1. Алюминий и его сплавы.

Алюминий и его сплавы

Материалы на основе алюминия используются в тех случаях, когда необходимо сочетание малой плотности, достаточной пластичности, хорошей технологичности, коррозионной стойкости.

Температура плавления чистого алюминия 660°С. Кристаллическая решетка ГЦК.

Для алюминия характерны следующие свойства:

- малая плотность (2,7 г/см3), позволяющая использовать сплавы в конструкциях приборов в тех случаях, когда нет специальных требований к большой прочности и твердости,

- высокая пластичность, характерная для материалов с ГЦК решеткой,

- высокая коррозионная стойкость при температурах меньше 500°С за счет присутствия плотной пленки оксида Al₂O₃,

- слабый парамагнетизм, вызванный участием в создании суммарного магнитного момента  электронов электронного газа,

- высокая хладостойкость, так как сплавы с ГЦК решеткой не имеют порога хладоломкости,

- возможность упрочнения термической обработкой некоторых алюминиевых сплавов,

- хорошая теплопроводность, связанная с высокой электропроводностью, облегчающая перераспределение тепла в объеме деталей.

К особенностям алюминия как конструкционного материала следует отнести:

-      невысокий модуль упругости (E~70 ГПа), вынуждающий увеличивать габариты деталей для обеспечения необходимой жесткости, однако удельный модуль упругости (2600 км), позволяет алюминиевым сплавам конкурировать со сталью,

-      большой коэффициент теплового расширения (24∙10^-61/К),

-      необходимость применения защитных атмосфер при получении изделий методом сварки из-за высокой химической активности алюминия,

-      относительно низкая прочность, однако удельная прочность некоторых сплавов сопоставима с удельной прочностью сталей.

Технический алюминий

Технический алюминий (как и сплавы алюминия) содержит примеси, основными из которых являются железо и кремний.

Железо является наиболее вредной примесью, так как, не растворяясь в алюминии,  образует соединение Al₂Fe в виде острых игл, являющихся концентраторами напряжений. Кроме этого присутствие железа снижает коррозионную стойкость алюминия.

Кремний растворяется при нормальных условиях до 0,1%, несколько упрочняет алюминий, мало влияя на пластичность, но совместное присутствие железа и кремния приводит к образованию хрупких соединений (Al-Fe-Si).

Алюминий обладает высокой пластичностью, но малой прочностью даже после деформационного упрочнения, поэтому для его применения в качестве конструкционного материала производят легирование. Маркировка технического алюминия: А0 - 1% примесей, А5 содержит 0,5% примесей, А7 - 0,3%, А85 - 0,15%.

Конструкционные алюминиевые сплавы

Введение в алюминий легирующих элементов призвано повысить прочность при возможном сохранении пластичности.

Сплавы, не упрочняемые термической обработкой

Сплавы алюминия с марганцем.

Марганец вводится в алюминий от 1 до 1,6%. Растворимость Mn (атомы замещения) в Al изменяется от 0,05% при 0°С, 1,4% до 650°С, однако сплавы не подвергают упрочняющей термической обработке из-за недостаточной дисперсности выделяющихся фаз. Сплавы обладают высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, хорошо свариваются.

Упрочнение производится с помощью холодной пластической деформации (нагартовки). Для получения после рекристаллизационного отжига мелкозернистой, однородной структуры вводится небольшое количество титана.

 

Пример промышленного сплава алюминия с марганцем

АМцМ (М - мягкий) - деформируемый сплав, находящийся в отожженном состоянии,

АМцН2 (Н2 - полунагартованный) - деформируемый сплав, упрочненный  пластическим деформированием.

Сплавы алюминия с магнием.

Магний вводится в алюминий в количестве до 10,5% . Растворенный в алюминии магний способствует значительному упрочнению сплавов. В тоже время пластичность остается высокой (30%). Сочетание более высокой, чем у АМц прочности при сопоставимой пластичности обеспечивает широкое применение данных сплавов для коррозионностойких сварных конструкций.

 

Примеры промышленных сплавов на основе Al-Mg

АМг1 - АМг6 – деформируемые сплавы, содержащие 1,1, 2,3, 3,5, 5,3, 6,3% Mg соответственно. По мере увеличения концентрации магния происходит увеличение прочности и некоторое уменьшение пластичности. Сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью и свариваемостью.

На основе системы Al-Mg созданы литейные сплавы, также имеющие высокую прочность и пластичность, но применяющиеся ограниченно в силу появления газовой пористости и сильного окисления. Наибольшее распространение получил сплав АМг5Мц (АЛ28), не имеющий этих недостатков.

 

Сплавы, упрочняемые термической обработкой

 

Сплавы алюминия с медью (дуралюмины)

Медь является в этих сплавах основным легирующим элементом (4,0 - 4,3%). Кроме меди вводятся магний (0,25-1,5%), марганец (0,4-0,75%), титан (0,06%), цирконий (0,15%).

Растворимость меди в алюминии изменяется от 0,1% при 20°С до 5,7% при 550°С, поэтому при 20°С сплав состоит из твердого раствора меди, а также других легирующих элементов в алюминии и частиц химических соединений Al₂Cu и A_l2CuMg. В процессе нагрева до температуры однофазного твердого раствора замещения (~510°С) легирующие элементы переходят в твердый раствор, и, после резкого охлаждения, образуется пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии. Естественное старение обеспечивает сочетание более высокой, чем у сплавов АМг прочности при достаточной пластичности. Сплавы могут подвергаться искусственному старению, которое происходит при повышенной температуре.

