HomeАлюминий › Сплавы алюминия

Сплавы алюминия

Сплавы алюминияМеталлурги    научились изготовлять самые разнообразные сплавы, свойства которых соответствуют требованиям конструкторов и технологов. Одни из этих материалов обладают повышенной стойкостью к коррозии, другие — большей упругостью, третьи — высокой пластичностью. Стало возможным изготовление сплавов \»на заказ\».

Если в алюминий одновременно добавляют медь, магний и кремний, то сплав\’ получается гораздо прочнее, чем каждая из добавок в отдельности. К таким сплавам относятся разные марки дуралюминов. Своей повышенной прочностью они обязаны фазам-упрочнителям CuAI2 и AI2CuMg. И недаром из них делают ответственные детали в самолетах, которые верно служат в самых трудных условиях.

Во время Великой Отечественной войны нашим пилотам нередко приходилось садиться \»на брюхо\», то есть не выпуская шасси. И разумеется, при этом сгибались лопасти винта. Но благодаря высокой упругости сплава, из которого они были сделаны, летчики могли тут же на месте посадки выпрямить их и вновь подняться в воздух.

Теперь уже славу дуралюминов как самых прочных сплавов затмили другие, содержащие кроме меди, еще магний и цинк. Их прочность 750 МПа. И недаром их применяют в новейших самолетах. В зависимости от того, какая добавка в сплаве преобладает, все алюминиевые сплавы делят на три группы: алюминиевомедные, алюминиевомагниевые и алюми-ниевокремниевые.

Пожалуй, наиболее распространены теперь сплавы третьей группы. Поскольку у кремния есть и другое название — силиций, эти сплавы часто называют силуминами. Ряд промышленных сплавов этого типа был создан советским металловедом профессором СМ. Вороновым во время второй мировой войны. Хотя в них упрочнителем служит химическое соединение магния с кремнием (MgSi), они содержат также медь и марганец.

 

В зависимости от количества легирующих добавок прочность сплава изменяется от 120 до 360 МПа. У них много разных преимуществ по сравнению с другими алюминиевыми сплавами — малая плотность, незначительная усадка, высокая стойкость против окисления. Из силуминов отливают нередко весьма сложные по форме детали, например корпуса и внешние стенки цилиндров, двигателей, части самолетных колес, детали приборов. Незаменимы такие сплавы для поплавков гидросамолетов, так как наряду с высокой прочностью они не поддаются коррозии в морской соленой воде, которая разъедает многие металлы.

Силумины, содержащие магний, применяют в судостроении, строительстве, авиастроении. Даже при нормальной посадке самолета колеса шасси испытывают довольно сильный удар, поэтому они должны быть сделаны из особо прочных сплавов. Их высокую коррозионную стойкость по достоинству оценили конструкторы вертолетов, предложившие эти сплавы для изготовления лопастей вертолетных винтов.

 

Дело в том, что со временем на них развиваются усталостные трещины, которые могут привести к поломке. Правда, расширяются они медленно, да к тому же на вертолетах установлены особые приборы, которые извещают летчика звуковым или световым сигналом о появлении даже самой малой трещины. Но ясно, что если коррозия способствует развитию таких дефектов, то состав сплава должен быть максимально антикоррозионным.

Металлурги, изыскивая новые марки силуминов, не оставляют без внимания и технологию их получения. В 1976 году на Днепровском алюминиевом заводе освоено промышленное производство электротермических алюминиевокремниевых сплавов, которые выплавляют непосредственно из алюмосиликатов. Как известно, до сих пор весь процесс приготовления таких сплавов делился на два основных этапа: сначала получали чистые кремний и алюминий, а затем сплавляли их в специальных печах. Такой способ довольно сложен и требует многих операций.

Новая технология производства силумина проще и имеет ряд значительных преимуществ. Пожалуй, главное из них — возможность использовать сырье, непригодное для получения алюминия и глинозема обычными методами. Плавку ведут в печах, которые в десятки раз мощнее обычных электролизеров. Сплав содержит 58-62 % AI и 35-38 % Si.
Хорошо зарекомендовали себя в промышленности алюминиевые сплавы, содержащие марганец и магний. В отличие от сплавов AI—Си они не упрочняются термической обработкой, то есть не \»старятся\» при нагреве, но зато обладают высокой стойкостью к коррозии и хорошо свариваются плавлением (в атмосфере аргона).

 

Эти свойства по достоинству оценили судостроители. Из такого сплава — магналия (АМгб) — они изготовляют корпуса быстроходных судов на подводных крыльях — \»Ракет\» и \»Метеоров\». Хотя эти сплавы и не упрочняются старением, однако в определенных условиях такой процесс в них может протекать, особенно под действием лучей южного солнца.
Несколько лет назад из магналия были изготовлены и отправлены на побережье Черного моря буйки. После полугодового пребывания в прибрежных водах они превратились буквально в труху. Что же произошло с ними? Ведь магналий считается коррозионностойким сплавом.

