Конструкционные металлические сплавы на основе алюминия

Содержание:

 

Введение                                                                                                            3

примеры применение алюминия                                                                     4

Преемущества и недостатки алюминиевых сплавов                                     6

Классификация алюминиевых  сплавов                                                           8

Легирующие элементы алюминиевых  сплавов                                              10

 

Вывод                                                                                                                  13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В семидесятые годы разразившийся нефтяной кризис заставил автомобильные компании искать пути снижения потребления топлива. Известно, что расход топливо во многом зависит от массы автомобиля. Было подсчитано, что снижение веса небольшого пассажирского легкового автомобиля на 100 кг может сэкономить до 700 литров бензина за все годы эксплуатации этого автомобиля (80.000 км). Поэтому автопроизводители стали заменять многие детали на более легкие из алюминия, тем самым снижая общий вес автомобиля. Сегодня в обычном легковом автомобиле в среднем содержится до 110-145 кг алюминия и с каждым годом доля «легкого металла» увеличивается.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примеры применение алюминия

Новые прочные сплавы из алюминия способны полностью заменить сталь, традиционно используемую для производства такого важного элемента автомобиля как кузов. Это доказали инженеры автоконцерна Audi, который в 1994 году представили модель пассажирской машины A8, кузов которой вместо стали был полностью сделан из алюминия. Выигрыш в весе представленной модели составил 239 кг!

Инженеры компании Mazda разработали революционную технологию сварки алюминия со сталью, которая впервые будет применяться в промышленном производстве комплектующих для новой модели спорткара RX-8.

До сих пор сварка алюминия и стали представлялась неразрешимой задачей. Инженеры Mazda решили ее путем разогрева за счет трения верхних слоев алюминия (как это происходит в микроволновой печи) и одновременной гальванизации сварной поверхности стали. Процесс коррозии позволяет частицам алюминия проникать в структуру стали и обеспечивать надежное сцепление. Новая технология открывает широкие возможности в автомобилестроении для выпуска комбинированных кузовов из алюминия и стали, части которых скрепляются сваркой, а не заклепками. Это повышает долговечность и надежность конструкций, обеспечивая одновременно выигрыш по весу. В рамках разработки новой технологии специалисты Mazda оформили более 20 патентов.

Не так давно компания Jaguar сообщила о появлении первого представителя нового поколения своих спортивных автомобилей — модели Jaguar XK. Следует обратить внимание на технологию производства кузова. Уникальным здесь является первое промышленное использование в автомобилестроении конструкции несущего кузова типа «монокок», состоящей полностью из алюминия. Развив авиационные технологии, где снижение массы является критическим фактором, компании Jaguar удалось внедрить в серийное производство легкую и прочную несущую конструкцию кузова, отдельные элементы которой могут быть скреплены как с помощью заклепок, так и с помощью эпоксидных клеев.

 

 

Преемущества  и недостатки алюминиевых сплавов

 

Применение алюминиевых  сплавов в конструкциях автомобилей  основано на преимуществах этих сплавов  перед сталью и чугуном. К одному из преимуществ следует отнести  прежде всего малую массу алюминиевых  конструкций. Для ненагруженных  элементов масса может быть снижена  в 3 раза, а для несущих конструкций  — в 1,5— 2 раза. Снижение собственной  массы автомобиля приводит к увели­чению  грузоподъемности, снижению расхода  горючего, уменьшению износа шин, и  тем самым к увеличению производительности машины и снижению эксплуатационных расходов.

Современный автомобиль, детали которого сделаны из алюминия, может быть на 24% легче, чем его аналог, сделанный из стали, экономя до 2 литров бензина на каждые 100 километров.

 

Другим важным преимуществом  алюминиевых сплавов является их высокая коррозионная стойкость, благодаря  чему их применяют при изготовлении цистерн для различных агрессивных  жидкостей. Это же преимущество позволяет  широко применять алюминиевые сплавы для обшивки автобусов и автофургонов, используемых обычно при безгаражном  хранении. Высокая коррозионная стойкость  алюминиевых сплавов позволяет  в некоторых случаях исключить  окраску кузовов.

Важным свойством алюминиевых  сплавов является их высокая теплопроводность (в 3—4 раза выше стали), что очень  важно для таких деталей, как  поршни, головки и блоки цилиндров.

