Алюминиевые сплавы

Алюми́ниевые сплавы

Сплавы на основе алюминия. Первые А. с. получены в 50-х гг. 19 в.; они представляли собой сплав алюминия с кремнием и характеризовались невысокими прочностью и коррозионной стойкостью. Длительной время Si считали вредной примесью в А. с. К 1907 в США получили развитие сплавы Al—Cu (литейные с 8% Cu и деформируемые с 4% Cu). В 1910 в Англии были предложены тройные сплавы Al—Cu—Mn в виде отливок, а двумя годами позднее — А. с. с 10—14% Zn и 2—3% Cu. Поворотным моментом в развитии А. с. явились работы А. Вильма (Германия) (1903—11), который обнаружил т. н. старение А. с. (см. Старение металлов), приводящее к резкому улучшению их свойств (главным образом прочностных). Этот улучшенный А. с. был назван Дуралюмином. В СССР Ю. Г. Музалевским и С. М. Вороновым был разработан советский вариант дуралюмина — т. н. кольчугалюминий. В 1921 А. Пач (США) опубликовал метод модификации сплава Al—Si введением микроскопических доз Na, что привело к значительному улучшению свойств сплавов Al—Si и их широкому распространению. Исходя из механизма старения А. с., в последующие годы велись усиленные поиски химических соединений, способных упрочнить Al. Разрабатывались новые системы А. с.: коррозионностойкие, декоративные и электротехнические Al—Mg—Si; самые прочные Al—Mg—Si—Cu, Al—Zn—Mg и Al—Zn—Mg—Cu; наиболее жаропрочные Al—Cu—Mn и Al—Cu—Li; лёгкие и высокомодульные Al—Be—Mg и Al—Li—Mg (табл. 1).

Основные достоинства А. с.: малая плотность, высокая электро- и теплопроводность, коррозионная стойкость, высокая удельная прочность.

По способу производства изделий А. с. можно разделить на 2 основные группы: деформируемые (в т. ч. спечённые А. с.) для изготовления полуфабрикатов (листов, плит, профилей, труб, поковок, проволоки) путём деформации (прокатки (См. Прокатка), ковки (См. Прокатка) и т. д.) и литейные — для фасонных отливок.

Табл. 1. — Развитие систем алюминиевых сплавов

Деформируемые А. с. по объёму производства составляют около 80% (США, 1967). Полуфабрикаты получают из слитков простой формы — круглых, плоских, полых, — отливка которых вызывает относительно меньшие трудности. Химический состав деформируемых А. с. определяется главным образом необходимостью получения оптимального комплекса механических, физических, коррозионных свойств. Для них характерна структура твёрдого раствора с наибольшим содержанием эвтектики. Деформируемые А. с. принадлежат к различным группам (табл. 2).

Табл. 2. — Химический состав и механические свойства некоторых деформируемых алюминиевых сплавов (1Мн/м² — 0,1 кгс/мм²; 1 кгс/мм² —10 Мн/м²)

Примечания. ¹Во всех сплавах в качестве примесей присутствуют Fe и Si; в ряд сплавов вводятся малые добавки Сг, Zr, Ti, Be. ²Полуфабрикаты: Л — лист; Пф — профиль; Пр — пруток; Пк — поковка; Ш — штамповка; Пв — проволока: Т — трубы; Пл — плиты; Пн — панели: Пс — полосы; Ф — фольга. ³Свойства получены по полуфабрикатам, показанным без скобок. ⁴С добавкой 1,8—1,3% Ni и 0,8—1,3% Fe. ⁵С добавкой 1,2—1,4% Li. ⁶С добавкой1,9—2,3% Li. ⁷С добавкой 0,2—0,4%Fe.

Двойные сплавы на основе системы Al—Mg (т. н. магналии) не упрочняются термической обработкой. Они имеют высокую коррозионную стойкость, хорошо свариваются; их широко используют при производстве морских и речных судов, ракет, гидросамолётов, сварных ёмкостей, трубопроводов, цистерн, ж.-д. вагонов, мостов, холодильников и т. д.

