Алюминий

Вследствие малого удельного веса (2,70) алюминий и его сплавы являются исключительно ценными конструкционными материалами, особенно в самолетостроении. Высокая пластичность алюминия дает возможность обрабатывать его давлением и штамповкой в холодном и горячем состоянии.
Сравнительно малое удельное электросопротивление позволяет применять алюминий в электротехнической промышленности в качестве проводов и других изделий. Высокая коррозионная стойкость алюминия, объясняемая характерным свойством его образовывать на поверхности окисные пленки, позволяет применять алюминий как плакировочный материал.
Благодаря этим ценным свойствам алюминий и его сплавы получили чрезвычайно широкое применение во всех отраслях промышленности и в быту.
В России выпускается технический алюминий девяти марок, химический состав которых и примерное назначение приведены в табл. 16.

Примеси оказывают сильное влияние на электрические, технологические и коррозионные свойства алюминия.
Основные примеси в техническом алюминии - железо и кремний, попадающие в металл при его получении.
Уже незначительные количества таких примесей, как железо, марганец, медь, цинк, магний и других, резко снижают электропроводность (рис. 1) и теплопроводность технического алюминия.
Железо почти не растворяется в алюминии: при температуре эвтектики (655°) растворимость железа составляет 0,052%, при понижении температуры растворимость резко падает (рис. 2). Железо в алюминии присутствует в виде самостоятельной фазы AlsFe.

Присутствие нерастворяющегося в алюминии железа снижает антикоррозионную устойчивость и значительно понижает электропроводность и пластичность (обрабатываемость), хотя несколько и повышаем прочность алюминия.
При одновременном присутствии кремния и железа в алюминии образуется новая фаза. В техническом алюминии соотношение кремния и железа таково, что образуется новое тройное соединение.
Вредное действие железа во многих сплавах может быть ослаблено, если в алюминий добавить марганец или хром, которые способствуют кристаллизации скелетообразной или равноосной структуры.
Кремний растворяется в алюминии при температуре эвтектики (577°) до 1,65%. С понижением температуры растворимость кремния падает и при комнатной температуре в растворе удерживается несколько сотых долей процента кремния (рис. 3). Изменение растворимости кремния в алюминии с понижением температуры вызывает процессы упрочнения, но они настолько слабы, что практического значения не имеют.
Влияние кремния на механические свойства алюминия аналогично влиянию железа.
Примеси кальция, натрия и других элементов, присутствующих в техническом алюминии в ничтожных количествах, практически не оказывают влияния на свойства алюминия.

Кислород энергично реагирует с алюминием и образует тугоплавкий окисел Аl2О3, присутствие которого в алюминии сильно снижает механические свойства и ухудшает обработку металла давлением.
Азот, окись углерода, углекислый газ и сернистый газ при высоких температурах вступают в реакцию с алюминием и образуют тугоплавкие соединения.
Растворимость этих газов в алюминии при температурах процесса плавки алюминия невелика, но эти газы вредны потому, что металл загрязняется окислами, сульфидами и карбидами, которые способствуют повышению растворимости газов в расплавленном алюминии.
При высоких температурах в алюминии растворяется относительно большое количество водорода (при 300° 0,001 см3 в 100 г алюминия, при 500° - 0,0125 см3 в 100 г, а при 850° - 2,15 см3 в 100 г). При остывании алюминия часть водорода удерживается в нем, отчего изделия из такого металла получаются пористыми. Поэтому присутствие водорода или водяного пара в атмосфере печи, в которой плавится алюминий, крайне нежелательно.
Присутствие в алюминии легирующих добавок резко изменяет растворимость в нем водорода. Медь, кремний и олово понижают растворимость водорода в алюминии, а марганец, никель, магний, железо, хром, церий, торий и титан повышают ее. В присутствии 2,8% марганца при 600° или 6% магния при 500° алюминий способен поглощать водород.
Механические свойства технического алюминия зависят от степени его деформации и температуры отжига.
Так, предел прочности при растяжении мягкого алюминия равен 7-10 кг/мм2, а деформированного 15-20 кг/мм2, относительное удлинение ответственно составляет 30-35 и 4-6%.
На рис. 4 и 5 приведена зависимость предела прочности и удлинения алюминия марок A1 и А2 от степени деформации и температуры отжига.

