Алюминий и его сплавы

Алюминий относится к легким металлам: γ = 2,7 г/см³. t_пл = 660 °C. Достоинствами алюминия являются малая плотность, высокая электропроводимость, большая удельная прочность. Например, сплав алюминия В96 имеет предел прочности σ_в = 700 МПа и удельную прочность σ_в/γ = 23 км. (Для стали эта характеристика не превышает 15 км.)

По объему производства алюминий и его сплавы занимают второе место в мире после железа.

Полезные свойства технического алюминия применяются в следующих областях:

1) высокая пластичность – для получения тонких фольг (упаковка, обкладки конденсаторов, декоративное применение);

2) высокая электропроводимость (65 % от проводимости меди) – в электротехнике (линии электропередач, жилы кабелей);

3) высокая коррозионная стойкость (пленка оксида Al₂O₃ толщиной
10 мкм защищает поверхность металла) – в быту, для хранения продуктов питания, агрессивных жидкостей;

4) высокая отражательная способность – для изготовления прожекторов, рефлекторов, экранов ТВ;

5) высокая теплопроводность – для изготовления теплообменников в холодильниках.

Примеры изделий: трубопроводы, палубные надстройки судов, провода, кабели, шины, рамы, стеллажи, стойки, офисная мебель, цистерны (молочные и др.).

Алюминий с большинством легирующих элементов образует химические соединения и ограниченные твердые растворы.
Сплавы алюминия подразделяют на литейные и деформируемые, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. Обобщенная диаграмма состояния алюминий – легирующий элемент (рис. 99) позволяет подразделить сплавы следующим образом:

Д – деформируемые сплавы,

Л – литейные сплавы,

Н – не упрочняемые термообработкой сплавы,

У – упрочняемые термообработкой сплавы.

Рис. 99. Диаграмма состояния алюминий – легирующий элемент

1. Деформируемые сплавы алюминия, не упрочняемые термической обработкой.

Это сплавы с магнием и марганцем. Марки обозначаются АМг и АМц. Применяются для изделий, получаемых глубокой вытяжкой и сваркой, т. е. штампосварных конструкций. Сварка производится неплавящимся вольфрамовым электродом в аргоне или электроконтактная. Пластичные, коррозионно-стойкие. Упрочняются за счет наклепа. Способны к структурному упрочнению (пресс-эффект: выделение мелких интерметаллидных частиц при обработке давлением).

Примеры изделий: сварные емкости, трубопроводы бензина и масла, рамы, кузова, корпуса и мачты судов.

2. Деформируемые сплавы алюминия, упрочняемые термической обработкой.

Это, прежде всего, самые распространенные алюминиевые сплавы – дуралюмины. Слово «дуралюмин» в переводе с французского означает «твердый алюминий». Обозначаются дуралюмины буквой «Д» и порядковым номером марки. Кроме того, в эту группу входят ковочные алюминиевые сплавы (обозначение АК), авиали (АВ), высокопрочные алюминиевые сплавы (В).

Марки дуралюминов: Д1 – нормальный, Д16 – «супердуралюмин», Д18 – заклепочный. Все они содержат медь (около 4 %), магний и марганец.

Медь – главный легирующий элемент, поэтому превращения в сплавах можно рассмотреть на примере диаграммы состояния Cu – Al (рис. 100).

Рис. 100. Диаграмма состояния алюминий – медь

Фазы, равновесные при комнатной температуре: α-твердый раствор меди в алюминии, CuAl₂ – химическое соединение, интерметаллид. Эвтектика состоит из этих двух фаз: Э = α + CuAl₂.

Линия ab – линия предельной растворимости меди в кристаллической решетке алюминия. Сплавы под этой кривой (от 0,2 до 5,7 % Cu) могут упрочняться термообработкой: закалкой и старением. Но механизм упрочнения здесь иной, чем у сталей, закаливаемых на мартенсит.

В отожженном сплаве частицы CuAl₂ довольно крупные; сплав мягок и пластичен (см. рис. 102, а).

При нагреве под закалку (выше линии ab) частицы CuAl₂ растворяются, атомы меди (и других легирующих элементов) образуют твердый раствор замещения в решетке алюминия.

При быстром охлаждении, подавляющем диффузию (в холодной воде), твердый раствор сохраняется, но при комнатной температуре он становится пересыщенным (α¢), см. рис. 102, б. Его твердость и прочность невелики, всего на 25 % выше, чем у отожженного сплава, так как это – твердый раствор замещения.

