Jakie są właściwości, główne składniki stopowe i funkcje stopów aluminium serii 2xxx?
(1) Charakterystyka stopów aluminium serii 2xxx
Stopy aluminium serii 2xxX to stopy aluminium, w których głównym elementem stopowym jest miedź. Obejmują one stopy Al-Cu-Mg, stopy Al-Cu-Mg-Fe-Ni i stopy Al-Cu-Mn. Stopy te są stopami aluminium poddanymi obróbce cieplnej.
Stopy aluminium serii 2xXX charakteryzują się wysoką wytrzymałością i są zwykle nazywane twardymi stopami aluminium. Mają dobrą odporność na ciepło i właściwości przetwórcze, ale ich odporność na korozję nie jest tak dobra, jak w przypadku większości innych stopów aluminium. W pewnych warunkach wystąpi korozja międzykrystaliczna. Dlatego płyta często musi być pokryta warstwą czystego aluminium lub warstwą stopu aluminium serii 6xXx, który ma elektrochemiczną ochronę płyty rdzeniowej, aby znacznie poprawić jej odporność na korozję. Spośród nich stop Al-Cu-Mg-Fe-Ni ma niezwykle złożony skład chemiczny i skład fazowy. Ma wysoką wytrzymałość w wysokiej temperaturze i dobrą wydajność procesu. Jest stosowany głównie do części odpornych na ciepło pracujących poniżej 150~250 stopni; chociaż wytrzymałość stopu AI-Cu-Mn w temperaturze pokojowej jest niższa niż stopu Al-Cu-Mg 2A12 i 2A14, jego wytrzymałość jest wyższa niż obu w temperaturze 225~250 stopni lub wyższej. Ponadto stop ma dobrą wydajność procesu i jest łatwy do spawania. Jest głównie stosowany w odpornych na ciepło spawalnych elementach konstrukcyjnych i odkuwkach. Ta seria stopów jest szeroko stosowana w lotnictwie i przemyśle kosmicznym.
(2) Główne pierwiastki stopowe i ich rola
①Główne gatunki stopów AI-Cu-Mg to 2A01, 2A02, 2A06, 2A10, 2A11, 2A12 itd. Głównymi dodawanymi pierwiastkami są Cu, Mg i Mn.
Ich wpływ na stopy jest następujący.
a. Wpływ zawartości Cu i Mg na właściwości mechaniczne stopów. Gdy zawartość Mg wynosi 1%~2%, gdy zawartość Cu wzrasta z 1.0% do 4%, wytrzymałość na rozciąganie stopu w stanie zahartowanym wzrasta z 200MPa do 380MPa; wytrzymałość na rozciąganie stopu w stanie zahartowanego naturalnego starzenia wzrasta z 300MPa do 480MPa. Gdy zawartość Cu mieści się w zakresie 1%~4%, gdy zawartość Mg wzrasta z 0,5% do 2,0%, wytrzymałość na rozciąganie stopu wzrasta; gdy zawartość Mg nadal wzrasta, wytrzymałość stopu maleje.
Wytrzymałość na rozciąganie stopu zawierającego 4,0% Cu i 2,0% Mg jest najwyższa; stop zawierający 3%~4% Cu i 0.5%~1.3% Mg ma największy efekt hartowania i naturalnego starzenia. Test pokazuje, że wytrzymałość na rozciąganie stopu potrójnego AI-Cu-Mg zawierającego 4%~6% Cu i 1%~2% Mg może osiągnąć 490~510 MPa w stanie hartowania i naturalnego starzenia.
b. Wpływ zawartości Cu i Mg na odporność cieplną stopu. Z wartości testu wytrzymałości zmęczeniowej stopu AI-Cu-Mg zawierającego 0.6%Mn przy 200 stopniach i naprężeniu 160MPa można zauważyć, że stop zawierający Cu 3,5%~6% i Mg1,2%~2,0% ma najwyższą wytrzymałość zmęczeniową. W tym momencie stop znajduje się na lub w pobliżu pseudobinarnej sekcji AI-S (AlCuMg). Stop z dala od pseudobinarnej sekcji, tj. gdy zawartość Mg jest mniejsza niż 1,2%, a maksymalna wytrzymałość jest większa niż 2,0%, jego wytrzymałość zmęczeniowa maleje. Jeśli zawartość Mg zostanie zwiększona do 3,0% lub więcej, wytrzymałość zmęczeniowa stopu szybko spadnie.
