7Алюминий и его сплавы, классификация сплавов алюминия, применении е и маркировка.

Алюминий и его сплавы

Чистый алюминий имеет крупнозернистую структуру с прямолинейными границами. Из-за низкой прочности чистый алюминий нецелесообразно применять как конструкционный машиностроительный материал. Его используют для изготовления ненагруженных деталей и элементов конструкций, в которых нужна его малая плотность, высокая пластичность, коррозионная стойкость, хорошая свариваемость. Высокая электропроводность алюминия позволяет использовать его в качестве проводникового материала в электротехнике: высокая теплопроводность позволяет изготавливать из него теплообменники в холодильных установках; высокая отражательная способность – рефлекторы, зеркала. По технологии изготовления полуфабрикатов и изделий все применяемые в промышленности сплавы алюминия подразделяются на деформируемые, литейные и спеченные.

Деформируемые алюминиевые сплавы можно разделить на не упрочняемые термической обработкой и упрочняемые термической обработкой.

Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой.

К ним относятся сплавы алюминия с марганцем или магнием, а также технический алюминий (АД, АД1, АДО). Из сплавов АМц и АМг изготавливают листы, прутк, проволоку. Если сплавы поставляются в отожженном состоянии, то в конце обозначения марки сплава ставят букву М - мягкие (АМгМ), если степень наклепа небольшая - букву П - полунагартованные (АМгП), и если наклеп сильный - букву Н (АМгН). Чем выше степень деформации, тем выше прочность сплавов. Особыми преимуществами этих сплавов является их высокая пластичность, высокая коррозионная стойкость, особенно в морской воде, и хорошая свариваемость, а для сплавов с магнием - пониженная плотность. Прочность указанных сплавов невысокая. Холодная деформация (нагартовка) позволяет увеличить ее в 1,5-2 раза.

Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой более разнообразны по химическому и фазовому составу, чем термически неупрочняемые. По характерным признакам эти сплавы делятся на сплавы повышенной пластичности, конструкционные сплавы, ковочные сплавы, высокопрочные сплавы, жаропрочные сплавы.

Сплавы повышенной пластичности авиали (АВ) системы А1-Mg-Si - обладают хорошей свариваемостью, высокой пластичностью, коррозионной стойкостью. Закалку авиалей проводят при температурах 515 - 525 ^оС, затем сплавы подвергают естественному или искусственному старению (160-170 ^оС). Из сплавов АВ, АД31, АДЗЗ получают листы, трубы, прессованные профили, и прочие полуфабрикаты, а также лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери, и т.д. Их особенностью является чувствительность к перерыву между закалкой и искусственным старением.

Конструкционные алюминиевые сплавы системы Al-Cu-Mg (дуралюмины) - широко применяемые сплавы в различных областях техники (Д1,Д16,Д18,В65). Особенностью закалки дуралюминов является строгое соблюдение температурного режима: 505 5 ^оС (для Д1) и 500 5 ^оС (для Д16 и Д18).

После закалки все дуралюмины нуждаются в естественном или искусственном старении. При искусственном старении дуралюмины упрочняются тем быстрее, чем выше температура старения. Дуралюмины широко применяются в авиации. Из них изготавливают лопасти воздушных винтов, (Д1), из Д16 -обшивки, шлангоуты, лонжероны самолетов. Сплавы Д18 и Вб5 являются основными заклепочными алюминиевыми сплавами.

Ковочные алюминиевые сплавы (АК) системы Al-Cu-Mg-Si. Обладают хорошей пластичностью и стойки к образованию трещин при горячей пластической деформации (АК6, АК8). Применяют после закалки с 505 5 ^оС (АК8) и 520 5 ^оС (АК6) и искусственного старения 160 - 170 ^оС в течение 12-15 часов. Из этих сплавов изготавливаю штампованные и кованые детали сложной формы и средней прочности (подмоторные рамы, фитинги, крепеж, пояса лонжеронов, лопасти винтов вертолетов, бандажи вагонов). Оба сплава имеют низкую коррозионную стойкость и нуждаются в защите.

