Цветные металлы и их сплавы

ЦВЕТНЫЕ IV ЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

1 АЛЮМИНИЙ И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

Алюминий (А1) - элемент III руппы Периодической системы элементов Д. I. Менделеева, порядковый номер 13, атомная масса 26,9815.

Алюминий - металл серебристо-бе того цвета. Он не имеет аллотропных превращений и кристаллизуется в решетке гранеш нтрированного куба с периодом а = 4,041 Л. Кристаллическая решетка устойчива при температуре от 4 К до температуры плавления.

Температура плавления алюминия чувствительна к чистоте металла и для высокочистого алюминия (99,996 %) составляет 660,3 °С, температура начата кристаллизации считается равной 660,57 °С и используется для калибровки термопар.

Теоретическая плотность алюминия, рассчитанная по параметрам его кристаллической решетки, - 2698,72 кг/м'. Экспериментальные значения для поликристаллическо о материала находятся в интервале 26'.'6,6-2698,8 кг/м', для монокристаллов - на 0,34 % выше.

Электрическое сопротивление алюминия высокой чистоты (99,99 %) п; и температуре 20 °С составляет 2,6/>48-10~^s Омм. В интервале температур 273-300 К температурная зависимость электриче* кого сопротивления чистого алюминия практически линейна при постоянном коэффициенте 1Д510"⁸Омм КГ¹. Влияние различных примесей на электрическое сопротивление зависи^-. не только от концентрации данной примеси, но и >т ее нахождения в твердом растворе или вне его. Наиболее сильно повышают сопротивление алюминия примеси хрома, лития, марганца, магния, титана, ванадия. В зависимости jt чистоты электрическая проводимое™ технического алюминия составляет 62-65 % >т электрической проводимости меди, но алюминий легче меди (в 3,3 раза) и поэтому для изготовления проводников одинаковом электрической проводимости требуется алюмин :я в 2,16 раза меньше, чем меди. При температуре 1,175±0,001 К алюминий переходит в сверхпроводящее состояние. Уделы ое электрическое сопротивление алюминия при переходе из твердого состояния в жлдкое состояние изменяется скачкообразно с 11 о 24 мкОм см.

Коэффициент термического расширения а отожженного алюминия чистотой 99,99 -'4> при температуре 293 К составляет 23-10"⁶ К"' и практически линейно возрастает до 37,3-К¹"⁶ К"¹ (900 К).

С увеличением содержания при месей прочностные свойства алюминия растут, а пластичность уменьшается, причем эти свойства проявляются даже при изменении чистоты алюминия от 99,5 до 99,00 ^s/o. Механические свойства отожженного алюминия высокой чистоты: а_в = 50 МПа (преде.- прочности на растяжение), а₀₂ = 15 МПа (условнь й предел текучести), 5 = 50 % (относительная деформация), а технического алюминия: а_в = 80 МПа, (Jo2 ⁼ 30 МПа, 8 = 35 %. Модуль нормальной упругости 71 ГПа. Холодн .я пластическая деформация повышаем предел прочности технического алюминия да 150 МПа, но относительное удлинение сния ается до 6 %. Алюминий легко обрабатывается давлением, но обработка резанием затрудне ia, сваривается всеми видами сварки.

Алюминий является химически активным элементом. Нормальный электродный потенциал алюминия равен «-» 1,67 В. Алюминий легко окисляется на воздухе, образуя на поверхности плотную пленку окисла А₂0₃ (=20 мкм), предохраняющую его от дальнейшего окисления и коррозии в атмосперных условиях, воде и других средах. Металл стоек в концентрированной азотной кислоте и некоторых органических кислотах (лимонной, винной, уксусной и др.), а также в контакте с пищевыми продуктами, в связи с чем применяется в быту. Алюминий растворяе ся в серной, соляной, плавиковой кислотах, а также в щелочах. Наличие в металле или у: окружающей среде Hg, Na, Mg, Са, Si, Си и некоторых других элементов способствует снижению прочности и защитных свойств оксидной пленки.

Алюминий эффективно используется дья восстановления других металлов из оксидов (алюминотермия) в связи с высокие значением теплоты образования А1₂0₃ (1670 кДж/моль). С серой металл взаимод ействует при нагревании и образует сульфид алюминия A1₂S₃. Хлорид (А1С1₃) и фторид алюминия (A1F₃) образуются при взаимодействии с соответствующими элементами с выделением значительного количества тепла (680 и 1385 кДж/моль соответстве iho). При нагревании данных соединений в присутствии алюминия протекают реакции образования субхлорида (AIC1) и субфторида (A1F) алюминия. При охлаждении субсоедпнения разлагаются на галогенид и алюминий. Алюминий взаимодействует с азотом при нагревании выше 800 °С с образованием нитрида алюминия (A1N), а также с углеродом с образованием карбида алюминия А1₄С₃ (1200 °С). Металл химически не взаимодействует с в.эдородом, но газ в значительных количествах растворим в жидком и в твердом алюминии

Постоянными примесями алюминия яг. пяются Fe, Si, Си, Zn, Ti. Примеси Fe и Si относятся к нормальным, так как по условиям производства они получаются в алюминии столь же постоянно, как в железе его нормальные примеси. Железо практически нерастворимо в алюминии, обычно наблюдается в нем в виде эвтектики или темных пластинок соединения FeAl₃. В больших количествах (свыше 1 %) эта примесь вредна, так как понижает пластичность металла. Si /ает с А1 твердый раствор с максимальным пределом насыщения 1,85 % Si (рисунок 1), снижающимся до сотых долей процента при нормальной температуре. Кремний как примесь не всегда может быть заметен под микроскопом, вступая в твердый раствор с алюминием (а). В сплавах алюминия Si часто является легирующим элементом.