С течением времени при комнатной температуре происходит естественное старение: в пересыщенном твердом растворе появляются участки, обогащенные медью. Вокруг них кристаллическая решетка искажается, что затрудняет перемещение дислокаций (рис. 102, в). Сплав становится прочнее. Естественное старение идет 5-7 суток.

При нагреве такой процесс идет быстрее. Это – искусственное старение. Чем выше температура искусственного старения, тем быстрее идет распад твердого раствора. В участках, обогащенных медью, формируются частицы CuAl₂. При повышении температуры и увеличении выдержки зернышки CuAl₂ растут. Расстояние между ними увеличивается, и эффект упрочнения снижается, так как ~ , где R – расстояние между частицами.

На самом деле процессы при старении дуралюмина развиваются в несколько этапов (табл. 4). Вначале образуются только обогащенные медью и магнием участки в твердом растворе. Их называют зонами Гинье-Престона (ГП) по именам ученых, открывших это явление. Они представляют собой диски диаметром 4-6 нм и толщиной несколько атомных слоев (зоны ГП-1). При естественном старении этим все и заканчивается. Но при повышенной температуре или длительной выдержке эти зоны растут, и размещение атомов в них становится упорядоченным (зоны ГП-2). Более высокие температуры приводят к образованию на месте этих зон тонких пластин промежуточной фазы θ¢ состава CuAl₂, но с другим типом кристаллической решетки. Наконец, при 200-250 °C образуется стабильная θ-фаза CuAl₂ (рис. 101).

Таблица 4

Структура и свойства дуралюмина после старения

Такие же процессы идут и в других сплавах на основе алюминия. Разница только в составе и строении образующихся фаз.

Итак, упрочняющая термообработка дуралюмина: закалка с 500-510 °C, естественное старение 5-7 суток или искусственное старение (для сплавов, работающих при повышенной температуре).

а б в

Рис. 102. Микроструктура дуралюмина:

а – после отжига; б – после закалки; в – после старения

В результате закалки и естественного старения дуралюмин Д16 приобретает прочность σ_в = 540 МПа, что превышает прочность некоторых сталей обыкновенного качества.

Сплав авиаль (АВ) – менее прочный, чем дуралюмин, но более пластичный (содержит ≤0,5 % Cu и Si).

Ковочные алюминиевые сплавы (АК) содержат те же компоненты, что и дуралюмин, и, кроме того, кремний. Детали получают ковкой или штамповкой при 450-475 °C, затем следует закалка и искусственное старение. Применяют для изготовления деталей сложной формы.

Высокопрочные алюминиевые сплавы (В95, В96) после термической обработки имеют σ_в = 600-700 МПа; предел текучести почти равен пределу прочности. Это сплавы системы Al – Zn – Mg – Cu, иногда с добавлением Cr или Zr. Для повышения коррозионной стойкости листы плакируют чистым алюминием с добавкой 1 % Zn.

Все алюминиевые сплавы этой группы – авиационные. Из них делают лопасти винтов, шпангоуты, тяги управления, обшивку самолетов, стрингеры, лонжероны.

3. Литейные алюминиевые сплавы.

Маркируются буквами АЛ. Цифра после букв означает номер марки. Содержат кремний, медь или магний.

Силумины – сплавы алюминия с кремнием – имеют наилучшие литейные свойства. Для измельчения зерна их модифицируют натрием (смесью солей NaCl + NaF).

Некоторые литейные сплавы можно упрочнять термической обработкой. Для разных видов литья разработаны различные сплавы (например, специально для литья под давлением).

Применяют, в основном, для сложных тонкостенных отливок: деталей автомобильных двигателей (картеры и блоки цилиндров, корпуса компрессоров).

4. Жаропрочные алюминиевые сплавы.

Работают до 300 °C (поршни, крыльчатки, детали компрессоров турбореактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолетов).

Состав сложный: содержат железо, никель, титан, цирконий. Могут быть как деформируемыми, так и литейными.

У некоторых сплавов температура рекристаллизации выше температур деформирования и закалки, т. е. полигонизованная структура сохраняется после формообразования и термообработки. Это дает структурное упрочнение на
30-40 % по сравнению с рекристаллизованными сплавами.

