Quais são as características, principais elementos de liga e funções das ligas de alumínio da série 2xxx?
(1) Características das ligas de alumínio da série 2xxx
As ligas de alumínio da série 2xxX são ligas de alumínio com cobre como principal elemento de liga. Elas incluem ligas Al-Cu-Mg, ligas Al-Cu-Mg-Fe-Ni e ligas Al-Cu-Mn. Essas ligas são ligas de alumínio tratadas termicamente.
As ligas de alumínio da série 2xXX são caracterizadas por alta resistência e geralmente são chamadas de ligas de alumínio duro. Elas têm boa resistência ao calor e propriedades de processamento, mas sua resistência à corrosão não é tão boa quanto a da maioria das outras ligas de alumínio. Sob certas condições, ocorrerá corrosão intergranular. Portanto, a placa geralmente precisa ser revestida com uma camada de alumínio puro ou uma camada de liga de alumínio da série 6xXx que tenha proteção eletroquímica para a placa central para melhorar muito sua resistência à corrosão. Entre elas, a liga Al-Cu-Mg-Fe-Ni tem composição química e composição de fase extremamente complexas. Possui alta resistência em alta temperatura e bom desempenho de processo. É usada principalmente para peças resistentes ao calor trabalhando abaixo de 150~250 graus; embora a resistência à temperatura ambiente da liga AI-Cu-Mn seja menor do que a da liga Al-Cu-Mg 2A12 e 2A14, sua resistência é maior do que ambas a 225~250 graus ou mais. Além disso, a liga tem bom desempenho de processo e é fácil de soldar. É usado principalmente em peças estruturais soldáveis resistentes ao calor e forjados. Esta série de ligas é amplamente usada em campos de aviação e aeroespacial.
(2) Principais elementos de liga e suas funções
①Os principais graus de liga de AI-Cu-Mg são 2A01, 2A02, 2A06, 2A10, 2A11, 2A12, etc. Os principais elementos adicionados são Cu, Mg e Mn.
Seus efeitos nas ligas são os seguintes.
a. Efeito do teor de Cu e Mg nas propriedades mecânicas das ligas. Quando o teor de Mg é de 1%~2%, quando o teor de Cu aumenta de 1.0% para 4%, a resistência à tração da liga no estado temperado aumenta de 200MPa para 380MPa; a resistência à tração da liga no estado de envelhecimento natural temperado aumenta de 300MPa para 480MPa. Quando o teor de Cu está na faixa de 1%~4%, quando o teor de Mg aumenta de 0,5% para 2,0%, a resistência à tração da liga aumenta; quando o teor de Mg continua a aumentar, a resistência da liga diminui.
A resistência à tração da liga contendo 4,0% Cu e 2,0% Mg é a mais alta; a liga contendo 3%~4% Cu e 0.5%~1,3% Mg tem o maior efeito de têmpera e envelhecimento natural. O teste mostra que a resistência à tração da liga ternária AI-Cu-Mg contendo 4%~6% Cu e 1%~2% Mg pode atingir 490~510MPa no estado de têmpera e envelhecimento natural.
b. A influência do teor de Cu e Mg na resistência ao calor da liga. A partir dos valores do teste de resistência de resistência da liga AI-Cu-Mg contendo 0.6%Mn a 200 graus e estresse de 160MPa, pode-se observar que a liga contendo Cu 3,5%~6% e Mg1,2%~2,0% tem a maior resistência de resistência. Neste momento, a liga está localizada na seção pseudobinária AI-S (AlCuMg) ou próxima a ela. A liga afastada da seção pseudobinária, ou seja, quando o teor de Mg é menor que 1,2% e a resistência máxima é maior que 2,0%, sua resistência de resistência diminui. Se o teor de Mg for aumentado para 3,0% ou mais, a resistência de resistência da liga diminuirá rapidamente.
