Особенности и сферы применения алюминиевых сплавов

Характеристика алюминия

Чтобы понимать, какие свойства имеют сплавы алюминия, нужно знать характеристики основного материала. Он представляет собой лёгкий и блестящий металл. Алюминий хорошо проводит тепло и электричество благодаря чему из него изготавливают провода и различные радиодетали. Из-за низкой температуры плавления его не используют в сильно нагревающихся конструкциях.

Сверху алюминий защищён оксидной плёнкой, которая защищает материал от разрушительного воздействия факторов окружающей среды. В природе этот металл содержится в составе горных пород. Чтобы улучшить характеристики алюминия, к нему добавляют другие материалы и получаются более качественные смеси.

Состав алюминия и его сплавов обуславливает характеристики готовых изделий. Чаще всего, к этому металлу добавляют медь, марганец и магний.

Температура плавления алюминия — 660 градусов по Цельсию. По сравнению с другими металлами это низкий показатель, который ограничивает область применения металла. Чтобы повысить его жаростойкость, к нему добавляют железо. Дополнительно в состав сплава добавляется марганец и магний. Эти компоненты повышают прочность готового состава. В итоге получается сплав известный под названием «дюралюминий».

Отдельно нужно поговорить о том, как магний влияет на характеристики сплава:

1. Алюминиевый сплав с большим количеством магния будет обладать высоким показателем прочности. Однако его коррозийная устойчивость значительно снизится.
2. Оптимальное количество магния в составе — 6%. Таким образом можно избежать покрытия поверхностей ржавчиной и появления трещин при активной эксплуатации.

Смесь марганца с алюминием позволяет получить материал, который невозможно обрабатывать термическим методом. Закалка не будет изменять структуру металла и его характеристики.

Чтобы добиться максимальных показателей прочности не в убыток коррозийной устойчивости, изготавливаются смеси из алюминия, цинка и магния. Особенности сплава:

1. Повысить показатель прочности можно с помощью термической обработки.
2. Нельзя пропускать через заготовки из этой смеси электричество. Связано это с тем, что после пропускания тока ухудшится устойчивость к коррозийным процессам.
3. Чтобы повысить устойчивость к образованию и развитию коррозии, в алюминиевый сплав добавляется медь.

Также к основному материалу может добавляться железо, титан или кремний. От новых компонентов изменяется температура плавления, показатель прочности, текучесть, пластичность, электропроводность и коррозийная устойчивость.

Плавление алюминия

Что такое магний?

Магний — 12-й элемент периодической таблицы. Он находится в группе щелочноземельных металлов и 3-го периода. Мы можем обозначить этот металл как Mg. Магний — одна из самых распространенных молекул на Земле. Это важный элемент макроуровня для растений и животных.

Магний имеет электронную конфигурацию 1 с. 2 2 с 2 2p 6 3 с 2 . Поскольку на самой внешней орбитали находятся два электрона, магний любит отдавать этот электрон другому, более электроотрицательному атому и образовывать ион с зарядом +2. Атомный вес Mg составляет около 24 г моль. -1 , и это легкий металл, но прочный металл.

Природа

Кроме того, это твердое кристаллическое вещество серебристого цвета. Но он очень реактивен с кислородом; таким образом, образует слой оксида магния (MgO) при контакте с обычным воздухом, который имеет темный цвет. И этот слой MgO действует как защитный слой. Поэтому, естественно, мы не можем найти этот металл в чистом виде. Когда мы сжигаем свободный металлический магний, он дает характерное искристое белое пламя.

Кроме того, этот металл хорошо растворяется в воде и реагирует с водой при комнатной температуре, выделяя пузырьки газообразного водорода. Кроме того, он также хорошо реагирует с большинством кислот и производит MgCl.2 и H2 газ. Магний в основном содержится в морской воде и таких минералах, как доломит, магнезит, карналлит, тальк и т. Д. Мы можем извлечь этот металл из морской воды, добавив гидроксид кальция. Образует гидроксид магния. Здесь нам нужно отфильтровать осажденный гидроксид магния, а затем заставить его прореагировать с HCl с образованием MgCl.2 очередной раз. После этого, используя электролиз хлорида магния, мы можем отделить металл на катоде.

Что еще более важно, магний полезен в органических реакциях (реактив Гриньяра) и во многих других лабораторных реакциях. Кроме того, соединения Mg включаются в пищу, удобрения и питательные среды, поскольку он является важным элементом для роста и развития организмов.

