алюминиевые сплавы что это

Алюминий и его сплавы: характеристика, свойства, применение

Алюминий — серебристо-белый легкий парамагнитный металл. Впервые получен физиком из Дании Гансом Эрстедом в 1825 году. В периодической системе Д. И. Менделеева имеет номер 13 и символ Al, атомная масса равна 26,98.

Производство алюминия

Для производства алюминия используют бокситы — это горная порода, которая содержит гидраты оксида алюминия. Мировые запасы бокситов почти не ограничены и несоизмеримы с динамикой спроса.

Боксит дробят, измельчают и сушат. Получившуюся массу сначала нагревают паром, а затем обрабатывают щелочью — в щелочной раствор переходит большая часть оксида алюминия. После этого раствор длительно перемешивают. На этапе электролиза глинозем подвергают воздействию электрического тока силой до 400 кА. Это позволяет разрушить связь между атомами кислорода и алюминия, в результате чего остается только жидкий металл. После этого алюминий отливают в слитки или добавляют к нему различные элементы для создания алюминиевых сплавов.

Алюминиевые сплавы

Наиболее распространенные элементы в составе алюминиевых сплавов — медь, марганец, магний, цинк и кремний. Реже встречаются сплавы с титаном, бериллием, цирконием и литием.

Алюминиевые сплавы условно разделяют на две группы: литейные и деформируемые.

Для изготовления литейных сплавов расплавленный алюминий заливают в литейную форму, которая соответствует конфигурации получаемого изделия. Эти сплавы часто содержат значительные примеси кремния для улучшения литейных свойств.

Деформируемые сплавы сначала разливают в слитки, а затем придают им нужную форму.

Марки алюминиевых сплавов

Виды и свойства алюминиевых сплавов

Алюминиево-магниевые сплавы

Эти пластичные сплавы обладают хорошей свариваемостью, коррозийной стойкостью и высоким уровнем усталостной прочности.

В алюминиево-магниевых сплавах содержится до 6% магния. Чем выше его содержание, тем прочнее сплав. Повышение концентрации магния на каждый процент увеличивает предел прочности примерно на 30 МПа, а предел текучести — примерно на 20 МПа. При подобных условиях уменьшается относительное удлинение, но незначительно, оставаясь в пределах 30–35%. Однако при содержании магния свыше 6% механическая структура сплава в нагартованном состоянии приобретает нестабильных характер, ухудшается коррозийная стойкость.

Для улучшения прочности в сплавы добавляют хром, марганец, титан, кремний или ванадий. Примеси меди и железа, напротив, негативно влияют на сплавы этого вида — снижают свариваемость и коррозионную стойкость.

Алюминиево-марганцевые сплавы

Это прочные и пластичные сплавы, которые обладают высоким уровнем коррозионной стойкости и хорошей свариваемостью.

Для получения мелкозернистой структуры сплавы этого вида легируют титаном, а для сохранения стабильности в нагартованном состоянии добавляют марганец. Основные примеси в сплавах вида Al-Mn — железо и кремний.

Сплавы алюминий-медь-кремний

Сплавы этого вида также называют алькусинами. Из-за высоких технических свойств их используют во втулочных подшипниках, а также при изготовлении блоков цилиндров. Обладают высокой твердостью поверхности, поэтому плохо прирабатываются.

Алюминиево-медные сплавы

Механические свойства сплавов этого вида в термоупрочненном состоянии порой превышают даже механические свойства некоторых низкоуглеродистых сталей. Их главный недостаток — невысокая коррозионная стойкость, потому эти сплавы обрабатывают поверхностными защитными покрытиями.

Алюминиево-медные сплавы легируют марганцем, кремнием, железом и магнием. Последний оказывает наибольшее влияние на свойства сплава: легирование магнием значительно повышает предел текучести и прочности. Добавление железа и никеля в сплав повышает его жаропрочность, кремния — способность к искусственному старению.

