легированный алюминий что это такое
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Легированный алюминий
Это положение справедливо по отношению к сталям, не легированным алюминием или титаном. Для сталей, содержащих алюминий или титан, применение флюсов при сварке, содержащих их окислы, полезно с точки зрения уменьшения-потерь на окисление указанных элементов. Последнее подтверждают данные рис. 50, иллюстрирующие усвоение титана j ( a) [28] металлом шва и алюминия ( б) в зависимости от содержания их окислов во флюсе. [4]
Плоский балочный указатель ( рис. 200, а) из легированного алюминия применяется в рабочих средствах измерений классов точности 2 и хуже. Относительно большая ширина данного указателя обеспечивает хорошее считывание, особенно с большого расстояния. [6]
Предварительно обработанный алюминиевый лом загружается в виде шихты в плавильную печь в расплавленный алюминий, легируется и рафинируется в конвертере. Легированный алюминий разливается в высококачественные слитки, которые готовы к последующей обработке. Завод А / О Куусакоски в г. Хейнола, производительность которого выше 30 000 т в год, является самым большим в Финляндии предприятием, использующим алюминиевый лом. [11]
Легирование молибденом повышает стойкость алюминия также к питтинговой коррозии. Об этом свидетельствует сдвиг потенциала пробоя легированного алюминия в положительную область значений более чем на 200 мВ в растворе, содержащем 1 г / л хлорид-ионов. [12]
Способ получения жаростойких покрытий в расплавах легированного алюминия, как показали проведенные исследования, представляет значительный интерес при защите от высокотемпературного окисления таких металлов новой техники, как титан и цирконий, ниобий и тантал, молибден и вольфрам. Из-за некоторых известных методических трудностей получения покрытий из расплавов на образцах малого размера подробные исследования поверхностного насыщения чистым и легированным алюминием практически отсутствуют даже для давно освоенных сплавов, нуждающихся в защите от окисления. [15]
Сплавы из алюминия и их применение
Легирование
Алюминий применяют для производства из него изделий и сплавов на его основе.
Легирование — процесс введения в расплав дополнительных элементов, улучшающих механические, физические и химические свойства основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, проводимых на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции.
Введение различных легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства.
Прочность чистого алюминия не удовлетворяет современные промышленные нужды, поэтому для изготовления любых изделий, предназначенных для промышленности, применяют не чистый алюминий, а его сплавы.
Алюминиевые сплавы
Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изделий делят на две группы:
1) деформируемые (имеют высокую пластичность в нагретом состоянии),
2) литейные (имеют хорошую жидкотекучесть).
Такое деление отражает основные технологические свойства сплавов. Для получения этих свойств в алюминий вводят разные легирующие элементы и в неодинаковом количестве.
Основными легирующими элементами в различных деформируемых сплавах является медь, магний, марганец и цинк, кроме того, в сравнительно небольших количествах вводят также кремний, железо, никель и некоторые другие элементы.
Дюралюминии — сплавы алюминия с медью
Характерными упрочняемыми сплавами являются дюралюминии — сплавы алюминия с медью, которые содержат постоянные примеси кремния и железа и могут быть легированы магнием и марганцем. Количество меди в них находится в пределах 2.2-7 %.
Медь растворяется в алюминии в количестве 0,5% при комнатной температуре и 5,7% при эвтектической температуре, равной 548 C.
Термическая обработка дюралюминия состоит из двух этапов. Сначала его нагревают выше линии предельной растворимости (обычно приблизительно до 500 C). При этой температуре его структура представляет собой гомогенный твердый раствор меди в алюминии. Путем закалки, т.е. быстрого охлаждения в воде, эту структуру фиксируют при комнатной температуре. При этом раствор получается пересыщенным. В этом состоянии, т.е. в состоянии закалки, дюралюминий очень мягок и пластичен.