Производство алюминия

В природе алюминий можно найти в составе горных пород. Самой насыщенной считается боксит. Производство этого металла можно разделить на несколько этапов:

1. В первую очередь руда дробится и сушится.
2. Получившаяся масса нагревается над паром.
3. Обработанная смесь пересыпается в щелочь. Во время этого процесса из неё выделяются оксиды алюминия.
4. Состав тщательно перемешивается.
5. Далее получившийся глинозем подвергается действию электрического тока. Его сила доходит до 400 кА.

Последним этапом является отливка алюминия в формы. В этот момент в состав могут добавляться различные компоненты, которые изменяют его характеристики.

Синтез

Порошки БАМ коммерчески производятся путем нагревания почти стехиометрический смесь элементарного бора (низкосортного, поскольку он содержит магний) и алюминия в течение нескольких часов при температуре в диапазоне от 900 ° C до 1500 ° C. Затем паразитные фазы растворяются в горячем соляная кислота.[5][6] Чтобы облегчить реакцию и сделать продукт более однородным, исходную смесь можно перерабатывать в высокоэнергетической среде. шаровая мельница. Все предварительные обработки проводятся в сухой инертной атмосфере, чтобы избежать окисления металлических порошков.[7][8]

Пленки БАМ могут быть нанесены на кремний или металл путем импульсное лазерное напыление, используя AlMgB14 порошок как мишень,[9] тогда как объемные образцы получают спекание порошок.[10]

БАМ обычно содержит небольшие количества примесных элементов (например, кислорода и железа), которые попадают в материал во время приготовления. Считается, что присутствие железа (чаще всего поступающего в виде частиц износа из мельничных пробирок и сред) служит спекание помогать. БАМ можно легировать кремний, фосфор, углерод, диборид титана (ТиБ2), нитрид алюминия (AlN), карбид титана (TiC) или нитрид бора (БН).[8][10]

Особенности классификации сплавов

Сплавы на основе алюминия позволяют эффективнее использовать основной материал и расширить сферу его применения. Для изменения характеристик используются различные виды металлов. Редко добавляется железо или титан.

Сплавы алюминия разделяются на две большие группы:

1. Литейные. Текучесть улучшается с помощью добавления в состав кремния. Расплавленный металл заливается в заранее подготовленные формы.
2. Деформируемые. Из этих смесей изначально изготавливают слитки, после этого с помощью специального оборудования им придаётся требуемая форма.

В отдельную группу выделяется технический алюминий. Он представляет собой материал, в котором сдержится менее 1% посторонних примесей и компонентов. Из-за этого на поверхности металла образуется оксидная плёнка, которая защищает его от воздействия факторов окружающей среды. Однако показатель прочности у технического металла низкий.

Обрабатывают слитки разными методами. Это зависит от того, какую форму необходимо получить после обработки. Технологические процессы:

1. Прокатка. Метод применяется при изготовлении фольги и цельных листов.
2. Ковка. Технологический процесс, с помощью которого изготавливаются детали сложной формы.
3. Формовка. Также применяется для изготовления заготовок сложной формы.
4. Прессование. Таким образом изготавливаются трубы, профиля и прутья.

Дополнительно, чтобы улучшились характеристики, металл подвергается термической обработке.

Спрессованные профиля из алюминиевого сплава

Марки алюминия и алюминиевых сплавов

Сплавы алюминия обозначаются по ГОСТ 4784-97. В государственном документе указывается маркировка алюминиевых сплавов, состоящая из букв и цифр. Расшифровка:

1. Д — этой буквой обозначается дюралюминий.
2. АК — маркировка алюминиевых сплавов, обработанных в процессе ковки.
3. А — обозначается технический материал.
4. АВ — авиаль.
5. АЛ — обозначение литейного металла.
6. АМц — марки алюминия с добавлением марганца.
7. В — сплав с высоким показателем прочности.
8. САП — порошки, спеченные в подготовленных формах.
9. АМг — смеси с добавлением магния.
10. САС — сплавы спеченные.

После буквенного обозначения указывается номер, который указывает на марку алюминия. После цифр указывается буква. Почитать детальную расшифровку цифр можно в ГОСТе.

Виды и свойства алюминиевых сплавов

Работая с этим металлом и смесями на его основе, важно знать свойства алюминиевых сплавов. От этого будет зависеть область применения материала и его характеристики. Классификация алюминиевых сплавов приведена выше. Ниже будут описаны самые популярные виды сплавов и их свойства.

