iCNC > Материалы > Сплавы из алюминия и их применение

Сплавы из алюминия и их применение

23.07.2015

1507008

Алю­ми­ний – один из самых рас­про­стра­нен­ных цвет­ных метал­лов, кото­рый широ­ко при­ме­ня­ет­ся для про­из­вод­ства из него изде­лий в раз­ных отрас­лях про­мыш­лен­но­сти, а так­же для изго­тов­ле­ния спла­вов на его осно­ве.

Леги­ро­ва­ние – про­цесс, во вре­мя кото­ро­го про­ис­хо­дит вве­де­ние в рас­плав неко­то­рых допол­ни­тель­ных ком­по­нен­тов, спо­соб­ных повы­сить меха­ни­че­ские, физи­че­ские и даже хими­че­ские свой­ства исход­но­го мате­ри­а­ла. Под леги­ро­ва­ни­ем сле­ду­ет пони­мать ряд про­це­дур тех­но­ло­ги­че­ско­го харак­те­ра, кото­рые про­из­во­дят­ся на всех эта­пах полу­че­ния метал­ли­че­ско­го мате­ри­а­ла, целя­ми кото­рых явля­ет­ся повы­ше­ние каче­ства конеч­но про­дук­ции. При помо­щи вве­де­ния ряда раз­лич­ных леги­ру­ю­щих ком­по­нен­тов уда­ет­ся суще­ствен­но изме­нять пер­во­на­чаль­ные свой­ства алю­ми­ния, при­да­вая ему уни­каль­ные свой­ства. Дело в том, что базо­вая проч­ность алю­ми­ния не в состо­я­нии удо­вле­тво­рить совре­мен­ные тех­но­ло­ги­че­ские нуж­ды и имен­но поэто­му для изго­тов­ле­ния раз­но­го рода изде­лий, кото­рые ори­ен­ти­ро­ва­ны на исполь­зо­ва­ние в про­мыш­лен­ных целях, исполь­зу­ют не чистый алю­ми­ний, а спла­вы, изго­тов­лен­ные на его осно­ве.

При про­ве­де­нии раз­лич­ных про­це­дур леги­ро­ва­ния уда­ет­ся кар­ди­наль­но уве­ли­чить проч­ность, твер­дость и жаро­проч­ность сырье­во­го мате­ри­а­ла. При­ме­ча­тель­но, что в ходе выпол­не­ния этих меро­при­я­тий в обя­за­тель­ном поряд­ке будут про­ис­хо­дить и нега­тив­ные изме­не­ния, напри­мер, может доста­точ­но силь­но изме­нить­ся пока­за­тель элек­тро­про­во­ди­мо­сти, а так­же во мно­гих слу­ча­ях зна­чи­тель­но повы­ша­ет­ся отно­си­тель­ная плот­ность метал­ла, что может сде­лать тот или иной сплав непри­год­ным для изго­тов­ле­ния из него опре­де­лен­ных изде­лий. Что каса­тель­но леги­ро­ва­ния алю­ми­ния при помо­щи мар­ган­ца, то этот тех­но­ло­ги­че­ский про­цесс мож­но пози­ци­о­ни­ро­вать как сво­е­го рода исклю­че­ние, посколь­ку в конеч­ном ито­ге не толь­ко сни­жа­ет­ся кор­ро­зий­ная устой­чи­вость цвет­но­го метал­ла, но и уве­ли­чи­ва­ет­ся его мас­са. При леги­ро­ва­нии маг­ни­ем с уче­том его добав­ле­ния не более 3% так­же повы­ша­ет­ся пока­за­тель кор­ро­зий­ной стой­ко­сти и сни­жа­ет­ся отно­си­тель­ная плот­ность, посколь­ку он име­ет мень­ший вес по срав­не­нию с алю­ми­ни­ем.

