Применение алюминия и железа. Алюминиевые сплавы

[ реферат ]

1.doc

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«Иркутский государственный университет путей сообщения»

Реферат

Тема:

«Алюминий и его сплавы»

Введение ...............................................................................................................

…………………………………………….

Каждый из этих элементов дает специфические свойства сплава; они добавляются только к базовому алюминию, два-два, три-три. Алюминиевые сплавы сгруппированы в «Серии» в соответствии с их конструкцией, как описано ниже. Механические характеристики могут быть увеличены, в определенных пределах, положением.

Их коррозионная стойкость меньше, чем у других алюминиевых сплавов; по этой причине в критических приложениях им нужны системы защиты; по той же причине тонкие липы также доступны в варианте с покрытием с другими сплавами с лучшей коррозионной стойкостью.

………………………………………..

Обработка алюминия …………………………………………………………

……………………………………….

^ Алюминиевые сплавы ………………………………………………………….

………………………………….

…………………………………….

Другие легирующие элементы …………………………………………………

Они характеризуются превосходной механической обрабатываемостью и ограниченной свариваемостью с возможностью сжигания. Это ужесточение сплавов; механические характеристики обычно уступают механическим характеристикам серийных сплавов. Они имеют хорошую свариваемость расплава.

Они имеют хорошую формуемость, обрабатываемость, чистоту и свариваемость. Это сплавы термической обработки; после термообработки развиваются самые высокие механические характеристики среди алюминиевых сплавов. Сплавы с наивысшими механическими характеристиками могут иметь тензорную чувствительность к коррозии; по этой причине были разработаны конкретные «стабилизированные» состояния лечения.

^ Основные природные соединения алюминия ....................................................

Химические свойства …………………………………………………………..

……………………………………………….

^ Применение алюминия ………………………………………………………

Заключение ………………………………………………………………………

Список литературы ……………………………………………………………

Они используются для авиационных сооружений и транспортных средств, и в целом для сильно нагруженных деталей. Алюминиевые чистые промышленные сплавы. . Для современного машиностроения необходима сталь с различными свойствами . В одном случае он должен выдерживать высокие давления, в других он не реагирует с кислотами и основаниями, в-третьих, он устойчив к разным температурам и так далее. Поэтому сталь легирована легирующими добавками или легирующими элементами, такими как вольфрам, ванадий, хром, марганец, никель, титан, кремний и другие.

Введение

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.

Ванадий, например, делает сталь износостойкой и увеличивает ее прочность. Это связано с тем, что кислород и азот растворяются в расплавленном металле во время обработки в мартинной печи, конвертере или электрической печи. Когда металл застревает в пресс-форме, газ начинает отделяться, но не все. Некоторые из них застряли в металле и остаются там в виде пузырьков. Они уменьшают прочность стали. Ванадий входит в химическую реакцию с газами, образуя соединения ванадия, которые плавают на поверхности расплавленного металла и отделяются от шлака.

^ Сплавы алюминия находят широкие применение в быту, в строительстве, архитектуре, автомобилестроении, судостроение, авиационной, и космической технике.

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.

Кроме того, ванадий смазывает стальные кристаллы, что увеличивает его прочность. Вольфрам так же уменьшает кристаллы стали, но в дополнение к увеличению прочности, а также делает его огнеупорным. Хром, в сочетании с никелем, превращает сталь в кремний-свободный, без шелка матрац, а марганец делает его износостойким.

Зачастую к стали добавляют несколько добавок. Это придает ему особенно ценные и разнообразные свойства. В настоящее время огнеупорные стали иногда содержат более 10 легирующих добавок. Как правило, эти добавки вводятся в металл не в чистом виде, а в виде сплавов железа. Сталь, в которую вводятся добавки, придающие ей особые свойства, называется легированной сталью.

Алюминий - мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления 660°C.

^ По распространенности в земной коре алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния среди всех атомов и 1-е место - среди металлов.

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.

Сплавы представляют собой соединения двух или более веществ, образующихся в результате кристаллизации расплава. Они включают как металлы, так и неметаллы: мышьяк, углерод, кремний и другие. Качества сплава принципиально отличаются от свойств составных веществ. Он может обладать большей прочностью, чем его отдельный металл, а также может иметь другую температуру плавления. Большинство металлопродукции изготовлены из сплавов.

Любой, кто видел чистое железо, медь или олово, знает, что это относительно мягкие металлы. Даже в древние времена люди замечали, что смесь расплавленной меди и олова образует новое вещество, называемое бронзой. Бронзовые мечи были сложнее меди и железа, а также более надежны, чем кремневые лезвия. Процесс смешивания двух металлов назывался сплавом, а вновь полученные смеси металлов назывались сплавами соответственно. Выравнивание и легирование являются неотъемлемо связанными процессами, и иногда можно говорить о одинаковом совпадении двух понятий.

Алюминий и его сплавы делятся по способу получения на деформируемые, подвергаемые обработке давлением и литейные, используемые в виде фасонного литья; по применению термической обработки - на термически не упрочняемые и термически упрочняемые, а также по системам легирования.

