Сплавы алюминия поршковые и гранулируемые

      1.5. Спеченные алюминиевые сплавы.

      Наиболее  широко используют сплавы на основе Al – Al2O3, получившие название САП (спеченный  алюминиевый порошок).

      Эти сплавы получают путем холодного  брикетирования алюминиевого порошка, вакуумной дегазации брикетов (отжига) и последующего спекания нагретых брикетов под давлением. Они состоят из алюминия и дисперсных чешуек Al2O3. Частицы Al2O3 эффективно тормозят движение дислокации и повышают прочность сплава.

      По  сравнению с другими алюминиевыми сплавами материалы САП обладают высокой жаропрочностью при длительном нагреве до 500ºС.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Порошковые сплавы алюминия 

      Порошки и пудры алюминия и его сплавов - наиболее представительные по объему производства и номенклатуре среди порошков цветных металлов. Их отличительной чертой является повышенная пожаро- и взрывоопасность. Получают из сортовых марок алюминия и его сплавов или из их отходов, используя приемы диспергации (пульверизации) расплава. Как следствие, состав порошков и пудр во многом идентичен составу исходного сырья.

      Порошки различаются гранулометрическим составом, удельной поверхностью, насыпной плотностью. Как правило, это продукт серого или серовато-серебристого цвета; содержание в нем примесей, видимых невооруженным глазом, или комочков, не рассыпающихся от легкого прикосновения (надавливания), не допускается.

      Пудры представляют собой мажущийся порошок  серого или серебристо-серого цвета.

      Алюминиевые пудры применяют для производства пигментов, красок, эмалей, лаков, шпатлевок, газобетона.

      В промышленности используются алюминиевые порошки. Применяются в металлургической промышленности: в алюминотермии, в качестве легирующих добавок, для изготовления полуфабрикатов путём прессования и спекания. Этим методом получают очень прочные детали (шестерни, втулки и др.). Также порошки используются в химии для получения соединений алюминия и в качестве катализатора (например, при производстве этилена и ацетона). Учитывая высокую реакционную способность алюминия, особенно в виде порошка, его используют во взрывчатых веществах и твёрдом топливе для ракет, используя его свойство быстро воспламеняться.

      Учитывая  высокую стойкость алюминия к  окислению, порошок используются в  качестве пигмента в покрытиях для окраски оборудования, крыш, бумаги в полиграфии, блестящих поверхностей панелей автомобилей. Также слоем алюминия покрывают стальные и чугунные изделия во избежание их коррозии.

      Порошковые сплавы являются деформируемыми алюминиевыми сплавами.

      В состав деформируемых алюминиевых  сплавов входят спечённые (вместо слитка для дальнейшей деформации используют брикет, спечённый из порошков) алюминиевые  сплавы. Имеются 2 группы спечённых  алюминиевых сплавов промышленного значения: САП (спечённая алюминиевая пудра) и САС-1 (спечённый алюминиевый сплав).

САП упрочняется  дисперсными частицами окиси  алюминия, нерастворимой в алюминии. На частицах чрезвычайно дисперсной алюминиевой пудры в процессе помола её в шаровых мельницах в атмосфере азота с регулируемым содержанием кислорода образуется тончайшая плёнка окислов Al. Помол осуществляется с добавкой стеарина, по мере его улетучивания наряду с дроблением первичных порошков происходит их сращивание в более крупные конгломераты, в результате чего образуется не воспламеняющаяся на воздухе т. н. тяжёлая пудра с плотностью св. 1000 кг/м2. Пудру брикетируют (в холодном и горячем виде), спекают и подвергают дальнейшей деформации — прессованию, прокатке, ковке. Прочность САП возрастает при увеличении содержания первичной окиси алюминия (возникшей на первичных порошках) до 20—22%, при большем содержании снижается. Различают (по содержанию Al2O3) 4 марки САП (6—9% — САП1; 9,1—13% — САП2; 13,1—18% — САП3; 18,1—20% — САП4). Длительные выдержки САП ниже температуры плавления мало влияют на его прочность. Выше 200—250 °С, особенно при больших выдержках, САП превосходит все А. с., например при 500°С предел прочности sb=50—80 Мн/м2 (5—8 кгс/мм2). В виде листов, профилей, поковок, штамповок САП применяется в изделиях, где нужна высокая жаропрочность и коррозионная стойкость. САП содержит большое количество влаги, адсорбированной и прочно удерживаемой окисленной поверхностью порошков и холоднопрессованных брикетов. Для удаления влаги применяется нагрев в вакууме или нейтральной среде несколько ниже температуры плавления алюминиевых порошков или холоднопрессованных брикетов. Дегазация САП повышает его пластичность, и он удовлетворительно сваривается аргоно-дуговой сваркой. По сравнению с другими алюминиевыми сплавами материалы САП обладают высокой жаропрочностью при длительном нагреве до 500ºС.