Алюминий-кремниевые сплавы

Сплавы этого вида иначе называют силуминами. Некоторые из них модифицируют добавками натрия или лития: наличие буквально 0,05% лития или 0,1% натрия увеличивает содержание кремния в эвтектическом сплаве с 12% до 14%. Сплавы применяются для декоративного литья, изготовления корпусов механизмов и элементов бытовых приборов, поскольку обладают хорошими литейными свойствами.

Сплавы алюминий-цинк-магний

Прочные и хорошо обрабатываемые. Типичный пример высокопрочного сплава этого вида — В95. Подобная прочность объясняется высокой растворимостью цинка и магния при температуре плавления до 70% и до 17,4% соответственно. При охлаждении растворимость элементов заметно снижается.

Основной недостаток этих сплавов — низкую коррозионную стойкость во время механического напряжения — исправляет легирование медью.

Авиаль

Авиаль — группа сплавов системы алюминий-магний-кремний с незначительными добавлениями иных элементов (Mn, Cr, Cu). Название образовано от сокращения словосочетания «авиационный алюминий».

Применять авиаль стали после открытия Д. Хансоном и М. Гейлером эффекта искусственного состаривания и термического упрочнения этой группы сплавов за счет выделения Mg2Si.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью и удовлетворительной коррозионной стойкостью. Из авиаля изготавливают кованые и штампованные детали сложной формы. Например, лонжероны лопастей винтов вертолетов. Для повышения коррозионной стойкости содержание меди иногда снижают до 0,1%.

Также сплав активно используют для замены нержавеющей стали в корпусах мобильных телефонов.

Физические свойства

Химический состав алюминиевых сплавов

Применение алюминия

Ювелирные изделия

В далеком прошлом из-за высокой стоимости алюминия его использовали для изготовления ювелирных изделий. Так, весы с алюминиевыми и золотыми чашами были подарены Д. И. Менделееву в 1889 г.

Когда себестоимость алюминия снизилась, мода на ювелирные изделия из этого металла прошла. Но и в наши дни его используют для изготовления бижутерии. В Японии, например, алюминием заменяют серебро при производстве национальных украшений.

Столовые приборы

По-прежнему пользуются популярностью столовые приборы и посуда из алюминия. В частности, в армии широко распространены алюминиевые фляжки, котелки и ложки.

Стекловарение

Алюминий широко применяют в стекловарении. Высокий коэффициент отражения и низкая стоимость вакуумного напыления — основные причины использования алюминия при изготовления зеркал.

Пищевая промышленность

Алюминий зарегистрирован как пищевая добавка Е173. Ее используют в качестве пищевого красителя, а также для сохранения продуктов от плесени. Е173 окрашивает кондитерские изделия в серебристый цвет.

Военная промышленность

Ракетная техника

Алюминий и его соединения используют в качестве ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твердых ракетных топливах.

Алюмоэнергетика

В алюмоэнергетике алюминий используют для производства водорода и тепловой энергии, а также выработки электроэнергии в воздушно-алюминиевых электрохимических генераторах.

Источник

Cплавы алюминия: выбор и применение

Сплавы на основе алюминия

Термины и определения

Алюминиевый сплав – сплав на основе алюминия – это алюминий, который [1]:

Легирующий элемент – это металлический или неметаллический элемент, который контролируется в определенных верхних и нижних пределах для целей придания алюминиевому сплаву определенных специальных свойств [1].

Примесь – металлический или неметаллический элемент, который присутствует в сплаве, минимальное содержание которого не контролируется. В алюминиевых сплавах, как правило, контролируется максимальная концентрация примеси [1].

Легирование в алюминиевых сплавах

Наиболее важными легирующими элементами, которые применяют для превращения алюминия в сплавы с особыми свойствами – и деформируемые, и литейные (конечно, в разных количествах) – являются:

Влияние, например, содержания меди в алюминиевом сплаве на его механические свойства показано на рисунке 1.