Сплавы Al—Mg—Si (т. н. авиали) сочетают хорошую коррозионную стойкость со сравнительно большим эффектом старения; анодная обработка позволяет получать красивые декоративные окраски этих сплавов.

Тройные Al—Zn—Mg сплавы имеют высокую прочность, хорошо свариваются, но при значительной концентрации Zn и Mg склонны к самопроизвольному коррозионному растрескиванию. Надёжны сплавы средней прочности и концентрации.

Четверные сплавы Al—Mg—Si—Cu сильно упрочняются в результате старения, но имеют пониженную (из-за Cu) коррозионную стойкость; из них изготовляют силовые узлы (детали), выдерживающие большие нагрузки. Четверные сплавы Al—Zn—Mg—Cu обладают самой высокой прочностью (до 750 Мн/м² или до 75 кгс/мм²) и удовлетворительно сопротивляются коррозионному растрескиванию; они значительно более чувствительны к концентрации напряжений и повторным нагрузкам, чем дуралюмины (сплавы Al—Cu—Mg), разупрочняются при нагреве свыше 100°С. Наиболее прочные из них охрупчиваются при температурах жидкого кислорода и водорода. Эти сплавы широко используют в самолётных и ракетных конструкциях. Сплавы Al—Cu—Mn имеют среднюю прочность, но хорошо выдерживают воздействие высоких и низких температур, вплоть до температуры жидкого водорода. Сплавы Al—Cu—Li по прочности близки сплавам Al—Zn—Mg—Cu, но имеют меньшую плотность и больший модуль упругости; жаропрочны. Сплавы Al—Li—Mg при той же прочности, что и дуралюмины, имеют пониженную (на 11%) плотность и больший модуль упругости. Открытие и разработка сплавов Al—Li—Mg осуществлены в СССР. Сплавы Al—Be—Mg имеют высокую ударную прочность, очень высокий модуль упругости, свариваются, обладают хорошей коррозионной стойкостью, но их применение в конструкциях связано с рядом ограничений.

В состав деформируемых А. с. входят т. н. спечённые (вместо слитка для дальнейшей деформации используют брикет, спечённый из порошков) А. с. (в 1967 в США объём производства составил около 0,5% ). Имеются 2 группы спечённых А. с. промышленного значения: САП (спечённая алюминиевая пудра) и САС-1 (спечённый алюминиевый сплав).

САП упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия, нерастворимой в алюминии. На частицах чрезвычайно дисперсной алюминиевой пудры в процессе помола её в шаровых мельницах в атмосфере азота с регулируемым содержанием кислорода образуется тончайшая плёнка окислов Al. Помол осуществляется с добавкой стеарина, по мере его улетучивания наряду с дроблением первичных порошков происходит их сращивание в более крупные конгломераты, в результате чего образуется не воспламеняющаяся на воздухе т. н. тяжёлая пудра с плотностью св. 1000 кг/м². Пудру брикетируют (в холодном и горячем виде), спекают и подвергают дальнейшей деформации — прессованию, прокатке, ковке. Прочность САП возрастает при увеличении содержания первичной окиси алюминия (возникшей на первичных порошках) до 20—22%, при большем содержании снижается. Различают (по содержанию Al₂O₃) 4 марки САП (6—9% — САП1; 9,1—13% — САП2; 13,1—18% — САП3; 18,1—20% — САП4). Длительные выдержки САП ниже температуры плавления мало влияют на его прочность. Выше 200—250 °С, особенно при больших выдержках, САП превосходит все А. с., например при 500°С предел прочности σ_b=50—80 Мн/м² (5—8 кгс/мм²). В виде листов, профилей, поковок, штамповок САП применяется в изделиях, где нужна высокая жаропрочность и коррозионная стойкость. САП содержит большое количество влаги, адсорбированной и прочно удерживаемой окисленной поверхностью порошков и холоднопрессованных брикетов. Для удаления влаги применяется нагрев в вакууме или нейтральной среде несколько ниже температуры плавления алюминиевых порошков или холоднопрессованных брикетов. Дегазация САП повышает его пластичность, и он удовлетворительно сваривается аргоно-дуговой сваркой.

