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 А12
О3
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
= tn
-- -- 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
| Обозначение марок |
Химический состав, % |
Сумма примесей |
|
| Прочие примеси Каждая в отдельности |
|||
| Алюминий высокой чистоты |
|||
| АДоч АДч |
0,001 0,005 |
0,020 0,05 |
|
| Алюминий технической чистоты |
|||
| АД000 АД00 АД0 АД1 АД |
0,02 0,02 0,02 0,05 0,05 |
0,20 0,30 0,50 0,70 1,2 |
|
Таблица 2
Алюминий первичный
| Обозначение марок |
Химический состав, % |
||
| Алюминий, не менее |
Примесей не более, сумма |
||
| Алюминий особой чистоты |
|||
| А 999 |
99,999 |
0,001 |
|
| Алюминий высокой чистоты |
|||
| А 995 А 99 А 95 |
99,995 99,99 99,95 |
0,005 0,010 0,05 |
|
| Алюминий технической чистоты |
|||
| А 85 А 8 А 7 А 5 А 0 |
99,85 99,8 99,7 99,5 99,0 |
0,15 0,20 0,30 0,50 1,00 |
|
Таблица 3
Механические свойства алюминия различной чистоты в отожженном состоянии
| Чистота, % |
σ0,2
|
σb
|
HB, МПа |
δ,% |
| 99,99 99,8 99,5 |
22 25 28 |
49 61 70 |
84 – 112 133 126 – 175 |
45,5 38,5 31,5 |
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 обл
Таблица 5
Сплавы литейные на основе системы Al – Mg
| Группа сплава |
Марка сплава (старое обозначение) |
Массовая доля, % основных компонентов |
Примесей не более железа |
|||
| Mg |
Zr |
Be |
Ti |
|||
| IV (Сплавы на основе системы Al - Mg |
AМг6л (АЛ23) АМг10 (АЛ27) АМг11 (АЛ22) АМг7 (АЛ29) |
6,0 – 7,0 9,5 – 10,5 10,5 – 13,0 6,0 – 8,0 |
0,05 – 0,2 0,05 – 0,2 Si-0,8 – 1,2 Si-0,5 – 1,0 |
0,02 – 0,1 0,05 – 0,15 0,03 – 0,07 Mn-0,4 |
0,05 – 0,15 0,05 – 0,15 0,05 – 0,15 – |
0,2 0,2 1,2 0,9 |
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).
Таблица 6.
Состав некоторых деформируемых термически упрочняемых сплавов
| Обозначение марок |
Химический состав, % |
Название сплава |
|||||||
| Буквенное |
Цифровое |
Медь |
Магний |
Марганец |
Zn |
Ni |
Fe |
Si |
|
| Д1 Д16 АК8 В95 |
1110 1160 1380 1950 |
3,8 – 4,8 3,8 – 4,9 3,9 – 4,8 1,4 – 2,0 |
0,4 – 0,8 1,2 – 1,8 0,4 – 0,8 1,8 – 2,8 |
0,4 – 0,8 0,3 – 0,9 0,4 – 1,0 0,2 – 0,6 |
0,3 0,3 0,3 6,0 |
0,1 0,1 0,1 Cr-0,1 |
0,7 0,5 0,7 0,5 |
0,7 0,5 0,6 – 1,2 0,5 |
Дуралюмин Супердуралюмин Ковочный сплав Высокопрочный сплав |
Рис. 4. Диаграмма состояния “алюминий – магний”
Рис. 5. Фрагмент диаграммы состояния “алюминий – медь”:
Т1
– температура оплавления; Т2
– температура закалки; Т3
– температура искусственного старения.
Рис. 7. Диаграмма состояния “алюминий – кремний”:а) общий вид; б) после введения модификатора.
При закалке, которая заключается в нагреве сплава выше линии переменной растворимости, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении, фиксируется структура пересыщенного a – твердого раствора (светлый фон на рис. 6а) и нерастворимых включении железистых и марганцовистых соединений (темные включения). Сплав в свежезакаленном состоянии имеет небольшую прочность s6
=
30 кгc/мм3
(300 МПа); d =
18 %; твердость НВ75.
Пересыщенный твердый раствор неустойчив. Наивысшая прочность достигается при последующем старении закаленного сплава. Искусственное старение заключается в выдержке при температуре 150 – 180 °С. При этом из пересыщенного a – твердого раствора выделяются упрочняющие фазы CuAl2
, CuMgA2
, и др. Микроструктура состаренного сплава представлена на рис. 6б. Она состоит из твердого раствора и включений различных вышеперечисленных фаз.
