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 (σ в = 8 – 10 кг/мм² ) і досить високу

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

Висока питома відносна міцність алюмінію (σ в/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) σ в = 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 (σ в = 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 (σ в = 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 (σ в ≈ 17, 5 кг/мм2, δ ≈ 12% при Т = 250 –

- 300⁰С)

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

Д21. обробки

Al - Zn - Mg - Cu: В95 (1950), В93, В96, В94, ─ σ в ≈ 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%)

σ в ≈ 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.