Основными легирующими добавками в деформируемых и литейных алюминиевых сплавах служат медь, магний, марганец, кремний, цинк, титан и в некоторых случаях олово, никель и др.
Добавки, вводимыe в алюминий при производстве сплавов, значительно повышают прочность металла, но понижают его пластичность, электро- и теплопроводность и ослабляют защитные действия пленки окиси алюминия, так как новые образующиеся фазы нарушают непрерывность слоя окиси алюминия.
Медь с алюминием образует твердый раствор. При температуре эвтектики (548°) растворимость меди составляет около 5,7%, при понижении температуры растворимость уменьшается, достигая при 200° около 0,5%.
В состоянии твердого раствора сплав алюминия с медью хорошо переносит обработку давлением. При медленном охлаждении из этих сплавов начинает выделяться химическое соединение СuAl2. Быстрое охлаждение, т. е. закалка, позволяет предупредить распад твердого раствора и получить неустойчивый при комнатной температуре раствор. В процессе распада твердого раствора происходит упрочнение сплавов, т. е. повышается их твердость и предел прочности.
Процесс упрочнения начинается после закалки при длительной выдержке при комнатной температуре, но более сильное упрочнение получается при искусственном старении (выдержке сплавов при 100-150°). Например. сплав алюминия с 4% меди после закалки и отпуска обладает пределом прочности 35- 37 кг/мм2 вместо 27 кг/мм2 в свежезакаленном состоянии и 13 кг/мм2 в отожженном состоянии.
В настоящее время двойные сплавы алюминия с медью применяются редко; наибольшим распространением пользуются сплавы, содержащие, кроме меди, магний, марганец, цинк и другие элементы.
Магний, как и медь, образует с алюминием область твердого раствора, которая уменьшается с понижением температуры вследствие уменьшения растворимости магния в алюминии.
При 451° растворимость магния в алюминии составляет 14,9%, при 150°-2,95% (рис. 6).

Уменьшение растворимости магния в алюминии с понижением температуры позволяет применить закалку и последующий упрочняющий отпуск; в сплавах Al-Mg явление упрочнения выражено не так резко, как в сплавах Al-Cu.
Значительный эффект упрочнения дают алюминиевые сплавы при добавке соединения Mg2Si. Например, предел прочности термически обработанного сплава с содержанием 1,85% Mg2Si возрастает больше, чем в три раза.
Цинк с алюминием образует большую область твердого раствора β, которая с понижением температуры резко сужается. Однако применение цинка в качестве упрочнителя алюминиевых сплавов не нашло практического применения. Большой эффект упрочнения дают алюминиевые сплавы при добавке соединения MgZn2. Эти добавки позволят получить сплавы после термической обработки с пределом прочности до 60 кг/мм2.
Марганец в процессе старения сплавов типа дуралюминов не участвует, но повышает их прочность и коррозионную стойкость. В присутствии марганца в структуре сплава появляется марганцевая составляющая. В сплавах, которые содержат магний и кремний, марганец дает эффект упрочнения, значительно превосходящий эффект упрочнения от меди.
Термической обработкой многокомпонентных алюминиевых сплавав удается получать сплавы с высоким пределом прочности (свыше 60 кг/мм2) при достаточно сильном удлинении и другими высокими механическими и физическими свойствами.

Алюминиевые сплавы

Промышленные алюминиевые сплавы делятся на деформируемые и литейные.
Деформируемые сплавы. В качестве деформируемого упрочняемого старением сплава наибольшее распространение получил дуралюмин, открытый в 1909 г., состав которого с тех пор подвергся лишь незначительному изменению.
Дуралюмин является сплавом по крайней мере из пяти компонентов, причем медь, магний и марганец вводятся в него в качестве добавок, а кремний и железо (примерно по 0,5%) являются обычными примесями, попадающими в сплав с техническим алюминием, уже содержащим эти примеси.
В табл. 17 приводятся некоторые данные о химическом составе и механических свойствах деформируемых алюминиевых сплавов.