Podobne zasady uzyskano w teście przy 250 stopniach i naprężeniu 100 MPa. Literatura wskazuje, że stop o najwyższej wytrzymałości wytrzymałościowej przy 300 stopniach znajduje się w obszarze fazy +S na prawo od sekcji binarnej AI-S o wyższej zawartości Mg.
c. Wpływ zawartości Cu i Mg na odporność stopów na korozję. Stopy binarne Al-Cu o zawartości Cu 3%~5% mają bardzo niską odporność na korozję w stanie hartowania i naturalnego starzenia. Dodanie 0.5%Mg może zmniejszyć potencjał roztworu stałego i częściowo poprawić odporność stopu na korozję. Gdy zawartość Mg jest większa niż 1.0%, lokalna korozja stopu wzrasta, a wydłużenie po korozji gwałtownie spada. W przypadku stopów o zawartości Cu większej niż 4.0% i zawartości Mg większej niż 1.0%, Mg zmniejsza rozpuszczalność Cu w Al. W stanie hartowanym stop ma nierozpuszczalne fazy CuAl₂ i S, a obecność tych faz przyspiesza korozję. Stopy z zawartością Cu 3%~5% i zawartością Mg 1%~4% znajdują się w tym samym obszarze fazowym, a ich odporność na korozję jest podobna w stanie hartowania i naturalnego starzenia. Stopy w obszarze fazy aS mają gorszą odporność na korozję niż te w obszarze a-CuAl₂-S. Korozja międzykrystaliczna jest główną tendencją korozyjną stopów Al-Cu-Mg.
Mn: Mn jest dodawany do stopu Al-Cu-Mg głównie w celu wyeliminowania szkodliwych efektów Fe i poprawy odporności na korozję. Mn może nieznacznie zwiększyć wytrzymałość stopu w temperaturze pokojowej, ale zmniejszyć plastyczność. Mn może również opóźnić i osłabić proces sztucznego starzenia stopu Al-Cu-Mg i poprawić odporność cieplną stopu. Mn jest również jednym z głównych czynników, które sprawiają, że stop Al-Cu-Mg ma efekt wytłaczania. Dodatek Mn jest na ogół mniejszy niż 1.0%. Jeśli zawartość jest zbyt wysoka, mogą powstawać grube kruche związki (FeMn)Al6, zmniejszając plastyczność stopu.
d. Niewielka ilość pierwiastków śladowych dodawanych do stopów Al-Cu-Mg obejmuje Ti i Zr, a zanieczyszczenia to głównie Fe, Si i Zn itp., a ich działanie jest następujące.
Ti: Dodanie Ti do stopu może rozdrobnić ziarna odlewu i zmniejszyć tendencję do powstawania pęknięć podczas odlewania.
Zr: Niewielka ilość Zr ma podobny wpływ jak Ti, uszlachetniając ziarna odlewu, zmniejszając tendencję do pękania podczas odlewania i spawania oraz poprawiając plastyczność wlewków i spoin. Dodanie Zr nie wpływa na wytrzymałość wyrobów odkształcanych na zimno zawierających stopy Mn.