Алюминиевые сплавы обладают высокой технологичностью. Отливки  из алюминиевых сплавов, получаемые литьем под давлением и в кокиль, могут иметь сложную форму  и меньшие припуски на обработку, чем чугунные отливки. Сам процесс  литья отличается высокой производительностью.

Основным фактором, сдерживающим применение алюминиевых сплавов, является их относительно высокая стоимость. И хотя стоимость алюминия непрерывно снижается, она все еще в несколько  раз превосходит стоимость чугуна и стали.

 

Сварка алюминия

Основные недостатки алюминиевых  сплавов — относительно низкая упругость, высокий коэффициент линейного  расширения, сравнительная сложность  выполнения соединений из-за ограниченной применимости сварки алюминиевых сплавов, так как прочность сварных швов, особенно у термически упрочняемых сплавов, ниже прочности основного металла.

К недостаткам этих сплавов  относятся также низкая выносливость в условиях переменных и знакопеременных  нагрузок и пока еще довольно высокая  стоимость. Однако последний недостаток является временным, так как по мере совершенствования технологии стоимость  полуфабрикатов из алюминиевых сплавов  будет постепенно снижаться.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация алюминиевых  сплавов

Для сплавов алюминия характерно, что в результате добавок менее  коррозионностойких металлов получаются сплавы высокой коррозийной стойкости (например, типа магналия с 3—5 % Мg, сплавы с марганцем и кремнием) и, наоборот, если данный металл более устойчив против коррозии, чем алюминий, то сплавы получаются низкой коррозионной стойкости (например, AI—Сu).

Сплавы алюминия обладают, как правило, более высокими механическими  свойствами, чем чистый алюминий. Поэтому  в промышленности широкое распространение  получил не чистый алюминий, а его сплавы с медью, цинком, магнием, кремнием, марганцем и другими металлами.

Все существующие алюминиевые  сплавы по их технологическим свойствам  делят на две группы: обрабатываемые давлением (деформируемые) и литейные.

Деформируемые сплавы разделяют  также на следующие группы:

• 1) технический алюминий;
• 2) алюминиевомарганцевый сплав АМЦ;
• 3) алюминиевомагниевые сплавы (магналии); обозначаются буквами АМг (с цифрой, указывающей процент содержания магния. Если цифры нет, то магния в сплаве меньше 2,5 %;
• 4) типа "авиаль" с магнием и кремнием: АД31, АДЗЗ, АД35 и А8 (в последний входит немного меди);
• 5) с медью и магнием типа дюралюминий, обозначаемые буквой Д с цифрой, указывающей номер сплава, например Д1, Д16;
• 6) высокопрочные алюминиевые сплавы, в которые, кроме алюминия, входят еще три компонента: цинк, магний и в большинстве случаев медь; обозначается буквой В с цифрой, например В92 (без меди); В95;
• 7) ковочные (жаропрочные), обозначаемые буквами АК с цифрой (АК2, АК4 и др.) и применяемые для поковок и штамповок.

Сплавы групп 1—3 не упрочняются  термической обработкой, сплавы групп 4—6 упрочняются (закалкой с последующим  старением). Кроме приведенных выше обозначений, к маркам сплава добавляют  еще буквы, указывающие состояние  изделий или вид обработки. Например, Н — нагартованное состояние; П — полунагартованное; М —  обожженное; Т — закаленное и  естественно состаренное; Т1 — закаленное и искусственно состаренное при 135—180 °С, Ч, ПЧ — указывают на содержание приме¬сей в сплаве.

Алюминиевые сплавы характеризуются  высокой удельной прочностью и простотой  изготовления из них полуфабрикатов, а также высокой коррозионной стойкостью, в 10—20 раз превышающей  стойкость обычной конструкционной стали, и повышенной пластичностью при низких температурах. Изделия из алюминиевых сплавов при ударе не дают искр. Конструкции из алюминиевых сплавов устойчивы против сейсмических нагрузок, огнестойки и имеют хороший внешний вид.

