5 0,1-0,25 - 0,5 0,3 - 0,05 0,05 0,1
В96ц 8,0-9,0 2,3-3,0 2,0-2,6 - - Zr 0,1-0,2 0,4 0,3 0,1 0,03 0,05 0,1
1915 4,0-5,0 1,0-1,8 0,1 0,2-0,7 0,06-0,2 Zr 0,08-0,2 0,4 0,35 - 0,01-0,06 0,05 0,1
1925 3,4-4,0 1,3-1,8 0,8 0,2-0,7 0,2 Zr 0,1-0,2 0,7 0,7 - 0,1 0,05 0,1

Легирующие элементы

Цинк, магний и медь образуют с алюминием и между собой твердые растворы и различные металлические соединения — MgZn2, S(Al2CuMg), T(Mg4Zn3Al3), играющие большую роль в упрочнении сплава при его термической обработке. В сплавах данного типа особенно важной является фаза T, находящаяся в равновесии с твердым раствором а (см. диаграмму Al—Mg—Zn на рис). Марганец и хром диаграмма Al-Mg-Znусиливают эффект старения и повышают коррозионную стойкость сплава; марганец, кроме того, способствует получению мелкозернистой структуры, затрудняет выделение металлических фаз по границам зерен твердого раствора, а также несколько повышает прочность сплава; при этом особенно повышается прочность прессованных изделий, что характеризует так называемый «пресс-эффект». Пресс-зффект связывают с выделением мелкодисперсных частиц марганцовистой фазы или образованием блоков внутри зерен твердого раствора.

Термообработка

Максимальные значения прочности полуфабрикатов из сплавов на основе системы Al—Zn—Mg—Си достигаются при температурах закалки 460—475°С с последующим искусственным старением. Режимы старения: сплава В93 — ступенчатый (120°С — 3 ч + 165°С — 4 ч); сплава В94 — ступенчатый (100° С — 3 ч + 165°С — 3 ч); сплава B95— плакированные листы — 120°С 24 ч; сплавов В95 — неплакированные полуфабрикаты, В96, В96ц — 135-145°С в течение 16 ч или ступенчатый (120°С — 3 ч + 160°С — 3 ч).

Прочность и пластичность

Сплавы на основе системы Al—Zn—Mg—Си обладают высокой прочностью и пониженной пластичностью. Чувствительны к надрезам. в закаленном и искусственно состаренном состоянии, отличаются удовлетворительной общей коррозионной стойкостью, однако склонны к коррозионному растрескиванию под напряжением (в особенности сплавы В96 и В96ц). Коррозионная стойкость естественно состаренных сплавов неудовлетворительная. Детали из этих сплавов следует анодировать и защищать лакокрасочными покрытиями.
Недостатками сплавов типа В95 являются пониженная пластичность, повышенная чувствительность к концентрации напряжений, большая анизотропия свойств в поперечном и продольном направлении волокон и склоннюсть к коррозии под напряжением. Однако при правильной обработке, рациональном применении в конструкции и надлежащей защите от коррозии эти недостатки могут быть успешно устранены.

Механические свойства листов по ГОСТ 21631-76
Марка Обозначение
Состояние образцов Толщина листа, мм Механические свойства при растяжении
Временное сопро­тивление
σв, МПа (кгс/мм2)
Предел текучести
σ0,2, МПа (кгс/мм2)
Относи­тельное удли­нение при l=11,3√F*
δ %
Не менее
*Для испытаний используются длинные образцы,где l-участок образца в мм, на котором определяют удлинение,а F-начальная площадь поперечного сечения в рабочей части образца в мм2
В95А В95AM Отожженные От 0,5 до 10,5 Не более 245 (25,0) 10,0
В95АТ1 Закаленные и искусственно состаренные От 0,5 до 1,9 480(49,0) 400(41,0) 7,0
Св. 1,9 до 6,0 490 (50,0) 410(42,0) 7,0
6,0 до 10,5 490 (50,0) 410(42,0) 6,0
В95А Закаленные и искусственно состаренные От 5.0 до 10,5 490 (50,0) 410(42,0) 6,0
В95—2А,
В95—2Б,
В95— 1А,
В95— 1,
АКМБ, АКМА,
АКМ
В95-2АМ,
В95-2БМ,
В95-1АМ,
АКМБМ,
АКМАМ,
АКММ
Отожженные От 1,0 до 10,5 Не более 245
(25,0)
10,0
В95-2А,
В95—2Б,
В95-1А,
В95— 1,
АКМБ,
АКМА,
АКМ
АКМАН Нагартованные От 0,8 до 4,0 Не испытываются
В95-2АТ,
В95-1АТ,
АКМАТ
Закаленные и естественно состаренные От 1,0 до 10,5 315(32,0) 10,0
В95-2А Без термической обработки От 5,0 до 10,5 315(32,0) 10,0
В95-1А,
В95-1,
АКМА
Не испытываются
1915 1915М Отожженные От 1,0 до  4,5 Не более 245
(25,0)
10,0
1915Т Закаленные и естественно состаренные в течение 30—35 суток От 1,0 до 10,5 315 (32,0) 195(20,0) 10,0
1915Т Закаленные и естественно состаренные в течение 2-4 суток От 1,0 до 10,5 275(28,0) 165(17,0) 10,0
1915 Закаленные и естественно состаренные в течение 30-35 суток От 5,0 до 10,5 315(32,0) 195(20,0) 10,0
1915 Закаленные естественно состаренные в течение 2-4 суток От 5,0 до 10,5 265(27,0) 165(17,0) 10,0
ВД1А, ВД1Б, ВД1 ВД1АМ,
ВД1М,
ВД1БМ
Отожженные От 0,8 до 10,5 Не более 245
(25,0)
10,0
ВД1АТ,
BД1T,
ВД1БТ
Закаленные и естественно состаренные От 0,8 до 10,5 335(34,0) 12,0

Использование

Сплав В95 хорошо сваривается точечной сваркой; сплавы В96 и В96ц удовлетворительно свариваются аргонодуговой сваркой. Пластичность сварного шва пониженная.
Все сплавы на основе системы Al—Zn—Mg—Си хорошо обрабатываются резанием.
Сплавы В93, В95, В96, В96ц применяют для изготовления нагруженных силовых деталей и конструкций в различных отраслях техники. Сплав В94 применяют для изготовления заклепок и заклепочной проволоки.
При длительной эксплуатации рабочие температуры изделий из сплавов на основе системы Al—Zn—Mg—Сu не должны превышать 100°С

Характеристики механических свойств полуфабрикатов из сплава В95
Полуфабрикат Состояние материала σв σ0,2 δ %
кгс/мм2
Не менее
*Свойства в поперечном направлении
**Механические свойства особо прочных листов обеспечиваются путем ограничения содержания магния и цинка в сплаве и отбором листов серийно поставляемой продукции.
Листы плакированные толщиной, мм *:
0,5–10,0
Отожженные 25 - 10
0,5–1 9 Закаленные   и   искусственно состаренные 49 41 7
2,0–6,0 50 42 7
6,1–10,0 50 42 6
1,2–6,0 Закаленные и искусственно состаренные, особо прочные** 63 46 6
6,1–10,0 53 46 5
Профили с толщиной стенки, мм:
≤10
Закаленные   и   искусственно состаренные 50 45 6
≥10 52 47 6
Прутки прессованные диаметром,  мм:
≤22
50 40 7
23–100 54 43 6
300 50 43 5
Трубы прессованные с толщиной стенки, мм:
5–20
50 38 7
≥20 52 41 5
плита 1933