UA-75651220-1

Алюміній і його сплави

Алюміній за обсягами світового виробництва посідає друге місце після сталі, а за темпами росту значно її випередив. Стрімкий розвиток алюмінієвої промисловості пояснюється позитивними властивостями і порівняно низькою вартістю цього металу.

Алюміній - метал сріблясто-білого кольору, має гранецентричну кубічну ґратку, малу густину (γ = 2700 кг/м3), низьку температуру плавлення (tпл = 660 °С), характеризується високими пластичністю, тепло- й електропровідністю, доброю зварюваністю й оброблюваністю різанням. Водночас алюміній характеризується низькою міцністю та твердістю (табл. 2.12). На повітрі він покривається тонкою щільною оксидною плівкою Аl2О3, яка надійно захищає його від корозії. Постійними домішками алюмінію є залізо, кремній, мідь, магній, марганець, цинк, титан та ін. Домішки зумовлюють погіршення фізико-хімічних властивостей і пластичності алюмінію, через що їх уміст чітко обмежують.
Залежно від сумарної частки домішок первинний алюміній поділяють на алюміній особливої, високої й технічної чистоти.

Алюміній особливої чистоти марок А999 містить 0,001 % домішок, високої чистоти марок А995, А99, А97 і А95 - від 0,005 до 0,05 % домішок, технічної чистоти марок А85, А8, А7, А7Е, А6, А5, А5Е і АО - від 0,15 до 1,0 % домішок. Алюміній особливої чистоти застосовують для дослідних робіт, у напівпровідниковій і ядерній техніці.

У промисловості використовують переважно алюміній високої й технічної чистоти. З нього виготовляють здебільшого сплави, а також електропроводи, кабелі, конденсатори та фольгу (рис. 1.2.51). Застосовувати алюміній як конструкційний матеріал недоцільно з огляду на його низьку міцність (рис. 1.2.52).
Рис. 1.2.51. Вироби з алюмінію:
а - фольга; б - дріт; в - кабель; г - наконечники; д - посуд
Рис. 1.2.52. Використання алюмінію та його сплавів у промисловості
Сплави алюмінію, крім основного металу й домішок, мають у своєму складі спеціально введені легуючі елементи, які змінюють структуру та властивості у бажаному напрямку. Легують алюміній міддю, магнієм, кремнієм, марганцем, цинком, літієм, нікелем і титаном. Сплави алюмінію характеризуються високими механічними й технологічними властивостями, більшість з них мають високу тепло- й електропровідність, добру корозійну стійкість. Питома міцність деяких сплавів алюмінію наближається до високоміцних сталей. Завдяки цим властивостям, поміркованим цінам, а також естетичному вигляду сплави алюмінію широко застосовуються у літако-, судно- й ракетобудуванні, транспорті, будівництві й побуті.

Залежно від технології виготовлення виробів сплави алюмінію поділяють на деформівні й ливарні.

Деформівні сплави алюмінію, які не зміцнюються термообробкою, виготовляють на основі алюмінію та марганцю або на основі алюмінію й магнію. Легуючі елементи - марганець і магній - значною мірою підвищують міцність, водночас знижуючи пластичність матеріалу. Марганець, окрім цього, збільшує корозійну стійкість сплаву. Сплави алюмінію з марганцем позначають літерами АМц, а сплави алюмінію з магнієм літерами АМг. Про середню масову частку магнію у сплаві свідчать цифри, що стоять після літер Мг (табл. 2.13).
Рис. 1.2.53. Приклади розшифровки марок деформівних алюмінієвих сплавів
Зміцнювальна обробка сплавів АМц і АМг є малоефективною. Значно більший ефект дає деформування у холодному стані. Залежно від рівня зміцнення розрізняють напівнагартовані (П) й нагартовані (Н) сплави. Рівень зміцнення може бути вказаний наприкінці маркування сплаву літерами П або Н, наприклад: АМцМ, АМг2М.

Сплави алюмінію, що не зміцнюються термообробкою, застосовують для виготовлення мало- та середньонавантажених виробів (резервуари для пального, трубопроводи, корпуси суден, ліфти, рами вагонів тощо) (рис. 1.2.54).
Рис. 1.2.54. Використання деформівних алюмінієвих сплавів:
а - корпуси суден; б - резервуари для пального; в - ліфти; г - рама дитячої коляски; д - трубопроводи
До сплавів алюмінію, що зміцнюються термообробкою, належать дюралюміни, авіалі, а також високоміцні, кувальні й жароміцні сплави. Вміст легуючих елементів у них перевищує їх граничну розчинність в алюмінії при кімнатній температурі, проте не перевищує граничну розчинність при температурі евтектичного перетворення.

