Алюминий и сплавы на его основе

Алюминий - химический элемент III группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Химический знак А1, порядковый номер 13, металл, атомный вес 26,98. Он был открыт в 1825 году. Его наименование происходит от латинского слова «алюмен» - название квасцов.

Алюминий является самым распространенным элементом и цветным металлом на Земле. Из металлов по нахождению в природе ему принадлежит первое место. Общее содержание алюминия в земной коре составляет 8,8 %. Важнейшие его природные соединения: алюмосиликаты, боксит, корунд и криолит.

Алюминий представляет собой серебристо-белый металл, который кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке с периодом а равным 0,4041 нм. Это легкоплавкий (температура плавления 660 °С) и механически прочный металл. Наиболее важной характеристикой алюминия является низкая плотность: 2,7 г/см³ против 7,8 г/см³ для железа и 8,9 г/см³ для меди, т. е. он относится к легким металлам. Алюминий обладает высокой электро- и теплопроводностью, но при этом уступает меди. Так удельное сопротивление алюминия r и его теплопроводность l равны соответственно 0,0116 мкОм·м и 238 ккал/м·град·ч, что составляет 65 % от таковых у меди. Он легко поддается обработке: прокатывается в фольгу, вытягивается в тонкую проволоку, отливается. Вследствие этого технический алюминий выпускается в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов.

При 600 °С алюминий становится хрупким и его можно истолочь в зерна или порошок. Чистый алюминий имеет высокую коррозионную стойкость. Чем чище алюминий, тем она выше.

Отожженный алюминий высокой чистоты имеет низкую прочность (s_в = 50 МПа, s_0,2 = 15 МПа) и высокую пластичность (d = 50 %). Благодаря большой пластичности в отожженном состоянии алюминий легко обрабатывается давлением, сваривается всеми видами сварки, но обработка резанием затруднена из-за образования задиров.

Примеси ухудшают все его свойства. Постоянными примесями алюминия являются Fe, Si, Cu, Mn, Zn, Ti. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты А999 (99,999 % А1), высокой чистоты А995 (99,995 % А1), А99 (99,99 % А1), А97 (99,97 % А1), А95 (99,95 % А1) и технической чистоты А85, А8, А7, А6, А5, АО (99,0 % А1).

У атома алюминия на внешнем энергетическом уровне находятся три электрона, которые он отдает при химическом взаимодействии. Во всех своих соединениях алюминий имеет степень окисления, равную +3. Он является сильным восстановителем. Алюминий - химически активный металл. В ряду напряжений он располагается до водорода. Алюминий легко соединяется с кислородом уже при обычной температуре. В результате этого его поверхность покрывается окисной пленкой Аl₂O₃, предохраняющей металл от дальнейшего окисления. Толщина пленки составляет 0,00001 мм. Она прочна, тверда и гибка, не отстает при растягивании, сжатии, закручивании и изгибе и придает поверхности металла матовый вид. Благодаря этому металл не разрушается (не корродирует) от влаги и воздуха.

При нормальных условиях алюминий реагирует также с хлором и бромом, а при нагревании взаимодействует с такими неметаллами, как азот, углерод и йод. Сероводород, сернистый газ, аммиак и другие газы, имеющиеся в воздухе, не влияют на коррозию алюминия при комнатной температуре, а пар, дистиллированная и чистая пресная вода – и при высоких температурах.

Большой стойкостью обладает алюминий к органическим кислотам: уксусной, лимонной, винной, пропионовой и яблочной. При обычной температуре алюминий практически не взаимодействует c концентрированными азотной (HNO₃) и серной (H₂SO₄) кислотами. Это связано с образованием на поверхности металла при контакте с ними защитной окисной пленки. Поэтому данные кислоты хранят и перевозят в алюминиевой таре. Однако разбавленная азотная кислота сильно его разрушает. После снятия с поверхности металла защитной оксидной пленки (например, натиранием наждачным порошком), он взаимодействует с хлороводородной - соляной (HCl) и разбавленной (менее 10 %) серной кислотами с вытеснением из них газообразного водорода и формированием соответствующих солей. Также при удалении пленки алюминий будет энергично взаимодействовать с водой с образованием гидроксида и бурным выделение водорода. В отличие от многих металлов на алюминий очень сильно действуют растворы щелочей, их взаимодействие протекает с выделением водорода. Реакция со щелочами протекает благодаря легкости растворения в них оксидной пленки. В связи с этим в алюминиевой посуде или таре нельзя хранить щелочи и щелочные растворы. Алюминий является хорошим восстановителем многих оксидов металлов, т. е. он сам окисляется до своего оксида, а соответствующий металл восстанавливается до свободного состояния. Эти реакции начинаются при высокой температуре и протекают с выделением большого количества теплоты, температура может достигать 2500 - 3000 °С. Метод восстановления оксидов металлов алюминием получил название алюминотермии (или алюмотермии). Он является разновидностью металлотермии.

