Алюминиевые сплавы

Специфика легирования

Алюминий — материал, используемый для производства разнообразных изделий как в чистом виде, так и в составе сплавов. Второй вариант становится возможным благодаря легированию — процессу, предполагающему введение в расплав металла дополнительных элементов. Делается это с целью повышения свойств алюминия.

Понятие «легирования» включает сразу несколько технологических операций, которые выполняются на разных стадиях изготовления усовершенствованного металлического сплава. Вводя в состав металла всевозможные легирующие элементы, можно кардинально изменить имеющиеся свойства алюминия или дополнить их некоторыми специфическими качествами.

Прочностные характеристики алюминия в чистом виде не соответствуют требованиям современных промышленников. Именно поэтому в чистом виде алюминий на предприятиях практически не используется, спросом пользуются сплавы на его основе.

В зависимости от вида легирования, улучшить можно показатели твердости и прочности, а также наделить металл жаропрочностью и прочими свойствами. На ряду со всеми положительными изменениями существуют и отрицательные. К ним относится снижение электропроводности, ухудшение антикоррозионности, увеличение относительной плотности. Однако при легировании алюминия марганцем и магнием (процент Mg не превышает 3%) антикоррозионность даже возрастает, а относительная плотность уменьшается.

Разновидности сплавов

Сплавы, в основе которых лежит алюминий, можно получить нескольким и способами. По этому признаку они делятся на две большие категории:

• к первой относятся деформируемые сплавы, основной особенностью которых является отменная пластичность при нагреве;
• ко второй относятся литейные сплавы, отличающиеся прекрасной жидкотекучестью.

В такой классификации отлично отражены технологические свойства сплавов. Получить нужные характеристики удастся посредством ввода в алюминий определенного процента химических элементов.

Основным сырьем, используемым для создания сплавов, является алюминий без добавок и его сплавы с кремнием. Последний вариант включает около 12% Si, при этом примесей железа, марганца, титана и кальция может быть разное количество (минимальное их содержание — полпроцента, а максимальное — 1,7%). Эти сплавы имеют свое название — силумины.

Чтобы получить в результате готовый сплав, который можно без труда деформировать, в основное сырье вводятся легирующие элементы, растворяющиеся в нем. Что касается количества этих веществ, то оно не может быть больше предела их растворимости. Перед обработкой давлением сплавы первой группы нуждаются в нагреве, так как их структура должна быть однородной. Только в этом состоянии можно добиться наибольшей пластичности и наименьшей прочности, что положительно сказывается на обрабатываемости сплава.

Главные легирующие элементы большинства сплавов данной категории — медь, магний, марганец. Помимо перечисленных элементов, в состав может вводиться кремний, никель, железо и т.д.

Дюралюмины

Дюралюминий относится к группе упрочняемых сплавов. В его основе находится алюминий и медь, а также добавки в виде железа и кремния. Процентное содержание главного легирующего элемента составляет от двух до семи процентов. Причем полпроцента меди можно растворить в алюминии при температуре окружающей среды, а 5,7% — при эвтектической (548°С).

Термообработка дюралюминов осуществляется в несколько этапов. Прежде всего, его необходимо нагреть до значения, превышающего линию предельной растворимости (как правило, эта температура составляет около 500°С). Это позволит добиться структуры однородного раствора меди в алюминии. Полученное состояние сплава фиксируется при помощи его мгновенного охлаждения в воде комнатной температуры. Данный процесс называется закалкой. В итоге образуется пересыщенный раствор, отличающийся высокими значениями мягкости и пластичности.

Особенностью закаленной дюрали является нестабильная структура, в которой даже при комнатных условиях происходят определенные преобразования. Подобные изменения ведут к группированию атомов избыточной меди в растворе. Более того, последовательность расположения этих атомов очень схожа с порядком расположения кристаллов в соединении CuAl. В кристаллической решетке твердого раствора атомы располагаются неравномерно, поэтому в ней образуются искажения, которые способствуют увеличению показателей твердости, улучшению прочностных свойств и ухудшением пластичности. При этом об образовании химического соединения пока речи не идет, как и об отделении от твердого раствора. Все изменения, которым подвергается закаленный сплав в условиях окружающей среды, называются естественным старением.

Наиболее активно данный процесс осуществляется на протяжении первых часов, а его завершение наступает спустя шесть суток, хотя в некоторых случаях достаточно и четырех. При увеличении температуры сплава до отметки 150°С происходит искусственное старение. В этом случае сокращается время легирования, но упрочнение получается не таким эффективным, как в случае естественного старения. Этому есть объяснение: при повышенных температурных режимах процесс диффузии выполняется быстрее и проще. На этом фаза образования соединения CuAl завершается, что сопровождается его выделением из твердого раствора. Упрочняющий эффект получается не таким значимым, как в случае искажения структуры твердого сплава методом естественного старения.