Regras semelhantes foram obtidas no teste a 250 graus e estresse de 100MPa. A literatura aponta que a liga com a maior resistência à resistência a 300 graus está localizada na região da fase +S à direita da seção binária AI-S com maior teor de Mg.
c. Efeito do teor de Cu e Mg na resistência à corrosão de ligas. Ligas binárias Al-Cu com teor de Cu de 3%~5% têm resistência à corrosão muito baixa no estado de têmpera e envelhecimento natural. Adicionar 0.5%Mg pode reduzir o potencial de uma solução sólida e melhorar parcialmente a resistência à corrosão da liga. Quando o teor de Mg é maior que 1.0%, a corrosão local da liga aumenta, e o alongamento após a corrosão diminui acentuadamente. Para ligas com teor de Cu maior que 4.0% e teor de Mg maior que 1.0%, o Mg reduz a solubilidade do Cu em Al. No estado temperado, a liga tem fases CuAl₂ e S insolúveis, e a presença dessas fases acelera a corrosão. Ligas com teor de Cu de 3%~5% e teor de Mg de 1%~4% estão localizadas na mesma região de fase, e sua resistência à corrosão é similar no estado de têmpera e envelhecimento natural. As ligas na região da fase aS têm resistência à corrosão mais pobre do que aquelas na região a-CuAl₂-S. A corrosão intergranular é a principal tendência à corrosão das ligas Al-Cu-Mg.
Mn: O Mn é adicionado à liga Al-Cu-Mg principalmente para eliminar os efeitos nocivos do Fe e melhorar a resistência à corrosão. O Mn pode aumentar ligeiramente a resistência à temperatura ambiente da liga, mas reduzir a plasticidade. O Mn também pode atrasar e enfraquecer o processo de envelhecimento artificial da liga Al-Cu Mg e melhorar a resistência ao calor da liga. O Mn também é um dos principais fatores que fazem a liga Al-Cu-Mg ter efeito de extrusão. A adição de Mn é geralmente menor que 1.0%. Se o conteúdo for muito alto, compostos quebradiços grosseiros (FeMn)Al6 podem ser formados, reduzindo a plasticidade da liga.
d. A pequena quantidade de oligoelementos adicionados às ligas Al-Cu-Mg inclui Ti e Zr, e as impurezas são principalmente Fe, Si e Zn, etc., e seus efeitos são os seguintes.
Ti: Adicionar Ti à liga pode refinar os grãos fundidos e reduzir a tendência de formação de rachaduras durante a fundição.
Zr: Uma pequena quantidade de Zr tem um efeito similar ao Ti, refinando os grãos fundidos, reduzindo a tendência a rachaduras na fundição e soldagem, e melhorando a plasticidade de lingotes e juntas soldadas. Adicionar Zr não afeta a resistência de produtos deformados a frio contendo ligas de Mn
Melhora ligeiramente a resistência de ligas sem Mn. Si: Para ligas Al-Cu-Mg com teor de Mg menor que 1.0%, o teor de Si excedendo 0.5% pode melhorar a velocidade e a resistência do envelhecimento artificial sem afetar a capacidade de envelhecimento natural. Como Si e Mg formam a fase Mg2Si, é benéfico para o efeito do envelhecimento artificial. No entanto, quando o teor de Mg é aumentado para 1,5%, após o envelhecimento natural de têmpera ou tratamento de envelhecimento artificial, a resistência e a resistência ao calor da liga diminuem com o aumento do teor de Si. Portanto, o teor de Si deve ser reduzido o máximo possível. Além disso, o aumento do teor de Si aumentará a tendência de ligas como 2A12 e 2A06 de formar rachaduras durante a fundição e reduzir a plasticidade durante a rebitagem. Portanto, o teor de Si na liga é geralmente limitado a menos de 0,5%. Para ligas que exigem alta plasticidade, o teor de Si deve ser menor.
Fe: Fe e Al formam compostos FeAl3 e se dissolvem em compostos formados por elementos como Cu, Mn e Si. Esses compostos grosseiros que não se dissolvem na solução sólida reduzem a plasticidade da liga, e a liga é propensa a rachaduras durante a deformação. E o efeito de fortalecimento é significativamente reduzido. Uma pequena quantidade de Fe (menos de 0.25%) tem pouco efeito nas propriedades mecânicas da liga, melhora a tendência de formação de rachaduras durante a fundição e soldagem, mas reduz a taxa de envelhecimento natural. Para obter materiais altamente plásticos, os teores de Fe e Si na liga devem ser os mais baixos possíveis.
Zn: Uma pequena quantidade de Zn ({{0}}.1%~0.5%) tem pouco efeito nas propriedades mecânicas em temperatura ambiente das ligas Al-Cu-Mg, mas reduz a resistência ao calor da liga. O teor de Zn na liga deve ser limitado a menos de 0,3%.
