Алюминий и его сплавы

                                                     Введение

 
 Алюминий - металл серебристо-белого цвета. Температура плавления 600°С. Алюминий имеет кристаллическую  ГЦК решетку с периодом а=0.4041нм. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность - 2.7г/см3 против 7.8г/см3 для железа и 8.94г/см3 для меди. Алюминий обладает электрической проводимостью, составляющей 65% электрической проводимости меди. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты: А999 (99.999% Al); высокой чистоты: А995 (99.995% Al), А99, А97, А95 и технической чистоты: А85, А8, А7, А6, А5, А0 (99.0% Al).

Технический алюминий изготавливают в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов и маркируют АДО и АД1.

Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую  коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов. Последнее свойство в сочетании с тем, что алюминий не разрушает витамины, позволяет широко использовать его в производстве посуды. Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде. Алюминий в большом объеме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию. Алюминий также широко применяется в машиностроении, т.к. обладает хорошими физическими качествами.

Но главная  отрасль, в настоящее время просто не мыслимая без использования алюминия — это, конечно, авиация. Именно в авиации наиболее полно нашли применение всем важным характеристикам алюминия 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                         Как получают алюминий?

Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году. Современный метод получения разработали независимо друг от друга американец Чарльз Холл и француз Поль Эру. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.

Алюминий  чрезвычайно распространен в  природе: по этому параметру он занимает четвертое место среди всех элементов  и первое — среди металлов (8,8% от массы земной коры), но не встречается  в чистом виде.

Чаще всего  алюминий производят из бокситов. Более 90% мировых запасов этого минерала сосредоточено в странах тропического и субтропического пояса: Австралии, Гвинее, Ямайке, Суринаме, Бразилии, Индии.

В нашей стране также используются нефелиновые  руды, месторождения которых расположены  на Кольском полуострове и в Кемеровской  области. При переработке нефелинов  получают значительные объемы попутной продукции — кальцинированную соду, поташ, удобрения и цемент.

Сначала из добытой  и обогащенной руды извлекают  так называемый глинозем — оксид  алюминия (Al2O3). Несмотря на название, по виду он не имеет ничего общего с  глиной или черноземом — скорее, он похож на муку или очень белый  песок. Затем глинозем методом электролиза  превращают в алюминий. Из двух тонн глинозема выходит одна тонна  алюминия.

Производство  алюминия является исключительно энергоемким. Поэтому алюминиевые заводы наиболее выгодно строить в регионах, где  есть свободной доступ к источникам электроэнергии.

                                            
 
 
 
 
 

                                              История алюминия

Первое упоминание о металле, который по описанию был  похож на алюминий, встречается в I веке н. э. у Плиния Старшего. Согласно изложенной им легенде, некий мастер преподнес императору Тиберию необычайно легкий и красивый кубок из серебристого металла. Даритель сообщил, что получил  новый металл из обычной глины. Очевидно, он ожидал благодарности и покровительства, но вместо этого лишился жизни. Недальновидный правитель приказал обезглавить  мастера и разрушить его мастерскую, чтобы предотвратить обесценивание  золота и серебра.

Но это  всего лишь легенда. А достоверные  факты говорят о том, что первый шаг к получению алюминия был  сделан в XVI веке, когда была выделена «квасцовая земля», содержавшая окись  неведомого тогда металла. А в  середине XVIII века эксперимент успешно  повторил немецкий химик Андреас  Маргграф, который и назвал окись алюминия словом «alumina» (от латинского «alumen» — вяжущий). С этого момента о существовании алюминия стало известно науке, однако, не будучи найденным в чистом виде, металл поначалу не получил настоящего признания.

И только в 1855 г. на Всемирной выставке в Париже «серебро из глины» произвело настоящий  фурор. Император Наполеон III, за столом которого особо почетным гостям подавали приборы из алюминия, загорелся мечтой снабдить свою армию кирасами из легкого  металла. В скором времени было построено  несколько алюминиевых заводов. Но произведенный там алюминий по-прежнему оставался дорогим. Из него делали лишь ювелирные украшения и предметы роскоши.

Более дешевый  способ производства алюминия появился лишь к концу XIX века. Его одновременно и независимо друг от друга разработали  американский студент Чарльз Холл и  французский инженер Поль Эру. Предложенный ими электролиз расплавленной в  криолите окиси алюминия давал прекрасные результаты, но требовал большого количества электроэнергии. Процессы Байера и  Холла-Эру до сих пор применяются  на современных алюминиевых заводах.

Новый промышленный материал был хорош всем, за исключением  одного: для некоторых сфер применения чистый алюминий был недостаточно прочен. Эту проблему решил немецкий химик  Альфред Вильм, сплавлявший его с незначительными количествами меди, магния и марганца. Он открыл, что сплав в течение нескольких дней после закалки становится все прочнее и прочнее. В 1911 г. в немецком городе Дюрен была выпущена партия дюралюминия, а в 1919 г. из него был сделан первый самолет.

Так началось распространение алюминия по миру. Если в 1900 г. в год получали около 8 тысяч тонн легкого металла, то через сто лет объем его  производства достиг 24 миллионов тонн.

                             Классификация алюминиевых сплавов

Наибольшее распространение  получили сплавы Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg  и другие.