^ Диаграмма состояния

Снова в древности кузнецы заметили, что ковка горячего железа стала намного прочнее бронзы. Причина этого заключалась в том, что углерод был добавлен в расплавленный металл в процессе упрочнения, который был пропитан кристаллической решеткой из железа. Это привело к появлению нового сплава, который мы теперь знаем как сталь. Количество углерода в нем определяет его твердость и будет ли полученный сплав быть стальным или чугунным. Если к стали добавляется хром, он становится нержавеющим, вольфрам делает его более твердым, и марганец делает его более устойчивым к износу.

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.

Стальная ковка - упрочнение. Другие сплавы, которые имеют или имеют значение для человека, представляют собой латунь и дюралюминий. Железные сплавы с никелем и хромом обладают высоким электрическим сопротивлением, что делает их пригодными для производства нагревательных элементов.

Они являются термостойкими и кислотоустойчивыми и поэтому широко используются в промышленности. Нитинол представляет собой сплав никеля и титана. Он имеет определенную «память» и, если подвергся деформации, после последующего нагрева сплав восстановит свою первоначальную форму. Нитинол является сплавом, который особенно подходит для использования в космических аппаратах и ​​машинах.

^ Классификация алюминиевых сплавов

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).

Температура плавления большинства сплавов ниже, чем у самого низкоплавкого металла в композиции. Это свойство может быть полезным, например сплав свинца и олова, используемый для пайки металлами. Кристаллические решетки сплавов из жидких и твердорастворимых металлов являются тремя основными типами и очень похожи на твердые растворы, т.е. е. может не иметь постоянной композиции. На рисунке ниже первая из диаграмм представляет собой однородную кристаллическую металлическую сетку любого металла. Если металлические сплавы двух металлов имеют близкие по размерам атомные радиусы, могут образовываться металлические кристаллические решетки с замещенными атомами.

^ Алюминиевые сплавы обычно легируют Си, Mg, Si, Мn, Zn, реже Li, Ni, Ti.

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).

Это, например, сплавы золота - медь и золото - серебро. При металлическом легировании со значительными различиями в размерах атомных радиусов образуется металлическая кристаллическая решетка с «внедренными» атомами. Смешанный вариант также возможен при легировании трех или более металлов. В некоторых случаях в процессе легирования могут образовываться интерметаллические соединения.

Различные типы металлических кристаллических сплавов. Кристаллические сплавы сплавов из металлов, растворимых в жидком, но нерастворимом в твердом состоянии, являются просто механическими смесями. Например, железо не может образовывать сплав с свинцом или висмутом из-за его разной плотности. Тем не менее, существует вероятность смешивания этих металлов порошковой металлургом. Это безотходная технология, которая создает сложные формы, недоступные другим технологическим методам.

^ Рис.1. Диаграмма состояний “алюминий – легирующий элемент”:

1–деформируемые, термически неупрочняемые сплавы;

2–деформируемые, термически упрочняемые сплавы.

^ Рис.2. Диаграмма состояния “алюминий – марганец”:

Порошковая металлургия металлического порошка создает сложные детали. Они чрезвычайно точны и не нуждаются в дальнейшей обработке. Процесс их производства характеризуется экономикой и отсутствием защиты, причем последний также имеет экологическую выгоду. Детали порошковой металлургии могут иметь высокую степень сложности, что может быть затруднено в классических методах, таких как ковка, литье, штамповка и прессование.

Металлический порошок можно получить с помощью ряда методов, включая химические реакции , электрохимические методы, механическое распыление и распыление расплава. В случае механического распыления металлические порошки могут быть получены из отходов металлической стружки и черенков, которые измельчаются на механических мельницах или в аппаратах под воздействием мощных вихрей. Напыление расплава наносят на металлы с низкой температурой плавления, которые плавятся в тонких капельках в расплавленном состоянии с помощью сжатого воздуха.

–концентрация Mn в промышленных сплавах.

Рис.3. Микроструктура сплава АМЦ

^ Рис.6. Микроструктура дюралюмина после:

а) закалки в воде с температуры Т2;

б) закалки и искусственного старения при Т3

В состав добавляются алюминий, бериллий или другие элементы, такие как фосфор, алюминий, цинк, свинец. Исключением является медный сплав с цинковыми и медно-никелевыми сплавами. Сплавы, медь, без олова: одна из самых популярных - алюминиевая бронза , а также мед постоянные, но они не связаны с бронзой. Олово - это второй компонент сплава, медь - первый. Третий компонент может действовать: цинк, алюминий, мышьяк и другие. Этот сплав является наиболее используемым сплавом. Человечество было в ней со времен Древнего Египта.

Долгое время это был стратегически защитный материал. Прошло всего столетие до того, что он сделал инструменты. Он состоит из олова и меда. Этот металл стал одним из первых, поглощенным человеком. По сравнению с медом, он имеет больше преимуществ, таких как твердость, технология, прочность. Создание бронзы открыло для человечества множество различных возможностей, которые все еще используются сегодня.