Как следует из данных табл. 17, с повышением процентного содержания легирующих добавок повышается предел прочности и падает пластичность сплава.
Дуралюмины идут в основном для изготовления листов, профилей, проволоки, прутков, труб и заклепок. Листы выпускаются как неплакированные, так и плакированные чистым алюминием.
Большое распространение получили также сплавы на основе Al-Mg-Si, используемые для производства поковок и штамповок - группа сплавов, именуемая в ГОСТах сплавами марок AK. В этих сплавах содержится повышенное по сравнению с дуралюмином количество кремния (до 1,2%). Кроме того, в этих сплавах некоторых марок (АК2 и АК4) марганец заменен никелем.
Из сплавов высокой прочности можно привести сплав АК8, содержащий 3,9-4,8% меди, 0,4-0,8% магния, 0,4-1,0% марганца и 0.6- 1,2% кремния. Этот сплав обладает высоким пределом прочности (до 50 кг/мм2), но склонность сплава к интеркристаллитной коррозии ограничивает области его применения.
По свойствам при комнатных температурах некоторые сплавы типа AK (например, АК2) близки к дуралюмину, но превосходят его по стойкости при высоких температурах.
В последние годы начал внедряться сплав В95, подвергающийся искусственному старению и обладающий пределом прочности свыше 65 кг/мм2, твердостью 190 кг/мм2 и относительным удлинением около 7%.
Литейные сплавы. Среди литейных алюминиевых сплавов наиболее распространены силумины - сплавы с большим содержанием кремния.
Кроме силуминов применяют, правда значительно реже, сплавы алюминия с медью и магнием.
Литейные алюминиевые сплавы легированы большим количеством добавок, чем деформируемые сплавы.
Содержание добавок в литейных сплавах таково, что в литом сплаве образуется эвтектика, которая, как правило, повышает жидкотекучесть, плотность отливки и увеличивает сопротивление сплава усадочным напряжениям.
Сплавы с большим количеством кремния обычно имеют игольчатую эвтектику, но при добавке в жидкий сплав незначительного количества модификатора (металлический натрий, смесь фтористого натрия и хлористого натрия) значительно улучшается структура сплава, так как эвтектика становится мелкозернистой.
Силумины хорошо поддаются сварке и почти не дают трещин от усадочных напряжений, что объясняется малым интервалом кристаллизации. Большой недостаток силуминов - склонность к образованию окисных пленок (отчего повышается брак отливок), а также невысокая механическая прочность и плохая обрабатываемость резанием. Как и многие литейные сплавы, силумин очень чувствителен к загрязнению железом: уже незначительное увеличение содержания железа в силумине (на 0,1-0.2%) приводит к резкому снижению относительного удлинения (в 2-3 раза).
В табл. 18 приведен cocтав и механические свойства некоторых литейных сплавов.
Как следует из приведенной таблицы, механические свойства силуминов существенно ниже механических свойств деформируемых сплавов, что является следствием более грубой структуры силуминов.
Алюминийурановые сплавы сравнительно дешевы, прочны, хорошо поддаются обработке, а плакированные алюминием - очень хорошо противостоят коррозии в воде.

30.05.2019

Основными требованиями клиента в ходе строительства разнообразных строений называют обеспечение энергоэффективности, значительную скорость выполнения работ,...

29.05.2019

Предлагаем обзор свойств и характеристик популярных моделей профилированных геомембран, представленных в компании ГЕОТЕХ. В обзоре модификации мембран Тефонд, Изостуд,...

29.05.2019

Судебные инстанции Замбии озвучили собственный вердикт по поводу ликвидации самой крупной на территории государства компании по добыче меди Konkola Copper Mines,...

29.05.2019

На сегодняшний день демонтаж металлических конструкций считается весьма замысловатым в техническом плане типом работ. При этом отыскать оснащение и устройства для...

28.05.2019

Микроклимат в машине считается одним из самых важных факторов удобства. Вряд ли вас будет устраивать тот факт, что температурный режим на улице будет точно таким же, как...

28.05.2019

Корпорация Vale из Бразилии, занимающаяся добычей железной руды, а также фирма China Communications Construction Co из Китайской Народной Республики заключили договор по...

В наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки - в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

Алюминий с железом способен давать твердые растворы, интерметаллидные соединения (Fe 2 Al 4 -62,93 % Al; Fe 2 Al 5 - 54,71 % Al; FeAl 2 -49,13% Al; FeAl -32,57 % Al и др.) и эвтектику (Al + FeAl 3 , Т пл = 654 °С, содержание железа в металле 1,8%). Растворимость железа в твердом состоянии ограничивается 0,053 % при эвтектической температуре. Растворимость алюминия в железе порядка 32%, т. е. в 600 раз выше. При затвердевании в структуре сплавов алюминия и железа выпадают кристаллы соединения FeAl 5 (59,18 %).

Для условий сварки характерно появление FeAl 3 и Fe 2 Al 5 . Они обладают низким пределом временного сопротивления (15-17 МПа). Твердость Fe 2 Al 5 , FeAl 3 и FeAl 2 лежит в диапазоне μv = 9600-11500 МПа. С увеличением содержания железа и с повышением температуры твердость снижается. Для Fe 3 Al μv = 2700 МПа. Разупрочнение FeAl 3 и Fe 2 Al 5 начинается при температуре 0,45 Т пл. Для Fe 2 Al 5 характерно аномально высокое значение удельного электрического сопротивления.