4. Литейные алюминиевые сплавы
Действующий в настоящее время стандарт на алюминиевые сплавы (ГОСТ 1583-89) предусматривает их деление на 5 групп: I – сплавы на основе системы А1 – Si – Мg II – сплавы на основе системы Al – Si – Сu III – сплавы на основе системы Al – Сu IV – сплавы на основе системы Al – Mg V – сплавы на основе системы алюминий – прочие компоненты.
В таблице 7 приведены некоторые марки сплавов этой группы и их химический состав.
Характерным представителем алюминиевых литейных сплавов являются силумины – это сплавы алюминия с кремнием, обычно содержащие 10 – 13 %Si (AK12) (рис. 7).
Микроструктура литых доэвтектических силуминов состоит из светлых дендритов a - твердого pacтворa кремния в алюминии и двойной эвтектики a + Si игольчатого типа, рис. 8в (т.к. растворимость Al в Si при комнатной температуре составляет 0,05 % , допустимо считать, что в структуре сплавов при низких температурах присутствует не b -твердый раствор, а кремний).
Рис. 8. Микроструктура силуминов (справа – схематическое изображение):а) доэвтектический, б) эвтектический в) заэвтектический, г) модифицированный.
Микроструктура сплава эвтектического состава состоит из эвтектики a + Si. При обычном способе литья эта эвтектики имеет грубое строение (рис. 8б). Кремний в ней находится в виде грубых игл. В силуминах заэвтектического состава первично кристаллизуются многогранные кристаллы Si светло-серого цвета (рис. 8в). Кремний хрупок, поэтому силумины имеют низкие механические свойства (s b
= 120 – 160 МПа, d =
1 – 2 %). Чтобы избавиться от грубой эвтектики и первичных кристаллов, сплавы модифицируют, т.е. перед разливкой в расплав вводят небольшое количество натрия (0,05 – 0,08 % к массе сплава) или кальция, бора. В результате модифицирования (рис. 7 – пунктир) увеличивается концентрация кремния в эвтектике (с 11,7 % до 15 %) и сплавы переохлаждаются относительно равновесно эвтектической температуры 577 °С. Силумины заэвтектического состава, содержащие 11,7 – 15 % Si, становятся доэвтектическими, и в их структуре вместо первичных хрупких кристаллов кремния имеются дендриты пластического a -твердого раствора (рис. 8г). Переохлаждение приводит к формированию в структуре мелкозернистой эвтектики.
Модифицирование улучшает не только механические свойства силуминов (s b
=
170 – 200 MПа, d = 3 – 5 %), но и литейные. Модифицированные силумины хорошо свариваются и имеют высокую коррозионную стойкость. Для повышения прочности двойные силумины легируют магнием, медью и подвергают термической обработке.По назначению конструкционные литейные алюминиевые сплавы условно делятся на следующие группы:
1) сплавы, отличающиеся высокой герметичностью (АК12, АК8);
2) высокопрочные жаропрочные сплавы (АМ5, АК5М);
3) коррозионно-стойкие сплавы (АМг10; АЦ4Мг).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Алюминий широко применяется в строительстве и архитектуре. В большинстве промышленно развитых стран на эти цели расходуется 20% запасов алюминия. Авиация, железнодорожный и автомобильный транспорт потребляют 25%,а электротехника — около 15%.В последнее время быстро возрастает расход алюминия на изготовление тары и упаковки—сегодня он уже достиг 10—15%.Увеличивается значение алюминия и в производстве товаров широкого потребления: по оценкам, его доля здесь также составляет 10—15%. В связи с этим быстро растет и абсолютный объем производства и потребления алюминия.
Алюминий стоит на втором месте по масштабу производства после железа. Использование алюминия происходит как в различных отраслях промышленности, так и в быту. Алюминий применим в пищевой и химической промышленности, потому что ему не характерно взаимодействие с органическими кислотами, концентрированной азотной кислотой и продуктами пиши. Алюминий используют для производства тары, упаковочного материала, емкостей и пр. Алюминий также широко распространен в строительстве, электротехнике, криогенной технике авто- и вагоностроении.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. ГОСТ 4784-97.Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки
2. ГОСТ 1583-93 Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия
3. ГОСТ 11069-74 Алюминий первичный. Марки
4. Добаткин В. И., Слитки алюминиевых сплавов, Свердловск, 1960:
5. Фридляндер И. Н., Высокопрочные деформируемые алюминиевые сплавы, М., 1960;
6. Колобнев И. Ф., Термическая обработка алюминиевых сплавов, М., 1961;
7. Альтман М. Б., Лебедев А. А., Чухров М. В., Плавка и литье сплавов цветных металлов, М., 1963;
8. Воронов С. М., Металловедение легких сплавов, М., 1965;