Властивості алюмінію та його сплавів

Властивості алюмінію

Алюміній – метал срібно-білого кольору, має гранецентровану кубічну Радку з параметром α = 0,4041 нм; характеризується малою густиною (γ = 2700кг/м³), низькою температурою плавління (tп = 660ºС), високими пластичністю, тепло- та електропровідністю, доброю зварюваністю й оброблюваністю різанням. Алюміній у відпаленому стані має σв = 80..100 МПа, 25…30НВ, велику пластичність(δ = 35…40%). Водночас алюміній характеризується низькою міцністю та твердістю. На повітрі він покривається тонкою щільною плівкою Al2O3, яка надійно захищає його від корозії. Сталими домішками алюмінію є залізо, кремній, мідь, магній, марганець, цинк, титан та ін. Домішки зумовлюють погіршення фізико-хімічних властивостей і пластичності алюмінію, через що їх вміст строго обмежують. Залежно від сумарної частки домішок первинний алюміній поділяють на алюміній особливої, високої та технічної чистоти.

Алюміній особливої чистоти марок А999 містить 0,001% домішок; алюміній високої чистоти марок А995, А99, А97 і А95 - від 0,005 до 0,05% домішок; технічної чистоти марок А85, А8, А7, А7Е і А0 – від 0,15 до 1,0% домішок. Алюміній особливої чистоти застосовують для дослідних робіт, у напівпровідниковій і ядерній техніці.

У промисловості використовують переважно алюміній високої та технічної чистоти. З нього виготовляють головним чином сплави, а також електропроводи, кабелі, конденсатори та фольгу. Застосовувати алюміній як конструкційний матеріал недоцільно з огляду на його низьку міцність.

Сплави алюмінію

Найбільшого поширення набули сплави Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg та інші. Всі сплави алюмінію можна розділити на деформуючі, призначені для одержання напівфабрикатів (листів, плит, прутків і т. д.), а також поковок і штампових заготовок шляхом прокатки, пресування, кування та штампування, і ливарні, призначені для фасонного лиття.

Сплави алюмінію, обладаючи гарною технологічністю у всіх стадіях переділу, малою щільністю, високою корозійною стійкістю, при достатній міцності, пластичності і в'язкості знайшли широке застосування в авіації, суднобудуванні, будівництві та інших галузях народного господарства.

Деформуючі алюмінієві сплави зміцнюється термічною обробкою дуралюмина. Дюралюмінами називаються сплави Al-Cu-Mg, в які додатково вводять марганець. Типовим дуралюмином є сплав Д1.

Марганець підвищує стійкість дуралюміна проти корозії, а будучи присутнім у вигляді дисперсних частинок фази Т, підвищує температуру рекристалізації і покращує механічні властивості.

Дуралюмін, що виготовляється в листах, для захисту від корозії піддають плакуванню, тобто покриттю тонким шаром алюмінію високої чистоти.

З сплаву Д16 виготовляють обшивки, шпангоути, стрингера і лонжерони літаків, силові каркаси, будівельні конструкції, кузова вантажних автомобілів і т.д.

Сплави Авіаль (АВ). Ці сплави поступаються дюралюмінам по міцності, але мають кращу пластичність в холодному і гарячому станах. Авіаль задовільно обробляється різанням (після гартування і старіння) і зварюється контактним і аргонодуговим зварюванням. Сплав має високу загальну опірність корозії.

З сплаву АВ виготовляють різні напівфабрикати (листи, труби і т.д.), що використовуються для елементів конструкцій, що несуть помірні навантаження, крім того, лопасті гвинтів вертольотів, ковані деталі двигунів, рами, двері, для яких потрібна висока пластичність в холодному і гарячому станах.

Високоміцні сплави. Межа міцності цих сплавів досягає 550-700 МПа, але при меншій пластичності, ніж у дуралюмінієвих. Представником високоміцних алюмінієвих сплавів є сплав В95.

При збільшенні вмісту цинку та магнію міцність сплавів підвищується, а їх пластичність і корозійна стійкість знижуються. Добавки марганцю та хрому покращують корозійну стійкість. Сплави мають гарну пластичність в гарячому стані і порівняно легко деформуються в холодному стані після відпалу. Сплав В95 добре обробляється різанням і зварюється точковим зварюванням, його застосовують у літакобудуванні для навантажених конструкцій, що працюють тривалий час при t <= 100¸ 120 ° С. Сплав В95 рекомендується для стислих зон конструкцій і для деталей без концентраторів напружень.

Сплави для кування і штампування. Сплави цього типу відрізняються високою пластичністю і задовільнимb ливарними властивостями, що дозволяють отримати якісні злитки.

Сплав АК6 використовують для деталей складної форми та середньої міцності, виготовлення яких вимагає високої пластичності в гарячому стані. Сплав АК8 рекомендують для важконавантажених штампованих деталей.

