3. Свойства и применение алюминиевых сплавов при низких температурах
Алюминиевые сплавы имеют низкую плотность, коррозионную стойкость и высокий уровень механических свойств, благодаря чему они находят широкое применение. Способность алюминия и его сплавов сохранять пластичность вплоть до криогенных температур послужили основой для их широкого использования при изготовлении низкотемпературного оборудования. Применимость алюминиевых сплавов для работы при низких температурах обусловлена кристаллической структурой алюминия. Он кристаллизуется в решетке гранецентрированного куба и не имеет полиморфных превращений.
В холодильной и криогенной технике применяют как технический алюминий, так и его сплавы. Технический алюминий широко используют для изготовления малонагруженных элементов конструкций. В общем объеме потребление его достаточно велико. Из алюминия изготавливают такие детали, как насадки регенераторов, паяные теплообменники аппаратов воздухоразделительных установок и др. Алюминиевые сплавы применяют для изготовления емкостей и трубопроводов для хранения и транспортировки жидких газов: природного газа, кислорода, азота, водорода и гелия, а также, в качестве материала для ректификационных колонн и трубных систем. При температурах ниже 120 К объем потребления алюминиевых сплавов, главным образом в виде горячекатанного листа, составляет около 30 % от объема всего используемого металла.
Высокий коэффициент теплопроводности алюминиевых сплавов часто заставляет отказываться от применения их в деталях, которые определяют притоки теплоты к охлаждаемым элементам.
Например, горловины криостатов выполняют из аустенитных сталей или полимерных материалов, хотя сам внутренний сосуд изготовляется из алюминиевого сплава.
Алюминиевые сплавы имеют более высокий температурный коэффициент линейного расширения, чем аустенитные стали. Это определяет более высокий уровень термических напряжений, особенно в жесткозащемленных элементах конструкций при их охлаждении. Поэтому в трубопроводах для перекачки сжиженных газов в случае отсутствия возможности применения компенсаторов деформации предпочтительно использование сплавов на основе железа.
В технике низких температур применяют деформируемые литейные алюминиевые сплавы.
Временное сопротивление деформируемых термообработанных алюминиевых сплавов может достигать 500 МПа и более при плотности менее 2,85 г/см3. Удельная прочность σв/γ алюминиевых сплавов имеет высокие значения и приближается к удельной прочности высокопрочных сталей.
Прочность при растяжении деформируемых алюминиевых сплавов с понижением температуры от 293 до 77 К увеличивается на 35 - 60 %, а предел текучести - на 15 - 25 %. Пластичность при снижении температуры обычно даже несколько возрастает или остается на уровне пластичности при комнатной температуре.
Алюминиевые сплавы не имеют порога хладноломкости: вязкость при ударном изгибе у них равномерно понижается с падением температуры; по сравнению с аустенитными сталями значения ее существенно ниже. При низких температурах алюминиевые сплавы имеют вязкий излом при относительно малой ударной вязкости.
Усталостная прочность, определенная как на гладких, так и надрезанных образцах, с понижением температуры также увеличивается. Вязкость разрушения алюминиевых сплавов в условиях плоской деформации почти не уменьшается, а иногда даже увеличивается при криогенных температурах по сравнению с вязкостью разрушения при комнатной температуре. Величина вязкости разрушения зависит от чистоты металла.
Наибольшее применение в технике низких температур получили сплавы алюминия с магнием - магналии ввиду удачного сочетания в них прочности, пластичности, свариваемости, коррозионной стойкости. Увеличение содержания магния ведет к росту прочности сплава. Применяемые термически неупрочняемые сплавы содержат не более 7 % магния.
Из магналиев как за рубежом, так и в СССР предпочтение в машиностроении отдается сплаву АМг5: по свариваемости он превосходит сплав АМг2, хотя несколько уступает ему по пластичности. По прочности он мало уступает сплаву АМг6, выгодно отличаясь от него большей пластичностью.
В холодильной и криогенной технике также используют термоупрочняемые алюминиевые сплавы, легированные медью, магнием, марганцем и другими элементами. Оптимальные механические свойства эти сплавы приобретают после термической обработки, состоящей из закалки в воде от температуры около 500˚С и последующего естественного или искусственного старения за счет дисперсионного выделения при старении интерметаллидных фаз.
Механические свойства при низких температурах некоторых деформируемых термоупрочняемых алюминиевых сплавов приведены в табл, 27.
Прочность термоупрочняемых алюминиевых сплавов приближается к прочности аустенитных сталей и поэтому во многих случаях они могли бы быть их заменителями. Их недостатком является склонность к коррозии под напряжением. Кроме того, эти сплавы разупрочняются в зоне сварного шва.
Наряду с деформируемыми, в технике низких температур применяют литейные алюминиевые сплавы. Их используют, главным образом, для изготовления деталей сложной конфигурации типа корпусов арматуры. Наибольшее распространение получили сплавы, легированные 8 - 13 % кремния - силумины, обладающие высокими литейными свойствами.
Сварка изделий из алюминиевых сплавов имеет ряд особенностей, зависящих от свойств алюминия. Высокая теплопроводность и теплоемкость алюминия обусловливает необходимость обеспечения достаточно интенсивного и концентрированного нагрева при сварке и выбор соответствующих источников нагрева.
При проведении сварки плавлением дуга должна быть надежно защищена инертным газом.