Вот что пишет по этому поводу И.Н. Фридляндер: \»Буйки нагревались на солнце до 50—70 °С. Под действием высокой температуры произошел распад пересыщенного твердого раствора магния, образовалась непрерывная цепочка выделений фазы Mg2AI3 по границам зерен. Между алюминиевыми зернами и выделениями фазы Mg2AI3 существует значительная разница электрохимических потенциалов, по границам зерен идет быстрое разъедание и сплав распадается на отдельные, не связанные между собой зерна.

Можно ли обработать чем-нибудь магналий, чтобы ему не страшны были жгучие лучи солнца? Металлурги отвечают — можно. Для этого нужно довольно долго отжигать сплав при не очень высоких температурах. Тогда из твердого раствора будут выпадать сравнительно крупные выделения фазы Mg2AI3. Они рассеиваются не по границам, а по всему сечению зерен. При таком распределении они уже не вредят сплаву, и он сохраняет свою устойчивость к коррозии, которой славится при пребывании и на солнце, и в морской воде.

В 30-х годах нашего века в Новые \»квартиранты\» Европе и особенно в США стала бурно развиваться авиационная и автомобильная промышленность. Многие сотни тысяч автомашин и тысячи самолетов стали ежегодно сходить с конвейеров заводов. Конструкторы неустанно придумывали все новые типы автомобилей и самолетов, стремясь как можно больше облегчить их вес.

{PAGEBREAK}

Ведь чем легче самолет или автомобиль, тем меньше расходуется горючего. Понадобились легкие сплавы. Изобретатели и металлурги вспомнили о литии: он самый легкий металл, легче даже некоторых пород дерева.

Оказалось, что небольшая добавка лития к разным металлам — цинку, меди, железу — не только позволяет получить более легкий сплав, но и повышает его твердость.
Было время, — чтобы изготовить подшипники для больших машин, пользовались главным образом сплавом свинца с оловом — баббитом. В 50-х годах олово в баббите заменили литием, алюминием и кальцием, которые добавляют в ничтожных количествах — не менее 1 %. Лития в этом сплаве всего 0,14 %, а твердость сплава настолько увеличивается, что трение подшипников становится гораздо меньше.

Металлурги, добавляя к алюминию медь и литий, получили сплавы, которые по прочности почти не уступают алюминиевым с добавками меди, цинка и магния. Однако в отличие от них литиевые сплавы характеризуются более высокой жаропрочностью, жесткостью и упругостью. Если же вместо меди в сплаве присутствует магний, то он отличается еще и более высокой упругостью.

Уже трудно перечислить все области техники, где теперь все чаще применяют различные алюминиеволитиевые сплавы. Так, например, они были широко использованы при постройке сверхзвукового советского лайнера ТУ-144, развивающего скорость 2500 километров в час. В полете обшивка самолета нагревается до 130 °С. Добавка лития позволяет сплаву сохранить свою высокую прочность при этой температуре в течение 20—30 тысяч часов.

Сплавы, полученные с добавкой лития, так же как и с добавкой марганца, \»стареют\» не при комнатной температуре, а при достаточно высоком нагреве. Издавна на Урале находили изумруды. Эти красивые зеленые камни снискали мировую славу. Русские изумруды можно встретить в музеях Лондона и Нью-Йорка, на прилавках ювелиров Парижа и Мадрида. Теперь уральские изумрудные копи славятся и другим: в них добывают ювелирный минерал берилл. Ведь изумруд, как это установлено наукой, разновидность берилла с ничтожной примесью хрома.

В 1797 году французский химик Л. Воклен открыл в составе берилла новый элемент, который назвал глицинием за сладкий вкус его солей. Это название продержалось недолго, и новый металл получил имя \»бериллий\» {от названия минерала — берилла). Хотя прошло почти полтора века с тех пор как бериллий был получен из его солей, однако лишь относительно недавно он вышел на промышленную арену. Особенно им заинтересовались металлурги.

 

Они стали добавлять его к разным металлам — меди, никелю, кобальту. Дошла очередь и до алюминия. Оказалось, что добавка бериллия позволяет получать исключительно прочные сплавы, особенно пригодные в тех случаях, где от конструкций требуется повышенная жесткость. Особенность алюминиевобериллиевых сплавов — весьма высокое содержание бериллия (15—60 %).

В 1871 году Д.И. Менделеев сделал замечательное открытие. Он высказал смелую мысль, что в пустующих 21, 31 и 32-й клетках созданной им таблицы периодической системы элементов должны быть \»жильцы\», которые еще не найдены химиками, но существуют в кладовых природы. Он назвал их соответственно эка-бором, эка-алюминием и эка-силицием (приставка \»эка\» означает \»подобный, похожий\»).

