» » Алюминий и его сплавы
13.05.2015

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.
Алюминий и его сплавы

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.
Алюминий и его сплавы

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.
Алюминий и его сплавы

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.
Алюминий и его сплавы

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).
Алюминий и его сплавы

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.
Алюминий и его сплавы

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.
Алюминий и его сплавы