Рисунок 1- Влияние легирования алюминиевого сплава медью на механические свойства [3]

Железо в алюминиевых сплавах

Деформируемые алюминиевые сплавы содержат примерно 0,1 – 0,4 % (по массе) железа (Fe). Железо обычно рассматривается как нежелательная примесь. Его содержание зависит от качества исходной руды (бокситов) и технологии электролитического восстановления. Иногда легирование железом применяют для получения особых свойств материала, например, для изготовления алюминиевой фольги.

Модифицирование сплавов

В комбинации с основными легирующими элементами часто применяют другие легирующие элементы: висмут (Bi), бор (B), хром (Cr), свинец (Pb), никель (Ni), титан (Ti) и цирконий (Zr). Эти элементы обычно применяют в небольших количествах (до 0,1 % по массе, хотя B, Pb и Cr могут составлять до 0,5 %), чтобы придать им особые свойства, модифицировать сплавы для специальных целей, таких как литейные качества, обрабатываемость, теплостойкость, коррозионная стойкость, прочность и т.п.

Классификация алюминиевых сплавов

Классификацию алюминиевых сплавов – сплавов алюминия – производят по различным критериям, в том числе:

Две категории: литейные и деформируемые

Две категории алюминиевых сплавов

Литейный алюминиевый сплав – сплав алюминия, который предназначен в первую очередь для производства отливок.

Деформируемый алюминиевый сплав – сплав алюминия, который предназначен в первую очередь для производства алюминиевых изделий горячей и/или холодной обработкой давлением.

Деформируемые сплавы

Деформируемые алюминиевые сплавы сначала разливают в слитки (круглые или прямоугольные), а потом обрабатывают по различным технологиям обработки давлением – горячей и холодной – до придания им нужной формы:

Популярные деформируемые алюминиевые сплавы серии 6ххх, которые применяют для производства прессованных алюминиевых профилей, представлены ниже на рисунке 7.

Рисунок 7 – Основные алюминиевые сплавы серии 6ххх

Литейные сплавы

Литейные алюминиевые сплавы в расплавленном состоянии разливают непосредственно в их конечную форму одним из различных методов, таких как, литье в песчаные формы, литье в кокили или литье под давлением. При литье применяют сложные литейные формы. Эти сплавы часто имеют высокое содержание кремния для улучшения их литейных свойств.

У этих двух категорий алюминиевых сплавов классификация по легирующим сплавам различная: в целом в них добавляются одни и те же легирующие элементы, но в разных количествах.

Прочность и другие механические свойства алюминиевых сплавов, как деформированных, так и литейных, определяются в основном их химическим составом, т. е. содержанием в алюминии легирующих элементов, а также вредных примесей. Однако возможно изменение этих свойств для достижения их оптимального сочетания путем дополнительной обработки сплавов – термической или деформационной, или и той, и другой. В результате этого сплав изменяет свои первоначальные механические свойства и получает свое окончательное состояние, в котором и поставляется заказчику. Упрочняющую термическую обработку применяют как к литейным, так и к деформированным сплавам, Они в этом случае называются сплавами, упрочняемыми термической обработкой.

Два механизма упрочнения

Два класса алюминиевых сплавов:

Термически упрочняемые сплавы

Термически упрочняемый сплав – сплав, который может быть упрочнен соответствующей термической обработкой (рисунки 2, 3 и 4).

Рисунок 2 – Закалка и упрочнение старением алюминиевых сплавов [2]

Рисунок 3 – Типичное термическое упрочнение старением [4]

Рисунок 4 – Эффект термического упрочнения на механические свойства сплава 7075 [4]

Нагартовываемые сплавы

Деформационно упрочняемый сплав (“термически неупрочняемый”, нагартовываемый) – сплав, который упрочняется только путем деформационной обработки (рисунки 5 и 6), а не термической обработкой.

