13. Алюминий и его сплавы. Старение алюминиевых сплавов, маркировка, применение
Алюминий (лат. Аluminium, химический символ Al, III группа периодической системы Менделеева, атомный номер 13, атомная масса 26,9815) — мягкий, легкий, серебристо-белый металл, быстро окисляющийся, удельная плотность 2,7 г/ см³, температура плавления 660 °C. По распространенности в земной коре алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния среди всех атомов и 1-е место — среди металлов. В природе представлен лишь одним стабильным нуклидом 27Al. Искусственно получен ряд радиоактивных изотопов алюминия, наиболее долгоживущий – 26Al имеет период полураспада 720 тысяч лет.
Алюминий - наиболее распространенный металл на земле, а по распространенности всех элементов в земной коре он занимает третье место. На его долю приходится 8% состава земной коры. Бокситная руда в настоящее время является главным сырьем для получения алюминия. Ежегодно в мире добывают от 80 до 90 млн. тонн бокситной руды. Почти 30% этого колличества добывают в Австралии и еще 15% на Ямайка. При нынешнем уровне мирового производства алюминия разведанных на земле запасов бокситов достаточно, чтобы обеспечивать потребности в алюминии еще несколько сотен лет.
Алюминий имеет наиболее разносторонние применения из всех металлов. Он широко используется в транспортном машиностроении, например для конструирования самолетов, судов, автомобилей. В химической промышленности алюминий используется в качестве восстановителя, в строительной промышленности - для изготовления оконных рам и дверей, а в пищевой промышленности - для изготовления упаковочных материалов. В быту он используется в качестве материала для кухонной посуды и в виде фольги для хранения пищевых продуктов.
Поставляется в виде:
алюминия первичного марок А999(99,99%алюминия и суммы примесей не более 0,0001%), А995, А99;97 и т.д.;
алюминиевых порошка, пудры, фольги;
алюминиевых сплавов, таких как:
силумин — сплав алюминия и кремния(СИЛ);
дюралюмин (дюраль) — сплав алюминия с медью и марганцем (Д16, Д16Т);
магналий — сплав алюминия с марганцем (АМц);
сплавы алюминия с магнием (АМг).
В зависимости от назначения алюминиевые сплавы подразделяют:
литейные;
деформируемые — до 80% всего выпуска алюминиевых сплавов.
Деформируемые алюминиевые сплавы поставляются в виде листового проката (преимущественно), фасонного профиля, сортовых прутков , проволоки и труб (в основном прессованных).
Сплавы алюминия типа АМц, АМг2, АМг6 отличаются высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью. Сплавы производятся в отожженном, нагартованном и полунагартованном состоянии , термообработкой не упрочняются. Используются они для изготовления трубопроводов для масла и бензина, радиаторов тракторов и автомобилей, сварных бензобаков, заклепок, корпусов мачт и судов и т.д.
Сплавы на основе алюминия
В качестве конструкционного материала обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе. Нумерация серий сплавов в данной статье приведена для США (стандарт маркировки компании Alcoa)
Алюминиево-магниевые Al-Mg (серия 5ххх). Сплавы системы Al-Mg характеризуются сочетанием удовлетворительной прочности, хорошей пластичности, очень хорошей свариваемости и коррозионной стойкости. Кроме того, эти сплавы отличаются высокой вибростойкостью.
