Алюминий – это серебристо-белый металл, который плавится при относительно невысокой температуре и имеет малую плотность. Важно помнить, что в природе он не встречается в чистом виде. Существует несколько способов классифицировать алюминий, учитывая степень его чистоты, наличие примесей, назначение и состояние.
Алюминий выделяется низкой температурой плавления около 600°C и плотностью 2,7 г/см³. Для сравнения, у железа эти показатели равны 1540°C и 7,8 г/см³, а у меди – 1083°C и 8,94 г/см³. Благодаря высокой химической активности, алюминий в чистом виде в природе не встречается. Первичным называется металл, полученный из глинозема. В зависимости от уровня химической чистоты, алюминий может использоваться как самостоятельный материал или как основа для создания алюминиевых сплавов.
Различия в чистоте алюминия: марки и применение
Первичный алюминий, согласно ГОСТ 11069-2019, обозначается буквой "А". Чистота металла определяется количеством примесей:
- А999 – самый чистый, содержит 99,999% алюминия.
- А995, А99, А98, А97 и А95 – содержат 99,995%, 99,99%, 99,98%, 99,97% и 99,95% алюминия соответственно.
- А92 (99,92% Al), А9 (99,9% Al), А85 (99,85% Al), А8 (99,8% Al), А7 (99,7% Al), А6 (99,6% Al), А5 (99,5% Al) и А0 (99,0% Al).
Алюминий обладает исключительной устойчивостью к коррозии благодаря оксидной пленке Al2O3, которая образуется на поверхности. Чем чище металл, тем прочнее эта защитная пленка. Высокочистый алюминий незаменим при производстве фольги, электропроводов и других элементов, где важна высокая электропроводность.
Технический алюминий, описанный в ГОСТ 4784-2019, отличается невысокой прочностью. Его преимущества – пластичность, свариваемость, стойкость к коррозии, теплопроводность и электропроводность. Из-за малого количества примесей, рассеивающих электронный поток, его используют в производстве приборов, теплообменников, нагревательных и осветительных устройств.
Где применяется технический алюминий?
- В аппаратуре для технологических трубопроводов.
- При строительстве палубных надстроек на судах.
- В производстве электротехнических шин и проводящих материалов.
- При изготовлении баков и различной утвари.
Классификация алюминиевых сплавов: назначение и состояние
Для создания сплавов на основе алюминия часто используют железо, кремний, марганец, цинк и медь. Реже применяют бериллий, титан, литий и цирконий.
Алюминиевые сплавы можно классифицировать по области применения:
- Деформируемые сплавы, которые обрабатываются давлением (горячим или холодным), идут на производство листов, профилей, прутков и труб.
- Литейные сплавы предназначены для изготовления фасонного литья. Их характеристики улучшают термической обработкой.
- Сплавы, изготавливаемые методом порошковой металлургии (САС и САП).
Состояние алюминия и его сплавов обозначается буквами:
- М – мягкий (после отжига).
- Т – закаленный и состаренный естественным образом.
- А – плакированный.
- Н – нагартованный или деформированный.
- П – полуфабрикат.
Литейные алюминиевые сплавы: свойства и состав
В литейных сплавах часто присутствует кремний, улучшающий их литейные свойства. Сочетание малой плотности и достаточной прочности позволяет отливать сложные детали без трещин и дефектов. По характеристикам выделяют:
- АЛ2, АЛ9, АЛ4М – сплавы с высокой герметичностью.
- АЛ5, АЛ19, АЛ33 – сплавы с повышенной стойкостью к высоким температурам.
По химическому составу литейные сплавы делятся на:
- Силумины (с высоким содержанием кремния). Например, АЛ2 содержит 10-13% Si. Он недорогой, устойчив к коррозии, но имеет невысокие механические свойства. Подходит для изделий, не подвергающихся большим нагрузкам. Сплавы АЛ4 и АЛ9 с добавлением магния применяют для деталей средней нагрузки.