Немного про алюминиевые сплавы

Все спла­вы, кото­рые про­из­во­дят­ся из алю­ми­ния, при­ня­то клас­си­фи­ци­ро­вать на две кате­го­рии: дефор­ми­ру­е­мые, то есть те, кото­рые в нагре­том состо­я­нии име­ют высо­кие пока­за­те­ли пла­стич­но­сти, и литей­ные – име­ю­щие высо­кие харак­те­ри­сти­ки жид­ко­те­ку­че­сти. Это раз­де­ле­ние на кате­го­рии всех спла­вов из алю­ми­ния дает воз­мож­ность отра­зить базо­вые тех­но­ло­ги­че­ские осо­бен­но­сти мате­ри­а­лов. Что­бы добить­ся от спла­ва того или ино­го состо­я­ния, на ста­дии леги­ро­ва­ния в него добав­ля­ют раз­лич­ные леги­ру­ю­щие эле­мен­ты в раз­ных коли­че­ствах.

В каче­стве сырье­во­го мате­ри­а­ла для про­из­вод­ства спла­вов из алю­ми­ния может высту­пать не толь­ко чистый алю­ми­ний, но и его двой­ной слав с крем­ни­ем, про­цент­ное содер­жа­ние Si в кото­ром не пре­вы­ша­ет 13%, а так­же незна­чи­тель­но отли­ча­ют­ся по пока­за­те­лям уров­ня при­сут­ствия в них желе­за, мар­ган­ца, каль­ция и дру­гих эле­мен­тов. Общее содер­жа­ние при­ме­сей в таких спла­вах не долж­но пре­вы­шать 1.7%. Тако­го рода спла­вы при­ня­то назы­вать силу­ми­на­ми. Что­бы полу­чить дефор­ми­ру­е­мые спла­вы из алю­ми­ния в них вво­дят­ся леги­ру­ю­щие ком­по­нен­ты рас­тво­ри­мо­го типа, кото­рые не пре­вы­ша­ют пре­дел рас­тво­ри­мо­сти при воз­дей­ствии на металл высо­кой тем­пе­ра­ту­ры. Обра­ти­те вни­ма­ние, что все дефор­ми­ру­е­мые спла­вы из алю­ми­ния при обра­бот­ке дав­ле­ни­ем после нагре­ва­ния долж­ны обла­дать гомо­ген­ной струк­ту­рой плот­но­го рас­тво­ра, кото­рая даст воз­мож­ность обес­пе­чить высо­чай­шую пла­стич­ность и при этом мини­маль­ную проч­ность. Имен­но это усло­вие спо­соб­ству­ет появ­ле­нию свой­ству спла­вов дан­ной кате­го­рии отлич­но под­да­вать­ся обра­бот­ке под высо­ким дав­ле­ни­ем.

Для полу­че­ния дефор­ми­ру­е­мых спла­вов из алю­ми­ния в каче­стве базо­вых леги­ру­ю­щих доба­вок при­ня­то исполь­зо­вать медь, мар­га­нец, цинк и маг­ний. При­ме­ча­тель­но, что в ряде слу­ча­ев вво­дят даже крем­ний желе­зо и никель – эле­мен­ты, спо­соб­ные уси­лить эффект от леги­ро­ва­ния алю­ми­ния.

lingotti-argento

Дюра­лю­ми­нии – спла­вы на осно­ве алю­ми­ния, в состав кото­рых вклю­че­на медь. Эти спла­вы пози­ци­о­ни­ру­ют­ся как харак­тер­но упроч­ня­е­мые, содер­жа­щие в себе посто­ян­ные при­ме­си не толь­ко крем­ния, но и желе­за. Они могут под­вер­гать­ся леги­ро­ва­нию маг­ни­ем и мар­ган­цем одно­вре­мен­но. Про­цент­ное соот­но­ше­ние меди в дюра­лю­ми­ни­ях состав­ля­ет не более 7%. Медь спо­соб­на рас­тво­рять­ся в алю­ми­нии в коли­че­стве не более 0.5% при усло­вии про­те­ка­ния реак­ции при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре. Что каса­тель­но эвтек­ти­че­ской тем­пе­ра­ту­ры, то медь может рас­тво­рять­ся в алю­ми­нии в коли­че­стве 5.7%.