② Liga Al-Cu-Mg-Fe-Ni Os principais graus de liga desta série de ligas são 2A70, 2A80, 2A90, etc.O papel de cada elemento da liga é o seguinte.
Cu e Mg: A influência do teor de Cu e Mg na resistência à temperatura ambiente e na resistência ao calor das ligas acima é semelhante à da liga AI-Cu-Mg. Como o teor de Cu e Mg nesta série de ligas é menor do que o da liga AI-Cu-Mg, a liga está localizada na região de duas fases a+ S (AlCuMg), então a liga tem maior resistência à temperatura ambiente e boa resistência ao calor; além disso, quando o teor de Cu é baixo, a solução sólida de baixa concentração tem uma pequena tendência a se decompor, o que é benéfico para a resistência ao calor da liga.
Ni: Ni e Cu na liga podem formar um composto ternário insolúvel. Quando o teor de Ni é baixo, (AICuNi) é formado, e quando o teor de Ni é alto, Al3(CuNi)2 é formado. Portanto, a presença de Ni pode reduzir a concentração de Cu na solução sólida. Os resultados da medição da constante de rede no estado temperado também comprovam a depleção de átomos de soluto de Cu na solução sólida da liga. Quando o teor de Fe é muito baixo, o aumento do teor de Ni pode reduzir a dureza da liga e reduzir o efeito de fortalecimento da liga.
Fe: Assim como o Ni, o Fe também pode reduzir a concentração de Cu na solução sólida. Quando o teor de níquel é muito baixo, a dureza da liga diminui significativamente no início com o aumento do teor de Fe, mas quando o teor de Fe atinge um certo valor, ele começa a aumentar novamente.
Ni e Fe: Quando Fe e Ni são adicionados à liga AICu2.2Mg1.65 ao mesmo tempo, as características de alteração de dureza sob têmpera, envelhecimento natural, têmpera, envelhecimento artificial, têmpera e recozimento são semelhantes, e um valor máximo aparece na posição onde os teores de Ni e Fe são semelhantes, e a constante de rede no estado de têmpera aparece como um valor mínimo neste ponto.
Quando o teor de Fe na liga é maior que o teor de Ni, a fase Al7Cu2Fe aparecerá. Ao contrário, quando o teor de Ni na liga é maior que o teor de Fe, a fase AlCuNi aparecerá. O aparecimento da fase ternária contendo Cu acima reduz o teor de Cu na solução sólida. Somente quando os teores de Fe e Ni são iguais, todas as fases AlgFeNi são geradas. Neste caso, como não há excesso de Fe ou Ni para formar uma fase insolúvel contendo Cu, o Cu na liga não apenas forma a fase S (Al2CuMg), mas também aumenta a concentração de Cu na solução sólida, o que é benéfico para melhorar a resistência da liga e sua resistência ao calor.
O teor de Fe e Ni pode afetar a resistência ao calor da liga. A fase AlgFeNi é um composto duro e quebradiço com muito pouca solubilidade em Al. Após o forjamento e o tratamento térmico, quando são dispersos e distribuídos na estrutura, podem melhorar significativamente a resistência ao calor da liga. Por exemplo, a liga AICu2.2Mg1.65 contém 1.0% Ni e a liga com 0.7%~0.9% Fe tem o maior valor de resistência duradoura.
Si: Adicionar 0,5% a 1,2% de Si à liga 2A80 melhora a resistência à temperatura ambiente da liga, mas reduz a resistência ao calor da liga.
Adicionar {{0}}.02%~0.1% de Ti à liga Ti:2A70 refina os grãos fundidos e melhora o desempenho do processo de forjamento, o que é benéfico para a resistência ao calor, mas tem pouco efeito no desempenho em temperatura ambiente.
③ Liga Al-Cu-Mn. Os principais graus de liga desta série de ligas são 2A16, 2A17, etc.
As funções dos principais elementos de liga são as seguintes.
Cu: Em temperatura ambiente e alta temperatura, conforme o teor de Cu aumenta, a resistência da liga aumenta. Quando o teor de Cu atinge 5.0%, a resistência da liga está próxima do valor máximo. Além disso, o Cu pode melhorar o desempenho de soldagem da liga.