      САС-1, содержащий 25% Si и 5% Ni (или Fe), получают распылением  жидкого сплава, брикетированием  пульверизата, прессованием и ковкой прутков. Мельчайшие кристаллики Si и FeAl3(NiAl3), воздействуя на матрицу, упрочняют сплав, повышают модуль упругости и пластичность, снижают коэффициент линейного расширения; этот эффект тем больше, чем мельче твёрдые частицы и меньше просвет между ними. Этот А. с. характеризуется низким коэффициентом линейного расширения и повышается модулем упругости. По этим характеристикам порошковые сплавы заметно превосходят соответствующие литейные алюминиевые сплавы.

      Чаще  САС применяют, когда путем литья  и обработки давлением трудно получить соответствующий сплав. Спеченные алюминиевые сплавы применяют для деталей приборов, работающих в паре со сталью при температуре 20 - 200ºС. Которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности. 
 
 
 
 
 

3. Гранулированные  сплавы алюминия. 

      Гранулированные сплавы - конструкционные металлические материалы, полученные путём изостатического прессования при высоких давлениях (компактирования) мельчайших частиц (гранул) сплавов определенного химического состава, закристаллизовавшихся с высокой скоростью. Металлургия гранул - одно из перспективных направлений порошковой металлургии. В авиационной промышленности широкое применение находят гранулируемые сплавы на основе алюминия. 
            Технологическая схема изготовления заготовок или деталей методом металлургии гранул включает следующие операции; приготовление расплава, по химическому составу соответствующего заданному сплаву; получение гранул (используются методы центробежного распыления заготовок, оплавляемых плазменной дугой, распыления расплава сжатыми инертными газами, центробежного распыления расплава и др.); рассев и сепарация гранул; дегазация гранул и засыпка их в герметичные металлические или керамические формы; компактирование гранул в заготовки с плотностью, близкой к теоретической, методами горячего изостатического прессования (в специальных аппаратах - газостатах или высокотемпературных гидростатах) или в контейнерах обычных гидравлических прессов.

      Первичное компактирование может дополняться прессованием, ковкой или штамповкой, Компактные заготовки подвергают затем термической и механической обработке и контролю качества. 
Важная характерная особенность металлургии гранул - высокая скорость затвердевания капель металлического расплава: если затвердевание промышленных слитков проходит при скорости охлаждения менее 1°С/с, то при затвердевании гранул размером до 200-300 мкм скорость охлаждения в интервале кристаллизации превышает 10 000°С/с. 
Высокие скорости охлаждения, достигаемые при кристаллизации гранул, в сочетании с горячим изостатическим прессованием обеспечивают ряд преимуществ нового технологического процесса: отсутствие в больших объёмах зональной ликвации и высокая однородность состава, структуры и свойств изделий даже из сложнолегированных сплавов; значительно меньшая чувствительность свойств к размерам заготовок и деталей; измельчение структуры сплава в сочетании со смещением фазовых равновесий по диаграмме состояния; возможность изготовления деталей или точных заготовок сложной формы при минимальной трудоёмкости; резкое сокращение расхода металла; возможность получения изделий из сплавов с повышенным содержанием легирующих компонентов, а также создания нового класса материалов переменного химического состава, обеспечивающих значительное повышение механических, эксплуатационных и многих специальных характеристик.

      Так, в сплавах алюминия с переходными  металлами в несколько раз  увеличивается растворимость (пресыщение твёрдого раствора), что приводит к существенному повышению конструкционной прочности и жаропрочности. Гранулируемые сплавы алюминия со свинцом, которые невозможно получить традиционным способом, значительно превосходят известные алюминиевый сплавы с оловом по антифрикционным свойствам.

      Гранулирование, приводя к многократному измельчению хрупких первичных кристаллов, даёт возможность, эффективно деформируя брикеты, получать изделия с низким коэффициентом линейного расширения (сплавы алюминия с высоким содержанием кремния) и с хорошим сочетанием прочности и электрической проводимости при повышенных температурах (сплавы алюминия с редкоземельными металлами).

      Новая технология позволяет снизить массу  деталей и увеличить ресурс. 
Наряду с гранулируемыми сплавами на основе никеля, титана, алюминия получают распространение и другие гранулируемые материалы. Так, гранулируемые быстрорежущие стали обеспечивают значительно более высокую стойкость режущего инструмента и возможность замены дефицитных легирующих элементов. Металлургия гранул открывает широкие перспективы для повышения свойств сплавов на основе различных металлов.