Физические и химические свойства алюминия обусловили его широкое применение в технике.

В связи с высокой тепло- и электропроводимостью алюминий используют в качестве проводниковых материалов. При одинаковой электропроводности масса их в два раза меньше, чем соответствующие изделия из меди.

По объему производства среди металлов он занимает второе место после железа. Металлический алюминий широко используется в металлургии. Он употребляется при выплавке стали в качестве раскислителя для удаления из нее избыточного кислорода. Алюминий применяют для алюмотермического получения некоторых трудновосстановимых тугоплавких металлов (вольфрама, марганца и хрома), а также щелочных и щелочноземельных элементов (кальция, лития, бария и других).

Технический алюминий употребляется для ненагруженных конструкций, когда требуется значительная пластичность, хорошая свариваемость, сопротивление коррозии и высокая тепло- и электропроводность.

Смесь порошков алюминия и оксидов железа (Fe₂O₃ или Fe₃O₄), имеющая название термит, используется для сварки стальных изделий (трубопроводов, рельсов). При горении термитной смеси протекает реакция с большим выделением теплоты, за счет которой температура может достигать 3500 °С. В этих условиях восстановленный металл получается в жидком состоянии, а на его поверхность всплывает окись алюминия в виде шлака. Широко употребляется термитная сварка рельсов, железных и стальных труб.

Алюминий - пластичный металл, поэтому из него изготавливают тонкую фольгу, используемую в производстве радиотехнических изделий (конденсаторов) и для упаковки товаров. Крупным потребителем алюминия является авиационная промышленность: самолет на 2/3 состоит из алюминия и его сплавов, а авиационный мотор - на 1/4 из его сплавов. Поэтому этот элемент называют «крылатым металлом».

В машиностроении, учитывая коррозионную устойчивость алюминия, из него изготовляют детали аппаратов и тару для азотной кислоты. Корпуса автобусов, троллейбусов, цельнометаллических вагонов делаются из алюминия. B пищевой промышленности из алюминия изготовляют упаковку, посуду. Для туриста лучший чайник алюминиевый, в нем быстрее закипает вода.

Алюминий и его сплавы необходимы для танкостроения, артиллерии, изготовления взрывчатых веществ, осветительных и зажигательных снарядов.

Пудра из алюминия служит в качестве серебристой краски для защиты железных изделий от коррозии.

Однако ввиду низкой прочности и незначительной упрочняемости технически чистый алюминий применяют крайне редко, но широкое использование нашли его сплавы. Поэтому основная масса алюминия идет на производство сплавов.

Алюминиевые сплавы характеризуются высокой удельной прочностью, способностью сопротивляться инерционным и динамическим нагрузкам, хорошей коррозионной стойкостью и технологичностью в обработке. Они служат весьма эффективными заменителями таких чистых металлов, как свинец, медь, олово и цинк. В ряде случаев их успешно используют вместо стали.

Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются Сu, Mg, Si, Mn, Zn; реже - Li, Ni, Ti, Be, Zr. Многие из них образуют с алюминием твердые растворы ограниченной переменной растворимости, промежуточные фазы (интерметаллиды) и химические соединения между собой (CuAl₂, Mg₂Si и др.), Многофазная структура позволяет подвергать алюминиевые сплавы упрочняющей термической обработке.

Алюминиевые сплавы классифицируют по трем основным признакам:

1) по технологии изготовления различают деформируемые, литейные и спеченные сплавы;

2) по способности к упрочнению термообработкой - неупрочняемые термической обработкой и упрочняемые термической обработкой;

3) по служебным свойствам различают сплавы повышенной пластичности, высокопрочные, жаропрочные, коррозионно-стойкие и герметичные (литейные).

