Алюминий и его сплавы

Алюминий — металл серебристого цвета, характеризующийся низкой плотностью (2,7 г/см³), высокой пластичностью (8 = 40%), низкими прочностью (σв= 80МПа) и твердостью (НВ 25). Темпера­тура плавления — 659°С. Обладает высокой электропроводностью и коррозионной стойкостью. Кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке и полиморфных превращений не имеет. Мар­кируется буквой А. В зависимости от количества примесей различа­ют алюминий особой чистоты А999 (99,999% А1), высокой чистоты А995, А99, А97 и технической чистоты А85, А8, А7, А6, А5, АО. Применяется алюминий для производства фольги, электрических про­водов. Как конструкционный материал используется редко вслед­ствие малой прочности. Сплавы алюминия делятся на литейные и деформируемые.

Литейные сплавы алюминия маркируются буквами АЛ и чис­лом, показывающим условный номер сплава. Чтобы сплав обладал хорошими литейными свойствами, он должен иметь низкий темпе­ратурный интервал кристаллизации. Кроме того, желательно, чтобы он имел низкую температуру плавления. Этим требованиям удовлет­воряют эвтектические сплавы. Наибольшее распространение полу­чили сплавы алюминия с кремнием, образующие эвтектику при со­держании 11,6% кремния. Эти сплавы называются силуминами.

Широко применяется силумин эвтектического состава АЛ2, со­держащий 10-12% кремния. Он имеет очень хорошие литейные свой­ства, НО малую прочность (σв = 180 МПа). Уменьшение содержания кремния и добавка меди, магния и марганца ухудшает литейные свой­ства силуминов, но улучшает механические. Кроме силуминов ис­пользуются литейные сплавы алюминия с медью (АЛ7) и магнием (АЛ8), не содержащие кремния. Они обладают значительно боль­шей прочностью, чем силумины, по их литейные свойства хуже.

Деформируемые сплавы алюминия делятся на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. К сплавам, не упрочняемым термической обработкой относятся сплавы алюминия с марганцем (маркируется АМц) и магнием (маркируются AMгl, ..., АМг7). Эти сплавы имеют низкую прочность, но высокую пластичность и кор­розионную стойкость.

К сплавам, упрочняемым термической обработкой относятся дюра­люминий, ковочные сплавы, высокопрочные сплавы алюминия. Дюра­люминий (дуралюмин) представляет собой сплав алюминия с медью (до 5%), марганцем (до 1,8%) и магнием (до 0,9%). Маркируется буквой Д и цифрой, показывающей порядковый номер (Д1, Д16 и др.). Подверга­ется термической обработке, которая состоит из закалки от температу­ры 500°С и естественного старения, заключающегося в выдержке при комнатной температуре в течение нескольких суток. В результате та­кой обработки прочность повышается в два раза (с 200-240 МПа до 450-500 МПа), а пластичность практически не меняется. Достоинством дюралюминия является высокая удельная прочность (отношение преде­ла прочности к плотности), что особенно важно в самолетостроении. Дюралюминий выпускается в виде листов и прутков.

Высо копрочные сплав ы алюминия содержат кроме меди и магния дополнительно цинк (до 10%). Эти сплавы маркируются буквой В (В95, В96). Подвергаются термообработке, аналогичной термообработке дю­ралюминия, но естественное старение заменяется искусственным ста­рением, заключающимся в выдержке при температуре 120-140°С в те­чение 16-24ч. В результате предел прочности доходит до 600-700 МПа.

Ковочные сплавы алюминии предназначены для производства деталей ковкой и штамповкой. Маркируются буквами АК и числом, показывающим порядковый номер. По химическому составу близки к дюралюминию (сплав АК1 совпадает по составу с Д1), иногда отличаясь более высоким содержанием кремния (АК6, АК8). Подвер­гаются аналогичной термообработке.

Малая плотность и высокая удельная прочность обусловили ши­рокое применение алюминиевых сплавов в самолетостроении. Они составляют до 75% массы пассажирских самолетов. Из дюралюминия изготовляются обшивки,, каркасы, из высокопрочных сплавов — тяжелонагруженные детали, из ковочных — кованые и штампованные детали (например, лопасти винта).

Алюминий — самый распространенный на Земле металл — называют летающим ме­таллом. Из него, вернее из его сплавов, самый известный из которых дуралюмин (сплав алюминия с медью, магнием и марганцем) делают фюзеляжи и крылья самолетов. Из сплавов алюминия была изготовлена оболочка нашего первого в мире искусственного спутника Земли.

Алюминий широко применяют в различных отраслях промышленности и в строительст­ве. Многие детали самых разных машин, пе­рекрытия, наружная облицовка и оконные ра­мы высотных зданий, аппаратура для про­изводства кислот и многих органических ве­ществ, резервуары для хранения жидкого ки­слорода, моторные и весельные лодки, посу­да, мебель — все это делается из алюминия. Во Франции построен целиком алюминие­вый океанский лайнер длиной свыше 300 м. Не только его корпус, но и внутренние пере­борки, стены кают, даже мебель — алюми­ниевые.