Nieznacznie poprawia wytrzymałość stopów bez Mn. Si: W przypadku stopów Al-Cu-Mg o zawartości Mg mniejszej niż 1.0%, zawartość Si przekraczająca 0.5% może poprawić szybkość i wytrzymałość sztucznego starzenia bez wpływu na naturalną zdolność starzenia. Ponieważ Si i Mg tworzą fazę Mg2Si, jest to korzystne dla efektu sztucznego starzenia. Jednak gdy zawartość Mg zostanie zwiększona do 1,5%, po hartowaniu naturalnego starzenia lub obróbce sztucznego starzenia, wytrzymałość i odporność cieplna stopu zmniejszają się wraz ze wzrostem zawartości Si. Dlatego zawartość Si powinna zostać zredukowana tak bardzo, jak to możliwe. Ponadto wzrost zawartości Si zwiększy tendencję stopów takich jak 2A12 i 2A06 do tworzenia pęknięć podczas odlewania i zmniejszy plastyczność podczas nitowania. Dlatego zawartość Si w stopie jest na ogół ograniczona do mniej niż 0,5%. W przypadku stopów wymagających dużej plastyczności zawartość Si powinna być niższa.
Fe: Fe i Al tworzą związki FeAl3 i rozpuszczają się w związkach tworzonych przez pierwiastki takie jak Cu, Mn i Si. Te grube związki, które nie rozpuszczają się w roztworze stałym, zmniejszają plastyczność stopu, a stop jest podatny na pękanie podczas odkształcania. A efekt wzmacniający jest znacznie zmniejszony. Niewielka ilość Fe (mniej niż 0.25%) ma niewielki wpływ na właściwości mechaniczne stopu, poprawia tendencję do tworzenia się pęknięć podczas odlewania i spawania, ale zmniejsza naturalną szybkość starzenia. Aby uzyskać wysoce plastyczne materiały, zawartość Fe i Si w stopie powinna być jak najniższa.
Zn: Niewielka ilość Zn ({{0}}.1%~0.5%) ma niewielki wpływ na właściwości mechaniczne stopów Al-Cu-Mg w temperaturze pokojowej, ale zmniejsza odporność cieplną stopu. Zawartość Zn w stopie powinna być ograniczona do mniej niż 0,3%.
② Stop Al-Cu-Mg-Fe-Ni Główne gatunki stopów tej serii stopów to 2A70, 2A80, 2A90 itd.Rola każdego elementu stopu jest następująca.
Cu i Mg: Wpływ zawartości Cu i Mg na wytrzymałość w temperaturze pokojowej i odporność cieplną powyższych stopów jest podobny do wpływu stopu AI-Cu-Mg. Ponieważ zawartość Cu i Mg w tej serii stopów jest niższa niż w stopie AI-Cu-Mg, stop znajduje się w dwufazowym regionie a+ S (AlCuMg), więc stop ma wyższą wytrzymałość w temperaturze pokojowej i dobrą odporność cieplną; ponadto, gdy zawartość Cu jest niska, stały roztwór o niskim stężeniu ma niewielką tendencję do rozkładu, co jest korzystne dla odporności cieplnej stopu.
Ni: Ni i Cu w stopie mogą tworzyć nierozpuszczalny związek potrójny. Gdy zawartość Ni jest niska, powstaje (AICuNi), a gdy zawartość Ni jest wysoka, powstaje Al3(CuNi)2. Dlatego obecność Ni może zmniejszyć stężenie Cu w roztworze stałym. Wyniki pomiaru stałej sieci w stanie zahartowanym również dowodzą zubożenia atomów Cu w roztworze stałym stopu. Gdy zawartość Fe jest bardzo niska, wzrost zawartości Ni może zmniejszyć twardość stopu i zmniejszyć efekt wzmacniający stopu.
Fe: Podobnie jak Ni, Fe może również zmniejszyć stężenie Cu w roztworze stałym. Gdy zawartość niklu jest bardzo niska, twardość stopu na początku znacznie spada wraz ze wzrostem zawartości Fe, ale gdy zawartość Fe osiągnie pewną wartość, zaczyna ponownie wzrastać.
Ni i Fe: Gdy do stopu AICu2.2Mg1.65 dodamy Fe i Ni w tym samym czasie, charakterystyki zmiany twardości podczas naturalnego starzenia z hartowaniem, sztucznego starzenia z hartowaniem, hartowania i wyżarzania są podobne, a wartość maksymalna pojawia się w miejscu, w którym zawartości Ni i Fe są podobne, a stała sieci w stanie hartowania przyjmuje w tym punkcie wartość minimalną.
