Материаловедение

    В состав деформируемых А. с. входят т. н. спеченные (вместо слитка для дальнейшей деформации используют брикет, спечённый из порошков) А. с. (в 1967 в США объем производства составил около 0,5%). Имеются 2 группы спеченных А. с. промышленного значения: САП (спеченная алюминиевая пудра) и САС-1 (спеченный алюминиевый сплав).

    САП упрочняется дисперсными частицами  окиси алюминия, нерастворимой в алюминии. На частицах чрезвычайно дисперсной алюминиевой пудры в процессе помола ее в шаровых мельницах в атмосфере азота с регулируемым содержанием кислорода образуется тончайшая пленка окислов Al. Помол осуществляется с добавкой стеарина, по мере его улетучивания наряду с дробле-нием первичных порошков происходит их сращивание в более крупные конгло-мераты, в результате чего образуется не воспламеняющаяся на воздухе т. н. тяжелая 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 первич-ной окиси алюминия (возникшей на первичных порошках) до 20-22%, при большем содержании снижается. Различают (по содержанию Al₂O₃) 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 А. с., например при 500?С предел прочности s_b=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 холоднопрессован-ных брикетов. Дегазация САП повышает его пластичность, и он удовлетвори-тельно сваривается аргоно-дуговой сваркой.

    САС-1, содержащий 25% Si и 5% Ni (или Fe), получают распылением  жид-кого сплава, брикетированием пульверизата, прессованием и ковкой прутков. Мельчайшие кристаллики Si и FeAl₃(NiAl₃), 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 А. с. характеризуется низким коэффициентом линейного расширения и повышается модулем упругости. По этим характерис-тикам порошковые сплавы заметно превосходят соответствующие литейные А. с.

    Литейные  А. с. 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 А. с. 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. 5) 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 А. с. с высоким содержанием Mg.

    Таблица 8.-Химический состав и механические свойства некоторых литейных алюминиевых сплавов (1Мн/м² " 0, 1 кгс /мм²; 1 кгс/мм² " 10 Мн/м²)

    Примечание. ¹Виды литья: З - в землю; В - по выплавляемым моделям; О - в оболочковые формы; К -в кокиль; Д - под давлением. ²Zn 3,5 - 4,5%.

    Сплавы  с высоким содержанием Zn (свыше 3%) систем Al-Si-Zn (АЛ11) и Al-Zn-Mg-Cu (АЛ24) имеют  повышенную плотность и пониженную коррозион-ную стойкость, но обладают хорошими литейными свойствами и могут приме-няться 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 спосо-ба литья; они тем выше, чем больше скорость кристаллизации и питание кри-сталлизующегося слоя. Как правило, наиболее высокие характеристики дости-гаются 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 механи-ческие 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, модифи-цированием сплавов и их термической обработкой можно существенно повысить свойства фасонных отливок из А. с. Рафинирование осуществляется: продувкой газом (хлором, азотом, аргоном); воздействием флюсов, содержащих хлористые и фтористые соли; выдерживанием в вакууме или сочетанием этих способов.

    Применение  алюминиевых сплавов

    Наибольшее  распространение алюминиевые сплавы получили благодаря своей высокой стойкости против коррозии не только в специальных,– сооруже-ниях, эксплуатирующихся в условиях особо агрессивной среды, но и в обычных гражданских и промышленных зданиях для элементов, которые испытывают атмосферные воздействия.

    Кровельные  настилы 

    Кровля  из алюминиевых листов, благодаря совмещению несущих и огражда-ющих функций в ряде случаев дешевле других кровель. Если даже первоначаль-ные затраты на нее будут выше, чем на другие типы покрытий, то алюминиевая кровля окупит себя в короткое время, так как она почти не требует профилакти-ческого ремонта и срок службы ее во много раз длиннее, чем обычных кровель.

    Алюминиевая кровля может применяться в виде волнистых листов неболь-шой толщины (до 1 мм). В Австралии такие листы используются для покрытий зерновых складов и для изготовления емкостей под зерно.

