Структура и свойства алюминиево-магниевых сплавов

В. И. Аникина
Т. Р. Гильманшина
В. Н. Баранов

Монография

Институт цветных металлов и материаловедения

сТРукТуРА И сВойсТВА
АлюмИНИеВо-мАГНИеВых
сплАВоВ

Введение 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
В. И. Аникина, Т. Р. Гильманшина, В. Н. Баранов 
 
 
 
СТРУКТУРА  И  СВОЙСТВА  
АЛЮМИНИЕВО-МАГНИЕВЫХ  СПЛАВОВ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2012 

Введение 
 

2 

УДК 669.715:669.721.5 
ББК 34.223.1 
        А671 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рецензенты: С. Б. Наумов, канд. техн. наук, доц. каф. «Технология 
конструкционных материалов и машиностроения» Сибирского государственного технологического университета; В. Ю. Гурская, канд. техн. наук, доц., 
инженер-исследователь опытно-производственного цеха ОАО «Красцветмет»   
 
 
 
 
 
Аникина, В. И. 
А671        Структура и свойства алюминиево-магниевых сплавов : монография  / В. И. Аникина, Т. Р. Гильманшина, В. Н. Баранов. – 
Красноярск :  Сиб. федер. ун-т, 2012. – 112 с. 
ISBN 978-5-7638-2637-1 
 
 
Рассмотрено влияние различных видов термической обработки на структуру и свойства алюминиево-магниевых сплавов. 
Предназначена научным и инженерно-технических работникам, специализирующимся на получении отливок из алюминиево-магниевых сплавов, аспирантам, обучающимся по научным специальностям 05.16.04 «Литейное производство», магистрантов, обучающихся по направлению программы подготовки 
150400.68 «Металлургия». 
 
 
УДК 669.715:669.721.5 
ББК 34.233.1 
 
 
ISBN 978-5-7638-2637-1                                                           © Сибирский федеральный 
                                                                                                         университет, 2012 

Введение 
 

3 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Быстрый темп развития промышленности требует получения 
особых свойств, что приводит к созданию специальных материалов,      
в т. ч. удовлетворяющих требованиям машиностроителей и технологов по структуре. Алюминиевые сплавы остаются одними из наиболее 
популярных конструкционных материалов. Уже сейчас трудно найти 
отрасль промышленности, где  бы не использовался алюминий или 
его сплавы, от микроэлектроники до тяжёлой металлургии. Это обусловливается высокими механическими свойствами, лёгкостью, низкой температурой плавления, что облегчает обработку, хорошими 
внешними качествами, особенно после специальной обработки. Учитывая перечисленные и многие другие физические и химические 
свойства алюминия, его неисчерпаемое количество в земной коре, 
можно сказать, что алюминий  и его сплавы – одни из самых перспективных материалов будущего [1, 2 и др.].  
Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах 
многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов. 
Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют для работы 
в морской воде, например, морские бакены, спасательные шлюпки, 
суда, баржи. Для изготовления этих изделий широко применяются 
алюминиево-магниевые сплавы, которые составляют группу термически неупрочняемых деформируемых и свариваемых легких сплавов.  
В мелком судостроении наибольшее распространение получили 
сплавы марки АМг5 (5 % магния), предназначенные для листовых 
конструкций, и АМг61 для листов и профилей. Листы и профили из 
этих сплавов обладают пластичностью, позволяющей подвергать их 
гибке в холодном состоянии [3].  
Алюминиево-магниевые сплавы обладают отличной свариваемостью. Сварные швы получаются герметичными без применения каких-либо уплотнителей. Для сварки используются сварочная проволока из того же сплава, при этом прочность сварного шва не отличается от прочности цельного листа. Это позволяет делать изделия из 
них (например, лодки) цельносварными, что на порядок увеличивает 
их надежность [4]. 