В зависимости от чистоты различают aj.-оминий особой чистоты: А999 (99,999 % А1); высокой чистоты: А995 (99,995 % Al), А99 (99,99 % Al), А97 (99,99% Al), А95 (99,95 % А1), и технической чистоты: А85, А8, А7, А ), А5, АО (99,0 % А1).

1.2 Классификация алюминиевых сплавов

Алюминиевые <: плавы классифицируют по технологии изготовления (деформируемые, литейные, спеченные), способности к термической обработке (упрочняемые и неупрочняемые) и свойствам (рисунок 3, приложения А Б).

1.2.1 Деформируемое алюминиевые сплавы

Сплавы, не упрочняемые термической обработкой. К этой группе относятся сплавы АМц и AM г. Для данных сплавов характерны высокая пластичность, хорошая свариваемость и высокая коррозионная стойкость. Сплавы АМц относятся к сплавам системы А1 - Мп. Структура сплава АМц состоит из а-твердого раствора и вторичных выделений фазы МпА1₆, переходящих в твердый раствор при повыше ши температуры (рисунок 4). В присутствии железа образуется сложная тройная фаза (FeMn)Al₆, практически не растворимая в алюминии, поэтому сплав АМц не упрочняется термической обработкой. В отожженном состоянии сплав обладает высокой пластичностью и низкой прочностью: \р = 70 %; 5 = 30 %; <т_в =110 МПа

Сплавы АМг относ ятся к сплавам системы А1 - Mg. Магний образуе с алюминием а- твердый раствор, концентрация которого при повышении температуры увеличивается с 1,4 до 17,4 % в результате растворения фазы Mg₂Al₃. Однако сплавы, содержащие до 7,0 % Mg, дают очень не начительное упрочнение при термической обработке. Вследствие этого сплавы АМг, как и АМц, используют в отожженном (мягком - М), реже - в нагартованном (Н - 8( ^: % наклепа) и полунагартованном (П - 40 % наю епа) состояниях. Резкое снижение пластичности в результате наклепа ограничивает применение данного вида механической обработки.

Для сплава АМг применяют отжиг при температуре 350-420 °С. Увеличение доли фазы Mg₂Al₃ (увеличение содержания Mg) приводит к существенному повышению значения предела г рочности с 110 МПа (AMrl) до 430 МПа (АМгб) при соответствующем снижении относительного удлинения с 28 до 16 % и увеличении склонности к коррози! под напряжением.

Сплавы типа АМц и АМг применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, от которых требуется высокая коррозионная стойкость (трубопроводы для бензина и масла, ceapi ые баки), а также для заклепок, переборок, корпусов и мачт судов, лифтов, узлов подъем)'Ых кранов, рам вагонов, кузовов автомобилей и д <.

Сплавы, упрочняемые термической обработкой. Типичные преде авители сплавов - дуралюмины (маркируют буквой Д). Они относятся к сплавам систем.л AI - Си - Mg . Медь с алюминием образуют твердый раствор, максимальная концентрация меди в котором 5,65 % npi эвтектической температуре (см. рисунок 4). С понижением температуры растворимость меди уменьшается, достигая 0,1 % при 20 °С. При этом из твердого раствора вьц гляется фаза О (СиА1₂), содержащая ~ 54,1 % Си.

Марганец вводят доя повышения коррозионной стойкости сплава. П рисутствие в нем дисперсных частиц фазы T(Ali₂Mn₂Cu) повышает температуру рекристаллизации и улучшает механические свойства.

В качестве примесей в д ралюмине присутствуют железо и кремний. Железо образует соединение (Mn, Fe)Al₆, ко орое кристаллизуется в виде грубых пластин, понижающих прочность и пластичност! дуралюмина. Кроме того, железо образует соединение AI₇Cu₂Fe, нерастворимое в алюминии (снижается эффект упрочнения при (тарении за счет связывания железом м< ди). Содержание железа не должно превышать 0,5-0,7 %.

Дуралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состоянии и ш охо в отожженном состоянии, хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются с; аркой плавлением из-за склонности к образованию трещин.

Дуралюмины широко применяют в авиации. Из сплава Д1 изготовляют лопасти воздушных винтов, изД16- шпангоуты, нервюры, тяги управления и др. Кроне того, их используют для строительных конструкций, кузовов грузовых автомобиле!:, обсадных труб и др. Став Д18 - одииз основных заклепочных алюминиевых ставов. Заклепки из става Д18 ставят в конструкцию после закалки и естественного старения.

