Алюминиевые сплавы, сплавы на основе алюминия. Первые Алюминиевые сплавы получены в 50-х гг. 19 в.; они представляли собой сплав алюминия с кремнием и характеризовались невысокими прочностью и коррозионной стойкостью. Длительной время Si считали вредной примесью в Алюминиевые сплавы К 1907 в США получили развитие сплавы Al—Cu (литейные с 8% Cu и деформируемые с 4% Cu). В 1910 в Англии были предложены тройные сплавы Al—Cu—Mn в виде отливок, а двумя годами позднее — Алюминиевые сплавы с 10—14% Zn и 2—3% Cu. Поворотным моментом в развитии Алюминиевые сплавы явились работы А. Вильма (Германия) (1903—11), который обнаружил т. н. старение Алюминиевые сплавы (см. Старение металлов ), приводящее к резкому улучшению их свойств (главным образом прочностных). Этот улучшенный Алюминиевые сплавы был назван дуралюмином . В СССР Ю. Г. Музалевским и С. М. Вороновым был разработан советский вариант дуралюмина — т. н. кольчугалюминий. В 1921 А. Пач (США) опубликовал метод модификации сплава Al—Si введением микроскопических доз Na, что привело к значительному улучшению свойств сплавов Al—Si и их широкому распространению. Исходя из механизма старения Алюминиевые сплавы, в последующие годы велись усиленные поиски химических соединений, способных упрочнить Al. Разрабатывались новые системы Алюминиевые сплавы: коррозионностойкие, декоративные и электротехнические Al—Mg—Si; самые прочные Al—Mg—Si—Cu, Al—Zn—Mg и Al—Zn—Mg—Cu; наиболее жаропрочные Al—Cu—Mn и Al—Cu—Li; лёгкие и высокомодульные Al—Be—Mg и Al—Li—Mg (табл. 1).
Основные достоинства Алюминиевые сплавы: малая плотность, высокая электро- и теплопроводность, коррозионная стойкость, высокая удельная прочность.
По способу производства изделий Алюминиевые сплавы можно разделить на 2 основные группы: деформируемые (в т. ч. спечённые Алюминиевые сплавы) для изготовления полуфабрикатов (листов, плит, профилей, труб, поковок, проволоки) путём деформации (прокатки , ковки и т. д.) и литейные — для фасонных отливок.
Табл. 1. — Развитие систем алюминиевых сплавов
Табл. 2. — Химический состав и механические свойства некоторых деформируемых алюминиевых сплавов (1Мн/м2 » 0,1 кгс/мм2; 1 кгс/мм2 »10 Мн/м2)
Типичны е механич. свойства3
< 0,05
Л
120
50
27,0
Двойные сплавы на основе системы Al—Mg (т. н. магналии) не упрочняются термической обработкой. Они имеют высокую коррозионную стойкость, хорошо свариваются; их широко используют при производстве морских и речных судов, ракет, гидросамолётов, сварных ёмкостей, трубопроводов, цистерн, ж.-д. вагонов, мостов, холодильников и т. д.
Сплавы Al—Mg—Si (т. н. авиали) сочетают хорошую коррозионную стойкость со сравнительно большим эффектом старения; анодная обработка позволяет получать красивые декоративные окраски этих сплавов.
Тройные Al—Zn—Mg сплавы имеют высокую прочность, хорошо свариваются, но при значительной концентрации Zn и Mg склонны к самопроизвольному коррозионному растрескиванию. Надёжны сплавы средней прочности и концентрации.
Четверные сплавы Al—Mg—Si—Cu сильно упрочняются в результате старения, но имеют пониженную (из-за Cu) коррозионную стойкость; из них изготовляют силовые узлы (детали), выдерживающие большие нагрузки. Четверные сплавы Al—Zn—Mg—Cu обладают самой высокой прочностью (до 750 Мн/м2 или до 75 кгс/мм2) и удовлетворительно сопротивляются коррозионному растрескиванию; они значительно более чувствительны к концентрации напряжений и повторным нагрузкам, чем дуралюмины (сплавы Al—Cu—Mg), разупрочняются при нагреве свыше 100°С. Наиболее прочные из них охрупчиваются при температурах жидкого кислорода и водорода. Эти сплавы широко используют в самолётных и ракетных конструкциях. Сплавы Al—Cu—Mn имеют среднюю прочность, но хорошо выдерживают воздействие высоких и низких температур, вплоть до температуры жидкого водорода. Сплавы Al—Cu—Li по прочности близки сплавам Al—Zn—Mg—Cu, но имеют меньшую плотность и больший модуль упругости; жаропрочны. Сплавы Al—Li—Mg при той же прочности, что и дуралюмины, имеют пониженную (на 11%) плотность и больший модуль упругости. Открытие и разработка сплавов Al—Li—Mg осуществлены в СССР. Сплавы Al—Be—Mg имеют высокую ударную прочность, очень высокий модуль упругости, свариваются, обладают хорошей коррозионной стойкостью, но их применение в конструкциях связано с рядом ограничений.