Mn: Mn é o principal elemento para melhorar a liga resistente ao calor. Ele aumenta a energia de ativação dos átomos na solução sólida, reduz o coeficiente de difusão dos átomos do soluto e a taxa de decomposição da solução sólida. Quando a solução sólida se decompõe, o processo de formação e crescimento da fase precipitada T (Al2oCu2Mn3) também é muito lento, então a liga também é muito estável quando aquecida por um longo tempo em uma certa temperatura alta. Adicionar Mn apropriado (0.6%~0.8%) pode melhorar a resistência à temperatura ambiente e a resistência à resistência da liga no estado de têmpera e envelhecimento natural. No entanto, se o teor de Mn for muito alto, a fase T aumenta, a interface aumenta, o efeito de difusão é acelerado e a resistência ao calor da liga é reduzida. Além disso, o Mn também pode reduzir a tendência de rachaduras durante a soldagem da liga.
Os oligoelementos adicionados à liga Al-Cu-Mn são Mg, Ti e Zr, enquanto os principais elementos de impureza são Fe, Si, Zn, etc., e seus efeitos são os seguintes.
Mg: Quando o conteúdo de Cu e Mn na liga 2A16 permanece inalterado, 0.25%~0.45% Mg é adicionado para formar a liga 2A17. O Mg pode melhorar a resistência à temperatura ambiente da liga e melhorar a resistência ao calor abaixo de 150~225 graus. No entanto, quando a temperatura aumenta ainda mais, a resistência da liga diminui significativamente. No entanto, a adição de Mg pode deteriorar o desempenho de soldagem da liga, portanto, na liga 2A16 usada para soldabilidade resistente ao calor, o conteúdo de impureza Mg não deve exceder 0.05%. Ti: O Ti pode refinar os grãos fundidos, aumentar a temperatura de recristalização da liga, reduzir a tendência de decomposição da solução sólida supersaturada e estabilizar a estrutura da liga em alta temperatura. No entanto, quando o teor de Ti é maior que {{20}}.3%, compostos TiAls em forma de agulha grossa são gerados, o que reduz a resistência ao calor da liga. O teor de Ti da liga é especificado como sendo 0.1%~0,2%. Zr: Quando 0,1%~0,25% de Zr é adicionado à liga 2219, os grãos podem ser refinados, e a temperatura de recristalização e a estabilidade da solução sólida da liga podem ser aumentadas, melhorando assim a resistência ao calor da liga e melhorando a soldabilidade da liga e a plasticidade da solda. No entanto, quando o teor de Zr é alto, compostos mais frágeis ZrAl3 podem ser gerados.
Fe: Quando o teor de Fe na liga excede {{0}}.45%, uma fase insolúvel AlCu2Fe é formada, o que pode reduzir as propriedades mecânicas da liga no estado de têmpera e envelhecimento e a resistência à resistência a 300 graus. Portanto, o teor de Fe deve ser limitado a menos de 0,3%.
Si: Uma pequena quantidade de Si ({{0}}.4%) não tem efeito óbvio nas propriedades mecânicas da temperatura ambiente, mas reduz a resistência à resistência a 300 graus. Quando o teor de Si excede 0,4%, as propriedades mecânicas da liga à temperatura ambiente serão reduzidas. Portanto, o teor de Si é limitado a menos de 0,3%.
Zn: Uma pequena quantidade de Zn ({{0}}.3%) não tem efeito nas propriedades da liga em temperatura ambiente, mas pode acelerar a taxa de difusão de Cu em Al e reduzir a resistência da liga a 300 graus, por isso é limitada a menos de 0,1%.
Quais são os tipos e usos das ligas de alumínio da série 2xxx?
