В зависимости от содержания примесей алюминий разделяют на сорта: технический, высокой чистоты и особой чистоты.

Практическое занятие № 5

СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, ИХ СТРУКТУРА И СВОЙСТВА

Цель работы:

1. изучение микроструктуры и свойств алюминия и его сплавов в литом и деформированном состоянии;

2. установление связи между структурой, свойствами и диаграммой состояния;

3. изучить основные операции термической обработки алюминиевых сплавов;

4. изучить влияние старения на свойства и структуру алюминиевых сплавов.

Краткая теория

Алюминий

Среди металлов алюминий по распространенности в природе занимает первое место, по практическому использованию – второе (после железа). Алюминий – химический элемент, находящийся в третьей группе периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер алюминия 13, атомная масса 26,98, температура плавления 660 С, плотность
ρ=2,7 г/см³, полиморфных превращений не имеет, обладает решеткой гранецентрированного куба с периодом а= 0,4041 нм.

По сравнению с железом, у которого ρ = 7,8 г/см³, а Tпл = 1539°С, алюминий имеет почти в три раза более низкую плотность, вследствие чего этот металл, а также его сплавы широко применяются там, где малая плотность и большая удельная прочность (σв/ρ) играют важную роль. Благодаря более низкой температуре плавления (по сравнению с железом) технология обработки алюминия и его сплавов резко отличается от технологии обработки стали.

Алюминий отличается от других металлов малой плотностью, высокими тепло- и электропроводностью, а также отражательной способностью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Несмотря на большое сродство к кислороду, алюминий весьма слабо подвергается коррозии на воздухе и в некоторых других средах. Это объясняется образованием в начальный момент очень тонкой (толщиной приблизительно 10 нм), плотной окисной пленки Al₂O₃, изолирующей металл от окружающей среды и защищающей его от коррозии. Чем чище алюминий и чем он более свободен от различных примесей, тем выше его коррозионная устойчивость.

Применять алюминий как конструкционный материал из-за низкой прочности нецелесообразно, однако некоторые его свойства – высокая пластичность, коррозионная стойкость и электропроводность – позволяют эффективно использовать его для других целей.

Выделяют три направления применения технического алюминия:

1) высокая пластичность позволяет производить из него глубокую штамповку, прокатку до малой толщины (например, алюминиевая фольга);

2) высокая электропроводность (65% от электропроводности меди) дает возможность применять алюминий для электротехнических целей (проводниковый металл). Провод из алюминия равной электропроводности легче, чем из меди;

3) высокая коррозионная стойкость позволяет широко использовать его в быту как упаковочный материал, для транспортировки и хранения продуктов питания.

В зависимости от содержания примесей алюминий разделяют на сорта: технический, высокой чистоты и особой чистоты.

На алюминий первичный, поставляемый в форме чушек, слитков распространяется стандарт ГОСТ 11069-2001, примеры обозначения марок которого приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Марки первичного алюминия (по ГОСТ 11069-2001)

 

Обозначение марок	Химический состав, %
Алюминий, не менее	Примесей не более, сумма
Алюминий особой чистоты
А 999	99,999	0,001
Алюминий высокой чистоты
А 995 А 99 А 95	99,995 99,99 99,95	0,005 0,010 0,05
Алюминий технической чистоты
А 85 А 8 А 7 А 5 А 0	99,85 99,8 99,7 99,5 99,0	0,15 0,20 0,30 0,50 1,00

 

Постоянные примеси алюминия – железо и кремний, они образуют с алюминием в процессе кристаллизации интерметаллиды (Al₃Fe, Al₈Fe₂Si, Al₅FeSi, Al₄FeSi₂) игольчатой и пластинчатой формы, резко снижающие механические свойства, особенно пластичность, вязкость разрушения и сопротивление усталости. Микроструктура литого алюминия высокой и технической чистоты приведена на рисунке 1.

В таблице 2 приведены некоторые марки, химический состав алюминия деформируемого (предназначенного для производства полуфабрикатов методом горячей или холодной деформации).

 

 

Рисунок 1 – Типичные структуры литого алюминия: а – алюминий высокой чистоты; б - фаза Al₃Fe в техническом алюминии; в – фаза Al₈Fe₂Si в техническом алюминии

 

Таблица 2 – Алюминий деформируемый

 

Обозначение марок	Химический состав, %	Сумма примесей
Прочие примеси Каждая в отдельности
Алюминий высокой чистоты
АДоч АДч	0,001 0,005	0,020 0,05
Алюминий технической чистоты
АД000 АД00 АД0 АД1 АД	0,02 0,02 0,02 0,05 0,05	0,20 0,30 0,50 0,70 1,2

 

Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния. Увеличение содержания примесей и пластическая деформация повышают прочность и твердость алюминия (таблица 3).

 

Таблица 3 – Механические свойства алюминия различной чистоты в отожженном состоянии

Чистота, %	σ0,2, МПа	σв, МПа	HB, МПа	δ, %
99,99 99,8 99,5			84 – 112 126 – 175	45,5 38,5 31,5

Алюминий характеризуется высокими технологическими свойствами. Из него могут быть изготовлены любые полуфабрикаты различных габаритов. Благодаря высокой пластичности полуфабрикаты из алюминия легко можно подвергать деформации без существенных нагревов. Сварка может осуществляться практически всеми методами, включая сварку плавлением. Обрабатываемость резанием вследствие высокой вязкости у алюминия плохая.

Благодаря своим свойствам алюминий находит применение почти во всех отраслях промышленности – авиационной, строительной, химической и т.д. Он используется в электротехнической промышленности и теплообменниках. Высокая отражательная способность алюминия используется для производства зеркал, мощных рефлекторов. Алюминий практически не взаимодействует с азотной кислотой, органическими кислотами и пищевыми продуктами. Из него изготавливается тара для транспортировки пищевых продуктов, домашняя утварь. Листовой алюминий широко применяется как упаковочный материал. Значительно выросло применение алюминия в строительстве и на транспорте.