В состав деформируемых Алюминиевые сплавы входят т. н. спечённые (вместо слитка для дальнейшей деформации используют брикет, спечённый из порошков) Алюминиевые сплавы (в 1967 в США объём производства составил около 0,5% ). Имеются 2 группы спечённых Алюминиевые сплавы промышленного значения: САП (спечённая алюминиевая пудра) и САС-1 (спечённый алюминиевый сплав).
САП упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия, нерастворимой в алюминии. На частицах чрезвычайно дисперсной алюминиевой пудры в процессе помола её в шаровых мельницах в атмосфере азота с регулируемым содержанием кислорода образуется тончайшая плёнка окислов Al. Помол осуществляется с добавкой стеарина, по мере его улетучивания наряду с дроблением первичных порошков происходит их сращивание в более крупные конгломераты, в результате чего образуется не воспламеняющаяся на воздухе т. н. тяжёлая пудра с плотностью св. 1000 кг/м2. Пудру брикетируют (в холодном и горячем виде), спекают и подвергают дальнейшей деформации — прессованию, прокатке, ковке. Прочность САП возрастает при увеличении содержания первичной окиси алюминия (возникшей на первичных порошках) до 20—22%, при большем содержании снижается. Различают (по содержанию Al 2O 3) 4 марки САП (6—9% — САП1; 9,1—13% — САП2; 13,1—18% — САП3; 18,1—20% — САП4). Длительные выдержки САП ниже температуры плавления мало влияют на его прочность. Выше 200—250 °С, особенно при больших выдержках, САП превосходит все Алюминиевые сплавы, например при 500°С предел прочности sb=50—80 Мн/м2 (5—8 кгс/мм2). В виде листов, профилей, поковок, штамповок САП применяется в изделиях, где нужна высокая жаропрочность и коррозионная стойкость. САП содержит большое количество влаги, адсорбированной и прочно удерживаемой окисленной поверхностью порошков и холоднопрессованных брикетов. Для удаления влаги применяется нагрев в вакууме или нейтральной среде несколько ниже температуры плавления алюминиевых порошков или холоднопрессованных брикетов. Дегазация САП повышает его пластичность, и он удовлетворительно сваривается аргоно-дуговой сваркой.
САС-1, содержащий 25% Si и 5% Ni (или Fe), получают распылением жидкого сплава, брикетированием пульверизата, прессованием и ковкой прутков. Мельчайшие кристаллики Si и Fe Al 3(Ni Al 3), воздействуя на матрицу, упрочняют сплав, повышают модуль упругости и пластичность, снижают коэффициент линейного расширения; этот эффект тем больше, чем мельче твёрдые частицы и меньше просвет между ними. Этот Алюминиевые сплавы характеризуется низким коэффициентом линейного расширения и повышается модулем упругости. По этим характеристикам порошковые сплавы заметно превосходят соответствующие литейные Алюминиевые сплавы
Литейные Алюминиевые сплавы по объёму производства составляют около 20% (США, 1967). Для них особенно важны литейные характеристики — высокая жидкотекучесть, малая склонность к образованию усадочных и газовых пустот, трещин, раковин. А. А. Бочвар установил, что эти свойства улучшаются при сравнительно высоком содержании в сплаве легирующих элементов, образующих эвтектику , что приводит, однако, к некоторому повышению хрупкости сплавов. Важнейшие литейные Алюминиевые сплавы содержат свыше 4,5% Si (т. н. силумины). Введение гомеопатических (сотые доли процента) доз Na позволяет модифицировать структуру доэвтектических и эвтектических силуминов: вместо грубых хрупких кристаллов Si появляются кристаллы сфероидальной формы и пластичность сплава существенно возрастает. Силумины (табл. 3) охватывают двойные сплавы системы Al—Si (АЛ2) и сплавы на основе более сложных систем: Al—Si—Mg (АЛ9), Al—Si—Си (АЛЗ, АЛ6); Al—Si—Mg—Си (АЛ5, АЛ10). Сплавы этой группы характеризуются хорошими литейными свойствами, сравнительно высокой коррозионной стойкостью, высокой плотностью (герметичностью), средней прочностью и применяются для сложных отливок. Для борьбы с газовой пористостью силуминов Бочвар и А. Г. Спасский разработали оригинальный и эффективный способ кристаллизации отливок под давлением.
К сплавам с высоким содержанием Mg (свыше 5% ) относятся двойные Al—Mg (АЛ8), сплавы системы Al—Mg—Si с добавкой Mn (АЛ13 и АЛ28), Be и Ti (АЛ22). Сплавы этой группы коррозионностойки, высокопрочны и обладают пониженной плотностью. Наиболее высокопрочен сплав АЛ8, но технология его изготовления сложна. Для уменьшения окисляемости в жидком состоянии в него вводится 0,05 — 0,07% Be, а для измельчения зерна — такое же количество Ti, в формовочную смесь для подавления реакции металла с влагой добавляется борная кислота. Сплав АЛ8 отливается главным образом в земляные формы. Сплавы АЛ13 и АЛ28 имеют лучшие литейные свойства, но меньшую прочность и не способны упрочняться термической обработкой; они отливаются в кокиль под давлением и в землю. Длительные низкотемпературные нагревы могут привести к ухудшению коррозионной стойкости литейных Алюминиевые сплавы с высоким содержанием Mg.
