Применение алюминиевых сплавов в машиностроении

Содержание

Алюминий: свойства, применение, виды, способы получения

Алюминий: свойства, применение, виды, способы получения

Алюминий – металлический элемент серебристо-белого цвета, его механические характеристики и технологические свойства обеспечивают широкое применение в различных отраслях промышленности, строительстве и быту.

Алюминий сочетает малую плотность и прочность, устойчивость к коррозии и резким температурным перепадам. В периодической таблице Менделеева обозначается как Al, атомный номер – 13. Этот элемент распространен в земной коре, по содержанию в ней занимает третье место после кислорода и кремния. В недрах его содержится примерно 8%. Для сравнения – золото в земной коре присутствует в количестве, равном всего миллионным долям процента.

Цветные металлы: сплавы, свойства, применение

Цветные металлы: сплавы, свойства, применение

Цветные металлы и их сплавы применяют в качестве конструкционных материалов, от которых требуются ценные эксплуатационные свойства – коррозионная стойкость, низкий коэффициент трения, жаропрочность и жаростойкость.

К этой группе не принадлежат железо и сплавы на его основе – стали и чугуны, которые называют черными металлами. К цветным металлам, широко востребованным в промышленности, относятся медь, алюминий и титан. В чистом виде они используются редко, в основном их применяют в виде сплавов.

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы используются гораздо чаще, чем этот же металл в чистом виде. И тут ничего удивительного: они обладают гораздо большей прочностью, а также устойчивостью к коррозии и высоким температурам.

Комбинации с различными веществами наделяют те или иные сплавы конкретными характеристиками. В зависимости от требований к конечному продукту в алюминий добавляется один или несколько легирующих элементов. А чтобы не возникло путаницы, получившийся сплав маркируют определенным образом. То есть заказчику остается лишь выбрать наиболее подходящий для своих нужд металл.

Судостроение

Алюминий и сплавы на его основе находят все более широкое применение в судостроении. Из алюминиевых сплавов изготовляют корпусы судов, палубные надстройки, коммуникацию и различного рода судовое оборудование.

Основное преимущество при внедрении алюминия и его сплавов по сравнению со сталью – снижение массы судов, которая может достигать 50 – 60 %. В результате представляется возможность повысить грузоподъемность судна или улучшить его тактико-технические характеристики (маневренность, скорость и т.д.).

Наиболее широкое применение среди алюминиевых сплавов для изготовления конструкций речного и морского флота находят магналиевые сплавы АМгЗ, АМг5, АМг61, а также сплавы АМц и Д16. Корпус судна повышенной грузоподъемности изготовляют из стали, тогда как надстройки и другое вспомогательное оборудование из алюминиевых сплавов. Имеет место изготовление рыболовецких баркасов из сплава АМг5 (обшивка).

Широкое применение в судостроении США находят свариваемые сплавы серии 5ххх и 6ххх. Там, где необходима высокая прочность (500 МПа), используются полуфабрикаты из сплавов серии 2xxx и 7ххх.

Технологии промышленного получения алюминия

Впервые о существовании этого металла в 16 веке догадался Парацельс, выделивший из квасцов «квасцовую землю». В нейон выявил оксид неизвестного на тот момент металла, очень заинтересовавший ученого. В 18 веке его опыты повторил немецкий химик Маргграф, который и дал имя новому элементу. В переводе с латыни переводится как «вяжущий». Только в конце позапрошлого века был найден экономически выгодный способ промышленного получения алюминия.

Чаще всего этот металл получают из бокситов –вторичных пород. Они образовались при распаде алюмосиликатов первичного происхождения, которые, в свою очередь, сформировались в высокотемпературных условиях вулканических извержений. В России алюминий выделяют из нефелиновых руд, добываемых на Кольском полуострове и в Кемеровской области. Вторичные продукты добычи Al из нефелиновых руд: портландцемент, сода, удобрения.

Популярная технология получения глинозема (оксида алюминия) из бокситов – щелочной метод Байера, разработанный российскими учеными в конце 19 века. Полученный в результате этого процесса оксид Al2O3 – прочное химическое соединение, плавящееся при +2050°C. Металл в чистом виде получают электролизным восстановлением оксида. ОсобочистыйAlполучают трехслойным электролизом. Дополнительную очистку, если такая требуется, проводят рафинирующим электролизом с электролитом из алюмоорганических соединений, а также с помощью зонного плавления или дистилляции через субфторид.

