Дюралюминий: состав, свойства и применение

Промышленные сплавы системы Al-Cu-Mg

Конструкционные дюралюминиевые сплавы (дюраль, дуралюмин) Д1, Д16, Д19, ВД17, 2019 и др. упрочняют термической обработкой, они обладают высокими характеристиками механических свойств. Упрочнение дуралюмина при термической обработке достигается в результате образования зон Гинье-Престона сложного состава или метастабильных фаз S’ и θ’.

Дюралюминий получают легированием алюминия медью и магнием. Система легирования Al-Cu-Mg была открыта А. Вильмом, когда он получил сплав Д1. Дюралюмины остаются важнейшим сплавом для машиностроения и авиации.
Самые значимые для промышленности сплавы в группе дюралюминов Д16 или 2019 и его модификации Д16ч и 2019 используют в термически упрочненном состоянии. Стадия старения после закалки проходит в естественных условиях при комнатной температуре (20°С) и обозначается буквой «Т» после марки сплава — Д16Т, Д16чТ, 1163Т по ГОСТ или «Т4» (близкий «Т3511») в импортной маркировке — 2024Т4 (2024Т3511). Такая термообработка создает хорошее сочетание характеристик вязкости разрушения, выносливости и скорости роста усталостной трещины. Дюралюминий Д16 уступает по прочности и коррозионной стойкости сплавам системы Al-Zn-Mg-Cu (В95, В95пч, В95оч), но превосходит по сопротивлению трещинообразованию при одинаковых относительно прочности напряжениях. Плотность Д16 равна 2,78 г/см3, что ниже плотности В95 — 2,85г/см3. Сплавы 2019 и Д16ч применяются для деталей, от которых требуется повышенная выносливость в условиях растягивающих напряжений.

Сплавы типа дуралюмин упрочняются при термической обработке, состоящей из закалки с 490—525°С (в зависимости от со­става сплава) и естественного (зонного) или искусственного (фазового) старения.

В наиболее легированных сплавах (Д16, Д19, ВД17 и ВАД-1) содержание меди и магния превышает предельную растворимость этих элементов в твердом растворе или приближается к ней, что обусловли­вает гетерогенное состояние сплавов при температурах нагрева перед закалкой. Ограничение верхнего предела по содержанию легирующих элементов позволяет уменьшить количество растворимых избыточных фаз и повысить вязкость разрушения без снижения прочности.

Различие естественного и искусственного состаренных сплавов

Температура эксплуатации сплавов Д16, Д16ч, 2019 в естественно состаренном состоянии ограничена 80°С из-за снижения коррозионной стойкости в случае нагревов при более высоких температурах.

Эти сплавы в искусственно состаренном состоянии имеют улучшенную коррозионную стойкость, которая не снижается при нагревах, более высокие прочностные свойства, особенно предел текучести, однако более низкие значения относительного удлинения, вязкости разрушения, выносливости по сравнению с естественно состаренным состоянием.

Существенное улучшение вязкости разрушения в искусственно состаренном состоянии достигается в результате снижения содержания железа, кремния, а также легирующих элементов. Поэтому для деталей в искусственно состаренном состоянии используются улучшенные модификации сплава Д16 — Д16ч и 1163. Эти сплавы в искусственно состаренном состоянии могут применяться в температурно-временных областях, в которых не рекомендуется применять сплавы в естественно состаренном состоянии: при эксплуатационных нагревах при температурах выше 80°С или технологических нагревах выше 125°С, а также при повышенной опасности коррозии под напряжением. При изготовлении деталей из сплавов Д16ч и 2019 в искусственно состаренном состоянии необходимо выбирать конструктивные формы с минимальной концентрацией напряжений, отрабатывать плавность переходов при изменении сечения деталей, уменьшать эксцентриситеты. Кроме того, ограничиваются допустимые деформации при формообразовании и правке в зависимости от состояния термообработки, величины зазора перед сборкой, не рекомендуется ударная клепка.