Структура закаленного дюралюминия имеет малую стабильность и даже при комнатной температуре в ней самопроизвольно происходят изменения. Эти изменения сводятся к тому, что атомы избыточной меди группируются в растворе, располагаясь в порядке, близком к характерному для кристаллов химического соединения CuAl. Химическое соединение еще не образуется и тем более не отделяется от твердого раствора, но за счет неравномерности распределения атомов в кристаллической решетке твердого раствора в ней возникают искажения, которые приводят к значительному повышению твердости и прочности с одновременным снижением пластичности сплава. Процесс изменения структуры закаленного сплава при комнатной температуре носит название естественного старения.
Сравнение результатов старения дюралюминия при различной температуре показывает, что максимальное упрочнение обеспечивается при естественном старении в течении четырех дней.
Сплавы алюминия с марганцем и магнием
Среди неупрочняемых алюминиевых сплавов наибольшее значение приобрели сплавы на основе Al-Mn и Al-Mg.
Однако свойства этого соединения таковы, что процессы, предшествующие его выделению, а затем и образующиеся включения не вызывают заметногоэффекта упрочнения. Несмотря на это, введение и марганца, и магния в алюминий полезно. Они повышают его прочность и коррозионную стойкость (при содержании магния не более 3%). Кроме того, сплавы с магнием более легкие, чем чистый алюминий.
Другие легирующие элементы
Также для улучшения некоторых характеристик алюминия в качестве легирующих элементов используются:
Бериллий добавляется для уменьшения окисления при повышенных температурах. Небольшие добавки бериллия (0,01-0,05%) применяют в алюминиевых литейных сплавах для улучшения текучести в производстве деталей двигателей внутреннего сгорания (поршней и головок цилиндров).
Бор вводят для повышения электропроводимости и как рафинирующую добавку. Бор вводится в алюминиевые сплавы, используемые в атомной энергетике(кроме деталей реакторов), т.к. он поглощает нейтроны, препятствуя распространению радиации. Бор вводится в среднем в количестве 0,095-0,1%.
Галлий добавляется в количестве 0,01 — 0,1% в сплавы, из которых далее изготавливаются расходуемые аноды.
Железо. В малых количествах (>0,04%) вводится при производстве проводов для увеличения прочности и улучшает характеристики ползучести. Так же железо уменьшает прилипание к стенкам форм при литье в кокиль.
Индий. Добавка 0,05 — 0,2% упрочняют сплавы алюминия при старении, особенно при низком содержании меди. Индиевые добавки используются в алюминиево — кадмиевых подшипниковых сплавах.
Кадмий. Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности и улучшения коррозионных свойств сплавов.
Кальций придает пластичность. При содержании кальция 5% сплав обладает эффектом сверхпластичности.
Кремний является наиболее используемой добавкой в литейных сплавах. В количестве 0,5-4% уменьшает склонность к трещинообразованию. Сочетание кремния с магнием делают возможным термоуплотнение сплава.
Олово улучшает обработку резанием.
Титан. Основная задача титана в сплавах — измельчение зерна в отливках и слитках, что очень повышает прочность и равномерность свойств во всем объеме.
Применение алюминиевых сплавов
Другие статьи по сходной тематике
Основные понятия о токарной обработке и токарных станках.
Стали марок AISI 409, 430, 439 — аналоги отечественных марок 08×13, 12×17 и 08×17Т
Гидравлические гильотинные ножницы, гильотинные ножницы с ЧПУ для раскроя и обработки листовых материалов.
Правила нанесения обозначений шероховатости поверхностей на чертежах
Алюминиевые сплавы
Специфика легирования
Алюминий — материал, используемый для производства разнообразных изделий как в чистом виде, так и в составе сплавов. Второй вариант становится возможным благодаря легированию — процессу, предполагающему введение в расплав металла дополнительных элементов. Делается это с целью повышения свойств алюминия.
Понятие «легирования» включает сразу несколько технологических операций, которые выполняются на разных стадиях изготовления усовершенствованного металлического сплава. Вводя в состав металла всевозможные легирующие элементы, можно кардинально изменить имеющиеся свойства алюминия или дополнить их некоторыми специфическими качествами.
Прочностные характеристики алюминия в чистом виде не соответствуют требованиям современных промышленников. Именно поэтому в чистом виде алюминий на предприятиях практически не используется, спросом пользуются сплавы на его основе.