Gdy zawartość Fe w stopie jest większa niż zawartość Ni, pojawi się faza Al7Cu2Fe. Natomiast gdy zawartość Ni w stopie jest większa niż zawartość Fe, pojawi się faza AlCuNi. Pojawienie się powyższej fazy potrójnej zawierającej Cu zmniejsza zawartość Cu w roztworze stałym. Tylko gdy zawartości Fe i Ni są równe, generowane są wszystkie fazy AlgFeNi. W tym przypadku, ponieważ nie ma nadmiaru Fe lub Ni, aby utworzyć nierozpuszczalną fazę zawierającą Cu, Cu w stopie nie tylko tworzy fazę S (Al2CuMg), ale także zwiększa stężenie Cu w roztworze stałym, co jest korzystne dla poprawy wytrzymałości stopu i jego odporności cieplnej.
Zawartość Fe i Ni może mieć wpływ na odporność cieplną stopu. Faza AlgFeNi jest twardym i kruchym związkiem o bardzo małej rozpuszczalności w Al. Po kuciu i obróbce cieplnej, gdy są rozproszone i rozprowadzone w strukturze, mogą znacznie poprawić odporność cieplną stopu. Na przykład stop AICu2.2Mg1.65 zawiera 1.0% Ni, a stop z 0.7%~0.9% Fe ma najwyższą wartość wytrzymałości trwałej.
Si: Dodanie 0.5% do 1.2% Si do stopu 2A80 poprawia wytrzymałość stopu w temperaturze pokojowej, ale zmniejsza jego odporność cieplną.
Dodanie {{0}}.02%~0.1% Ti do stopu Ti:2A70 powoduje uszlachetnienie ziaren w stanie odlanym i poprawia wydajność procesu kucia, co korzystnie wpływa na odporność cieplną, ale ma niewielki wpływ na wydajność w temperaturze pokojowej.
③ Stop Al-Cu-Mn. Główne gatunki stopów tej serii stopów to 2A16, 2A17 itd.
Funkcje głównych pierwiastków stopowych są następujące.
Cu: W temperaturze pokojowej i wysokiej temperaturze, wraz ze wzrostem zawartości Cu, wzrasta wytrzymałość stopu. Gdy zawartość Cu osiągnie 5.0%, wytrzymałość stopu jest bliska wartości maksymalnej. Ponadto Cu może poprawić właściwości spawalnicze stopu.
Mn: Mn jest głównym pierwiastkiem poprawiającym żaroodporny stop. Zwiększa energię aktywacji atomów w roztworze stałym, zmniejsza współczynnik dyfuzji atomów rozpuszczonych i szybkość rozkładu roztworu stałego. Gdy roztwór stały ulega rozkładowi, proces formowania i wzrostu wytrąconej fazy T (Al2oCu2Mn3) jest również bardzo powolny, więc stop jest również bardzo stabilny, gdy jest podgrzewany przez długi czas w określonej wysokiej temperaturze. Dodanie odpowiedniego Mn (0.6%~0.8%) może poprawić wytrzymałość w temperaturze pokojowej i wytrzymałość wytrzymałościową stopu w stanie hartowania i naturalnego starzenia. Jednakże, jeśli zawartość Mn jest zbyt wysoka, faza T wzrasta, interfejs wzrasta, efekt dyfuzji jest przyspieszony, a odporność cieplna stopu jest zmniejszona. Ponadto, Mn może również zmniejszyć tendencję do pękania podczas spawania stopu.
Do stopu Al-Cu-Mn dodawane są następujące pierwiastki śladowe: Mg, Ti i Zr, natomiast głównymi zanieczyszczeniami są Fe, Si, Zn itp., których działanie jest następujące.