Ежегодно в мире производится около 20 млн. т алюминия. В России алюминий выпускает Красноярский, Волгоградский, Иркутский и другие алюминиевые заводы. В декабре 2006 г. в Абакане (Хакасия) сдан в эксплуатацию алюминиевый завод мощностью 300 тыс. т в год, первое подобное предприятие за последние 20 лет.

Лекция 19

Титан и его сплавы

Титан сложно отнести к какой-то одной разновидности цветных металлов. Он является тугоплавким (t_пл = 1669 °C), в то же время его можно считать легким (γ = 4,5 г/см³). Не будучи благородным металлом, он отлично сопротивляется коррозии в различных средах. Как и железо, титан испытывает полиморфное превращение: Ti_a c ГПУ решеткой при 882 °C превращается в Ti_b с ОЦК решеткой.

Титан широко распространен в земной коре: он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Но промышленное применение этого уникального металла началось только в 1950-х годах, в основном, для военных целей. Это объясняется сложностью извлечения титана из руд, многоступенчатым процессом очистки, что ведет к весьма высоким ценам на металл (примерно в 90 раз дороже железа).

Достоинствами титана являются:

· небольшая плотность,

· очень высокая удельная прочность (сплав ВТ15 имеет предел прочности σ_в = 1500 МПа и удельную прочность σ_в/γ ≥ 30 км),

· высочайшая коррозионная стойкость (кроме концентрированных серной, азотной и плавиковой кислот),

· высокая ударная вязкость даже при отрицательных температурах (KCU = 1-1,6 МДж/м² при температуре жидкого водорода –253 °C),

· способность сплавов упрочняться термической обработкой.

Недостатки титана, как конструкционного материала:

· высокая стоимость (бедные руды, сложный металлургический передел),

· активное взаимодействие с газами при высокой температуре,

· низкое значение модуля упругости E (примерно в 2 раза меньше, чем у железа).

· плохая обрабатываемость по сравнению со сталью.

Тем не менее, технология получения изделий из титановых сплавов литьем, обработкой давлением и резанием, сварка титана непрерывно развиваются и совершенствуются.

Основные легирующие элементы в титановых сплавах: Al, V, Mo, Cr, Zr, Mn. Алюминий в титановых сплавах играет такую же важную роль, как углерод в стали. Легирующие элементы могут стабилизировать низкотемпературную α-фазу или высокотемпературную фазу β. Растворимость компонентов в титане с изменением температуры меняется, поэтому возможна упрочняющая термообработка (для разных сплавов это либо закалка и отпуск, либо закалка и старение).

При медленном охлаждении превращение Ti_α → Ti_β идет за счет диффузии – путем зарождения центров новой фазы и их роста. При быстром – развивается сдвиговой механизм, как при мартенситном превращении в стали. Получаемая структура тоже называется мартенситом и имеет игольчатую структуру. Но титановый мартенсит не обладает такой высокой твердостью и прочностью, как мартенсит в стали. Он имеет довольно высокую пластичность. Дело в разной природе твердых растворов: углерод образует с железом раствор внедрения, а алюминий с титаном – замещения.

Возможно также сохранение при комнатной температуре переохлажденной β-фазы (подобно аустениту в сталях). В некоторых сплавах образуется эвтектоид, но он хрупок и не улучшает механических свойств сплава.

Марки титановых сплавов: ВТ4, ВТ6, ВТ15, ВТ22 (один из самых прочных: σ_в = 1300-1600 МПа).

Области применения сплавов титана:

1) авиа и ракетостроение (обшивка сверхзвуковых самолетов, корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски и лопатки компрессора авиационного двигателя, детали фюзеляжа, крепеж, корпуса второй и третьей ступеней ракет);

2) химическая промышленность (компрессоры, клапаны, вентили, баллоны для сжиженных газов и агрессивных жидкостей);

3) судостроение (гребные винты, обшивка морских судов и подводных лодок);

4) оборудование для обработки ядерного топлива;

5) криогенная техника (работающая при очень низких температурах).

Медь и ее сплавы

Медь – тяжелый металл (γ = 8,9 г/см³) с ГЦК решеткой; полиморфных превращений не имеет. Температура плавления 1083 °C. Ее можно назвать «самым цветным» металлом: поверхность красная, излом розовый.

Чистая медь применяется чаще всего в электротехнике и электронике. Медь обладает высокой электропроводимостью, поэтому используется как проводник тока (шины, жилы кабелей, обмотки электродвигателей, контакты).