(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.

^ Состав данных сплавов имеет очень узкие пределы: 1-1,7% Мп;

Свинцовая бронза плохо обработана давлением, шлифованием или резкой. Литовские качества не уступают другим металлам. Этот сплав обладает высокой коррозионной стойкостью, а также антифрикционными свойствами. Он может использоваться для механизмов механических деталей или в химической промышленности для производства фитингов. Свинец, фосфор способен улучшать антифрикционные свойства. Бронзовая чаша может также легироваться цинком, никелем, алюминием, мышьяком. Добавление цинка до одиннадцати процентов не изменяет характеристики бронзы, но намного дешевле.

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.

Бронзовый сплав с цинковыми трансплантатами называется «Адмиралтейство», он хорошо защищен от коррозии и морской воды. Мы предлагаем оптом, бронзу, латунь, медь и цветные сплавы оптом или отложенные платежи. Большой выбор полуфабрикатов на складе. Всегда в присутствии меди и цветных сплавов, свинца, адмиралтейства, свинцовой бронзы, цены - оптимальные от продавца. Для оптовых покупателей цена предпочтительнее. На складе представлен самый большой выбор продуктов для крупномасштабных производств. У нас также есть привлекательные условия для ритейлеров.

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.

Всегда доступны, латунь, медь, бронза и прокат, цена - благодаря технологическим особенностям производства, без учета дополнительных затрат. Цена заказа зависит от объема и дополнительных условий доставки. Найдите нас в Интернете. В этом сегменте Ауремо, прибыльный поставщик. Качество соответствует международным стандартам . Лучшая цена от продавца. Чтобы ознакомиться с каталогом продуктов, ознакомьтесь с нашим прайс-листом и получите необходимую информацию, вы будете находиться на позиции нашего сайта.

Обозначение и значение термической обработки

Онлайн-консультант всегда в вашем распоряжении и ответит на все вопросы. Мы с нетерпением ждем ваших заказов - интернет-адреса компании в разделе контактов. Используется для продуктов, которые были подвергнуты термической закалке путем низкотемпературного нагрева после холодной обработки. Он подходит только для сплавов, которые имеют процесс старения при нормальных уровнях температуры, сплавленных по мере их горячей обработки.

Обозначение термической обработки проката

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.

^ На судах из сплавов этой группы изготовлены спасательные боты, шлюпбалки, забортные трапы, дельные вещи и т.п.

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).

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.

^ Микроструктура состаренного сплава представлена на рис.6б. Она состоит из твердого раствора и включений различных вышеперечисленных фаз.

Обработка алюминия

^ Все сплавы алюминия можно разделить на две группы :

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.

А) ^ Упрочняемые термической обработкой:

Дуралюмины, «дюраль» (Д1, Д16, Д20*, сплавы алюминия меди и марганца) - 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.

^ Сплав авиаль (АВ ) удовлетворительно обрабатывается резанием после закалки и старения, хорошо сваривается аргонодуговой и контактной сваркой . Из этого сплава изготовляются различные полуфабрикаты (листы, профили, трубы и т.д.), используемые для элементов конструкций, несущих умеренные нагрузки, кроме того, лопасти винтов вертолетов, кованные детали двигателей, рамы, двери, для которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем состоянии.

^ Высокопрочный сплав (В95) имеет предел прочности 560-600 Н/мм2, хорошо обрабатывается резанием и сваривается точечной сваркой. Сплав применяется в самолетостроении для нагруженных конструкций (обшивки, стрингеры, шпангоуты, лонжероны) и для силовых каркасов в строительных сооружениях.

^ Сплавы для ковки и штамповки (АК6, АК8, АК4-1 [жаропрочный]). Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительными литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки. Алюминиевые сплавы этой группы хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются контактной и аргонодуговой сваркой.

Б) Не упрочняемые термической обработкой:

Сплавы алюминия с марганцем (АМц ) и алюминия с магнием (АМг2, АМг3, АМг5, АМг6) легко обрабатываются давлением (штамповка, гибка), хорошо свариваются и обладают хорошей коррозионной стойкостью. Обработка резанием затруднена, поэтому для получения резьбы используют специальные бесстружечные метчики (раскатники), не имеющие режущих кромок.

Литейные алюминиевые сплавы - предназначенные для фасонного литья (как правило, хорошо обрабатываются резанием).

^ Сплавы алюминия с кремнием (силумины) Al-Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9) отличаются высокими литейными свойствами, а отливки - большой плотностью. Силумины сравнительно легко обрабатываются резанием.

^ Сплавы алюминия с медью Al-Cu (АЛ7, АЛ19) после термической обработки имеют высокие механические свойства при нормальной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием.

^ Сплавы алюминия с магнием Al-Mg (АЛ8, АЛ27 ) имеют хорошую коррозионную стойкость, повышенные механические свойства и хорошо обрабатываются резанием. Сплавы применяют в судостроении и авиации.

^ Жаропрочные алюминиевые сплавы (АЛ1, АЛ21, АЛ33) 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.