Другим представителем сплавов, упрочняемых термической обработкой, является сплав авиаль (АВ). Эти стлавы уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в хэлодном и горячем состояниях. Авиаль удовлетворительно обрабатывается резанием после закалки и старения) и сваривается контактной и аргонодуговой сваркой. Сш ав обладает высокой общей сопротивляемостью коррозии, но склонен к межкристаллитной коррозии.

Термическая обработка включается в нагреве под закалку 515-^525 °С с охлаждением в воде и последующим естественным (АВТ) или искусственным старением прч 160 °С 12 ч (АВТ1). Упрочняющей фгзой в авиале является соединение Mg₂Si.

Из сплава АВ изготовояют различные полуфабрикаты (листы, трубы и т. д., используемые для элементов конструкций, несущих умеренные нагрузки), ;.роме того, лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери и т. д., ля которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем состояниях.

1.2.2 Литейные алюминие вые сплавы

Для литейных алюминиевых сплавов наиболее распространена классификация по химическому составу (сплг вы А1 - Si, А1 - Си и А1 - Mg). Высокими литейными свойствами обладают спле-зы, содержащие в своей структуре эвтектику. Эвтектика образуется во многих спла tax, в которых содержание легирующих элемен ов больше предельной растворимости в алюминии. Таким образом, содержание легирующих элементов в литейных сплав:ix выше, чем в деформируемых.

Силумины (АЛ2, АЛ4 v> др.) - наиболее распространенные литейные алюминиевые сплавы, широко применяем:.ie только в литом виде. Реже, кроме силуминов в качестве литейных алюминиевых сплавов применяют сплавы алюминия с медью, магнием и 

I инком.

Двойные сплавы не упрочняются термической обработкой. Это объясняется высокой скоростью распада твердого раствора, который частично происходит уже при закалке, а также большой склонностью к коагуляции стабильных выделений кремния. Единственным с пособом повышения механических свойств этих сг лавов является измельчение структуры путем модифицирования. Легирование двойны < сплавов позволяет осуществлять термообработку.

Сплавы системы А1 - Mg (АЛ8, АЛ27) обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошей обрабатываемостью резанием. Вместе с тем они I меют невысокие литейные свойства (не содержат эвтектики), пониженную герметичность и повышенную чувствительность к примесям Fe, Si, которые образуют в этих сплавах нерастворимые фазы, снижающие пластичность сплавов (добавление к сплавам А1 - Mg до 1,5 % Si (сплавы АЛ13, АЛ22) улучшает литейные свойства в результате образования тройной эвтектики). Стлав АЛ8 обладает склонностью к с кислению во время плавки, разливки и кристаллизации, что приводит к появлению окисных пленок в его структуре и снижению ме? анических свойств. Вследствие этого г лавку и разливку сплава необходимо вести под ащитными флюсами. В сплаве АЛ27 склонность к окислению устраняется путем легирования бериллием. Укрупнение зерна, вызываемое добавкой бериллия, предотвращается (ведением в сплав титана и циркония. .Легирование двойных сплавов Be, Ti, Zr не только устраняет их склонность к окислению и росту зерна, но и тормозит естественное старение, вызывающее снижение пластичности и вязкости сплавов.

Жаропрочные алюминиевые сплавы

Жаропрочными сплавами называются сплавы, работающие при температурах до 300 °С (АК4, АК4-1 - деформируемые алюминиевЫ' сплавы) (приложение В.1). Сплавы .тегированы элементами (Fe, Ni, Ñè), которые способны образовывать упрочняющие с азы, мало склонные к коагуляции при повышенн ix температурах. Такой фазой в сплавах /,К4 и АК4-1 служит FeNiAl₉.

В нестандартных жаропрочных сплавах Д20 и Д21 благодаря высокому содержанию ьеди (5-7 %), кроме обычных упрочняющих фаз д (СиА1₂) и S (CuMgAb), образуется с аза Al_]2Mn₂Cu, придающая им высокую прочность при температурах до 200-300 °С. Жаропрочные сплавы применяются после закалки и искусственного старения. По прочности при комнатных температурах они приближаются к дуралюминам (ст_в = 4 20...480 МПа).

Жаропрочные сплавы используются для нагруженных деталей и сварных изделий, работающих при температурах 20-300 °С: логатки и диски осевых компрессоров, поршни двигателей, сварные емкости и др.

Спеченные сплавы

САП (спеченный алюминиевый порошок, или пудра! - сплавы на основе А1 - А1₂0₃. САП >.арактеризуется высокой прочностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и термической стабильностью свойств. Их получают путем последовательного брикетирования, спекания и прессования окисленноч с поверхности алюминиевой пудры

Высокая прочность САП объясняется большой дисперсностью окисной фазы, малым расстоянием между ее частицами, а также наличием когерентной связи между алюминиевой матрицей и А1₂0₃ (частицы А1₂0₃ эффективно тормозят движение дисклскаций). Нерастворимость в алюминии и отсутствие склонности к коагуляции через алюминиевую матрицу тонкодисперсных частиц А1₂0₃ обеспечивают стабильность структуры и высокую прочность при температурах до 500 °С.