Введение
Алюминий имеет огромное значение как в современной промышленности, так и в повседневной жизни, являясь легким металлом с высокой прочностью, устойчивостью к коррозии и отличными термическими и электрическими свойствами, за счет чего получил широкое распространение в авиации, автомобильной промышленности, строительстве, упаковке и других важных отраслях. В этой статье мы поговорим об основных сплавах алюминия, включая деформируемые и литейные, среди которых дюралюминий и авиали, а также предоставим подробное описание и применение каждого из них.
Общая информация о металле алюминий
Первые шаги на пути открытия алюминия были предприняты в 19 веке химиками, которые интересовались необычными свойствами некоторых минералов, а наиболее значительный прорыв произошел в 1886 году, когда американским и французским учеными Чарльзом Холлом и Полем Эру был разработан способ выделения алюминия, который получил соответствующее название «процесс Холла-Эру». Его суть состоит в электролизе расплавленных солей, содержащих соединения данного металла – метод оказался коммерчески жизнеспособным и стал основой для современного промышленного производства.
С развитием промышленной сферы удалось создать поэтапный технологический процесс производства алюминия – сначала бокситы, являющиеся основным рудным материалом и представляющие из себя каменисто-глиняные породы, обрабатывались водой для получения оксида алюминия, также известного как раствор глинозема. Затем этот глинозем смешивался с расплавленным криолитом (натриевым гексафтороалюминатом) и подвергался электролизу в специальных кристаллизаторах. Под действием электрического тока глинозем распадался на основные компоненты, представляющие из себя кислород и алюминий.
Сегодня алюминий является крайне востребованным материалом и широко применяется в различных сферах и отраслях промышленности благодаря наличию следующих полезных свойств:
- Легкость – его плотность составляет около 2,7 г/см³, т.е. практически в три раза меньше, чем у стали, что делает его весьма привлекательным материалом для использования в авиационной и автомобилестроительной отраслях, где важно облегчить конструкцию, при этом сохранив её устойчивость;
- Хорошая проводимость тепла и электричества – металл отлично передает тепло и электричество, уступая по эффективности лишь меди, и часто является основным компонентом при создании радиаторов, кабелей и проводов;
- Устойчивость к коррозии – обладает естественной способностью к формированию тонкого оксидного слоя на своей поверхности, который защищает материал от коррозии и делает его стойким к различным условиям окружающей среды, среди которых влажность, ветер и прямой контакт с химическими веществами;
- Пластичность – алюминий легко подвергается любому типу обработки, металл может быть литым, прокатным, штампованным или экструдированным в различные формы, что упрощает процесс производства и открывает возможности для изготовления различных металлоизделий;
- Возможность переработки – полностью перерабатываемый материал, его можно использовать повторно, ведь он не теряет своих полезных эксплуатационных качеств.
Классификация алюминия по сплавам
Алюминий может быть классифицирован по сплавам на следующие категории: деформируемые, литейные, а также получаемые по технологии порошковой металлургии, включая методы САС и САП:
- Литейные сплавы – предназначены для литья под давлением, обладают хорошей текучестью и способностью заполнять нестандартные формы. Литейные сплавы находят широкое применение в автомобильной промышленности при производстве деталей для двигателей, корпусов и других сложных конструкций;
- Деформируемые сплавы – обладают высокой пластичностью и позволяют производить различные изделия методами горячей и холодной деформации. Они широко используются для производства металлоконструкций, листового металла, профилей и труб;
- Сверхзвуковое плазменное осаждение – сплавы, полученные по технологии САС, являются высокоспециализированными и обладают рядом уникальных свойств. Данный технологический процесс позволяет получить материалы с высокой плотностью покрытия, прочностью и стойкостью к коррозии. По этой причине они нашли своё применение в аэрокосмической промышленности, электронике и медицине;
- Сверхзвуковая атомизация порошка – САП-сплавы изготавливаются путем быстрого охлаждения расплавленного алюминиевого сплава с помощью сверхзвуковой атомизации. В результате получаются порошковые материалы, обладающие высокой прочностью, термической стойкостью и низкой плотностью. Такие металлы используются в аэрокосмической и автомобильной промышленностях, производстве композитных материалов и других областях, где требуется легкий и прочный материал.
Классификация алюминия по сплавам позволяет оптимизировать и адаптировать его свойства под различные области применения, делая материал одним из самых универсальных и востребованных металлов в современной промышленности.
Классификация алюминия по химическому составу
Литейные характеристики сплавов достигаются путем добавления в их состав кремния, который позволяет создать низкоплотный и при этом высокопрочный материал, в процессе отливки которого не образуются трещины, полости и другие дефекты – это весьма востребовано в тех случаях, когда требуется изготовить изделие сложной формы, часто представляющей из себя какую-то запчасть или составную деталь механизма.
