Материаловедение

Алюминий и его сплавы: виды, свойства, производство

Алюминий — это металл с характерным серебристо-белым оттенком, отличающийся крайне малой плотностью — около 2700 кг/м3 и выдающимися показателями теплопроводности и электропроводности. Температура его плавления варьируется от 660 до 667°С в зависимости от степени очистки. В состоянии полного отжига алюминий характеризуется низкой прочностью (σв составляет 80…100 МПа) и сравнительно мягкой структурой (НВ = 20…40), при этом демонстрирует высокую пластичность, достигающую 35…40%.

Этот металл легко поддается пластической деформации, а его отдельные сплавы хорошо свариваются. Устойчивость алюминия к воздействию атмосферной влаги и пресной воды объясняется самопроизвольным образованием на его поверхности плотной оксидной пленки, препятствующей проникновению кислорода и защищающей металл от дальнейшего окисления.

алюминий

История получения алюминия начинается относительно недавно. Впервые этот металл был выделен в чистом виде в 1825 году датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом. Однако в течение десятилетий алюминий оставался редким и дорогим — его стоимость в XIX веке превышала цену золота, и его использовали для украшения дворцов и королевских тронов.

Ситуация кардинально изменилась после разработки эффективного метода электролитического восстановления в 1886 году независимо двумя учеными — Полем Эру из Франции и Чарльзом Холлом из США. Именно этот метод стал основой промышленного производства и широко используется до сих пор. Появление дешевого алюминия стимулировало создание новых сплавов и технологий его переработки, что дало мощный импульс развитию авиации, электротехники и строительной индустрии.

Основным сырьем для получения алюминия являются бокситы и нефелины. Типовой химический состав бокситов выражается через формулу Na2(K2)O · Al2O3 · 2SiO2, и включает 30…70% глинозема Al2O3, 2…20% диоксида кремния SiO2, 2…50% оксида железа Fe2O3 и 0,1…10% TiO2.

Производственный цикл получения алюминия охватывает два ключевых этапа:

  1. извлечение глинозема Al2O3 из бокситового сырья;
  2. осуществление электролиза раствора глинозема в расплавленном криолите (Na3AlF6), в результате чего выделяется металлический алюминий.

В электролизных ваннах применяется смесь криолита и глинозема (8…10%), с добавлением фторидов AlF3 и NaF. Получаемый алюминий в расплавленном состоянии оседает на дно и называется алюминием-сырцом. Он содержит целый ряд примесей: металлические (Si, Cu, Zn, Fe), неметаллические (C, Al2O3 и др.), а также газы, такие как O2, CO и H2. Для очистки его обрабатывают хлором — в процессе образуется AlCl3, который захватывает включения и выносит их в шлаковую зону.

расплавленный алюминий
Согласно ГОСТ 11069–2001, первичный алюминий подразделяется на:

  1. особо чистый (марка А999);
  2. высокой чистоты (четыре марки);
  3. технической чистоты (восемь марок с примесями от 0,15 до 1%).

Обозначение марок отражает процентное содержание алюминия. Так, например, А8 содержит 99,8% основного металла, тогда как А99 — уже 99,99%.

1. Деформируемые алюминиевые сплавы

Класс деформируемых алюминиевых сплавов предназначен для производства таких полуфабрикатов, как листовой прокат, проволока, фасонные профили, штамповочные и кованые заготовки. Эти сплавы содержат от двух до нескольких легирующих элементов, каждый из которых введён в концентрации 0,2…4%.

Они подразделяются на два больших класса: те, чьи свойства не изменяются при термической обработке, и сплавы, термически упрочняемые. В маркировке таких сплавов присутствуют буквенные индексы, отражающие вид механико-термического воздействия.

Деформируемые алюминиевые сплавы

Термически неупрочняемые варианты (см. табл. 1) — это в основном сплавы на основе алюминия с марганцем, а также алюминия с магнием и добавлением марганца. Они демонстрируют устойчивость к коррозии, отличную свариваемость и хорошую пластичность при умеренной прочности.

Таблица 1. Сплавы деформируемые, не упрочняемые термически

Марка Толщина листа, мм Прочность σв, МПа Удлинение δ, % Область применения
АМцМ
АМr2M
АМr2H
АМr3M
0,5…10
0,5…10
0,5…10
0,8…10
90
170
270
190…200
18…22
16…18
3…4
15
Детали с низкими нагрузками, сварные конструкции, изделия глубокой вытяжки
АМr5М 0,8…10 280 15 Средненагруженные конструкции с требованиями к коррозионной устойчивости

Вторую категорию составляют термически упрочняемые сплавы (табл. 2), которые достигают необходимых прочностных характеристик только после соответствующей термообработки.

Таблица 2. Сплавы деформируемые, термически упрочняемые

Марка Толщина, мм σв, МПа δ, % Применение
Д1А 5…10,5 360 12 Элементы с требованиями к средней прочности
Д16А
Д16АТ
5…10,5
0,5…10
420
435
10
11
Нагрузочные конструкции, работающие при переменных режимах
В95А 5…10,5 500 6 Ответственные детали, применяемые при температуре до 100°С

Наибольшее распространение получили дуралюмины — сплавы алюминия с медью, магнием и марганцем, иногда с добавлением цинка. Их маркируют литерой «Д» и порядковым номером. Для достижения нужных свойств эти сплавы подвергаются закалке и старению (естественному или искусственному).

Процесс закалки проводится при 500°С с последующим охлаждением в воде. Естественное старение протекает при комнатной температуре в течение 5…7 суток, в то время как искусственное — при 150…180°С и занимает 2…4 часа. Варианты с естественным старением обладают лучшими показателями пластичности и устойчивости к коррозии.