Рисунок 5 – Влияние холодной пластической обработки – нагартовки – на прочность, твердость и пластичность алюминиевых сплавов [2]

Рисунок 6 – Кривые нагартовки (деформационного упрочнения)
термически неупрочняемых алюминиевых сплавов [4]

Серии и системы легирования

Серии деформируемых сплавов

Серии литейных сплавов

Алюминиевые сплавы в конструкциях

Рейтинг прочности алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы создают для того, чтобы получить алюминий со специальными свойствами, например, с более высокими механическими свойствами (рисунки 8 и 9).

Рисунок 8 – Рейтинг прочности деформируемых алюминиевых сплавов [2]

Рисунок 9 – Влияние легирующих элементов на прочность при растяжении, твердость, чувствительность к удару и пластичность [5]

Выбор сплава

При выборе алюминиевого сплава в качестве конструкционного материала, главным фактором является обеспечение прочности изготавливаемого из него конструкционного элемента. Однако конструкционную прочность различных типов элементов обеспечивают различные свойства одного и того же конструкционного материала.

Например, прочность «толстой» колонны будет зависеть в основном от предела текучести металла, тогда как прочность «тонкой» колонны будет зависеть главным образом от модуля упругости материала. Поскольку предел текучести алюминиевых сплавов нередко сравним с пределами текучести рядовых конструкционных сталей, то алюминий мог бы вполне потягаться с ними для «толстых» колонн. С другой стороны, поскольку модуль упругости алюминия и его сплавов составляет всего лишь где-то треть от модуля упругости сталей, то алюминий вряд ли может соперничать со сталями в «тонких» колоннах.

Прочность, однако, не является единственной рабочей характеристикой конструкции или изделия. Такие дополнительные факторы, как коррозионная стойкость, легкость обработки (прессуемость или свариваемость), жесткость (модуль упругости), пластическое разрушение (относительное удлинение), вес (плотность), усталостная прочность, а также стоимость, должны в той или иной мере учитываться при выборе нужного конструкционного материала.

Экономика алюминиевой конструкции

Часто стоимость материала является критическим фактором. Однако сравнение алюминиевых сплавов и сталей на основе стоимости единицы массы или объема может ввести в заблуждение, так как они имеют различные прочности, плотности и другие свойства.

Если бы стоимость материала была единственным фактором и углеродистые стали могли применяться без защитного антикоррозионного покрытия, то всегда и везде применялись бы только они. Однако, при выборе материала в рассмотрение принимаются и другие факторы, такие как стоимость эксплуатации и технического обслуживания в течение всего срока службы конструкции. Кроме того, в некоторых специфических условиях «правило» о том, что алюминиевый элемент в два раза легче стального не всегда справедливо. Например, алюминиевый компонент может весить и значительно меньше, если толщину стального элемента нужно увеличивать с учетом ее возможного уменьшения от воздействия слишком агрессивной коррозии в течение всего срока службы.

Если требуются профили со сложными поперечными сечениями, как, например, в ограждающих фасадных конструкциях, то в таких случаях, стоимость стального элемента намного больше, чем стоимость его материала. Дело в том, что для изготовления этого элемента из стальной заготовки ее надо механически обрабатывать, подвергать холодной штамповке или гибке, а, может быть, и применять сварку. В то же время стоимость изготовления алюминиевого профиля составляет только малую долю стоимости «сырого» алюминия.

Из-за высокой стоимости нержавеющих сталей они применяются только, если вес элемента или конструкции не имеет значения, а важны внешний вид и свариваемость. Обычно, когда нержавеющая сталь применяется вместо алюминия, то причина часто только одна – ограничения алюминиевых сплавов по сварке.

Алюминиевые сплавы по Еврокоду 9

Алюминиевые сплавы предлагают инженерам-конструкторам широкий выбор материалов. Каждый сплав имеет свои особенные характеристики, которые служат для обеспечения заданных свойств. Когда коррозионная стойкость, высокое отношение прочности к весу и легкость изготовления являются существенными конструкционными параметрами, тогда алюминиевые сплавы заслуживают серьезного рассмотрения.