Деформируемые алюминиевые сплавы предназначены для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей, труб и др.), а также поковок и штамповок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки.

Это неупрочняемые ТО коррозионно-стойкие cистемы на основе Al - Mn и Al - Mg – магналины (АМг2, АМг6). Они отличаются высокой пластичностью, коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. Обрабатываемость резанием улучшается с увеличением степени легированности сплавов. Их применяют в отожженном, нагартованном и полунагартованном состояниях. Из них изготавливают изделия, получаемые глубокой вытяжкой, сваркой, от которых требуется высокая коррозионная стойкость (трубопроводы для масла и бензина, радиаторы для тракторов и автомобилей, сварные бензобаки, корпуса судов, рамы транспортных средств и др.).

Также сюда относятся упрочняемые ТО сплавы Al – Cu - Mg, называемые дуралюминами, содержащие от 1,4 до 13 % масс меди, а магний в качестве легирующего компонента. Это легкие, прочные и коррозионностойкие сплавы для конструкционных материалов. Однако их сопротивляемость коррозии не очень велика, поэтому их легируют следующими металлами: магнием, марганцем, цинком, хромом, кремнием и др. Высокие прочностные свойства получаются за счет добавления цинка и магния, марганец и хром также способствуют увеличению прочности и, кроме того, усиливают антикоррозионную способность. Также для защиты от коррозии их плакируют чистым алюминием и покрывают тонкой оксидной пленкой анодированием. Используются дуралюмины как конструкционный материал в авиа- и машиностроении.

Марки Д1, Д16, Д18, Д19 и ВД17 характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности.

Упрочняющая термообработка включает в себя закалку и последующее старение. Например, прессованные изделия из сплава Д16 закаливаются с температуры 485 - 503 °С и подвергаются ступенчатому старению: выдержка при 20 °С в течение 96 ч и при 185 - 195 °С – 68 ч. Термообработка существенно повышает прочность дуралюминов.

Применяются дуралюмины для следующих изделий: Д1 – лопастей воздушных винтов, строительных конструкций; Д16 - силовых элементов конструкций самолетов (шпангоуты, нервюры, лонжероны), кузовов грузовых автомобилей и др.

Дуралюмины хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются плавлением из-за высокой склонности к трещинообразованию, удовлетворительно обрабатываются резанием.

Жаропрочные сплавы типа АК4-1 системы Al – Cu – Mg – Fe - Ni по химическому и фазовому составам близки к дуралюминам, но вместо марганца в качестве легирующих элементов содержат железо и никель. Они хорошо деформируются в горячем состоянии, имеют удовлетворительную коррозионную стойкость, хорошо обрабатываются резанием, удовлетворительно свариваются точечной и шовной сваркой. Для улучшения их защиты от коррозии применяют анодирование. Сплав АК4-1 используется для изготовления деталей реактивных двигателей (колеса, диски, заборники, лопатки компрессоров), работающих при температурах 250 - 350 °С.

Сплавы повышенной пластичности и коррозионной стойкости типа АД31, АДЗЗ системы Al – Mg - Si – магналины - упрочняются термообработкой по режиму: температура закалки 520 - 530 °С, искусственного старения 160 - 170 °С, время выдержки 10 - 12 ч. Это сплавы алюминия с магнием (5 - 13 % масс), они стойки к коррозии в морской воде.

Они удовлетворительно соединяются точечной, шовной и аргоно-дуговой сваркой. В закаленном и состаренном состоянии удовлетворительно обрабатываются резанием.

Сплав АД31 применяется в авиастроении для отделки кабин самолетов и вертолетов, а также в строительстве для дверных рам и оконных переплетов, АДЗЗ используется в авиастроении, судостроении и строительстве.

Ковочные сплавы АК6, АК8 системы Al – Mg – Si - Cu обладают хорошей пластичностью и стойкостью к образованию трещин при горячей пластической деформации, хорошо обрабатываются резанием, соединяются точечной и шовной сваркой, а АК8 - аргоно-дуговой. По химическому составу они близки к дуралюминам, отличаются только более высоким содержанием кремния. Упрочняющая термообработка состоит из закалки с температуры 495 - 525 °С и старения при 165 - 175 °C с выдержкой 10 - 12 часов.