Про­цесс тер­ми­че­ской обра­бот­ки дюра­лю­ми­ния может состо­ять из несколь­ких эта­пов. Пер­вым делом его необ­хо­ди­мо про­греть выше пока­за­те­лей пре­дель­ной рас­тво­ри­мо­сти. Зача­стую это про­ис­хо­дит при тем­пе­ра­ту­ре в 500 гра­ду­сов по Цель­сию. При воз­дей­ствии такой тем­пе­ра­ту­ры струк­ту­ра мате­ри­а­ла начи­на­ет пред­став­лять собой тра­ди­ци­он­ный гомо­ген­ный рас­твор меди в алю­ми­нии. Посред­ством про­це­ду­ры зака­ли­ва­ния уда­ет­ся зафик­си­ро­вать эту струк­ту­ру при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре, то есть мате­ри­ал рез­ко погру­жа­ют в холод­ную воду. При­ме­ча­тель­но, что после этой про­це­ду­ры рас­твор име­ет пере­на­сы­щен­ные пока­за­те­ли состав­ля­ю­щих. На дан­ном эта­пе дюра­лю­ми­ний неве­ро­ят­но мягок и пла­сти­чен.

Сто­ит отме­тить, что базо­вая струк­ту­ра дюра­лю­ми­ния, про­шед­ше­го обра­бот­ку закал­кой, отли­ча­ет­ся край­ней неста­биль­но­стью, при этом даже при усло­вии пре­бы­ва­нии спла­ва в ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре в ней могут про­те­кать про­из­воль­ные изме­не­ния. Все эти реак­ции про­во­ци­ру­ют ситу­а­цию, когда излиш­ние ато­мы меди начи­на­ют груп­пи­ро­вать­ся в рас­тво­ре, при этом рас­по­ла­га­ясь в поряд­ке, харак­тер­ном для кри­стал­лов CuAl. На дан­ном эта­пе не про­ис­хо­дит обра­зо­ва­ния хими­че­ско­го соеди­не­ния и не наблю­да­ет­ся отде­ле­ние от твер­до­го рас­тво­ра, но посред­ством нерав­но­мер­но­сти рас­по­ло­же­ния ато­мов в полу­ча­е­мой кри­стал­ли­че­ской решет­ке в ней начи­на­ют появ­лять­ся серьез­ные иска­же­ния, при­во­дя­щие к суще­ствен­но­му сни­же­нию пока­за­те­лей твер­до­сти, проч­но­сти, а так­же пла­стич­но­сти дюра­лю­ми­ни­е­во­го спла­ва. Про­цесс, во вре­мя про­те­ка­ния кото­ро­го про­ис­хо­дит изме­не­ние струк­ту­ры зака­лен­но­го дюра­лю­ми­ния при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре, носит назва­ние «есте­ствен­ное ста­ре­ние метал­ла».

Этот про­цесс осо­бен­но интен­сив­но про­те­ка­ет на про­тя­же­нии пер­вых несколь­ких часов. Пол­но­стью завер­ша­ет­ся про­цесс есте­ствен­но­го ста­ре­ния спла­ва уже спу­стя 4–6 суток, когда металл обре­та­ет мак­си­маль­но допу­сти­мую для него проч­ность. Если сплав будет пред­ва­ри­тель­но про­грет до тем­пе­ра­ту­ры в 100 – 150 гра­ду­сов по Цель­сию, то нач­нет­ся про­цесс искус­ствен­но­го ста­ре­ния. Глав­ное пре­иму­ще­ство это­го мето­да обра­бот­ки спла­ва в том, что про­те­ка­ет он намно­го быст­рее. Сре­ди недо­стат­ков мож­но отме­тить то, что упроч­не­ние спла­ва будет не таким боль­шим, как при про­ве­де­нии про­цес­са есте­ствен­но­го ста­ре­ния. Объ­яс­ня­ет­ся это явле­ние доста­точ­но про­сто – при воз­дей­ствии на сплав повы­шен­ной тем­пе­ра­ту­ры диф­фу­зи­он­ные пере­ме­ще­ния ато­мов начи­на­ют про­ис­хо­дить более сво­бод­но, что при­во­дит к завер­шен­но­му обра­зо­ва­нию фазы CuAl, а так­же выде­ле­ние ее из твер­до­го рас­тво­ра. При таком сте­че­нии обсто­я­тельств дей­ствие фазы ока­зы­ва­ет­ся более мень­шим, чем воз­дей­ствие иска­жен­но­сти кри­стал­ли­че­ской решет­ки твер­до­го рас­тво­ра, про­яв­ля­ю­щей­ся во вре­мя про­це­ду­ры есте­ствен­но­го ста­ре­ния.