В сплавах этой системы, содержащих до 6 % Mg, образуется эвтектическая система соединения Al3Mg2 c твердым раствором на основе алюминия. Наиболее широкое распространение в промышленности получили сплавы с содержанием магния от 1 до 5 %. Рост содержания Mg в сплаве существенно увеличивает его прочность. Каждый процент магния повышает предел прочности сплава на 30 МПа, а предел текучести — на 20 МПа. При этом относительное удлинение уменьшается незначительно и находится в пределах 30…35 %. Сплавы с содержанием магния до 3 % (по массе) структурно стабильны при комнатной и повышенной температуре даже в значительно нагартованном состоянии. С ростом концентрации магния в нагартованном
состоянии структура сплава становится нестабильной. Кроме того, увеличение содержания магния свыше 6 % приводит к ухудшению коррозионной стойкости сплава. Для улучшения прочностных характеристик сплавы системы Al-Mg легируют хромом, марганцем, титаном, кремнием или ванадием. Попадания в сплавы этой системы меди и железа стараются избегать, поскольку они снижают их коррозионную стойкость и свариваемость.
Алюминиево-марганцевые Al-Mn (серия 3ххх). Сплавы этой системы обладают хорошей прочностью, пластичностью и технологичностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.
Основными примесями в сплавах системы Al-Mn являются железо и кремний. Оба этих элемента уменьшают растворимость марганца в алюминии. Для получения мелкозернистой структуры сплавы этой системы легируют титаном. Присутствие достаточного количества марганца обеспечивает стабильность структуры нагартованного металла при комнатной и повышенной температурах.
Алюминиево-медные Al-Cu (Al-Cu-Mg) (серия 2ххх). Механические свойства сплавов этой системы в термоупрочненном состоянии достигают, а иногда и превышают, механические свойства низкоуглеродистых сталей. Эти сплавы высокотехнологичны. Однако у них есть и существенный недостаток — низкое сопротивление коррозии, что приводит к необходимости использовать защитные покрытия.
В качестве легирующих добавок могут встречаться марганец, кремний, железо и магний. Причем наиболее сильное влияние на свойства сплава оказывает последний: легирование магнием заметно повышает предел прочности и текучести. Добавка кремния в сплав повышает его способность к искусственному старению. Легирование железом и никелем повышает жаропрочность сплавов второй серии. Нагартовка этих сплавов после закалки ускоряет искусственное старение, а также повышает прочность и сопротивление коррозии под напряжением.
Сплавы системы Al-Zn-Mg (Al-Zn-Mg-Cu) (серия 7ххх). Сплавы этой системы ценятся за очень высокую прочность и хорошую технологичность. Представитель системы — сплав 7075 является самым прочным из всех алюминиевых сплавов. Эффект столь высокого упрочнения достигается благодаря высокой растворимости цинка (70 %) и магния (17,4 %) при повышенных температурах, резко уменьшающейся при охлаждении.
Однако существенным недостатком этих сплавов является крайне низкая коррозионная стойкость под напряжением. Повысить сопротивление коррозии сплавов под напряжением можно легированием медью. Нельзя не отметить открытой в 60-е годы закономерности: присутствие лития в сплавах замедляет естественное и ускоряет искусственное старение. Помимо этого, присутствие лития уменьшает удельный вес сплава и существенно повышает его модуль упругости. В результате этого открытия были разработаны новые системы сплавов Al-Mg-Li, Al-Cu-Li и Al-Mg-Cu-Li.
Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.
Комплексные сплавы на основе алюминия: авиаль.
Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 кельвина.
Старение алюминиевых сплавов -одна из термообработок алюминиевых сплавов
При старении происходит распад пересыщенного твердого раствора. При старении в сплавах А1-Сu протекают следующие процессы.
1. При температуре 20В° С (естественное старение) и при температурах до 100В°С (искусственное старение) в пересыщенном твердом растворе возникают области (тонкопластинчатой, дискообразной формы), обогащенные атомами меди, названные зонами Гинье-Престона и обозначаемые Г. П., а для данного начального процесса Г. П. 1. Эти зоны имеют толщину 5-10 А и диаметр 40-100 А. Структура их неупорядоченная, как и твердого раствора. Образование зон Г. П. 1 сопровождается искажением кристаллической решетки (рис. 125), что приводит к повышению механических свойств сплава.
