2.2. Алюминий и его сплавы

Из алюминиевых сплавов изготавливают самые разнообразные детали холодильной и криогенной техники. Их применяют для изготовления хранилищ и емкостей для транспортировки жидких газов: кислорода, азота, водорода и гелия, не говоря уже об установках сжижения и хранения природного газа. Алюминиевые сплавы используют в качестве материла для ректификационных колонн и трубных систем. Из них изготавливают баки для жидкого кислорода и водорода диаметром 6,5 м и более, баллоны для сжатого гелия.

Из всех легких металлов алюминий характеризуется наи-большим объемом производства, занимающим в мировой про-мышленности второе место после производства стали.

Из-за низкой прочности технический алюминий применяется для изготовления малонагруженных элементов конструкций. Широкое применение в качестве конструк-ционных материалов имеют сплавы на основе алюминия. Все алюминиевые сплавы можно разделить на три группы:

1) деформируемые, предназначенные для получения по-ковок, штамповок, проката, труб;

2) литейные сплавы;

3) сплавы, получаемые методом порошковой металлур-гии, спеченные алюминиевые порошки (САП) и сплавы (САС).

Основными легирующими элементами в деформируемых алюминиевых сплавах являются Сu, Zn, Мg, Мn. Постоянными примесями в алюминии являются железо и кремний. Обе примеси практически нерастворимы в алюминии. При одновременном их присутствии появляется новая фаза трой-ного химического соединения А1-Fе-Si. Это соединение выде-ляется по границам зерен и снижает пластичность алюминия.

Алюминиевые сплавы маркируются буквами или условными номерами. Часто за условным номером дают обозначения, характеризующие состояние сплава: М - мягкий (отожженный); Т - термически обработанный (закалка и старение); Н - нагартованный и др.

Схема типовой диаграммы алюминий – легирующий элемент приведена на рис. 4.3. В соответствии с диаграммой состояния алюминиевые сплавы по технологическим свойствам подразделяются на деформируемые и литейные. Точка К соответствует предельной растворимости легирующего элемента в алюминии при эвтектической температуре.

Сплавы левее точки К имеют при нагреве однофазную структуру α-твердого раствора, высокую пластичность и низкую прочность. Поэтому сплавы этого типа легко обрабатываются давлением и относятся к категории деформируемых сплавов. В свою очередь деформируемые сплавы бывают двух типов:  - не упрочняемые термической обработкой и  - упрочняемые термической обработкой.

Сплавы, по содержанию легирующего элемента находящиеся правее точки К, имеют структуру, состоящую из α-твердого раствора и эвтектики. Они плохо деформируются, но благодаря наличию эвтектики обладают хорошими литейными свойствами.

Al Легирующий элемент, %

Рис.4.3. Типовая диаграмма состояния сплавов алюминий – легирующий элемент (схема): Д – деформируемые сплавы; Л – литейные сплавы;  - сплавы, не упрочняемые термической обработкой;  - сплавы, упрочняемые термической обработкой

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термообработ-кой, имеют сравнительно низкую прочность, но более высокую пластичность и коррозионную стойкость. Их применяют в отожженном состоянии или упрочняют с помощью холодной пластической деформации. К таким сплавам относятся сплавы типа АМц (система А1 - Мn) и типа АМг (система А1 - Мg).

Широкое распространение получили деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой. Примером деформи-руемых термоупрочняемых алюминиевых сплавов являются сплавы алюминия с медью. Из диаграммы состояния А1 - Сu (рис. 4.4) видно, что максимальная растворимость меди в твердом алюминии составляет 5,7 % при 548°С.

500

200

300

400

100

600

t,С

Рис. 4.4. Левый участок диаграммы состояния сплавов Al – Cu

При понижении температуры растворимость падает, составляя 0,2 % при 20°С. Наличие линии переменной растворимости АВ показывает возможность упрочнения сплава путем закалки и старения. В литом состоянии микроструктура сплавов состоит из α-раствора и интерметаллидов СuА1₂. При нагреве под закалку до температуры, соответствующей линии аbс, происходит растворение избыточных интерметаллидных фаз. Быстрое охлаждение фиксирует пересыщенный твердый раствор в сплавах, содержащих до 5,7 % Сu. В закаленных сплавах с содержанием меди более 5,7 % в структуре помимо пересыщенного твердого раствора, отвечающего составу точки В, будут присутствовать не растворенные при нагреве кристаллы СuА1₂. Закалка должна проводиться со скоростью, предотвращающей распад пересыщенного твердого раствора. Закалку обычно проводят в воде. Сразу после закалки сплавы имеют невысокую прочность и обладают способностью пластической деформации. Закаленные детали можно подвергать различным технологическим деформирующим операциям: гибке, отбортовке, расклепке заклепок.