провода, применяют в электроаппаратуре. Алюминий имеет огромное значение в промышленности из-за высокой пластичности, большой тепло и электропроводности, слабой коррозии, т.к. образующая на поверхности пленка Al2O3 защищает металл от окисления. Из него делают тонкий прокат, фольгу, любой профиль прессованием и другими видами обработки давления. Из него изготавливают разного типа

Сплав алюминия с медью называется дуралюминием (дюраль); сплав с кремнием – силумин – только литейный сплав. Сплав с марганцем – АМц одновременно повышает коррозионную стойкость; Ni, Ti, Cr, Fe повышает жаропрочность сплавов, затормаживая процесс диффузии; литий и бериллий способствуют возрастанию модуля упругости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Легирующие элементы алюминиевых  сплавов

 

Порошковые материалы, композиты  деформируются, а иногда льются.

Неупрочняемые сплавы Al – Mn (АМц) и Al – Mg (АМг). Это коррозион- 
ностойкие материалы, идущие на изготовление бензо -, маслобаков, корпусов 
судов.

Упрочняемые сплавы Al -Mg – Si (АВ, АД31, АД33) идут для изготовления лопастей и  деталей кабин вертолетов, барабанов  колес гидросамолетов.

Дуралюмины Al – Cu – Mg (Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17, В93, В95, В96 и др.).

Дюраль содержит 
от 2 до 4,5 Cu и, кроме того, он часто легируется Mg (~0.5%), Mn, Fe, Be, Si, Zn. Перечисленные элементы образуют ряд химических соединений, растворяемых в алюминии – матрице (CuAl2, Mg2Si) и нерастворимых Fe, Mn, Cu. Механические свойства после закалки и старения (отпуска) зависят от температуры закалки и старения, скорости охлаждения.

Высокопрочные сплавы Al – Zn – Mg – Cu (В93, В95, В96Ц) более прочны, чем дюралюминий, обладают лучшей коррозионной стойкостью и применяются для изготовления шпангоутов, лонжеронов, стрингеров. Алюминиевые сплавы часто применяются для изготовления поковок штамповок лопастей винта самолета, рам, поясов лонжеронов, крепежных деталей. Это сплавы АК1, АК6, АК8, АК4.

Жаропрочные алюминиевые сплавы системы Al – Cu – Mn (Д20, Д21) и Al – Cu – Mg – Fe – Ni (АК – 4 – 1) применяют для изготовления поршней, головок цилиндров, дисков, лопаток компрессоров и т.д., работающих при температурах до 300°С. Жаропрочность достигается за счет легирования Ni, Fe, Ti, (Д20, Д21, АК – 4 – 1).

Литейные алюминиевые сплавы применяются для изготовления литых заготовок. Это сплавы Al – Si (силумины), Al – Cu (дюрали), Al – Mg (Амг). К силуминам относятся сплавы Al – Si (AЛ – 2), Al – Si – Mg (АЛ – 4, АЛ – 9, АЛ – 34), которые упрочняются термообработкой. Силумины хорошо льются, обрабатываются резанием, свариваются, анодируются, пропитываются лаками.

Высокопрочные и жаропрочные литейные сплавы систем Аl – Cu – Mn (АЛ – 19), Al – Cu – Mn – Ni (АЛ – 33), Al – Si – Cu – Mg (АЛ – 3, АЛ – 5). Легированные Ti, Cr, Ni, Cl, Zn жаропрочны до 300°С, хорошо термообрабатываются. Из них изготавливают поршни, головки блока, цилиндров и т.п.

Коррозионностойкие литейные алюминиевые сплавы систем Al – Mg (АЛ8, АЛ27) и Al – Mg – Zn (АЛ24) хорошо льются и свариваются. Легирование Be, Ti, Zn вызывает изменение зерна. Они термообрабатываются.

Спеченный алюминиевый порошок (САП) получается прессованием (700 МПа) при температуре 500 – 600°С алюминиевой пудры. САП характеризуется высокой прочностью и жаропрочностью до 500°С.

Спеченные алюминиевые сплавы систем Al-Si-Ni (СОС 1), Al-Si-Fe 
(СОС 2) иногда легированные Mn,Cr, Zn, Ti, V закаливаются, стареют, жаро- 
прочны до 350°С.

Композиционные алюминиевые сплавы армируются борными волокнами (АД1, АД33, ВКА – 1, ВКА – 2), стальной проволокой (КАС-1, КАС-1А) прочны, гнутся, обладают большой ударной вязкостью, жаропрочностью, усталостью, прочностью.

Другие легирующие элементы

Также для улучшения некоторых  характеристик алюминия в качестве легирующих элементов используются:

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.