Высокопрочные алюминиевые сплавы системы Fе-Zn-Mg-Си (В95, В9б). Сплавы подвергают закалке с 460 - 470 ^оС в холодной или подогретой до 80 - 100 ^оС воде. Нагрев воды необходим для того, чтобы избежать растрескивания и коробления крупногабаритных полуфабрикатов. Последующее искусственное старение проводят при температурах 120 - 140 ^оС в течение 16-21 часов. Применяют для высоконагруженных деталей в самолетостроении, работающих при температуре до 100 ^оС (шлангоуты, лонжероны, силовые каркасы). Недостатками этих сплавов являются пониженная пластичность и коррозионная стойкость под напряжением. Для повышения этих характеристик эти сплавы подвергают двухступенчатому смягчающему старению. Жаропрочные алюминиевые сплавы системы Al-Cu-Mn с добавками титана и циркония, Al-Cu-Mg с добавками железа и никеля (Д.20, АК4-1) имеют сложный фазовый состав, чем другие алюминиевые сплавы и сохраняют высокие механические свойства при температурах порядка 200 - 300 ^оС.

Сплав Д20 закаливают с температуры 535 5 ^оС в воде и подвергают искусственному старению при 170 - 190 ^оС в течение 12 - 18 часов; сплав АК4-1 подвергают закалке с 530 5 ^оС и искусственному старения при 190 - 200 ^оС в течение 12-24 часов. Жаропрочные алюминиевые сплавы используют для деталей, работающих при температурах до 300 ^оС (поршни, головки цилиндров, лопатки и диски компрессоров турбореактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолетов).

Литейные алюминиевые сплавы. Литейные сплавы используют для изготовления различных деталей методами литья; в изложницы из разных материалов, по выплавляемым моделям, под давлением, способами прецизионного литья и т.д.

Таблица 12.1  Химический состав литейных алюминиевых сплавов, %

Система сплава	Сплав	Mg	Si	Mn	Cu
AlSi (высококремнистые силумины	АЛ2 АЛ4	 0,170,30	10,013,0 8,010,5	 0,250,5	 
AlSiCu (низкокремнистые силумины)	АЛ5 АЛ6	0,350,6 -	4,45,5 4,56,0	 	1,01,5 2,03,0
AlMg (магналии)	АЛ8 АЛ13	9,511,5 4,55,5	 0,81,3	 0,10,4	 
AlCu	АЛ7 АЛ19	 	 	 0,61,0	4,05,0 4,55,3
AlMgCuNi	АЛ1	1,251,75	 0,7	Fe 0,8; Ni 1,25 1,75; Zn  0,3	3,754,5
AlZn (цинковистый силумин)	АЛ11	0,10,3	6,08,0		

Литейные алюминиевые сплавы классифицируют по химическому составу. Наиболее распространенными литейными алюминиевыми сплавами являются силумины - сплавы системы A1-S1.

Литейные сплавы можно разделить на следующие группы:

1. Сплавы с наиболее высокими литейными свойствами, легированные кремнием. Они называются силуминами. Эти сплавы имеют низкую температуру литья, хорошую жидкотекучесть, наибольшую чувствительность к образованию литейных пор, но пониженные механические свойства

2. Сплавы с повышенными механическими свойствами, для этой цели они легируются магнием и медью, литейные свойства ниже, чем у силуминов.

3. Устойчивые против нагрева (жаропрочные), подобно деформируемым сплавам, они используются при нагреве до 300500 ^оС.

Состав важнейших промышленных литейных сплавов и их условная классификация приведена в таблице 12.3 . Небольшие добавки марганца, присутствующие почти во всех литейных сплавах, вводятся для подавления вредного влияния примесей железа, а также для повышения механических и коррозионных свойств сплавов.

Сплавы алюминия с кремнием. Сплавы на базе системы ALSi называются силуминами. Это наиболее широко используемые алюминиевые сплавы для фасонного литья. Эвтектика в системе AlSi имеет сравнительно низкое содержание кремния, и механические свойства эвтектических сплавов оказываются довольно высокими.

Именно благодаря такому сочетанию высоких литейных и механических свойств силумины широко применяются. Модифицирование проводят для улучшения структуры силуминов и повышения механических и технологических свойств. В результате модифицирования эвтектика становится мелкозернистой, глобулярной. Основу эвтектических зерен составляют дефекты алюминия, в межосных пространствах которых располагаются сильно диспергированные частицы кремния. После модифицирования повышается жидкотекучесть сплава, уменьшается плотность отливок. Двойные алюминиево-кремниевые сплавы несмотря на их хорошие литейные свойства не во всех случаях имеют необходимые механические свойства. Для повышения механических свойств силуминов их дополнительно легируют магнием, медью, цинком и другими присадками. Медь образует с алюминием химическое соединение CuAI₂, магний с кремнием – соединение Mg₂Si. Оба эти соединения обладают высокой твердостью и прочностью, а потому являются упрочнителями алюминиевых сплавов. Цинк входит в твердый раствор, упрочняя его. Типичными представителями силуминов с добавкой магния являются промышленные сплавы АЛ4 и АЛ9. Сплавы АЛ4 и АЛ9 применяют для отливки крупных нагруженных деталей сложной конфигурации, подвергаемых сварке.