Высочайшая теплопроводность позволяет делать из меди водоохлаждаемые тигли, кристаллизаторы, поддоны, изложницы.

Медь проявляет коррозионную стойкость в атмосфере, морской, речной и водопроводной воде, в других агрессивных средах.

Технологические свойства меди не очень высоки: она очень пластична и легко обрабатывается давлением, но плохо – резанием, литейные свойства низкие (дает большую усадку), плохо сваривается, но зато хорошо паяется.

Прочность меди низкая: от 160 МПа в литом состоянии до 240 после горячей деформации. Но проволока при волочении может наклепываться до
450 МПа.

Медь поставляется в виде проката: листов, прутков, труб, проволоки.

Медные сплавы – это твердые растворы на основе меди. Они и прочнее, и пластичнее чистой меди. Прочность медных сплавов равна прочности низкоуглеродистой стали в отожженном состоянии (450 и 500 МПа соответственно).

Все медные сплавы подразделяются на две группы: латуни и бронзы.

1. Латуни – сплавы меди с цинком. Если кроме цинка других легирующих элементов нет, то это простая латунь; если есть и другие добавки – специальная.

Цинк растворяется в меди до 39 %, образуя фазу α – твердый раствор замещения. При добавлении свыше 39 % Zn образуется β-фаза CuZn с ОЦК решеткой (упорядоченный твердый раствор на базе электронного соединения). При этом повышается прочность, но пластичность резко снижается (рис. 103).

Применяют латуни с содержанием цинка не более 45 %, так как при большей концентрации структура состоит из одной только хрупкой β-фазы.

α-латуни

Однофазные, или α-латуни пластичны; изделия из них получают холодным деформированием. Это всевозможные детали, получаемые листовой штамповкой, а также про-волока, ленты, радиаторные трубки, гильзы патронов, электротехнические детали.

Двухфазные, или (α+β)-латуни прочнее и тверже, но менее пластичны; изделия получают литьем или горячей пластической деформацией. Это различные литые и штампованные заготовки, которые затем обрабатываются резанием (паровая и водяная арматура).

Маркировка латуни включает содержание меди, а не легирующего элемента (цинка), как у большинства сплавов:

Л96 (96 % Cu), Л80, ЛАН59-3-2 (59 % Cu, 3 % Al, 2 % Ni, остальное –цинк).

Латуни с содержанием цинка до 10 % называются томпак, до 20 % – полутомпак. Это пластичные сплавы красивого золотистого цвета, используются для художественных и ювелирных изделий.

ЛК80-3Л – литейная латунь с максимальной жидкотекучестью (3 % Si).

ЛО70-1 – «морская латунь», стойкая к коррозии в морской воде (1 % Sn).

Добавки никеля и железа повышают прочность латуни до 550 МПа.

Латунь сохраняет пластичность и вязкость при отрицательных температурах.

2. Бронзы – сплавы меди с любыми элементами, кроме цинка. Классические бронзы – оловянистые (до 10 % Sn). Они дороги. Сложные по составу бронзы дешевле. Например, антифрикционная бронза БрОЦС4-4-2,5 (4 % Sn,
4 % Zn, 2,5 % Pb).

Строение сплавов меди с оловом сложное: твердые растворы, интерметаллиды, имеется эвтектоидное превращение.

По технологии получения изделий бронзы подразделяют на литейные (для антифрикционных деталей и пароводяной арматуры) и деформируемые, однофазные (для упругих элементов – мембран, пружин).

Алюминиевые бронзы (9-10 % Al) применяют для мелких ответственных деталей (шестерен, втулок, фланцев, а также медалей и монет).

Кремнистые бронзы (3-4 % Si) – заменители оловянных, имеют высокие упругие свойства. Из них делают пружины.

Свинцовые бронзы – антифрикционные, для вкладышей подшипников скольжения.

Бериллиевая бронза БрБ2 имеет очень высокую упругость и предел прочности σ_в = 1100-1200 МПа. Применяют для часовых и приборных пружин, упругих контактов.

Интересно старинное подразделение бронз в зависимости от содержания олова:

БрО5 – монетная бронза, из нее чеканили монеты и медали;

БрО20 – пушечная бронза для стволов артиллерийских орудий;

БрО30 – колокольная бронза;

БрО40 – зеркальная бронза.

Лекция 20

Раздел III