Краткая характеристика алюминия и его сплавов

Впервые алюминий был получен учеными-химиками из Дании (Эрстедом) и Германии (Велером) в 1825 и 1827 годах соответственно. В промышленных масштабах производить металл стало возможным в 1886 году благодаря разработкам американца Чарльза Холла и француза Поля Эру. Стоимость алюминия вплоть до конца XIX века лишь ненамного уступала золоту.

В начале прошлого столетия алюминий использовался только в чистом виде. В 1906 году немецкий ученый Вильм термически упрочнил металл, добавив к нему медь (4 %), магний (0,5 %), марганец (0,5 %). Так появился первый сплав – дуралюмин. Алюминиевые сплавы, обладающие, помимо высокой прочности, небольшой плотностью, широко применяются в промышленности в настоящее время.

Классификация алюминиевых сплавов

Удельная прочность соединений алюминия (отношение временного сопротивления к плотности) значительно выше аналогичного параметра сталей. Благодаря этому алюминиевые соединения широко используются в ракето- и самолетостроении.

Для металла и его сплавов характерны высокая технологичность и простота деформации, что позволяет с легкостью создавать детали сложной конфигурации. К достоинствам материала относятся также устойчивость к коррозии и хорошая электропроводность (эта характеристика выше только у серебра, меди и золота). Применение сплавов алюминия в электронике и электротехнике обусловлено легкостью их раскатывания в фольгу.

Рекомендуем статьи по металлообработке

Благодаря низкой температуре плавления при обработке материала не требуются значительные энергетические затраты, соответственно, производство и продукция обладают невысокой себестоимостью.

Алюминий различной степени чистоты – марки, свойства, области применения

В соответствии с ГОСТ11069-2019 первичный алюминий обозначают буквой А, его классификацияв зависимости от количества примесей выглядит следующим образом:

  • марка особой чистоты A999 – содержит 99,999% Al;
  • высокой чистоты – А995 (99,995% Al), А99 (99,99% Al), А98 (99,98% Al), А97 (99,97% Al), А95 (99,95% Al);
  • технической чистоты –А92 (99,92% Al), А9 (99,9% Al), А85 (99,85% Al), А8 (99,8% Al), А7 (А99,7%Al), А6 (А99,6% Al), А5 (А99,5% Al), А0 (А99,0% Al).

Алюминий отличается высокой коррозионной стойкостью благодаря оксидной пленкеAl2O3, которая образуется на поверхности алюминиевых металлоизделий. Чем чище металл, тем выше его устойчивость к коррозии. Алюминий особой и высокой чистоты востребован при производстве фольги, электрических проводов и кабелей, других токопроводящих элементов.

Характеристики различных марок технического алюминия регламентирует ГОСТ 4784-2019. Эти материалы обладают низкой прочностью, поэтому применяются в областях, для которых важны их основные преимущества: пластичность, хорошая свариваемость, коррозионная стойкость, высокие тепло- и электропроводность. В молекулярной решетке технического металла содержится минимальное количество примесей, рассеивающих поток электронов, поэтому он успешно используется в приборостроении, для изготовления теплообменников и нагревательных приборов, осветительного оборудования.

Области применения технического алюминия:

  • устройство технологических трубопроводных систем;
  • обустройство палубных надстроек морских и речных судов;
  • изготовление электротехнических шин, различных проводников;
  • производство цистерн и посуды.

Медь – обозначение, виды по чистоте, характеристики

Медь – цветной металл, имеет поверхность красноватого оттенка, излом – розового. Символ – Cu. В природе встречается в составе сернистых соединений, оксидов, реже – в чистом виде. Физические характеристики чистого Cu:

  • высокие – пластичность, электропроводность, теплопроводность;
  • хорошая устойчивость к коррозионному разрушению;
  • удельный вес – 8940 кг/м3;
  • температура плавления – +1083 °C.

Присутствие примесей может значительно снижать показатели электро- и теплопроводности.

Кратко перечислим важные технологические характеристики:

  • хорошая обрабатываемость давлением, что позволяет получать различные типы медного проката;
  • затрудненная обрабатываемость резанием из-за повышенной пластичности;
  • низкие литейные качества из-за протекания значительных усадочных процессов;
  • возможность соединять отдельные медные элементы сваркой или пайкой.