Сплав АК6 применяется для изготовления сложных штамповок (крыльчатки вентиляторов, корпусные агрегатные детали и крепежные изделия), а АК8 - для высоконагруженных деталей самолетов, изготовленных ковкой и штамповкой (рамы, пояса лонжеронов и др.).

Высокопрочные алюминиевые сплавы В95, В96 системы Al – Zn – Mg - Cu отличаются высоким пределом прочности (600 - 700 МПа) и текучести (550 МПа). При увеличении содержания цинка и магния их прочность повышается, а пластичность и коррозионная стойкость понижаются (сплав В96). Легирование марганцем и хромом улучшает коррозионную стойкость. Для упрочнения сплавы закаливают с 465 - 475 °С (охлаждение в воде) и подвергают искусственному cтapeнию при 135 - 145 °С в течение 16 ч.

По сравнению с дуралюмином они обладают большей чувствительностью к концентраторам напряжений и пониженной коррозионной стойкостью под напряжением. Для повышения коррозионной стойкости сплавы плакируют сплавом алюминия с 0,9 - 1,3 % Zn.

Высокопрочные сплавы не являются теплостойкими, и при длительной эксплуатации их можно использовать до температур не выше 100 - 120 °С. Они применяются для высоконагруженных конструкций, работающих, в основном, в условиях напряжений сжатия (детали обшивки, стрингеры, шпангоуты, лонжероны самолетов, каркасы строительных сооружений).

Литейные алюминиевые сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и к пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами и сопротивлением коррозии.

Высокие литейные свойства имеют сплавы, содержащие в структуре эвтектику (a + b), которая образуется при содержании легирующих элементов больше предельной растворимости в алюминии. Поэтому их концентрация в литейных сплавах выше, чем в деформируемых. Литейные сплавы систем Al - Si, Al - Cu, Al - Mg дополнительно легируют медью и магнием (Al - Si), кремнием (Аl - Mg), марганцем, никелем, хромом (Al - Cu). Для улучшения механических свойств путем измельчения зерна вводят модифицирующие добавки (Ti, Zr, В и V).

По назначению конструкционные литейные алюминиевые сплавы можно условно разделить на три группы:

1) отличающиеся высокой герметичностью (АЛ2, АЛ4, АЛ9, ВАЛ8, АЛ9-1, АЛ34, АЛ4М и АЛ32);

2) высокопрочные и жаропрочные (АЛ19, АЛЗ, АЛ5, АЛ5-1, АЛЗЗ);

3) коррозионно-стойкие (АЛ8, АЛ22, АЛ24, АЛ27, АЛ27-1).

Прочность большинства литейных сплавов можно повысить термической обработкой, состоящей чаще из закалки и последующего старения.

Конструкционные герметичные сплавы – силумины - на основе систем Al - Si и Al – Si - Mg отличаются высокими литейными свойствами и герметичностью отливок.

Двойные сплавы Al - Si (АЛ2) не упрочняются термической обработкой Их упрочняют модифицированием натрием (0,05 - 0,08 % Na), силумины имеют удовлетворительную коррозионную стойкость. Они хорошо подвергаются литью, из них можно изготавливать тонкостенные и сложные по форме изделия. Эти сплавы используются в автомобиле-, авиа- и машиностроении, производстве точных приборов. Иногда детали дополнительно защищают анодированием.

Сплавы АЛ4, АЛ9 применяют для средних и крупных литых деталей ответственного назначения: корпусов компрессоров, картеров двигателей внутреннего сгорания, колес вентиляторов, АЛ34 предназначен для литья крупных корпусных деталей, сложных по конфигурации и работающих под большим внутренним давлением газа или жидкости.

Марка АЛ32 применяется для литья под давлением нагруженных деталей автомобильных двигателей (блоков цилиндров, головок блоков).

Высокопрочные и жаропрочные сплавы относятся к системам Al - Cu-Mn (АЛ19), Al - Cu (АЛЗ, АЛ5).

Сплав АЛ19 обладает высокими механическими свойствами при низких и высоких температурах, хорошо обрабатывается резанием и сваривается. Применяют его для крупногабаритных отливок, получаемых литьем в песчаные формы. Изделия могут работать при повышенных температурах до 300 °С (предел длительной прочности s= 90 МПа).

У сплава АЛЗЗ отмечаются пониженные литейные свойства и коррозионная стойкость, хорошая обрабатываемость. Он предназначен для изготовления деталей, длительно работающих при температурах до 350 °С.

