Алюминий и его сплавы

       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/см³, 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 А1₂О₃ 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 FeAl₃. 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 -- -- t₀), 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

 

       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  Т₂; 
б) закалки и искусственного старения при Т₃(справа – схематическое изображение)

       Структура сплава АМц состоит из a -твердого раствора марганца в алюминии и вторичных выделений фазы MnAl₆ (рис. 3). В присутствии железа вместо MnAl₆ образуется сложная фаза (MnFe)Al₆, 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.

       Сплавы  систем А1 – Мn и А1 – Mg используются в отожженном, нагартованном и полунагартованном состояниях. В промышленных сплавах магний содержится в пределах от 0,5 до 12 – 13 %, сплавы с низким содержанием магния обладают наилучшей способностью к формообразованию, сплавы с высоким содержанием магния имеют хорошие литейные свойства (табл. 5).

Таблица 5

Сплавы  литейные на основе системы Al – Mg

 

       На  судах из сплавов этой группы изготовлены  спасательные боты, шлюпбалки, забортные  трапы, дельные вещи и т.п.

       3. Деформируемые алюминиевые  сплавы,упрочняемые термической обработкой

       К этой группе сплавов относятся сплавы высокой и нормальной прочности. Составы некоторых деформируемых  термически упрочняемых сплавов  приведены в таблице 6. Типичными  деформируемыми алюминиевыми сплавами являются дуралюмины (маркируют буквой Д) – сплавы системы А1 – Сu – Mg. Очень упрощенно процессы, проходящие при упрочняющей термической обработке дуралюмина можно рассмотреть, используя диаграмму Al – Сu (рис. 5).