Сплавы алюминия с медью. Типичными литейными сплавами алюминия с медью являются сплавы АЛ7, АЛ12, которые не содержат эвтектики или содержат небольшое количество составляющей. Алюминиевомедные сплавы по своим литейным качествам уступают обычным силуминам, однако после термообработки они имеют более высокие механические свойства и характеризуются повышенной жаропрочностью.

Сплавы алюминия с магнием. Типичные промышленные сплавы алюминия с магнием – это сплавы АЛ8, АЛ13, АЛ29 и другие. Они сочетаются наиболее прочными среди литейных алюминиевых сплавов. Их отличает также высокая коррозионная стойкость и наименьший удельный вес. Однако литейные свойства у них хуже, чем у силуминов, так как из-за большего интервала кристаллизации у них меньшая жидкотекучесть и образование усадочной рыхлости. Магний значительно растворяется в алюминии, растворимость эта существенно изменяется с понижением температуры. Кроме этого, магний образует с алюминием химическое соединение Mg ₂Al ₃ (  фаза), которое с твердым раствором в определенном интервале концентрации дает эвтектические смеси. Наиболее распространен в промышленности сплав АЛ8 (9  10 % Al), обладающий наиболее благоприятным сочетанием прочности и пластичности.

На основе изучения влияния циркония титана и других элементов на литейные и коррозионные свойства стандартного сплава был разработан высокопрочный сплав АЛ 27  1 следующего состава: 10 % Mg; 0,1 % Be; 0,1 % Ti; 0,1 % Zr с малым содержанием примесей железа и кремния (до 0,05 % каждый).

Жаропрочные литейные сплавы. Есть детали, изготовляемые литьем из алюминиевых сплавов, которые работают при температурах порядка 200300 ^оС и даже 350 ^оС. Применяемые для этих целей алюминиевые сплавы легируют такими элементами, как медь, магний, никель, железо, титан. Для получения необходимых свойств эти сплавы подвергают закалке (перевод избыточных фаз в твердый раствор), затем искусственному старению, т.е. переводят сплав в стабильное состояние. Чем сложнее состав сплава, тем медленнее происходит разрушение сплава при высоких температурах. Поэтому жаропрочные сплавы обычно имеют сложный химический состав. Типичным представителем таких сплавов является сплав АЛ1 (таблица 12.3). За последние годы разработаны новые композиции жаропрочных литейных сплавов. Например, сплав АЛ20 (1,5–2,2 % Si; 0,7–1,2 % Mg; 3,5–4,52 % Cu; 0,15–0,3 % Mn; 0,8–1,3% Ni; остальное Al). Этот сплав имеет структуру, подобную сплаву АЛ1. По показателям прочности и жаропрочности он также приближается к сплаву АЛ1, но значительно превосходит его по технологичности.

Применение алюминия и его сплавов в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности. Деформируемые алюминиевые сплавы марок АМг5, АМг6Е, АВ, Д16 могут использоваться в конструкциях узлов буровых станков (рам, ограждений, укрытий, емкостей для топлива). Применение алюминиевых сплавов в металлоконструкциях значительно снижает их вес. Например, использование сплава Д16 обеспечивает снижение веса кромблочной рамы с 3000 до 1010 кг. Значительный интерес представляет применение сплава Д16Т для изготовления бурильных труб методом прямого прессования на горизонтальном гидравлическом прессе с поршневой системой с усилием 3500 т. Бурение скважин алюминиевыми трубами позволяет увеличить скорость спуско-подъемных операций и работать со свечами 37 м (по три трубы), используя для этого 53-метровые вышки. Применение в бурении легкосплавных труб уменьшает потребление электроэнергии, талевых канатов, тормозных колодок, снижает себестоимость 1 м проходки.

Алюминий и его сплавы получили применение при создании облегченных буровых установок, особенно для разведочного бурения. Алюминий широко применяется при изготовлении оборудования установок для получения жирных кислот.