Для дальнейшего упрочнения сплавы подвергают естественному в течение нескольких суток или искусственному старению при температуре около 150°С в течение 10÷24 ч. Более эффективно естественное старение. В этом случае сплавы имеют более высокую пластичность и менее чувствительны к концентраторам напряжений.

В начальный период старения образуются зоны повышенной концентрации меди, так называемые зоны Гинье - Престона (ГП). В этот период атомы меди еще не выделяются из раствора. В зонах повышенной концентрации меди кристаллическая решетка искажена, в кристалле возникают большие напряжения, что увеличивает твердость и прочностъ металла. При дальнейшем развитии старения зоны Гинье - Престона увеличиваются, а затем происходит выделение мельчайших частиц интерметаллидов, которые впоследствии коагулируют. Процесс образования зон Гинье - Престона и достижение стадии так называемого предвыделения приводит к максимальному упрочнению.

Наиболее распространенными деформируемыми алюми-нииевыми сплавами являются дуралюмины (Д1, Д16, Д18, Д19). Они содержат, %: 2,5÷5 Сu, 0,4÷1,8 Мg, 0,4÷0,9 Мn. Медь и магний вводят в сплав для его упрочнения, марганец усиливает упрочняющий эффект и повышает его коррозионную стойкость. Наибольшее упрочнение достигается после старения.

Дуралюмины имеют пониженную коррозионную стойкость.

Основные требования к сплавам для фасонного литья это сочетание хороших литейных свойств с оптимальными механическими и химическими. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы эвтектического состава. Больше распространены сплавы на основе систем А1-Si, А1-Сu, А1-Мg.

Конструкционные герметичные сплавы систем А1-Si (АЛ2) и А1-Si-Мg (АЛ4, АЛ9, АЛ34) получили название силумины. АЛ2 близок к эвтектическому составу (10÷13 % Si) и отличается высокими литейными свойствами, коррозионной стойкостью, большой плотностью отливок. Силумины обладают хорошими литейными свойствами, удовлетворительной обрабатываемостью резанием, свариваемостью и коррозионной стойкостью, для повышения которой детали анодируют и защищают лакокрасочными покрытиями. Сплав АЛ2 используют для изготовления мелких, а АЛ4 и АЛ9 - средних и крупных литых деталей (корпусов компрессоров, картеров двигателей внутреннего сгорания). Сплав АЛ34 (ВАЛ5) превосходит сплавы АЛ4 и АЛ9 по прочности на 25÷50 %.

В группу высокопрочных и жаропрочных литейных сплавов входят сплавы систем Al-Cu-Mn (АЛ19), Al-Cu-Mn-Ni (АЛ33) и Al-Si-Cu-Mg (АЛ3, АЛ5).

Сплавы АЛ3 и АЛ5 отличаются повышенной жаропрочностью при температурах до 250÷270С, но пониженной коррозионной стойкостью.

К коррозионностойким литейным алюминиевым сплавам относятся сплавы системы Al-Mg (АЛ8, АЛ27) и Al-Mg-Zn (АЛ24) обладают высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах.

Для обозначения алюминиевых сплавов принята смешанная буквенная и буквенно-цифровая маркировка. В отличие от маркировки сталей и медных сплавов она несколько бессистемна. В сплавах АМц буквы Мц обозначают марганец, сплавы типа магналиев обозначают АМг (А1 - Мg). Буква Д обозначает сплавы типа дуралюминий. Буквы АД в начале марки означают технический алюминий, буквы АК алюминиевый ковочный сплав. Буква В в начале марки означает высокопрочный алюминиевый сплав.

Состояние полуфабрикатов из деформируемых сплавов обозначается буквенно-цифровой маркировкой: М - мягкий, отожженный; Т - закаленный и естественно состаренный; Т1 - закаленный и искусственно состаренный; Н - нагартованный; П - полунагартованный; Н1 - усиленно нагартованный (нагартовка листов примерно на 20 %); ТН - закаленный, естественно состаренный, нагартованный; Т1Н - закаленный, нагартованный и искусственно состаренный; Т1Н1 - закаленный, нагартован-ный на 15÷20 % и искусственно состаренный.

