§ 30. Алюминий и его сплавы

 

Алюминий - металл серебристо-светлого цвета, имеет ГЦК-решетку, очень мягкий (плотность γ =2,7 г/см³), температура плавления Т_пл = 660°С, весьма пластичен (δ около 40%), однако малопрочен.

Алюминий коррозионностоек во влаге, в растворах азотной и других кислот. Коррозионная стойкость алюминия тем выше, чем он чище (не содержит примесей); то же самое относится к электропроводимости алюминия. Этот металл все больше вытесняет медь из электротехнической промышленности, хотя его электропроводность составляет не более 60% от электропроводности меди, но провода из алюминия при той же пропускной способности в 2 раза легче.

Электротехнический алюминий имеет маркировку АОО (чистота 99,7%), АО (99,6%), Аl (99,5%). В приборостроении используется высокочистый алюминий А 999 (содержание примесей не превышает 0,001%). Чистый алюминий хорошо деформируется и сваривается.

В качестве конструкционных материалов применяются, как и в случае меди, только сплавы алюминия. Они обладают более высокой прочностью и хорошими технологическими свойствами. Кроме того, легирование алюминиевых сплавов медью и марганцем еще более повышает их коррозионную стойкость.

Алюминиевые сплавы по технологическому признаку подразделяются на три группы:

I - деформируемые сплавы, термически не упрочняемые (они не претерпевают фазовых превращений в твердом состоянии и находятся в состоянии твердого раствора α.),

II - деформируемые сплавы, термически упрочняемые (α -фаза+ выделения вторичных фаз в результате превращения в твердом состоянии);

III - литейные сплавы (α -фаза+выделения вторичных фаз+эвтектика).

К I группе сплавов относятся сплавы систем А1 - Мn и А1 - Мg, причем содержание второго компонента берется таким, чтобы он полностью растворялся в алюминии.

Сплавы алюминия с марганцем являются наиболее коррозионно-устойчивыми; они содержат до 1,8% Мn и их обозначают буквами АМц. Такие сплавы могут быть упрочнены только хоч лодной пластической деформацией (нагартовкой); различают сплавы отожженные АМцМ (σ_в=160 Н/м²); полунагартованные АМцЦ (σ_в =200 Н/м²), нагартованные АМцН (σ_в = 240 Н/м²).

Сплавы системы А1-Мg, содержащие до 6-7% Мg, обозначают АМг2...АМг6 (цифра показывает среднее содержание Мg, %). Магний существенно упрочняет твердый раствор. Так сплав Амг6 в три раза прочнее чистого А1 ((Тв«300 Н/м^). Для повышения коррозионной? стойкости сплавы серии АМг дополнительно легируют марганцем (до 0,8%).

Сплавы I группы применяют для изготовления сварных емкостей для хранения горючего, азотной и других кислот, трубопроводов, а также для различных слабонагруженных деталей в самолетостроении, космической технике.

Во II группе сплавов содержание второго компонента превышает предел его растворимости алюминии при комнатной температуре. Это сила' вы системы. А1-Сu, получившие название дюралюминиевых сплавов (называют их также дюралюминами, дюралями). В системе А1-Сu при высокой концентрации Сu (<5,4%) образуете твердый раствор на базе устойчивого химического соединения СuАl₂. Его называют θ-фазой. Так как растворимость меди в алюминии падает по мере понижения температуры (5,7% при 548°С и всего 0,5% при комнатной), то при охлаждении сплавов, лежащих в пределах указанны» концентраций, твердого α -раствора А1 (Сu) 6удут выделяться при охлаждении вторичные кристаллы θ -фазы (СuА1₂)_II. Эти очень твердые кристаллики используют для упрочнения дюралюминиевых сплавов.

Режим упрочняющей термической обработки заключается в следующем. Сплав вначале нагревают до температуры полного растворения меди в α-фазе. От этой температуры сплав закаливают в воде. Из-за резкого охлаждения кристалл (СuА1₂)_II не успевают выделиться, поскольку хватает времени для диффузии атомов меди, зарождения центров вторичных кристаллов и их роста. В результате лишние атомы меди остаются в решетке твердого α - раствора и он становится перенасыщенным. Такое состояние твердого раствора является неустойчивым, и он будет стремиться перейти в состояние с меньшей внутренней энергией - более устойчивое.

Даже если сплав выдерживать при комнатной температуре, то через некоторое время (примерно через сутки) прочность его начинает возрастать и через неделю становится порядка 400 Н/м² вместо 250 Н/м².

Такое «самопроизвольное» повышение прочности закаленного сплава в результате его выдержки при комнатной температуре называется естественным старением.

Однако такое старение - длительный процесс. Чтобы сократить его продолжительность, закаленный сплав подвергают нагреву до температур 150-250°С. Процессы диффузии при этом убыстряются. Такое старение называется искусственным. Прочность здесь повышается существенно быстрее (за несколько часов), но ее максимальное значение тем ниже, чем выше температура старения.

Для повышения прочности дюралюминов их дополнительно легируют магнием и цинком; марганец и хром повышают коррозионную стойкость сплава. В некоторых случаях для защиты дюралюминов от коррозии применяют плакирование (нанесение на поверхность слоя другого металла термомеханическим способом) чистым алюминием с целью образования на поверхности плотной пленки А1₂Оз.

Состав некоторых дюралюминиевых сплавов и их прочность приведены в ГОСТ 4784-65. Данные сплавы нашли самое широкое распространение в авиационной технике, химическом и транспортном машиностроении, в строительстве.

К литейным алюминиевым сплавам относятся сплавы системы А1-S₁. При содержании кремния 11,6% в таких сплавах образуется легкоплавкая эвтектика (Т_пл=564°С). Эти сплавы, получившие название силумины, обладают невысоким уровнем механических свойств, но имеют хорошие литейные свойства.

Чтобы уменьшить хрупкость таких сплавов (крупные пластины кремния в эвтектике снижают пластичность), их подвергают при выплавке модифицированию с помощью NаСI, NаF. По ГОСТ 2685-63 литейные сплавы алюминия маркируют как АЛ2, АЛ3,..., АЛ13. Применяют их для изготовления литейных корпусов насосов, в том числе для перекачки агрессивных жидкостей, в художественном литье, при изготовлении предметов домашнего обихода и т. п.