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

^ Алюминий применяют для производства из него изделий и сплавов на его основе.

Легирование - процесс введения в расплав дополнительных элементов , улучшающих механические, физические и химические свойства основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, проводимых на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции.

^ Введение различных легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства.

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

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.

^ Дюралюминии - сплавы алюминия с медью

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 %.

^ Медь растворяется в алюминии в количестве 0,5% при комнатной температуре и 5,7% при эвтектической температуре, равной 548 C.

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.

^ Сплавы алюминия с марганцем и магнием

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.

^ В случае системы Al-Mg причина отсутствия упрочнения при термической обработке иная. При содержании магния до 1,4% упрочнения быть не может, так как в этих пределах он растворяется в алюминии при комнатной температуре и никакого выделения избыточных фаз не происходит. При большем же содержании магния закалка с последующим химическим старением приводит к выделению избыточной фазы - химического соединения Mg Al .

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 .

^ Другие легирующие элементы

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.

^ Галлий добавляется в количестве 0,01 - 0,1% в сплавы, из которых далее изготавливаются расходуемые аноды.

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.

^ Кадмий . Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности и улучшения коррозионных свойств сплавов.

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 .

^ Олово улучшает обработку резанием.

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 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 3S = Аl2S3 (сульфид алюминия)

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.

^ Алюминотермия используется для получения редких металлов, образующих прочную связь с кислородом: нио¬бия Nb, тантала Та, молибдена Мо, вольфрама W и др.

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

^ Применение алюминия

Алюминий широко применяется как конструкционный материал. 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.

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала - малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).

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.

^ Благодаря комплексу свойств широко распространен в тепловом оборудовании.

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.

^ Список литературы

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.

Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. Материаловедение. М.: «Машиностроение», 1980 г., 493 с.

), получивший промышленное применение , был разработан в 1909 А. Вильмом (Германия). С производством этого А. с. связан начальный. период развития металлического самолётостроения. В РСФСР в 1922 на заводе по обработке цветных металлов в посёлке Кольчугино Владимирской области было начато промышленное производство листового и сортового проката из отечественного А. с. кольчугалюминия (создатели Ю. Г. Музалевский и С. М. Воронов), отличавшегося по составу от немецкого дуралюминия. Большая роль, которую играют А. с. в авиастроении, определяется удачным сочетанием свойств: малой плотностью (2500-2900 кг/м3), высокими прочностью (до 500-600 МПа), коррозионной стойкостью, технологичностью при литье, обработке давлением, сварке и обработке резанием. Благодаря высокой удельной прочности начиная с 20 х гг. XX в. А. с. являются важнейшим конструкционным материалом в самолётостроении.
Основные легирующие компоненты А. с. - магний, цинк, кремний. В результате легирования алюминия одним, двумя и более элементами из числа перечисленных в различных сочетаниях, а также малыми добавками одного или нескольких переходных металлов - марганца, хрома, титана, циркония, никеля, железа, ванадия - получены и применяются в промышленности более 150 А. с. В 70 е гг. в число легирующих компонентов А. с. вошел также питий.
Все А. с. обычно разделяют на деформируемые, из которых изготовляют листы, плиты, профили и другие полуфабрикаты путём пластинчатой деформации литой заготовки, и литейные, которые предназначены исключительно для фасонного литья. Из деформируемых А. с. наибольшее значение имеют сплавы следующих систем.
Алюминий - магний с добавками марганца, титана, циркония (сплавы АМr2, АМr5, АМr6; цифра в марке показывает приблизительное содержание магния в процентах). Эти сплавы не упрочняются термообработкой; в отожжённом состоянии характеризуются умеренной прочностью (до 350 МПа для АМr6), высокой пластичностью, очень высокой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью. Широко применяются для ответственных сварных конструкций.
Алюминий - медь - магний с добавками марганца - дуралюмины (Д1, Д16, Д18, В65, Д19, В17, ВАД1). Упрочняются термообработкой; подвергаются, как правило, закалке и естественному старению. Характеризуются сочетанием высокой статической прочности (до 450-500 МПа) при комнатной и повышенной (до 150-175°С) температуpax, высоких усталостной прочности и вязкости разрушения. Такое сочетание свойств определило широкое применение этих сплавов, особенно Д16 и Д16ч (чистого по примесям железа и кремния), в самолётостроении. Недостаток - низкая коррозионная стойкость; изделия требуют тщательной защиты от коррозии.
Алюминий - цинк - магний - медь с добавками марганца, хрома, циркония. Подвергаются закалке и искусственному старению. Сплавы имеют самую высокую из всех А. с. прочность (до 700 МПа для В96Ц). Однако при старении на максимальную прочность повышается чувствительность этих А. с. к коррозионному растрескиванию, снижаются пластичность и значения характеристик конструкционной прочности. Для этих сплавов внедрены режимы смягчающего старения (перестаривания), которые обеспечивают сочетание достаточно высокой прочности (420-470 МПа для В93 и В95) с удовлетворительными значениями сопротивления коррозионному растрескиванию и конструкционной прочности. Сплав В95, особенно его В95пч (повышения чистоты по примесям железа и кремния), относится к числу наиболее важных конструкционных материалов в самолётостроении.
Алюминий - магний - литий с добавками марганца и циркония. Подвергаются закалке и искусственному старению. Отличительная особенность - сочетание достаточно высокой прочности (420-450 МПа) с наименьшей для промышленных А. с. плотностью (2500 кг/м), высоким модулем упругости (75 ГПа) и удовлетворительной свариваемостью. Недостатки: пониженная пластичность, плохие технологические свойства.
Из литейных сплавов наибольшее значение имеют сплавы следующих систем.
Алюминий - кремний, (силумины) с добавками магния, меди, марганца, титана, никеля (АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ5, АЛ34) - самые распространённые литейные А. с. При наличии магния и меди сплавы упрочняются термообработкой. Механические свойства колеблются в широких пределах (прочность от 15 МПа для АЛ2 до 350 МПа для АЛ34). Сплавы отличаются очень хорошими литейными свойствами, удовлетворительной коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.
Алюминий - медь с добавками марганца, титана, никеля, циркония, церия, кадмия (АЛ7, АЛ19, АЛЗЗ, ВАЛ10). Упрочняются закалкой с последующим искусственным старением. К этой группе относятся самые прочные (до 500 МПа для ВАЛ10) и самые жаропрочные (90 МПа для АЛ33) литейные А. с. Недостатки: низкая коррозионная стойкость, пониженные литейные свойства.
Наряду с деформируемыми к литейными А. с. в авиастроении используются спечённые материалы - спечённая алюминевая пудра и спечённый алюминевый сплав.