2. При температурах 100-150В° С происходит рост зон Г. П. 1 до толщины 10-40 А и диаметра 200-300 А, обогащение атомами меди до состава, близкого к составу стабильной фазы θ" (СuА12). Структура образующихся зон становится упорядоченной. Такие зоны называются зонами Г. П. 2 или фазой θ", и их наличие обусловливает максимальную прочность сплава.
3. При температурах 150-200В° С образуется метастабильная промежуточная фаза θ', имеющая такой же состав, как равновесная θ-фаза (СиА12). Но выделения θ'-фазы не имеют границ раздела с зернами твердого раствора, т. е. когерентно связаны с решеткой алюминия. Таким образом, появление зон Г. П. 1 и Г. П. 2 - это подготовительные стадии к началу распада твердого раствора (выделению избыточной фазы), а образование θ'-фазы - начало распада твердого раствора (выделение избыточной фазы).
4. При температурах 200-250В° С решетка О-фазы отрывается от решетки твердого раствора (когерентность полностью нарушается) и оформляется в решетку, соответствующую соединению СиАl8 (θ'-фаза).
5. Дальнейшее повышение температуры приводит к коагуляции выделившейся θ-фазы, резкому снижению прочности и повышению пластичности.
Маркировка алюминиевых сплавов
Как правило, маркировка алюминиевых сплавов представлена российскими стандартными обозначениями и международной товарной аббревиатурой стандарта ISO, выражающейся в номерах серий. Обычно используемые сокращения включают в себя буквы, обозначающие категорию сплава и легирующие элементы с количественным составом в процентах. Кроме того, маркировка может указывать на классификацию легированного сплава в соответствии с производством и применением.
Так, дюралюминий обозначается буквой «Д» с последующим указанием процентной чистоты сплава в процентах. Металл под маркировкой Д1 – это обыкновенный дюраль для широкого использования, алюминий Д16 и Д6 отличается более высоким содержанием меди и магния соответственно. Для поковки и штамповки используют стандартный дюралюминий, обозначаемый АК1, и аналогичные алюминиевые сплавы, маркируемые аббревиатурой АК5, АК6 и АК8. Дюралюминиевые сплавы повышенной прочности маркируют буквой «В», например, В95, В96, В93 и активно используют в самолётостроении. В этих металлах преобладают цинковые включения (до 7% от общего объёма), что обеспечивает необходимый запас твёрдости внутренней структуры и поверхности.
Литейные сплавы имеют маркировку «АЛ» с последующей цифрой, обозначающей номер марки в ГОСТе. АЛ2 – это нормальные силумины, АЛ4 и АЛ9 – это литейные сплавы с минимальным количеством кремния и повышенным содержанием магния и марганца. Аббревиатурами АЛ3, АЛ5, АЛ6 обозначаются алюминиевые сплавы, легированные медью, которые характеризуются слабыми литейными свойствами, но одновременно выгодно отличаются отличной способностью к любой механической обработке. Маркировкой АЛ11 обозначают литейный сплав с цинковой присадкой, который используют при отливке деталей сложной конфигурации. Литейный алюминиевый сплав АЛ7 применяется для изготовления небольших деталей путём литья, которые впоследствии подвергаются активной механической обработке. Сплав АЛ12 имеет ярко выраженную склонность к точному фасонному литью, однако механическая обработка деталей из этого металла нецелесообразна. Обозначением АЛ8 маркируют заготовки из алюминиевого сплава, созданного на основе химической пары AL-Mg, так называемого магналия, отличающегося высокой прочностью, плотностью и химической пассивностью.
Антифрикционные сплавы на основе алюминия и меди обозначаются буквой «А» с последующим указанием дополнительных легирующих элементов и процентного состава меди через дефис, например АН-2,0 означает, что данный антифрикционный сплав содержит никель и 2% меди. Из него изготавливают профильные алюминиевые трубы и другой металлопрокат, а также конструкции промышленного назначения.
