15.3. Алюминий и его сплавы
Алюминий
имеет решетку г.ц.к. с периодом
,
аллотропических превращений не имеет.
Постоянные примеси алюминия - Fe, Si, Cu, Zn, Ti. В зависимости от содержания примесей алюминий бывает особой чистоты А999 (0,001 % примесей), высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (0,005...0,5 % примесей) и технической чистоты (АО). Технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и т.д.) маркируется АД0 и АД1.
Алюминий легко окисляется на воздухе, образуя на поверхности плотную пленку окисла Al2O3, предохраняющую его от дальнейшей коррозии. Алюминий высокой чистоты имеет очень высокую коррозионную стойкость в азотной кислоте, некоторых органических кислотах (лимонной, винной, уксусной и др.), а также в контакте с пищевыми продуктами. Многие минеральные кислоты (соляная, плавиковая и др.) и щелочи разрушают алюминий.
Алюминий превосходит железо по теплопроводности в 3,29 раз, по электропроводности в 3,65 раз. Благодаря высокой теплопроводности он используется для различных теплообменников, в промышленных и бытовых холодильниках. Высокая электропроводность алюминия способствует его широкому применению в электротехнике (для конденсаторов, проводов, кабелей, шин и др.).
Ввиду низкой прочности алюминий также применяется для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от материала требуется легкость, свариваемость, пластичность, коррозионная стойкость. Так, например, из него изготавливают рамы, двери, трубопроводы, упаковочную фольгу, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуду и др.
Алюминиевые
сплавы
имеют высокую удельную прочность (
),
примерно соответствующую удельной
прочности высокопрочных сталей (
).
Они способны сопротивляться динамическим
и инерционным нагрузкам.
Алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые, литейные и спеченные. В составе каждой из этих трех групп в свою очередь выделяют сплавы упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой.
Деформируемые
алюминиевые сплавы,
не упрочняемые термической обработкой
(АМц и АМг – соответственно,
)
отличаются высокими показателями
пластичности, свариваемости и коррозионной
стойкости. Из них изготавливают
трубопроводы для бензина и масла, сварные
баки, а также заклепки.
Упрочняющая
термообработка алюминиевых сплавов -
закалка с 460...505 С
и старение при 100...140 С.
Сразу после закалки в течении инкубационного
периода
сплав продолжает сохранять высокую
пластичность, что позволяет проводить
вытяжку, правку, клепку. Затем прочность
сплава начинает возрастать за счет
появления зон Гинье – Престона,
обогащенных медью и алюминием. Среди
деформируемых алюминиевых сплавов,
упрочняемых термической обработкой
можно выделить следующие группы:
нормальной прочности (Д1, Д16, Д18). Из этих сплавов изготавливают шпангоуты, нервюры, лонжероны, тяги управления и другие детали самолетов, а также заклепки;
высокопрочные (В95, ВАД23). Их применяют для изготовления высоконагруженных деталей самолетов (обшивка, стрингеры, шпангоуты, лонжероны и др.);
жаропрочные (АК4, АК4-1, Д20, Д21). Их используют для нагруженных деталей и сварных изделий, работающих при температурах 200...300 С: лопатки и диски осевых компрессоров, поршни двигателей (рис. 8.2), сварные емкости и др.;
ковочные сплавы (АК6, АК8) обладают хорошей пластичностью при горячей пластической деформации. Из них изготавливают подмоторные рамы, пояса лонжеронов, стыковые узлы и т.д.
Лучшими
литейными
сплавами алюминия
являются силумины, где основным легирующим
элементом является кремний (
).
Для устранения в структуре эвтектоидного
сплава
крупных кристаллов первичного кремния
производят модификацию – добавляют в
расплав хлористые и фтористые соли
(2…3% по массе). Силумины, легированные
,
могут быть упрочнены с помощью
термообработки.
Литейные алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, подразделяют на две группы:
низкой прочности (АК12). Применяется для малонагруженных деталей во всех областях машиностроения (корпуса приборов, детали авиационных колес, кронштейны и др.);
антифрикционные (САМ, АО20-1, АО9-2).
Литейные сплавы, упрочняемые термической обработкой (закалка с 515...535 С и старение при 150...180 С), делятся на три группы:
нормальной прочности (АК5М2, АК9ч, АК7ч). Их применяют для деталей ответственного назначения (корпуса компрессоров, фланцы, поршни, головки цилиндров и др.);
высокопрочные (АМг10, АК8М). Используются для изготовления нагруженных деталей, работающих в условиях высокой влажности в судо-, самолето- и ракетостроении (детали приборов, вилки шасси и хвостового оперения, баранки штурвалов и др.);
жаропрочные. К этой группе относится сплав АМ5, который используется для изготовления небольших нагруженных деталей несложной формы (арматура, кронштейны и др.), работающих при температурах до 300 С.
Спеченные
порошковые алюминиевые сплавы
(
)
состоят из алюминиевой матрицы, в которой
распределены частицы оксида алюминия
.
В различных САПах размер частиц изменяется
от 10 до 50 мкм, а их объемная доля от 6 до
22%. С увеличением объемной доли оксида
возрастает прочность сплава.
При получении изделий порошки заданного состава прессуют и спекают в регулируемых атмосферах. Уплотнение заготовок позволяет получать материалы с минимальной пористостью, кроме того, в процессе уплотнения происходит термомеханическое упрочнение материала. САПы отличаются высокой прочностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью. Из них изготавливают поршневые штоки, лопасти вентиляторов и турбин в химической промышленности и др.