Алюминий и сплавы на его основе

Алюминий – это металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 600 ⁰С. Он имеет гранецентрированную кристаллическую решетку с периодом а =0,4041 нм. Так как алюминий обладает низкой плотностью ρ=2,7 гр/см³, то сплавы на основе алюминия называются легкими. Алюминий, как и медь, имеет высокую электро- и теплопроводность. Модуль упругости E=(7,0…7,5)∙10⁴ МПа.

Алюминий является коррозийно-стойким материалом, так как на его поверхности появляется пленка окислов, защищающая основной металл от коррозии. Чистый алюминий имеет низкую прочность и применяется для производства деталей, не воспринимающих силового воздействия. Он хорошо деформируется пластически, успешно сваривается, но плохо обрабатывается механически. По этой причине из алюминия изготавливают трубопроводы, резервуары, палубные надстройки речных и морских судов и т.п. Из чистого алюминия изготавливают также металлическую фольгу, токопроводящие и кабельные материалы.

Чистый алюминий применяется редко, так как имеет низкую прочность. Чаще при изготовлении деталей применяют сплавы на основе алюминия. Они обладают малой плотностью, высокой электро- и теплопроводностью, коррозийной стойкостью и удельной прочностью. Наибольшее распространение получили сплавы Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Si. По технологическим признакам алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые, т.е. получаемые пластическим деформированием, и литейные, предназначенные для получения фасонных деталей методом литья. Деформируемые сплавы по способности упрочняться термической обработкой подразделяют на сплавы, не упрочняемые термической обработкой, и сплавы, упрочняемые термической обработкой.

Наиболее известным представителем класса деформируемых сплавов является дюралюминий (Al-Cu-Mg), который получил распространение в авиационной технике и транспортном машиностроении (марки Д1, Д16). Марганец добавляется в состав сплава для повышения коррозионной стойкости. Часто в такие сплавы добавляют присадки в виде Cr, Zn, Fe, Si. Сплав хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях. А также удовлетворительно обрабатывается резанием в закаленном и состаренном состояниях и плохо – в отожженном состоянии, хорошо сваривается точечной сваркой и не сваривается сваркой плавлением вследствие склонности к образованию трещин. Дюралюминий широко используется в производстве листового и профильного проката. Для повышения прочности такие сплавы часто подвергаются закалке при температуре 500-520 ⁰С с последующим охлаждением в воде и выдержкой при нормальной температуре в течение 75...100 часов (естественное старение). Кроме того, деформируемые сплавы подвергаются обработкой давлением с последующей механической обработкой. Такую технологию применяют для изготовления деталей с высокой прочностью, например, дисков центробежных машин, деталей компрессоров и т.д.

К деформируемым сплавам, не упрочняемым термической обработкой, относятся алюминиево-магниевые сплавы. Эти сплавы добавочно легируют марганцем, который упрочняет сплав. Эффект от закалки и старения этих сплавов невелик, и их применяют в отожженном состоянии. Повышение прочности при некотором уменьшении пластичности изделий простой формы достигается нагартовкой. Упрочнение, создаваемое нагартовкой снимается в зоне сварки. Сплавы легко обрабатываются давлением. Хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью. Обработка резанием затруднена. Сплавы применяются для сварных и клепаных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и требующие высокого сопротивления коррозии. Из алюминиево-магниевых сплавов наиболее часто применяется сплав марки АМг6. К деформируемым сплавам относится высокопрочный алюминиево-магниево-цинковый сплав В95.

Деформируемыми являются так называемые спеченные алюминиевые сплавы, отличающиеся очень высокими прочностными свойствами. Они бывают двух видов: САП (спеченная алюминиевая пудра) и САС (спеченный алюминиевый сплав). САП упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия Al₂O₃, образуемой в процессе помола алюминиевой пудры в атмосфере азота с регулируемой подачей кислорода. Пудру брикетируют, спекают и подвергают деформации – прессованию, прокатке, ковке. В зависимости от содержания Al₂O₃ (прочность сплава возрастает при увеличении окиси алюминия до 20 – 22%) различают 4 марки САП (САП-1, САП-2, САП-3 и САП-4). Сплавы САС содержат до 25% кремния и 5% железа. Их получают распылением жидкого сплава, брикетированием полученных гранул и последующей деформацией.

