Алюминий — серебристо-белый металл, обладающий высокой электропроводностью и теплопроводностью. Он имеет низкую плотность – приблизительно втрое меньшую, чем у железа, меди и цинка. Поэтому удельная прочность данного металла высока. Масштабы применение алюминия и, в особенности, его сплавов весьма широки. Последние занимают сейчас второе место после железосодержащих сплавов. Поэтому основная часть выплавляемого алюминия расходуется именно на получение различных сплавов, которые обладают самыми разнообразными свойствами. Широкие спектр свойств алюминиевых сплавов обусловлен ведением в металл различных добавок, образующих с ним твёрдые растворы или интерметаллиды (химические соединение металлов).
Среди сплавов алюминия львиная доля приходится на такие лёгкие сплавы как дуралюмин и силумин. В металлургии алюминий используется не только в качестве основы для сплавов, но также широко применяются в виде легирующих добавок к меди и др. металлам.
^
Особо следует упомянуть полуфабрикаты и изделия из алюминия, покрытые по поверхности защитной плёнкой из его оксида, и изделия из спеченных алюминиевых сплавов, имеющих каркас из оксида алюминия. Они обладают особыми физическими, механическими и даже, декоративными свойствами. Так, например, из алюминия, покрытого электрохимическим способом окрашенной плёнкой, по внешнему виду напоминающей золотую, изготовляют различную бижутерию.
^
Алюминий —
^
К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность (2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов.
Алюминий и его сплавы
^
диаграмма равновесия, фазовая диаграмма — графическое изображение соотношений между параметрами состояния физико-химической системы (температурой, давлением и др.) и ее составом. По диаграмме состояния можно установить, например, температуры начала и конца фазовых превращений, химический состав фаз. Диаграмма состояния широко используют в металловедении.
^
Жаропрочные сплавы
... уже являются двухфазными. Однако в состав жаропрочных сплавов, кроме титана, как правило, входит алюминий. Согласно диаграммам состояния системы Ni—Al—Ti, алюминий оказывает значительное влияние на растворимость титана ... штампованного полуфабриката. В условиях серийного и массового производства деталей из сталей и сплавов цветных металлов, процессы обработки металлов давлением, и в частности горячая ...
В зависимости от способа производства промышленные алюминиевые сплавы делятся на спеченные, литейные и деформируемые (рис.1).
Литейные сплавы претерпевают эвтектическое превращение, а деформируемые – нет. Последние в свою очередь бывают термически неупрочняемыми (сплавы в которых нет фазовых превращений в твердом состоянии) и деформируемые, термически упрочняемые (сплавы, упрочняемые закалкой и старением).
^
Деформированные алюминиевые сплавы, неупрочняемые термической обработкой
К этой группе сплавов относятся технический алюминий и термически неупрочняемые свариваемые коррозионностойкие сплавы (сплавы алюминия с марганцем и магнием).
Сплавы АМц относятся к системе Аl – Ми (рис.1).
^
1–деформируемые, термически неупрочняемые сплавы;
2–деформируемые, термически упрочняемые сплавы.
^
концентрация Mn в промышленных сплавах.
Рис.3. Микроструктура сплава АМЦ
^
а) закалки в воде с температуры Т2;
б) закалки и искусственного старения при Т3
( справа – схематическое изображение )
Структура сплава Амц состоит из a -твердого раствора марганца в алюминии и вторичных выделений фазы MnAl (рис.3).В присутствии железа вместо MnAl образуется сложная фаза ( MnFe) Al, практически нерастворимая в алюминии, поэтому сплав Амц и упрочняется термической обработкой.
^
0,05 – 0,20% Cu; медь добавляют в целях уменьшения питтинговой коррозии.
Допускается до 0,6–0,7% Fe и. n 0,6—0,7% Si, что приводит к некоторому упрочнению сплавов без существенной потери сопротивления коррозии.
При понижении температуры прочность быстро растет.Поэтому сплавы этой группы нашли широкое применение в криогенной технике.
Сплавы АМг (магналий) относятся к системе А1 – Mg (рис.4).
Магний образует с алюминием a -твердый раствор и в области концентраций от 1,4 до 17,4% Mg происходит выделение вторичной b -фазы (MgAl), но сплавы содержащие до 7% Mg, дают очень незначительное упрочнение при термической обработке, поэтому их упрочняют пластической деформацией–нагартовкой.
Сплавы систем А1– Мn. и А1–- Mg используются в отожженном, нагартованном и полунагартованном состояниях. В промышленных сплавах магний содержится в пределах от 0,5 до 12… 13%, сплавы с низким содержанием магния обладают наилучшей способностью к формообразованию, сплавы с высоким содержанием магния имеют хорошие литейные свойства (табл.5) приложения.