Табл. 3.—Химический состав и механические свойства некоторых литейных алюминиевых сплавов (1Мн/м2 » 0, 1 кгс /мм2; 1 кгс/мм2 » 10 Мн/м2)
9,5-11,5
0,1
0,3
З, В, О
320
170
11,0
Сплавы с высоким содержанием Zn (свыше 3%) систем Al—Si—Zn (АЛ11) и Al—Zn—Mg—Cu (АЛ24) имеют повышенную плотность и пониженную коррозионную стойкость, но обладают хорошими литейными свойствами и могут применяться без термической обработки. Широкого распространения они не получили.
Сплавы с высоким содержанием Си (свыше 4% ) — двойные сплавы Al—Си (АЛ7) и сплавы тройной системы Al—Cu—Mn с добавкой Ti (АЛ19) по жаропрочности превосходят сплавы первых трёх групп, но имеют несколько пониженные коррозионную стойкость, литейные свойства и герметичность.
Сплавы системы Al—Cu—Mg—Ni и Al—Cu—Mg—Mn—Ni (АЛ1, АЛ21) отличаются высокой жаропрочностью, но плохо обрабатываются.
Свойства литейных сплавов существенно меняются в зависимости от способа литья; они тем выше, чем больше скорость кристаллизации и питание кристаллизующегося слоя. Как правило, наиболее высокие характеристики достигаются при кокильном литье. Свойства отдельно отлитых образцов могут на 25—40% превосходить свойства кристаллизовавшихся наиболее медленно или плохо питаемых частей отливки. Некоторые элементы, являющиеся легирующими для одних сплавов, оказывают вредное влияние на другие. Кремний снижает прочность сплавов систем Al—Mg и ухудшает механические свойства сплавов систем Al—Si и Al—Cu. Олово и свинец даже в десятых долях процента значительно понижают температуру начала плавления сплавов. Вредное влияние на силумины оказывает железо, вызывающее образование хрупкой эвтектики Al—Si—Fe, кристаллизующейся в виде пластин. Содержание железа регулируется в зависимости от способа литья: оно максимально при литье под давлением и в кокиль и сильно снижено при литье в землю. Уменьшением вредных металлических и неметаллических примесей в сплавах с применением чистой шихты и рафинирования, введением малых добавок Ti, Zr, Be, модифицированием сплавов и их термической обработкой можно существенно повысить свойства фасонных отливок из Алюминиевые сплавы Рафинирование осуществляется: продувкой газом (хлором, азотом, аргоном); воздействием флюсов, содержащих хлористые и фтористые соли; выдерживанием в вакууме или сочетанием этих способов.
С каждым годом увеличивается объём потребления Алюминиевые сплавы в различных отраслях техники (табл. 4). За 5 лет применение Алюминиевые сплавы в США увеличилось примерно в 1,6 раза и превышает (1967) по объёму 10% от потребления стали (в СССР за 1966—70 намечено увеличение производства Алюминиевые сплавы более чем в 2 раза). Наряду с транспортом (авиация, суда, вагоны, автомобили) Алюминиевые сплавы находят огромное применение в строительстве — оконные рамы, стенные панели и подвесные потолки, обои; бурно расширяется использование Алюминиевые сплавы для производства контейнеров и др. упаковки, в электропромышленности (провода, кабели, обмотки электродвигателей и генераторов).
Табл. 4. — Распределение потребления алюминиевых сплавов по отраслям промышленности в США (тыс. т)
Табл. 5. — Объём производства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов в США (тыс. т)
Лит.: Сваривающиеся алюминиевые сплавы. (Свойства и применение), Л., 1959; Добаткин В. И., Слитки алюминиевых сплавов, Свердловск, 1960: Фридляндер И. Н., Высокопрочные деформируемые алюминиевые сплавы, М., 1960; Колобнев И. Ф., Термическая обработка алюминиевых сплавов, М., 1961; Строительные конструкции из алюминиевых сплавов. [Сб. ст.], М., 1962; Алюминиевые сплавы, в. 1—6, М., 1963—69; Альтман М. Б., Лебедев А. А., Чухров М. В., Плавка и литье сплавов цветных металлов, М., 1963; Воронов С. М., Металловедение легких сплавов, М., 1965; AltenpohI D., Aluminium und Aluminiumlegierungen, В. — [u. a.], 1965; L"Aluminium, éd. P. Barrand, R. Gadeau, t. 1—2, P., 1964; Aluminium, ed. R. Kent van Horn, v. 1—3, N. Y., 1967.
И. Н. Фридляндер.