В маркировке медь обозначается буквой М, после которой стоят цифры, характеризующие чистоту металла. Самая чистая медь содержит 99,99 % Cu. После цифр могут стоять буквы: к – катодная, р – раскисленная, б – бескислородная. Марки и состав меди регламентирует ГОСТ 859-2014.

Основная область применения меди различных степеней чистоты – электротехника, изготовление электрических проводов и кабелей.

Железнодорожный транспорт

Тяжелые условия эксплуатации подвижного состава железной дороги (длительный срок службы и способность выдерживать ударные нагрузки) выдвигают особые требования к конструкционным материалам.

Товарный поезд

Рисунок 2 – Товарный поезд

Основные характеристики алюминия и его сплавов, раскрывающие целесообразность применения их в железнодорожном транспорте, высокая удельная прочность, небольшая сила инерции, коррозионная стойкость. Внедрение алюминиевых сплавов при изготовлении сварных емкостей повышает их долговечность при перевозке ряда продуктов химической и нефтехимической промышленности.

Алюминий и его сплавы используются при изготовлении кузова и рамы вагона. Для вагона рекомендованы свариваемые сплавы средней прочности марок АМг3, AMr5, Амг6 и 1915. Перспективными сплавами для рефрижераторных вагонов являются алюминиевые сплавы. В зависимости от продуктов химической промышленности выбирается марка свариваемого материала для котлов цистерны.

В США из свариваемых сплавов серии 6ххх, серии 5ххх и сплава 7005 изготавливают подвижной состав с получением оптимальных прочностных характеристик и высокой коррозионной стойкости сварных элементов.

Классификация алюминиевых сплавов по назначению и состоянию

Наиболее распространенные элементы, используемые для получения сплавов на основе алюминия: железо, кремний, марганец, цинк, медь, реже – бериллий, титан, литий, цирконий.

По запланированной области применения алюминиевые сплавы разделяют на:

  • Деформируемые. Они предназначаются для получения полуфабрикатов способами горячего и холодного деформирования – прокаткой, прессованием, протяжкой. Это листы, профили, прутки, трубы.
  • Литейные, используемые для получения фасонного литья. Характеристики литейных сплавов повышают различными способами термической обработки.
  • Получаемые по технологии порошковой металлургии – САС и САП.

Различают несколько видов состояния алюминия и его сплавов, обозначаемые в маркировке буквами русского алфавита:

  • М – мягкий, после отжига;
  • Т – после закалки и старения в естественных условиях;
  • А – плакированный;
  • Н – нагартованный;
  • П – полунагартованный.

Потребление в промышленности и жизни

На рисунке ниже показаны восемь секторов промышленности и строительства, в которых применение алюминия происходит особенно активно. Процентные доли по различным секторам промышленности в общем потреблении представлены по статистическим данным Международного Института алюминия за 2007 год. С тех пор, думается, картина в целом не изменилась, и эти данные вполне актуальны.

primenenie-alyuminiya

Применение алюминия в готовой промышленной продукции [1]

Основными отраслями промышленности, которые активно применяют алюминий, являются:

  • Строительство
  • Упаковывание продукции
  • Электрическая промышленность
  • Транспортное машиностроение
  • Производство машин и оборудования
  • Производство товаров для повседневной жизни
  • Порошковая металлургия
  • Раскисление стали в черной металлургии

Область применения

Алюминиевая плита. Обладает шумоизолирующими свойствами, защищает от вибрации, огня и влаги. Из нее изготавливаются различные строительные конструкции, декоративные элементы крыш, окантовки, круги, балки, профили. Она – важный элемент в машиностроении, где ее используют как основу для несущих стоек. В авиационной промышленности эта продукция применяется для облицовки фюзеляжей и в самой конструкции планеров. Также этот продукт важен для получения топливного и гидравлического оборудования.

Алюминиевый лист. Благодаря разнообразию форм используется в декорировании зданий. Также он востребован при изготовлении каркасов, фильтров и вентиляционных коробов. Из него производят баки, канистры для продуктов, контейнеры, столешницы, мойки. Материал не вступает в реакции с пищей, не выделяет опасных веществ и не влияет на вкусовые качества.