Если сравнить итоги старения дюралюминия, осуществляемые при разных условиях, то становится предельно ясно, что увеличить прочностные характеристики металла больше всего удается при естественном варианте старения в течение четырех-шести дней.

Алюминий, легированный марганцем и магнием

Если рассматривать неупрочняемые сплавы из алюминия, то нельзя обойти вниманием его соединения с марганцем и магнием. И первый, и второй вариант характеризуется способностью элементов растворяться в алюминии ограниченно, причем, она снижается одновременно с понижением температуры. Упрочняющее действие в процессе термической обработки нельзя назвать большим и на это есть свои причины.

В ходе образования кристаллов (максимальное содержание Mn даже не достигает 2%) из твердого раствора выделяется избыток Mn, образующий с основным металлом соединение, которое не растворяется в алюминии. Исходя из этого, следующая стадия — нагрев сверх линии предельной растворимости — не обеспечит формирование однородного раствора, то есть сплав останется неоднородным, включающим твердый раствор и металлические частицы. В результате, его нельзя подвергнуть закалке и старению.

При легировании алюминия магнием отсутствие упрочнения объясняется иначе. Повышения прочностных характеристик при содержании Mg максимум полтора процента ждать не приходится, поскольку в таком количестве он полностью растворяется в основном металле при температуре окружающей среды. Конечно, избыточные фазы не выделятся. Если увеличить процент содержания магния, процессы закалки и последующего старения приведут к образованию соединения MgAl.

Свойства полученного соединения не будут отличаться заметным ростом твердости и прочности. Даже независимо от этого, ввод в состав алюминия марганца и магния имеет свои преимущества. Например, магний в объеме до 3%, положительно воздействует на антикоррозионность и легкость сплава.

Многообразие легирующих элементов

Усовершенствовать свойства алюминия помогают легирующие элементы типа:

• бериллия — снижает окислительные процессы, возникающие при повышенных температурах. Достаточно даже одной сотой процента данного вещества, чтобы повысить текучесть алюминиевых сплавов при изготовлении деталей ДВС (поршни, цилиндрические головки). Правда лучших результатов можно добиться при добавлении 0,05%;
• бора — увеличивает электропроводность и используется в виде рафинирующей добавки. Им дополняются алюминиевые сплавы, которые нашли свое распространение в атомной энергетике, поскольку именно бор вбирает нейтроны, тем самым исключая распространение ионизирующего излучения. Количество этого элемента не превышает десятой части процента;
• висмута — улучшает мехобработку алюминиевого сплава методом резания. Такая способность обусловлена низкой температурой плавления висмута, схожей с оловом, свинцом, кадмием. За счет подобных включений гораздо проще образуются легкоплавкие фазы, предусматривающие смазывание резца и ломкость стружки;
• галлия — добавляется в сплавы, применяемые при изготовлении анодов. Его достаточно от сотой до десятой части процента;
• железа — небольшое его количество (меньше четырех сотых процента) помогает улучшить прочностные свойства и ползучесть сплава. При этом оно предупреждает прилипание металла к литейным формам;
• индия — упрочняет сплавы при их старении, когда в них содержится небольшой процент меди. Такой добавки достаточно не больше 0,2%. Ее зачастую применяют в процессе производства подшипниковых сплавов из алюминия и кадмия;
• кадмия — чтобы повысить коррозионные прочностные свойства сплава вполне хватит 0,3% данного вещества;
• кальция — отвечает за пластичность. Кальций в количестве пяти процентов делает сплав сверхпластичным;
• кремния — используется как добавка чаще остальных элементов, поскольку 0,5-4% данного элемента снижают предрасположенность сплава к образованию трещин. В сочетании с магнием он делает возможным термическое уплотнение;
• олова — способствует упрощению механообработки резанием;
• титана — измельчает зернистость отливок, увеличивая их прочность.

Сфера применения сплавов, главный элемент которых — алюминий

Одной из самых ярких характерных особенностей алюминиевых сплавов является антикоррозионность в различных средах, будь то атмосфера, соленая вода, химический раствор. К тому же, они не вступают в реакцию с продуктами питания, то есть алюминий не разрушает полезные вещества, содержащиеся в пище. По этой причине этот металл и сплавы на его основе часто используется для изготовления посуды.

Алюминиевые конструкции довольно часто устанавливаются в море. В виде облицовочных панелей и оконных рам, дверей и кабелей электропередач данный материал нашел свое применение в строительстве. На протяжении длительного периода изделие из алюминия не подвергается разрушительному воздействию коррозии, если даже оно контактирует с различными строительными растворами, главное, чтобы она часто не намокала.

Машиностроение — отрасль, в которой алюминий применяется не менее часто, чем в уже перечисленных сферах деятельности, а объясняется это его уникальными физическими характеристиками. Однако лидирующие позиции данный металл заслуженно занимает в авиации. Именно здесь каждое свойство алюминиевых сплавов имеет большое значение и используется по максимуму.