Что такое - Алюминиевые сплавы

Что такое Алюминиевые сплавы

Определение слова Алюминиевые сплавы по словарю Брокгауза и Ефрона

Алюминиевые сплавы — При сплавлении алюминий соединяется со многими металлами. из получающихся таким образом сплавов заслуживает наибольшего внимания сплав меди с алюминием, алюминиевая бронза (см. это сл.).

Определение «Алюминиевые сплавы» по БСЭ

Алюминиевые сплавы — сплавы на основе алюминия. Первые А. с. получены в 50-х гг. 19 в.. они представляли собой сплав алюминия с кремнием и характеризовались невысокими прочностью и коррозионной стойкостью. Длительной время Si считали вредной примесью в А. с. К 1907 в США получили развитие сплавы Al-Cu (литейные с 8% Cu и деформируемые с 4% Cu). В 1910 в Англии были предложены тройные сплавы Al-Cu-Mn в виде отливок, а двумя годами позднее — А. с. с 10-14% Zn и 2-3% Cu. Поворотным моментом в развитии А. с. явились работы А. Вильма (Германия) (1903-11), который обнаружил т. н. старение А. с. (см. Старение металлов), приводящее к резкому улучшению их свойств (главным образом прочностных).
Этот улучшенный А. с. был назван Дуралюмином. В СССР Ю. Г. Музалевским и С. М. Вороновым был разработан советский вариант дуралюмина — т. н. кольчугалюминий. В 1921 А. Пач (США) опубликовал метод модификации сплава Al-Si введением микроскопических доз Na, что привело к значительному улучшению свойств сплавов Al-Si и их широкому распространению. Исходя из механизма старения А. с., в последующие годы велись усиленные поиски химических соединений, способных упрочнить Al. Разрабатывались новые системы А. с.: коррозионностойкие, декоративные и электротехнические Al-Mg-Si. самые прочные Al-Mg-Si-Cu, Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu. наиболее жаропрочные Al-Cu-Mn и Al-Cu-Li. лёгкие и высокомодульные Al-Be-Mg и Al-Li-Mg (табл. 1).
Основные достоинства А. с.: малая плотность, высокая электро- и теплопроводность, коррозионная стойкость, высокая удельная прочность.
По способу производства изделий А. с. можно разделить на 2 основные группы: деформируемые (в т. ч. спечённые А. с.) для изготовления полуфабрикатов (листов, плит, профилей, труб, поковок, проволоки) путём деформации (прокатки, ковки (См. Прокатка) и т. д.) и литейные — для фасонных отливок.


Табл. 1. — Развитие систем алюминиевых сплавов














СистемаУпрочняющая фазаГод открытияМарка сплава (СССР)
упрочняющего
эффекта
Al-Cu-MgCuAl2, Al2CuMg1903-11Д1, Д16, Д18, АК4-1, БД-
17, Д19, М40, ВАД1
Al-Mg-SiMg2Si1915-21АД31, АД33, АВ (без Cu)
Al-Mg-Si-CuMg2Si, Wфаза (Al2CuMgSi)1922AB (с Cu), АК6, AK8
Al-Zn-MgMgZn2, Тфаза (Al2Mg2Zn3)1923-24B92, В48-4, 01915, 01911
Al-Zn-Mg-CuMgZn2, Тфаза (Al2Mg2Zn3),1932B95, В96, В93, В94
Sфаза (Al2CuMg)
Al-Cu-MnCuAl2, Al12Mg2Cu1938Д20, 01201
Al-Be-MgMg2Al31945Сплавы типа АБМ
Al-Cu-LiТфаза (Al7,5Cu4Li)1956ВАД23
Al-Li-MgAl2LiMg1963-6501420

Деформируемые А. с. по объёму производства составляют около 80% (США, 1967). Полуфабрикаты получают из слитков простой формы — круглых, плоских, полых, — отливка которых вызывает относительно меньшие трудности. Химический состав деформируемых А. с. определяется главным образом необходимостью получения оптимального комплекса механических, физических, коррозионных свойств. Для них характерна структура твёрдого раствора с наибольшим содержанием эвтектики. Деформируемые А. с. принадлежат к различным группам (табл. 2).

