Алюминий: получение, свойства, применение, сплавы

Присадка кремния в алюминий позволила создать группу литейных бинарных сплавов типа силумин (эвтектического состава), которым присущи хорошие  литейные свойства: высокая жидкотекучесть и герметичность при повышенной коррозионной стойкости.

Горячеломкость. Малолегированные сплавы Al-Si (1-2% Si) при сварке обладают высокой сопротивляемостью к образованию кристаллизационных трещин. С увеличением содержания кремния (от 0,4 до 2%) значение коэффициента трещинообразования достигает 2-3%.

Механические свойства. Из-за отсутствия упрочняющих фаз сплавы Al-Si инертны к термической обработке.

Введение кремния в алюминий до 2,0% повышает его прочностные характеристики и снижает его пластичность.

Коррозионная стойкость. Сплавы Al-Si и их сварные соединения имеют высокую коррозионную стойкость. Кремний не ухудшает коррозионную стойкость алюминия и его сплавов. По коррозионной стойкости занимают промежуточное положение между дуралюминами и магналиями.

С повышением содержания кремния в  сплавах до 2% при испытании сварных  образцов отмечена их высокая коррозионная стойкость.

Система алюминий-цинк (Al - Zn)

Двойные сплавы Al-Zn при малых добавках Zn (<10%) в промышленности не применяются. Совместное введение в алюминий цинка, меди, магния позволило создать группу высоко прочных конструкционных сплавов, нашедших широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.

На системе Al-Zn А.А. Бочвар и З.А. Свидерская открыли явление сверх пластичности, что дало возможность разработать ряд сверх пластичных сплавов AL-Zn.

Горячеломкость. Цинк ухудшает свариваемость  алюминия и его сплавов. Увеличение содержания цинка в алюминии приводит к значительному росту горячеломкости сплавов. С введением цинка в алюминий повышается вязкость расплава. Это отрицательно влияет на способность жидкой фазы залечивать трещины в кристаллизации металла.

Механические свойства. Цинк является одним из основных легирующих элементов  алюминиевых сплавов (как медь, магний). Сплавы Al-Zn относятся к группе термически упрочняемых. Эффект термической обработки (закалка + естественное старение) - невелик (12-15 МПа). Увеличение цинка в сплаве до 6% повышает с 80 до 130 МПа, при этом пластичность основного металла и сварного соединения значительно падает (со 180 до 110).

Коррозионная стойкость. Цинк оказывает  отрицательное влияние на коррозионную стойкость сплава. С повышением содержания цинка коррозионная стойкость алюминия ухудшается.

Система алюминий - магний - кремний (Al - Mg - Si).

Сплавы системы Al-Mg-Si применяются в промышленности давно. Особенно широко они используются в строительстве. Отличительная особенность сплавов Al-Mg-Si - высокая технологичность, коррозионная стойкость и удовлетворительная свариваемость при средней прочности (после закалки и искусственного старения). Благодаря высокой пластичности сплавов в горячем состоянии из них изготовляют сложные по конфигурации тонкостенные полые прессованные полуфабрикаты.

Структура. Структура сварных соединений, выполненных из сплавов, содержащих 2,0% Si и различное количество магния (от 0,4% до 1,4%) представляет собой твердый раствор Mg2Si+Si.

Литой металл шва при всех содержания магния имеет очень мелкозернистую структуру, тонкое разветвленное дендритное строение. В структуре сплавов  данной подгруппы имеются кристаллы  избыточного кремния, особенно, это  четко проявляется в структуре  сплава с 0,4% Mg и 2,0% Si.

С увеличением содержания магния в  сплаве ветки дендрита становятся мельче. Наибольшее измельчение наблюдается  при 1% Mg. Увеличение Mg до 1,4% не уменьшает размера зерна, а увеличивает количество фазы Mg2Si.

Структура зоны сплавления изменяется аналогично структуре основного  металла при содержании 2% Si. Наиболее тонкая структура столбчатых кристаллов (дендритов) наблюдается при содержании в сплаве 1% Mg. Более крупное зерно отмечается у сплава с 0,4% Mg. В структуре зоны термического влияния сварного соединения (как и в случае литой структуры этого сплава) видны выделения свободного кремния. Наибольший избыток свободного кремния у малолегированного магнием сплава. Количество фазы Mg2Si увеличивается с увеличением в сплавах магния.

Горячеломкость. При исследовании бинарных сплавов Al-Si и Al-Mg установлено, что введение кремния в алюминий положительно влияет на сопротивляемость его к образованию кристаллизационных трещин. Тогда как содержание магния до 2% в системе Al-Mg повышает склонность к горячеломкости сплава. Эта закономерность сохраняется полностью в тройной системе Al-Mg-Si. Область с повышенным содержанием кремния ( + Si + Mg2Si) имеет невысокие значения коэффициента трещинообразования (К < 20%).

Повышенную склонность к образованию  трещин имеют сплавы, находящиеся  в области + Mg2Si. Критическая область  с максимальными значениями коэффициента трещинообразования (К ~ 60%) вытянута вдоль  квазибинарного разреза.