Сплавы системы Аl-Сu-Mg превосходят по жаропрочности сплавы систем Аl-Mg, Аl-Mg-Si, Аl-Zn-Mg-Cu. Их преимущество перед высокопрочными алюминиевыми сплавами проявляется при температурах выше 100°С и особенно при длительных выдержках. Сплавы Д1, Д16 склонны к образованию кристаллизационных трещин и поэтому относятся к категории несваривающихся плавлением сплавов. Cвариваемым сплавом является сплав ВАД-1.

Возврат при старении

В естественно состаренных сплавах типа дуралюмин при быстром и кратковременном (2 мин) нагреве до 250—300°С происходит снижение прочности до значений, свойственных свежезакаленному состоянию. Это явление называется возвратом при старении. Искусственное старение уменьшает явление возврата.

Зависимость свойств дюралюминия от степени рекристаллизации

Механические свойства горячедеформированных полуфабрикатов из сплавов типа дуралюмин сильно зависят от степени рекристаллизации в процессе нагрева при деформации и термической обработке. Разница в прочности закаленного и состаренного рекристаллизованного и нерекристаллизованного материалов достигает 200 МПа.

Полуфабрикаты с нерекристаллизованной структурой по сравнению с рекристализованной при повышенных прочностных свойствах в долевом направлении имеют преимущество по вязкости разрушения, выносливости при одинаковом по абсолютной величине уровне напряжения, сопротивлению коррозии под напряжением, но обладают более низким относительным удлинением в долевом направлении; выигрыш по прочностным свойствам уменьшается на образце с отверстием.

Листовой материал, изготовленный методом горячей и последующей холодной прокатки, а также проволока и трубы, изготовленные холодной прокаткой и волочением, в закаленном состоянии имеют полностью рекристаллизованную структуру. Профили и прутки, полученные горячим прессованием, после термической обработки могут иметь структуру от полностью нерекристаллизованной до полностью рекристаллизованной. Возможно получение преимущественно нерекристаллизованной структуры и в плитах. Сохранению нерекристаллизованной структуры способствует повышение температуры и уменьшение степени горячей деформации изделий, понижение температуры и времени выдержки при нагреве под закалку, увеличение содержания элементов (Мn, Cr, Zr и др.), повышающих температуру рекристаллизации.

Химический состав по ГОСТ 4784–77 и ОСТ 190048–77

Сплавы данной группы содержат от 2 до 5 % Cu, 0,15–2,7 % Mg, 0–1,0 % Mn, до 0,7 % Fe, до 0,7 % Si и небольшие количества цинка и титана в виде примесей.
В сплавы с повышенным содержанием магния (Д19, ВАД-1, Д19П) вводят небольшие количества бериллия для понижения окисления в процессе плавки, литья и термической обработки.

Химический состав (%) конструкционных сплавов типа дуралюмин (дюралюминий)

Сплав Основные компоненты Примеси (не более)
Си Mg Мп Fe Si Ni Zn Ti Прочие
Каждая Сумма
Конструкционные сплавы

*  В сплавах Д19, Д19ч, Д19П, ВАД-1 содержится 0,0002—0,005%   Be.

Д1 3,8–4,8 0,4–0,8 0,4–0,8 0,7 0,7 0,1 0,3 0,1 0,05 0,1
Д1ч 3,8–4,8 0,4–0,8 0,4–0,8 0,4 0,5 0,1 0,3 0,1 0,05 0,1
Д16 3,8–4,9 1,2–1,8 0,3–0,9 0,5 0,5 0,1 0,3 0.1 0,05 0,1
Д16ч 3,8–4,9 1,2–1,8 0,3–0,9 0,3 0,2 0,05 0,1 0,1 0,05 0,1
1163 3,8–4,5 1,2–1,6 0,4–0,8 0,15 0,1 0,05 0,1 0,01–0,07 0,05 0,1
Д19* 3,8–4,3 1,7–2,3 0,5–1,0 0,5 0,5 0,1 0,1 0,05 0,1
Д19ч* 3,8–4,3 1,7–2,3 0,4–0,9 0,3 0,3 0,1 0,1 0,05 0,1
ВАД-1* 3,8–4,5 2,3–2,7 0,35–0,8 0,3 0,2 0,1 0,05 0,1
ВД17 2,6–3,2 2,0–2,4 0,45–0,7 0,3 0,3 0,1 0,1 0,05 0,1
Заклепочные сплавы
Д19П* 3,2–3,7 2,1–2,6 0,5–0,8 0,3 0,3 0,1 0,1 0,05 0,1
Д18 2,2–3,0 0,2–0,5 0,2 0,5 0,5 0,1 0,1 0,05 0,1
В65 3,9–4,5 0,15–0,3 0,3–0,5 0,2 0,25 0,1 0,1 0,1 0,05 0,1

