Алюминий стал важнейшей частью мировой экономики. Только в Соединенных Штатах алюминий (Al) и его сплавы приносят экономике более 174 миллиардов долларов каждый год. Эта цифра составляет около 1% от всей экономической продукции страны.
Почему все больше инженеров используют алюминиевые сплавы?
Алюминий обладает рядом уникальных преимуществ, что делает его наиболее широко используемым легким сплавом в промышленности.
Одной из главных особенностей алюминия являются экологические преимущества. Алюминий помогает предприятиям по всему миру производить более экологично. Он широко перерабатывается, гораздо больше, чем тяжелые металлы и даже другие легкие сплавы. По этой причине значительная часть алюминия, который был добыт химическим путем в истории человечества, все еще используется сегодня.
Однако преимущества не только экологические. Механически алюминий имеет ряд преимуществ перед тяжелыми металлами и даже другими легкими сплавами. Он имеет исключительное соотношение прочности и веса в сочетании с хорошим уровнем формуемости, что позволяет использовать его в самых разных областях. Естественно, он образует оксидный слой, который продлевает срок его службы и в некислотной среде.
А теперь, с появлением инновационных методов обработки поверхности алюминия, этот материал подвергается еще более серьезным испытаниям. Алюминиевые сплавы часто заменяют более тяжелые металлы, такие как сталь, которые часто выбираются из-за их эффективности в сложных случаях использования.
Инновационный алюминий для будущего
Алюминий без покрытия обладает рядом полезных свойств. Однако у алюминия есть несколько недостатков, которые исторически ограничивали его использование в определенных случаях.
Улучшение коррозионной стойкости
Естественно, алюминий — достаточно химически активный металл. Из-за химического сродства материала к кислороду алюминиевые сплавы легко окисляются, образуя защитный слой оксида алюминия. Этот слой обеспечивает некоторую коррозионную стойкость в средах с нейтральным pH, однако в щелочных или, особенно, кислых средах этот слой не обеспечивает достаточной защиты.
Некоторые алюминиевые сплавы более подвержены коррозии, чем другие. Серии 2xxx и 7xxx склонны к гальванической коррозии из-за высокого содержания меди и цинка соответственно.
Износостойкость
Не только коррозионная стойкость была отмечена как потенциальный недостаток. Уязвимость алюминия к износу, вызванному трением, также вызывает беспокойство. Это делает использование современных покрытий и обработку поверхности обязательными во многих случаях, когда трение возникает в результате абразивного износа (контакта между компонентами). Это важно там, где алюминиевые сплавы используются с другими металлами.
Гальванические алюминиевые сплавы
На протяжении многих лет для улучшения свойств алюминия использовались различные методы гальваники. Некоторые из них оказались более эффективными в улучшении коррозионной стойкости, чем другие. Другие методы были объявлены вне закона из-за использования токсичных химикатов и канцерогенного хрома .
Гальваника – это хорошо известный процесс электрохимического конверсионного покрытия. Существует несколько форм, включая химические и электролитические методы . Короче говоря, ионы металлов внедряются в поверхность алюминиевой подложки, чтобы придать ей, помимо других характеристик, большую износостойкость и трибологические характеристики.
Без покрытия алюминиевые покрытия имеют тенденцию обеспечивать плохую адгезию с последующими покрытиями после образования оксидного слоя. Отсутствие сцепления между слоями может сделать металл склонным к гальванической коррозии. Это приводит к снижению электропроводности и ослаблению связей с другими металлами, особенно если они имеют большую разницу в анодном индексе. Одним из методов предотвращения гальванической коррозии является покрытие металлами, обладающими высокой устойчивостью к коррозии, например никелем. Эффективность никелирования практически полностью зависит от области применения.
Химическое никелирование является альтернативой обычному электролитическому гальваническому покрытию и в настоящее время одним из наиболее популярных типов автокаталитического химического покрытия алюминия. Покрытия из химического никеля, широко используемые в компьютерных материнских платах и подводной технике, обеспечивают высокую твердость, пластичность и стойкость к истиранию, что идеально подходит для применений, связанных с износом при скольжении.
Однако одним из основных недостатков метода является то, что чистота подложки является фактором успеха покрытия. Любые бактерии или прямой контакт повлияют на качество покрытия. Для более сложных и замысловатых деталей это обычно вызывает ряд проблем, например, в гильзах цилиндров, из-за которых внутреннюю поверхность трудно очистить. Кроме того, алюминий с покрытием трудно перерабатывать, поскольку покрытие необходимо удалять механическим или химическим способом.
Твердое анодирование и алюминиевые сплавы
Анодирование, пожалуй, самый традиционный метод улучшения характеристик алюминиевых сплавов. В более интенсивных применениях используется «более жесткий» подход анодирования. Жесткое анодирование предполагает использование серной кислоты и других добавок для получения более толстых и твердых анодированных слоев. Это помогает улучшить твердость и износостойкость, в то же время умеренно улучшая стойкость к коррозии.
Твердые анодированные покрытия характеризуются своеобразной микроструктурой. В процессе формирования покрытия растут вертикально, образуя столбчатую микроструктуру. Чем больше толщина (высота этих микроколонн), тем лучше обеспечивается защита от коррозии. В тех случаях, когда требуется сочетание устойчивости к коррозии и износу, эта микростолбчатая структура может вызвать проблемы, особенно когда из-за износа толщина покрытия уменьшилась и остались зазоры в подложке.
Заключение
Алюминий по праву занял свое место на вершине пищевой цепочки легких сплавов. Похоже, что его использование будет продолжаться и даже расширяться, теперь его даже включают в движущиеся компоненты (например, блоки двигателей) для снижения веса. Компании, занимающиеся наукой о материалах, постоянно разрабатывают новые решения для легких сплавов, таких как алюминий, чтобы обеспечить их использование и продлить срок их службы в сложных условиях.
Предприятиям, стремящимся улучшить характеристики легких сплавов или уменьшить массу своей продукции, всегда следует начинать проект с исследования легких сплавов и обработки их поверхности