      Гранулированными  называют сплавы, полученные путем  компактирования из частиц (гранул), отлитых со сверхвысокой скоростью  кристаллизации. Гранулы получают при  кристаллизации в условиях скоростей  охлаждения 10-10 °С/с. Такая скорость охлаждения достигается различными методами, например, распылением жидкого металла струей чистого нейтрального газа. В зависимости от давления газа и условий кристаллизации диаметр гранул колеблется от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Гранулы, а следовательно, и готовые полуфабрикаты (изделия) имеют чрезвычайно мелкозернистую структуру и минимальную легкоустранимую ликвацию. Но особенно большим достоинством гранулированных сплавов является метастабильное состояние. При столь высоких скоростях охлаждения при кристаллизации получаются пересыщенные твердые растворы с концентрацией, в 2,5-5 раз превосходящей предельную растворимость компонентов в равновесных условиях. Такие твердые растворы называют аномально пересыщенными. Степень пресыщения возрастает в соответствии с расположением металлов в ряду Сг, V, Мп, Ti, Zr.

      В процессе технологических операций горячего компактирования сплавов (400-450 °С) из пересыщенного твердого раствора выпадают дисперсные частицы  интерметаллидных фаз (AlgMn, АЦСг, AljZr и др.), которые повышают температуру рекристаллизации, увеличивают прочность при обычных  и повышенных температурах.

      Большой интерес представляют гранулированные  сплавы алюминия с элементами, практически  нерастворимыми в нем в равновесных условиях веществами, отличающимися от алюминия по плотности. Такие сплавы имеют гетерогенную структуру, представляющую собой алюминиевую матрицу с равномерно распределенными дисперсными (из-за высокой скорости кристаллизации) включениями второй фазы. В сплавах, легированных сравнительно тугоплавкими металлами (Ее, Ni, Со), такими фазами будут интерметаллиды. Они эффективно упрочняют сплавы. В сплавах с такими легкоплавкими металлами, как Sn, РЬ, в алюминии будут присутствовать дисперсные включения чистых металлов, соответственно, Sn, РЬ. Эти сплавы обладают хорошими антифрикционными свойствами  Стандартные деформируемые сплавы типа дуралюминов (Д16) в гранулированном варианте имеют дополнительный эффект упрочнения из-за наличия дисперсных частиц интерметал-лидных фаз переходных металлов и нерастворимых фаз. При повышенном содержании переходных металлов достигает 800 МПа.

      Настоящие технические условия распространяются на магний - алюминиевый гранулированный сплав, получаемый центробежным распылением магний - алюминиевого сплава в инертной среде.

      Магний-алюминиевый  сплав гранулированный представляет собой продукт матово-серебристого или желтого цвета преимущественно  сферической формы диаметром 0,4-2,5 мм.

      Магний - алюминиевый сплав гранулированный используется для внепечевой обработки чугуна и стали, получения магний - содержащих модификаторов и других целей.

      Магний - алюминиевый сплав гранулированный обладает хорошей сыпучестью, не токсичен, взрывобезопасен и не подвержен самовозгоранию. Температура воспламенения гранул 590оС. 
 
 
 
 
 
 

Заключение 

      Изучив  современный уровень развития алюминиевой  промышленности и сферы применения алюминия и его сплавов, можно  сделать следующие выводы:- Совокупность свойств (малую плотность (2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость) алюминия и его большие природные запасы позволяют отнести алюминий к числу важнейших технических материалов.- Уже сейчас трудно найти отрасль промышленности, где бы не использовался алюминий или его сплавы - от микроэлектроники до тяжёлой металлургии.- В настоящее время по количеству производимого первичного алюминия Россия уступает только Китаю. В нашей стране выпускается 15% мирового глинозема и 12% -- алюминия.- Алюминиевая отрасль располагает значительными финансовыми и материальными средствами для полного отказа от толлинга и осуществления внешнеторговых операций на обычных коммерческих условиях.- Динамика основных отраслевых показателей остается положительной, что позволяет говорить о благоприятном долгосрочном прогнозе.Производство алюминия будет расти в странах, где имеется доступ к дешёвым источникам электроэнергии, бокситов и развитой инфраструктуре. Россия - одна из наиболее привлекательных стран для энергоёмких отраслей промышленности (по данным CRU), а также с точки зрения затрат на производство. Предполагается, что реализация российских проектов позволит увеличить производство алюминия к 2015 г. до 5,39-5,743 млн. тонн, то есть в 1,3-1,4 раза.