Авиация: Энциклопедия. - М.: Большая Российская Энциклопедия. Главный редактор Г.П. Свищев . 1994 .

Смотреть что такое "Алюминиевые сплавы" в других словарях:

Сплавы на основе алюминия. Первые А. с. получены в 50 х гг. 19 в.; они представляли собой сплав алюминия с кремнием и характеризовались невысокими прочностью и коррозионной стойкостью. Длительной время Si считали вредной примесью в А. с.… … Большая советская энциклопедия

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ - сплавы на основе алюминия с добавками Cu, Mg, Zn, Si, Mn, Li, Cd, Zr, Cr и других элементов. Алюминиевые сплавы обладают высокой электро и теплопроводностью, хорошей коррозионной стойкостью. Применяются во многих отраслях машиностроения. По… … Металлургический словарь

Имеют широкое распространение в военном кораблестроении в качестве материалов, применение которых способствует облегчению веса корпуса корабля. А. С. разделяются на литые и прокатные. Литые А. С. представляют сплав алюминия с медью (2 3 %),… … Морской словарь

алюминиевые сплавы - сплавы на основе алюминия (Al) с добавками Сu, Mg, Zn, Si, Mn, Li, Cd, Zr, Cr и других элементов; характеризуется малой плотностью (от 2,5 до 2,9 г/см3), высокой удельной прочнению при достаточно удовлетворяющей пластичности,… … Энциклопедический словарь по металлургии

алюминиевые сплавы Энциклопедия «Авиация»

алюминиевые сплавы - алюминиевые сплавы. Первый А. с. (дуралюмин), получивший промышленное применение, был разработан в 1909 А. Вильмом (Германия). С производством этого А. с. связан начальный период развития металлического самолётостроения. В РСФСР в 1922 на заводе… … Энциклопедия «Авиация»

Сплавы на основе алюминия с добавками меди, магния, цинка, кремния, марганца, лития, кадмия, циркония, хрома и др. элементов. А. с. обладают высокими механич. св вами и малой плотностью, высокой электрои теплопроводностью, хорошей корроз.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ - сплавы с предельным значением прочности на разрыв 190 МПа или более, измеренным при температуре 293К (20С) … Словарь понятий и терминов, сформулированных в нормативных документах российского законодательства

При сплавлении алюминий соединяется со многими металлами; из получающихся таким образом сплавов заслуживает наибольшего внимания сплав меди с алюминием, алюминиевая бронза (см. это сл.) … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

спеченные алюминиевые сплавы (САС) - высокопрочные материалы, полученные спеканием из легированных Al порошков или гранул. В России наиболее широкое промышленное применение получили САС с высоким содержанием Si (заэвтектические силумины) марок САС 1 (25 30 … Энциклопедический словарь по металлургии Подробнее

Физические свойства алюминия

Алюминий - мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления 660°C.

По распространенности в земной коре алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния среди всех атомов и 1-е место - среди металлов.

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 делятся по способу получения на деформируемые, подвергаемые обработке давлением и литейные, используемые в виде фасонного литья; по применению термической обработки - на термически не упрочняемые и термически упрочняемые, а также по системам легирования.

Получение

Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году. Современный метод получения разработали независимо друг от друга американец Чарльз Холл и француз Поль Эру. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.

Применение

Алюминий широко применяется как конструкционный материал . 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.

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала - малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий ).