Механические свойства. Сплавы Al-Mg-Si относятся к группе термически упрочняемых. Эффект искусственного старения колеблется от 60 до 100 Мпа. В зависимости от химического состава сплава изменяется от 100 до 360 Мпа (после искусственного старения).

Коэффициент разупрочнения основного металла при сварке зависит от содержания кремния в сплаве. Если при < 0,2% Si и < 0,4% Mg коэффициент разупрочнения составляет 0,8 -0.9%, то при дальнейшем повышении кремния (> 04%) при любом содержании магния  = 0,5 -0,6%.

Угол загиба изменяется от 160 (у  бинарных сплавов Al-Si и Al-Mg) до 30-60 у сплавов за квазибинарным разрезом в трехфазной области Mg2Si-Si.

Коррозионная стойкость. Наибольшей коррозионной стойкостью в системе  Al-Mg-Si обладают сплавы, расположенные в области твердого раствора и на квазибинарном разрезе. Невысокая коррозионная стойкость у сплавов, находящихся в трехфазной области - Mg2Si - Si. Сопротивляемость сплавов Al - Mg - Si коррозионному разрушению во многом зависит от содержания кремния в сплаве и количества фазы Mg2Si.

Система алюминий - цинк - магний (Al - Zn - Mg)

При разработке свариваемых алюминиевых  сплавов представляет теоретический  и практический интерес система  Al - Zn - Mg.

В данной системе группа термически упрочняемых сплавов способна стариться  при комнатной и повышенных температурах. Это значит, что сварные соединения с течением некоторого времени могут повышать свои прочностные характеристики, приближаясь к свойствам основного материала (без дополнительного искусственного старения).

Некоторые сплавы этой группы, несмотря на высокую прочность после термообработки (больше, чем у дюралюминия), до последнего времени не находили применения в  промышленности, поскольку высоколегированные сплавы Al - Zn - Mg чрезвычайно склонны к коррозии под напряжением, а низколегированные не имели, существенных преимуществ по прочности по сравнению с высоколегированными не упрочняемыми термической обработкой сплавами типа магналий.

Характерный для сплавов Al - Zn - Mg вид разрушения - коррозионное растрескивание под напряжением - не уменьшил интерес к этой системе. Поиск оптимального химического состава сплавов Al - Zn - Mg продолжается.

Структура. Структура основного  материала мелкозернистая с расположением  избыточных фаз по границам зерен  твердого раствора и внутри их. Структура  сварных соединений рассматривалась  по подгруппам. В первую подгруппу  входили сплавы, содержащие 1,5% Mg (во всех сплавах) и различное содержание цинка: 1,5; 2,5 и 4,5%; во вторую подгруппу - сплавы с 5,5% Mg при изменении цинка от 1,5 до 4,5%.

Горячеломкость. Сплавы Al - Zn - Mg обладают значительной склонностью к образованию кристаллизационных трещин, коэффициент трещинообразования в исследуемой области сплавов изменяется от 20 до 80%.

Повышенной горячеломкостью обладают сплавы, у которых (Mg + Zn) > 7%. Стабильные и удовлетворительные результаты горячеломкости получены при сварке сплавов, находящихся в области - твердого раствора (при Mg и Zn не более 1,2%). Определена область с минимальными значениями коэффициента трещинообразования (К 20%) при сварке сплавов, находящихся в области + с высоким содержанием магния (3…5% при Zn не более 2%).

Механические свойства. Уменьшение содержания магния и цинка приводит к росту прочности и снижению пластичности сварных соединений. Максимальная прочность в естественно состаренном  состоянии сплавов Al - Zn - Mg достигаются при суммарном содержании магния и цинка около 9% (400 Мпа).

Пластичность сварного соединений ниже пластичности основного металла  и находится в прямой зависимости  от содержания в сплаве магния и  цинка.

Пластичность основного металла  остается неизменно высокой (~160о) у  целой серии сплавов, находящихся  в области a-твердого раствора с содержанием  Zn и Mg не более 1,5 и 3,0% соответственно.

Коррозионная стойкость. Коррозионная стойкость сплавов зависит от суммарного содержания в них Zn и Mg и отношения между ними. Влияет на коррозионную стойкость сварного соединения под напряжением содержание Zn в сплаве и последующая термическая обработка.

Литература

1. Научная разработка серии «Справочник школьника» выполнена Филологическим обществом «СЛОВО», 2001
2. Хомченко И.Г. «Общая химия», 1999
3. Лидин Р.А., Аликберова Л.Ю. «Справочник для старшеклассников и поступающих в вузы», 2002
4. Ахметов Н.С. «Неорганическая химия», 1992
5. Под ред. Воскресенского П.И. «Справочник по химии», 1978
6. Кнунянц И. Л. (гл. ред.) «Химическая энциклопедия», 1988

Сайт

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/%C0%EB%FE%EC%E8%ED%E8%E9