Типовими представниками сплавів, що зміцнюються термообробкою, є дюралюміни, які добре поєднують міцність і пластичність. Марки дуралюмінів позначають літерою Д і цифрою, що відповідає умовному номеру сплаву, наприклад Д16 (табл. 2.14, рис. 1.2.55).
Рис. 1.2.55. Приклад розшифровки марки сплаву алюмінію, що зміцнюється термообробкою
Основними легуючими елементами дюралюмінів є мідь і магній. Зі збільшенням до певної межі концентрації магнію міцність сплаву зростає. Марганець підвищує корозійну стійкість. З метою додаткового підвищення корозієстійкості плакують листи дюралюмінів, тобто наносять на їх поверхню тонкий шар чистого алюмінію. Кремній у дюралюмінах слід розглядати як домішку. Дюралюміни широко застосовують в авіації, автомобілебудуванні, будівельних конструкціях (рис. 1.2.56).
Рис. 1.2.56. Використання дюралюмінів:
а - корпуси літаків; б - кузови автомобілів; в - залізничні цистерни; г - конструкції фасадів; д - алюмінієва софа; е - плінтуси
Основними легуючими елементами авіалів є магній і кремній. Авіалі марок АВ, АД31 і АД33 мають високу пластичність, зварюваність і корозійну стійкість, хоча дещо поступаються за міцністю дюралюмінам. З цих сплавів виготовляють лопатки гвинтів гелікоптерів, ковані деталі двигунів, а також напівфабрикати (листи, труби тощо) (рис. 1.2.57).
Рис. 1.2.57. Використання авіалів:
а - гвинт гелікоптера; б - корпус кухонної витяжки; в - трубчаста рама велосипеда; г - труби; д - прутки; е - кутики; ж - рифлений лист
Кувальні алюмінієві сплави характеризуються високою пластичністю й задовільною міцністю, їх маркують літерами АК й умовними цифрами. За хімічним складом кувальні сплави близькі до дюралюмінів, хоча вміст кремнію тут вищий. Гарячу обробку тиском виконують в інтервалі температур 420-470 °С. Сплав марки АК6 використовують для середньонавантажених деталей складної конфігурації, а сплав АК8 - для високонавантажених деталей.

Високоміцні сплави найміцніші серед сплавів алюмінію, хоча менш пластичні від дюралюмінів. Їх марки позначають літерою В - високоміцні й умовним номером (В95). Розчинність в алюмінії легуючих елементів - цинку, магнію і міді - зменшується, а під час охолодження вони виділяються як інтерметалідні сполуки. Найбільшою мірою впливають на міцність цинк і магній. Водночас ці елементи знижують пластичність і корозійну стійкість. Незначне легування марганцем і хромом зумовлює підвищення корозійної стійкості.

Сплави марок В95 і В96 використовують у літакобудуванні для високонавантажених елементів конструкцій при температурах до 100 °С.

Жароміцні сплави (АК4-1, АК-4 та ін.) зберігають свої механічні властивості до температури 300 °С. Порівняно з іншими сплавами алюмінію жароміцні сплави мають більшу кількість легуючих елементів, їх додатково легують такими елементами, як залізо, нікель і титан. Залізо й нікель утворюють фазу, що підвищує жароміцність. Ці сплави використовують для виготовлення поршнів, головок циліндрів, лопаток компресорів турбореактивних двигунів, обшивок надзвукових літаків (рис. 1.2.58).
Рис. 1.2.58. Деталі, виготовлені з жароміцних алюмінієвих сплавів:
а - головка циліндрів; б - турбіна компресора; в - поршні
Ливарні сплави повинні добре заповнювати форму в найвужчих місцях, мати малу схильність до утворення пористості й гарячих тріщин. Ливарні сплави алюмінію поділяються на п’ять груп.

Сплави першої групи, що містять 6-13 % кремнію, називаються силумінами. Вони характеризуються високою рідкоплинністю, малою лінійною усадкою (0,9-1,2 %) й низькою схильністю до утворення тріщин. До складу більшості марок силумінів, окрім кремнію як основного легуючого елемента, входять марганець (0,1-0,6 %), магній (0,1-0,55 %), а також титан (0,1-0,3 %). Розчиняючись в алюмінії, легуючі елементи збільшують міцність і твердість силумінів. Водночас марганець підвищує антифрикційні властивості, а титан виконує роль модифікатора.

Оптимально можна поліпшити механічні властивості силумінів, здрібнюючи їх структуру. З цією метою до рідкого розчину сплаву перед його розливанням додають невелику кількість натрію у сполуках NаF + NаСl.

Найпоширенішими марками силумінів є АЛ2, АЛ4, АЛ9. Літерою А позначено, що сплав алюмінієвий, літерою Л - ливарний. Цифра після літери Л - порядковий номер сплаву.

Силуміни використовують для виготовлення мало- й середньонавантажених литих деталей часто складної конфігурації.

Мідні силуміни належать до сплавів другої групи. Окрім алюмінію, вони містять 4-22 % кремнію, 1-8 % міді, а також 0,2-1,3 % Мg; 0,2-0,8 % Мn і 0,1-0,3 % Ті. Порівняно з силумінами вони мають дещо гірші ливарні властивості, проте кращі механічні. Марки мідних силумінів іноді маркують за складом: АК5М, АК8М3, АК12М2МгН та ін. Цифри після літер К, М, Н і Мг відповідають середній масовій частці у відсотках кремнію, міді, нікелю і магнію. У разі відсутності цифри після літери масова частка елемента становить близько 1 %.