Из алюминия высокой чистоты (99,99 %) изготовляют колонны, предназначенные для окисления парафина, корпусы и трубки (длиной до 7,5 м) конденсаторов для охлаждения, резервуары емкостью до 50 м³, предназначенные для отделения шлама. Алюминий применяется для обшивки различных аппаратов и трубопроводов нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов. Алюминиевые трубы используют для транспортирования продуктов, содержащих сероводород, серный и сернистый газ. Нефтепроводы из алюминиевых сплавов, ввиду их коррозионной устойчивости в атмосфере и в воде, можно прокладывать без защитных покрытий и окраски. Легкость алюминиевых труб снижает стоимость их укладки, по сравнению со стальными трубами, имеют высокую чистоту обработки внутренней поверхности, в результате чего уменьшаются потери напора на трение жидкости на 10 %. При сооружении алюминиевых трубопроводов применение получили бесшовные плоскосворачиваемые трубы, исходной заготовкой для которых служат полые круглые слитки, изготавливаемые методом полунепрерывного литья. Слитки прокатываются в горячем состоянии в полосу любой длины и толщины и сворачиваются в рулон. Для предотвращения сваривания внутренних стенок в процессе прокатки их покрывают специальным составом (тальк с веретенным маслом).

Наравне с деформируемыми алюминиевыми сплавами в нефтеперерабатывающей и газовой промышленности применяются литейные сплавы: для изготовления литой арматуры нефтяных резервуаров, фитингов, крышек, вентилей и т.д.

8=5Легированная конструкционная Ст, свойства, применение и маркировка.

9Основы классификации бетона. Тампонажные цементы, их свойства и применение.

Основы классификации цемента и бетона. Цементом называется минеральное вяжущее, содержащее соединения кальция и способное при затвердевании превращаться в высокопрочный камень.

Водный раствор цемента с добавками песка, щебня (гравия) дли других специальных заполнителей и инертных добавок носит название бетонной смеси. Отвержденная бетонная смесь называется бе­тоном.

Цемент подразделяется на роман-цемент и портланд-цемент. Роман-цемент — продукт помола известковых или магнезиальных мергелей с содержанием свыше 20 % глинистых примесей, обожжен­ных не до спекания. Температура обжига минералов этого цемента 900 °С. Прочность при сжатии затвердевшего роман-цемента не превышает 1500 МПа, поэтому он не может быть использован в конструкциях, которые должны нести значительные нагрузки. Для этих целей широко применяется портланд-цемент, прочность которого на сжатие в несколько раз выше, чем у роман-цемента.

Портланд-цемент представляет собой продукт спекания либо искусственных смесей, содержащих углекислый кальций и глину, либо естественных горных пород мергелей аналогичного состава. Под действием высоких температур окислы вступают в химическое взаимодействие, образуя цементный клинкер, который и подвер­гается в дальнейшем тонкому измельчению. В состав цементного клинкера входит несколько соединений: трехкальциевый силикат или алит (3СаО • SiО₂), двухкальциевый силикат или белит (2СаО • SiО₂), трехкальциевый алюминат (ЗСаО • А1₂О₃ ), четырехкальциевый алюмоферрит или браунмилле-рит (4СаО • А1₂О₃ • Fе₂ О₃ )), имеющие соответственно сокращенные обозначения С₃S С₂S, С₃А, С₄АF.

Трехкальциевый силикат, составляющий значительную часть цемента (37—60 %), обладает самой высокой прочностью, по сравнению с другими минералами, которая быстро нарастает по мере его затвердевания. Двухкальциевый силикат не обладает высокой прочностью и затвердевает медленно. Содержание этого минерала в цементе составляет примерно 15—37 %. Трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит быстро твердеют, однако прочность их ниже прочности трехкальциевого силиката. В цементе они содержатся в количестве соответственно 7—15 % и 10—18 %.

Изменение минералогического состава позволяет получить цементы с различными свойствами. Высокопрочный цемент изготовляется со значительным содержанием трехкальциевого сили­ката.

Портланд-цемент делится на шесть марок (200, 250, 300, 400, 500, 600), которые обозначают временное сопротивление (в кгс/см²) при сжатии образцов, изготовленных из смеси цемента с нормальным вольским песком (в весовом соотношении 1 : 3) и испытанных через 28 дней после затворения водой. Наиболее распространены марки 300—600. На прочностные свойства цемента большое влияние оказывает качество помола. Тонкость помола цемента установлена стандартом, который предусматривает прохождение минимум 85% веса приня­того количества цемента через сито № 085 с размером отверстий 85 X 85 мк.