 

Спустя четыре года, был найден галлий, соответствующий эка-алюминию, в 1875 году — скандий — предсказанный Менделеевым эка-бор. Прошло еще 11 лет, и немецким химиком К. Винклером был открыт и эка-силиций, названный им в честь своей родины германием. Германий занял прочные позиции в радиотехнике и электронике благодаря способности создавать высокое сопротивление прохождению электрического тока и проводить ток в одном направлении.

 

Интересуются им и металлурги. Добавка германия к алюминиевым сплавам значительно повышает их прочность. В последние годы созданы сплавы алюминия с добавками серебра и германия. Им прочат большую будущность. Однако пока они не нашли широкого применения, так как германий — редкий металл, а серебро — дорогой. Появляется все больше сплавов, в которых к алюминию добавляется большое число разных металлов.

 

Американская фирма АЛКОА по заказу исследовательского центра по\’ космическим полетам разработала два, новых сплава для ракет. В них, кроме обычно применяемых добавок (медь, цинк, магний, марганец и т.п.), содержатся еще кадмий, титан, вольфрам, цирконий. Все   большее   распространение   приобретают спеченные алюминиевые   сплавы    (САС)   с   кремнием, никелем, железом, хромом, цирконием. Главная их особенность — низкий коэффициент линейного расширения. Их удобно применять совместно со сталью при изготовлении различных механизмов и приборов.

Это необыкновенное свойство по заслугам оценили конструкторы и технологи. Оно особенно ценно при изготовлении из высокопрочного сплава деталей сложной конфигурации.
В обычной заводской практике такие детали штампуют в несколько приемов. Причем каждый раз приходится отжигать металл и снимать наклеп. Для того чтобы довести деталь сложной формы до нужных кондиций, необходимо ее еще обрабатывать резанием, фрезерованием, сверлением и т.п. Особенно трудно обрабатывать обычными способами детали из высокопрочных сплавов, которые ныне все больше применяются в современной технике.

Если обрабатывать их давлением, приходится затрачивать колоссальные усилия, резанием — нужен дорогостоящий инструмент. К тому же при всех видах механической обработки миллионы тонн ценнейшего металла превращаются в стружку.

Вот наглядный пример. На одном из крупных заводов в Советском Союзе по обработке цветных металлов  наряду с изготовлением крупногабаритных деталей разного размера и назначения выпускают чайники. Для производства такой продукции по принятой на заводе технологии требуется свыше пятидесяти различных операций: штамповка при комнатной температуре, нагрев для снятия напряжений, формовка ребер, пайка донышка и носика и ряд других.

 

Такие чайники завод выпускает уже много лет. Но однажды на завод приехал инженер из Москвы. Он предложил способ изготовления чайников за одну операцию. Была создана специальная комиссия из специалистов для проверки представленных расчетов и новой технологии изготовления чайников. Для проведения опыта был использован сплав цинкаль (цинк плюс 22 % алюминия) в виде листа с приваренными болтами вместо крышки к чайнику.

 

Всю эту сборку поместили в печь. Теперь нужно было при температуре деформации сплава (250 °С) подвести к форме сжатый газ. Так как на заводе не было баллонов со сжатым газом был использован баллон для газирования воды. В печь стали вдувать углекислый газ из этого баллона. Давление углекислоты оказалось достаточным. Через несколько минут из печи вынули готовый чайник. Результат был столь внушительным, что руководство завода вскоре поручило своим металлургам наладить производство некоторых изделий по предложенной технологии.

За последние годы все ширится применение сверхпластичного алюминиевого сплава. \’Несколько лет назад за рубежом из него стали делать некоторые детали кабины сверхзвукового самолета \»Конкорд\», которые раньше изготовляли из пластмасс. Замена пластмасс сверхпластичным алюминиевым сплавом повышает безопасность самолета.
Из этого сплава автомобилестроители стали изготовлять кузова спортивных автомашин. По расчетам специалистов стоимость кузова при выпуске 500 машин в месяц обходится в 2,5 раза дешевле стального, а трудовые затраты на его обработку и монтаж уменьшаются в 3—4 раза.

 

Любопытная особенность сверхпластичного сплава — при нагреве ведет себя как разогретая смола или жевательная резинка, а при остывании вновь приобретает свои обычные свойства. Чему же обязаны его такие замечательные качества. Оказывается, особой структуре. Эти сплавы построены из очень мелких зерен, которые имеют форму равноосного многоугольника. Под действием внешних сил — давления, температуры — подобные зерна, словно песчинки, смазанные жиром или маслом, легко скользят относительно друг друга и выстраиваются цепочкой по направлению приложенных сил.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.