Алюминиево-магниевые сплавы

Сплавы алюминия с магнием обладают высоким показателем прочности и хорошо поддаются сварке. Дополнительного компонента в состав не добавляют более 6%. В противном случае ухудшается устойчивость материала к коррозийным процессам. Чтобы дополнительно увеличить показатель прочности без ущерба защите от коррозии, алюминиевые сплавы разбавляются марганцем, ванадием, хромом или кремнием. От каждого процента магния, добавленного в состав, показатель прочности изменяется на 30 Мпа.

Алюминиево-марганцевые сплавы

Чтобы увеличить показатель коррозийной устойчивости, алюминиевый сплав разбавляется марганцем. Этот компонент дополнительно увеличивает прочность изделия и показатель свариваемости. Компоненты, которые могут добавляться в такие составы — железо и кремний.

Сплавы с алюминием, медью и кремнием

Второе название этого материала — алькусин. Марки алюминия с добавлением меди и кремния идут на производство деталей для промышленного оборудования. Благодаря высоким техническим характеристикам они выдерживают постоянные нагрузки.

Алюминиево-медные сплавы

Смеси меди с алюминием по техническим характеристикам можно сравнить с низкоуглеродистыми сталями. Главный минус этого материала — подверженность к развитию коррозийных процессов. На детали наносится защитное покрытие, которое сохраняет их от воздействия факторов окружающей среды. Состав алюминия и меди улучшают с помощью легирующий добавок. Ими является марганец, железо, магний и кремний.

Алюминиево-медные сплавы

Алюминиево-кремниевые сплавы

Называются такие смеси силумином. Дополнительно эти сплавы улучшаются с помощью натрия и лития. Чаще всего, силумин используется для изготовления декоративных изделий.

Сплавы с алюминием, цинком и магнием

Сплавы на основе алюминия, в которые добавляется магний и цинк, легко обрабатываются и имеют высокий показатель прочности. Увеличить характеристики материала можно проведя термическую обработку. Недостаток смеси трёх металлов — низкая коррозийная устойчивость. Исправить этот недостаток можно с помощью легирующей медной примеси.

Авиаль

В состав этих сплавов входит алюминий, магний и кремний. Отличительные особенности — высокий показатель пластичности, хорошая устойчивость к коррозийным процессам.

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.

Сферы применения алюминиевых сплавов

Сферы применения алюминия и его сплавов:

1. Столовые приборы. Посуда из алюминия, вилки, ложки и емкости для хранения жидкостей популярны до сих пор.
2. Пищевая промышленность. Этот металл используется в качестве добавки к пище. Его обозначение в составе продуктов — E Он является пищевой добавкой с помощью которой красят кондитерские изделия или защищают продукты от плесени.
3. Ракетостроение. Алюминий используется при изготовлении топлива для запуска ракет.
4. Военная промышленность. Приемлемая цена и малая удельная масса сделала этот металл популярным при производстве деталей для стрелкового оружия.
5. Стекловарение. Этот материал используется при изготовлении зеркал. Связано это с его высоким коэффициентом отражения.
6. Ювелирные изделия. Раньше украшения из алюминия были очень популярны. Однако постепенно его вытеснило серебро и золото.

Благодаря высокому показателю электропроводности этот металл используется для изготовления проводов и радиодеталей. В плане проводимости электрического тока, алюминий уступает только меди и серебру.

Нельзя забывать про небольшую удельную массу материала. Алюминий считается одним из самых лёгких видов металла. Благодаря этому он используется для изготовления корпусов для самолётов и машин. Углубляясь в эту тему, можно сказать о том, что весь самолёт состоит минимум на 50% из этого металла.

Также этот металл содержится в организме человека. Если этого компонента не хватает, замедляются процессы роста и регенерации тканей. Человек чувствует усталость, могут появляться мышечные боли и повышенная сонливость. Однако чаще возникают ситуации, когда этого компонента больше нормы в организме. Из-за этого человек становится раздражительным и нервным. В случае переизбытка требуется отказаться от косметики с добавлением алюминия и медицинских препаратов с его содержанием в составе.
Смеси с алюминием распространены в разных сферах промышленности. Связано это с тем, что этот металл входит в топ-5 самых распространённых в мире. В природе он содержится в различных рудах. На производстве слабые показатели этого металла увеличиваются с помощью добавления других компонентов. Так можно поднять устойчивость к коррозийным процессам, прочность, температуру плавления.