^
Деформированные алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой
К этой группе сплавов относятся сплавы высокой и нормальной прочности. Составы некоторых деформируемых термически упрочняемых сплавов приведены в таблице 6 приложения. Типичными деформируемыми алюми-ниевыми сплавами являются дуралюмины (маркируют буквой Д) – сплавы системы А1 – Си – Mg. Очень упрощенно процессы, проходящие при упрочняющей термической обработке дуралюмина можно рассмотреть, используя диаграмму Al – Си (рис.5).
Деформированные алюминивые сплавы
... конструкции не подвергаются частому намоканию. Деформируемые алюминиевые сплавы делят на упрочняемые и неупрочняемые. Это наименование отражает способность или неспособность сплава заметно повышать прочность при термической обработке. Уже сейчас трудно ...
Рис.4. Диаграмма состояния “алюминий – магний”.
концентрация Mg в промышленных сплавах.
Рис.5. Фрагмент диаграммы состояния “алюминий – медь”:, Т1 – температура оплавления;, Т2 – температура закалки;, Т3 – температура искусственного старения.
Рис.7. Диаграмма состояния “алюминий – кремний”:
а) общий вид;
- б) после введения модификатора.
При закалке, которая заключается в нагреве сплава выше линии переменной растворимости, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении, фиксируется структура пересыщенного a – твердого раствора (светлый на рис.6а) и нерастворимых включении железистых и марганцовистых соединений (темные).
Сплав в свежезакаленном состоянии имеет небольшую прочность s6 = 30 кг/мм3 (300 Мпа); d = 18%; твердость НВ75.
Пересыщенный твердый раствор неустойчив. Наивысшая прочность достигается при последующем старении закаленного сплава. Искусственное старение заключается в выдержке при температуре 150 — 180 градусов. При этом из пересыщенного a – твердого раствора выделяются упрочняющие фазы CuAl2, CuMgAl2, Al12Mn2Cu.
^
Обработка алюминия
^
Деформируемые алюминиевые сплавы — предназначены для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей, труб и т. д.), а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки.
^
Дуралюмины, «дюраль» (Д1, Д16, Д20*, сплавы алюминия меди и марганца [Al-Cu-Mg]) — удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состояниях, но плохо в отожженном состоянии. Дуралюмины хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлением вследствие склонности к образованию трещин. Из сплава Д16 изготовляют обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова автомобилей.
^
^
^
Не упрочняемые термической обработкой:
Сплавы алюминия с марганцем (АМц
Литейные алюминиевые сплавы — предназначенные для фасонного литья (как правило, хорошо обрабатываются резанием).
^
^
^
^
С точки зрения обработки фрезерованием, нарезания резьбы и токарной обработки, алюминиевые сплавы также можно разделить на две группы. В зависимости от состояния (закаленные, состаренные, отожженные) алюминиевые сплавы могут относиться к разным группам по легкости обработки:
Мягкие и пластичные алюминиевые сплавы, вызывающие проблемы при обработке резанием:
а) Отожженные: Д16, АВ.
б) Не упрочняемые термической обработкой: АМц, АМг2, АМг3, АМг5, АМг6.
Технологии сварки. Сварка алюминия и алюминиевых сплавов
... работ используют проволоку из алюминия и алюминиевых сплавов по ГССТ 7871—75; В сварочной ванне алюминиевые сплавы взаимодействуют с газами и шлаками. Металлургические особенности сварки алюминия и его сплавов ... сталям повышенной прочности и сплавам титана. Алюминиевые сплавы разделяют на литейные и деформируемые по пределу растворимости элементов в твердом растворе. В сварных конструкциях в ...
Сравнительно твердые и прочные алюминиевые сплавы, которые достаточно просто обрабатываются резанием (во многих случаях, где не требуется повышенная производительность, эти материалы могут обрабатываться стандартным инструментом общего применения, но если требуется повысить скорость и качество обработки, необходимо применять специализированный инструмент):
а) Закаленные и искусственно состаренные: Д16Т, Д16Н, АВТ.
б) Ковочные: АК6, АК8, АК4-1.
в) Литейные: АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ8, АЛ27, АЛ1, АЛ21, АЛ33.
Сплавы из алюминия и их применение
^
Легирование
^
Прочность чистого алюминия не удовлетворяет современные промышленные нужды, поэтому для изготовления любых изделий, предназначенных для промышленности, применяют не чистый алюминий, а его сплавы.