В зависимости от вида легирования, улучшить можно показатели твердости и прочности, а также наделить металл жаропрочностью и прочими свойствами. На ряду со всеми положительными изменениями существуют и отрицательные. К ним относится снижение электропроводности, ухудшение антикоррозионности, увеличение относительной плотности. Однако при легировании алюминия марганцем и магнием (процент Mg не превышает 3%) антикоррозионность даже возрастает, а относительная плотность уменьшается.
Разновидности сплавов
Сплавы, в основе которых лежит алюминий, можно получить нескольким и способами. По этому признаку они делятся на две большие категории:
В такой классификации отлично отражены технологические свойства сплавов. Получить нужные характеристики удастся посредством ввода в алюминий определенного процента химических элементов.
Основным сырьем, используемым для создания сплавов, является алюминий без добавок и его сплавы с кремнием. Последний вариант включает около 12% Si, при этом примесей железа, марганца, титана и кальция может быть разное количество (минимальное их содержание — полпроцента, а максимальное — 1,7%). Эти сплавы имеют свое название — силумины.
Чтобы получить в результате готовый сплав, который можно без труда деформировать, в основное сырье вводятся легирующие элементы, растворяющиеся в нем. Что касается количества этих веществ, то оно не может быть больше предела их растворимости. Перед обработкой давлением сплавы первой группы нуждаются в нагреве, так как их структура должна быть однородной. Только в этом состоянии можно добиться наибольшей пластичности и наименьшей прочности, что положительно сказывается на обрабатываемости сплава.
Главные легирующие элементы большинства сплавов данной категории — медь, магний, марганец. Помимо перечисленных элементов, в состав может вводиться кремний, никель, железо и т.д.
Дюралюмины
Дюралюминий относится к группе упрочняемых сплавов. В его основе находится алюминий и медь, а также добавки в виде железа и кремния. Процентное содержание главного легирующего элемента составляет от двух до семи процентов. Причем полпроцента меди можно растворить в алюминии при температуре окружающей среды, а 5,7% — при эвтектической (548°С).
Термообработка дюралюминов осуществляется в несколько этапов. Прежде всего, его необходимо нагреть до значения, превышающего линию предельной растворимости (как правило, эта температура составляет около 500°С). Это позволит добиться структуры однородного раствора меди в алюминии. Полученное состояние сплава фиксируется при помощи его мгновенного охлаждения в воде комнатной температуры. Данный процесс называется закалкой. В итоге образуется пересыщенный раствор, отличающийся высокими значениями мягкости и пластичности.
Особенностью закаленной дюрали является нестабильная структура, в которой даже при комнатных условиях происходят определенные преобразования. Подобные изменения ведут к группированию атомов избыточной меди в растворе. Более того, последовательность расположения этих атомов очень схожа с порядком расположения кристаллов в соединении CuAl. В кристаллической решетке твердого раствора атомы располагаются неравномерно, поэтому в ней образуются искажения, которые способствуют увеличению показателей твердости, улучшению прочностных свойств и ухудшением пластичности. При этом об образовании химического соединения пока речи не идет, как и об отделении от твердого раствора. Все изменения, которым подвергается закаленный сплав в условиях окружающей среды, называются естественным старением.
Наиболее активно данный процесс осуществляется на протяжении первых часов, а его завершение наступает спустя шесть суток, хотя в некоторых случаях достаточно и четырех. При увеличении температуры сплава до отметки 150°С происходит искусственное старение. В этом случае сокращается время легирования, но упрочнение получается не таким эффективным, как в случае естественного старения. Этому есть объяснение: при повышенных температурных режимах процесс диффузии выполняется быстрее и проще. На этом фаза образования соединения CuAl завершается, что сопровождается его выделением из твердого раствора. Упрочняющий эффект получается не таким значимым, как в случае искажения структуры твердого сплава методом естественного старения.
Если сравнить итоги старения дюралюминия, осуществляемые при разных условиях, то становится предельно ясно, что увеличить прочностные характеристики металла больше всего удается при естественном варианте старения в течение четырех-шести дней.
