Склад, структура, властивості та застосування алюмінію та його сплавів.

Алюміній отримали в 1825 році.

В земній корі – 8,8 Аl , що в 1,7 разів перевищує склад Fе ( 5,1 % ).

Отримують алюміній електролізом глинозем – кріолітового розплаву. В Україні недостатньо алюмінієвої сировини, купуємо в Бразилії, Гвінеї . У нас є ніфілі-нові руди.

По об'єму виплавки алюміній на 2 місті ( 12…14 млн. т за рік ) після

сталі ( ~ 770 млн. т ).

Алюміній в 2 – 3 рази дорожчий, ніж сталь , тому що на його виплавку

більші затрати електроенергії. Виплавка 1 т алюмінію потребує в 30 разів біль-ше електроенергії, ніж виплавка 1 т сталі.

В електротехніці застосовують 10 – 35 % алюмінію від усього алюмінію, що виробляється.

Фізичні якості алюмінію

Алюміній – легкий легкоплавкий метал з високою теплопровідністю, еле-ктропровідністю ( електропровідність алюмінію складає 60 – 65% електропровід-ності міді ).

Алюміній не зазнає поліморфних перетворень. У всьому температурному ін-

тервалі аж до Тпл. він має гранецентровану кубічну (ГЦК ) кристалічну грат-ку.

Чистий алюміній має малу міцність ( σв = 8 – 10 кг/мм² ) і досить високу

пластичність ( δ = 40% ). ( Для Fе σв = 25 кг/мм², δ = 30% )

Висока питома відносна міцність алюмінію ( σв/γ ) основна перевага алю-

мінієвих сплавів.

Алюміній легко піддається всім видам обробки тиском та різанням. Мож-на легко отримати напівфабрикати ( листи, труби, профілі

при Т = 420 – 450⁰С.

Холодна пластична деформація помітно підвищує міцність ( до 15 – 18 кг/мм² )

та зменшує пластичність алюмінію ( δ → 1 – 2% ) .

Алюміній – хімічно активний метал. Навіть при нормальній температурі на

його поверхні утворюється оксид Аl₂О₃. ( Тпл. = 2050⁰С ) ( γ = 3,97 г/см³ ). Наяв-

ність оксидної плівки ( товщина ~ 30 А ) на поверхні алюмінію уберігає його

від подальшої взаємодії з навколишнім середовищем. Завдяки захисній дії ок-сидної плівки алюміній та його сплави мають високу корозійну стійкість в ат-

мосферних умовах та в тих середовищах, які не руйнують плавку ( сірчистий газ, аміак, сірчистоводень при Т = 20⁰С, пара, прісна вода – при високих Т ).

Алюміній має високу корозійну стійкість у морський воді, концентрованої НNО₃, сірчанії кислоті, пиві, вині.

Теоретичною межою, що розділяє деформаційні та ливарні сплави, є гра-ниця розчинності елементів в твердому розчині.

Сплави, що деформуються мають концентрацію ЛЕ меншу за границю розчинності і при нагріванні можуть бути переведені в однофазний стан, в

якому забезпечується їх висока деформаційна здатність.

Ливарні сплави лежать за границями розчинності і мають в структурі ев-

тектику. Наявність евтектики надає сплавам хороші ливарні якості ( рідкоплин-ність… ), але погіршує їх здатність до деформації.

Більшість елементів, що входять в склад алюмінієвих сплавів, мають обме-

жену розчинність, що змінюється із зміною температури. Це надає сплавам здатність зміцнюватися термообробкою. Принципіально зміцнення при термооб-

робці повинні мати всі сплави, що мають концентрацію Л.Е. вищу за межу

розчинності при кімнатної температурі.

Промисловість випускає алюміній таких марок:

А999 ─ алюміній особливої чистоти ( Аl ≥ 99,999% )

А995 ( Аl ≥ 99,995 )

А99 ( Аl ≥ 99,99 )

А97 ( Аl ≥ 99,97 ) алюміній високої чистоти

А95 ( Аl ≥ 99,95 )

А85 ( Аl ≥ 99,85 )

А8 ( Аl ≥ 99,8 )

А7 ( Аl ≥ 99,7 )

А6 ( Аl ≥ 99,6 )

А5 ( Аl ≥ 99,5 ) алюміній технічної чистоти, містить домішки

А0 ( Аl ≥ 99,0 ) Fe, Si, Cu, Zn, Ti

АД0 ( Аl ≥ 98,3 ) σв = 5…15 кг/мм² δ = 3…28%

АД1 ( Аl ≥ 98, )

Технічний алюміній через низьку міцність використовують обмежено в хі-

мічній, харчовий ( молоковози ), електротехнічній промисловості.

В якості конструкційних матеріалів в основному застосовують алюмінієві.

Сплавів алюмінію ~ 50…55 найменувань, що зварюються ─ ~ 20.

По питомій міцності високоміцні алюмінієві сплави значно переважають чавун, н/у та н/л сталі, чистий титан та поступаються лише високолегованим

сталям підвищеної міцності та сплавам титану.

─ для алюмінієвих сплавів.

В якості основних легувальних елементів для алюмінію використовують:

Mg, Mn, Cu, Si, Zn, рідше Li, Ni, Ti, Zr, Be. Більшість Л.Е. утворюють з

алюмінієм тверді розчини обмеженої розчинності. (Не утворюють безперервних

твердих розчинів )

Алюмінієві сплави класифікуються :

1) за технологією виготовлення: що деформуються та ливарні;

2) по здатності до термообробки: термічно не зміцнювані та термічно зміц-нювані ;

3) за властивостями: підвищеної пластичності, високоміцності, жароміцності, ко-

розійностійки та інше.