Интерметаллиды химически стойки. Последующая термическая обработка соединений может привести только к росту протяженности зоны интерметаллидов. В соединении имеют место три характерных участка: железо (сталь)-интерметаллидная зона - алюминий (алюминиевый сплав). Механические свойства соединений зависят от промежуточной зоны - ее состава. количества интерметаллидов, их формы, протяженности, характера расположения и сплошности.

На алюминии образуется химически стойкая тугоплавкая окисная пленка (Аl 2 O 3 имеет T пл = 2047 °С), что при сварке плавлением может привести к дефекту в виде включений этой пленки в металл шва. Использование флюсов не дает положительных результатов: флюсы для сварки алюминия легкоплавки, жидкотекучи, плохо смачивают стали; флюсы для стали активно реагируют с расплавленным алюминием.

Характер диффузионных процессов при сварке в твердой фазе алюминия с железом и сталью на начальной стадии взаимодействия и в дальнейшем отличается. Показано, что в начальный период имеет место диффузия железа в алюминий. В результате в пограничной зоне образуется слой из смеси фаз FeAl 3 + Fe 2 Al 5 . В дальнейшем при температуре, соответствующей рекристаллизации стали, наблюдается интенсивная диффузия алюминия в сталь. Скорость этого процесса зависит от химического состава материала контактирующих заготовок и условий нагрева. Для твердофазного взаимодействия при определенных температурно-временных условиях сварки может отсутствовать сплошной фронт интерметаллидов.

Реакционная диффузия в системе алюминий - железо наблюдается при температуре >400 °С. Рост интерметаллидного слоя подчиняется параболическому закону: у 2 = 2k 1 τ, где k 1 - величина, пропорциональная коэффициенту диффузии алюминия через слой.

Легирование материалов алюминиевой заготовки Si, Мn и другими элементами, а стали - V, Ti, Si и Ni ведет к повышению энергии активации реакционной диффузии. Их влияние связано с затруднением образования зародышей в промежуточной фазе. Противоположное влияние оказывает С и Мn в стали. Повышенное содержание в определенных пределах в стали свободного кислорода и азота ведет к росту температуры начала образования интерметаллидов. Возникновение интерметаллидного слоя для каждой температуры начинается после некоторого критического времени, т. е. имеет место латентный период (τ 0), по прошествии которого идет интенсивное образование интерметаллидов. Его зависимость от температуры имеет вид

τ 0 = 6,0 10 -13 ехр (192,3/RT).

При ведении процесса в твердо-жидком состоянии (с расплавлением алюминия) со стороны железа (стали) образуется Fe 2 Al 5 , а со стороны алюминия - FeAl 3 .

При сварке хромоникелевых нержавеющих сталей с алюминиевыми сплавами интерметаллидная прослойка имеет более сложный характер и в ее образовании участвует Сr и Ni.

Биметаллическое соединение имеет удовлетворительные механические свойства лишь до образования сплошного слоя интерметаллидной фазы. Работоспособность соединения сохраняется при определенном температурно-временном воздействии. Верхний температурный порог для биметаллических изделий из рассматриваемого сочетания материалов составляет 500- 520 °С.

Основными путями получения работоспособного соединения алюминиевых сплавов со сталями являются следующие:

ограничение протяженности слоя интерметаллидных прослоек. Высокая прочность может быть получена при ширине зоны с 10 мкм;

легирование алюминия элементами, сдерживающими образование промежуточной фазы, прежде всего кремнием, а также применение стали с низким содержанием углерода и марганца, что позволяет поднять температуру образования интерметаллидов на 40-60 °С выше температуры рекристаллизации стали. Этот путь может быть с успехом использован при сварке в твердой фазе.

Различия в пластических свойствах и твердости позволяют успешно применять для рассматриваемого сочетания материалов клинно-прессовую сварку при изготовлении биметаллических стержней, трубчатых переходников и т. п. Температура нагрева стальной заготовки, имеющей в продольном сечении форму клина, до 500-600 °С. Предусматривают меры по защите стали от окисления. Высокие механические свойства соединения получаются при использовании покрытий из цинка на поверхности клина.

Диффузионная сварка ведется при температуре 425-495 °С (время до 10 мин, сварочное давление 210-310 Па). Поверхность заготовки из стали покрывается слоем Ni и W. Последний с алюминием способен образовывать эвтектику. При этом температура сварки должна быть ниже температуры образования эвтектики.

Ультразвуковая сварка позволяет получать нахлесточные, точечные и шовные соединения на тонких заготовках. Колебания подаются со стороны алюминия. Толщина алюминия ограничивается величиной порядка 1,0-1,25 мм.