САС-1, содержащий 25% Si и 5% Ni (или Fe), получают распылением жидкого сплава, брикетированием пульверизата, прессованием и ковкой прутков. Мельчайшие кристаллики Si и FeAl₃(NiAl₃), воздействуя на матрицу, упрочняют сплав, повышают модуль упругости и пластичность, снижают коэффициент линейного расширения; этот эффект тем больше, чем мельче твёрдые частицы и меньше просвет между ними. Этот А. с. характеризуется низким коэффициентом линейного расширения и повышается модулем упругости. По этим характеристикам порошковые сплавы заметно превосходят соответствующие литейные А. с.

Литейные А. с. по объёму производства составляют около 20% (США, 1967). Для них особенно важны литейные характеристики — высокая жидкотекучесть, малая склонность к образованию усадочных и газовых пустот, трещин, раковин. А. А. Бочвар установил, что эти свойства улучшаются при сравнительно высоком содержании в сплаве легирующих элементов, образующих эвтектику (См. Эвтектика), что приводит, однако, к некоторому повышению хрупкости сплавов. Важнейшие литейные А. с. содержат свыше 4,5% Si (т. н. силумины). Введение гомеопатических (сотые доли процента) доз Na позволяет модифицировать структуру доэвтектических и эвтектических силуминов: вместо грубых хрупких кристаллов Si появляются кристаллы сфероидальной формы и пластичность сплава существенно возрастает. Силумины (табл. 3) охватывают двойные сплавы системы Al—Si (АЛ2) и сплавы на основе более сложных систем: Al—Si—Mg (АЛ9), Al—Si—Си (АЛЗ, АЛ6); Al—Si—Mg—Си (АЛ5, АЛ10). Сплавы этой группы характеризуются хорошими литейными свойствами, сравнительно высокой коррозионной стойкостью, высокой плотностью (герметичностью), средней прочностью и применяются для сложных отливок. Для борьбы с газовой пористостью силуминов Бочвар и А. Г. Спасский разработали оригинальный и эффективный способ кристаллизации отливок под давлением.

К сплавам с высоким содержанием Mg (свыше 5% ) относятся двойные Al—Mg (АЛ8), сплавы системы Al—Mg—Si с добавкой Mn (АЛ13 и АЛ28), Be и Ti (АЛ22). Сплавы этой группы коррозионностойки, высокопрочны и обладают пониженной плотностью. Наиболее высокопрочен сплав АЛ8, но технология его изготовления сложна. Для уменьшения окисляемости в жидком состоянии в него вводится 0,05 — 0,07% Be, а для измельчения зерна — такое же количество Ti, в формовочную смесь для подавления реакции металла с влагой добавляется борная кислота. Сплав АЛ8 отливается главным образом в земляные формы. Сплавы АЛ13 и АЛ28 имеют лучшие литейные свойства, но меньшую прочность и не способны упрочняться термической обработкой; они отливаются в кокиль под давлением и в землю. Длительные низкотемпературные нагревы могут привести к ухудшению коррозионной стойкости литейных А. с. с высоким содержанием Mg.

Табл. 3.—Химический состав и механические свойства некоторых литейных алюминиевых сплавов (1Мн/м² — 0, 1 кгс /мм²; 1 кгс/мм² — 10 Мн/м²)

Примечание. ¹Виды литья: З — в землю; В — по выплавляемым моделям; О — в оболочковые формы; К —в кокиль; Д — под давлением. ²Zn 3,5 — 4,5%.

Сплавы с высоким содержанием Zn (свыше 3%) систем Al—Si—Zn (АЛ11) и Al—Zn—Mg—Cu (АЛ24) имеют повышенную плотность и пониженную коррозионную стойкость, но обладают хорошими литейными свойствами и могут применяться без термической обработки. Широкого распространения они не получили.