Алюминиевая труба. Незаменима при обустройстве трубопроводов для добычи нефти, так как не вступает в реакции с веществами. Благодаря хорошей пропускной способности такая продукция – оптимальный вариант при разработке канализации и водопровода. Вода по ним двигается быстро, без образования пробок.

Алюминиевая проволока. Применяется для сварочных работ, при монтаже электролиний, в электротехнике, в системах грозозащиты. Является сырьем в производстве кабельной и проводниковой продукции. Также из нее производят инвентарь для торговли, элементы фасадов, дизайнерские детали для домов, посуду.

Алюминиевые уголки. Востребованы при изготовлении корпусной и мягкой мебели, рекламного оборудования, шкафов, стеллажей. Это любимый элемент дизайнеров, так как он не просто защищает мебельные конструкции, но и подчеркивает их оригинальность. Небольшие и узкие разновидности также востребованы при установке оконных рам. Крупные изделия – при монтаже крупногабаритных конструкций.

Алюминиевый пруток. Не намагничивается, не боится перепадов температуры, имеет хорошую электропроводность и легкий вес. Используется в станкостроении и машиностроении. Применяется в качестве заготовок для производства крепежей, стойких к агрессивным веществам. Из него получают детали редукторов, клапаны, силовые элементы, компоненты сварных конструкций, опорную арматуру.

алюминиевые изделия

Литейные сплавы на основе алюминия –классификация по характеристикам и химическому составу

Литейные алюминиевые сплавы чаще всего содержат кремний, улучшающий литейные характеристики. Они сочетают низкую плотность с хорошей прочностью, что обеспечивает возможность отливать изделия сложных форм без образования трещин и других дефектов. По характеристикам эти материалы условно разделяют на следующие группы:

  • высокогерметичные – АЛ2, АЛ9, АЛ4М;
  • с повышенной прочностью и жаростойкостью – АЛ5, АЛ19, АЛ33.

По химическому составу литейные алюминиевые сплавы делят на:

  • Силумины. Содержат значительное количество кремния. В составе наиболее популярной марки силуминов АЛ2 содержится 10-13% Si. Материал – дешевый, с хорошей коррозионной стойкостью, но низкими механическими характеристиками. Применяется при производстве изделий, не рассчитанных на восприятие серьезных нагрузок. Марки литейных алюминиевых сплавов АЛ4 и АЛ9, дополнительно легированные магнием, востребованы для изготовления средне нагружаемых деталей.
  • Медьсодержащие алюминиевые сплавы – АЛ7, АЛ19. После термообработки хорошо обрабатываются резанием, имеют высокие механические характеристики при комнатных и повышенных температурах. Их минусы – низкие линейные свойства, из-за которых материал подвержен сильной усадке, склонен к образованию горячих трещин. Еще один существенный недостаток – слабая устойчивость к коррозии, поэтому отливки из этих материалов обычно анодируют. Области применения – изготовление деталей относительно простой конфигурации – кронштейнов, различного рода арматуры.
  • Алюминиево-магниевые марки. Могут содержать модифицирующие добавки титана, циркония, бериллия. Обладают низкими литейными характеристиками, но имеют другие ценные технические характеристики. Они хорошо обрабатываются режущим инструментом, отличаются повышенными механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью. Из марок АЛ8 и АЛ27 производят литые детали, предназначенные для эксплуатации во влажной среде, например, в судах и самолетах. Марки АЛ13 и АЛ 22 содержат до 1,5% кремния, повышающего литейные качества. Эти материалы используются в судо- и авиастроении.

Строительство

Перспективность применения алюминиевых сплавов в строительных конструкциях подтверждается технико-экономическими расчетами и многолетней мировой практикой в области сооружения различных строительных объектов.

Внедрение алюминиевых сплавов в строительстве уменьшает металлоемкость, повышает долговечность и надежность конструкций при эксплуатации их в экстремальных условиях (низкая температура, землетрясение и т.п.). В зависимости от назначения строительных алюминиевых конструкций рекомендуются различные марки сплавов: АД1, АМц, АМг2, АД31, 1915 и др.