Сварка трением позволяет получать высокого качества соединения, равнопрочные алюминиевому сплаву в отожженном состоянии. В процессе сварки температура в стыке быстро достигает своего максимума и затем стабилизируется. При сварке аустенитной стали 12Х18Н10Т с АД1 продолжительность латентного периода для температуры 660 °С, что близко к развиваемой в стыке, составляет 100-120 с. Продолжительность сварки ~ 10 с. Поэтому интерметаллидная фаза не успевает образоваться в сколько-нибудь значительных количествах. С другой стороны, непрерывно идущая осадка (главным образом за счет алюминия) способствует получению чистого от интерметаллидов шва (суммарная осадка ~14 мм).

При наличии в алюминиевом сплаве магния продолжительность латентного периода резко сокращается. Поэтому алюминиевые магниевосодержащие сплавы сваривают на режимах, обеспечивающих температуру в стыке не выше 500 °С.

Сварка взрывом таких материалов требует применения барьерного слоя, который наносится на стальную заготовку. Этим способом получают слоистые листы и ленты.

Широкое применение получила сварка прокаткой , которая позволяет регламентировать температуры нагрева зоны соединения. Таким способом в промышленных масштабах сваривается 12Х18Н10Т +АМг6; армко-железо +АМг5 и другие сочетания.

При сварке плавлением и сварко-пайке процессы зарождения и роста интерметаллидной прослойки идут значительно интенсивнее. При формировании соединения существенным является смачивание твердой стали алюминием. Для улучшения смачивания и тем самым сокращения времени контакта расплава со сталью прибегают к легированию шва и нанесению покрытий на поверхность стальной заготовки (цинковое, цинко-никелевое - как наиболее технологичное и недорогое). После смачивания идет процесс растворения железа в жидком алюминии. Установлено, что образующаяся в процессе растворения фаза Fe 2 Al 5 может переходить в расплав в виде кристаллов и растворяться. Причем скорость роста промежуточного слоя больше скорости растворения, что делает невозможным получение соединения без интерметаллидных прослоек. Снижения отрицательного действия этого фактора можно добиться увеличением объема расплава алюминия (предварительная разделка кромки), оптимизацией режима с целью ограничения температуры расплава, легированием ванны через присадочный материал элементами, влияющими на скорость роста и состав интерметаллидной прослойки. Введение в шов Si (4-5%), Zn (6,5-7%), Ni (3-3,5%) позволяет уменьшить толщину интерметаллидного слоя и получать соединения с прочностью на уровне 300-320 МПа.

С учетом отмеченных особенностей в практике нашли применение два варианта технологии соединений методами плавления алюминия со сталью: 1) сварка-пайка с предварительным нанесением на стальную кромку покрытия с использованием аргонодуговых аппаратов с неплавящимся электродом и 2) автоматическая дуговая сварка плавящимся электродом по слою флюса АН-А1. Покрытия (цинковые, алюминиевые) имеют толщину 30-40 мкм и наносятся гальваническим способом или алитированием. При сварке необходимо вести дугу по кромке алюминиевого листа на расстоянии 1-2 мкм от линии стыка и соблюдать определенную скорость (при малых скоростях наблюдается перегрев и выгорание покрытий, при больших - несплавления).

При сварке под флюсом роль флюса сводится к улучшению смачиваемости и торможению образования интерметаллидов. Необходимо не допускать прямого воздействия дуги на кромку стали, а разделку кромки на стали делать возможно ближе к очертанию профиля ванны. Таким способом сваривают толщины 15-30 мм.

Редкий метал так часто поднимается в воздух, участвует в строительстве домов, автомобилей и морских судов, как алюминий. Казалось бы - не самый прочный, не самый стойкий, довольно мягкий... Что такого есть в алюминии, благодаря чему его называют "металлом будущего"?

У алюминия без сомнения есть несколько преимуществ, с которыми сложно поспорить:

Легкость;
- распространенность - алюминий самый распространенный металл на планете Земля;
- простота обработки;

Еще алюминий не выделяет вредных веществ при нагревании и хорошо проводит тепло. Но самое главное - стоит добавить к чистому алюминию немного, всего несколько десятых долей другого элемента, и.... вуаля! Получаете материал с диаметрально противоположными физико-химическими свойствами. Некоторые сплавы на основе алюминия настолько прочны, что при температуре до - 200 градусов по Цельсию сравнимы с титаном и сталью!