- Сплавы алюминия с медью (АЛ7 и АЛ19) после термообработки хорошо обрабатываются резанием и обладают повышенной прочностью при нормальной и высокой температуре. Но они подвержены усадке, образованию трещин и не отличаются высокой коррозионной стойкостью, поэтому требуют анодирования. Используются для простых деталей, таких как кронштейны.
- Алюминиево-магниевые сплавы содержат модификаторы (титан, цирконий и бериллий). Они сложны в отливке, но обладают отличными характеристиками. Хорошо обрабатываются резанием, прочны и устойчивы к коррозии. Сплавы Al8 и Al27 применяются в условиях влажной среды (судостроение, авиация). Сплавы Al13 и Al22 содержат до 1,5% кремния для улучшения литейных свойств и активно используются в судостроении и авиационной промышленности.
Деформируемые алюминий и сплавы: особенности и марки
Технически чистый деформируемый алюминий (АД) регламентируется ГОСТ 4784-2019. Цифры в обозначении АД указывают на степень чистоты металла.
Алюминиевые сплавы, пригодные для деформации, делятся на упрочняемые и неупрочняемые в зависимости от способности улучшать прочность при термической обработке.
Упрочняемые деформируемые алюминиевые сплавы
Дюралюмины
Дюралюмины – это сплавы на основе алюминия, укрепленные медью, магнием и марганцем. Они относятся к термически упрочняемым и обозначаются буквой "Д". Ранее популярный сплав Д1 был заменен на Д16 из-за более высоких характеристик (большее содержание магния). Д16 по прочности и твердости сравним с некоторыми сортами стали, но имеет среднюю коррозионную стойкость.
Листы из дюралюминия плакируют слоем чистого алюминия (не менее 99,95% Al) для повышения коррозионной стойкости и улучшения внешнего вида. Толщина защитного слоя составляет не менее 4% от толщины листа. Плакирование снижает прочность материала. Для повышения коррозионной стойкости применяют также электрохимическое окисление (анодирование).
Дюралюминий упрочняется закалкой и естественным старением. Он хорошо обрабатывается резанием и поддается точечной сварке, но сварка плавлением не рекомендуется из-за образования трещин. Ковкость оценивается как удовлетворительная.
Сплав Д16 востребован в машиностроении, судостроении, приборостроении, авиастроении и строительстве, где важны высокие технические параметры.
Авиационные сплавы
Как используются авиационные сплавы? Характерной особенностью является их упрочнение посредством термической обработки, включающей закалку с последующим естественным или искусственным старением. Для достижения оптимальных характеристик сразу после закалки рекомендуется начинать процесс искусственного старения. Задержка между этими этапами может отрицательно сказаться на прочности материала.
Рассмотрим типичные операции, применяемые после термической обработки авиационных алюминиевых сплавов:
- Хорошая обрабатываемость резанием, что облегчает придание деталям необходимой формы.
- Свариваемость точечной и аргонодуговой сваркой обеспечивает соединение элементов конструкции.
- Обладает приемлемой коррозийной стойкостью, но в некоторых случаях может быть подвержен межкристаллитной коррозии.
Сплавы с повышенными характеристиками прочности
Сплав В95 – яркий пример сплава этого класса. Он содержит различные добавки, которые влияют на его свойства:
- Железо: до 0,5%.
- Кремний: до 0,5%.
- Медь: от 1,4% до 2,0%.
- Марганец: от 0,2% до 0,6%.
- Магний: от 1,8% до 2,8%.
- Хром: от 0,1% до 0,25%.
- Цинк: от 5,0% до 7,0%.
- Титан: до 0,05%.
Рост содержания цинка и магния улучшает прочность, но при этом снижает устойчивость к коррозии и пластичность. Добавление марганца способствует улучшению коррозийной защиты. Важно учитывать, что дюралюмины типа В более чувствительны к концентраторам напряжений и менее устойчивы к коррозии под нагрузкой, по отношению к другим сплавам. Прессованные профили, благодаря наличию хрома и марганца, обладают большей прочностью, чем листы, изготовленные из того же сплава. Для улучшения защиты листов от коррозии применяется плакировка.