В зависимости от производителя алюминиевые сплавы могут маркироваться по аналогии с нержавеющим прокатом с указанием сокращений названий легирующих элементов. Например, маркировка АК6М1 указывает, что данный металл включает в себя 6% кремния и 1% меди. В этом случае таблица обозначения металлов в российской маркировке полностью соответствуют общепринятым стандартам – «Ц» - цинк, «Т» - титан, «Н» - никель, «К» - кремний и т.д. Технический деформируемый алюминий без примесей маркируется двумя буквами «АД» с указанием степени очистки, выражаемой в двух маленьких буквах («оч» - очень чистый и т.д.). В аббревиатуру технического алюминия могут включаться обозначения легирующих элементов. Цифры после маркировки АД также обозначают процентную чистоту сплава в процентах. Например марка АД31 соответствует алюминию с чистой 31%.
Для сплавов прошедших термическую обработку используют следующие буквенно-цифровое обозначение после основной маркировки:
П - полуфабрикат (сплавы для холодной штамповки из проволоки);
Р - рафинированный (содержание натрия < 0.0015%);
М - мягкий отожженный;
Н - нагартованный;
Н1 - нагартованный на одну четверть;
Н2 - нагартованный на одну вторую;
Н3 - нагартованный на три четверти;
Т - закаленный и естественно состаренный;
Т1 - закаленный и искусственно состаренный на максимальную прочность;
Т2, Т3 - режимы искусственного старения, обеспечивающие перестаривание материала (режимы смягчающего искусственного старения);
Т5 - закалка полуфабрикатов с температуры окончания горячей обработки давлением и последующее искусственное старение на максимальную прочность;
T7 - закалка, усиленная правка растяжением (1,5-3 %) и искусственное старение на максимальную прочность.
Буква «Ш» указывает на алюминиевые сплавы для пищевой промышленности, а «АВ» - на авиали, группа авиационных сплавов системы алюминий-магний-кремний.
Старая маркировка предусматривает цифровое четырехзначное обозначение. Первая цифра указывает на основу сплава. Алюминий и материалы на его основе маркируются цифрой 1. Вторая цифра обозначает основные легирующие элементы. Различным маркам алюминия соответствует цифра 0, добавкам из меди и магния – цифра 1, только меди – цифра 2, примесям магния и кремния – цифра 3, литию и малорастворимым компонентам – цифра 4, магнию (магналии) – цифра 5, элементам цинк и магний (+медь) – цифра 9. Последние две цифры обозначают порядковый номер алюминиевого сплава. Дополнительная информация последней цифры – четная для литейных сплавов, а нечетная для деформируемых.
Американская маркировка заключается в указании серий, которые подразделяются в соответствии с химическим составом алюминиевого сплава – 2ХХ – медноалюминиевый сплав, 3ХХ – магниевые и медные авиали, 4ХХ – силумины и т.д.
Маркировку алюминиевых сушек осуществляют с помощью различных красок и геометрических фигур, символизирующих тот или иной сплав.
Некоторые алюминиевые сплавы по прочности и износостойкости вполне сопоставимы с аналогичными характеристиками высоколегированной нержавеющей стали. А природные антикоррозийные свойства и низкий удельный вес являются серьёзными конкурентными преимуществами литейных и деформированных алюминиевых сплавов. Наличие внушительной номенклатуры этой группы металлов, некоторые позиции которой были перечислены выше, позволяет подбирать оптимальный материал для решения конкретных задач.
Применение алюминиевых сплавов
Широкое применение алюминия в промышленности, прежде всего, связано с его большими природными запасами, а также совокупностью химических, физических и механических характеристик. Алюминий по содержанию в земной коре ( ~8 % ) является одним из самых распространенных металлов. К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность ( 2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропровод-ность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов.
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.
Применяют в : авиации, судостроении, железнодорожном транспорте, автомобильном транспорте, строительстве, нефтяная и химическая промышленность.