Алюминий и его сплавы

Алюминий – легкий металл с плотностью 2700 кг/м³. Кристаллическая решетка ГЦК. Температура плавления 660 °С. Алюминий хорошо проводит тепло и электричество. Химически активен, но образующаяся плотная пленка Al₂O₃ предохраняет его от коррозии. Механические свойства отожженного алюминия технической чистоты (АДМ): σ_b = 80 МПа; σ_Т = 30 МПа; δ = 35 %. Технический алюминий (АД и АД1) не применяется как конструкционный материал из-за низкой прочности. Однако высокая пластичность, коррозионная стойкость и электропроводность позволяют использовать его для получения деталей глубокой штамповкой и тончайших фольг, в качестве проводникового материала, а также в быту для транспортировки и хранения продуктов питания.

Чистый алюминий имеет низкие механические свойства, плохую обрабатываемость резанием, неудовлетворительные литейные качества (большую усадку затвердевания при кристаллизации – до 6 %). В связи с этим большое применение находят сплавы на основе алюминия, в которых добавление различных элементов позволяет при сохранении достоинств алюминия получить другие более высокие свойства.

Технические алюминиевые сплавы подразделяют на две группы: применяемые в деформированном виде (прессованном, катаном, кованом) и в литом. Границу между сплавами этих двух групп определяет предел насыщения твердого раствора при эвтектической температуре (рис. 3.1.).

Рис. 3.1. Классификация алюминиевых сплавов по диаграмме состояния и технологическим свойствам:1 – деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой; 2 – деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой .

Изменение технологических свойств в сопоставлении с диаграммой состояния показывает, что сплавы с содержанием легирующего компонента меньше предела растворимости обладают наибольшей пластичностью и наименьшей прочностью при высокой температуре, следовательно, хорошо подвергаются горячей обработке давлением.

Наилучшую жидкотекучесть, меньшую пластичность и большую прочность имеют сплавы, содержащие эвтектику. Такие сплавы используются как литейные. Содержание эвтектики в литейных сплавах не должно превышать 15 - 20 %по объему из-за ухудшения механических и некоторых технологических свойств.

Деформируемые сплавы подразделяют на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. Границей между этими сплавами является предел насыщения твердого раствора при комнатной температуре.

К деформируемым, не упрочняемым термической обработкой сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц) и магнием (АМг). Эти сплавы обладают высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью. Упрочнение таких сплавов достигается за счет образования твердых растворов Мn и Мg в Al или за счет наклепа при деформировании.Поставляются в виде листового проката, а также прессованного материала.

К деформируемым, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы нормальной прочности, высокопрочные и другие. Типичные представители сплавов – дуралюмины (маркируют буквой Д). Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности и относятся к сплавам системы Аl-Сu-Мg, в которые дополнительно вводят марганец, повышающий коррозионную стойкость и улучшающий механические свойства. Перечисленные компоненты образуют ряд растворимых соединений, вызывающих старение, таких как СuАl₂, Mg₂Si, Al₂CuMg, Аl₁₂Мn₂Сuи др. Структура дуралюмина в отожженном состоянии состоит из твердого раствора ивторичных включений указанных интерметаллических соединений.

Термическая обработка этих сплавов заключается в закалке с 500 °С в воде с последующим естественным (в течение 5 - 7 дней) или искусственным старением, которым предшествует 2 - 3 часовой инкубационный период. В течение этого времени сплав сохраняет высокую пластичность.

Так как коррозионная стойкость дуралюмина невысокая, то для защиты от коррозии его покрывают (плакируют) чистым алюминием.

Дуралюмины находят широкое применение в авиастроении, автомобилестроении, вагоностроении, строительстве. Прочность таких сплавов может достигать 500 - 600 МПа при относительном удлинении 8 - 12 %.