Табл. 2. — Химический состав и механические свойства некоторых деформируемых алюминиевых сплавов (1Мн/мІ &asymp. 0,1 кгс/ммІ. 1 кгс/ммІ &asymp.10 Мн/мІ)



























Марка
сплава
Основные элементы (% по массе)1ПолуфабрикатыІТипичные механич. свойства і
CuMgZnSiMnпредел
прочности
&sigma.b, Мн/мІ
предел
текучести
&sigma.0,2,
Mн/мІ
относит.
удлинение
&delta., %
АМг1< 0,010,5-0,8< 0,05Л1205027,0
АМг6< 0,15,8-6,8< 0,2< 0,40,5-0,8Л, Пл, Пр, Пф34017020,0
АД31< 0,10,4-0,9< 0,20,3-0,7< 0.1Пр (Л, Пф)24022010,0
АДЗЗ0,15-0,40,8-1,2< 0,250,4-0,8<0,15Пф (Пр. Л)32026013,0
АВ0,2-0,60,45-0,9< 0,20,5-1,20,15-0,35л, ш, т, Пр, Пф34028014,0
АК61,8-2,60,4-0,8< 0,30,7-1,20,4-0,8Ш, Пк, Пр39030010,0
АК83,9-4,80,4-0,8< 0,30,6-1,20,4-1,0Ш, Пк, Пф, Л47038010,0
Д13,8-4,80,4-0,8< 0,3<] 0,70,4-0,8Пл (Л, Пф, Т),38022012,0
Ш, Пк
Д163,8-4,91,2-1,8< 0,3< 0,50,3-0,9Л (Пф, Т, Пв)4402019,0
Д193,8-4,31,7-2,3< 0,1< 0,50,5-1,0Пф (Л)46034012,0
В653,9-4,50,15-0,3< 0,1< 0,250,3-0,5Пв40020,0
АК4-141,9-2,51,4-1,8< 0,3< 0,35< 0,2Пн, Пф (Ш, Пл,4203508,0
Л)
Д206,0-7,0< 0,05< 0,1< 0,30,4-0,8Л, Пф (Пн, Ш,40030010,0
Пк, Пр)
ВАД2354,9-5,8< 0,05< 0,1< 0,30,4-0,8Пф (Пр, Л)5505004,0
014206< 0,055,0-6,0< 0,0070,2-0,4Л (Пф)44029010,0
В92< 0,053,9-4,62,9-3,6< 0,20,6-1,0Л (Пл, Пс, Пр,45032013,0
Пк), Ш, Пф
0,19157< 0,11,3-1,83,4-4,0< 0,30,2-0,6Л, (Пф)35030010.1)
В930,8-1,21,6-2,26,5-7,3< 0,2< 0,1Ш, (Пк)4804402,5
В951,4-2,01,8-2,85,0-7,0< 0,50,2-0,6Л, Пл, Пк, Ш,5605307,0
Пф, Пр
В962,2-2,82,5-3,57,6-8,6< 0,30,2-0,5Пф (Пн, Пк, Ш)6706307,0

