Алюминий – распространенный цветной металл, который активно эксплуатируется в строительстве и в изготовлении металлопрокатной продукции. Особенностью алюминия выступает полная устойчивость к коррозии, что позволяет использовать изделия из этого металла в любой строительной и металлургической отрасли. Он довольно легкий, в несколько раз легче железа и уступает последнему в твердости. Для того, чтобы изготовить прочную металлопрокатную продукцию или иной элемент строительной конструкции, в алюминий добавляют хром, никель, бром или иные компоненты, с которыми он полноценно взаимодействует.
Маркировка алюминия и алюминиевых сплавов
Чистый алюминий маркируется в зависимости от содержания в нем примесей, различается;
- А999 — алюминий особой чистоты;
- А995, А99, А97, А95 — алюминий высокой чистоты;
- А85, А8, … — алюминий технической чистоты.
Алюминий особой чистоты применяется в производстве полупроводниковых приборов и для исследовательской работы.
Алюминий высокой чистоты применяется для плакирования деталей электро- и радиооборудования.
Алюминий технической чистоты используется для приготовления алюминиевых сплавов, изготовления проводов, прокладок
Технический алюминий обозначается буквами АД (алюминий деформируемый), в случае использования более чистого алюминия ставится цифра 1. Сочетание букв АМг и АМц означает сплав алюминия (А) с магнием (Mг) и марганцем (Мц). У сплавов алюминия с магнием цифра показывает процентное содержание магния. Так, например, сплавы марок АМгЗ, АМг5, АМг6 содержат соответственно 3, 5 и 6% магния.
Сплавы в виде полуфабриката обозначаются буквами, которые ставятся после маркировки сплава: А — означает, что сплав повышенного качества, из лучшего алюминия; М — мягкий, отожженный; П — полунагартованный (степень обжатия 40%): Н — нагартованный (степень обжатия 80%). Так, отожженные сплавы обозначаются АДМ, АМцАМ, полунагартованные — АМгАП и нагартованиые — АД1Н. АМгЗН.
Дюралюминий обозначают буквой Д и цифрой, показывающей условный номер сплава, например сплав Д1, Д16, Д18, Д20. Некоторые сплавы, разработанные и последнее время, с маркировкой В65 ВД17 (дюралюминий, покрытый тонким слоем чистого алюминия для придания сплаву коррозионной стойкости) называют алькледом (Альклед это термин, торговая марка)
Высокопрочный сплав алюминия с цинком и магнием обозначается В94, В95, В96 (вторая цифра указывает номер сплава).
Состояние полуфабрикатов высокопрочных сплавов и характер плакировки также имеют буквенно-цифровую маркировку: М— мягкий, отожженный; Т— термически обработанный, закаленный и естественно состаренный. T1- термически обработанный, закаленный и искусственно состаренный; Н — нагартованный (нагартовка листов дюралюминия около 5—7%, а сплавов В95—3%); H1—усиленно нагартованный (нагартовка листов около 20%); В — повышенное качество выкатки закаленных и состаренных листов; О — повышенное качество выкатки отожженных листов; Б — листы без плакировки или с технологической плакировкой; УП — утолщенная плакировка (8% на сторону); ГК — горячекатаные листы, плиты; ТПП — закаленные и состаренные профили повышенной прочности (для Д16).
Геометрическая маркировка. В конце маркировки для листового материала указывается его толщина в миллиметрах, а для профилей — условное цифровое обозначение формы сечения и размеров. Например, маркировка Д16АТНВЛ2,5 означает, что плакированный листовой дюралюминий Д16 — повышенного качества, термически обработан, нагартован и имеет повышенное качество выкатки. Толщина листа 2,5 мм.
Заклепочные сплавы. Сплавы, идущие на изготовление заклепок, имеют в маркировке букву П (сплав для проволоки), например ДЗП, Д16П.
Алюминиевые сплавы для ковки и горячей штамповки обозначаются буквами АК (алюминиевые ковочные) и цифрой — условным номером сплава, например сплавы АК4, АК4-1, АК6, АК6-1, АК8. Дополнительная цифра -1 показывает, что сплав является близкой модификацией сплава без цифры.
