Алюминиевые сплавы

Алюминиевые 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, ковки и т. д.) и литейные — для фасонных отливок.

Табл. 1. — Развитие систем алюминиевых сплавов

Система

Упрочняющая фаза

Год открытия упрочняющего эффекта

Марка сплава (СССР)

Al—Cu—Mg

CuAl2, Al2CuMg

1903-11

Д1, Д16, Д18, АК4-1, БД-17, Д19, М40, ВАД1

Al—Mg—Si

Mg2Si

1915-21

АД31, АД33, АВ (без Cu)

Al—Mg—Si—Cu

Mg2Si, Wфаза (Al2CuMgSi)

1922

AB (с Cu), АК6, AK8

Al—Zn—Mg

MgZn2, Тфаза (Al2Mg2Zn3)

1923-24

B92, В48-4, 01915, 01911

Al—Zn—Mg—Cu

MgZn2, Тфаза (Al2Mg2Zn3), Sфаза (Al2CuMg)

1932

B95, В96, В93, В94

Al—Cu—Mn

CuAl2, Al12Mg2Cu

1938

Д20, 01201

Al—Be—Mg

Mg2Al3

1945

Сплавы типа АБМ

Al—Cu—Li

Тфаза (Al7,5Cu4Li)

1956

ВАД23

Al—Li—Mg

Al2LiMg

1963-65

01420

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)

Марка сплава

Основные элементы (% по массе)1

 

Типичны е механич. свойства3

Cu

Mg

Zn

Si

Mn

Полуфабрикаты2

предел прочности sb, Мн/м2

предел текучести s0,2, mh/m2

относит. удлинение d, %

АМг1

< 0,01

0,5-0,8

 

< 0,05

 

Л

120

50

27,0

АМг6

< 0,1

5,8-6,8

< 0,2

< 0,4

0,5-0,8

Л, Пл, Пр, Пф

340

170

20,0

АД31

< 0,1

0,4-0,9

< 0,2

0,3-0,7

< 0.1

Пр (Л, Пф)

240

220

10,0

АДЗЗ

0,15—0,4

0,8-1,2

< 0,25

0,4-0,8

<0,15

Пф (Пр. Л)

320

260

13,0

АВ

0,2—0,6

0,45-0,9

< 0,2

0,5-1,2

0,15-0,35

л, ш, т, Пр, Пф

340

280

14,0

АК6

1,8—2,6

0,4-0,8

< 0,3

0,7-1,2

0,4-0,8

Ш, Пк, Пр

390

300

10,0

АК8

3,9—4,8

0,4-0,8

< 0,3

0,6-1,2

0,4—1,0

Ш, Пк, Пф, Л

470

380

10,0

Д1

3,8—4,8

0,4-0,8

< 0,3

<] 0,7

0,4-0,8

Пл (Л, Пф, Т), Ш, Пк

380

220

12,0

Д16

3,8—4,9

1,2-1,8

< 0,3

< 0,5

0,3-0,9

Л (Пф, Т, Пв)

440

2"0

19,0

Д19

3,8—4,3

1,7-2,3

< 0,1

< 0,5

0,5-1,0

Пф (Л)

460

340

12,0

В65

3,9—4,5

0,15-0,3

< 0,1

< 0,25

0,3-0,5

Пв

400

--

20,0

АК4-14

1,9—2,5

1,4-1,8

< 0,3

< 0,35

< 0,2

Пн, Пф (Ш, Пл, Л)

420

350

8,0

Д20

6,0—7,0

< 0,05

< 0,1

< 0,3

0,4-0,8

Л, Пф (Пн, Ш, Пк, Пр)

400

300

10,0

ВАД235

4,9—5,8

< 0,05

< 0,1

< 0,3

0,4-0,8

Пф (Пр, Л)

550

500

4,0

014206

< 0,05

5,0-6,0

—

< 0,007

0,2-0,4

Л (Пф)

440

290

10,0

В92

< 0,05

3,9-4,6

2,9-3,6

< 0,2

0,6-1,0

Л (Пл, Пс, Пр, Пк), Ш, Пф

450

320

13,0

0,19157

< 0,1

1,3-1,8

3,4-4,0

< 0,3

0,2-0,6

Л, (Пф)

350

300

10.1)

В93

0,8—1,2

1,6-2,2

6,5-7,3

< 0,2

< 0,1

Ш, (Пк)

480

440

2,5

В95

1,4—2,0

1,8-2,8

5,0-7,0

< 0,5

0,2-0,6

Л, Пл, Пк, Ш, Пф, Пр

560

530

7,0

В96

2,2—2,8

2,5-3,5

7,6-8,6

< 0,3

0,2-0,5

Пф (Пн, Пк, Ш)

670

630

7,0

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 sb=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, 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)

Марка сплава

Элементы (% по массе)

Вид литья1

Типичные механические свойства

Cu

Mg

Mn

Si

 

предел прочности sb, Мн/м2

предел текучести s0,2, mh/m2

относит. удлинение d, %

АЛ8

 

9,5-11,5

0,1

0,3

З, В, О

320

170

11,0

АЛ2

0,8

—

0,5

10-13

Все виды литья

200

110

3,0

АЛ9

0,2

0,2-0,4

0,5

6-8

" " "

230

130

7,0

АЛ4

0,3

0,17-0,3

0,25-0,5

8-10,5

" " "

260

200

4,0

АЛ5

1,0-1,5

0,35-0,6

0,5

4,5-5,5

" " "

240

180

1,0

АЛЗ

1,5-3,5

0,2-0,8

0,2-0,8

4,0-6,0

Все виды литья, кроме Д

230

170

1,0

АЛ25

1,5-3,0

0,8-1,2

0,3-0,6

11-13

К

200

180

0,5

АЛ30

0,8-1,5

0,8-1,3

0,2

11-13

К

200

180

0,7

АЛ7

4-5

0,03

—

1,2

—

230

150

5,0

АЛ1

3,75-4,5

1.25-1,75

—

0,7

Все виды литья, кроме Д

260

220

0,5

АЛ19

4,5-5,3

20,05

0,6-1,0

0,3

З, О, В

370

260

5,0

АЛ242

0,2

1,5-2,0

0,2-0,5

0,3

З, О, В

290

—

3,0

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)

Область применения

1962

1965

1967

Строительство

613

846

862

Транспорт

612

838

862

Предметы длительного потребления

290,2

383

381

Электропромышленность

485

490

576

Машиностроение и приборостроение

190,5

258,5

279

Контейнеры и упаковка

175

298

397

Экспорт

188

260,2

415

Всего

2553,7

3373,7

3772

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)

Вид полуфабриката

1955

1960

1965

Листы и плиты

610

630

1238

Фольга

89,9

131,1

184,1

Другие катаные полуфабрикаты

49,9

42,2

74,8

Проволока

28

25,1

38,6

Кабель

71,2

83

195,2

Проволока и кабель с покрытием

18

27,4

58,7

Прессованные полуфабрикаты

309,5

386

700

Волочёные трубы

30,5

27,4

37,6.

Сварные трубы

11,6

11,7

42,5

Порошки

16,2

14,9

27,2

Поковки, штамповки

31,9

22,7

43,2

Литьё в землю

75

58,9

124,5

Литьё в кокиль

135,2

117

150

Литьё под давлением

161,1

175

365

Всего

1638

1752,4

3279,4

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.