Алюминий и его сплавы

Алюминий — мономорфный металл серебристо-белого цвета с ГЦК решеткой, /пл = 656° С; обладает высокой электро- и теплопроводностью, малой плотностью (γ=2,7 г/см³), коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в морской воде, в уксусной и азотной кислотах и др.; хорошо обрабатывается давлением и сваривается, плохо — резанием, имеет невысокие литейные свойства.

В зависимости от содержания примесей различают алюминий:

Ÿ особой А999 (99,999%А1),

Ÿ высокой А99 (99,99% А1) и

Ÿ технической чистоты А9 (99,9% А1), А7 (99,7% А1), АО (99% А1) и др.

Примеси, понижая физико-химические свойства и пластичность алюминия, повышают его прочность и твердость. Используют алюминий в качестве проводникового материала.

Широкое применение нашли алюминиевые сплавы, обладающие высокой способностью сопротивляться инерционным и динамическим нагрузкам и высокой, почти как у высокопрочных сталей, удельной прочностью (σ_в/γ); σ_в = 500...700 МПа при γ = 2,85 г/см.

По способу производства изделий алюминиевые сплавы подразделяются на:

Ÿ деформируемые,

Ÿ литейные и

Ÿ спеченные.

К деформируемым относятся дуралюмины, ковочные и высокопрочные алюминиевые сплавы.

Дуралюмины (Д1...Д16) содержат 3,8...4,9% меди (основной легирующий элемент), магний и марганец. С ростом номера увеличивается количество магния, упрочняющего сплав. Добавки титана тоже повышают прочность дуралюминов.

Алюминий ковочный содержит медь, магний, марганец и кремний. Из этого высококачественного сплава изготовляют штамповки и поковки сложной формы. Сплавы АК.1, АК.5, АК.8 применяют для изделий, работающих при температурах ниже 100 °С. Жаропрочные (до 300 °С) сплавы содержат никель, железо, титан, образующие сложные интерметаллиды, затрудняющие рекристалли­зацию сплавов.

А в и а л и АВ обладают хорошей свариваемостью, высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, высоким пределом вынос­ливости. Прочность авиалей ниже, чем дуралюминов. Из них из­готовляют листы, трубы и прочие полуфабрикаты, лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери и т. д.

Высокопрочные алюминиевые сплавы В, кроме меди и магния, содержат цинк. Наличие интерметаллидов придает им высокую прочность (σ_в= 500...700 МПа). Сплавы В95 и В96 применяются в самолетостроении для нагруженных конструкций, длительно работающих при температуре не выше 20...100°С.

По сравнению с дуралюминами высокопрочные сплавы обладают рядом недостатков:

1) чувствительностью к концентраторам напряжений,

2) пониженными усталостной прочностью и коррозионной стойкостью под напряжениями.

Но марки вышеперечисленных сплавов могут упрочняться термообработкой (см. гл. 6).

Деформируемые, не упрочняемые термообработкой сплавы с марганцем АМц (до 1,6% Мn) или магнием АМг (до 0,8% Мn и 5,8% Mg) упрочняются нагартовкой. Из них изготовляют сварные и клепаные элементы конструкций, не испытывающих больших нагрузок, но работающих в агрессивных средах. Так, сплавы AM, АМг2, АМг3 применяются для изготовления трубопроводов, перегородок, палубных надстроек судов и т. д. Более нагруженные детали и конструкции (рамы и кузова вагонов, корпуса и мачты судов и др.) изготовляют из сплава АМг5.

Литейные сплавы отличаются хорошей жидкотекучестью, малой усадкой, достаточно высокими механическими свойствами.

Лучшими литейными свойствами обладают силумины АЛ — легкие литейные сплавы системы Al — Si на основе алюминия, содержащие кремнии и другие элементы. Применяют сплавы, содержащие 5...14% Si, в структуре которых присутствует эвтектика, улучшающая литейные свойства.

Свойства силуминов зависят от химического состава, технологии изготовления и термостойкости. Так, магний, медь, марганец и титан повышают твердость и прочность, марганец — коррозионную стойкость, медь — обрабатываемость резанием, а медь и магний придают способность упрочняться при термообработке. Модифицирование натрием повышает на 30...50% прочность и в 3...10 раз пластичность силуминов. Из силуминов изготовляют литые детали приборов, фасонное литье, корпуса трубонасосных агрегатов и др.

Среди спеченных сплавов различают сплавы стандартного состава САС, полученные из порошков, и сплавы САП из спеченной алюминиевой пудры.

Спеченные сплавы получают:

Ÿ распылением расплавленных алюминия, легирующих элементов и сплавов заданного состава,

Ÿ прессованием порошков и

Ÿ спеканием.

Среди порошковых сплавов САС можно назвать сплавы марок Д16П, АК4П. Они обладают более мелкозернистой структурой с равномерным распределением фаз, не имеют типичных литейных дефектов (ликвации, шлаковых включений и т. д.), что обусловливает их более высокую длительную прочность при температуре 250...350 °С. Получают и другие САС.

Сплавы САП получают распылением жидкого алюминия марки А97. Особенность технологии заключается в том, что пудра размельчается в атмосфере азота с добавлением 2...3% кислорода и 0,25... 1,2% стеариновой кислоты для предотвращения сваривания частиц. На поверхности вновь образующихся чешуек пудры (их толщина менее 1 мкм) сразу же появляется тонкая пленка глинозема А1₂О₃. САПы имеют двухфазную структуру: твердые дисперсные включения А1₂О₃ и мягкая матрица. Чем больше глинозема содержится в порошке, тем выше прочность, твердость и жаропрочность сплава. Из всех алюминиевых сплавов САПы самые жаропрочные — они выдерживают длительную нагрузку при температуре 450 °С (жаропрочные сплавы марок Д21, АК4—1 и другие при температуре выше 350 °С длительно работать не могут). Это объясняется нерастворимостью в алюминии и неспособностью к росту тонкодисперсных частиц глинозема.

Сплавы САП довольно хорошо деформируются, легко обрабатываются резанием, обладают высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью. Благодаря своим свойствам эти сплавы нашли широкое применение в самолето- и судостроении, в атомных реакторах, в электротехнической и химической промышленности. Из них изготовляют поршневые штоки, лопатки компрессоров, обмотки электродвигателей, теплообменники, вентили управляющей системы реактивных двигателей и др.