Серед мідних силумінів окремої уваги заслуговує сплав марки АК8М3, що містить близько 8 % Sі, 3 % Сu, а також Мg, Мn, Ni (приблизно 0,5 % кожного). Мідь і магній, що мають змінну розчинність в алюмінії, сприяють зміцненню сплаву під час термообробки (гартування і штучного старіння). Сплав АК8М3 має добру зварюваність і корозійну стійкість. З мідних силумінів виготовляють корпуси компресорів, головки та блоки циліндрів автомобільних двигунів (рис. 1.2.59).
Рис. 1.2.59. Використання ливарних алюмінієвих сплавів:
а - картер мотоциклетного двигуна; б - блок циліндрів автомобільного двигуна; в - корпус компресора; г - радіатор опалення
Сплави третьої групи, основними компонентами яких є Аl і Сu, мають серед ливарних сплавів найвищу міцність (αB = 300-500 МПа) і пластичність (δ = 4-12 %). Вони мають високу оброблюваність різанням, добре зварюються, проте виявляють малу корозійну стійкість і мають низькі ливарні властивості. Додаткове легування титаном і марганцем сприяє росту міцності й поліпшенню ливарних властивостей. Одним із представників третьої групи є сплав марки АМ5.

Магналії складають сплави четвертої групи. Вони належать до системи Аl - Мg, мають високу оброблюваність різанням, стійкі до корозії, досить міцні та пластичні, їх ливарні властивості є низькими. Марки сплавів четвертої групи: АМг7 (6-8 % Мg), АMг10 (9,5-10,5 % Мg), АМг5К (4,5-5,5 % Мg; 0,8-1,3 % Sі; 0,1-0,4 % Мn). З магналіїв виготовляють деталі суден і літаків, які є стійкими до вологи.

У сплавах п’ятої групи другим за масовою часткою компонентом після алюмінію може бути кремній (К) або цинк (Ц). Марки сплавів: АК9Ц6, АК7Ц9, АЦ4Мг (рис. 1.2.60).
Рис. 1.2.60. Приклад розшифрування марки алюмінієвого ливарного сплаву
Сплави цього типу виготовляються шляхом брикетування алюмінієвого порошку на гідравлічних пресах, вакуумного відпалу і подальшої деформації, під час якої відбувається спікання нагрітих брикетів під тиском.

У промисловості широко використовуються сплави на основі Аl - Аl2О3. Вони дістали назву САП (спечений алюмінієвий порошок). Уміст Al2O3 в порошку коливається від 6-9 до 18-22 %.

Ці сплави отримують шляхом холодного брикетування алюмінієвого порошку (пудри), вакуумного відпалу і подальшого спікання нагрітих брикетів під тиском. САП складається з дисперсних лусок оксиду Аl2О3. Частинки Аl2О3 ефективно гальмують рух дислокацій і підвищують міцність сплаву. Вміст оксиду Аl2О3 в САП коливається від 6-9 % (САП-1) до 1-22 % (САП-4). Зі збільшенням умісту Аl2О3 межа міцності підвищується від 30-32 кг/мм2 (САП-1) до 44-46 кг/мм2 (САП-4), а відносне видовження відповідно знижується від 5-6 до 1,5-2,0 %.

Сплави САП за своєю міцністю та жароміцністю значно перевершують усі відомі старіючі сплави алюмінію і можуть упродовж тривалого часу (~ 10 000 год) працювати при температурах 300-500 °С, зберігаючи властивості. При нагріванні до температури 1000 °С вироби із САП працюють протягом короткого часу. САП мають високу корозійну стійкість і добре зварюються контактним методом і плавленням.

Із САП-1 і САП-2 виготовляють листи, дріт, прутки, труби фольгу та подібні вироби, а із САП-3, САП-4 - пресовані напівфабрикати та штамповки.

Спечені алюмінієві сплави (САС) виготовляють шляхом пресування та послідовного спікання легованих алюмінієвих порошків, які отримують шляхом розпилення рідкого сплаву або сумішей алюмінію з легуючими компонентами (рис. 1.2.61).
Рис. 1.2.61. Використання спечених алюмінієвих сплавів:
а - деталі електротехнічного призначення; б - меблева та галантерейна фурнітура
САС-1, САС-2 задовільно оброблюються різанням (σм ~ 280 МПа; δ ~ 4 %), мають добру герметичність і задовільно зварюються в стик і використовуються для виробів, які працюють при температурах, що не перевищують 200 °С
Рис. 1.2.62. Загальна класифікація алюмінієвих сплавів
Головки циліндрів з повітряним охолодженням у двигунах тракторів відлито з алюмінію сплаву.

Поршні сучасних тракторних дизелів виготовляють з високостійких алюмінієвих сплавів, які добре проводять тепло, легкі.