По химическому составу литейные алюминиевые сплавы обычно разделяются на следующие категории:
- Силумины – являются наиболее распространенными литейными сплавами, имея в своем составе алюминий и кремний в качестве основного сплавляющего элемента. Силумины обладают средней прочностью, схожей со сталью, и рассчитаны на средние нагрузки. Стоит отметить дешевизну материала и его хорошую антикоррозийную способность, но среди минусов выделяются хрупкость и крошение при обработке;
- Медьсодержащие алюминиевые сплавы – содержат медь в качестве основного сплавляющего элемента, которая улучшает прочность и твердость сплава, способствует легкой обработки резанием, но при этом снижает литейные свойства. Так, в процессе отливки часто происходит усадка, образуются трещины. Другим недостатком является низкая коррозийная устойчивость, которая корректируется путем анодирования. Сплав отлично подходит для изготовления несложных деталей небольших размеров для машиностроительной отрасли;
- Алюминиево-магниевые сплавы – отличаются хорошей свариваемостью, антикоррозийными качествами и прочностной устойчивостью, характеризующейся способностью выдерживать постоянные рабочие нагрузки без образования микроповреждений в структуре материала. Сплав данного вида наиболее распространен для последующего применения во влажной среде, являясь востребованным материалом в судостроении и авиационной промышленности.
Деформируемый алюминий
Деформируемый алюминий – это сплав, который легко подвергается механической обработке и формовке без образования дефектов. Он обладает высокой пластичностью, что крайне важно для изготовления различных форм, среди которых листы, проволока, прутки и профили. Такие сплавы отличаются тем, что содержат в своем составе легирующие компоненты в различных пропорциях.
Деформируемый алюминий имеет маркировку АД и цифры, отражающие процентное содержание алюминия в сплаве:
- АД – 99,0%
- АД1 – 99,3%
- АД0 – 99,5%
- АД00 – 99,7%
- АД000 – 99,8%
Прочностные свойства некоторых деформируемых сплавов могут быть повышены в ходе термической обработки – упрочняемые, а другие сплавы не меняют своих свойств после аналогичных процедур – неупрочняемые, повышение их прочности достигается за счет нагартовки или легирования.
Упрочняемые деформируемые сплавы на основе алюминия
Алюминиевые сплавы нуждаются в термической обработке для того, чтобы повысить их прочностные характеристики – это неотъемлемая часть технологического процесса. С помощью воздействия высоких температур на деформирующие сплавы, имеющие в своем составе не более 18% легирующих добавок, становится возможным получить требуемые свойства материала.
Выделяют два основных вида термической обработки:
- Закалка – материал нагревается до определенной температуры, величина которой зависит от разновидности легирующего компонента, а затем стремительно охлаждается. Таким образом достигается повышенная прочность и твердость металла;
- Старение – бывает естественное и искусственное. Первое происходит само собой при комнатной температуре, сплав медленно набирает прочность в процессе остывания после закалки. Второе проводят при повышенных значениях примерно 160-200 °C, что не только позволяет ускорить процесс, но и повысить его эффективность – предел текучести и прочности получается значительно выше.
Дюралимин – это один из наиболее известных и широко используемых деформируемых упрочняемых сплавов на основе алюминия, который обладает высокой прочностью, легкостью и хорошей коррозионной стойкостью. Основными сплавляющими элементами являются медь и магний, которые нужны для повышения прочности и твердости сплава.
Дюралюминиевые листы подвергаются дополнительной обработке во избежание формирования коррозии – их плакируют нанесением на поверхность тонкого слоя (4% от общей толщины) алюминий (до 99,95%), который защищает лист от воздействия влаги. При этом данный способ снижает структурную прочность материала, поэтому нередко выбирают другой метод – анодирование. Закалка и естественное старение улучшают коррозийную устойчивость материала и делают его податливым для нарезания, точечной сварки и последующей обработки ковкой.
Сплавы авиаль – это группа высокопрочных литейных алюминиевых сплавов, разработанных специально для использования в авиационной промышленности. Сплавы авиаль состоят преимущественно из алюминия, меди, магния и цинка. Основным сплавляющим элементом является медь, которая добавляется для повышения прочности сплава, её содержание составляет порядка 2-7%. Авиали широко применяются в авиационной промышленности для изготовления различных компонентов, включая корпусы двигателей, обшивку крыльев, шасси и другие важные детали.
Высокопрочные сплавы (В) – сплав марки В95 является представителем этого семейства и считается самым прочным из известных алюминиевых сплавов, имея в своем составе алюминий (до 91,5%) и различные легирующие добавки, включая медь (до 2%), цинк (5-7%), магний (до 2,8%), а также марганец (не более 0,6%), улучшающий структурную прочность металла.
Материал проходит отжиг и приобретает свойство деформироваться в горячем и холодном состоянии, подходит для обработки нарезанием и точечной сваркой. По коррозийной стойкости высокопрочный сплав не уступает дуралюмину, но требует дополнительной защиты от окисления, поскольку плохо показывает себя в процессе эксплуатации в условиях высокой напряженности. Сплав отлично подходит для изготовления нагруженных деталей для машиностроительной отрасли.