Литейные сплавы на основе системы Al-Cu содержат от 4 до 6,2%Cu. Они имеют плохие литейные свойства: малую жидкотекучесть, склонность к образованию трещин, усадочной пористости. Однако за счет упрочнения термической обработкой приобретаются высокую твердость.

 

Примеры промышленных сплавов Al-Cu

Д1, Д16 (4,3%Cu, 0,6%, 0,6, 1,5%Mg, 0,6%Mn) - деформируемые, упрочняемые термической обработкой сплавы. Находит применение для ответственных нагруженных деталей. В сварных конструкциях не используются. Сплав Д16 считается наиболее трещиностойким среди алюминиевых сплавов, особенно после более тщательной очистки от примесей железа и кремния (Д16оч).

Д18 (2,6%Cu, 0,35%Mg) - деформируемый сплав, слабо упрочняемый термической обработкой, так как содержит небольшое количество легирующих элементов, поэтому обладает повышенной пластичностью и используется в основном для заклепок.

АМ5 (АЛ19) (5%Cu, 0,6% Mn, 0,25%Ti) - упрочняемый термической обработкой высокопрочный литейный сплав, содержащий добавку титана, который с алюминием образует дисперсное соединение Al₃Ti, увеличивающее прочность и сдерживающее, по-видимому, рост зерен сплава.

 

Сплавы алюминия с магнием и кремнием

Эти сплавы содержат незначительное количество основных легирующих элементов (0,7-1,1%Mg, 0,5-1,0%Si). При комнатной температуре сплавы состоят из твердого раствора с малой концентрацией легирующих элементов и частиц MgSi, а также частиц Si (при повышенном содержании). После закалки с температур ~530°С и последующего естественного или искусственного старения (160°С, 14 часов) происходит некоторое увеличение прочности.

Сплавы имеют высокую пластичность и коррозионную стойкость, но меньшую чем у дуралюминов прочность. Обладают удовлетворительной свариваемостью и хорошим качеством поверхности после анодирования (окисления в электролите на аноде).

 

Примеры промышленных сплавов Al-Mg-Si

АВ (0,7 %Mg. 0,9%Si, 0,4%Cu, 0,25%Mn) - деформируемый, упрочняемый термической обработкой сплав имеет максимальную среди данных сплавов прочность, но пониженную коррозионную стойкость из-за присутствия меди и большого количества кремния.

АД31 (0,7 %Mg. 0,5%Si) - деформируемый, упрочняемый термической обработкой, наиболее часто используемый сплав, так как обладает высокой коррозионной стойкостью и хорошей технологичностью, например, при закалке охлаждается на воздухе.

 

Сплавы алюминия с цинком, магнием и медью

В95 (6%Zn, 2,3%Mg, 1,7%Cu, 0,4%Mn, 0,18%Cr) - наиболее известный деформируемый сплав данной системы. В нем присутствуют три упрочняющие фазы (MgZn₂, Al_l2Mg₃Zn₃, Al₃CuMg), которые выделяются при термообработке (закалка 420°С, старение 120°С). Марганец и хром, растворяясь в алюминии, повышают температуру рекристаллизации.

 

Сплавы алюминия с литием

1420 (5,5%Mg, 3,1%Li, 0,12%Zr) - наиболее известный деформируемый, упрочняемый термической обработкой сплав, который по сравнению с другими алюминиевыми сплавами имеет более высокий модуль упругости (75 ГПа) и более низкую плотность (2,5г/см³). Так как литий имеет переменную растворимость в алюминии, то возможно проводить закалку с 450°С на воздухе и последующее старение при 120°С с выделением упрочняющих частиц (Al_l3Li, Al_l2MgLi). По прочности и пластичности сплав сопоставим с дуралюмином Д16.

 

Сплавы алюминия с кремнием (силумины)

Данные литейные сплавы содержат от 5 до 21% Si. Кремний растворяется в алюминии при комнатной температуре не более 0,1%, а при Т=577°С - 1,65%.

АК12 (АЛ2) - наиболее распространенный сплав содержанием Si - 11,5%, соответствующий эвтектическому составу. Этот сплав имеет высокую жидкотекучесть, так как для него отсутствует интервал температур кристаллизации. Получающаяся эвтектическая смесь кристаллов твердого раствора и частиц кремния достаточно однородна особенно после модифицирования - введения, например, натрия, атомы которого способствуют измельчению структуры. Сплав обладает высокой коррозионной стойкостью и хорошо сваривается.

 

Алюминиевые сплавы, спеченные из порошков и гранул

Спекание порошков, как известно, происходит при температурах ниже плавления, поэтому общим для сплавов, полученных таким путем, будет однородность состава и строения, которой трудно добиться при кристаллизации из жидкого состояния. Данные сплавы имеют более высокий, чем у обычных сплавов модуль упругости, что является их важным достоинством.

Сплавы типа САП (спеченная алюминиевая пудра) - получают при спекании тщательно измельченного алюминиевого порошка (пудры), которые могут на 6-18% состоять из оксида, покрывающего отдельные частицы алюминия. Присутствие твердого тугоплавкого оксида обеспечивает сплавам высокую твердость и жаропрочность (до 350°С), однако все они имеют низкую пластичность. Модуль упругости E при 18% Al₂O₃  составляет 80 ГПа. Данные сплавы предназначены для изделий, работающих при повышенных температурах.

Сплавы типа САС - получают спеканием  при введении в состав кремния (до 30%), никеля или железа (до 7%). Отличаются высоким модулем упругости E~100 ГПа и пониженным коэффициентом теплового расширения (14,5·10^-6 1/К вместо 24·10^-61/К у алюминия), что позволяет сочетать данный сплав с материалами, имеющими близкий коэффициент расширения.