Срав­ни­тель­ные ана­ли­зы резуль­та­тов про­ве­де­ния ста­ре­ния спла­вов дюра­лю­ми­ния при воз­дей­ствии раз­ной тем­пе­ра­ту­ры гово­рит о том, что пре­дель­ное упроч­не­ние спла­ва про­ис­хо­дит толь­ко при есте­ствен­ном ста­ре­нии на про­тя­же­нии не менее 4-х дней.

Сплавы алюминия с добавлением магния и марганца

Если про­ана­ли­зи­ро­вать все неу­проч­не­мые спла­вы на базе алю­ми­ния, то мож­но отме­тить, что наи­боль­шее зна­че­ние в про­мыш­лен­но­сти обре­ли спла­вы на осно­ве алю­ми­ния с маг­ни­ем и алю­ми­ния с мар­ган­цем. Дело в том, что мар­га­нец и маг­ний подоб­но меди обла­да­ет огра­ни­чен­ной сте­пе­нью рас­тво­ри­мо­сти в струк­ту­ре алю­ми­ния, кото­рая при этом кар­ди­наль­но умень­ша­ет­ся при рез­ком сни­же­нии тем­пе­ра­ту­ры. При­ме­ча­тель­но, что эффект упроч­не­ния при воз­дей­ствии тер­ми­че­ской обра­бот­ки на тако­го рода спла­вы крайне неве­лик. Объ­яс­нить это мож­но тем, что во врем кри­стал­ли­за­ции во вре­мя при­го­тов­ле­ния спла­вов, в соста­ве кото­рых содер­жит­ся до 1.9% маг­ния, выде­ля­ет­ся избы­точ­ный мар­га­нец, кото­рый дол­жен бы был обра­зо­вать при вза­и­мо­дей­ствии с чистым алю­ми­ни­ем рас­тво­ри­мое веще­ство MnFe, а оно в алю­ми­нии не может рас­тво­рять­ся. Имен­но из-за это­го при воз­дей­ствии на сплав высо­кой тем­пе­ра­ту­ры не про­ис­хо­дит появ­ле­ния гомо­ген­но­го твер­до­го рас­тво­ра, при этом сам сплав по-преж­не­му оста­ет­ся гете­ро­ген­ным. В его состав вхо­дит твер­дый рас­твор и части­цы MnFe, что дела­ет невоз­мож­ным про­ве­де­ние обра­бот­ки закал­кой и ста­ре­ни­ем в даль­ней­шем.

1848952

Что каса­тель­но спла­вов алю­ми­ния и маг­ния, то зздесь при­чи­на отсут­ствия упроч­не­ния иная. При усло­вии содер­жа­ния маг­ния в спла­ве с алю­ми­ни­ем не более 1.4% не может про­ис­хо­дить упроч­не­ние спла­ва, посколь­ку в дан­ных пре­де­лах он спо­со­бен пол­но­стью рас­тво­рять­ся в алю­ми­нии даже при усло­вии соблю­де­ния ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ры во вре­мя про­те­ка­ния реак­ций, при этом не наблю­да­ет­ся ника­ко­го выде­ле­ния избы­точ­ных фаз. Если повы­сить про­цент­ное содер­жа­ние маг­ния в спла­ве, то это при­ве­дет к выде­ле­нию избы­точ­ной фазы во вре­мя обра­бот­ки ста­ре­ни­ем.