В настоящей работе более подробно изучаются литейные алюминиевые сплавы с большим содержанием кремния – силумины (ГОСТ 2685-75). Эти сплавы обладают высокой жидкотекучестъю, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами (особенно после модифицирования). Причем оптимальными литейными свойствами обладают сплавы с минимальной температурой плавления и минимальным температурным интервалом кристаллизации, содержащие 12-13 % Si (рис. 3.2).

Обычный силумин по структуре является заэвтектическим сплавом. Структура такого сплава состоит из игольчатой грубой эвтектики (α+Si) и первичных кристаллов кремния (рис. 3.3 а). Кремний при кристаллизации эвтектики выделяется в виде грубых хрупких кристаллов игольчатой формы, которые играют роль внутренних надрезов. Такой сплав обладает низкими механическими свойствами: σ_b = 120 МПа; δ =2 %.

Для повышения механических свойств силумины модифицируют натрием (0,05-0,08 %) путем присадки к расплаву смеси солей 67 %NaF и 33 % NaCl. В присутствии натрия происходит смещение на диаграмме состояния (рис.3.2) точки эвтектики вправо и в область более низких температур, поэтому заэвтектический сплав (12 - 13 % Si) становится доэвтектическим, происходит смещение линии диаграммы состояния (рис.3.2) и заэвтектический сплав (12 - 13 % Si) становится доэвтектическим, так как эвтектика теперь образуется при 14 %Si.

Рис.3.2. Диаграмма состояния Al – Si

В этом случае в структуре сплава вместо избыточного кремния появляются кристаллы пластичного α - раствора кремния в алюминии (рис. 3.3 б). Эвтектика приобретает более тонкое строение и состоит из α-твердого раствора и мелких кристаллов кремния, потому что в процессе затвердевания кристаллы кремния обволакиваются пленкой силицида натрия, которая затрудняет их рост.

Изменения в структуре приводят к повышению механических свойств: σ_b =200 МПа; δ = 12 %.Одновременно улучшаются и литейные свойства сплавов (возрастает жидкотекучесть, повышается плотность отливок и т.д.).

Литейные алюминиевые сплавы маркируются буквами АЛ: А – означает, что сплав алюминиевый, Л – литейный; цифра после буквенного обозначения – порядковый номер в ГОСТе. Например, в сплаве АЛ-2 кроме алюминия содержится 10 - 13 % Si; 0,8 - 1,5 % Fe и 2,2 - 2,8 %других элементов. Существует и другая система маркировки литейных алюминиевых сплавов (ГОСТ 1583-89), подобная маркировке легированных сталей, в которой указывается буквами легирующий элемент (К – кремний, М – медь, Н – никель, Ц – цинк), а цифрами – их содержание. Например, АК21М2,5Н2,5 – алюминиевый сплав, содержащий 20 - 22 % Si; 2,2 - 3,0 % Cu; 2,2 - 3,8 % Ni.

а	б

Рис.3.3. Микроструктура силумина: а) до модифицирования (заэвтектический сплав);

б) после модифицирования (доэвтектический сплав)

Модифицированные силумины широко применяются во всех областях машиностроения. Их используют для изготовления картеров и блоков двигателей, корпусов компрессоров, деталей авиационных двигателей, корпусов приборов и др.

Медь и ее сплавы

Медь – это металл с плотностью 8940 кг/м³ . Кристаллическая решетка ГЦК. Температура плавления 1083 °С. Характерными свойствами меди является ее высокая теплопроводность и электропроводность (ρ= 0,0178 Ом•мм²/м), поэтому медь находит широкое применение в электротехнике. Технически чистая медь маркируется М00 (99,99 %Сu ), М0 (99,95 %Сu), M1 (99,90 %Сu ) и т. д.

Механические свойства меди относительно низки. Так, в литом состоянии σ_b = 150 - 200 МПа, δ = 15 - 25 %. Литейные свойства и обрабатываемость резанием плохие.Поэтому применять медь в качестве конструкционного материала нецелесообразно. Повышение механических свойств достигается созданием разных сплавов на медной основе.

Различают две группы медных сплавов: латуни и бронзы.