Властивості міцності і області застосування алюмінію і його сплавів

Алюміній - володіє високою електропровідністю і теплопровідністю. Він має низьку щільність - приблизно втричі меншу, ніж у заліза, міді і цинку. Тому питома міцність даного металу висока. Масштаби застосування алюмінію і, особливо, його сплавів вельми широкі. Останні займають зараз друге місце після залізовмісних сплавів. Тому основна частина виплавленого алюмінію витрачається саме на отримання різних сплавів, які володіють найрізноманітнішими властивостями. Широкі спектр властивостей алюмінієвих сплавів обумовлений веденням в метал різних добавок, що утворюють з ним тверді розчини або інтерметаліди (хімічні з'єднання металів). Серед сплавів алюмінію левова частка припадає на такі легкі сплави як дуралюмин і силумін. У металургії алюміній використовується не тільки в якості основи для сплавів, але також широко застосовуються у вигляді легуючих добавок до міді та ін металам.

Сплави алюмінію знаходять широкі застосування в електротехніці будівництві, архітектурі, автомобілебудуванні, суднобудування, авіаційної, космічної техніки, харчовій промисловості.

Особливо слід згадати напівфабрикати і вироби з алюмінію, покриті по поверхні захисною плівкою з його оксиду, та вироби з спечених алюмінієвих сплавів, що мають каркас з оксиду алюмінію. Вони володіють особливими фізичними, механічними і навіть, декоративними властивостями. Так, наприклад, з алюмінію, покритого електрохімічним способом пофарбованої плівкою, за зовнішнім виглядом нагадує золоту, виготовляють різну біжутерію.

Алюміній - метал сріблясто-білого кольору. Температура плавлення алюмінію 660⁰С. Алюміній має ГЦК-решітку з періодами а = 0,4041 нм. Найбільш важливою особливістю алюмінію є щільність - 2,7 г/см³ проти 7,8 г/см³ для заліза і 8,94 г/см³ для міді. Алюміній має високу електричну провідність, складовою 65% провідності міді. Технічний алюміній маркується А85, А8, А7... А0 (99,0% Аl). В якості домішок присутні Fe, Si, Cu, Mn, Zn. Алюміній має високу корозійну стійкість, внаслідок утворення тонкої міцної плівки Al₂O₃. Чим чистіше алюміній, тим вище корозійна стійкість.

1.1.1.Вплив домішок на властивості алюмінію

На корозійні, фізичні, механічні та технологічні властивості алюмінію значно впливають домішки різних елементів. Так, наприклад, більшість домішок знижують електропровідність алюмінію.

Залізо знижує корозійну стійкість, електропровідність і пластичність алюмінію, але дещо підвищує його міцність. Залізо - шкідлива домішка не тільки в алюмінії, а й в сплавах алюмінію з кремнієм і магнієм. В анодному алюмінії залізо також є шкідливою домішкою. Однак в жароміцних алюмінієвих сплавах залізо є корисною домішкою.

Звичайна домішка в алюмінії - кремній. Вносить найбільший вклад в зміцнення сплаву, який утворює з алюмінієм евтектики. Розчинність кремнію в алюмінії при евтектичній температурі (577 ° C) становить 1,65%, а при кімнатній - 0,05%. Якщо вміст кремнію в сплаві вище 0,05%, в структурі алюмінію відбувається виділення крихкого твердого розчину кремнію з алюмінієм (98% Si) у вигляді голкоподібних кристалів, які, розташовуючись по межах зерен алюмінію, різко зменшують пластичність сплаву і його тріщиностійкість. У сплаві АД 31 твердий розчин перенасичений і містить 0,2 - 0,6% кремнію, виділення кремнію по межах зерен не мали різко вираженого голчастого будови. Це можна пояснити впливом на їх освіту міді і цинку. Включення кремнію призводять до зрізу утворилися вогнищ схоплювання, що передують виникненню задирака. Кремній в алюмінієвих сплавах покращує їх ливарні властивості, знижує температуру плавлення. Введення кремнію в сплави типу Магналії сприяє також зменшенню чутливості до утворення тріщин, збільшення щільності лиття, а також підвищенню жароміцності.

Мідь зміцнює сплави, максимальне зміцнення досягається при вмісті міді 4 - 6%. Сплави з міддю використовуються у виробництві поршнів двигунів внутрішнього згоряння, високоякісних литих деталей літальних апаратів. Зміна змісту міді в межах 0,5-4,5% мало відбивається на міцності алюмінієвого сплаву при кімнатній температурі, але підвищення вмісту міді сприяє підвищенню тривалої міцності при 300 С. Це пояснюється тим, що мідь при високому вмісті бере участь в підвищенні межатомной зв'язку твердого розчину, що містить марганець, магній та інші аналогічні елементи.

Вплив цинку полягає в тому, що він одночасно зміцнює алюмінієву матрицю.

Кальцій надає пластичність. При вмісті кальцію 5% сплав володіє ефектом сверхпластичности.

Введення марганцю в сплави типу Магналії підвищує їх жароміцність і покращує корозійну стійкість.

Берилій додається для зменшення окислення при підвищених температурах. Невеликі добавки берилію (0,01 - 0,05%) застосовують в алюмінієвих ливарних сплавах для поліпшення плинності у виробництві деталей двигунів внутрішнього згоряння (поршнів і головок циліндрів).

Бор вводять для підвищення електропровідності і як рафінуючі добавку. Бор вводиться в алюмінієві сплави, що використовуються в атомній енергетиці (крім деталей реакторів), т.к він поглинає нейтрони, перешкоджаючи поширенню радіації. Бор вводиться в середньому в кількості 0,095 - 0,1%.

Олово покращує обробку різанням.

Основне завдання титану в сплавах - подрібнення зерна в відливання і злитках, що дуже підвищує міцність і рівномірність властивостей у всьому обсязі.

Метали з низькою температурою плавлення, такі як вісмут, свинець, олово, кадмій вводять в алюмінієві сплави для поліпшення оброблюваності різанням. Ці елементи утворюють м'які легкоплавкі фази, які сприяють ламкості стружки і змазування різця.

Добавка 0,05 - 0,2% індію упрочняют сплави алюмінію при старінні, особливо при низькому вмісті міді. Індіевих добавки використовуються в алюмінієво-кадмієвих підшипникових сплавах.

Добавка магнію значно підвищує міцність без зниження пластичності, підвищує зварюваність і збільшує корозійну стійкість сплаву.

Невеликі добавки церію, натрію і титану істотно впливають на структуру і властивості певних алюмінієвих сплавів.

Водень добре розчиняється в алюмінії і чинить негативний вплив на його властивості, викликаючи при литті пористість. Азот при високих температурах вступає в реакцію з алюмінієм з утворенням тугоплавкого з'єднання.