Введение 
 

4 

Еще одним достоинством этих сплавов является их высокая 
коррозионная стойкость, что позволяет использовать их для корпусов 
судов, эксплуатируемых в морской воде.  
Известно применение алюминиево-магниевых сплавов для изготовления штампованных заготовок для колес и готовых колес из магниевых сплавов [5]. 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1. Алюминиевые сплавы: классификация, структура, свойства и области применения 
 

5 

1. ОСНОВНЫЕ ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ  
И ИХ СВОЙСТВА 
 
 
1.1. Алюминиевые сплавы: классификация,  
структура, свойства и области применения 
 
Многие цветные металлы и их сплавы обладают рядом ценных 
свойств: хорошей пластичностью, вязкостью, высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью и другими достоинствами. Наиболее применяемыми в промышленности являются алюминиевые сплавы, так как, помимо перечисленных достоинств, они еще  
и самые легкие сплавы цветных металлов. 
Сплавы по способу изготовления изделий из них делят на две 
группы: деформируемые и литейные [6]. 

Деформируемые алюминиевые сплавы (ГОСТ 4784–97) подразделяются на термически неупрочняемые и упрочняемые. К сплавам, 
не упрочняемым термической обработкой, относят сплавы марок 
АМц и АМг. Сплавы отличаются высокой пластичностью, хорошей 
свариваемостью и хорошей коррозионной стойкостью. 
Сплавы марок АМц изготовляют из алюминия  с добавлением 
марганца. Структура сплавов АМц состоит из α-твердого раствора          
и вторичных выделений фазы MnAl6. В отожженном состоянии сплав 
обладает высокой пластичностью и низкой прочностью. Пластическая 
деформация упрочняет сплавы почти в 2 раза. 
Сплавы марок АМг изготовляют из алюминия  с добавлением 
магния. Магний образует с алюминием α-твердый раствор, концентрация которого при повышении температуры увеличивается от 1,4 
до 17,4 % в результате растворения фазы Mg2Al.  
Сплавы, содержащие до 7 %  Mg, дают очень незначительное 
упрочнение при термической обработке. Вследствие этого сплавы  
АМг, как и АМц, упрочняют с помощью пластической деформации. 
Однако легирование магнием вызывает склонность к окислению во 
время плавки, разливки и кристаллизации, что приводит к появлению 
оксидных пленок в структуре и снижению механических свойств. Поэтому сплавы с высоким содержанием магния для устранения склонности к окислению легируют бериллием. Укрупнение зерна, вызванное бериллием, устраняется добавкой титана или циркония. 

1. Основные литейные сплавы и их свойства 
 

6 

Сплавы этих типов применяются для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, от которых требуется высокая коррозионная стойкость (трубопроводы для бензина и масла, сварные баки),        
а также для заклепок, переборок, корпусов и мачт судов, лифтов, узлов подъемных кранов, рам вагонов, кузовов автомобилей и др. [6]. 

В табл. 1.1 указан химический состав, %, деформируемых алюминиевых сплавов, не упрочняемых  термической обработкой.  
 
Таблица 1.1 

Химический состав деформируемых алюминиевых сплавов,  
неупрочняемых  термической обработкой (ГОСТ 4784–97) [7] 

Сплав 
Содержание элементов, % по массе 

Mg 
Mn 
Si 
Ti 
Be 

AMrl 
0,4–1,7 
– 
– 
– 
– 
АМг3 
3,2–3,8 
0,3–0,6 
0,5–0,8 

АМг5 
4,8–5,8 
0,3–0,8 
– 
0,02–0,10 
0,0002–0,0050 
АМг6 
5,8–6,8 
0,5–0,8 

 
Деформируемые термически упрочняемые сплавы более разнообразны по химическому и фазовому составам, чем термически неупрочняемые. 
По характерным свойствам эти сплавы (табл. 1.2) делят на сплавы повышенной пластичности (на базе системы Al–Mg–Si), конструкционные сплавы (Al–Сu–Mg), ковочные сплавы (Al–Mg–Si–Сu), высокопрочные сплавы системы (Al–Zn–Mg–Сu), жаропрочные сплавы 
(сплавы систем Al–Сu–Mg и Al–Cu–Mn). 
Сплавы повышенной пластичности – авиали (АВ) обладают хорошей свариваемостью, высокой пластичностью, коррозионной стойкостью.  
Основная упрочняющая фаза – Mg2Si. Из сплавов АВ, АД31           
и других получают листы, трубы, прессованные профили и прочие 
полуфабрикаты, а также изготовляют лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери и т.д. 
Конструкционные алюминиевые сплавы системы А1–Сu–Mg, 
называемые дуралюминами, – наиболее старые сплавы, нашедшие 
широкое применение в различных областях техники. 
Структура дуралюминов состоит из твердого раствора α и упрочняющих фаз θ (СuА12) и S (Al2CuMg). 

