2. Легкие металлы легче, чем сталь

Во многих отраслях техники, в первую очередь в самолетостроении и ракетостроении, необходимы прочные, как сталь, но более легкие металлы.

Легкими металлами принято считать все металлы и сплавы, плотность (удельный вес) которых составляет меньше половины плотности железа, т.е. не превышает 3,5 г/см.³ Из них широкое применение в качестве конструкционных материалов находят алюминий (плотность 2,7 г/см³), а также еще более легкий магний (плотность 1,74 г/см³). Легируя эти металлы другими элементами, металлурги получают множество различных алюминиевых и магниевых сплавов. В последние десятилетия внимание инженеров все больше привлекает еще один металл - бериллий (плотность 1,84 г/см³). Сплавы бериллия отличаются высокой прочностью и другими важными техническими свойствами. Бериллиевая бронза обладает высокой прочностью и великолепными пружинными свойствами, при этом более тяжелая.

Титан имеет плотность 4,5 г/см³ и по определению уже не принадлежит к легким металлам, но его нельзя назвать и тяжелым, он в 1,73 раза легче стали.

Некоторые отрасли техники не в состоянии обходиться без этих металлов. Трудно себе представить современную авиацию без алюминия. Магний и его сплавы начали применяться при изготовлении кузовов автомобилей. Титан и бериллий, а точнее их сплавы, приобрели важное значение в космической и вычислительной технике, в приборах связи (мобильные телефоны), а также при создании современных самолетов и ракет).

Алюминий - металл из глины

Алюминий, который когда-то называли «серебром из глины», сегодня входит в число важнейших и очень востребованных технических материалов, и его сплавы прочно занимают второе место среди конструкционных материалов. По своем содержанию в земной коре (7,5-8,8%) он является одним из самых распространенных на земле металлов. Исходным сырьем для получения алюминия служит боксит. Эта похожая на глину порода получила свое название от местности Ле-Бо на юге Франции, где было обнаружено первое ее месторождение. Боксит наполовину или больше состоит из окиси алюминия - Al₂O₃ (глинозема), связанный с водой. Боксит содержит примеси, главным образом кремнезем, а также окислы железа и титана.

В 1825 г. датчанину Г.Х. Эрстеду удалось получить в лаборатории первые граммы алюминия путем восстановления хлористого алюминия амальгамой калия, когда после отгонки ртути алюминий находился в осадке в виде небольших металлических кусочков. Промышленное производство алюминия, созданное Сен-Каер Делилем во Франции, началось спустя примерно 25 лет. А после изобретения в 1866 г. электролитического процесса французом П. Эру и американцем Ч. Холлом производство алюминия расширилось, и его стоимость сравнялась с обычными металлами (2-5 тыс. долл. за тонну).

Последующее развитие электролитического способа производства алюминия полностью вытеснило химический способ.

В результате в 1913 г. мировая выработка алюминия достигла 65,5-79,5 тыс.т, а к 1918 г. она была увеличена более чем вдвое и составила 133-193 тыс.т. Таким образом, в ряде западных стран была создана алюминиевая промышленность.

Низкий уровень индустриально-технического развития, слабая изученность отечественных источников алюминиевого сырья , отсутствие мощных установок для получения дешевой электроэнергии не позволили царской России создать собственную алюминиевую промышленность.

Но царская политика не могла затормозить научно-техническую мысль отечественных ученых и инженеров, внесших большой вклад в разработку металлургических процессов производства алюминия. Многие их открытия и работы, не находившие применения в России, успешно использовались за рубежом. Так, в 1885 г. Н.Н. Бекетов в своей докторской диссертации установил, что алюминий весьма плотно вытесняется из криолита металлическим магнием. Этот процесс нашел практическое применение за границей. В 1883 г. смелое предложение выдвинул наш соотечественник В.А. Тюрин о получении алюминия электролизом расплава смеси криолита с поваренной солью. Это произошло за три года до работ П. Эру и Ч.Холла. В 1915 г. профессор А.Н. Кузнецов и Б.И. Жуковский предложили и в 1925 г. запатентовали оригинальный способ получения чистого глинозема из алюминиевых руд.

Алюминий представляет собой блестящий серебристо-белый металл с плотностью 2,7 г/см³ и температурой плавления 660 ⁰С, который хорошо провидит тепло и электрический ток. Его кристаллическая структура может быть представлена как трехмерное сочетание кубических гранецентрированных элементарных ячеек. Замечательная особенность алюминия состоит в том, что на воздухе его поверхность быстро покрывается тонкой, но очень плотной, прочной и твердой пленкой окиси, чем и объясняется его высокая коррозионная стойкость. Прочные свойства прокатанного, а затем отожженного до мягкого состояния алюминия характеризуется следующими величинами: предел текучести 20-30 H/мм², предел прочности 70-100 H/мм², относительное удлинение 30-50%. Эти свойства алюминия, особенно прочность, можно значительно повысить путем легирования кремнием, медью, магнием, цинком и марганцем. Существенно различаются между собой деформируемые и литейные алюминиевые сплавы.

Деформируемые сплавы легко поддаются обработке давлением и упрочняются, предназначены для прокатки, ковки, прессования и волочения. Например, деформируемый алюминиевый сплав Al-Mg3 (содержит около 3% Mg) в мягком состоянии имеет прочность 180 H/мм², удлинение 15%, а в твердом (наклепанном) после деформации Ϭ_в=260 H/мм².

Другой путь повышения прочности алюминиевых сплавов состоит в термической обработке, при которой прочность возрастает в результате дисперсионного твердения («старения») после закалки. Первый и более известный сплав этого типа дуралюмин (Al - Cu - Mg), в котором упрочняющее действие оказывает медь (Cu). Прочность на разрыв естественно состаренного дюралюминия составляет около 400 H/мм², а удлинение 12-14%, т.е. соизмерима со сталью.

Литейные алюминиевые сплавы отличаются жидкотекучестью, хорошо заполняют форму, мало чувствительны к литейным трещинам; их используют для фасонного литья. Наилучшим литейными свойствами обладают сплавы алюминий-кремний, их называют силуминами. Если литейный сплав типа AlSi13, содержащий около 13% кремния, отлить в песчаную форму, то после модификации расплава натрием его структура будет представлять мелкозернистую эвтектику с наилучшими литейными свойствами. Одновременно прочность сплава возрастает до 240-280 Н/мм², а удлинение до 15%.

Для поршней двигателей внутреннего сгорания, движущихся в цилиндрах с высокими скоростями и ускорениями, применяют сложные алюминиевые сплавы. Путем комплексного легирования кремнием, медью, никелем, хромом, вольфрамом удается создать нужные алюминиевые сплавы для машиностроения.

За сто лет алюминий прошел путь - от редкого ювелирного металла до современного широко распространенного и необходимого в технике материала, второго по назначению после железа. Во всем мире ученые и инженеры продолжают разрабатывать и совершенствовать алюминиевые сплавы, и перед этим «серебром из глины» открываются все области применения.