Литейные сплавы на базе алюминия (Al-Cu, Al-Mg, Al-Si, Al-Zn-Mg-Si) благодаря низкой плотности и хорошей технологичности широко используются в самолетостроении, судостроении, автомобилестроении, строительстве и других областях.

Литейные сплавы применяются для фасонного литья. Такие сплавы должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии. Высокими литейными свойствами обладают сплавы, содержащие в своей структуре эвтектику. Эвтектика образуется во многих сплавах, в которых содержание легирующих элементов больше предельной растворимости в алюминии. Чаще применяют сплавы алюминия с: кремнием (Al – Si), медью (Al – Cu), магнием (Al – Mg), которые дополнительно легируют небольшим количеством меди и магния (Al – Si), кремния (Al – Mg), марганца, никеля, хрома (Al – Cu).

Сплавы Al – Si получили наибольше распространение. Эти сплавы, получившие название силумины, близки по составу к эвтектическому и потому отличаются высокими литейными свойствами и средними механическими свойствами, а отливки – большей плотностью. Обладают высокой коррозийной стойкостью.

Сплавы Al – Si сравнительно легко обрабатываются резанием. Заварку дефектов можно производить газовой и аргонодуговой сваркой.

Сплавы Al – Cu. Эти сплавы после термической обработки имеют высокие механические свойства при комнатной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием. Литейные свойства сплавов низкие. Эти сплавы используют для отливки небольших деталей простой формы. Они склонны к хрупкому разрушению. Если от отливок требуется повышенная прочность. То их после закалки подвергают искусственному старению при 150ºС. Алюминиево-медные сплавы малоустойчивы против коррозии, поэтому отливки обычно анодируют.

Сплавы Al – Mg. Сплавы алюминий с магнием имеют низкие литейные свойства, так как не содержат эвтектики. Характерной особенностью этих сплавов является хорошая коррозийная стойкость, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием. Добавление к сплавам модифицирующих присадок (титан, цирконий) улучшает механические свойства, а бериллия уменьшает окисляемость расплава, что позволяет вести плавку без защитных флюсов. Эти сплавы предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере, например в судостроении и авиации. Добавление к сплавам Al – Mg кремния улучшает литейные свойства в результате образования тройной эвтектики.

Сплавы алюминия широко применяют в тех случаях, когда важно снижение массы машины (конструкции). Алюминий и его сплавы трудно паяются.

Маркировка алюминиевых сплавов включает в себя начальные буквы, входящих в состав сплава компонентов и цифры, указывающие содержание легирующего элемента в процентах.

Дуралюмины маркируются буквой "Д" и порядковым номером, например: Д1, Д12, Д18.

Литейные алюминиевые сплавы маркируются буквами "АЛ" с последующим порядковым номером: АЛ2, АЛ9, АЛ13, АЛ22, АЛЗО.

Иногда маркируют по составу: АК7М2; АК21М2, 5Н2,5; АК4МЦ6. В этом случае "М" обозначает медь, "К" - кремний, "Ц" - цинк, "Н" - никель; цифра - среднее % содержание элемента.

Алюминиевые антифрикционные сплавы маркируют буквой "А" и начальными буквами входящих в них элементов: А09-2, А06-1, АН-2,5, АСМТ. В первые два сплава входят указанное количество олова и меди (первая цифра-олово, вторая-медь в %), в третий 2,7-3,3% Ni и в четвертый медь сурьма и теллур.

Дуралюмин и алюминиево-магниевые сплавы применяют для средненагруженных деталей типа стоек, крышек, втулок и т.д. Сплавы марки В65, Д18 – для заклепок. Спеченные алюминиевые сплавы применяют для изготовления высоконагруженных деталей и различных профилей. Силумины марок АЛ-2, АЛ-4, АЛ-9 применяют для изготовления литьем корпусов, крышек, кронштейнов и других сложных средненагруженных деталей. Алюминиево-магниево-цинковый сплав В95 применяют для деталей с повышенными статическими нагрузками (валы, зубчатые колеса). Из алюминиевых антифрикционных сплавов изготовляют подшипники и вкладыши.

Помимо вышеперечисленных, в машиностроении используется ряд других металлических сплавов, как правило, предназначенных для изготовления деталей с особыми свойствами. Например, сплав олова и свинца – баббит – обладает высокими антикоррозионными свойствами и применяется как материал при производстве вкладышей подшипников скольжения.