Сто­ит отме­тить, что свой­ства это­го спла­ва тако­вы, что все про­цес­сы, кото­рые про­хо­дят до его обра­зо­ва­ния, а так­же про­цес­сы, кото­рые про­те­ка­ют в даль­ней­шем, не могут вызвать замет­но­го эффек­та упроч­не­ния. Несмот­ря на эту осо­бен­ность, в ряде слу­ча­ев добав­ле­ние маг­ния и мар­ган­ца в алю­ми­ний может ока­зать­ся очень полез­ным, посколь­ку эти эле­мен­ты спо­соб­ны повы­сить проч­ность и кор­ро­зий­ную стой­кость спла­ва, но при усло­вии, что про­цент­ное содер­жа­ние маг­ния не пре­вы­сит отмет­ку в 3%. Сто­ит отме­тить, что спла­вы алю­ми­ния с маг­ни­ем име­ют более мень­шую мас­су по срав­не­нию с чистым алю­ми­ни­ем.

Сторонние легирующие элементы, применимые к алюминию

Для повы­ше­ния тех­ни­че­ских харак­те­ри­стик алю­ми­ния и спла­вов на его осно­ве могут исполь­зо­вать­ся сле­ду­ю­щие леги­ру­ю­щие ком­по­нен­ты:

Берил­лий – добав­ля­ет­ся с целью зна­чи­тель­но­го умень­ше­ния сте­пе­ни окис­ле­ния при усло­вии воз­дей­ствия высо­ких тем­пе­ра­тур. Незна­чи­тель­ное добав­ле­ние это­го эле­мен­та дает воз­мож­ность зна­чи­тель­но повы­сить теку­честь алю­ми­ния. Этой осо­бен­но­стью осо­бен­но поль­зу­ют­ся при про­из­вод­стве дета­лей для дви­га­те­лей внут­рен­не­го сго­ра­ния.

Бор – при­ме­ня­ет­ся с целью повы­ше­ния пока­за­те­лей элек­тро­про­вод­но­сти алю­ми­ния или спла­вов на осно­ве это­го цвет­но­го метал­ла, а так­же в каче­стве рафи­ни­ру­ю­щей добав­ки. Бор вво­дит­ся в спла­вы из алю­ми­ния, кото­рые актив­но исполь­зу­ют­ся в атом­ной про­мыш­лен­но­сти, посколь­ку он изве­стен спо­соб­но­стью погло­щать ней­ро­ны, предот­вра­щая рас­про­стра­не­ние ради­а­ции. Зача­стую этот ком­по­нент добав­ля­ет­ся в про­цент­ном соот­но­ше­нии не более 0.095%.

Вис­мут – металл, кото­рый име­ет низ­кую тем­пе­ра­ту­ру плав­ле­ния, вво­дит­ся в алю­ми­ни­е­вые спла­вы для того, что­бы повы­сить подат­ли­вость спла­ва обра­бот­ке реза­ни­ем. При помо­щи это­го леги­ру­ю­ще­го эле­мен­та уда­ет­ся обра­зо­вать мяг­кие лег­ко­плав­ки фазы, кото­рые спо­соб­ству­ют повы­ше­нию уров­ня лом­ко­сти струж­ки и сма­зы­ва­нию рез­ца во вре­мя обра­бот­ки.

Гал­лий – добав­ля­ет­ся в про­цент­ном соот­но­ше­нии не более 0.1% в спла­вы, из кото­рых в даль­ней­шем про­из­во­дят­ся рас­хо­ду­е­мые ано­ды.

Желе­зо добав­ля­ет­ся в незна­чи­тель­ных коли­че­ствах при изго­тов­ле­нии про­во­дов и дру­гой элек­тро­про­вод­ной про­дук­ции. Оно повы­ша­ет проч­ность спла­ва и при этом улуч­ша­ет пока­за­те­ли пол­зу­че­сти. Поми­мо это­го, добав­ле­ние желе­за в алю­ми­ний дает воз­мож­ность сни­зить уро­вень при­ли­па­ния заго­тов­ки при литье в кокиль.

Индий – металл, кото­рый при добав­ле­нии его в алю­ми­ний не более 0.2% дает воз­мож­ность упроч­нить сплав при обра­бот­ке его ста­ре­ни­ем, осо­бен­но, если в спла­ве доста­точ­но низ­кий уро­вень содер­жа­ния меди. Инди­е­вые добав­ки неред­ко при­ме­ня­ют­ся в алю­ми­ни­е­во-кад­ми­е­вых под­шип­ни­ко­вых спла­вах.