При различном легировании повышаются прочность, твердость, приобретается жаропрочность и другие свойства. При этом происходят и нежелательные изменения: неизбежно снижается электропроводность, во многих случаях ухудшается коррозионная стойкость, почти всегда повышается относительная плотность. Исключение составляет легирование марганцем, который не только не снижает коррозионную стойкость, но даже несколько повышает ее, и магнием, который тоже повышает коррозионную стойкость (если его не более 3 %) и снижает относительную плотность, так как он легче, чем алюминий.
^
Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изделий делят на две группы:
1) деформируемые (имеют высокую пластичность в нагретом состоянии),
2) литейные (имеют хорошую жидкотекучесть).
Такое деление отражает основные технологические свойства сплавов. Для получения этих свойств в алюминий вводят разные легирующие элементы и в неодинаковом количестве.
Сырьем для получения сплавов обоего типа являются не только технически чистый алюминий, но также и двойные сплавы алюминия с кремнием, которые содержат 10-13 % Si, и немного отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общее содержание примесей в них 0.5-1.7 %. Эти сплавы называют силуминами. Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. Деформируемые сплавы при нагреве под обработку давлением должны иметь гомогенную структуру твердого раствора, обеспечивающую наибольшую пластичность и наименьшую прочность. Это и обусловливает их хорошую обрабатываемость давлением.
Основными легирующими элементами в различных деформируемых сплавах является медь, магний, марганец и цинк, кроме того, в сравнительно небольших количествах вводят также кремний, железо, никель и некоторые другие элементы.
^
Характерными упрочняемыми сплавами являются дюралюминии — сплавы алюминия с медью, которые содержат постоянные примеси кремния и железа и могут быть легированы магнием и марганцем. Количество меди в них находится в пределах 2.2-7 %.
^
Алюминий и его сплавы (2)
... с температуры Т 2 ; б) закалки и искусственного старения при Т 3 (справа – схематическое изображение) Структура сплава АМц состоит из a -твердого раствора марганца в алюминии и ... этих фаз и развития межкристаллитной коррозии. Кремний не образует с алюминием химических соединений и присутствует в сплавах алюминия в элементарном виде. Растворимость кремния в алюминии при комнатной температуре не ...
Термическая обработка дюралюминия состоит из двух этапов. Сначала его нагревают выше линии предельной растворимости (обычно приблизительно до 500 C).
При этой температуре его структура представляет собой гомогенный твердый раствор меди в алюминии. Путем закалки, т.е. быстрого охлаждения в воде, эту структуру фиксируют при комнатной температуре. При этом раствор получается пересыщенным. В этом состоянии, т.е. в состоянии закалки, дюралюминий очень мягок и пластичен.
Структура закаленного дюралюминия имеет малую стабильность и даже при комнатной температуре в ней самопроизвольно происходят изменения. Эти изменения сводятся к тому, что атомы избыточной меди группируются в растворе, располагаясь в порядке, близком к характерному для кристаллов химического соединения CuAl. Химическое соединение еще не образуется и тем более не отделяется от твердого раствора, но за счет неравномерности распределения атомов в кристаллической решетке твердого раствора в ней возникают искажения, которые приводят к значительному повышению твердости и прочности с одновременным снижением пластичности сплава. Процесс изменения структуры закаленного сплава при комнатной температуре носит название естественного старения.
Естественное старение особенно интенсивно происходит в течение первых нескольких часов, полностью же завершается, придавая сплаву максимальную для него прочность, через 4-6 суток. Если же сплав подогреть до 100-150 C, то произойдет искусственное старение. В этом случае процесс совершается быстро, но упрочнение происходит меньшее. Объясняется это тем, что при более высокой температуре диффузионные перемещения атомов меди осуществляются более легко, поэтому происходит завершенное образование фазы CuAl и выделение ее из твердого раствора. Упрочняющее же действие полученной фазы оказывается меньшим, чем действие искаженности решетки твердого раствора, возникающей при естественном старении.
Сравнение результатов старения дюралюминия при различной температуре показывает, что максимальное упрочнение обеспечивается при естественном старении в течении четырех дней.
^
Среди неупрочняемых алюминиевых сплавов наибольшее значение приобрели сплавы на основе Al-Mn и Al-Mg.