Получение и классификация алюминиевых сплавов

Процесс получения алюминиевых сплавов называется легированием. Однако легирование - это скорее не один, а несколько взаимосвязанных процессов. Его суть заключается в том, что в расплавленный алюминий вводят вспомогательные (легирующие) элементы в количестве от нескольких десятых до нескольких тысячных процента.

Доля вспомогательных веществ напрямую зависит от того результата, который необходимо получить. При этом важно учитывать, что алюминий обычно уже содержит в себе железо и кремний. Оба элемента не в лучшую сторону влияют на качество будущего сплава: они уменьшают его стойкость к коррозии, электропроводимость и пластичность.

В связи с тем, что алюминий и алюминиевые сплавы используются в стратегически важных областях, они подлежат обязательной государственной сертификации и маркировке. В России качество сплавов определяется на основе двух ГОСТ: №4784-97 и № 1583-93.

Сплавы из алюминия можно классифицировать по нескольким разным направлениям. По типу вспомогательных (легирующиех) элементов сплавы бывают:

С добавлением присадок (отдельных элементов - цинк, магний, марганец, хром, кремний, литий и т.д);

С добавлением интреметаллидов (соединений из нескольких металлов - магний+кремний, медь+магний, литий+магний, литий+медь и пр.).

В зависимости от выбранного метода дальнейшей металлообработки они делятся на:

Деформируемые сплавы алюминия (сплав не превращается в жидкость, а просто становится очень пластичным) - их удобно штамповать, подвергать ковке, прокату, экструзии, прессовке. Для достижения большей прочности некоторые из сплавов подвергают обработке при повышенных температурах (отжиг, закалка и старение), другие же обрабатывают под давлением. В результате получаются такие алюминиевые заготовки, как листы, профили, трубы, изделия более сложных форм и т.д.

Литейные сплавы алюминия (сплав проступает в производство в очень жидком состоянии, чтобы его легко можно налить в какую-нибудь форму) - такие сплавы легко резать, их них получаются литые фасонные (получаемые под давлением) и формовочные изделия.

Все сплавы на базе алюминия также можно разделить по степени прочности на:

Сверхпрочные (от 480 МПа) ;
- среднепрочные (от 300 - 480 МПа);
- малопрочные (до 300 МПа);

Отдельно классифицируются сплавы стойкие к воздействию высоких температур и коррозии.

Для того, чтобы изделия из сплавов было легко различить, каждому сплаву присваивается свой номер, состоящий из букв и цифр. Этот номер означает марку сплава алюминия. В начале наименования марки ставится буква или несколько букв, они указывают на состав сплава. Затем идет цифровой порядковый номер сплава. Буква в конце показывает, как обрабатывался сплав и в каком виде находится в данный момент.

Разберем принцип маркировки на примере сплава Д16П. Первая буква в марке "Д" означает дюралюминий, т.е сплав алюминия с медью и магнием. "16" - порядковый номер сплава. "П" - полунагартованный, то есть сплав прошел холодную обработку давлением до значения прочности вполовину меньше максимального.

Производство сплавов алюминия и их применение сильно разнятся в зависимости от вида и марки. Каждый сплав обладает своим собственным, весьма специфическим набором физико-механических свойств. Среди этих свойств есть такие, от которых зависит дальнейшая судьба сплава - то, куда он отправится с завода: на авиабазу, на стройку и в цех изготовления кухонной утвари. Эти свойства следующие: уровень прочности, коррозионная стойкость, плотность, пластичность, электро- и теплопроводность.

Основные свойства различных сплавов алюминия

Давайте рассмотрим основные сплавы на базе алюминия именно с точки зрения их приобретенных свойств.

Сплав меди и алюминия бываетнескольких видов - "чистый", в котором главными действующими элементами выступают Al и Cu, "медно-магниевый", в котором помимо меди и алюминия некоторую долю занимает магий и "медно-марганцевый" с легированием марганцем. Такие сплавы часто также называют дюралюминиям, их легко резать и сваривать "точечно".

Характерная черта дюралюминов в том, что для них берется алюминий с примесями железа и кремния. Как мы уже говорили, обычно присутствие этих элементов ухудшает качество сплава, но данный случай - исключение. Железо при повторной термической обработке сплава повышает его жаростойкость, а кремний выступает катализатором в процессе "старения" дюралюминов. В свою очередь магний и марганец в качестве легирующих элементов делают сплав намного прочнее.

Сплав алюминия и магния имеет разные показатели прочности и пластичности, в зависимости от количества магния. Чем магния меньше, тем меньше прочность изделия из такого сплава и тем выше стойкость к коррозии. Увеличение содержания магния на 1 % приводит к росту прочности до 30 000 Па. В среднем сплавы на основе магния и алюминия содержат до 6% первого. Почему не больше? Если магния в сплаве становится слишком много, изделие из него будет быстро покрываться ржавчиной, а кроме того такие изделия имеют нестабильную структуру, могут треснуть и т.д.

