Алюминий и его сплавы, особенности получения отливок

     Промышленное  получение: при промышленном производстве бокситы сначала подвергают химической переработке, удаляя из них примеси  оксидов кремния (Si), железа (Fe) и других элементов. В результате такой переработки  получают чистый оксид алюминия Al₂O₃ — основное сырье при производстве металла электролизом. Однако из-за того, что температура плавления Al₂O₃ очень высока (более 2000°C), использовать его расплав для электролиза не удается.

     Выход ученые и инженеры нашли в следующем. В электролизной ванне сначала  расплавляют криолит Na₃AlF₆ (температура расплава немного ниже 1000°C). Криолит можно получить, например, при переработке нефелинов Кольского полуострова. Далее в этот расплав добавляют немного Al₂О₃ (до 10% по массе) и некоторые другие вещества, улучающие условия проведения последующего процесса. При электролизе этого расплава происходит разложение оксида алюминия, криолит остается в расплаве, а на катоде образуется расплавленный алюминий:

     2Al₂О₃ = 4Al + 3О₂.

4. Алюминиевые сплавы

     Большинство металлических элементов сплавляются  с алюминием, но только некоторые  из них играют роль основных легирующих компонентов в  промышленных алюминиевых  сплавах. Тем не менее, значительное число элементов используют в качестве добавок для улучшения свойств сплавов. Наиболее широко применяются:

     Бериллий  добавляется для уменьшения окисления  при повышенных температурах. Небольшие  добавки бериллия (0,01 - 0,05%) применяют  в алюминиевых литейных сплавах  для улучшения текучести в  производстве деталей двигателей внутреннего  сгорания (поршней и головок цилиндров).

     Бор вводят для повышения электропроводимости  и как рафинирующую добавку. Бор  вводится в алюминиевые сплавы, используемые в атомной энергетике (кроме деталей реакторов), т.к. он поглощает нейтроны, препятствуя распространению радиации. Бор вводится в среднем в количестве 0,095 - 0,1%.

     Висмут. Металлы с низкой температурой плавления, такие как висмут, свинец, олово, кадмий вводят в алюминиевые сплавы для улучшения обрабатываемости резанием. Эти элементы образуют мягкие легкоплавкие фазы, которые способствуют ломкости стружки и смазыванию резца.

     Галлий  добавляется в количестве 0,01 - 0,1% в сплавы, из которых далее изготавливаются  расходуемые аноды.

     Железо. В малых количествах (»0,04%) вводится при производстве проводов для увеличения прочности и улучшает характеристики ползучести. Так же железо  уменьшает прилипание к стенкам форм при литье в кокиль.

     Индий. Добавка 0,05 - 0,2% упрочняют сплавы алюминия при старении, особенно  при низком содержании меди. Индиевые добавки  используются в алюминиево-кадмиевых подшипниковых сплавах.

     Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности  и улучшения коррозионных свойств  сплавов.

     Кальций придаёт пластичность. При содержании кальция 5% сплав обладает эффектом сверхпластичности.

     Кремний является наиболее используемой добавкой в литейных сплавах. В количестве 0,5 – 4% уменьшает склонность к трещинообразованию. Сочетание кремния с магнием делают возможным термоуплотнение сплава.

     Магний. Добавка магния значительно повышает прочность без снижения пластичности, повышает свариваемость и увеличивает  коррозионную стойкость сплава.

     Медь  упрочняет сплавы, максимальное упрочнение достигается при содержании меди 4 - 6%. Сплавы с медью используются в производстве поршней двигателей внутреннего сгорания, высококачественных литых деталей летательных аппаратов.

     Олово улучшает обработку резанием.

     Титан. Основная задача титана в сплавах - измельчение зерна в отливках и слитках, что очень повышает прочность и равномерность свойств во всём объёме.