Сплавы с высоким содержанием Си (свыше 4% ) — двойные сплавы Al—Си (АЛ7) и сплавы тройной системы Al—Cu—Mn с добавкой Ti (АЛ19) по жаропрочности превосходят сплавы первых трёх групп, но имеют несколько пониженные коррозионную стойкость, литейные свойства и герметичность.

Сплавы системы Al—Cu—Mg—Ni и Al—Cu—Mg—Mn—Ni (АЛ1, АЛ21) отличаются высокой жаропрочностью, но плохо обрабатываются.

Свойства литейных сплавов существенно меняются в зависимости от способа литья; они тем выше, чем больше скорость кристаллизации и питание кристаллизующегося слоя. Как правило, наиболее высокие характеристики достигаются при кокильном литье. Свойства отдельно отлитых образцов могут на 25—40% превосходить свойства кристаллизовавшихся наиболее медленно или плохо питаемых частей отливки. Некоторые элементы, являющиеся легирующими для одних сплавов, оказывают вредное влияние на другие. Кремний снижает прочность сплавов систем Al—Mg и ухудшает механические свойства сплавов систем Al—Si и Al—Cu. Олово и свинец даже в десятых долях процента значительно понижают температуру начала плавления сплавов. Вредное влияние на силумины оказывает железо, вызывающее образование хрупкой эвтектики Al—Si—Fe, кристаллизующейся в виде пластин. Содержание железа регулируется в зависимости от способа литья: оно максимально при литье под давлением и в кокиль и сильно снижено при литье в землю. Уменьшением вредных металлических и неметаллических примесей в сплавах с применением чистой шихты и рафинирования, введением малых добавок Ti, Zr, Be, модифицированием сплавов и их термической обработкой можно существенно повысить свойства фасонных отливок из А. с. Рафинирование осуществляется: продувкой газом (хлором, азотом, аргоном); воздействием флюсов, содержащих хлористые и фтористые соли; выдерживанием в вакууме или сочетанием этих способов.

С каждым годом увеличивается объём потребления А. с. в различных отраслях техники (табл. 4). За 5 лет применение А. с. в США увеличилось примерно в 1,6 раза и превышает (1967) по объёму 10% от потребления стали (в СССР за 1966—70 намечено увеличение производства А. с. более чем в 2 раза). Наряду с транспортом (авиация, суда, вагоны, автомобили) А. с. находят огромное применение в строительстве — оконные рамы, стенные панели и подвесные потолки, обои; бурно расширяется использование А. с. для производства контейнеров и др. упаковки, в электропромышленности (провода, кабели, обмотки электродвигателей и генераторов).

Табл. 4. — Распределение потребления алюминиевых сплавов по отраслям промышленности в США (тыс. т)

Большой интерес представляет распределение производства А. с. по различным видам полуфабрикатов (табл. 5).

Табл. 5. — Объём производства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов в США (тыс. т)

Лит.: Сваривающиеся алюминиевые сплавы. (Свойства и применение), Л., 1959; Добаткин В. И., Слитки алюминиевых сплавов, Свердловск, 1960: Фридляндер И. Н., Высокопрочные деформируемые алюминиевые сплавы, М., 1960; Колобнев И. Ф., Термическая обработка алюминиевых сплавов, М., 1961; Строительные конструкции из алюминиевых сплавов. [Сб. ст.], М., 1962; Алюминиевые сплавы, в. 1—6, М., 1963—69; Альтман М. Б., Лебедев А. А., Чухров М. В., Плавка и литье сплавов цветных металлов, М., 1963; Воронов С. М., Металловедение легких сплавов, М., 1965; AltenpohI D., Aluminium und Aluminiumlegierungen, В. — [u. a.], 1965; L'Aluminium, éd. P. Barrand, R. Gadeau, t. 1—2, P., 1964; Aluminium, ed. R. Kent van Horn, v. 1—3, N. Y., 1967.

И. Н. Фридляндер.