Термообработку сплавов магния с алюминием не проводят, так как она малоэффективна и не дает необходимого эффекта увлечения прочности.

Сплав алюминия с цинком и магнием считается наиболее прочным из всех алюминиевых сплавов, известных на сегодняшний день. Его прочность сравнима с титаном! Во время термообработки большая часть цинка растворяется, что и делает данный сплав таким прочным. Правда использовать в электрической промышленности изделия из таких сплавов невозможно, они не стойки к коррозии под напряжением. Чуть повысить коррозионную стойкость можно, если добавить в состав меди, но показатель все равно останется не удовлетворительным.

Сплав алюминия с кремнием - самый распространенный сплав в литейной промышленности. Поскольку кремний прекрасно растворяется в алюминии при нагреве, то образуемый расплавленный состав замечательным образом подходит для формовочного и фасонного литья. Готовые изделия относительно легко режутся и имеют высокую плотность.

Сплав алюминия с железом, как и сплавы алюминия с никелем практически не встречается "в живую". Железо добавляют исключительно как вспомогательный элемент для того, чтобы литейный сплав легко отлипал от стенок формы. Никель с свою очередь наиболее известен в производстве магнитов и присутствует в качестве одного из элементов в сплаве алюминий-никель-железо.

Сплав титана и алюминия, такжене встречается в чистом виде и используется только дляувеличения прочности изделий. С той же целью проводится сварка стали и сплавов алюминия.

ВВЕДЕНИЕ

Среди металлов алюминий по распространенности в природе занимает первое место, по практическому использованию – второе (после железа). Алюминий – химический элемент, находящийся в третьей группе периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер алюминия 13, атомная масса 26,98, температура плавления 660 °С, плотность 2,7 г/см 3 , полиморфных превращений не имеет, обладает решеткой гранецентрированного куба с периодом а = 0,4041 нм.

Алюминий отличается от других металлов малой плотностью, высокими пластическими и коррозионностойкими свойствами, высокими тепло- и электропроводимостью, а также отражательной способностью.

Благодаря таким свойствам алюминий находит применение почти во всех отраслях промышленности – авиационной, строительной, химической и т.д.

Алюминий - коррозионностойкий металл. Образующаяся на его поверхности плотная пленка оксида А1 2 О 3 обладает очень хорошим сцеплением с металлом, малопроницаема для всех газов и предохраняет алюминий от дальнейшего окисления и коррозии в атмосферных условиях, воде и других средах. Алюминий стоек в концентрированной азотной кислоте и некоторых органических кислотах (лимонной, уксусной и др.). Минеральные кислоты (соляная, плавиковая) и щелочи разрушают оксидную пленку.

Постоянные примеси (Fe, Si, Ti, Mn, Cu Zn, Cr) понижают физико-химические характеристики и пластичность алюминия. В зависимости от содержания примесей различают марки первичного алюминия А999, А995, А99, А97, А95.

Железо и кремний являются основными неизбежными примесями, попадающими в алюминий при его производстве Их присутствие отрицательно сказывается на свойствах алюминия. Железо практически нерастворимо в алюминии, поэтому даже при самом малом его содержании образуется хрупкое химическое соединение FeAl 3 . Кристаллизуясь в виде игл служащих надрезами в металле, оно снижает пластические свойства алюминия. Железо уменьшает коррозионную стойкость алюминия вследствие большой разницы электрохимических потенциалов фаз А1 и FeAlg, возникновения микрогальванических пар на границе этих фаз и развития межкристаллитной коррозии.

Кремний не образует с алюминием химических соединений и присутствует в сплавах алюминия в элементарном виде. Растворимость кремния в алюминии при комнатной температуре не превышает 0,05 %. Уже при незначительных количествах кремния в структуре алюминия образуются включения эвтектики Al -f Si. Кристаллики кремния по свойствам близки к химическим соединениям, обладают высокой твердостью (НВ 800) и хрупкостью. Основное отрицательное влияние примеси кремния выражается в ухудшении литейных свойств технического алюминия. Кремний резко снижает температуру солидуса, увеличивает интервал кристаллизации (At = t n -- -- t 0), а значит, уменьшает жидкотекучесть и увеличивает склонность сплава к трещинообразованию.

