5.2. Алюміній та його сплави

Алюміній – легкий метал сріблясто-білого кольору з високою електро- і теплопровідністю. Густина алюмінію 2,7 г/см³, температура плавлення в залежності від його чистоти коливається в межах 660 – 667^oC. У відпаленому стані, алюміній має малу міцність і твердість, але велику пластичність. Алюміній добре обробляється тиском і погано різанням. Має високу стійкість проти атмосферної корозії та в прісній воді. На повітрі він швидко окисляється, утворюючи тонку плівку окислу, яка не пропускає кисень в товщу металу, що і забезпечує його високу корозіостійкість.

Алюміній відносно легко зварюється всіма видами зварки, також легко підлягає гарячій та холодній обробці тиском.

Електропровідність алюмінію дещо менша, ніж у міді (60% від міді). Однак, при розрахунку алюмінієвих провідників еквівалентного перерізу при заданій силі струму алюмінієвий дріт отримується майже в два рази легше, ніж мідний. Як і у міді, електропровідність алюмінію дуже залежить від домішок.

Оскільки алюміній має низькі механічні властивості, то як конструкційний матеріал він використовується рідко. В основному він використовується в сплавах з міддю, марганцем, магнієм, кремнієм, нікелем, титаном, берилієм та ін. Алюмінієві сплави поєднують в собі кращі властивості чистого алюмінію і підвищені механічні характеристики легуючих добавок. Так, залізо, нікель і титан підвищують жаростійкість алюмінієвих сплавів. Мідь, марганець, магній забезпечують зміцнюючу термообробку алюмінієвих сплавів.

Всі сплави алюмінію розділяються на деформуємі і ливарні.

До деформуємих відносяться сплави, вироби з яких отримують обробкою тиском (прокаткою, пресуванням, волочінням тощо).

Ливарні алюмінієві сплави мають майже ті легуючі елементи, що й деформуємі, тільки в значно більшій кількості.

Деформуємі сплави розділяють на ті, які зміцнюються термічною обробкою і які не зміцнюються. Не зміцнюються термічною обробкою сплави алюмінію з магнієм і марганцем. Вони мають середню міцність, високу корозіостійкість, хорошу зварюємість і пластичність. З них виготовляють малонавантажені деталі, зварні і клепані конструкції та деталі, які отримують глибокою витяжкою.

Сплави алюмінію, які термічно зміцнюються, включають мідь, магній, марганець (дюралюміни) і мідь, магній, марганець та цинк (сплави високої міцності).

Вміст легуючих елементів в сплавах, які зміцнюються термічною обробкою, повинен бути більше, ніж межа їх розчинності в алюмінії при нормальній температурі. В той же час він не повинен перевищувати межі розчинності при нагріванні до температури плавлення.

Розглянемо механізм зміцнення алюмінієвого сплаву з міддю (рис 30). Мідь розчиняється в кристалічній решітці алюмінію з утворенням α -твердого розчину. При кімнатній температурі її розчиняється біля 0,2%. З підвищенням температурирозчинність міді зростає. Так, при температурі 548^oC розчинність міді зросте до 5,7%. Надлишок міді зосереджується в  -фазі.

Рис.

Розглянемо структурні перетворення в сплаві з вмістом 4% міді. При нагріванні такого сплаву до t₁ сплав має структуру однорідного α -твердого розчину. При повільному охолодженні в результаті зміни розчинності міді в алюмінії із α -твердого розчину виділяються дрібні включення  -фази, які розміщаються на границях зерен. Якщо ж цей сплав загартувати у воді, то високотемпературний стан зафіксується. Сплав буде мати пересичений α -твердий розчин з вмістом міді 4% і певною міцністю.

Пересичений стан сплаву нестійкий. З часом в ньому самовільно починають протікати процеси, які супроводжуються виділенням міді (у вигляді СuАl₂). При тривалій витримці міцність сплаву поступово зростає і через п’ять – сім діб зростає вдвічі порівняно з тією, яка була відразу після охолодження. Це явище називається старінням. Самовільне підвищення міцності загартованого сплаву, яке відбувається під час витримки при кімнатній температурі, називається природним старінням. На практиці час витримки можна використати для обробки сплаву з порівняно меншими витратами енергії.

При вищих температурах ніж кімнатна старіння сплаву відбувається швидше. Його називають штучним старінням.