Марганец и магний, так же как и медь, имеют ограниченную растворимость в алюминии, уменьшающуюся при снижении температуры. Однако эффект упрочнения при их термообработке невелик. Объясняется это следующим образом. В процессе кристаллизации при изготовлении сплавов, содержащих до 1,9% Mn, выделяющийся из твердого раствора избыточный марганец должен был бы образовать с алюминием растворимое в нем химическое соединение Al (MnFe), которое в алюминии не растворяется. Следовательно, последующий нагрев выше линии предельной растворимости не обеспечивает образование гомогенного твердого раствора, сплав остается гетерогенным, состоящим из твердого раствора и частиц Al (MnFe), а это приводит к невозможности закалки и последущего старения.
^
Бурмакова и в сравнительный анализ технологий производства алюминиевой
... алюминия. Потребление ресурсов в процессе производства может негативно сказываться на окружающей среде и экосистемах. В настоящей работе будет проведен сравнительный анализ двух технологий производства алюминиевой ... технологии и минимизации её влияния на окружающую среду. Цель работы – проведение сравнительного анализа двух технологий производства алюминиевой банки с помощью метода оценки жизненного ...
Однако свойства этого соединения таковы, что процессы, предшествующие его выделению, а затем и образующиеся включения не вызывают заметногоэффекта упрочнения. Несмотря на это, введение и марганца, и магния в алюминий полезно. Они повышают его прочность и коррозионную стойкость (при содержании магния не более 3%).
Кроме того, сплавы с магнием более легкие, чем чистый алюминий .
^
Также для улучшения некоторых характеристик алюминия в качестве легирующих элементов используются:
Бериллий добавляется для уменьшения окисления при повышенных температурах. Небольшие добавки бериллия (0,01-0,05%) применяют в алюминиевых литейных сплавах для улучшения текучести в производстве деталей двигателей внутреннего сгорания (поршней и головок цилиндров).
Бор вводят для повышения электропроводимости и как рафинирующую добавку. Бор вводится в алюминиевые сплавы, используемые в атомной энергетике(кроме деталей реакторов), т.к. он поглощает нейтроны, препятствуя распространению радиации. Бор вводится в среднем в количестве 0,095-0,1%.
Висмут. Металлы с низкой температурой плавления, такие как висмут, свинец, олово, кадмий вводят в алюминиевые сплавы для улучшения обрабатываемости резанием. Эти элементы образуют мягкие легкоплавкие фазы, которые способствуют ломкости стружки и смазыванию резца.
^
Железо. В малых количествах (>0,04%) вводится при производстве проводов для увеличения прочности и улучшает характеристики ползучести. Так же железо уменьшает прилипание к стенкам форм при литье в кокиль.
Индий . Добавка 0,05 — 0,2% упрочняют сплавы алюминия при старении, особенно при низком содержании меди. Индиевые добавки используются в алюминиево — кадмиевых подшипниковых сплавах.
^
Кальций придает пластичность. При содержании кальция 5% сплав обладает эффектом сверхпластичности.
Кремний является наиболее используемой добавкой в литейных сплавах. В количестве 0,5-4% уменьшает склонность к трещинообразованию. Сочетание кремния с магнием делают возможным термоуплотнение сплава .
^
Титан. Основная задача титана в сплавах — измельчение зерна в отливках и слитках, что очень повышает прочность и равномерность свойств во всем объеме.
Основные природные соединения алюминия:
1. Нефелины — (Na,K)2О
- АlО3
- 2Si2.
2. Криолит — А1F3
- 3NaF
3. Бокситы — алюминиевая руда Аl2O3
- хH2O (встречается, как правило, с примесями оксидов кремния SiO2, железа Fe2О3, карбонатом кальция СаСО3).
4. Каолин — А12О3
- 2SiO2
- 2Н2О.
5.
Глиноземы — смесь каолинов с песком SiO2, известняком СаСО3, магнезитом МgСО3., Химические свойства:
Алюминий обладает высокой химической активностью (в ряду напряжений металлов занимает место между магнием и цинком).
Алюминий и его сплавы
... алюминиевой промышленности и сферы применения алюминия и его сплавов. Методы исследования: анализ экономической, научной и методической литературы; анализ периодических изданий по исследуемой теме. Алюминий и его сплавы Алюминий ... и серной кислотами. Важнейшее свойство алюминия – небольшая плотность, он в три раза легче железа. Механические свойства алюминия невысоки: сопротивление на разрыв – 5-9 ...
Алюминий легко окисляется кислородом воздуха, покрываясь прочной защитной пленкой оксида алюминия Аl2О3, которая препятствует дальнейшему окислению и взаимодействию с другими веществами, что обуславливает его высокую коррозионную стойкость.