1.1. Алюминиевые сплавы: классификация, структура, свойства и области применения 
 

7 

Таблица 1.2 

Химический состав алюминиевых деформируемых  
термически упрочняемых сплавов (ГОСТ 4784–97) [7] 

Система 
Сплав 
Содержание элементов, мас. % 

Cu 
Mg 
Mn 
Si 
Прочие 

Сплавы повышенной пластичности 

Al–Mg–Si 

АВ 
0,20–0,50 
0,49–0,90 
0,15–0,35 
0,5–1,2 
– 
АД31 
– 
– 
0,3–0,7 

АД33 
0,15–0,40 
0,80–0,12 
0,4–0,8 
0,15–0,35 

Дуралюмины 

Al–Сu–Mg 

Д1 
3,8–4,8 
0,40–0,80 
0,4–0,8 

– 
– 
Д16 
3,8–4,9 
1,20–1,80 
0,3–0,9 

Д18 
2,2–3,0 
0,20–0,50 
– 

В65 
3,9–4,5 
0,15–0,30 
0,3–0,5 

Ковочные сплавы 

Al–Cu–Mg–Si 
АК6 
1,8–2,6 
0,4–0,8 
0,4–0,8 
0,7–1,2 
– 
АК8 
3,9–4,8 
0,4–1,0 
0,6–1,2 

Высокопрочные сплавы 

Al–Zn–Mg–Сu 
В95 
1,4–2,0 
1,8–2,0 
0,2–0,6 
– 
5,0–7,0 Zn 
0,1–0,25 Cr

В96 
2,2–2,8 
2,5–3,2 
0,2–0,5 
– 
7,6–8,6 Zn 
0,1–0,25 Cr

Жаропрочные сплавы 

Al–Сu–Mn 
Д20 
6,0–7,0 
– 
0,4–0,8 
0,3 
0,1–0,2 Ti 
0,2 Zr 

Al–Сu–Mg 
АК4-1 
1,9–2,5 
1,4–1,8 
– 
0,35 
1,0–1,5 Ni 
1,0–1,5 Fe 
0,02–0,1 Ti 

 
В промышленных дуралюминах Д1 и Д16, приготовленных из 
технического алюминия, в результате взаимодействия атомов Fe, Si и 
Мn с основными элементами А1, Сu и Mg образуются интерметаллиды, содержащие Fe и Мn. Эти интерметаллидные фазы нерастворимы 
в алюминии, поэтому они не участвуют в термическом упрочнении. 
Они отрицательно влияют на технологическую пластичность и коррозионную стойкость дуралюминов. 
В дуралюмине Д1 основной упрочняющей фазой является фаза θ 
(СuА12). В сплаве Д16, называемом супер-дуралюмином, содержится 