     Хотя  алюминий считается одним из наименее благородных промышленных металлов, он достаточно устойчив во многих окислительных  средах. Причиной такого поведения  является наличие непрерывной окисной  плёнки на поверхности алюминия, которая  немедленно образуется вновь на зачищенных участках при воздействии кислорода, воды и других окислителей.

В большинстве  случаев плавку ведут на воздухе. Если взаимодействие с воздухом ограничивается образованием на поверхности нерастворимых  в расплаве соединений и возникающая  пленка этих соединений существенно  замедляет дальнейшее взаимодействие, то обычно не принимают каких-либо мер  для подавления такого взаимодействия. Плавку в этом случае ведут при  прямом контакте расплава с атмосферой. Так поступают при приготовлении  большинства алюминиевых, цинковых, оловянно – свинцовых сплавов. 

Пространство, в котором протекает процесс  плавки сплавов, ограничивается огнеупорной  футеровкой, способной выдерживать  температуры 1500 – 1800 ˚С. Во всех процессах  плавки участвует газовая фаза, которая  формируется в процессе сгорания топлива, взаимодействуя с окружающей средой и футеровкой плавильного  агрегата и т.п.

     Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую  коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах  многих солей и химикатов и  в большинстве пищевых продуктов. Конструкции из алюминиевых сплавов  часто используют в морской воде. Морские бакены, спасательные шлюпки, суда, баржи строятся из сплавов  алюминия с 1930 г. В настоящее время  длина корпусов кораблей из сплавов  алюминия достигает 61 м. Существует опыт алюминиевых подземных трубопроводов, сплавы алюминия обладают высокой стойкостью к почвенной коррозии. В 1951 году на Аляске был построен трубопровод  длиной 2,9 км. После 30 лет работы не было обнаружено ни одной течи или серьёзного повреждения из-за коррозии.

     Алюминий  в большом объёме 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. При частом намокании, если поверхность алюминиевых изделий  не была дополнительно обработана, он может темнеть, вплоть до почернения в промышленных городах с большим  содержанием окислителей в воздухе. Для избежания этого выпускаются  специальные сплавы для получения  блестящих поверхностей путём блестящего анодирования - нанесения на поверхность  металла оксидной плёнки. При этом поверхности можно придавать  множество цветов и оттенков. Например, сплавы алюминия с кремнием позволяют  получить гамму оттенков, от серого до чёрного. Золотой цвет имеют сплавы алюминия с хромом.

     Промышленный  алюминий выпускается в виде двух видов сплавов - литейных, детали из которых изготавливаются литьём, и деформационные - сплавы, выпускаемые  в виде деформируемых полуфабрикатов - листов, фольги, плит, профилей, проволоки. Отливки из алюминиевых сплавов  получают всеми возможными способами  литья. Наиболее распространено литьё  под давлением, в кокиль и в  песчано-глинистые формы. При изготовлении небольших партий применяется литьё  в гипсовые комбинированные формы  и литьё по выплавляемым моделям. Из литейных сплавов  изготавливают  литые роторы электромоторов, литые  детали летательных аппаратов и  др. Деформируемые сплавы используются в автомобильном производстве для  внутренней отделки, бамперов, панелей  кузовов и деталей интерьера; в строительстве как отделочный материал; в летательных аппаратах  и др.

     В промышленности используются также  и алюминиевые порошки. Применяются  в металлургической промышленности: в алюминотермии, в качестве легирующих добавок, для изготовления полуфабрикатов путём прессования и спекания. Этим методом получают очень прочные  детали (шестерни, втулки и др.). Также  порошки используются в химии  для получения соединений алюминия и в качестве катализатора (например, при производстве этилена и ацетона). Учитывая высокую реакционную способность  алюминия, особенно в виде порошка, его используют во взрывчатых веществах  и твёрдом топливе для ракет, используя его свойство быстро воспламеняться.

     Учитывая  высокую стойкость алюминия к  окислению,  порошок используются в качестве пигмента в покрытиях  для окраски оборудования, крыш, бумаги в полиграфии, блестящих поверхностей панелей автомобилей. Также слоем  алюминия покрывают стальные и чугунные изделия во избежание их коррозии.