4Аl + 3О2 = 2Аl2О3
Если пленку оксида алюминия разрушить, то алюминий активно взаимодействует с водой при обычной температуре:
2Аl + 6Н2О = 2Аl(ОН)3 + ЗН2
1. Лишенный окисной пленки алюминий легко растворяется в:
щелочах с образованием алюминатов
2Аl + 2NаОН + 2Н2О = 2NаАlО2 + 3Н2
разбавленных кислотах с выделением водорода
2А1 + 6НС1 = 2АlСl3 + ЗН2
2А1 + ЗН2SО4 = Аl2(S04)3 + 3Н2
- сильно разбавленная и концентрированная азотная кислота пассивирует алюминий, поэтому для хранения и перевозки азотной кислоты используются алю¬миниевые емкости. Но при нагревании алюминий растворяется в азотной кислоте:
Аl + 6НNO3(конц.) = Аl(NО3)3 + ЗNО2 + ЗН2О
2. Алюминий взаимодействует с:
галогенами
2Аl + ЗВr2 = 2АlВr3
при высоких температурах с другими неметаллами (серой, азотом, углеродом)
^
2Аl + N2 = 2АlN (нитрид алюминия)
4Аl + 3С = А14С3 (карбид алюминия), Реакции протекают с выделением большого количества
тепла. 3. Для алюминия характерны реакции алюминотермии —
восстановления металлов из их оксидов алюминием.
^
2Аl + 3W3 = 3W + А12О3
Смесь мелкого порошка Аl и магнитного железняка Fе3O4 называется термитом, при поджоге которого выделяется большое количество тепла, и температура смеси повышается до 3500°С. Этот процесс используется при термитной сварке.
8Аl + ЗFе3О4 = 9Fе + 4Аl2О3
Применение алюминиевых сплавов
Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов. Последнее свойство в сочетании с тем, что алюминий не разрушает витамины, позволяет широко использовать его в производстве посуды. Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде. Алюминий в большом объеме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию. Алюминий также широко применяется в машиностроении, т.к. обладает хорошими физическими качествами.
Но главная отрасль, в настоящее время просто не мыслимая без использования алюминия — это, конечно, авиация. Именно в авиации наиболее полно нашли применение всем важным характеристикам алюминия
^
Алюминий широко применяется как . Основные достоинства алюминия в этом качестве — легкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной пленкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.
Расчет процесса получения алюминия
... свойство в сочетании с тем, что алюминий не разрушает витамины, позволяет широко использовать его в производстве посуды. Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде, ... оксидной пленки его тяжело паять. Алюминий находит широкое применение в различных видах транспорта. На современном этапе развития авиации алюминиевые сплавы являются основными конструкционными материалами в ...
Основной недостаток алюминия
Электропроводность алюминия сравнима с медью, при этом алюминий дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Правда, у алюминия как электротехнического материала есть неприятное свойство — из-за прочной оксидной пленки его тяжело паять.
^
Внедрение алюминиевых сплавов в строительстве уменьшает металлоемкость, повышает долговечность и надежность конструкций при эксплуатации их в экстремальных условиях (низкая температура, землетрясение и т.п.).
Алюминий находит широкое применение в различных видах транспорта. На современном этапе развития авиации алюминиевые сплавы являются основными конструкционными материалами в самолетостроении. Алюминий и сплавы на его основе находят все более широкое применение в судостроении. Из алюминиевых сплавов изготовляют корпусы судов, палубные надстройки, коммуникацию и различного рода судовое оборудование. Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и легкого материала.
Заключение
Трудно найти отрасль промышленности, где бы ни использовался алюминий или его сплавы — от микроэлектроники до тяжёлой металлургии. Из всех легких металлов алюминий характеризуется наибольшим объемом производства, занимающим в мировой промышленности второе место после производства стали. Это обуславливается хорошими механическими качествами, лёгкостью, малой температурой плавления, что облегчает обработку, высоким внешними качествами, особенно после специальной обработки. Учитывая перечисленные и многие другие физические и химические свойства алюминия, его неисчерпаемое количество в земной коре, можно сказать, что алюминий — один из самых перспективных материалов будущего.
^
Тихонов В.Н. Аналитическая химия алюминия. М., «Наука», 1971
Алюминиевые сплавы. Применение алюминиевых сплавов. Справочное руководство. Редакционная коллегия И.В. Горынин и др. Москва «Металлургия», 1978.
Алюминий. Свойства и физическое металловедение. Справочник. Дж.Е. Хэтч. Москва, «Металлургия», 1989.
Алюминий. Н.Г. Ключников, А.Ф. Колодцев. Учпедгиз, 1958., Металловедение и технология металлов. Ред. Ю.П. Солнцева,
М.: «Металлургия», 1988 г., 512 с.