Рис.52. Применение алюминия

Медь и ее сплавы

Медь — металл красно-розового цвета. Плотность меди 8,94 г/см³, температура плавления — 1О83°С. Кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке и полиморфных превращений не имеет.

Характеризуется невысокими прочностью (а = 150-250 МПа) и твер­достью (НВ 60) и хорошей пластичностью (8= 25% в литом состоянии и 8= 50% в горячедеформированном). Обладает высокой электропро­водностью, теплопроводностью, коррозионной стойкостью в пресной и морской воде. Благодаря высокой электропроводности около полови­ны производимой меди используется в электро- и радиопромышленно­сти. Как конструкционный материал медь не используется из-за высо­кой стоимости и низких механических свойств. Маркируется буквой М и цифрами, зависящими от содержания примесей. Медь марок М00 (0,01 % примесей), МО (0,5%) и М1 (0,1 %) используется для изготовле­ния проводников электрического тока, медь М2 (0,3%) — для произ­водства высококачественных сплавов меди, МЗ (0,5%) — для сплавов обыкновенного качества. Основные сплавы меди — латуни и бронзы.

Латунями называют сплавы меди с цинком. Цинк повышает проч­ность и пластичность сплава, но до определенных пределов. Наи­большей пластичностью обладают латуни, содержащие 30% цинка, а наибольшей прочностью — 45%. Поэтому более 45% цинка в латунях содержаться не может. Кроме того, цинк удешевляет сплав, так как он дешевле меди. Латуни характеризуются высокой электро­проводностью и теплопроводностью, коррозионной стойкостью, хо­рошо обрабатываются резанием.

По технологическому признаку латуни делятся на деформируе­мые и литейные. По химическому составу латуни делятся на простые (двойные), в которых присутствуют только медь и цинк и сложные (многокомпонентные), в которые для улучшения различных свойств добавлены другие элементы. Наиболее распространены добавки алю­миния, олова, кремния, никеля и др.

Латуни маркируются буквой Л. В деформируемых латунях ука­зывается содержание меди и легирующих элементов, которые обо­значаются соответствующими буквами (О — олово, А — алюминий, К кремний, Н — никель, Мц — марганец, Ж — железо и т.д.). Содержание элементов дается в % после всех буквенных обозначе­нии. Например, латунь Л63 содержит 63% меди и 37% цинка. Ла­тунь ЛАЖ 60 1-1 содержит 60% меди, 1% алюминия, 1% железа и 38% цинка. В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество легирующих элементов (в %) ставится после букв их обозначающих. Например, литейная латунь ЛЦ40Мц3А со­держит 40% цинка, 3% марганца, менее 1% алюминия и 56% меди.

Бронзами называются сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом и другими элементами, среди которых цинк не является основным. Бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатываются давлением и реза­нием. По названию основного легирующего элемента бронзы делят­ся на оловянные, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые, свинцо­вые и др.

По технологическому признаку бронзы делят на деформируемые и литейные. Маркируются бронзы буквами Бр, за которыми показывает­ся содержание легирующих элементов в %. Обозначения легирующих элементов и отличия в марках деформируемых и литейных сплавов у бронз такие же, как у латуней. Например, деформируемая бронза БрОФ 6,5-0,4 содержит 6,5% олова и 0,4% фосфора, а литейная бронза Бр03Ц7С5Н — 3% олова, 7% цинка, 5% свинца, менее J % никеля.

Особенно широкое применение в машиностроении имеют оло­вянные бронзы. Деформируемые оловянные бронзы обладают высо­кой пластичностью и упругостью. Из них изготовляют прутки, трубы, ленты. Литейные оловянные бронзы имеют хорошие литейные свой­ства, высокую коррозионную стойкость. Из них изготовляют армату­ру, работающую в условиях пресной и морской воды. Олово — относительно дорогой металл, поэтому его стремятся частично или полностью имении, в составе бронз другими.

Алюминиевые бронзы (БрА7, БрАЖН 10-4-4) обладают более высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью по сравнению с оловянными. Кремнистые бронзы (БрКМц 3-1) име­ют хорошую упругость и поэтому используются для изготовления пружинящих деталей. Свинцовые бронзы (БрСЗО) обладают высоки­ми антифрикционными свойствами и применяются в подшипниках скольжения. Бериллиевые бронзы (БрБ2) отличаются высокой твер­достью, прочностью, упругостью и износостойкостью.

Медь имеет самую высокую (после сереб­ра) электрическую проводимость. Из нее делают обмотки трансформаторов и генерато­ров, линии электропередачи (ЛЭП), элек­трические провода внутри машин и зданий и многие другие электротехнические изделия, а также коррозионностойкую химическую аппаратуру. Широко используют в технике и медные сплавы — латунь, бронзу и др.

Таблица