Влияние примесей на механические свойства

Кроме основных легирующих элементов, в дюралюминии присутствуют небольшие количества примесей. Некоторые из них (железо и кремний) имеются в исходном первичном алюминии, другие (цинк и никель) попадают в сплавы при переплаве отходов, третьи (бериллий, титан и цирконий) вводят в сплавы специально в качестве технологических добавок.

В сплавах типа дуралюмин железо образует соединения, оказывающие охрупчивающее влияние. Железо соединяется с медью и уменьшает количество растворимой меди, которая упрочнеяет сплав при старении.

Кремний в этих сплавах увеличивает склонность к трещинообразованию при сварке (ВАД-1) и литье, особенно крупных слитков из сплавов Д16, Д19, понижает пластичность заклепок из всех сплавов. Для нейтрализации вредного влияния кремния при литье и сварке содержание железа в сплавах должно в 1,1–1,5 раза превышать содержание кремния.

Для получения высокой пластичности литого и деформированного материала, а также для повышения вязкости разрушения содержание железа и кремния должно быть минимальным.

Никель образует нерастворимые фазы с медью и железом, уменьшает пластичность и прочность термически обрабатываемых сплавов, улучшает твердость и прочность при повышенных температурах и понижает коэффициент линейного расширения.

Совместное присутствие железа и никеля в сплавах системы Al-Cu-Mg обеспечивает повышение механических свойств при комнатной и повышенных температурах по сравнению со сплавами, содержащими либо железо, либо только никель.
Положительное влияние совместного содержания железа и никеля связано с образованием нерастворимой фазы FeNiAl9, в которой отсутствует медь.

В дюралюминах Д1, Д16 и др, содержащих железо и кремний в виде примесей, при введении никеля фаза FeNiAl9 не образуется.
Небольшие количества цинка (0,1—0,5 %) не влияют на механические свойства рассматриваемых сплавов при комнатной температуре и значительно понижают их жаропрочность. Примесь цинка в количестве 0,1—0,3 % увеличивает склонность к трещинообразованию при литье и сварке.

Бериллий в небольших количествах (около 0,005 %) предохраняет сплавы с высоким содержанием магния (1,5 % и более) от окисления при литье и термической обработке, не оказывая влияния на механические свойства как при комнатной, так и при повышенных температурах.

Бериллий входит в состав окисной пленки, состоящей в этих сплавах главным образом из окиси магния, способствует ее упрочнению и, следовательно, уменьшает дальнейшее окисление сплава.

Более высокое содержание в сплавах бериллия (0,1— 0,5 %) требует особых мер предосторожности при плавке и литье из-за его токсичности.

Литий увеличивает прочность при комнатной и повышенных температурах, понижает плотность и увеличивает модуль упругости, но снижает пластичность.

Хром, как и марганец, повышает температуру рекристаллизации сплавов. Выделения частиц, содержащих хром, имеют игольчатую форму и в большей мере, чем марганцовистые, снижают характеристики разрушения. Хром в присутствии марганца, железа и титана может выпадать в виде грубых составляющих фазы СгAl7. В промышленные сплавы типа дуралюмин хром не добавляют.
Титан, в алюминиевых сплавах применяется в основном для измельчения зерна литого металла. Природу способности титана измельчать литое зерно объясняют образованием в расплаве зародышей, служащих центрами кристаллизации. По данным одних авторов, эти зародыши — алюминид титана, по данным других авторов,— карбид титана. В присутствии бора такими зародышами будут частички борида титана.