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.

Благодаря комплексу свойств широко распространен в тепловом оборудовании.

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.

Драгоценный алюминий

В настоящее время алюминий является одним из самых популярных и нашедших широкое применение металлов. С самого момента открытия в середине XIX века его считали одним из ценнейших благодаря удивительным качествам: белый как серебро, легкий по весу и не подверженный воздействию окружающей среды. Стоимость его была выше цен на золото. Не удивительно, что в первую очередь алюминий нашел свое применение в создании ювелирных изделий и дорогих декоративных элементов.

В 1855 г. на Универсальной выставке в Париже алюминий был самой главной достопримечательностью. Изделия из алюминия располагались в витрине, соседствующей с бриллиантами французской короны. Постепенно зародилась определенная мода на алюминий. Его считали благородным малоизученным металлом, используемым исключительно для создания произведений искусства.

Наиболее часто алюминий использовали ювелиры. При помощи особой обработки поверхности ювелиры добивались наиболее светлого цвета металла, из-за чего его часто приравнивали к серебру. Но в сравнении с серебром, алюминий обладал более мягким блеском, чем обуславливалась еще большая любовь к нему ювелиров.

Так как химические и физические свойства алюминия сначала были слабо изучены, ювелиры сами изобретали новые техники его обработки. Алюминий технически легко обрабатывать, этот мягкий металл позволяет создавать отпечатки любых узоров, наносить рисунки и создавать желаемой формы изделия. Алюминий покрывался золотом, полировался и доводился до матовых оттенков.

Но со временем алюминий стал падать цене. Если в 1854-1856 годах стоимость одного килограмма алюминия составляла 3 тысячи старых франков, то в середине 1860-х годов за килограмм этого металла давали уже около ста старых франков. Впоследствии из-за низкой стоимости алюминий вышел из моды.

В настоящее время самые первые алюминиевые изделия представляют большую редкость. Большинство из них не пережило обесценивания металла и было заменено серебром, золотом и другими драгоценными металлами и сплавами. В последнее время вновь наблюдается повышенный интерес к алюминию у специалистов. Этот металл стал темой отдельной выставки, организованной в 2000 году Музеем Карнеги в Питсбурге. Во Франции расположен Институт истории алюминия , который в частности занимается исследованием первых ювелирных изделий из этого металла.

В Советском союзе из алюминия делали общепитовские приборы, чайники и т.д. И не только. Первый советский спутник был выполнен из алюминиевого сплава. Другой потребитель алюминия - электротехническая промышленность: из него делаются провода высоковольтных линий передач, обмотки моторов и трансформаторов, кабели, цоколи ламп, конденсаторы и многие другие изделия. Кроме того, порошок алюминия применяют во взрывчатых веществах и твердом топливе для ракет, используя его свойство быстро воспламеняться: если бы алюминий не покрывался тончайшей оксидной пленкой, то мог бы вспыхивать на воздухе.

Последнее изобретение - пеноалюминий, т.н. «металлический поролон», которому предсказывают большое будущее.

Редкий метал так часто поднимается в воздух, участвует в строительстве домов, автомобилей и морских судов, как алюминий. Казалось бы - не самый прочный, не самый стойкий, довольно мягкий... Что такого есть в алюминии, благодаря чему его называют "металлом будущего"?

У алюминия без сомнения есть несколько преимуществ, с которыми сложно поспорить:

Легкость;
- распространенность - алюминий самый распространенный металл на планете Земля;
- простота обработки;

Еще алюминий не выделяет вредных веществ при нагревании и хорошо проводит тепло. Но самое главное - стоит добавить к чистому алюминию немного, всего несколько десятых долей другого элемента, и.... вуаля! Получаете материал с диаметрально противоположными физико-химическими свойствами. Некоторые сплавы на основе алюминия настолько прочны, что при температуре до - 200 градусов по Цельсию сравнимы с титаном и сталью!

Получение и классификация алюминиевых сплавов

Процесс получения алюминиевых сплавов называется легированием. Однако легирование - это скорее не один, а несколько взаимосвязанных процессов. Его суть заключается в том, что в расплавленный алюминий вводят вспомогательные (легирующие) элементы в количестве от нескольких десятых до нескольких тысячных процента.

Доля вспомогательных веществ напрямую зависит от того результата, который необходимо получить. При этом важно учитывать, что алюминий обычно уже содержит в себе железо и кремний. Оба элемента не в лучшую сторону влияют на качество будущего сплава: они уменьшают его стойкость к коррозии, электропроводимость и пластичность.

В связи с тем, что алюминий и алюминиевые сплавы используются в стратегически важных областях, они подлежат обязательной государственной сертификации и маркировке. В России качество сплавов определяется на основе двух ГОСТ: №4784-97 и № 1583-93.

Сплавы из алюминия можно классифицировать по нескольким разным направлениям. По типу вспомогательных (легирующиех) элементов сплавы бывают:

С добавлением присадок (отдельных элементов - цинк, магний, марганец, хром, кремний, литий и т.д);

С добавлением интреметаллидов (соединений из нескольких металлов - магний+кремний, медь+магний, литий+магний, литий+медь и пр.).