Алюминий, легированный марганцем и магнием
Если рассматривать неупрочняемые сплавы из алюминия, то нельзя обойти вниманием его соединения с марганцем и магнием. И первый, и второй вариант характеризуется способностью элементов растворяться в алюминии ограниченно, причем, она снижается одновременно с понижением температуры. Упрочняющее действие в процессе термической обработки нельзя назвать большим и на это есть свои причины.
В ходе образования кристаллов (максимальное содержание Mn даже не достигает 2%) из твердого раствора выделяется избыток Mn, образующий с основным металлом соединение, которое не растворяется в алюминии. Исходя из этого, следующая стадия — нагрев сверх линии предельной растворимости — не обеспечит формирование однородного раствора, то есть сплав останется неоднородным, включающим твердый раствор и металлические частицы. В результате, его нельзя подвергнуть закалке и старению.
При легировании алюминия магнием отсутствие упрочнения объясняется иначе. Повышения прочностных характеристик при содержании Mg максимум полтора процента ждать не приходится, поскольку в таком количестве он полностью растворяется в основном металле при температуре окружающей среды. Конечно, избыточные фазы не выделятся. Если увеличить процент содержания магния, процессы закалки и последующего старения приведут к образованию соединения MgAl.
Свойства полученного соединения не будут отличаться заметным ростом твердости и прочности. Даже независимо от этого, ввод в состав алюминия марганца и магния имеет свои преимущества. Например, магний в объеме до 3%, положительно воздействует на антикоррозионность и легкость сплава.
Многообразие легирующих элементов
Усовершенствовать свойства алюминия помогают легирующие элементы типа:
Сфера применения сплавов, главный элемент которых — алюминий
Одной из самых ярких характерных особенностей алюминиевых сплавов является антикоррозионность в различных средах, будь то атмосфера, соленая вода, химический раствор. К тому же, они не вступают в реакцию с продуктами питания, то есть алюминий не разрушает полезные вещества, содержащиеся в пище. По этой причине этот металл и сплавы на его основе часто используется для изготовления посуды.
Алюминиевые конструкции довольно часто устанавливаются в море. В виде облицовочных панелей и оконных рам, дверей и кабелей электропередач данный материал нашел свое применение в строительстве. На протяжении длительного периода изделие из алюминия не подвергается разрушительному воздействию коррозии, если даже оно контактирует с различными строительными растворами, главное, чтобы она часто не намокала.
Машиностроение — отрасль, в которой алюминий применяется не менее часто, чем в уже перечисленных сферах деятельности, а объясняется это его уникальными физическими характеристиками. Однако лидирующие позиции данный металл заслуженно занимает в авиации. Именно здесь каждое свойство алюминиевых сплавов имеет большое значение и используется по максимуму.
Cплавы алюминия: выбор и применение
Сплавы на основе алюминия
Термины и определения
Алюминиевый сплав – сплав на основе алюминия – это алюминий, который [1]:
Легирующий элемент – это металлический или неметаллический элемент, который контролируется в определенных верхних и нижних пределах для целей придания алюминиевому сплаву определенных специальных свойств [1].
Примесь – металлический или неметаллический элемент, который присутствует в сплаве, минимальное содержание которого не контролируется. В алюминиевых сплавах, как правило, контролируется максимальная концентрация примеси [1].
Легирование в алюминиевых сплавах
Наиболее важными легирующими элементами, которые применяют для превращения алюминия в сплавы с особыми свойствами – и деформируемые, и литейные (конечно, в разных количествах) – являются:
Влияние, например, содержания меди в алюминиевом сплаве на его механические свойства показано на рисунке 1.
Рисунок 1- Влияние легирования алюминиевого сплава медью на механические свойства [3]
Железо в алюминиевых сплавах
Деформируемые алюминиевые сплавы содержат примерно 0,1 – 0,4 % (по массе) железа (Fe). Железо обычно рассматривается как нежелательная примесь. Его содержание зависит от качества исходной руды (бокситов) и технологии электролитического восстановления. Иногда легирование железом применяют для получения особых свойств материала, например, для изготовления алюминиевой фольги.