Разработанные в последнее время ковочные сплавы имеют нестандартную маркировку, например сплав Д20.
Литейные алюминиевые сплавы обозначаются буквами АЛ (алюминиевые литейные) и цифрой, показывающей условный номер сплава, например сплав АЛ2, АЛ4. АЛ9 и т. д. Исключение составляют новые марки литейных сплавов ВИ-11-3, В300, В14-А.
Силумины. В зависимости от состава все алюминиевые литейные сплавы делятся на силумины, представляющие собой сплавы алюминия и кремния (АЛ2. АЛ4, АЛ9), и легированные силумины — сплавы алюминия и кремния с добавкой меди (АЛЗ, АЛ5. АЛ9) или магния (АЛ 13, ВИ-11-3). Применяются также альтмаг — сплав алюминия и магния (АЛ8)—и сплавы алюминия с медью (АЛ7, АЛ 19).
Режимы термообработки. Для литейных алюминиевых и магниевых сплавов применяют следующие обозначения режимов термической обработки: T1— старение; Т2 — отжиг; Т4 — закалка; Т5 — закалка и частичное старение; Т6 —закалка и полное старение до наибольшей твердости; Т7 — закалка и стабилизирующий отпуск; Т8 — закалка и смягчающий отпуск. Например, обозначение АЛ4Т6 показывает, Что сплав АЛ4 подвергается термической обработке по режиму Т6, состоящему из закалки и полного старения.
Как производят крылатый металл
Производство металла можно разделить на две стадии.
- Первая — добыча бокситов, их дробление и отделение кремния при помощи пара.
- Вторая стадия: глинозем смешивают с расплавленным криолитом и воздействуют на смесь электротоком. В процессе реакции жидкий алюминий оседает на дне ванны.
Образовавшийся металл отливают в слитки; далее он отправляется потребителям или на производство сплавов и высокочистого алюминия.
Метод энергозатратный, «кушает» много электричества.
Бывает технический и сверхчистый
Полученный алюминий называется техническим или нелегированным. В нем содержание чистого металла не менее 99%. Его потребляет электронная промышленность, он необходим в производстве теплообменных и нагревательных устройств, осветительного оборудования.
Часть этого металла отправляется на дополнительную очистку, «рафинирование». В результате имеем металл высокой чистоты, с содержанием алюминия не менее 99,995%.
Его употребляют в электронике, в производстве полупроводников. Кабельное производство, химическое машиностроение сейчас не обойдется без сверхчистого алюминия.
Интересно: до открытия промышленного способа получения алюминия он был редкостью и стоил дороже золота. Нашего великого химика, Д.И. Менделеева, британцы почтили подарком. Это были аналитические весы (вещь, незаменимая для химика), у которых чашечки изготовили из золота и алюминия.
Металл для крыльев
Без такого металла, как алюминий, невозможно покорение неба. Крыльев людям не дано, а летать хочется человеку с давних времен. Не напрасно миф об Икаре живет с античных времен. Попытки взлететь предпринимались неоднократно.
Но прорыв случился в 1903 году, когда романтики неба и замечательные механики братья Райт подняли в воздух самолетик. Этот самолет открыл путь в небо.
Деформируемые алюминиевые сплавы
АМц (1,0—1,6% Мп, 0,6% Si 0,7% Fe) обладает высокой пластичностью (табл. 2.7) в отожженном состоянии (АМцМ) и низкой в нагартованном (АМцН), хорошо сваривается газовой, атомно-водородной и контактной сваркой, применяется для изготовления баков, бензо- и маслопроводов, горловин кронштейнов, патрубков и фланцев горловин и малонагруженных деталей. Термической обработкой не упрочняется. Отжиг при 350—410° С, охлаждение на воздухе. Температура ковки и штамповки 420—475° С.
