Жаропрочные ковочные сплавы АК4, АК4‑1

Краткая информация

Сплавы АК4, АК4-1 хорошо деформируются в горячем состоянии. Характеристики механических свойств полуфабрикатов из сплавов позволяют применять их при повышенных температурах.
Сплавы отличаются невысокой коррозионной стойкостью, склонны к коррозионному растрескиванию. Детали следует анодировать и защищать лакокрасочными  покрытиями.
Сплавы удовлетворительно свариваются точечной и роликовой сваркой, хорошо обрабатываются резанием. Жаропрочные ковочные сплавы применяют для изготовления деталей двигателей, работающих при повышенных температурах. Сплав АК4-1 применяют в качестве конструкционного материала (в виде листов, профилей, штамповок) в машиностроении и самолетостроении.
Для уменьшения коробления и поводок закалку деталей сложной конфигурации можно производить в кипящей воде.

кругляк АК4-1
пруток ак4-1

Общая характеристика

Жаропрочные алюминиевые сплавы АК2, АК4 и АК4–1 по у химическому и фазовому составам близки к сплавам типа дуралюмин. Как и дюралюмины, сплавы АК2, АК4 и АК4 — основаны на системе легирования Al–Cu–Mg, основными упрочняющими фазами при термической обработке служат фазы S-Al2CuMg и CuAl2. Cплавах АК2, АК4 и АК4–1 отличаются от дюралюминов тем, что в качестве легирующих элементов в значительных количествах содержат железо, никель и кремний. Сплавы АК4 и АК4–1 менее легированы по меди. Это определяет изменение структуры и свойств при комнатной и повышенных температурах. Сплав АК2 — один из первых жаропрочных сплавов этой группы, долгое время его применяли для деталей авиационных двигателей. В настоящее время он практически вытеснен сплавами АК4 и АК4–1. Сплавы АК4 и АК4𔂿 более жаропрочные, чем сплав АК2. Механические свойства сплавов АК4 и АК4–1 близки. Сплав АК4–1 получили модификацией сплава АК4, в котором кремния содержится в качестве примеси не более 0,35 % или в пределах 0,10–0,25 %.

Сплавы АК4 и АК4–1 отличаются технологическими свойствами. Сплав АК4–1характеризуется более высокими технологическими свойствами при литье и обработке давлением (ковке, штамповке, прессовании, прокатке), он почти полностью заменяет сплав АК4 для производства поковок и штамповок.

Химический состав сплавов

Сплав АК2 по содержанию меди и магния близок к сплаву Д1. Сплавы АК4 и АК4—1 содержат одинаковое количество меди и магния и в системе AL-Cu попадают в двух­фазную область, а избыточный магний дополнительно насыщает α‑твердый раствор. В зависимости от присутст­вия железа, никеля и кремния фазовый состав сплавов мо­жет существенно различаться, что приводит к изменению и характера упрочнения.

Химический состав (%)
Марка сплава Cu Mg Fe Ni
АК2 3,5 ‑ 4,5 0,4 ‑ 0,8 0,5 ‑ 1,0 1,8 ‑ 2,3
АК4 1,9 ‑ 2,5 1,4 ‑ 1,8 0,8 ‑ 1,3 0,8 ‑ 1,3
АК4 ‑ 1 1,9 ‑ 2,7 1,2 ‑ 1,8 0,8 ‑ 1,4 0,8 ‑ 1,4
АК4 ‑ 1ч 2,0 ‑ 2,6 1,2 ‑ 1,8 0,9 ‑ 1,4 0,9 ‑ 1,4
АК2, АК4, АК4 ‑ 1, АК ‑ 1ч
Si Ti Mn Zn Прочие примеси
0,5 ‑ 1,0 - 0,2 0,3 0,1
0,5 ‑ 1,2 - 0,2 0,3 0,1
0,35 0,02 ‑ 0,1 0,2 0,3 0,1
0,1 ‑ 0,25 0,05 ‑ 0,1 0,1 0,1 0,2

Режимы термической обработки

Повышенные температуры искусственного старения обеспечивают более высокий предел текучести при пониженной пластичности и удовлетворительную коррозионную стойкость сплавов. Для снижения коробления и поводок деталей сложной конфигурации с толщиной стенки до 80 мм при термической и последующей механической обработке охлаждение при закалке можно проводить в кипящей воде, при этом механические свойства сплавов практически не изменяются

Режимы термической обработки
Сплав Вид полуфабриката Режимы старения
Температура, °С Время, ч
АК4 Прессованные 165-180 10-16
Штамповки, поковки 165-180 10-16
190—200 8—12
АК4-1 Листы плакированные 185-195 9—12
185—195 24
Плиты горячекатаные 190—200 7—9
190-200 24
Штамповки, поковки 185—195 8—12
195—200 24

Механические свойства

Сплавы АК4 и АК4‑1 по механическим свойствам уступают сплаву Д16 при комнатной температуре и превосходят по жаростойкости при температурах до 300°С

Характеристики механических свойств поковок и штамповок из сплавов АК4 и АК4–1 (в закаленном и искусственно состаренном состоянии)
Сплав Вид изделия Масса, кг Вдоль волокна δ, % Поперек волокна
σв σ0,2 По ширине По толщине НВ
кгс/мм2 σв σ0,2 δ, % σв
кгс/мм2		 δ, %
кгс/мм2
Не менее
АК4 Штамповки ≤100 38 28 5 37 27 4 36 3 100
Поковки ≤700 37 27 4 36 26 3 35 3 100
АК4–1 Штамповки ≤100 40 28 6 38 27 4 38 4 109
100 – 200 38 27 5 38 26 4 37 4 109
Поковки ≤700 38 27 5 38 26 4 37 4 109
Штамповки малых крыльчаток и др. – 40 – 5 40 – 5 40 5 117
Штамповки  больших крыльчаток и др.: перо, диск, ступица – 39 – 5 39 – 5 39 5 109
– 38 – 4 38 – 4 38 4 109

Пределы длительной прочности и ползучести (за 100ч) прессованных полуфабрикатов из сплавов АК4 и АК4-1
Сплав 200°С 250°С 300°С
σ100 σ0,2/200 σ100 σ0,2/100 σ100 σ0,2/100
АК4 20 16 7,5 6,5 4,0 3,5
АК4-1 18 - 9.0 6,5 4.5 2.5

Применение

Благодаря избыточному количеству твердых фаз, содержащих железо, никель, сплавы АК2, АК4 и АК4‑1 имеют низкий коэффициент трения, а изделия из них характеризуются высокой износостойкостью. Из этих сплавов делают детали двигателей внутреннего сгорания. Такие детали, как поршни, сепараторы и др., изготовляемые ранее из сплава АК2, в настоящее время делают из сплава АК4, как из наиболее жаропрочного. Сплав АК4 применяют для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания. Сплав АК4‑1 в виде поковок и штамповок широко используют для деталей реактивных двигателей (крыльчатки, колеса, компрессоры, заборники, диски, лопатки). Кроме того, сплав АК4‑1 применяется в самолетостроении для новых сверхзвуковых машин как основной конструкционный материал в виде плит, листов, поковок и штамповок, а также прессованных профилей.