Примечания. 1 Во всех сплавах в качестве примесей присутствуют Fe и Si. в ряд сплавов вводятся малые добавки Сг, Zr, Ti, Be. ІПолуфабрикаты: Л — лист. Пф — профиль. Пр — пруток. Пк — поковка. Ш — штамповка. Пв — проволока: T — трубы. Пл — плиты. Пн — панели: Пс — полосы. Ф — фольга. іСвойства получены по полуфабрикатам, показанным без скобок. 4 С добавкой 1,8-1,3% Ni и 0,8-1,3% Fe. 5 С добавкой 1,2-1,4% Li. 6 С добавкой1,9-2,3% Li. 7 С добавкой 0,2-0,4%Fe.
Двойные сплавы на основе системы Al-Mg (т. н. магналии) не упрочняются термической обработкой. Они имеют высокую коррозионную стойкость, хорошо свариваются. их широко используют при производстве морских и речных судов, ракет, гидросамолётов, сварных ёмкостей, трубопроводов, цистерн, ж.-д. вагонов, мостов, холодильников и т. д.
Сплавы Al-Mg-Si (т. н. авиали) сочетают хорошую коррозионную стойкость со сравнительно большим эффектом старения. анодная обработка позволяет получать красивые декоративные окраски этих сплавов.
Тройные Al-Zn-Mg сплавы имеют высокую прочность, хорошо свариваются, но при значительной концентрации Zn и Mg склонны к самопроизвольному коррозионному растрескиванию. Надёжны сплавы средней прочности и концентрации.
Четверные сплавы Al-Mg-Si-Cu сильно упрочняются в результате старения, но имеют пониженную (из-за Cu) коррозионную стойкость. из них изготовляют силовые узлы (детали), выдерживающие большие нагрузки. Четверные сплавы Al-Zn-Mg-Cu обладают самой высокой прочностью (до 750 Мн/мІ или до 75 кгс/ммІ) и удовлетворительно сопротивляются коррозионному растрескиванию. они значительно более чувствительны к концентрации напряжений и повторным нагрузкам, чем дуралюмины (сплавы Al-Cu-Mg), разупрочняются при нагреве свыше 100°C. Наиболее прочные из них охрупчиваются при температурах жидкого кислорода и водорода. Эти сплавы широко используют в самолётных и ракетных конструкциях. Сплавы Al-Cu-Mn имеют среднюю прочность, но хорошо выдерживают воздействие высоких и низких температур, вплоть до температуры жидкого водорода. Сплавы Al-Cu-Li по прочности близки сплавам Al-Zn-Mg-Cu, но имеют меньшую плотность и больший модуль упругости. жаропрочны. Сплавы Al-Li-Mg при той же прочности, что и дуралюмины, имеют пониженную (на 11%) плотность и больший модуль упругости. Открытие и разработка сплавов Al-Li-Mg осуществлены в СССР. Сплавы Al-Be-Mg имеют высокую ударную прочность, очень высокий модуль упругости, свариваются, обладают хорошей коррозионной стойкостью, но их применение в конструкциях связано с рядом ограничений.
В состав деформируемых А. с. входят т. н. спечённые (вместо слитка для дальнейшей деформации используют брикет, спечённый из порошков) А. с. (в 1967 в США объём производства составил около 0,5%). Имеются 2 группы спечённых А. с. промышленного значения: САП (спечённая алюминиевая пудра) и САС-1 (спечённый алюминиевый сплав).
САП упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия, нерастворимой в алюминии. На частицах чрезвычайно дисперсной алюминиевой пудры в процессе помола её в шаровых мельницах в атмосфере азота с регулируемым содержанием кислорода образуется тончайшая плёнка окислов Al. Помол осуществляется с добавкой стеарина, по мере его улетучивания наряду с дроблением первичных порошков происходит их сращивание в более крупные конгломераты, в результате чего образуется не воспламеняющаяся на воздухе т. н. тяжёлая пудра с плотностью св. 1000 кг/мІ. Пудру брикетируют (в холодном и горячем виде), спекают и подвергают дальнейшей деформации — прессованию, прокатке, ковке. Прочность САП возрастает при увеличении содержания первичной 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°C, особенно при больших выдержках, САП превосходит все А. с., например при 500°C предел прочности &sigma.b=50-80 Мн/мІ (5-8 кгс/ммІ).
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 холоднопрессованных брикетов. Дегазация САП повышает его пластичность, и он удовлетворительно сваривается аргоно-дуговой сваркой.
САС-1, содержащий 25% Si и 5% Ni (или Fe), получают распылением жидкого 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 характеристикам 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. 3) 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.

Табл. 3.-Химический состав и механические свойства некоторых литейных алюминиевых сплавов (1Мн/мІ &asymp. 0, 1 кгс /ммІ. 1 кгс/ммІ &asymp. 10 Мн/мІ)





