АМг (2,0—2,8% Mg, 0,15—0,40% Мп, 0,4% Si, 0,4 Fe) обладает такими же пластическими свойствами, как АМц, хорошо сваривается атомно-водородной и контактной сваркой, удовлетворительно — газовой. В отожженном состоянии имеет неудовлетворительную обрабатываемость резанием, в полунагартованном и нагартованном — удовлетворительную. Применяется для изготовления баков, бензо- и маслопроводов, стенок входных » патрубков, направляющего конуса заглушек и других средненагруженных деталей авиационной техники. Термической обработкой не упрочняется. Отжиг при 350—410° С, охлаждение на воздухе. Температура ковки и штамповки 420—275°С.
АМг5П (5,2 Mg, 0,4% Мп) имеет высокую пластичность в отожженном состоянии, термической обработкой не упрочняется, удовлетворительно сваривается атомно-водородной, точечной и газовой сваркой, обладает высокой коррозионной стойкостью, поставляется в виде проволоки, применяется для изготовления заклепок для клепки конструкций из магниевых сплавов. Заклепки ставятся в отожженном состоянии. Температура отжига 340—410° С с охлаждением на воздухе.
АВ (0,2-0,6% Сu, 0,45-0,95% Mg, 0,15-0,35% Мn, 0,5-1,2% Si) имеет высокую пластичность в отожженном состоянии (АВТ) и среднюю после закалки и старения (АВТ), хорошо сваривается точечной и атомно-водородной сваркой, удовлетворительно — газовой, применяется для изготовления деталей требующих хорошей пластичности в холодном и горячем состоянии штампованных и кованых деталей сложной формы. Температура ковки и штамповки 470-475° С
Термическая обработка: закалка с 010—525° С в воде, старение естественное или искусственное при 150° С в течение 6 ч, отжиг при 350-370° С, охлаждение на воздухе (рис. 2.2).
Д18П (2,6% Сu, 0,35% Mg) — дюралюминий повышенной пластичности.
Применяется для изготовления заклепок, которые ставят после закалки и естественного старения. Закалка с 490—505° С в воде и естественного старение не менее 4 суток (рис. 2.3).
Д3П имеет высокую пластичность в отожженном состоянии; применяется для изготовления заклепок, которые ставятся в свежезакаленном состоянии не позднее 3 ч после закалки (сплав Д3П заменяется сплавом Д18П). Термическая обработка: закалка с 490-500° С в воде, естественное старение не менее 4 суток, отжиг при 340—370° С, охлаждение на воздухе.
В65 (4,2% Сu, 0,2 % Mg, 0,4% Mn) —сплав для заклепок, которые ставятся в закаленном состоянии и состаренными, так как пластичность его удовлетворительная и заклепки не надо разупрочнять постановкой. Заменяет сплавы Д1 и Д16. Термическая обработка: закалка с 510-520° С в воде, старение при комнатной температуре в течение 10 суток при температуре 50° С в течении 3 суток
Д7А сплав для ободьев колес шасси, применяется после закалки и старения.
Д1 (4,3 % Cu, 0,6% Mg, 0,6%Mn,>=0,7% Si, >=0,7% Fe) имеет среднюю пластичность табл. 2.8 Обрабатываемость резанием удовлетворительная после закалки и старения (Д1Т) и пониженная после отжига. Применяется для изготовления силовых элементов средней прочности: деталей каркаса, штампованных узлов крепления, лопастей винтов, заклепок (последние ставятся в свежезакаленном состоянии не позже 2 ч после закалки). Термическая обработка: закалка с 490—510° С в воде и естественное старение в течение не менее 4 сут, отжиг при 350—370° С, охлаждение на воздухе.
Д16 (3,8—4,9% Сu, 1,2—1,8 Mg, 0,3—0,9% Мn)—дюралюминий повышенной прочности. Пластичность в отожженном и свежезакаленном состоянии — средняя, обрабатываемость Д16Т и Д16ТН — удовлетворительная, Д16М — пониженная. Применяется для изготовления силовых элементов конструкции: деталей каркаса, обшивки, шпангоутов, нервюр, лонжеронов, заклепок. При изготовлении сильно нагруженных деталей рекомендуется заменять сплавом В95. Заклепки ставят в свежезакаленном состоянии не позже 20 мин после закалки. Термическая обработка: закалка с 495—505° С в воде, естественное старение не менее 4 сут, отжиг при 350—370° С, охлаждение на воздухе. Отжигу Д16ТН должен предшествовать нагрев при 450—500° С.