Для эффективной закалки необходимо строго контролировать температуру (погрешность не должна превышать ±5°С), поскольку перегрев отрицательно влияет на структуру. Из-за недостаточной коррозионной стойкости дуралюмины подвергаются плакированию — покрытию чистым алюминием.

Выпускаются дуралюмины в виде профилей, труб, листов и прутков, и находят применение преимущественно в аэрокосмической и строительной индустриях.

2. Литейные алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы, применяемые в литейном производстве, в своем составе содержат те же основные легирующие элементы, что и деформируемые сплавы, однако их концентрация в литейных составах существенно выше — по отдельным компонентам может достигать 9–13%. Эти сплавы специально предназначены для получения отливок сложной формы.

Литейные алюминиевые сплавы

Маркировка таких сплавов осуществляется буквенным обозначением «АЛ», к которому добавляется цифра, указывающая порядковый номер конкретной марки.

Всего выпускается 35 разновидностей литейных алюминиевых сплавов, классифицируемых на группы по химическому составу. Например, к группе алюминиево-кремниевых сплавов относятся АЛ2, АЛ4 и АЛ9, а к алюминиево-магниевым — АЛ8, АЛ13, АЛ22 и другие.

Наиболее известные из них — сплавы на базе алюминия и кремния, называемые силуминами. Они отличаются высокой текучестью в расплавленном состоянии, что облегчает их формование, небольшой усадкой при кристаллизации, достаточной прочностью и удовлетворительной пластичностью. В то же время алюминиевые сплавы, легированные магнием, характеризуются повышенной удельной прочностью, хорошей обрабатываемостью резанием и выраженной устойчивостью к коррозионным процессам.

детали из литейных алюминиевых сплавов

Структура литейных алюминиевых сплавов более грубая по сравнению с деформируемыми сплавами, так как формируется при других условиях охлаждения. Это влияет на режимы термической обработки, которым их подвергают. При закалке силумины нагревают до 520–540°С с длительной выдержкой в интервале от 5 до 10 часов для растворения частиц в твердом растворе. Процесс искусственного старения осуществляется при 150–180°С в течение 10–20 часов. При содержании более 5% кремния в составе сплава применяется модифицирование с использованием натрия, что позволяет измельчить зернистую структуру. Добавление соли натрия в количестве 1–3% от массы сплава в соотношении 2/3NaF + 1/3NaCl способствует снижению температуры кристаллизации.

Технологические характеристики алюминиевых сплавов во многом определяются не только составом, но и методом формования отливок. Влияние способа охлаждения отливки на ее прочность весьма существенно: чем быстрее происходит теплоотвод, тем выше прочностные характеристики изделия. Так, например, при литье в металлические формы (кокиль) механические свойства выше, чем при формовании в песчаные литейные формы. Это подтверждается данными таблицы 3.

Таблица 3. Алюминиевые литейные сплавы

Марка Способы литья Виды обработки Предел прочности σв, МПа Твердость, НВ Назначение
АЛ2 ЗМ, ВМ, КМ, К, Д

Отжиг

150…160

140…150

50

50

Конструкции с низкой нагрузкой: корпуса приборов, кронштейны и аналогичные изделия
АЛ4 З, В, К, Д

К, Д

ЗМ, ВМ, К

Старение

Закалка + старение

150

200

230

50

70

70

Ответственные массивные элементы — компрессорные корпуса, блоки цилиндров, картера
АЛ9 З, В, К, Д

З, В, К, Д

З, В

ЗМ, ВМ

Отжиг

Закалка

Закалка + старение

170

140

180

180

50

45

50

50

Сложноформованные элементы со средней нагрузкой: головки цилиндров, картеры, поршни, сцепления
АЛ10В К, З Старение 150…170 80…90 Теплостойкие детали, эксплуатируемые при повышенных температурах
АЛ8 З, В, К Закалка 290 60 Узлы, воспринимающие повышенные вибрации и значительные нагрузки

Обозначения, применяемые в столбце «Способы литья», имеют следующий смысл: З — формование в песчано-глинистую смесь, В — методика по выплавляемым моделям, К — использование кокильных форм, Д — формование под высоким давлением. Если за обозначением метода следует литера «М», это означает, что сплав при литье модифицируется специальными добавками.

Таким образом, литейные алюминиевые сплавы представляют собой обширную и разнообразную группу материалов, обладающих высокими литейными и эксплуатационными характеристиками, которые можно дополнительно регулировать за счет выбора способа литья и параметров термообработки.

Заключение

Интересные факты о алюминии:

  • Алюминий — третий по распространенности элемент в земной коре после кислорода и кремния, однако в чистом виде в природе не встречается.

  • В 1884 году вершина монумента Вашингтона в США была покрыта 2,8-килограммовым слитком алюминия — на тот момент это был металл престижнее серебра.

  • Окисная пленка на поверхности алюминия толщиной всего в несколько микрон делает его чрезвычайно устойчивым к коррозии в большинстве природных условий.

  • Производство алюминия требует больших затрат электроэнергии — на выпуск одного килограмма металла уходит около 15 кВт·ч, поэтому заводы часто строят рядом с ГЭС.

  • В авиации широко используются дуралюмины — сплавы алюминия с медью, обладающие высокой прочностью при малом весе.

Производство алюминия представляет собой высокотехнологичный процесс, включающий в себя как химические, так и физико-химические стадии, требующие точного соблюдения режимов и высоких энергозатрат. Значительное внимание уделяется и разработке алюминиевых сплавов, которые обеспечивают необходимый баланс между прочностью, коррозионной стойкостью, технологичностью и стоимостью. Деформируемые и литейные сплавы алюминия позволяют удовлетворять самые разнообразные требования — от легких конструкций в авиации до деталей массового применения в строительстве и машиностроении.

Александр Лавриненко