В таблицах 1 и 2 представлены деформируемые алюминиевые сплавы, которые Еврокод 9 рекомендует и разрешает для применения в зданиях и сооружениях (см. подробнее здесь).

Таблица 1 – Термически неупрочняемые алюминиевые сплавы по Еврокоду 9

Таблица 2 – Термически неупрочняемые алюминиевые сплавы по Еврокоду 9

1. Guidance GAG Guidance Document 001 Terms and Definitions Edition 2009-01 March 2009
2. The welding of aluminium and its alloys / Gene Mathers – Woodhead Publishing Ltd, 2002
3. Aluminum and Aluminium Alloys / ed. Davis – ASM International, 1996
4. Aluminum and Aluminum Alloys – Subject Guide – ASM International, 2015
5. TALAT 1501

Источник

Алюминиевые сплавы

Среди всех сплавов своими эксплуатационными качествами выделяются алюминиевые. Их применяют при производстве летательных аппаратов, возведении домов, выпуске наземного транспорта и морских судов. При этом выделяют довольно много недостатков, которыми обладают алюминиевые сплавы: мягкость, не очень высокая прочный, относительно невысокая устойчивость к воздействию повышенной влажности. Однако всего несколько основных положительных качеств определяет широкое распространение алюминиевых сплавов в самых различных областях промышленности. Рассмотрим все особенности данного материала подробнее.

Характеристики алюминиевых сплавов

Сплавы на основе алюминия могут обладать самыми различными характеристиками, так как при их получении проводится смешивание различных примесей. Именно поэтому рассматривая механические свойства алюминиевых сплавов следует уделить внимание тому, какие именно элементы входят в состав.

Для начала отметим классификацию материалов, которые получаются при соединении меди и алюминия. Они делятся на три основные группы:

Последняя группа сегодня получила довольно большое распространение, так как температура плавления алюминиевых сплавов, входящих в нее, довольно высока. Сплавы последней группы называют дюралюминием.

Рассматривая дюралюминий уделим внимание нижеприведенным моментам:

Часто встречается сплав, представляющий собой сочетание алюминия и магния. Технические характеристики подобного алюминиевого сплава зависят от того, сколько магния в составе.

Среди основных особенностей можно отметить нижеприведенные моменты:

Сочетание алюминия с марганцем практически не подвергают термической обработке. Это связано с тем, что даже при соблюдении условий проведения закалки существенно изменить эксплуатационные качества сплава не получится. Плотность алюминиевого сплава может колебаться в достаточно большом диапазоне: от 2 до 4 грамм на кубический сантиметр.

Рассматривая слав, прочность которого имеет рекордные показатели, следует уделить внимание сплаву алюминия с цинком и магнием. При применении современных технологий производства можно добиться качеств, которые будут характерны для титана. Среди особенностей подобного сплава отметим:

В литейной промышленности весьма большое распространение получили алюминиевые сплавы, которые в своем составе имеют кремний. Тот момент, что при термической обработке кремний отлично растворяется в алюминии, позволяет использовать металл при фасонном или формовочном литье. Получаемые изделия хорошо обрабатываются резанием, а также обладают повышенной плотностью.

Очень редко встречаются смеси алюминия и железа, а также никеля. Это связано с тем, что подобные элементы зачастую применяются исключительно как легирующие вещества.

Примером можно назвать то, что железо добавляется в состав для упрощения процесса отделения детали от формы. В состав могут добавляться титан, который существенно повышает показатель прочности.

Подводя итоги по характеристикам алюминиевых сплавов можно отметить нижеприведенные моменты:

Из-за легкости и прочности, а также относительно высокой коррозионной стойкости алюминиевые сплавы получили достаточно широкое применение. Альтернативных материалов, которые обладают подобными свойствами и низкой стоимостью, практически нет.