В95 (5—7% Zn, 1,8—2,8% Mg, 1,4—4,0% Cu, 0,2—0,6% Мn, 0,10—0,25% Сr) — высокопрочный алюминиевый сплав (табл. 2.9). Пластичность в отожженном и свежезакалениом состояниях такая же, как у сплава Д16 в тех же состояниях. В состаренном состоянии значительно ниже. Обрабатываемость резанием и свариваемость точечной сваркой хорошие, газовой — неудовлетворительная. Применяется для изготовления силовых деталей конструкции: лонжеронов, стрингеров, шпангоутов, обшивки, нервюр. Термическая обработка; закалка с 465—475°С, охлаждение в воде, искусственное старение плакированных изделий при 120° С в течение 24 ч, неплакироваиных — при 140° С в течение 16 ч, отжиг при 420° С, охлаждение в печи до 150° С и далее на воздухе.
АК4 (1,9—2,5%, Сu, 1,4—1,8% Mg, <=0,2 Мn, 1,0—1,5% Fe, 0,5—1,2% Si, 1,1—1.6% Ni)—жаропрочный деформируемый алюминиевый сплав, имеет пониженную пластичность в горячем состоянии, удовлетворительно сваривается атомно-водородной сваркой. Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Применяется для изготовления деталей двигателей и других изделий, работающих при температурах до 350°С. Термическая обработка: закалка с 515±5°С, в воде, старение при 170° С в течение 16 ч.
АК4-1 (1,9—2,5% Сu, 1,4-1,8% Mg, <=0,2% Мn, 1,0-1,5% Fe, 1,0-1,5 Ni) — жаропрочный деформируемый сплав. Модификации сплава АК4. Обладает более высокими (по сравнению с АК-4) прочностными характеристиками, имеют удовлетворительную пластичность в горячем состоянии, удовлетворительно сваривается и обрабатывается резанием. Термическая обработка: закалка с 525—535° С искусственное старение при 170° С в течение 16 ч.
АК6 (1,8—2,6% Сu, 0,4—0,8% Mg, 0,4—0,8% Мn) — авиаль повышенной прочности (табл. 2,10), применяется для изготовления штампованных и кованных деталей сложной формы и средней прочности: крыльчаток компрессора и вентиляторов, заборников, лопаток диффузоров и других деталей. Термическая обработка: закалка с 500—515° С в воде и искусственное старение при 150—160° С в течение 12—15 ч.
АК6-1 (2,2% Сu, 0,6% Mg, 0,6% Мn, 0,9% Si, 0,1% Ti, 0,2% Сr) сплав более пластичный, чем сплав АК6; используется для изготовления кованных и штампованных деталей сложной формы: колес компрессоров, заборников крыльчаток и других деталей.
АК8 (4,4% Сг, 0,6% Mg, 0,7 Мn, 0,9 Si)—сплав с большой прочностью но хуже чем АК6-1. Обрабатывается давлением в горячем состоянии и поэтому может применяться для штамповки высоконагруженных самолетных деталей менее сложной формы: рам, фитингов и т. п.
Недостатком сплава, ограничивающим его применение для изготовлена тонкостенных деталей, является склонность в искусственном состаренном состоянии к межкристаллитной коррозии.
Литейные алюминиевые сплавы
Эти сплавы при ремонте применяются редко, а в авиастроении находят применение сплавы АЛ1 АЛ2, АЛЗ, АЛ4, АЛ5, АЛ6, АЛ7, АЛ8, АЛ9, ВИ-113, АЛ 19, B300, В14А (табл. 2.11).