Марка АЛЗ используется для корпусов арматуры приборов, работающих до 275 °С, а АЛ5 - для головок цилиндров двигателей воздушного охлаждения, деталей агрегатов и приборов, работающих при температуре не выше 250 °С. Коррозионная стойкость сплавов пониженная, детали следует анодировать и защищать лакокрасочными покрытиями. Изделия упрочняются термической обработкой: двухступенчатая закалка (515 °С, 2 – 4 ч + 525 °С, 2 – 4 ч) и старение 175 °С, 3 - 5 ч.

Коррозионно-стойкие сплавы АЛ8, АЛ27 относятся к системе Al-Mg и обладают малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, морской воде и в щелочных растворах. Они хорошо обрабатываются резанием и полируются. Литейные свойства невысокие, но их можно повысить легированием до 1,5% Si. Их упрочняют закалкой с 430 -435 °С, выдержкой 12 - 20 ч и охлаждением в масле.

Недостатком данных сплавов является низкая жаропрочность - уровень рабочих температур не должен превышать 80 °С. Они удовлетворительно свариваются аргоно-дуговой сваркой. Из них изготавливают силовые детали, работающие при температурах от -60 до +60 °С.

Спеченные алюминиевые сплавы являются новым конструкционным материалом, получаемым на основе алюминия. Они нашли применение в ядерном реакторостроении, в авиационной промышленности и ракетно-космической технике.

По составу, технологии получения и применению сплавы подразделяются на две группы:

1) спеченная алюминиевая пудра – САП;

2) спеченный алюминиевый сплав – САС (табл. 12.1).

Таблица. 12.1. Жаропрочные спеченные алюминиевые сплавы

Сплав	А1	Аl2О3, %	Fe, %	Si, %	SiC, %	Ni, %	sв, МПа при 25 °С
САП-1	Основа	6,0 - 9,0	0,25	-	-	-
САП-2	Основа	9,1 - 13,0	0,20	-	-	-
САП-3	Основа	13,1 - 18,0	0,25	-	-	-
САС-1	Основа	-	-	25 - 30	-	5 - 7	22 - 24
САС-4	Основа	-	-	10 - 15	17 - 25	-

В эксплуатации САПы характеризуются высокой жаропрочностью, а САСы - низким коэффициентом линейного расширения и высокой стойкостью против коррозии.

Спеченная алюминиевая пудра представляет собой тонкий порошок алюминия (1 - 3 нм), спрессованный с добавкой от 6 до 18 % тонкого порошка оксида алюминия Al₂O₃. Масса прессуется в брикеты при давлении до 3 МПа и спекается при температуре 450 - 500 °С. В результате получается композиция из частиц алюминия, спеченных тонкой пленкой оксида Al₂O₃. Предел прочности сплавов составляет 180 - 240 МПа. Сплавы допускают горячую обработку давлением, легко обрабатываются резанием, но не свариваются. Высокая жаропрочность позволяет изделиям из них работать при температуре 500 °С с кратковременным повышением температуры до 800 °С. Термическая обработка не требуется.

При работе сплава САП-1 в условиях высокой температуры (500 °С) предел прочности составляет 35 – 50 МПа, а пластичность – 2 – 5 %. Из него делают детали, работающие длительно при 350 – 500 °С и кратковременно при до 700 - 900 °С, а также изделия, функционирующие в тяжелых коррозионных условиях. Сплав имеет хорошую газонепроницаемость.

Спеченный алюминиевый сплав (САС) представляет собой мелкодисперсную порошковую смесь Al -Si- Ni или Al – Si – SiC - Ni.

Порошки брикетируют горячим прессованием при удельном давлении 4 – 9 МПа и температуре 500 - 550 °С. После деформации брикеты охлаждаются на воздухе и термообработкой не упрочняется. Коррозионная стойкость сплавов такая же, как у дуралюминия Д16. Сплав имеет следующие физические свойства: плотность 2,75 г/см³, коэффициент линейного расширения a·10^-6 = 15,9 - 17,0 °С^-1 (при 20 – 300 °С).

Спеченные алюминиевые сплавы применяются для изготовления деталей приборов, работающих при комнатных температурах, материалы которых должны иметь низкий коэффициент линейного расширения и малый удельный вес. Они могут использоваться, например, взамен стали 36НХТ.

Дата добавления: 2014-01-11