Nature опубликовала научную статью, в которой описано создание материала по свойствам похожего на титан, однако гораздо более дешевого.
Титан важен там где необходим небольшой вес и высокая прочность, например в самолетостроении. Однако его существенным недостатком является относительно высокая стоимость.
Алюминий имеет практически такую же массу и в несколько раз дешевле, однако не отличается прочностью. Сталь еще дешевле, и практически такая же крепкая как титан, однако в несколько раз тяжелее.
Для этого требуется железо и углерод, материалы, необходимые для создания стали, алюминий, марганец и никель.
Ключевым является создание в полученном материале интерметаллидов . Это химическое соединение нескольких металлов с фиксированным количеством атомов от каждого из них. В данном случае из никеля и алюминия получают интерметаллид B2, то есть в нем равное количество атомов от обоих металлов.
B2 кристаллы получаются всего пару нанометров толщиной и проникают в структуру стали, придавая ей прочность титана.
Одна из крупнейших компаний по производству стали POSCO уже обратила внимание на исследование и планирует тестовое производство материала в коммерческих масштабах в этом году. Если эксперимент завершится удачно, возможно совсем скоро автомобили будут гораздо более легкими и соответственно более эффективными.
По данным Хансу Ким, с 1995 по 2011 год доля стали в автомобилях в среднем снизилась с 68% до 61%.
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...
На сегодняшний день практическое применение нашли почти все известные человеку металлы и их сплавы. У каждого из них есть свои специфические особенности, которые и определяют сферу их использования в тех или иных отраслях промышленности. Наибольшее распространение получили железо и всевозможные соединения на его основе, а также алюминий и его сплавы. Это можно объяснить, прежде всего, большими природными запасами, а также прекрасными химическими, физическими и механическими характеристиками.
Немного истории
Согласно древней легенде, описанной в трактате «Естественная история» Гая Плиния Старшего, составленной примерно в 77 году н.э., однажды к императору Рима Тиберию подошел незнакомый мастер и сделал ему подарок в виде чаши из серебристого и очень легкого металла. Когда Тиберий спросил его, из чего он ее сделал, тот ответил, что из глины. Удивившись, император приказал умертвить невинного ремесленника и уничтожить его мастерскую, чтобы это изобретение не привело к обесцениванию металлов римской казны. Жаль, что он в то время не смог оценить все перспективы открытия, ведь алюминий и его сплавы в будущем совершили прямо-таки настоящий прорыв.
Почему алюминий и его сплавы так популярны?
Содержание алюминия в земной коре составляет примерно 8,8%, и потому он лидирует в перечне наиболее распространенных металлов. В число его достоинств входит малая плотность (2,7 г/см3), прекрасная коррозийная стойкость, технологичность, хорошая электро- и теплопроводность, довольно высокие прочностные характеристики. Алюминий и его сплавы широко используются в авиации, судостроении, железнодорожном транспорте, автомобилестроении, строительстве, химической и и т.д. характеризуются высокой скоростью обработки. Все это дает отличную возможность применять их почти в любом виде производства.
Основные сплавы на основе алюминия
Соединяя алюминий с легирующими добавками, можно добиться большей прочности и улучшить прочие свойства этого металла. В качестве добавок чаще всего медь, марганец, цинк и магний. Рассмотрим основные сплавы.
или просто дюраль)
Название этого соединения произошло от слова Дюрен - именно так назывался немецкий город, в котором в 1911г. начали производить этот сплав в промышленных масштабах. Получают его добавлением к алюминию меди (2,2 - 5,2 %), магния (0,2 - 2,7%) и марганца (0,2 - 0,1%). После термообработки металл становится очень прочным (статическая прочность достигает 450-500 МПа). Для того чтобы повысить антикоррозийную стойкость, его нередко плакируют алюминием. Используют в качестве в транспортном и авиационном машиностроении.
Магналии
Это различные сплавы алюминия с магнием и прочими элементами (содержание магния - 1-13%). Для них характерна высокая пластичность, хорошая свариваемость и коррозийная стойкость. Используются для изготовления фасонных отливок, проволоки, листов, заклепок и т.д.
Силумин
Это соединение получают, соединяя алюминий с кремнием (содержание кремния - 4-13%). Порой в него добавляют и другие добавки: Be, Ti, Zn, Mg, Mn, Cu. Данный сплав применяется для производства деталей сложной конструкции, в основном в авиа- и автостроении.