Модифицирование сплавов
В комбинации с основными легирующими элементами часто применяют другие легирующие элементы: висмут (Bi), бор (B), хром (Cr), свинец (Pb), никель (Ni), титан (Ti) и цирконий (Zr). Эти элементы обычно применяют в небольших количествах (до 0,1 % по массе, хотя B, Pb и Cr могут составлять до 0,5 %), чтобы придать им особые свойства, модифицировать сплавы для специальных целей, таких как литейные качества, обрабатываемость, теплостойкость, коррозионная стойкость, прочность и т.п.
Классификация алюминиевых сплавов
Классификацию алюминиевых сплавов – сплавов алюминия – производят по различным критериям, в том числе:
Две категории: литейные и деформируемые
Две категории алюминиевых сплавов
Литейный алюминиевый сплав – сплав алюминия, который предназначен в первую очередь для производства отливок.
Деформируемый алюминиевый сплав – сплав алюминия, который предназначен в первую очередь для производства алюминиевых изделий горячей и/или холодной обработкой давлением.
Деформируемые сплавы
Деформируемые алюминиевые сплавы сначала разливают в слитки (круглые или прямоугольные), а потом обрабатывают по различным технологиям обработки давлением – горячей и холодной – до придания им нужной формы:
Популярные деформируемые алюминиевые сплавы серии 6ххх, которые применяют для производства прессованных алюминиевых профилей, представлены ниже на рисунке 7.
Рисунок 7 – Основные алюминиевые сплавы серии 6ххх
Литейные сплавы
Литейные алюминиевые сплавы в расплавленном состоянии разливают непосредственно в их конечную форму одним из различных методов, таких как, литье в песчаные формы, литье в кокили или литье под давлением. При литье применяют сложные литейные формы. Эти сплавы часто имеют высокое содержание кремния для улучшения их литейных свойств.
У этих двух категорий алюминиевых сплавов классификация по легирующим сплавам различная: в целом в них добавляются одни и те же легирующие элементы, но в разных количествах.
Прочность и другие механические свойства алюминиевых сплавов, как деформированных, так и литейных, определяются в основном их химическим составом, т. е. содержанием в алюминии легирующих элементов, а также вредных примесей. Однако возможно изменение этих свойств для достижения их оптимального сочетания путем дополнительной обработки сплавов – термической или деформационной, или и той, и другой. В результате этого сплав изменяет свои первоначальные механические свойства и получает свое окончательное состояние, в котором и поставляется заказчику. Упрочняющую термическую обработку применяют как к литейным, так и к деформированным сплавам, Они в этом случае называются сплавами, упрочняемыми термической обработкой.
Два механизма упрочнения
Два класса алюминиевых сплавов:
Термически упрочняемые сплавы
Термически упрочняемый сплав – сплав, который может быть упрочнен соответствующей термической обработкой (рисунки 2, 3 и 4).
Рисунок 2 – Закалка и упрочнение старением алюминиевых сплавов [2]
Рисунок 3 – Типичное термическое упрочнение старением [4]
Рисунок 4 – Эффект термического упрочнения на механические свойства сплава 7075 [4]
Нагартовываемые сплавы
Деформационно упрочняемый сплав (“термически неупрочняемый”, нагартовываемый) – сплав, который упрочняется только путем деформационной обработки (рисунки 5 и 6), а не термической обработкой.
Рисунок 5 – Влияние холодной пластической обработки – нагартовки – на прочность, твердость и пластичность алюминиевых сплавов [2]
Рисунок 6 – Кривые нагартовки (деформационного упрочнения)
термически неупрочняемых алюминиевых сплавов [4]
Серии и системы легирования
Серии деформируемых сплавов
Серии литейных сплавов
Алюминиевые сплавы в конструкциях
Рейтинг прочности алюминиевых сплавов
Алюминиевые сплавы создают для того, чтобы получить алюминий со специальными свойствами, например, с более высокими механическими свойствами (рисунки 8 и 9).