Сферы применения

Алюминий и алюминиевые сплавы получили самое широкое применение, что связано с основными эксплуатационными качествами. Их применение во многом зависит от состава. Примером назовем следующие моменты:

Столь обширная сфера применения определена также тем, что процесс производства сплава весьма прост, получаемый материал не имеет высокой стоимости, а эксплуатационные качества могут быть изменены путем добавления различных легирующих элементов.

Классификация

Рассматривая виды алюминиевых сплавов следует отметить, что они могут классифицироваться по достаточно большому количеству признаков. Классификация алюминия его сплавов по типу вспомогательных элементов подразумевает выделение следующих основных групп:

Специальные алюминиевые сплавы могут состоять из огромного количества элементов. Их добавление проводится для придания материалу особых эксплуатационных качеств.

В зависимости от выбранного метода металлообработки можно выделить:

По степени прочности можно выделить несколько групп:

Кроме этого в отдельную группу принято выделять дуралюмины, которые обладают особыми эксплуатационными качествами.

Легкий алюминиевый сплав может иметь достаточно большое количество различных примесей. При этом химический состав отражается на маркировке.

Деформируемые алюминиевые сплавы

Довольно большое распространение деформируемых алюминиевых сплавов можно связать с тем, что при их применении процесс производства различных изделий существенно упрощается. Область применения следующая:

Деформируемые алюминиевые сплавы

В результате получаются различные заготовки или уже практически готовые детали с исключительными эксплуатационными качествами. После получения требующейся формы проводится отжиг, закалка или старение, которые позволяют существенно повысить показатель прочности. Данный типа алюминия применяют для получения труб, листа или профиля.

Литейные алюминиевые сплавы

Технологии получения деталей и заготовок путем литья применяются на протяжении многих лет. Они хороши тем, что позволяют получать самые различные формы, которые могут иметь сложные поверхности. Сплавы на основе алюминия могут переходить в текучее состояние при более низких температурах, чем другие металлы. Именно поэтому процесс изготовления различных деталей существенно упрощается.

Среди других особенностей материала данной группы отметим:

Литейные алюминиевые сплавы получили весьма широкое применение в различных отраслях промышленности, особенно тех, в которых нужно получать сложные корпусные детали. За счет литья по форме существенно упрощается дальнейшая механическая обработка.

Литейные алюминиевые сплавы

Основные требования, предъявляемые к литейным алюминиевым сплавом – сочетание хороших литейных свойств и оптимальных физико-механических качеств. Данную группу можно разделить на:

Последняя разновидность алюминиевых сплавов достаточно часто применяется при изготовлении деталей, которые будут эксплуатироваться при воздействии морской воды.

Принципы маркировки

Довольно большое количество сложностей возникает с определением марки материала. Маркировка алюминиевых сплавов проводится так, чтобы их можно было просто определить. Как правило, каждому составу присваивается свой номер, который может состоять из цифр и букв.

Среди особенностей маркировки можно отметить нижеприведенные моменты:

Разберем применяемые правила обозначений на конкретном примере сплава Д17П. Первая буква указывает на то, какой именно состав. В данном случае это дюралюминий. Все дюралюминии имеют определенный химический состав, однако концентрация основных элементов может существенно отличаться. Поэтому число 17 – порядковый номер, указывающий на конкретный материал (то есть с определенными качествами). В конце есть буква, которая применяется для обозначения полунагартованного сплава. Данный метод обработки предусматривает воздействие давления без предварительного нагрева сплава, а значит прочность будет вполовину меньше максимального значения.

В заключение отметим, что каждый состав обладает своими особыми физико-механическими качествами. Данные свойства определяют то, куда именно будет направлен материал для изготовления деталей или дальнейшей обработки. Наиболее важными свойствами принято считать пластичность, теплопроводность, электрическую проводимость и другие. Немаловажным фактором также является то, насколько качественно было проведено изготовление материала. Применение современных технологий позволяет с высокой точностью контролировать концентрацию тех или иных элементов, исключает вероятность появления различных дефектов. В большинстве случаев производство проводится в соответствии с ГОСТ и другими мировыми стандартами.

Источник