Mg: Gdy zawartość Cu i Mn w stopie 2A16 pozostaje niezmieniona, dodaje się 0.25%~0.45% Mg, aby utworzyć stop 2A17. Mg może poprawić wytrzymałość stopu w temperaturze pokojowej i poprawić odporność cieplną poniżej 150~225 stopni. Jednak gdy temperatura wzrasta dalej, wytrzymałość stopu znacznie spada. Jednak dodatek Mg może pogorszyć właściwości spawalnicze stopu, więc w stopie 2A16 stosowanym do spawania odpornego na ciepło zawartość domieszki Mg nie powinna przekraczać 0.05%. Ti: Ti może rafinować ziarna odlewu, zwiększać temperaturę rekrystalizacji stopu, zmniejszać tendencję do rozkładu przesyconego roztworu stałego i stabilizować strukturę stopu w wysokiej temperaturze. Jednakże, gdy zawartość Ti jest większa niż {{20}}.3%, powstają grube, igłowate związki TiAls, co zmniejsza odporność cieplną stopu. Zawartość Ti w stopie jest określona jako 0.1%~0.2%. Zr: Gdy do stopu 2219 doda się 0.1%~0.25% Zr, ziarna mogą zostać uszlachetnione, a temperatura rekrystalizacji i stabilność roztworu stałego stopu mogą zostać zwiększone, tym samym poprawiając odporność cieplną stopu i poprawiając spawalność stopu i plastyczność spoiny. Jednakże, gdy zawartość Zr jest wysoka, mogą zostać wytworzone bardziej kruche związki ZrAl3.
Fe: Gdy zawartość Fe w stopie przekracza {{0}}.45%, tworzy się nierozpuszczalna faza AlCu2Fe, która może obniżyć właściwości mechaniczne stopu w stanie hartowania i starzenia oraz wytrzymałość wytrzymałościową w temperaturze 300 stopni. Dlatego zawartość Fe powinna być ograniczona do mniej niż 0,3%.
Si: Niewielka ilość Si ({{0}}.4%) nie ma wyraźnego wpływu na właściwości mechaniczne w temperaturze pokojowej, ale zmniejsza wytrzymałość wytrzymałościową w temperaturze 300 stopni. Gdy zawartość Si przekroczy 0,4%, właściwości mechaniczne stopu w temperaturze pokojowej ulegną pogorszeniu. Dlatego zawartość Si jest ograniczona do mniej niż 0,3%.
Zn: Niewielka ilość Zn ({{0}}.3%) nie ma wpływu na właściwości stopu w temperaturze pokojowej, ale może przyspieszyć szybkość dyfuzji Cu w Al i zmniejszyć wytrzymałość zmęczeniową stopu w temperaturze 300 stopni, dlatego jest ona ograniczona do mniej niż 0,1%.
Jakie są rodzaje i zastosowania stopów aluminium serii 2xxx?
Stop 2011
Typy: rury ciągnione, pręty obrabiane na zimno, druty obrabiane na zimno
Zastosowania: śruby i produkty obrabiane maszynowo, wymagające dobrej wydajności cięcia
Stop 2014
Rodzaje: płyty, blachy grube, rury ciągnione, rury wytłaczane, pręty, profile, druty, pręty obrabiane na zimno, druty obrabiane na zimno, odkuwki
Zastosowania: stosowane w zastosowaniach wymagających wysokiej wytrzymałości i twardości (w tym wysokich temperatur). Ciężkie odkuwki, grube płyty i materiały wytłaczane są używane do części konstrukcyjnych samolotów, zbiorników paliwa pierwszego stopnia rakiet wielostopniowych i części statków kosmicznych, kół, ram ciężarówek i części układu zawieszenia
Stop 2017
Typy: płyty, profile wytłaczane, pręty obrabiane na zimno, druty obrabiane na zimno, druty nitowe, odkuwki
Zastosowania: Jest to pierwszy stop serii 2XXX stosowany przemysłowo. Obecny zakres zastosowań jest stosunkowo wąski, głównie nity, ogólne części maszyn, samoloty, statki, transport, elementy konstrukcyjne budynków, elementy konstrukcyjne pojazdów transportowych, śmigła i akcesoria.