Сплавы для ковки и штамповки – отличаются высокой пластичностью и легко подвергаются механической обработке. По составу и термообработке сплав схож с дуралюминами, но при этом имеет повышенное содержание кремния. Изделия нашли широкое применение для ковки и горячей штамповки различных деталей фасонного типа, а также листов и труб, которые на выходе обладают отличной пластичностью и защитой от коррозии.
Термически неупрочняемые деформируемые сплавы на основе алюминия
Термически неупрочняемые сплавы отличаются от упрочняемых тем, что показатель их прочности улучшается другими методами, не предполагающими термической обработки. Чаще всего речь идет о марках АМц и АМг, прочность которых достигается с помощью деформационного упрочнения, а именно – наклепа и нагартовки, повышающих плотность верхних слоёв материала.
Значительная часть эксплуатационных свойств приобретается путем легирования раствора, среди используемых компонентов можно выделить магний, марганец и кремний, а дополнительными добавками служат хром, медь, железо и цинк. Готовый материал обладает умеренной прочностью, плохо нарезается из-за хрупкости, но при этом имеет высокую пластичность, стойкость к возникновению коррозии, хорошую обрабатываемость и свариваемость, что делает его востребованным сплавом для изготовления компонентов железнодорожного состава, отделочных материалов в строительстве, а антифрикционные качества некоторых марок подходят для создания подшипников в машиностроении.
Классификация алюминия по применению
Спеченные алюминиевые порошки (САП) представляют собой материалы, полученные путем сжатия и нагревания алюминиевых порошков. Процесс спекания образует связи между частицами порошка, что приводит к их сращиванию и созданию нужной структуры. САП могут иметь различную плотность и содержать легирующие добавки для улучшения их свойств.
К основным характеристикам САП стоит отнести следующие:
- Легкость;
- Хорошая теплопроводность;
- Устойчивость к коррозии;
- Низкая плотностью.
Спеченные алюминиевые сплавы (САС) выступают в качестве материалов, полученных путем спекания алюминиевых сплавов – это процесс, при котором сплав нагревается до определенной температуры и затем резко охлаждается, чтобы образовать крепкие связи между частицами и создать однородную структуру.
САС обладают следующими характеристиками:
- Прочность;
- Устойчивость к повышенной температуре;
- Хорошая термическая и электрическая проводимость;
- Защита от коррозии.
Алюминиевые сплавы имеют широкий спектр применений, включая авиацию, автомобильную промышленность, электротехнику, строительство и другие отрасли, где требуются легкие, прочные и устойчивые к коррозии материалы. Разберем области применения подробнее:
- Авиация – алюминий является основным строительным материалом для самолетов и вертолетов, поскольку обладает высокой прочностью при небольшом весе, что способствует экономии топлива и повышает маневренность воздушных судов. Например, корпусы самолетов, крылья, стойки шасси, компоненты двигателей, внутренняя обшивка;
- Автомобильная промышленность – сплавы используются в производстве автомобилей для снижения веса и улучшения топливной экономичности. Алюминиевые детали могут быть использованы для кузовных панелей, двигательных блоков, радиаторов, колесных дисков, систем охлаждения;
- Строительство – материал широко востребован в строительной отрасли по причине стойкости к коррозии, прочности и легкости обработки. Он применяется для возведения оконных и дверных рам, фасадов зданий, крыш, перил и других конструкций;
- Упаковка – алюминиевые банки и фольга используются для упаковки и хранения продуктов питания, лекарственных препаратов и других товаров, обладая барьерными свойствами, которые предохраняют содержимое от света, влаги и кислорода, а также обеспечивают долгий срок годности продуктов;
- Электротехника – электротехнические сплавы обладают высокой электропроводностью, а их легкость благоприятно сказывается на установке и обслуживании проводов и кабелей, радиаторов и различных электродов;
- Машиностроение – материалы применяются для изготовления различных деталей и компонентов в машиностроении, имея высокую прочностью и устойчивость к износу, а также легкую обрабатываемость и свариваемость. Сюда относятся компоненты промышленного оборудования, инструменты, шестерни и корпуса.
Заключение
С развитием промышленного производства алюминий стал одним из самых востребованных цветных металлов в мире – его важность сложно переоценить. Благодаря своей универсальности и полезным свойствам из него можно создать различные сплавы, каждый из которых предназначен для конкретного применения. Например, высокопрочные сплавы широко используются для изготовления наружных запчастей в машиностроении, а силумин и авиаль благодаря своему малому удельному весу нашли применения в авиационной отрасли – эти и другие разновидности, представленные в классификации алюминия, являются незаменимыми компонентами в производстве и играют важнейшую роль в металлургии по всему свету.