Жароміцні сплави. Ці сплави використовують для деталей, що працюють при температурі до 300°С. Жароміцні сплави мають більш складний хімічний склад, ніж розглянуті вище алюмінієві сплави. Їх додатково легують залізом, нікелем і титаном. Деформуючі алюмінієві сплави, не зміцнюється термічною обробкою. До цих сплавів відносяться сплави алюмінію з марганцем або з магнієм. Зміцнення сплавів досягається в результаті утворення твердого розчину і в меншій мірі надлишкових фаз.

Сплави легко обробляються тиском, добре зварюються і володіють високою корозійною стійкістю. Обробка різанням ускладнена.

Сплави (АМц, АМг2, АМг3) застосовують для зварних і клепаних елементів конструкцій, що зазнають невеликі навантаження і потребують високого опору корозії.

Ливарні алюмінієві сплави поділяються на 5 груп:

1. Сплави Al-Si (силуміни). Відрізняються високими ливарнимивластивостями, а виливки - великою щільністю. Сплави Al-Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9) порівняно легко обробляються різанням. Заварку дефектів можна виробляти газовим та аргонодуговим зварюванням.

Сплав АЛ9 - Sв = 200МПа, S0.2 = 140МПа, d = 5%.

Сплави Al-Cu. Ці сплави (АЛ7, АЛ19) після термічної обробки мають високі механічні властивості при нормальній і підвищеній температурах і добре обробляються різанням. Ливарні властивості низькі.

Сплав АЛ7 використовують для відливання невеликих деталей простої форми, сплав схильний до крихкого руйнування.

Сплав АЛ7 - Sв = 240МПа, S0.2 = 160МПа, d = 7%.

Сплави Al-Mg. Мають низькі ливарні властивості. Характерною особливістю цих сплавів є гарна корозійна стійкість, підвищені механічні властивості й оброблюваність різанням.

Сплави АЛ8, АЛ27, АЛ13 і АЛ22 призначені для виливків, що працюють у вологій атмосфері, наприклад, у суднобудуванні й авіації.

Сплав АЛ8 - Sв = 350МПа, s0.2 = 170МПа, d = 10%.

2. Мідні силуміни порівняно з силумінами мають трохи гірші ливарні властивості, але кращі механічні. Їх марки АК5М, АК8М3, АК12М2МгН та ін. Числа після літер К, М, Н і Мг відповідають середній масовій частці(в%) кремнію, міді, нікелю і магнію. Коли число після літери відсутнє, масова частка елемента становить близько 1%.

Серед мідних силумінів окремої уваги заслуговує сплав марки АК8М3, що містить близько 8% Si, 3% Cu, а також Mg, Mn, Ni (~0,5% кожного). Мідь і магній, що мають змінну розчинність в алюмінії, сприяють зміцненню сплаву під час термообробки (гартування і штучного старіння). Сплав АК8М3 має добру зварюваність й корозійну тривкість. З мідних силумінів виготовляють корпуси компресорів, головки та блоки циліндрів автомобільних двигунів.

3. Сплави третьої групи, основними компонентами яких є Al і Cu, мають серед ливарних сплавів найвищу міцність (σв = 300…500 МПа) й пластичність (δ = 4…12%). Вони легко обробляються різанням, добре зварюються, але виявляють малу корозійну тривкість й мають низькі ливарні властивості. Додаткове легування титаном і марганцем сприяє росту міцності й поліпшенню ливарних властивостей. Виділення інтерметалевих фаз Al12Mn2Cu і Al3Ti на границях зерен твердого розчину підвищує жароміцність сплавів до 300ºС. Одним з представників третьої групи є сплав марки АМ5.

4. Магналії – належать до системи Al-Mg. вони легко обробляються різанням, тривкі до корозії, задовільно міцні та пластичні, їх ливарні властивості погані. Марки сплавів четвертої групи: АМг7 (6…8% Mg), АМг10 (9,5…10,5% Mg), АМг5К (4,5…5,5% Mg; 0,8…1,3% Si; 0,1…0,4% Mg). З магналіїв виготовляють деталі суден та літаків, які не бояться вологи.

5. У сплавах п’ятої групи другим за масовою часткою компонентом після алюмінію може бути кремній (К) або цинк (Ц). Марки сплавів: АК9Ц6, АК7Ц9, АЦ4Мг.

Жароміцні сплави. (АК4-1, АК-4 та ін.) зберігають свої механічні властивості до температури 300ºС. Порівняно з іншими сплавами мають більшу кількість легувальних елементів. Їх додатково легують такими елементами, як залізо, нікель і титан. Залізо й нікель утворюють фазу Al9Fe Ni, яка у вигляді дисперсних частин, що не коагулюють, підвищує жароміцність. Ці сплави використовують для виготовлення поршнів, головок циліндрів, лопаток компресорів турбореактивних двигунів, бшивок надзвукових літаків.

Список використаної літератури

1.В.Попович; Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство. Підручник. – Львів: Світ, 2006; 216с.-223с.

2.М.А.Сологуб; Технологія конструкційних матеріалів. Підручник, вища шк., 2002; 77с.

3. http://www.s-metall.com.ua/alyminij_i_splavi_na_ego_osnove.html