Збільшення міцності сплаву пояснюється тим, що атоми міді з хаотичного розташування в свіжо загартованому сплаві переходять в упорядкований в кінці старіння. Упорядковане розташування СuАl₂ створює дуже дрібні зони з певною структурою, яка відмінна від основної (маточної). На границях між зонами і основним металом виникають дефекти будови, які і спричинюють збільшення міцності сплаву.

Найбільш поширеним і важливим термозміцнюючим алюмінієвим сплавом є дюралюміній. Це сплав алюмінію, який включає 2,2 – 4,8% міді, 0,4 – 2,4% магнію і 0,4 – 0,8% марганцю. Крім того, може додаватись кремній і залізо.

Марки цих сплавів позначаються буквою Д і цифрами, які означають: умовний номер сплаву. Дюралюміни підвищеної якості позначаються буквою А, наприклад, Д16А. Термічна обробка дюралюмінію полягає в гартуванні та старінні.

Для гартування дюралюміній нагрівають до 500^oC і охолоджують у воді. Природне старіння проводять при кімнатній температурі протягом 5 – 7 діб. Штучне старіння проводять при температурі 150 – 180^oC протягом 2 – 4 годин. При однаковій міцності дюралюміни, старіння яких відбувалось природним шляхам, більш пластичні та корозіостійкі, ніж ті, старіння яких відбувалось штучно. Важливою особливістю нагрівання при гартуванні є суворе дотримання необхідної температури (±5^oC ), щоб не допустити перепалу, який спричинює різке падіння механічних властивостей.

Дюралюміни не корозіостійкі, тому їх піддають плакуванню – на поверхню листового дюралюміну наносять тонкий захисний шар з чистого алюмінію, крім того, з цією метою може бути використане електрохімічне оксидування (анодування).

Крім дюралюмінію термозміцнюючим сплавом є сплави Авіалі (АВ). Це сплави системи алюміній – магній – кремній. З них виготовляють лопаті гвинтів гелікоптерів, ковані деталі двигунів, рами, двері тощо. Основна зміцнююча фаза – Мg2Sі. Авіалі гартують у воді після нагріву до 515 – 525^oC. Старіння може бути природне або штучне.

Алюміній ковкий теж належить до термозміцнюючих сплавів. До його складу входять мідь, магній, марганець і кремній. Ковкі сплави відрізняються від авіалей підвищеним вмістом міді. Гартування проводять у воді з 505±5^oC і з послідуючим штучним старінням. З ковкого алюмінію виготовляють – деталі літаків.

Високоміцні алюмінієві сплави (В), крім міді та магнію мають цинк. Ці сплави гартують у воді з 465 – 475^oC та послідуючим штучним старінням. Сплави В95 і В96 застосовують у літакобудуванні.

Жаростійкі сплави мають складний склад (алюміній – мідь – магній – кремній з добавками заліза і нікелю). У результаті гартування з 525 – 535^oC у воді та старіння при 200 – 220^oC сплави набувають високої міцності при достатньо високій пластичності, але головне, мають високу жаростійкість (до 300^oC ). З цих сплавів виготовляють обшивку надзвукових літаків, головки циліндрів, диски компресорів турбореактивних двигунів тощо.

Серед ливарних сплавів широке застосування набули силуміни – легкі ливарні сплави системи алюміній – кремній. Властивості силумінів залежать від хімічного складу, технології виготовлення і термообробки. Так, магній, мідь та титан підвищують твердість та міцність, марганець – корозійну стійкість, мідь – оброблюваність різанням, а мідь та марганець придають здатність зміцнюватись при термообробці. З силумінів виготовляють деталі приладів, фасонні деталі тощо.

Крім силумінів використовують ливарні сплави системи алюміній – магній і алюміній – марганець – мідь. Вони корозіостійкі, тому широко застосовуються в суднобудуванні.

Останнім часом крім алюмінієвих сплавів, отриманих методом розплаву, використовуються спечені сплави. Розрізняють сплави, отримані з порошків (САС) і алюмінієвої пудри (САП). Спечені сплави отримують методами порошкової металургії. Порошки отримують розпиленням рідкого алюмінію, легуючих елементів і сплавів заданого складу.

З усіх алюмінієвих сплавів САП – найбільш жаростійкі. Вони витримують тривале навантаження при температурі 450^oC . Сплави САП добре деформуються, легко обробляються різанням, володіють високою питомою міцністю та корозіостійкістю. Завдяки своїм властивостям ці сплави широко використовуються в літакобудуванні, атомній енергетиці, електротехнічній та хімічній промисловості.