Класифікація алюмінієвих сплавів за бінарною діаграмою.

.

АМц АМг дюралюміній авіаційний 3) Al- Zn- Mg- Cu

( Д ) ( ДВ ) 4) Al- Mg- Zn

2) Al- Cu- Mn

1) Al- Cu- Mg- Fe- Ni

АЛ – ливарні,

АК – призначені для кування та штампування.

цифри – умовний номер сплава.

Сплави що деформуються ─ отримані в пресованому, катаному, кованому

вигляді.

Ливарні сплави ─ отримані у вигляді лиття.

До сплавів, що деформуються , (Σ Л.Е. ≤ 5…8% ), термічно незміцнюваним

відносяться:

─ технічний алюміній АД0, АД1;

─ алюмінієво-марганцеві сплави АМц, АМцС ( Мн – 1.0…1,6% )

─ алюмінієво-магнієві сплави (магналії ) АМг 1 ─ Мg – 0,7…1,0%

2 ─

3 ─ Мg – 3,2…3,8%

6 ─ Мg – 5,8…6,8%

Алюмінієво-марганцеві та алюмінієво-магнієві сплави відзначаються помірною

міцністю ( σв = 13…38 кг/мм² ) гарною пластичністю ( δ = 10…23% ), підвище-ним опором корозії та задовільним зварюванням. Постачаються у відпаленому стані ( 450…470⁰С - АМц, 350…370⁰С - АМг ) і тому вплив термічного циклу

зварювання не спричиняє знеміцнювання в ЗТВ.

Найширше розповсюдження в зварюванні конструкцій здобули сплави АМг

і серед них:

АМг5 (Мg - 4,8…5,8%; Мп - 0,3…0,8%; Zп - 0,2%; Fе - 0,5%; Sі - 0,5% )

АМг6 ( Мg - 5,8…6,8%, МП - 0,5…0,8%......)

Деформуємі термічно зміцнювані сплави розподіляються на такі групи:

─ авіалі на основі Аl – Мg – Sі та Аl - Сu – Мg - Sі типу

АВ (Аl – Мg –Sі) - Мg ─ 0,45…0,90%

Sі ─ 0,5…1,2%

Сu ─ 0,1…0,5%

Fе < 0,5

АД31; АД33; АД35; АК6; АК8.

Ці сплави наділені гарною корозійною стійкістю в природно заста-

реному стані.

─ дюралюміни ( дюраль ) на основі системи Аl - Сu - Мg

Д1; Д16; Д19; Д18 ( σв = 41…46 кг/мм² ) низька корозійна стійкість.

Д1 ─ Сu - 3,8…4,8%, Мg - 0,4…0,8%, Мп - 0,4…0,8%; Sі -- 0,7%,

Zп - 0,7%, Fе - 0,7%.

Дюралюміни поділяють дюралюміни з гарною пластичністю (Д18 ), серед-

ньої міцності (Д1 ), підвищеної міцності ( Д16, Д17 )

─ сплави високої міцності. на основі системи

Al - Cu - Mg - Fe - Ni : АК2, АК4, АК4-1 ─ жароміцні сплави, що

працюють при Т ≤ 300⁰С ( σв ≈ 17,5 кг/мм2 , δ ≈ 12% при Т = 250 –

- 300⁰С )

Al - Cu - Mn : Д20 ( 1201 ) ; Д21 ─ σв ≈ 39 кг/мм² після термо-

Д21 . обробки

Al - Zn - Mg - Cu : В95 ( 1950 ) , В93, В96, В94, ─ σв ≈ 60 кг/мм²

( Zп - 5…7%, Мg - 1,8…2,8%, Сu - 1,4…2,00% )

Недолік : знижена пластичність, незручність при зварюванні.

Al - Zn - Mg : 1915 ( Zn - 3,4…4,0%, Mg - 1,3…1,8% )

σв ≈ 37кг/мм²

Самозагортування.

Термообробка алюмінієвих сплавів містить в собі в нагріві до Т > 420…450⁰С,

загартування в середовищі та старінні (природним або штучним ): нагрів до

180 – 190⁰С, витримка декілька годин (десятків ) ─ 10…24г.

Більшість конструкцій, які зварюються, виготовляють з сплавів, що дефор-

муються, термічно незміцнюваних алюмінієвих сплавів в ненагартованому ви-

гляді.

Незручність при зварюванні ─ зниження міцності металу в навколошовній

зоні ( розміцнення ) внаслідок випадіння інтерметалів.

Ливарні сплави системи Al ─ Si ( силуміни ) мають Σ Л.Е. ≤ 20%

( в сплавах, що деформуються, Σ Л.Е. <5…8%. )

Марки: АЛ2 (Sі = 10…13% ), АЛ9 ( Sі = 6…8% ), АЛ26 ( Sі = 20…22%)

Окрім Sі ─ Л.Е. Mg, Mn, Cu. Ni, Ni.

Ливарні сплави застосовуються в конструкціях, що зварюються, рідко ─ при

виправленні зварюванням лиття.

Сплави АМг ( АМг5, АМг6 ) використовуються там, де вимагається спо-

лучення досить високої міцності та корозійної стійкості основного металу та зварювальних з'єднань, наприклад, в вагонах, судах ( надбудова ), такі сплави, як АМц використовуються в хімічному машинобудуванні та в будівельних кон-

струкціях ( вікна ). АМц використовується з рідкими газами ( при низьких тем-пературах, σ = 13…24% ) .

Високоміцні сплави використовуються в авіа будівництві, судобудівництві, транспортному машинобудівництві, будівництві та інше.