АЛ4 и АЛ5 применяют для изготовления крупных и средних деталей двигателей, подверженных значительным нагрузкам (корпуса масляных форсунок, фланцев, ферм, картеров, головок цилиндров). К недостаткам сплавов относится их низкая жаропрочность. Поэтому они непригодны для изготовления деталей работающих при температуре выше 200—250° С.
АЛЗ и АЛ8 с хорошими литейными свойствами, но со средней механической прочностью. Применяют для средних и мелких деталей двигателей и оборудования, не подверженных значительным нагрузкам (корпусов приборов, карбюпаторов, арматуры и т. п.).
АЛ7 АЛ 8, АЛ9 используют для литья самолетных деталей, кронштейнов качалок, педалей и т.п.
ВИ-11-3 обладает высокой коррозионной стойкостью, хорошими литейными свойствами и повышенной прочностью, упрочняется режимом Т4, имеет удовлетворительную свариваемость газовой сваркой и хорошую обрабатываемость резанием, применяется для изготовления (литьем в землю, кокиль или под давлением) деталей повышенной коррозионной стойкости.
АЛ19 обладает низкой коррозионной стойкостью, невысокими литейными свойствами, но высокими механическими качествами и жаропрочностью. Упрочняющая термическая обработка по режимам Т4 и Т5 Хорошо сваривается и обрабатывается резанием, применяется для изготовления литьем в землю самолетных деталей, работающих при температурах 175—300° С
Спеченные сплавы на основе алюминия
Деформируемый жаропрочный сплав из спеченного алюминиевого порошка (САП) получают путем прессования и спекания алюминиевого порошка при 500—600° с
Из полученных брикетов изготовляют листы прутки трубы, профили и другие полуфабрикаты Плотность САП 2,7 г/см3. Он хорошо сваривается, легко обрабатывается резанием и обладает высокой коррозионной стойкостью
По жаропрочности САП превосходит алюминиевые сплавы при 300—500° С и выше Это объясняется наличием окиси алюминия Аl2Оз . С увеличением окиси алюминия в различных марках САП жаропрочность возрастает, а пластичность несколько уменьшается
Детали из САП длительно работают до 300—550° С и кратковременно до 700—1100° С. САП рекомендуется применять также для деталей, работающих в тяжелых коррозионных условиях
Спеченные алюминиевые сплавы (САС) получают путем горячего брикетирования и последующего прессования при 500°С смесей порошков алюминия с другими элементами.
В САС 1 добавляют 25—30% Si и 5—7% Ni а в САС 4 10—15% Si и 17—25% SiC Сплавы САС обладают низким коэффициентом линейного расширения и применяются для изготовления приборов
Разработаны сплавы САС Д16, САС В96 по своим свойствам подобные сплавам Д16 и В96 но не имеющие технологических дефектов связанных с литьем (окисных и шлаковых включений ликвационных зон) и обработкой давлением (анизотропии свойств)
Состав и свойства спеченных сплавов и порошков САС 1 содержит 6—9% Аl2О3 σв=280 Н/мм2, δ=5%, σв = 40 Н/мм2 при 500°С
САП2 содержит 9 —13% Аl2O3 σв=320 Н/мм2 δ=4% при 500° С σв = 100 Н/мм2,
САП3 содержит 13 —18% Al2O3 σв = 400 Н/мм2 δ=3%, при 500° С σв-= 130 Н/мм2,
САП4 содержит 18—22% Аl2O3> σв = 450 Н/мм2, δ = 15% при 500° С σв = = 130 Н/мм2
Минералы, месторождения…а самородный алюминий?
Запасы алюминия в природе огромны. Среди металлов он держит первое место по распространенности. Но «общительность», активность элемента привела к тому, что в чистом виде металл практически отсутствует.
Производство алюминия в миллионах тонн
Минералов, содержащих алюминий, много:
- бокситы;
- глиноземы;
- полевые шпаты;
- нефелины;
- корунды.
Так что добыча алюминиевого сырья не составляет большого труда.
Если все запасы на Земле истощатся (что сомнительно), то алюминий можно добывать из морской воды. Там его содержание составляет 0,01 мг/л.