В промышленном алюминии одновременно присутствуют железо и кремний, поэтому его можно рассматривать как тройной сплав системы Al--Fe--Si. При этом в алюминии могут образовываться два тройных химических соединения: а (А1--Fe--Si) и J (A1--Fe--Si), которые практически нерастворимы в А1. Появление в структуре технического алюминия скелетообразной, крабовидной фазы а (А1--Fe--Si) и грубой пластинчатой фазы (3 (А1-- Fe--Si) резко изменяет его свойства.

В зависимости от содержания примесей алюминий разделяют на сорта: технический, высокой чистоты и особой чистоты.

В таблице 1 приведены некоторые марки, химический состав алюминия деформируемого (предназначенного для производства полуфабрикатов методом горячей или холодной деформации). На алюминий первичный, поставляемый в форме чушек, слитков распространяется стандарт ГОСТ 11069-74, примеры обозначения марок которого приведены в таблице 2. Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния. Увеличение содержания примесей и пластическая деформация повышают прочность и твердость алюминия (табл. 3).

Таблица 1

Алюминий деформируемый

Таблица 2

Алюминий первичный

Таблица 3

Механические свойства алюминия различной
чистоты в отожженном состоянии

Чистота, %

Алюминий характеризуется высокими технологическими свойствами. Из него могут быть изготовлены любые полуфабрикаты различных габаритов. Благодаря высокой пластичности полуфабрикаты из алюминия легко можно подвергать деформации без существенных нагревов. Сварка может осуществляться практически всеми методами, включая сварку плавлением. Обрабатываемость резанием вследствие высокой вязкости у алюминия плохая.

Он используется в электротехнической промышленности и теплообменниках. Высокая отражательная способность алюминия используется для производства зеркал, мощных рефлекторов. Алюминий практически не взаимодействует с азотной кислотой, органическими кислотами и пищевыми продуктами. Из него изготавливается тара для транспортировки пищевых продуктов, домашняя утварь. Листовой алюминий широко применяется как упаковочный материал. Значительно выросло применение алюминия в строительстве и на транспорте.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Классификация алюминиевых сплавов

В зависимости от способа производства промышленные алюминиевые сплавы делятся на спеченные, литейные и деформируемые (рис. 1).

Литейные сплавы претерпевают эвтектическое превращение, а деформируемые – нет. Последние в свою очередь бывают термически неупрочняемыми (сплавы в которых нет фазовых превращений в твердом состоянии) и деформируемые, термически упрочняемые (сплавы, упрочняемые закалкой и старением).

Алюминиевые сплавы обычно легируют Сu, Mg, Si, Мn, Zn, реже Li, Ni, Ti.

2. Деформируемые алюминиевые сплавы, неупрочняемые термической обработкой

К этой группе сплавов относятся технический алюминий и термически неупрочняемые свариваемые коррозионностойкие сплавы (сплавы алюминия с марганцем и магнием). Сплавы АМц относятся к системе Аl – Мn (рис. 2).

Рис. 1. Диаграмма состояний “алюминий – легирующий элемент”:

1–деформируемые, термически неупрочняемые сплавы;
2–деформируемые, термически упрочняемые сплавы.

Рис. 2. Диаграмма состояния “алюминий – марганец”:

Рис. 3. Микроструктура сплава АМц

Рис. 6. Микроструктура дюралюмина после:

а) закалки в воде с температуры Т 2 ;
б) закалки и искусственного старения при Т 3 (справа – схематическое изображение)

Структура сплава АМц состоит из a -твердого раствора марганца в алюминии и вторичных выделений фазы MnAl 6 (рис. 3). В присутствии железа вместо MnAl 6 образуется сложная фаза (MnFe)Al 6 , практически нерастворимая в алюминии, поэтому сплав АМц и не упрочняется термической обработкой.

Состав данных сплавов имеет очень узкие пределы: 1 – 1,7 %Мп; 0,05 – 0,20 %Cu; медь добавляют в целях уменьшения питтинговой коррозии.

Допускается до 0,6 – 0,7 %Fe и 0,6 – 0,7 %Si, что приводит к некоторому упрочнению сплавов без существенной потери сопротивления коррозии.

При понижении температуры прочность быстро растет. Поэтому сплавы этой группы нашли широкое применение в криогенной технике.

Сплавы АМг (магналий) относятся к системе А1 – Mg (рис. 4). Магний образует с алюминием a -твердый раствор и в области концентраций от 1,4 до 17,4 %Mg происходит выделение вторичной b -фазы (MgAl), но сплавы содержащие до 7 %Mg, дают очень незначительное упрочнение при термической обработке, поэтому их упрочняют пластической деформацией – нагартовкой.