Цирконий в небольших количествах, так же как и титан, является модификатором. Добавка циркония практически не влияет на прочностные свойства холоднодеформированных полуфабрикатов из сплавов, содержащих марганец, и несколько повышает их у сплавов без марганца. Цирконий аналогично марганцу, но при значительно меньшем содержании повышает температуру рекристаллизации сплава, что способствует получению нерекристаллизованной структуры и высокой прочности горячепрессованных полуфабрикатов.

Влияние циркония как антирекристаллизатора в сплаве Д16 при содержании менее 0,1 % незначительно. При концентрации циркония более 0,15 % отмечается появление первичных интерметаллидов с цирконием, увеличивается количество дефектов, выявляемых ультразвуковым контролем. Цирконий снижает сопротивление коррозии под напряжением.
Небольшие количества бора (0,005—0,01 %) измельчают зерно алюминия и его сплавов
. Эффект модифицирования увеличивается в присутствии небольших количеств титана (0,01 %). Эти два элемента образуют соединение TiB2.

Режимы термической обработки конструкционных сплавов типа дуралюмин

Сплав Температура нагрева под закалку, °С Старение
Температура, °С Время, ч
Д1 495—510 20 >96
Д16 495—505 (листы) 20 >96
188—193 11-13
485—503 (прессованные изделия) 20 >96
185—195 6-8
Д19 500—510 (листы) 20 120—240
185—195 12-14
495—505 (прессованные изделия) 20 120—240
185—195 8—10
ВД17 495—505 165—175 15—17

Технологические свойства дюрали

Плакированные листы отличаются высокой коррозионной стойкостью,
прессованные изделия, штамповки и поковки — пониженной стойкостью. Прессованные
изделия из дюралюминия Д1 и Д16 в закаленном и
естественно состаренном состоянии при эксплуатационных нагревах выше 100°С
склонны к межкристаллитной коррозии; искусственное старение повышает
сопротивление коррозии. Неплакированные детали из дуралюминов следует подвергать
анодированию и защищать лакокрасочными покрытиями.

Сплавы хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются плавлением из-за высокой склонности к трещинообразованию. Все дуралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием (в закаленном и состаренном состоянии) и химическим фрезерованием (размерным травлением). Обрабатываемость резанием в отожженном состоянии плохая. Высокотемпературная пайка не применяется из-за опасности пережога.

Температура начала ковки Д16, Д16П — 460°C, конца — 380°C.
Дуралюмин широко применяют во всех областях народного хозяйства, особенно в авиации. Сплав Д16 в виде листов и
прессованных полуфабрикатов — основной материал для силовых элементов конструкции самолетов (детали каркаса, обшивка, шпангоуты, нервюры, лонжероны, тяги управления) и других нагруженных конструкций.
Сплав Д19 применяют для тех же деталей, что и сплав Д16, работающих в условиях эксплуатационных
нагревов до температуры 200—250°С, а также для изготовления заклепок
. Сплав
Д1 используют для штамповки лопастей воздушных винтов, а также различных узлов
крепления. Сплав ВД17 применяют для изготовления лопаток
компрессора двигателей.

Алюминиевый сплав Д16 – дюралюминий повышенной прочности системы А1–Сu–Мg с легируемыми добавками марганца. По твердости и механической прочности он не уступает стали, но, в отличие от нее, обладает в 3 раза более легким удельным весом. В связи с этим, он активно используется во всех областях промышленности, особенно в авиастроении, при изготовлении силовых конструкционных элементов.

Однако, дюралюминий Д16 обладает одним главным недостатком – низкой коррозионной стойкостью и нуждается в специальных антикоррозийных средствах защиты. В большинстве своем сплав плакируют или анодируют, что существенно повышает его сопротивление коррозии.

Химический состав.

Дюралюминий Д16 относится к алюминиевым сплавам, содержащим до 94,7% алюминия. Остальное приходится на легируемые элементы – медь, магний, марганец, а также ряд примесей.