Алюминий и его сплавы еще долго будут служить на благо человечества. Доказательство тому новое изобретение - пеноалюминий или, как его еще называют, «металлический поролон». Многие эксперты считают, что у пористого алюминия есть отличные перспективы.
Алюминий применяют для производства из него изделий и сплавов на его основе.
Легирование - процесс введения в расплав дополнительных элементов, улучшающих механические, физические и химические свойства основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, проводимых на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции.
Введение различных легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства.
Прочность чистого алюминия не удовлетворяет современные промышленные нужды, поэтому для изготовления любых изделий, предназначенных для промышленности, применяют не чистый алюминий, а его сплавы.
При различном легировании повышаются прочность, твердость, приобретается жаропрочность и другие свойства. При этом происходят и нежелательные изменения: неизбежно снижается электропроводность , во многих случаях ухудшается коррозионная стойкость , почти всегда повышается относительная плотность . Исключение составляет легирование марганцем, который не только не снижает коррозионную стойкость, но даже несколько повышает ее, и магнием, который тоже повышает коррозионную стойкость (если его не более 3 %) и снижает относительную плотность, так как он легче, чем алюминий.
Алюминиевые сплавы
Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изделий делят на две группы:
1) деформируемые (имеют высокую пластичность в нагретом состоянии),
2) литейные (имеют хорошую жидкотекучесть).
Такое деление отражает основные технологические свойства сплавов. Для получения этих свойств в алюминий вводят разные легирующие элементы и в неодинаковом количестве.
Сырьем для получения сплавов обоего типа являются не только технически чистый алюминий, но также и двойные сплавы алюминия с кремнием, которые содержат 10-13 % Si, и немного отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общее содержание примесей в них 0.5-1.7 %. Эти сплавы называют силуминами . Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. Деформируемые сплавы при нагреве под обработку давлением должны иметь гомогенную структуру твердого раствора, обеспечивающую наибольшую пластичность и наименьшую прочность. Это и обусловливает их хорошую обрабатываемость давлением.
Основными легирующими элементами в различных деформируемых сплавах является медь, магний, марганец и цинк, кроме того, в сравнительно небольших количествах вводят также кремний, железо, никель и некоторые другие элементы.
Дюралюминии - сплавы алюминия с медью
Характерными упрочняемыми сплавами являются дюралюминии - сплавы алюминия с медью, которые содержат постоянные примеси кремния и железа и могут быть легированы магнием и марганцем. Количество меди в них находится в пределах 2.2-7 %.
Медь растворяется в алюминии в количестве 0,5% при комнатной температуре и 5,7% при эвтектической температуре, равной 548 C.
Термическая обработка дюралюминия состоит из двух этапов. Сначала его нагревают выше линии предельной растворимости (обычно приблизительно до 500 C). При этой температуре его структура представляет собой гомогенный твердый раствор меди в алюминии. Путем закалки, т.е. быстрого охлаждения в воде, эту структуру фиксируют при комнатной температуре. При этом раствор получается пересыщенным. В этом состоянии, т.е. в состоянии закалки, дюралюминий очень мягок и пластичен.
Структура закаленного дюралюминия имеет малую стабильность и даже при комнатной температуре в ней самопроизвольно происходят изменения. Эти изменения сводятся к тому, что атомы избыточной меди группируются в растворе, располагаясь в порядке, близком к характерному для кристаллов химического соединения CuAl. Химическое соединение еще не образуется и тем более не отделяется от твердого раствора, но за счет неравномерности распределения атомов в кристаллической решетке твердого раствора в ней возникают искажения, которые приводят к значительному повышению твердости и прочности с одновременным снижением пластичности сплава. Процесс изменения структуры закаленного сплава при комнатной температуре носит название естественного старения.
Естественное старение особенно интенсивно происходит в течение первых нескольких часов, полностью же завершается, придавая сплаву максимальную для него прочность, через 4-6 суток. Если же сплав подогреть до 100-150 C, то произойдет искусственное старение . В этом случае процесс совершается быстро, но упрочнение происходит меньшее. Объясняется это тем, что при более высокой температуре диффузионные перемещения атомов меди осуществляются более легко, поэтому происходит завершенное образование фазы CuAl и выделение ее из твердого раствора. Упрочняющее же действие полученной фазы оказывается меньшим, чем действие искаженности решетки твердого раствора, возникающей при естественном старении.