Кад­мий – леги­ру­ю­щий эле­мент, при добав­ле­нии кото­ро­го в про­пор­ции не более 0.3% поз­во­ля­ет повы­сить проч­ность и улуч­шить кор­ро­зий­ные свой­ства спла­ва.

Каль­ций – дает воз­мож­ность зна­чи­тель­но повы­сить пла­стич­ность спла­вов. Если содер­жа­ние каль­ция будет не более 5%, то сплав будет сверх пла­стич­ным.

Крем­ний – леги­ру­ю­щая добав­ка, кото­рую мож­но пози­ци­о­ни­ро­вать как одну из наи­бо­лее исполь­зу­е­мых доба­вок во всех литей­ных спла­вах. Имен­но он спо­со­бен зна­чи­тель­но сни­зить склон­ность к тре­щи­но­об­ра­зо­ва­нию при литье. Сто­ит отме­тить, что при опре­де­лен­ном соче­та­нии крем­ния и маг­ния дает воз­мож­ность повы­сить уплот­не­ние спла­ва при его тер­ми­че­ской обра­бот­ке.

Оло­во – добав­ле­ние это­го леги­ру­ю­ще­го ком­по­нен­та дает воз­мож­ность зна­чи­тель­но улуч­шить обра­бот­ку реза­ни­ем.

Титан – леги­ру­ю­щий эле­мент, кото­рые дает воз­мож­ность измель­че­ния зерен в отлив­ках и слит­ках, что зна­чи­тель­но повы­ша­ет пока­за­те­ли проч­но­сти и рав­но­мер­но­сти свойств во всем объ­е­ме спла­ва.

Использование алюминиевых сплавов

Прак­ти­че­ски все спла­вы, кото­рые про­из­во­дят­ся на осно­ве алю­ми­ния, отли­ча­ют­ся высо­ки­ми пока­за­те­ля­ми кор­ро­зий­ной стой­ко­сти в есте­ствен­ной атмо­сфе­ре, а так­же мор­ской воде и даже соле­вых рас­тво­рах. Для про­из­вод­ства посу­ды такие спла­вы при­ме­ня­ют­ся доста­точ­но широ­ко, посколь­ку алю­ми­ний не толь­ко не вре­ден для здо­ро­вья, но и при этом он не раз­ру­ша­ет вита­ми­ны, при­сут­ству­ю­щие в пище. В мор­ской воде неред­ко исполь­зу­ют кон­струк­ции из алю­ми­ни­е­вых спла­вов, посколь­ку они неве­ро­ят­но лег­ки и при этом проч­ны. Неред­ко алю­ми­ний при­ме­ня­ет­ся при стро­и­тель­стве зда­ний. Из него про­из­во­дят яркие обли­цо­воч­ные пане­ли, две­ри, окон­ные рамы и даже элек­три­че­ские кабе­ля. При­ме­ча­тель­но, что все алю­ми­ни­е­вые спла­вы не под­вер­же­ны кор­ро­зии даже при усло­вии про­дол­жи­тель­но­го вза­и­мо­дей­ствия с бето­ном, стро­и­тель­ны­ми сме­ся­ми. Осо­бен­но высо­ким этот пока­за­тель будет при усло­вии, что дета­ли не будут часто кон­так­ти­ро­вать с вла­гой. Доволь­но широ­ко алю­ми­ний и алю­ми­ни­е­вые спла­вы исполь­зу­ют­ся в отрас­ли маши­но­стро­е­ния, посколь­ку он обла­да­ет отлич­ны­ми физи­че­ски­ми харак­те­ри­сти­ка­ми. Авиа­ция – одна из отрас­лей про­мыш­лен­но­сти, кото­рая попро­сту не может суще­ство­вать без при­ме­не­ния спла­вов из это­го цвет­но­го метал­ла. Имен­но в этой отрас­ли дан­ный металл наи­бо­лее широ­ко и пол­но при­ме­ня­ет­ся.