Stop 2024
Rodzaje: Płyty, blachy grube, rury ciągnione, rury wytłaczane, profile, pręty, druty, pręty obrabiane na zimno, druty obrabiane na zimno, druty nitowe
Zastosowania: Konstrukcje samolotów (poszycia, ramy, żebra, grodzie itp.), nity, elementy pocisków, koła samochodów ciężarowych, elementy śmigieł i inne różne części konstrukcyjne
Stop 2036
Rodzaje: Blachy karoseryjne samochodowe
Zastosowania: Części blacharskie karoserii samochodowych
Stop 2048
Odmiany: Talerze
Zastosowania: Elementy konstrukcyjne samolotów i broni
Stop 2117
Rodzaje: Pręty i druty obrabiane na zimno, druty nitowe
Zastosowania: Stosowane jako nity do elementów konstrukcyjnych, których temperatura robocza nie przekracza 100 stopni.
Stop 2124
Odmiany: Grube płyty
Zastosowania: Elementy konstrukcyjne samolotów
Stop 2218
Odmiany: Odkuwki, folie
Zastosowania: tłoki silników lotniczych i silników wysokoprężnych, głowice cylindrów silników lotniczych, wirniki silników odrzutowych i pierścienie sprężarek
Stop 2219
Rodzaje: Płyty, blachy grube, folie, rury wytłaczane, profile, pręty, druty, pręty obrabiane na zimno, odkuwki
Zastosowania: Spawanie zbiorników utleniacza i zbiorników paliwa rakiet kosmicznych, poszycia samolotów naddźwiękowych i części strukturalne, temperatura pracy -270~300 stopni. Dobra spawalność, wysoka wytrzymałość na pękanie, wysoka odporność na korozję naprężeniową w stanie T8
Stop 2319
Różnorodność: Drut
Zastosowanie: Pręty spawalnicze i spoiwa do spawania stopu 2219
Stop 2618
Różnorodność: Grube blachy, pręty wytłaczane, odkuwki i kucie
Zastosowanie: Cylindry silników i inne części, a także części odporne na ciepło, które wymagają pracy w temperaturze 150~250 stopni. Grube płyty są używane jako poszycia samolotów, pręty, odkuwki matrycowe i odkuwki swobodne są używane do produkcji tłoków, samolotów
Stop 2A01
Różnorodność: Pręty i druty obrabiane na zimno, druty nitowe
Zastosowanie: Stosowane jako nity do elementów konstrukcyjnych, których temperatura robocza nie przekracza 100 stopni.
Stop 2A02
Różnorodność: Pręty, odkuwki
Zastosowanie: Łopatki sprężarek osiowych, wirniki i tarcze silników turboodrzutowych o temperaturze roboczej 200~300 stopni
Stop 2A04
Różnorodność: druty nitowe
Zastosowanie: Stosowane do produkcji nitów do elementów konstrukcyjnych o temperaturze roboczej 120~250 stopni.
Stop 2A06
Różnorodność: Płyta, profil wytłaczany, drut nitowy
Zastosowanie: Części konstrukcyjne samolotów o temperaturze roboczej 150~250 stopni i nity konstrukcyjne samolotów o temperaturze roboczej 125~250 stopni
Stop 2A10
Różnorodność: drut nitowy
Zastosowanie: Wyższa wytrzymałość niż stop 2A01, stosowany do produkcji nitów konstrukcyjnych samolotów o temperaturze roboczej nie mniejszej niż 100 stopni.
Stop 2A50
Różnorodność: Odkuwki, pręty, płyty
Zastosowanie: Części o średniej wytrzymałości i skomplikowanych kształtach
Stop 2B50
Różnorodność: Odkuwki
Zastosowanie: koło sprężarki silnika lotniczego, koło kierujące, wentylator, wirnik itp.
Stop 2A90
Różnorodność: Pręty wyciskane, odkuwki i kute
Zastosowanie: Części silników lotniczych i inne części o wysokiej temperaturze pracy, odkuwki stopowe są stopniowo zastępowane przez 2A70