Все сплавы алюминия можно разделить на деформируемые, предназначенные для получения  полуфабрикатов (листов, плит, прутков  и т. д.), а также поковок и  штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки, и литейные, предназначенные для  фасонного литья.

Сплавы алюминия, обладая  хорошей технологичностью во всех стадиях  передела, малой плотностью, высокой  коррозийной стойкостью, при достаточной  прочности, пластичности и вязкости нашли широкое  применение в авиации, судостроении, строительстве и других отраслях народного хозяйства.

Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой

Дуралюмины.  
Дуралюминами называются сплавы Al-Cu-Mg, в которые дополнительно вводят марганец. Типичным дуралюмином является сплав Д1.

Марганец повышает стойкость дуралюмина против коррозии, а присутствуя в виде дисперсных частиц фазы Т, повышает температуру рекристаллизации и улучшает механические свойства.

Дуралюмин, изготовляемый  в листах, для защиты от коррозии подвергают плакированию, т.е. покрытию тонким слоем алюминия высокой чистоты.

Из сплава Д16 изготовляют  обшивки, шпангоуты, стрингера и  лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей и т.д.

Сплав Д16 - s0.2=400МПа, sв=540МПа, d=11%.

Сплавы  авиаль (АВ).  
Эти сплавы уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях. Авиаль удовлетворительно обрабатывается резанием (после закалки и старения) и сваривается контактной и аргонодуговой сваркой. Сплав обладает высокой общей сопротивляемостью коррозии, но склонен к межкристаллической.

Из сплава АВ изготовляют  различные полуфабрикаты (листы, трубы  и т.д.), используемые для элементов  конструкций, несущих умеренные  нагрузки, кроме того, лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери, для которых требуется  высокая пластичность в холодном и горячем состояниях.

Сплав АВ - s0.2=200МПа, sв=260МПа, d=15%.

Высокопрочные сплавы. Предел прочности этих сплавов достигает 550-700МПа, но при меньшей пластичности, чем у дуралюминов. Представителем высокопрочных алюминиевых сплавов  является сплав В95.

При увеличении содержания цинка и магния прочность сплавов  повышается, а их пластичность и  коррозийная стойкость понижаются. Добавки марганца и хрома улучшают коррозийную стойкость. Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем  состоянии и сравнительно легко  деформируются в холодном состоянии  после отжига. Сплав В95хорощо обрабатывается резанием и сваривается точечной сваркой, его применяют в самолетостроении для нагруженных конструкций, работающих длительное время при t<=100¸120°С. Сплав В95 рекомендуется для сжатых зон конструкций и для деталей без концентраторов напряжений.

Сплав В95 - s0.2=530-550МПа, sв=560-600МПа, d=8%.

Сплавы для ковки  и штамповки. Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительным литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки.

Сплав АК6 используют для деталей сложной формы и средней прочности, изготовление которых требует высокой пластичности в горячем состоянии. Сплав АК8 рекомендуют для тяжелонагруженных штампованных деталей.

Сплав АК8 - s0.2=300МПа, sв=480МПа, d=10%.

Жаропрочные сплавы.  
Эти сплавы используют для деталей, работающих при температуре до 300°С. Жаропрочные сплавы имеют более сложный химический состав, чем рассмотренные выше алюминиевые сплавы. Их дополнительно легируют железом, никелем и титаном.

Сплав Д20 - s0.2=250МПа, sв=400МПа, d=12%.

Деформируемые алюминиевые  сплавы, не упрочняемые 

термической обработкой

К этим сплавам относятся  сплавы алюминия с марганцем или  с магнием. Упрочнение сплавов достигается  в результате образования твердого раствора и в меньшей степени  избыточных фаз.

Сплавы легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются и  обладают высокой коррозийной стойкостью. Обработка резанием затруднена.

Сплавы (АМц, АМг2, АМг3) применяют для сварных и клепанных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и требующие высокого сопротивления коррозии.

Сплав АМг3 - sв=220МПа, s0.2=110МПа, d=20%. 
 

Литейные  алюминиевые сплавы 
Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии и др.

Сплавы Al-Si (силумины). Отличаются высокими литейными свойствами, а отливки - большой плотностью. Сплавы Al-Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9) сравнительно легко обрабатываются резанием. Заварку дефектов можно производить газовой и аргонодуговой сваркой.

Сплав АЛ9 - sв=200МПа, s0.2=140МПа, d=5%.

Сплавы Al-Cu. Эти сплавы (АЛ7, АЛ19) после термической обработки имеют высокие механические свойства при нормальной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием. Литейные свойства низкие.

Сплав АЛ7 используют для отливки небольших деталей простой формы, сплав склонен к хрупкому разрушению.

Сплав АЛ7 - sв=240МПа,s0.2=160МПа, d=7%.

Сплавы Al-Mg. Имеют низкие литейные свойства. Характерной особенностью этих сплавов является хорошая коррозийная стойкость, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием.

Сплавы АЛ8, АЛ27, АЛ13 и АЛ22 предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере, например, в судостроении и авиации.

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

Жаропрочные сплавы. Наибольшее применение получил сплав  АЛ1, из которого изготавливают поршни, головки цилиндров и другие детали, работающие при температуре 275-300°С.