Марка
сплава
Элементы (% по массе)Вид литья1Типичные механические свойства
CuMgMnSiпределпределотносит.
прочноститекучестиудлинение
&sigma.b, Мн/м2&sigma.0,2, MH/M2&delta., %
АЛ89,5-11,50,10,3З, В, О32017011,0
АЛ20,80,510-13Все виды2001103,0
литья
АЛ90,20,2-0,40,56-8»»»2301307,0
АЛ40,30,17-0,30,25-0,58-10,5»»»2602004,0
АЛ51,0-1,50,35-0,60,54,5-5,5»»»2401801,0
АЛЗ1,5-3,50,2-0,80,2-0,84,0-6,0Все виды2301701,0
литья,
кроме Д
АЛ251,5-3,00,8-1,20,3-0,611-13К2001800,5
АЛ300,8-1,50,8-1,30,211-13К2001800,7
АЛ74-50,031,22301505,0
АЛ13,75-4,51.25-1,750,7Все виды2602200,5
литья,
кроме Д
АЛ194,5-5,320,050,6-1,00,3З, О, В3702605,0
АЛ24І0,21,5-2,00,2-0,50,3З, О, В2903,0

Примечание. 1Виды литья: З — в землю. В — по выплавляемым моделям. О — в оболочковые формы. К -в кокиль. Д — под давлением. ІZn 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 коррозионную стойкость, но обладают хорошими литейными свойствами и могут применяться без термической обработки. Широкого распространения они не получили.
Сплавы с высоким содержанием Cu (свыше 4%) — двойные сплавы Al-Cu (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 способа литья. они тем выше, чем больше скорость кристаллизации и питание кристаллизующегося слоя. Как правило, наиболее высокие характеристики достигаются 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 механические 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, модифицированием 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.
С каждым годом увеличивается объём потребления А. с. в различных отраслях техники (табл. 4). За 5 лет применение А. с. в США увеличилось примерно в 1,6 раза и превышает (1967) по объёму 10% от потребления стали (в СССР за 1966-70 намечено увеличение производства А. с. более чем в 2 раза). Наряду с транспортом (авиация, суда, вагоны, автомобили) А. с. находят огромное применение в строительстве — оконные рамы, стенные панели и подвесные потолки, обои. бурно расширяется использование А. с. для производства контейнеров и др. упаковки, в электропромышленности (провода, кабели, обмотки электродвигателей и генераторов).

Табл. 4. — Распределение потребления алюминиевых сплавов по отраслям промышленности в США (тыс.т)











Область применения196219651967
Строительство613846862
Транспорт612838862
Предметы длительного290,2383381
потребления
Электропромышленность485490576
Машиностроение и190,5258,5279
приборостроение
Контейнеры и упаковка175298397
Экспорт188260,2415
Всего2553,73373,73772

Большой интерес представляет распределение производства А. с. по различным видам полуфабрикатов (табл. 5).

Табл. 5. — Объём производства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов в США (тыс.т)
















Вид полуфабриката195519601965
Листы и плиты6106301238
Фольга89,9131,1184,1
Другие катаные полуфабрикаты49,942,274,8
Проволока2825,138,6
Кабель71,283195,2
Проволока и кабель с покрытием1827,458,7
Прессованные полуфабрикаты309,5386700
Волочёные трубы30,527,437,6.
Сварные трубы11,611,742,5
Порошки16,214,927,2
Поковки, штамповки31,922,743,2
Литьё в землю7558,9124,5
Литьё в кокиль135,2117150
Литьё под давлением161,1175365
Всего16381752,43279,4

Лит.: Сваривающиеся алюминиевые сплавы. (Свойства и применение), Л., 1959. Добаткин В. И., Слитки алюминиевых сплавов, Свердловск, 1960: Фридляндер И. Н., Высокопрочные деформируемые алюминиевые сплавы, М., 1960. Колобнев И. Ф., Термическая обработка алюминиевых сплавов, М., 1961. Строительные конструкции из алюминиевых сплавов. [Сб. ст.], М., 1962. Алюминиевые сплавы, в. 1-6, М., 1963-69. Альтман М. Б., Лебедев А. А., Чухров М. В., Плавка и литье сплавов цветных металлов, М., 1963. Воронов С. М., Металловедение легких сплавов, М., 1965. AltenpohI D., Aluminium und Aluminiumlegierungen, В. — [u. a.], 1965. LAluminium,
йd. P. Barrand, R. Gadeau, t. 1-2, P., 1964. Aluminium, ed. R. Kent van Horn, v. 1-3, N. Y., 1967.
И. Н. Фридляндер.

РубрикиА