Алюминий и алюминиевые сплавы

1. Алюминий

Чистый алюминий — мягкий, очень вязкий материал. Его механические свойства зависят не только от его чистоты, но также и от суммарной обработки, которой он был подвергнут. С ее повышением твердость увеличивается. Алюминий имеет удельную электрическую проводимость, составляющую 65% от проводимости меди, но при равной массе он лучше проводит ток. Материал обладает малой плотностью (2.7·10³ кг·м^-3), хорошими теплопроводностью и коррозионностойкостью (из-за образования на поверхности тонкого слоя окисла, препятствующего проникновению кислорода в глубь материала), высокой пластичностью.

2. Сплавы алюминия

Алюминиевые сплавы можно разделить на две группы: ковкие и литейные. Каждый из этих сплавов можно разделить еще на две следующие группы: сплавы, не упрочняемые термообработкой, и те, которые можно упрочнять термообработкой. Неупрочняемые термической обработкой алюминиевые сплавы имеют высокую пластичность и коррозионностойкость, хорошо свариваются. Пластическая деформация упрочняет их почти в 2 раза. Алюминиевые сплавы 2-й группы также обладают хорошей пластичностью и более высокой прочностью, стойки к образованию трещин при горячей пластической деформации, имеют более высокую вязкость разрушения.

Сплавы на основе алюминия обладают низкой плотностью, хорошими электрической и тепловой проводимостями и высокой коррозионной стойкостью. Коррозионная стойкость тонколистового сплава улучшается при плакировании его со слоями нелегированного алюминия.

Основные элементы, сплавляемые с алюминием, это медь, железо, марганец, магний, кремний и цинк. В Табл. 1 перечислены наиболее существенные эффекты, появляющиеся у сплавов при легировании.

Таблица 1. Изменение свойств алюминия при легировании

3. Литейные сплавы алюминия

Сплав, применяемый в литейном процессе, должен легко заполнять все части литейной формы и затвердевать без слишком большой усадки. Некоторая неизбежная усадка не должна приводить к разрывам затвердевшего сплава. Выбор сплава влияет на процесс литья. В песочном литье скорость охлаждения относительно малая, а с литьем в пресс-форму, когда металл вводится под давлением, она намного больше. Скорость охлаждения влияет на предел прочности конечного литья. Следовательно, алюминиевый сплав, который подходит для песочного литья, может не подходить для такого же литья в пресс-форму.

Группа сплавов, которые применяются в условиях «как литье», т. е. с негорячей обработкой, имеют кремний в качестве основного сплавляемого элемента (см. на Рис. 1 равновесную диаграмму). Добавка кремния улучшает текучесть жидкого металла. Эвтектика сплавов алюминий-кремний находится при содержании кремния 11.6%. Сплав этого состава изменяется от жидкого состояния к твердому без какого-либо изменения температуры, а сплавы, близкие к этому составу, затвердевают в узком температурном диапазоне. Благодаря этому они более всего подходят для литья в пресс-форму, когда требуется быстрое изменение от жидкого состояния к твердому, что позволяет выталкивать их из пресс-формы с высокой скоростью. Микроструктура эвтектического состава имеет крупные кристаллы кремния, что вызывает снижение прочности и пластичности. Структуру можно сделать мельче путем модификации при добавке примерно 0.005…0.15% натрия и этим повысить механические свойства сплава.

Рис. 1. Равновесная диаграмма алюминий-кремний

Такое же изменение эвтектического состава вызовет добавка около 14% кремния (см. штриховую линию на Рис. 1). Другие литейные сплавы, которые не обрабатываются в горячем виде, — это сплавы алюминий-кремний-медь и алюминий-магний-марганец. Сплавы алюминий-кремний-медь могут быть отлиты как в песок, так и в формы, сплавы алюминий-магний-марганец подходят только для песочного литья.

Добавка меди к сплавам алюминий-кремний позволяет подвергать литье горячей обработке. Добавка малого количества магния к сплавам алюминий-кремний также дает возможность проводить горячую обработку материала.

4. Ковкие сплавы алюминия

Обычно применяемые не обрабатываемые в горячем виде ковкие алюминиевые сплавы — это сплавы алюминий-марганец и алюминий-магний (на Рис. 2 показана необходимая нам часть равновесной диаграммы). Широко применяемая группа обрабатываемых в горячем виде сплавов базируется на основе сплава алюминий-медь (на Рис. 3 показана часть относящейся к этим сплавам равновесной диаграммы). Когда такой сплав, как известно из научной литературы, с 3% меди немного охлажден, структура при 540°С твердого раствора α-фазы дает преципитаты соединения медь-алюминий, если температура уменьшается ниже линии солидуса. В результате при комнатной температуре будет твердый раствор α-фазы с этими преципитатами.

Рис. 2. Равновесная диаграмма сплавов алюминий-магний

Рис. 3. Равновесная диаграмма сплавов алюминий-медь

Преципитаты скорее крупные, но их можно изменить нагревом сплава выше 500°С, выдержать при этой температуре, и тогда при затвердевании получается пересыщенный твердый раствор как раз α-фазы без преципитатов. Эта обработка, известная как обработка на твердый раствор, дает устойчивое состояние. Со временем образуются тонкие преципитаты. Нагрев выше примерно 165°С ускоряет на 10 ч этот процесс, вызывая старение и полный процесс преципитатного затвердевания, так что в результате получается прочный и твердый материал.

Другими обрабатываемыми в горячем виде ковкими сплавами алюминия являются алюминий-магний-кремний сплавы с преципитатами, формирующимися из соединений алюминиймедь и алюминий-медь-магний. Некоторые сплавы основаны на твердых растворах алюминий-магний-кремний и алюминий-цинк-магний-медь.