Рисунок 8 – Рейтинг прочности деформируемых алюминиевых сплавов [2]
Рисунок 9 – Влияние легирующих элементов на прочность при растяжении, твердость, чувствительность к удару и пластичность [5]
Выбор сплава
При выборе алюминиевого сплава в качестве конструкционного материала, главным фактором является обеспечение прочности изготавливаемого из него конструкционного элемента. Однако конструкционную прочность различных типов элементов обеспечивают различные свойства одного и того же конструкционного материала.
Например, прочность «толстой» колонны будет зависеть в основном от предела текучести металла, тогда как прочность «тонкой» колонны будет зависеть главным образом от модуля упругости материала. Поскольку предел текучести алюминиевых сплавов нередко сравним с пределами текучести рядовых конструкционных сталей, то алюминий мог бы вполне потягаться с ними для «толстых» колонн. С другой стороны, поскольку модуль упругости алюминия и его сплавов составляет всего лишь где-то треть от модуля упругости сталей, то алюминий вряд ли может соперничать со сталями в «тонких» колоннах.
Прочность, однако, не является единственной рабочей характеристикой конструкции или изделия. Такие дополнительные факторы, как коррозионная стойкость, легкость обработки (прессуемость или свариваемость), жесткость (модуль упругости), пластическое разрушение (относительное удлинение), вес (плотность), усталостная прочность, а также стоимость, должны в той или иной мере учитываться при выборе нужного конструкционного материала.
Экономика алюминиевой конструкции
Часто стоимость материала является критическим фактором. Однако сравнение алюминиевых сплавов и сталей на основе стоимости единицы массы или объема может ввести в заблуждение, так как они имеют различные прочности, плотности и другие свойства.
Если бы стоимость материала была единственным фактором и углеродистые стали могли применяться без защитного антикоррозионного покрытия, то всегда и везде применялись бы только они. Однако, при выборе материала в рассмотрение принимаются и другие факторы, такие как стоимость эксплуатации и технического обслуживания в течение всего срока службы конструкции. Кроме того, в некоторых специфических условиях «правило» о том, что алюминиевый элемент в два раза легче стального не всегда справедливо. Например, алюминиевый компонент может весить и значительно меньше, если толщину стального элемента нужно увеличивать с учетом ее возможного уменьшения от воздействия слишком агрессивной коррозии в течение всего срока службы.
Если требуются профили со сложными поперечными сечениями, как, например, в ограждающих фасадных конструкциях, то в таких случаях, стоимость стального элемента намного больше, чем стоимость его материала. Дело в том, что для изготовления этого элемента из стальной заготовки ее надо механически обрабатывать, подвергать холодной штамповке или гибке, а, может быть, и применять сварку. В то же время стоимость изготовления алюминиевого профиля составляет только малую долю стоимости «сырого» алюминия.
Из-за высокой стоимости нержавеющих сталей они применяются только, если вес элемента или конструкции не имеет значения, а важны внешний вид и свариваемость. Обычно, когда нержавеющая сталь применяется вместо алюминия, то причина часто только одна – ограничения алюминиевых сплавов по сварке.
Алюминиевые сплавы по Еврокоду 9
Алюминиевые сплавы предлагают инженерам-конструкторам широкий выбор материалов. Каждый сплав имеет свои особенные характеристики, которые служат для обеспечения заданных свойств. Когда коррозионная стойкость, высокое отношение прочности к весу и легкость изготовления являются существенными конструкционными параметрами, тогда алюминиевые сплавы заслуживают серьезного рассмотрения.
В таблицах 1 и 2 представлены деформируемые алюминиевые сплавы, которые Еврокод 9 рекомендует и разрешает для применения в зданиях и сооружениях (см. подробнее здесь).
Таблица 1 – Термически неупрочняемые алюминиевые сплавы по Еврокоду 9
Таблица 2 – Термически неупрочняемые алюминиевые сплавы по Еврокоду 9 
1. Guidance GAG Guidance Document 001 Terms and Definitions Edition 2009-01 March 2009
2. The welding of aluminium and its alloys / Gene Mathers – Woodhead Publishing Ltd, 2002
3. Aluminum and Aluminium Alloys / ed. Davis – ASM International, 1996
4. Aluminum and Aluminum Alloys – Subject Guide – ASM International, 2015
5. TALAT 1501