Кто захочет увидеть самородный алюминий, тому придется опускаться в жерла вулканов.
Происхождением такой металл из самых глубин нашей планеты.
Композиционные материалы на основе алюминия
Композиционными называют сложные материалы в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые друг в друге компоненты. Они имеют высокие прочность сопротивление хрупкому разрушению, жаропрочность, модель упругости и термическую стабильность свойств. Волокнистые и дисперсионно-упрочненные наполнители. По форме наполнителя композиционные материалы разделяют на волокнистые и дисперсионно упрочненные. Первые упрочняются волокнами или нитевидными кристаллами тугоплавких соединений и элементов (Аl2O3, SiC С, В и др), а также тонкой микронной вольфрамовой или прочной стальной проволокой. Вторые упрочняются наполнителями из тонкодисперсных тугоплавких частиц оксидов карбидов, боридов, нитридов
Сплав ВКА-1 —композиционный материал на основе алюминия и его сплавов. Модуль упругости, предел прочности и выносливости до температур 500 С в композиционных материалах в 2—3 раза выше, чем у обычных алюминиевые сплавов
На рис 2.4 показана зависимость модуля упругости и предела прочности от температуры испытания композиционного материала ВКА 1 на алюминиевой основе, упрочненного высокомодульными непрерывными волокнами бора, в сравнении с высокопрочным сплавом В95 и жаропрочным алюминиевым сплавом АК4 1. Сплав ВКА-1 содержит 50% волокон бора диаметром 100 мкм с σв = 2500—3500 Н/чм2 и Е = 400 кН/мм2, что обеспечивает ему при 20° С σв = 1000—1200 Н/мм2, а при 400° С σв = 600 Н/мм2 (как у сплава В95 при комнатной температуре) . Плотность ВКА 1 2,65 г/см3, а удельная прочность σb/y=41, т. е выше чем у высокопрочных сталей и титановых сплавов.
Замена сплава В95 при изготовлении лонжерона крыла самолета на титановый сплав с подкрепляющими элементами из сплава ВКА 1 увеличивает его жесткость на 45% и дает экономию в весе около 42%. К тому же дисперсионно упрочненные сплавы не имеют анизотропии свойств, как волокнистые композиционные материалы.
Источник: Справочник по авиационным материалам и технологии их применения.
Область применения
Этот металл активно эксплуатируется в металлургической отрасли, электрической сфере, а также в механической. Разберем по порядку.
Как уже упоминалось ранее, из алюминия можно изготовить легковесную металлическую конструкцию, с высоким коэффициентом прочности. Это очень выгодно в плане того, что затраты на фундаментирование здания, а также закупку прочных опор отпадают. Еще одним продуктом являются очень тонкие горячекатаные листы, которые активно эксплуатируются в химической отрасли. Благодаря инертности к щелочам и иным химическим веществам, алюминий является приоритетным металлом, при обшивке помещения.
Вторая сфера применения – электрическая. Давно известно, что алюминий может полностью заменить медь, так как является превосходным проводником электричества. Взять, к примеру, электронику в авто. Если заменить все медные провода алюминиевыми, общий вес автомобиля снизится на 12 килограмм. Это существенно облегчает задачу в машиностроении. К слову, этот металл зачастую применяется в машиностроении, при изготовлении небольших деталей для легковых и грузовых авто. Благодаря незначительному весу и высокой прочности, можно значительно уменьшить общий вес авто, сохранив все эксплуатационные характеристики.
Механическая. У каждого человека имеется свой персональный гаджет, электронное устройство или иной прибор. Но мало кто знает, что в каждом телефоне содержится небольшое количество алюминия, позволяющего поддерживать устройству работоспособность, а также выдержку батареи. Микросхемы, контакты батареи – это все изготовлено из данного металла.
Помимо этого, применяется в различных механизмах наподобие подъемного крана или тяжелого грузового авто.
Стоит отметить, что мастера кузнечного дела рекомендуют этот металл для декорирования и обшивки зданий. Благодаря высокой ковкости, из алюминия можно изготовить любое изделие, с минимальными затратами.