    Исходя  из декоративных целей, кровельный настил, выполненный из алюминиевых сплавов, может быть окрашен в любые  цвета с помощью цветного анодирования. Так, например, купол главного павильона  американской выставки в парке Сокольники был собран из панелей золотистого цвета.

    К. К. Муханов и др. изучили эффективность  применения алюминиевых сплавов  в ограждающих конструкциях промышленных зданий с точки зрения единовременных затрат при строительстве. Исследователи  пришли к выводу, что в холодных покрытиях алюминиевая волнистая кровля на 47% дешевле стальной и почти в 3 раза экономичнее рубероидной по железобетонным плитам.

    Уменьшение  веса кровли снижает стоимость строительных конструкций здания до 12%. Доказана высокая эффективность специальных алюминиевых панелей для теплых покрытий.

    Оконные и фонарные переплеты 

    Как известно, деревянные переплеты имеют  ряд недостатков, основными из которых  являются их недолговечность и ненадежность в эксплуатации. Стальные рамы быстро подвергаются коррозии, имеют большой вес и неудобны в откры-вании. Алюминиевые переплеты не имеют этих недостатков, поэтому они нашли применение за рубежом и в нашем строительстве (в высотных зданиях МГУ, на Смоленской площади и др.).

    Стеновые  панели

    Листы из алюминиевых сплавов используются для внешней отделки и обли-цовки зданий. Для этой цели могут применяться как штампованные листы, так и специально изготовленные ограждающие панели, которые состоят из наружных алюминиевых листов, эффективного утеплителя (или герметически замкнутой воздушной прослойки) и внутренней облицовки.

    В строительстве объектов химической и нефтяной промышленности

    Химическая  стойкость алюминия по отношению  ко многим кислотам и ще-лочам делает этот металл и его сплавы незаменимыми для возведения емкостей и трубопроводов в химической и топливной промышленности для хранения и транспортирования продуктов, богатых сернистыми соединениями.

    а) Резервуары

    В 1957 - 1958 годах на строительстве комбината  синтетических жирозамени-телей в Волгодонске было сооружено семь крупных резервуаров из листов алю-миниево-магниевого сплава.

    Соединения - сварные, осуществленные на укрупнительной сборке с по-мощью ручной электродуговой сварки, и монтажные, сваренные газовой свар-кой.

    На  Киевском заводе химического аппаратостроения "Большевик"  изготов-ляются алюминиевые сосуды диаметром до 3000 мм и толщиной стенок до 16мм. При этом успешно применяется автоматическая сварка "расщепленным" электродом.

    Для хранения нефтепродуктов можно строить комбинированные резерву-ары: из алюминиевых сплавов изготовлять элементы, наиболее подверженные коррозии, верхние листы стенок, конструкции покрытий, кровлю; остальные час-ти резервуаров могут быть изготовлены из стали.

    б) Трубопроводы

    Алюминиевые трубы целесообразно применять для трубопроводов в хими-ческой и нефтяной промышленности. Антикоррозийные свойства этих сплавов позволяют не делать наружную изоляцию, а также увеличивают длительность эксплуатации сооружений (благодаря устойчивости против агрессивного воздей-ствия транспортируемой среды.

    Достоинством  таких трубопроводов является также  и то, что сопротивление движению жидкостей или газов в более  гладких алюминиевых трубах на 10 - 15% меньше, чем в стальных, а поэтому  можно соответственно уменьшить мощ-ность компрессорных станций.

    В сооружениях, в которых существенное значение имеет собственный вес конструкций

    а) Подъемно-транспортные и землеройные машины

    В подвижных конструкциях экономия в  весе за счет применения алюми-ниевых сплавов доходит до 50%, что позволяет снизить мощность моторов на 30% и уменьшить статическое (вертикальное) и инерционное воздействие на крановые пути. Кроме этого, такие машины часто работают в агрессивных сре-дах, где применение алюминиевых сплавов особенно рационально.