Условные обозначения видов термообработки литейных сплавов: Т1 - старение; Т2 - отжиг; ТЗ - закалка; Т4 - закалка и естественное старение; Т5 - закалка и неполное искусственное старение; Т6 - закалка и полное искусственное старение до максимальной твердости; Т7 - закалка и стабилизирующий отпуск; Т8 - закалка и смягчающий отпуск. На способ литья указывают буквы: З - в землю; О - в оболочковые формы; В - по выплавляемым моделям; К - в кокиль; Д - под давлением. Буква М обозначает, что сплав при литье подвергается модифицированию.

Широкое применение нашли алюминий и его сплавы в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

Алюминий широко применяется при изготовлении оборудования установок для получения жирных кислот. Из алюминия высокой чистоты (99,9 %) изготовляют колонны, предназначенные для окисления парафина, корпусы и трубки (длиной до 7,5 м), конденсаторы для охлаждения, резервуары емкостью до 50 м³, предназначенные для отделения шлама. Алюминиевые сплавы применяют для изготовления тепло-обменных аппаратов нефтеперерабатывающих заводов. Трубча-тые пучки этих аппаратов обычно изготовляют из алюминиево-магниевого сплава марки АМг или АМг2. Такие теплооб-менники с поверхностью теплообмена около 50 м², успешно работают при давлении в корпусе 2 кГ/см², в трубках 1,5 кГ/см². Среда в корпусе аппарата - пары бензина, нагретые до 130°С. В трубки поступает охлаждающая вода с температурой 25÷30°С.

Теплообменники такого же типа работают на установках ЭЛОУ при следующих условиях эксплуатации: в корпус поступает обессоленная нефть, нагретая до 90°С, в трубки - сырая нефть с температурой 25÷30°С. Давление в корпусе 6, а в трубках - 12 кГ/см².

Аппарат изготовляют полностью из алюминиево-магниевых сплавов, что позволяет: увеличить коррозионную стойкость в серосодержащих средах в 4 - 6 раз и увеличить теплопередачу в аппарате по сравнению с аналогичным стальным аппаратом до 40 %.

Из алюминиево-магниевых сплавов изготовляются также теплообменники, предназначенные для нагрева, конденсации и охлаждения нефти, нефтепродуктов и других жидких газо-парообразных сред.

Из сплавов АМг изготовляются трубы, работающие в пресной воде оборотной системы водоснабжения нефтеперерабатывающих заводов при температуре 45°С. В этих условиях трубы из сплава АМг в 3 - 4 раза долговечнее, чем из углеродистой стали и в 2 раза долговечнее труб из нестабилизированной латуни.

Одной из перспективных областей применения алюминиевых сплавов являются конденсаторы воздушного охлаждения, в которых охлаждающей средой служит атмосферный воздух, прогоняемый вентилятором по межтрубному пространству, в то время, как по трубкам транспортируются конденсируемые пары или охлаждаемые жидкие продукты. Вследствие своей высокой коррозионной стойкости в атмосфере промышленных предприятий, содержащей обычно примеси углекислого и сернистого газа, сероводорода, влаги и других агрессивных агентов, алюминиевые сплавы являются весьма подходящим материалом для изготовления оребренных трубных пучков. Из алюминиево-магниевых сплавов изготовляются крыши и верхние пояса резервуаров для хранения сырых агрессивных сернистых нефтей. Так, резервуар с алюминиевой крышей и верхним поясом емкостью 1000 м³ состоит из шести нижних поясов, выполненных из стали марки СтЗ методом рулонирования, и седьмого - верхнего пояса, выполненного из алюминиевого сплава марки АМг, в виде десяти отдельных монтажных элементов.

Нефтепроводы из алюминиевых сплавов, ввиду их коррозионной устойчивости в атмосфере можно прокладывать без защитных покрытий и окраски.

Легкость алюминиевых труб снижает стоимость их укладки, по сравнению со стальными трубами. Кроме того, трубы из алюминиевых сплавов имеют высокую чистоту обработки внутренней поверхности, в результате чего уменьшаются потери напора на трение жидкости, которые могут быть на 10 % ниже, чем в стальных трубах.