Портланд-цемент характеризуется следующими осповнымп свойствами: способностью вступать в химическое взаимодействие с водой; определенными сроками схватывания; способностью приобретать достаточную прочность в сравнительно короткие сроки (3, 7 и 28 дней), которая при определенных условиях может нарастать долгие годы; равномерностью изменения объема при затвердевании; стойкостью ко многим агрессивным средам; надежной сцепляемостью с металлом и другими материалами. При снижении про­цента воды затворения прочность цементов повышается. Алитовые и белитовые цементы (20% песка), затвердевающие при высоком давлении и значительной температуре, вполне приемлемы для тампони­рования «горячих» скважин. Прочность алито-белитовых и белитовых цементов несколько выше, чем у алитовых; кроме того, обжиг пер­вых производится при более низких температурах. Для предотвращения преждевременного схватывания раствора при закачивании его в глубокие и сверхглубокие «горячие» скважины с большим давлением применяются различные замедлители сульфитно-спиртовой барды (ССБ). Тампонажно-песчанистый цемент можно использовать и для тампонирования «холодных» скважин..

Волокнистый тампонажный цемент. При тампонажных работах нередко встречаются участки скважин, пробуренные через пористые или трещиноватые породы. При цементировании таких участков часть раствора уходит в трещины и поры, что вызывает значительный перерасход цемента и увеличивает сроки тампонажных работ.

Для устранения потерь раствора и времени при тампонировании трещиноватых и пористых участков АзНИИ разработан тампонаж-ный цемент с волокнистым наполнителем. Волокнистый цемент представляет собой обычный тампонажный цемент с 1,5—2,5 % волокнистого наполнителя. В качестве наполни­теля могут быть использованы различные волокна (хлопковые очесы длиной 1—3 мм и др.). Однако чаще всего для этих целей применяют самые низкие сорта асбеста, волокна которого отличаются способностью адсорбировать на своей поверхности цемент. Волокна асбеста взаимодействуют с цементной массой и служат как бы арми­рующим элементом. Цементно-волокнистая масса забивает мелкие трещины и поры трещиноватых и пористых пород стенки скважины, устраняя тем самым значительные потери цемента.

Тампонажно-волокнистый цемент при правильном изготовлении (чистота и количество волокна, его длина, качество цемента и др.) вполне удовлетворяет всем требованиям. К тому же он обладает рядом специфических свойств, отличающих его от других цементов. Прочность тампонажно-волокнистого цемента на изгиб и растяже­ние значительно выше (до 20 %). Водостойкость и водонепроницаемость волокнистых цементов также выше, чем у обычных. Тампонажно-волокнистый цемент вполне пригоден для цементи­рования «холодных» и «горячих», глубоких и неглубоких нефтяных скважин

Утяжеленный тампонажный цемент. Утяжеленный цемент представляет собой смесь обычного тампонажного цемента с инертным минеральным наполнителем, имеющим удельный вес 4,0—4,5 г/см 3. В качестве наполнителя применяется гематит или барит. Количество утяжелителя в растворе колеблется в пределах 40—60 % в зависимости от условий применения цемента. Утяжеленный цемент применяется при тампонировании скважин с высоким пластовым давлением, при бурении которых применяются глинистые растворы в качестве промывочной жидкости. В процессе цементирования скважины глинистый раствор вытес­няется цементным. Это достигается в том случае, если удельный вес цемента минимально на 0,1 г/см3 больше удельного веса глинистого раствора. Согласно техническим требованиям, предъявляемым к этому виду цемента, временное сопротивление его изгибу должно быть примерно 170 МПа, (температура испытаний 22 ± 2 °С), удельный вес раствора — не менее 2,25 г/см3 , водо-цементное отношение подбирается экспериментально и зависит от количества наполнителя и технологии изготовления утяжеленного цементного порошка. Неправильное водо-цементное отношение может привести к оса­ждению утяжелителя, нарушению стабильности цементного раствора. Поэтому очень важно правильно определять количество воды для затворепия цемента.

Следует отметить, что наиболее качественный утяжеленный тампонажный цемент получается при совместном помоле клинкера с утяжелителем.