Liga 2011
Tipos: tubos trefilados, barras trabalhadas a frio, fios trabalhados a frio
Aplicações: parafusos e produtos usinados que exigem bom desempenho de corte
Liga 2014
Tipos: chapas, chapas grossas, tubos trefilados, tubos extrudados, barras, perfis, arames, barras trabalhadas a frio, arames trabalhados a frio, forjados
Aplicações: usado em aplicações que exigem alta resistência e dureza (incluindo altas temperaturas). Forjados pesados, chapas grossas e materiais extrudados são usados para peças estruturais de aeronaves, tanques de combustível de primeiro estágio de foguetes multiestágios e peças de espaçonaves, rodas, chassis de caminhões e peças de sistemas de suspensão
Liga 2017
Tipos: chapas, perfis extrudados, barras trabalhadas a frio, arames trabalhados a frio, arames rebitados, forjados
Aplicações: É a primeira liga da série 2XXX a ser aplicada industrialmente. Sua faixa de aplicação atual é relativamente estreita, principalmente rebites, peças de máquinas em geral, aeronaves, navios, transporte, peças estruturais de construção, peças estruturais de veículos de transporte, hélices e acessórios
Liga 2024
Variedades: Chapas, chapas grossas, tubos trefilados, tubos extrudados, perfis, barras, arames, barras trabalhadas a frio, arames trabalhados a frio, arames rebitados
Aplicações: Estruturas de aeronaves (peles, armações, nervuras, anteparas, etc.), rebites, componentes de mísseis, rodas de caminhões, componentes de hélices e outras diversas peças estruturais
Liga 2036
Variedades: Chapas de carroceria automotiva
Aplicações: Peças de chapa metálica para carrocerias automotivas
Liga 2048
Variedades: Pratos
Aplicações: Peças estruturais aeroespaciais e peças estruturais de armas
Liga 2117
Variedades: Barras e fios trabalhados a frio, fios de rebite
Aplicações: Usado como rebites para peças estruturais com temperaturas de trabalho não superiores a 100 graus
Liga 2124
Variedades: Placas grossas
Aplicações: Peças estruturais aeroespaciais
Liga 2218
Variedades: Forjados, folhas
Aplicações: Pistões de motores de aeronaves e motores a diesel, cabeçotes de cilindros de motores de aeronaves, impulsores de motores a jato e anéis de compressores
Liga 2219
Variedades: Chapas, chapas grossas, folhas, tubos extrudados, perfis, barras, arames, barras trabalhadas a frio, forjados
Aplicações: Tanques oxidantes e tanques de combustível para soldagem de foguetes espaciais, revestimentos de aeronaves supersônicas e peças estruturais, temperatura operacional -270~300 graus. Boa soldabilidade, alta tenacidade à fratura, alta resistência à corrosão sob tensão no estado T8
Liga 2319
Variedade: Arame
Aplicação: Varetas de solda e solda de enchimento para soldagem de liga 2219
Liga 2618
Variedade: Chapas grossas, barras extrudadas, forjados e peças forjadas
Aplicação: Cilindros de motor e outras peças, bem como peças resistentes ao calor que exigem trabalhar a 150~250 graus. Placas grossas são usadas como peles de aeronaves, barras, forjados de matriz e forjados livres são usados para fazer pistões, aviação
Liga 2A01
Variedade: Barras e fios trabalhados a frio, fios de rebite
Aplicação: Usado como rebites para peças estruturais com temperaturas de trabalho não superiores a 100 graus
Liga 2A02
Variedade: Barras, forjados
Aplicação: Lâminas de compressores axiais, impulsores e discos de motores turbojato com temperaturas de trabalho de 200 a 300 graus
Liga 2A04
Variedade: Fios de rebite
Aplicação: Usado para fazer rebites para peças estruturais com temperatura de trabalho de 120~250 graus
Liga 2A06
Variedade: Placa, perfil extrudado, fio rebitado
Aplicação: Peças estruturais de aeronaves com temperatura de trabalho de 150~250 graus e rebites estruturais de aeronaves com temperatura de trabalho de 125~250 graus
Liga 2A10
Variedade: Fio de rebite
Aplicação: Maior resistência que a liga 2A01, usada para fabricar rebites estruturais de aeronaves com temperatura de trabalho menor ou igual a 100 graus
Liga 2A50
Variedade: Forjados, barras, chapas
Aplicação: Peças de média resistência com formas complexas
Liga 2B50
Variedade: Forjados
Aplicação: Roda do compressor de motor de aeronave, roda guia, ventilador, impulsor, etc.
Liga 2A90
Variedade: Barras extrudadas, forjadas e peças forjadas
Aplicação: Peças de motores de aeronaves e outras peças com alta temperatura de trabalho, forjados de liga são gradualmente substituídos por 2A70