В зависимости от выбранного метода дальнейшей металлообработки они делятся на:

Деформируемые сплавы алюминия (сплав не превращается в жидкость, а просто становится очень пластичным) - их удобно штамповать, подвергать ковке, прокату, экструзии, прессовке. Для достижения большей прочности некоторые из сплавов подвергают обработке при повышенных температурах (отжиг, закалка и старение), другие же обрабатывают под давлением. В результате получаются такие алюминиевые заготовки, как листы, профили, трубы, изделия более сложных форм и т.д.

Литейные сплавы алюминия (сплав проступает в производство в очень жидком состоянии, чтобы его легко можно налить в какую-нибудь форму) - такие сплавы легко резать, их них получаются литые фасонные (получаемые под давлением) и формовочные изделия.

Все сплавы на базе алюминия также можно разделить по степени прочности на:

Сверхпрочные (от 480 МПа) ;
- среднепрочные (от 300 - 480 МПа);
- малопрочные (до 300 МПа);

Отдельно классифицируются сплавы стойкие к воздействию высоких температур и коррозии.

Для того, чтобы изделия из сплавов было легко различить, каждому сплаву присваивается свой номер, состоящий из букв и цифр. Этот номер означает марку сплава алюминия. В начале наименования марки ставится буква или несколько букв, они указывают на состав сплава. Затем идет цифровой порядковый номер сплава. Буква в конце показывает, как обрабатывался сплав и в каком виде находится в данный момент.

Разберем принцип маркировки на примере сплава Д16П. Первая буква в марке "Д" означает дюралюминий, т.е сплав алюминия с медью и магнием. "16" - порядковый номер сплава. "П" - полунагартованный, то есть сплав прошел холодную обработку давлением до значения прочности вполовину меньше максимального.

Производство сплавов алюминия и их применение сильно разнятся в зависимости от вида и марки. Каждый сплав обладает своим собственным, весьма специфическим набором физико-механических свойств. Среди этих свойств есть такие, от которых зависит дальнейшая судьба сплава - то, куда он отправится с завода: на авиабазу, на стройку и в цех изготовления кухонной утвари. Эти свойства следующие: уровень прочности, коррозионная стойкость, плотность, пластичность, электро- и теплопроводность.

Основные свойства различных сплавов алюминия

Давайте рассмотрим основные сплавы на базе алюминия именно с точки зрения их приобретенных свойств.

Сплав меди и алюминия бываетнескольких видов - "чистый", в котором главными действующими элементами выступают Al и Cu, "медно-магниевый", в котором помимо меди и алюминия некоторую долю занимает магий и "медно-марганцевый" с легированием марганцем. Такие сплавы часто также называют дюралюминиям, их легко резать и сваривать "точечно".

Характерная черта дюралюминов в том, что для них берется алюминий с примесями железа и кремния. Как мы уже говорили, обычно присутствие этих элементов ухудшает качество сплава, но данный случай - исключение. Железо при повторной термической обработке сплава повышает его жаростойкость, а кремний выступает катализатором в процессе "старения" дюралюминов. В свою очередь магний и марганец в качестве легирующих элементов делают сплав намного прочнее.

Сплав алюминия и магния имеет разные показатели прочности и пластичности, в зависимости от количества магния. Чем магния меньше, тем меньше прочность изделия из такого сплава и тем выше стойкость к коррозии. Увеличение содержания магния на 1 % приводит к росту прочности до 30 000 Па. В среднем сплавы на основе магния и алюминия содержат до 6% первого. Почему не больше? Если магния в сплаве становится слишком много, изделие из него будет быстро покрываться ржавчиной, а кроме того такие изделия имеют нестабильную структуру, могут треснуть и т.д.

Термообработку сплавов магния с алюминием не проводят, так как она малоэффективна и не дает необходимого эффекта увлечения прочности.

Сплав алюминия с цинком и магнием считается наиболее прочным из всех алюминиевых сплавов, известных на сегодняшний день. Его прочность сравнима с титаном! Во время термообработки большая часть цинка растворяется, что и делает данный сплав таким прочным. Правда использовать в электрической промышленности изделия из таких сплавов невозможно, они не стойки к коррозии под напряжением. Чуть повысить коррозионную стойкость можно, если добавить в состав меди, но показатель все равно останется не удовлетворительным.

Сплав алюминия с кремнием - самый распространенный сплав в литейной промышленности. Поскольку кремний прекрасно растворяется в алюминии при нагреве, то образуемый расплавленный состав замечательным образом подходит для формовочного и фасонного литья. Готовые изделия относительно легко режутся и имеют высокую плотность.

Сплав алюминия с железом, как и сплавы алюминия с никелем практически не встречается "в живую". Железо добавляют исключительно как вспомогательный элемент для того, чтобы литейный сплав легко отлипал от стенок формы. Никель с свою очередь наиболее известен в производстве магнитов и присутствует в качестве одного из элементов в сплаве алюминий-никель-железо.