1. Основные литейные сплавы и их свойства 
 

8 

повышенное количество магния и упрочняющими фазами в нем являются θ (СuА1а) и S (Al2CuMg), что обеспечивает его более высокую 
прочность по сравнению со сплавом Д1. Сплавы Д18 и В65 являются 
основными заклепочными алюминиевыми сплавами. Заклепки из 
сплава Д18 ставят в конструкцию после закалки и естественного старения. Сплав В65 имеет высокую технологичность, хорошо расклепывается после искусственного старения по режиму 75 °С, 24 ч, после 
чего имеет такую же высокую прочность, как и сплав Д16. 
Ковочные сплавы АК относятся к системе А1–Сu–Mg–Si. Они 
обладают хорошей пластичностью и стойки к образованию трещин 
при горячей пластической деформации. 
Сплавы АК6 и АК8 по химическому составу близки к дуралюминам, отличаясь от них более высоким содержанием кремния. 
Из сплава АК6 изготавливают штампованные и кованые детали 
сложной формы и средней прочности (рамы, фитинги, крепеж), а из 
сплава АК8 – высоконагруженные штампованные детали (пояса лонжеронов, лопасти винтов, вертолетов, бандажи вагонов). Оба сплава 
имеют низкую коррозионную стойкость и нуждаются в защите. 
Высокопрочные алюминиевые сплавы В95, В96 наряду с медью 
и магнием содержат значительное количество цинка. Повышенная 
прочность этих сплавов обусловлена присутствием в их структуре интерметаллидных фаз η (MgZn2), Т (Al2Mg3Zn3), S (Al2CuMg). 
Сплавы В95 и В96 применяют в самолетостроении для высоко 
нагруженных конструкций, длительно работающих при температурах 
до 100 °С (шпангоуты, лонжероны, силовые каркасы). 
Жаропрочные сплавы АК4-1 (система А1–Сu–Mg–Si с добавками 
Fe и Ni) и Д20 (система А1–Сu–Мn с добавками Ti и Zr) имеют более 
сложный фазовый состав, чем другие алюминиевые сплавы, и сохраняют 
высокие механические свойства при температурах порядка 200–300 °С. 
В сплаве АК4-1 железо и никель создают нерастворимую фазу 
Al9FeNi, не участвующую в процессе термической обработки. Основной упрочняющей фазой в сплаве АК4-1 является фаза S (Al2CuMg). 
Жаропрочные алюминиевые сплавы используют для деталей, работающих при температурах до 300 °С (поршни, головки цилиндров, 
лопатки и диски компрессоров турбореактивных двигателей, обшивка 
сверхзвуковых самолетов) [7]. 
Наряду с классификацией по химическому составу (ГОСТ 1583–93) 
литейные алюминиевые сплавы часто классифицируют по одному из 

1.1. Алюминиевые сплавы: классификация, структура, свойства и области применения 
 

9 

ведущих свойств, определяющих назначение и области применения 
сплавов [8]. 

Они маркируются буквой А, за которой следуют буквы, обозначающие легирующий элемент: К – Si, М – Cu, Мг – Mg, Н – Ni, Кд – Cd. 
Цифры после обозначения элемента указывают среднее его содержание. В ранее действующих ГОСТах указанную систему маркировки 
обозначали буквами АЛ, что значит алюминиевые литейные [9].  
Наиболее распространены системы Al–Si, Al–Сu, Al–Mg. 
Для литейных сплавов значение технологических свойств особенно велико. Главные технологические свойства для них – литейные:  
● жидкотекучесть;  
● объемная и линейная усадка;  
● склонность к образованию горячих трещин;  
● склонность к образованию усадочной и газовой пористости;  
● склонность к ликвации.  
Литейные свойства сплавов, которые не обрабатывают давлением и используют в конструкции в литом состоянии, определяют не 
только возможность получения изделия (фасонной отливки), но и качество этого изделия. Все дефекты литой структуры, зависящие от 
литейных свойств (усадочной и газовой пористости, ликвационной 
неоднородности состава, микротрещин), сохраняются в изделии [10]. 

Жидкотекучесть характеризует способность расплава заполнять 
литейную форму [11]. Жидкотекучесть – типичное технологическое 
свойство, поскольку сильно зависит от методики и условий проведения экспериментов по ее оценке и в первую очередь от температуры 
литья и формы, металлостатического напора и др. 
Все эти факторы влияют на жидкотекучесть через физические 
свойства расплава (вязкость, поверхностное натяжение) и формирующуюся в процессе затвердевания структуру. Чем больше длина 
получаемого прутка (прямого или образующего спираль), тем лучше 
жидкотекучесть сплава. 
Жидкотекучесть алюминиевых сплавов определяют по прутковой или спиральной пробам. В обоих случаях показателем жидкотекучести служит длина прутка, мм, закристаллизованного в разовой 
или металлической форме при одинаковых условиях литья. 
Во время охлаждения расплава при температурах выше ликвидуса в период кристаллизации (между температурами ликвидуса и солидуса) и последующего охлаждения в твердом состоянии происхо