Сравнение результатов старения дюралюминия при различной температуре показывает, что максимальное упрочнение обеспечивается при естественном старении в течении четырех дней.
Сплавы алюминия с марганцем и магнием
Среди неупрочняемых алюминиевых сплавов наибольшее значение приобрели сплавы на основе Al-Mn и Al-Mg.
Марганец и магний , так же как и медь, имеют ограниченную растворимость в алюминии, уменьшающуюся при снижении температуры. Однако эффект упрочнения при их термообработке невелик. Объясняется это следующим образом. В процессе кристаллизации при изготовлении сплавов, содержащих до 1,9% Mn, выделяющийся из твердого раствора избыточный марганец должен был бы образовать с алюминием растворимое в нем химическое соединение Al (MnFe), которое в алюминии не растворяется. Следовательно, последующий нагрев выше линии предельной растворимости не обеспечивает образование гомогенного твердого раствора, сплав остается гетерогенным, состоящим из твердого раствора и частиц Al (MnFe), а это приводит к невозможности закалки и последущего старения.
В случае системы Al-Mg причина отсутствия упрочнения при термической обработке иная. При содержании магния до 1,4% упрочнения быть не может, так как в этих пределах он растворяется в алюминии при комнатной температуре и никакого выделения избыточных фаз не происходит. При большем же содержании магния закалка с последующим химическим старением приводит к выделению избыточной фазы - химического соединения Mg Al .
Однако свойства этого соединения таковы, что процессы, предшествующие его выделению, а затем и образующиеся включения не вызывают заметногоэффекта упрочнения. Несмотря на это, введение и марганца, и магния в алюминий полезно. Они повышают его прочность и коррозионную стойкость (при содержании магния не более 3%). Кроме того, сплавы с магнием более легкие, чем чистый алюминий.
Другие легирующие элементы
Также для улучшения некоторых характеристик алюминия в качестве легирующих элементов используются:
Бериллий добавляется для уменьшения окисления при повышенных температурах. Небольшие добавки бериллия (0,01-0,05%) применяют в алюминиевых литейных сплавах для улучшения текучести в производстве деталей двигателей внутреннего сгорания (поршней и головок цилиндров).
Бор вводят для повышения электропроводимости и как рафинирующую добавку. Бор вводится в алюминиевые сплавы, используемые в атомной энергетике(кроме деталей реакторов), т.к. он поглощает нейтроны, препятствуя распространению радиации. Бор вводится в среднем в количестве 0,095-0,1%.
Висмут . Металлы с низкой температурой плавления, такие как висмут, свинец, олово, кадмий вводят в алюминиевые сплавы для улучшения обрабатываемости резанием. Эти элементы образуют мягкие легкоплавкие фазы, которые способствуют ломкости стружки и смазыванию резца.
Галлий добавляется в количестве 0,01 - 0,1% в сплавы, из которых далее изготавливаются расходуемые аноды.
Железо. В малых количествах (>0,04%) вводится при производстве проводов для увеличения прочности и улучшает характеристики ползучести. Так же железо уменьшает прилипание к стенкам форм при литье в кокиль.
Индий. Добавка 0,05 - 0,2% упрочняют сплавы алюминия при старении, особенно при низком содержании меди. Индиевые добавки используются в алюминиево - кадмиевых подшипниковых сплавах.
Кадмий. Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности и улучшения коррозионных свойств сплавов.
Кальций придает пластичность. При содержании кальция 5% сплав обладает эффектом сверхпластичности.
Кремний является наиболее используемой добавкой в литейных сплавах. В количестве 0,5-4% уменьшает склонность к трещинообразованию. Сочетание кремния с магнием делают возможным термоуплотнение сплава.
Олово улучшает обработку резанием.
Титан. Основная задача титана в сплавах - измельчение зерна в отливках и слитках, что очень повышает прочность и равномерность свойств во всем объеме.
Применение алюминиевых сплавов
Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов. Последнее свойство в сочетании с тем, что алюминий не разрушает витамины, позволяет широко использовать его в производстве посуды . Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде. Алюминий в большом объеме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию. Алюминий также широко применяется в машиностроении , т.к. обладает хорошими физическими качествами.
Но главная отрасль, в настоящее время просто не мыслимая без использования алюминия - это, конечно, авиация . Именно в авиации наиболее полно нашли применение всем важным характеристикам алюминия
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.