Сплав В95 легко деформируется при высоких температурах и хорошо обрабатывается в холодном состоянии после отжига. Он подходит для точечной сварки и обработки резанием. В авиастроении его применяют для создания нагруженных конструкций, эксплуатируемых при температурах от +100 до +120 градусов Цельсия. Также он находит применение в строительстве при создании конструкций, выдерживающих значительные нагрузки.
Ковочные алюминиевые сплавы (АК)
Эти материалы обладают достаточной пластичностью, что позволяет использовать их для ковки, штамповки и литья. После ковки и штамповки изделия обычно подвергаются термической обработке – закалке и старению. К часто используемым ковочным сплавам относятся АК6 и АК8. АК6 применяется при производстве сложных деталей, к которым предъявляются умеренные требования по прочности. АК8, в свою очередь, используется для изготовления особо нагруженных деталей методом горячей штамповки.
Важно знать, каковы особенности применения сплавов АК:
- Поддаются обработке резанием.
- Соединяются контактной и аргонодуговой сваркой.
- Имеют склонность к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию под нагрузкой.
Термически неупрочняемые деформируемые сплавы на основе алюминия
Сплавы АМц (алюминий-марганец) и АМг (алюминий-магний) относятся к этой категории. В алюминиево-магниевые сплавы для измельчения зерна и повышения прочности может добавляться марганец. Как правило, эти материалы применяются после отжига и охлаждения на воздухе. Для увеличения прочности сплавов на основе алюминия-магния или алюминия-марганца применяется нагартовка – упрочнение поверхностного слоя металла посредством деформации. Однако, в сварных швах эффект нагартовки отсутствует.
Эти материалы имеют следующие особенности:
- Высокая устойчивость к коррозии.
- Отлично поддаются деформации, такой как штамповка и гибка.
- Хорошо свариваются.
- Обработка резанием затруднена.
Сплавы АМц и АМг используются в тех случаях, когда важна коррозийная стойкость, а не высокая прочность. Из них делают:
- Элементы вагонов.
- Внутренние перегородки зданий и судов.
- Детали подъемного оборудования.
Порошковые алюминиевые сплавы: типы и применение
Методы порошковой металлургии позволяют создавать спеченные алюминиевые порошки (САП) и спеченные алюминиевые сплавы (САС).
Спеченные алюминиевые порошки
По структуре САП представляют собой алюминиевую матрицу с равномерно распределенными частицами оксида алюминия, укрепляющими металл. Основные характеристики САП:
- Высокая жаропрочность.
- Способность к деформации при высоких и низких температурах.
- Поддаются обработке резанием.
- Достаточно хорошо свариваются.
- Обладают хорошей электропроводностью и коррозийной стойкостью.
Существуют четыре разновидности САП, различающиеся содержанием оксида алюминия: САП-1, САП-2, САП-3 и САП-4. Чем больше число, тем выше содержание оксида, и, следовательно, выше прочность, твердость и жаростойкость, но ниже пластичность. Эти материалы используются для изготовления турбин, компрессоров, вентиляторов и обмоток трансформаторов.
Спеченные алюминиевые сплавы (САС)
САС бывают двух видов:
- САС-1: алюминий, кремний и никель.
- САС-2: алюминий, кремний и железо.
Структура включает в себя дисперсионные элементы интерметаллидов и кремния. Обладают высокими показателями прочности и твердости, но относительно низкой пластичностью. Применяются для изготовления деталей, работающих в контакте со стальными элементами.
Помимо прочего, алюминий (даже низкого качества) применяется для раскисления стали, то есть для удаления кислорода из железоуглеродистого расплава, который негативно влияет на механические характеристики стали.
Автор статьи — инженер-технолог Сергей Кузнецов.