     По  масштабам применения алюминий и  его сплавы занимают второе место  после железа (Fe) и его сплавов. Широкое применение алюминия в различных областях техники и быта связано с совокупностью его физических, механических и химических свойств: малой плотностью, коррозионной стойкостью в атмосферном воздухе, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью и сравнительно высокой прочностью. Алюминий легко обрабатывается различными способами — ковкой, штамповкой, прокаткой и др. Чистый алюминий применяют для изготовления проволоки (электропроводность алюминия составляет 65,5% от электропроводности меди, но алюминий более чем в три раза легче меди, поэтому алюминий часто заменяет медь в электротехнике) и фольги, используемой как упаковочный материал. Основная же часть выплавляемого алюминия расходуется на получение различных сплавов. На поверхности сплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия.

     Разнообразие  свойств алюминиевых сплавов  обусловлено введением в алюминий различных добавок, образующих с  ним твердые растворы или интерметаллические соединения. Основную массу алюминия используют для получения легких сплавов — дуралюмина (94% — алюминий, 4% медь (Cu), по 0,5% магний (Mg), марганец (Mn), железо (Fe) и кремний (Si)), силумина (85-90% — алюминий, 10-14% кремний (Si), 0,1% натрий (Na)) и др. В металлургии алюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из широко применяемых легирующих добавок  в сплавах на основе меди (Cu), магния (Mg),железа (Fe), >никеля (Ni) и др.

     Сплавы  алюминия находят широкое применение в быту, в строительстве и архитектуре, в автомобилестроении, в судостроении, авиационной и космической технике. В частности, из алюминиевого сплава был изготовлен первый искусственный  спутник Земли. Сплав алюминия и  циркония (Zr) – широко применяют в ядерном реакторостроении. Алюминий применяют в производстве взрывчатых веществ.

     При обращении с алюминием в быту нужно иметь в виду, что нагревать  и хранить в алюминиевой посуде можно только нейтральные (по кислотности) жидкости (например, кипятить воду). Если, например, в алюминиевой посуде варить кислые щи, то алюминий переходит в  пищу, и она приобретает неприятный «металлический» привкус. Поскольку  в быту оксидную пленку очень легко  повредить, то использование алюминиевой  посуды все-таки нежелательно. 
 

5. Получение отливок из алюминиевых  сплавов.

      Основная  задача, стоящая перед литейным производством  в нашей стране, заключается в  существенном общем повышении качества отливок, которое должно найти выражение  в уменьшении толщины стенок, снижении припусков на механическую обработку  и на литниково – питающие системы  при сохранении должных эксплуатационных свойств изделий. Конечным итогом этой работ должно быть обеспечение возросших потребностей машиностроения необходимым количеством литых заготовок без существенного роста общего выпуска отливок по массе.

5.1. Литье в песчаные формы

      Из перечисленных выше способов литья в разовые формы наиболее широкое применение при изготовлении отливок из алюминиевых сплавов получило литье в сырые песчаные формы. Это обусловлено невысокой плотностью сплавов, небольшим силовым воздействием металла на форму и низкими температурами литья (680—800С).

      Для изготовления песчаных форм используют формовочные и стержневые смеси, приготовленные из кварцевых и глинистых  песков (ГОСТ 2138—74), формовочных глин (ГОСТ 3226—76), связующих  и вспомогательных  материалов. 

      Тип литниковой системы выбирают с учетом габаритов отливки, сложности ее конфигурации и расположения в форме. Заливку форм для отливок сложной  конфигурации небольшой высоты осуществляют, как правило, с помощью нижних литниковых систем. При большой высоте отливок и тонких стенках предпочтительно  применение вертикально-щелевых или  комбинированных литниковых систем. Формы для отливок малых размеров допустимо заливать через верхние  литниковые системы. При этом высота падения струп металла в полость  формы не должна превышать 80 мм.