Примечание: Al — основа; процентное содержание Al дано приблизительно

Примеси железа и кремния негативно сказываются на прочности и пластичности сплава Д16, поэтому их содержание строго регламентируется стандартом – доля каждого из них не должна превышать 0,5-0,7%.
Марганец не входит в состав упрочняющих фаз, но его присутствие в дюралюминии повышает его антикоррозийность, улучшает механические свойства и увеличивает температуру рекристализации. В связи с этим, сплав Д16 удовлетворительно куется, режется и фрезеруется с помощью размерного травления, а также сваривается точечной сваркой.

Температурная обработка.

Для увеличения прочности, дюралюминий Д16 подвергают температурной закалке, нагревая до 495-505 градусов. Старение при более высоких температурах приводит к пережогу алюминия, его окислению и оплавлению, в результате чего понижается прочность и пластичность сплава.

Закалку проводят в холодной воде, что значительно увеличивает стойкость дюралюминия Д16 к кристаллизационной коррозии. Затем его подвергают естественно старению в течение 4-5 суток при комнатной температуре, обеспечивающему максимальные антикоррозийные свойства. В серийном производстве полуфабрикаты сплава Д16 подвергают ускоренному старению, повышая температуру до 100 градусов. Процесс заканчивается буквально через несколько часов, а изделия получают практически такие же прочностные характеристики, как и при естественном старении.

Антикоррозийная защита дюралюминия Д16.

Повышенной стойкостью к коррозии обладает дюралюминиевый сплав Д16, прошедший высокотемпературную закалку, плакировку чистым алюминием или анодирование. Первый способ применим только для листов, поскольку тонкий слой алюминия (не более 4% от толщины изделия) необходимо наносить с обеих сторон заготовки. Для этого отфрезерованные слитки дюралюминия, покрывают планшетами из чистого алюминия, а затем прокатывают. В результате получают листовые полуфабрикаты, устойчивые к коррозии, царапинам и другим механическим повреждениям. Правда, у них имеется недостаток – пониженная усталостная прочность.

Другие полуфабрикаты подвергают анодированию или электрохимическому оксидированию в серной кислоте. Таким образом, на их поверхности образуется плотная и толстая оксидная пленка, которая эффективно защищает дюралюминиевый сплав от коррозии.

Однако, коррозионная стойкость естественно состаренного дюралюминия, не имеющего защитного слоя, резко снижается при температуре более 100 градусов. Нагрев ведет к возникновению межкристаллитной коррозии и растрескиванию готового изделия.

Применение дюраля Д16.

Дюралюминий Д16 превосходно деформируется в горячем или холодном состоянии, позволяя получать трубы, прутки, профили, заклепки и листы. 

Листы и прессованные заготовки нашли широкое применение в авиации. Из них изготавливают обшивку, детали каркасов, шпангоуты и тяги управления для самолетов. Трубы Д16, обладающие отличной пластичностью, используются во многих силовых конструкциях нефтяной, газовой, химической, энергетической и пищевой отраслях промышленности. Они превосходно подходят для возведения металлоконструкций, поскольку, в отличие от стальных труб, имеют множество достоинств – легкий вес, удобство при транспортировке, высокую пропускную способность, устойчивость к влаге и коррозии.

В последнее время легкосплавные трубы для бурения стали делать из плакированного или оксидированного дюралюминия Д16, так как он имеет меньшую чувствительность к надрезу, чем высокопрочные алюминиевые сплавы В95, а также обладает повышенной выносливостью в глинистом растворе.

Приобрести металлопрокат Д16: прутки, профили, трубы и листы Д16АТ в любом количестве можно у нас, сделав заказ на сайте или позвонив по телефону.

Дюралюмины, дюрали, дуралюмины?

Главным легирующим элементом этих сплавов — дюралюминов — является медь с содержанием в основном от 3 до 6 %. Магний также служит основным легирующим элементов с содержанием от 0 до 2 %. Высокая прочность сплавов обеспечивается за счет дисперсного упрочнения. Сплавы этой серии имеют очень хорошие усталостные характеристики.