Сплав титана и алюминия, такжене встречается в чистом виде и используется только дляувеличения прочности изделий. С той же целью проводится сварка стали и сплавов алюминия.

Как наиболее легкий и пластичный металл, обладает широкой сферой использования. Он отличается устойчивостью к коррозии, имеет высокую электропроводность, а также легко переносит резкие температурные колебания. Еще одной особенностью является при контакте с воздухом появление на его поверхности особой пленки, которая защищает металл.

Все эти, а также другие особенности послужили его активному использованию. Итак, давайте узнаем подробнее, каковы области применения алюминия.

Данный конструкционный металл имеет широкое распространение. В частности именно с его использования начали свою работу авиастроение, ракетостроение, пищевая промышленность и изготовление посуды. Благодаря своим особенностям алюминий позволяет улучшить маневренность судов за счет меньшей массы.

Конструкции из алюминия в среднем на 50% получаются легче, нежели аналогичные стальные изделия.

Отдельно стоит упомянуть способность металла проводить ток. Такая особенность позволила сделать его главным конкурентом . Он активно применяется при производстве микросхем и в целом в области микроэлектроники.

Наиболее популярными сферами использования можно назвать:

• Авиастроение: насосы, двигатели, корпуса и прочие элементы;
• Ракетостроение: как горючий компонент для ракетного топлива;
• Судостроение: корпуса и палубные надстройки;
• Электроника: провода, кабели, выпрямители;
• Оборонное производство: автоматы, танки, самолеты, различные установки;
• Строительство: лестницы, рамы, отделка;
• Область ЖД: цистерны для нефтепродуктов, детали, рамы для вагонов;
• Автомобилестроение: бампера, радиаторы;
• Быт: фольга, посуда, зеркала, мелкие приборы;

Широкое распространение объясняется преимуществами металла, однако есть у него и существенный недостаток – это невысокая прочность. Чтобы минимизировать его, в металл добавляется и магний.

Как вы уже поняли, основное свое применение получили алюминий и его соединения в электротехнике (и просто технике), быту, промышленности, машиностроении, авиации. Теперь же мы поговорим о применении металла алюминия в строительстве.

О применении алюминия и его сплавах расскажет это видео:

Использование в строительстве

Использование алюминия человеком в области строительства обуславливается его устойчивостью к коррозии. Это дает возможность изготавливать из него конструкции, которые планируется использовать в агрессивных средах, а также на открытом воздухе.

Кровельные материалы

Алюминий активно используется для . Этот листовой материал помимо хороших декоративных, несущих и ограждающих особенностей, отличается и доступной стоимостью по сравнению с остальными кровельными материалами. При этом такая кровля не требует профилактического осмотра или ремонта, а срок ее службы превышает многие существующие материалы.

При добавлении в чистый алюминий других металлов можно получить абсолютно любые декоративные особенности. Такая кровля позволяет иметь широкую цветовую гамму, которая идеально впишется в общий стиль.

Оконные переплеты

Можно встретить алюминий среди фонарных и оконных переплетов. Если с аналогичной целью использовать , то она проявит себя как ненадежный и недолговечный материал.

Сталь же быстро покроется коррозией, будет иметь большой вес переплета и неудобства в его открытии. В свою очередь алюминиевые конструкции такими недостатками не обладают.

О свойствах и использовании алюминия расскажет видеоролик ниже:

Стеновые панели

Алюминиевые панели производятся из сплавов этого металла и используются для внешней отделки домов. Они могут иметь вид обычных штампованных листов или готовых ограждающих панелей, состоящих из листов, утеплителя и облицовки. В любом случае они максимально сдерживают тепло внутри дома и, обладая небольшим весом, не несут нагрузку на фундамент.

Алюминий применяют для производства из него изделий и сплавов на его основе.

Легирование - процесс введения в расплав дополнительных элементов, улучшающих механические, физические и химические свойства основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, проводимых на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции.

Введение различных легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства.

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

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.

Дюралюминии - сплавы алюминия с медью

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 %.

Медь растворяется в алюминии в количестве 0,5% при комнатной температуре и 5,7% при эвтектической температуре, равной 548 C.

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.

Сплавы алюминия с марганцем и магнием

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.

В случае системы Al-Mg причина отсутствия упрочнения при термической обработке иная. При содержании магния до 1,4% упрочнения быть не может, так как в этих пределах он растворяется в алюминии при комнатной температуре и никакого выделения избыточных фаз не происходит. При большем же содержании магния закалка с последующим химическим старением приводит к выделению избыточной фазы - химического соединения Mg Al .

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.

Другие легирующие элементы

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.

Галлий добавляется в количестве 0,01 - 0,1% в сплавы, из которых далее изготавливаются расходуемые аноды.

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.

Кадмий. Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности и улучшения коррозионных свойств сплавов.

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.

Олово улучшает обработку резанием.

Титан. Основная задача титана в сплавах - измельчение зерна в отливках и слитках, что очень повышает прочность и равномерность свойств во всем объеме.

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