Эта серия включает первый термоупрочняемый алюминиевый сплав — дюралюминий — Д1 по ГОСТ 4784. Более прочный сплав Д16 раньше называли супердюралюмином. Часто все сплавы этой серии называют дюралюминами, дюралями или дуралюминами

Именно из сплавов Д1 и Д16 изготавливали большинство алюминиевых лодок в советские времена. Поэтому все алюминиевые лодки — не обязательно из дюралюминиевых сплавов — до сих пор называют «дюральками».

Роль меди в дюралюминах

Присутствие меди, однако, плохо сказывается на коррозионной стойкости сплавов. Медь стремится выпадать по границам зерен, что делает эти сплавы очень подверженным точечной коррозии, межзеренной коррозии и коррозии под напряжением. Эти богатые медью зоны оказываются гальванически более благородными (катодными), чем окружающая алюминиевая матрица и поэтому особенно уязвимы для коррозии, которая происходит по гальваническому механизму. 

Кроме того, медь очень вредна для анодирования. Медные частицы растворяются в анодном кислотном электролите,  оставляя отверстия в оксидном слое, а растворенная медь мигрирует под действием электрического поля к границе между алюминием и его оксидом, что оказывает отрицательное влияние на качество анодного покрытия.

С увеличением содержания меди в сплаве вплоть до 12 %  его прочностные свойства возрастают за счет механизма дисперсного упрочнения. Упрочнение достигается за счет выделения интерметаллидных частиц Al2Cu или Al2CuMg в процессе старения, что обеспечивает прочность, уступающую только прочности высокопрочных сплавов серии 7ххх. При содержании меди более 12 % сплав становится хрупким.

Применение дюралюминов

Алюминиевые профили из сплавов с умеренным содержанием меди, таких как обычные 2019 и 2019 (Д16 и АК8) востребованы автомобильной промышленностью. Алюминиевые профили их этих сплавов имеют достаточно хорошую обрабатываемость, точечную свариваемость и хорошую коррозионную стойкость (по сравнению с профилями из сплавов с высоким содержанием меди). 

Алюминиевые профили из сплавов серии 2ххх применяются в таких ответственных конструкциях, как самолеты,  военная техника, мосты, большегрузные автомобили. Добавка легирующих элементов с низкой температурой плавления, таких как свинец и висмут, дает возможность автоматической механической обработки этих сплавов, что делает их подходящими для применения массовых изделий, таких как винты, болты, крепежные детали. В настоящее время в связи с экологическими ограничениями на применение свинца ему ищут замену на другие легкоплавкие элементы.

Сплав 2019 (Д18) специально предназначен для изготовления алюминиевых заклепок, которые широко применяются в самолетостроении, а также в других областях, например, при изготовлении и ремонте алюминиевых лодок.

Для повышения тепловой стойкости алюминиевых профилей, повышения их обрабатываемости и свариваемости, а также улучшения литейных свойств при разливке столбов могут вводить добавки марганца, ванадия, циркония, титана. 

Марганец повышает прочностные свойства сплавов Al-Cu—Mg, однако снижает пластичность, поэтому его содержание ограничивают 1 %. 

Железо добавляют в сплавы Al-Cu-Ni для повышения прочности при повышенных температурах (например, сплав 2019 – АК4). Железо способствует измельчению зерна. В сплавах без никеля содержание железа ограничивают, так оно может  снижать прочность сплава, если избыток железа не связан кремнием в частицы α-Fe-Si. Это избыточное железо образует соединения с медью и, следовательно, «отбирает» у сплава медь, которая нужна ему для термического упрочнения.

Никель в количестве от 0,8 до 2,3 % повышает прочность и твердость сплавов Al-Cu—Mg при повышенных температурах. Однако добавки всего 0,5 % никеля в простом дуралюмине Al–4%Cu–0,5%Mg (2017 – Д1) снижают его прочность при комнатной температуре.

Химический состав дюралюминов

Европейский стандарт ЕТ 573-3 включает 17 сплавов серии 2ххх и их модификаций, ГОСТ 4784-97 – 12.