Здание со светопрозрачными конструкциями из алюминия

Рисунок 4 – Здание со светопрозрачными конструкциями из алюминия

Опыт, накопленный в США, подтверждает целесообразность использования алюминиевых сплавов в строительных конструкциях. На них расходуется больше алюминия, чем в любой другой отрасли промышленности. При этом предпочтение отдается внедрению свариваемых сплавов серии Зххх, 5ххх и 6ххх.

Как применяют основные свойства алюминия

Алюминий в чистом виде имеет слабые механические свойства. Именно поэтому наиболее часто применяют его сплавы.

Как применяют основные свойства алюминия

Таких сплавов достаточно много, вот основные из них:

  • алюминий с марганцем;
  • дюралюминий;
  • алюминий с магнием;
  • алюминий с медью;
  • авиаль;
  • силумины.

В основе этих сплавов лежит алюминий, отличаются они исключительно добавками. Последние же делают материал прочным, легким в обработке, более стойким к износу, коррозии.

Есть несколько основных областей применения алюминия (чистого или в виде сплава). Из металла изготавливают:

  • фольгу и проволоку для бытового использования;
  • посуду;
  • морские и речные суда;
  • самолеты;
  • реакторы;
  • космические аппараты;
  • архитектурные и строительные элементы и конструкции.

Алюминий является одним из самых важных металлов наравне с железом и его сплавами. Эти два элемента таблицы Менделеева наиболее широко применяются человеком в своей деятельности.

4 способа обработки алюминиевых сплавов

Способы обработки алюминиевых соединений зависят от формы, которую необходимо получить по окончании работы. В процессе используют следующие технологии:

  • прокатку, с помощью которой производят фольгу и цельные металлические листы;
  • ковку – для изготовления элементов сложной конфигурации;
  • формовку – также для создания деталей, имеющих сложную форму;
  • прессование – для изготовления труб, профиля и прутьев.

Для улучшения эксплуатационных свойств различных типов алюминиевых сплавов металл обрабатывают термически.

Деформируемые алюминий и алюминиевые сплавы – виды и их характеристики

Деформируемый алюминий технической чистоты, в соответствии с ГОСТом 4784-2019, обозначают буквами АД и цифрами, характеризующими чистоту металла:

Обозначение деформируемого алюминия Количество алюминия, %
АД000 99,8
АД00 99,7
АД0 99,5
АД1 99,3
АД 99,0

Деформируемые сплавы на основе алюминия по способности повышать прочностные характеристики при термической обработке разделяют на упрочняемые и неупрочняемые.

Транспорт

Алюминий в легковых автомобилях

Средняя масса алюминия в легковых автомобилях в Европе в 2006 составляла около 118 кг и продолжала увеличиваться. Его доля в различных компонентах и деталях автомобилей составляет (в килограммах на один автомобиль):

  • блоки цилиндров двигателей: 40,3
  • трансмиссия: 16,3
  • шасси, подвеска и управление: 12,5 : 17,7
  • теплообменник: 12,3
  • тормоза: 3,7
  • кузов: 6,8
  • тепловые экраны: 1,4
  • бамперы: 2,8
  • другие компоненты: 3,9.

Алюминиевый блок цилиндров автомобиля

Алюминиевый автомобильный колесный диск

Применение алюминия для изготовления автомобильных деталей обусловлено следующими его свойствами:

  • низкая плотность;
  • прочность;
  • жесткость;
  • вязкость;
  • стоимость;
  • коррозионная стойкость.


Алюминиевая рама автомобиля

Алюминиевые сплавы для грузовых автомобилей

Алюминиевые сплавы для автомобильных цистерн [5]


Производство алюминиевых автомобильных цистерн [5]


Алюминиевые сплавы для кузовов самосвалов [5]


Производство алюминиевых кузовов самосвалов [5]


Алюминиевые сплавы для автомобильных фургонов [5]


Алюминиевые сплавы для шасси грузовых автомобилей [5]

Алюминий в вагоностроении

Конструкция высокоскоростного поезда Intercity Express
из прессованных алюминиевых профилей – Германия, 1992


Алюминиевый вагон городского рельсового транспорта [7]


Грузовой алюминиевый вагон для перевозки угля [7]

Алюминий в судостроении


Алюминевый патрульный катер


Круизный лайнер с алюминиевой надстройкой [5]


Алюминиевая яхта-катамаран [5]

Алюминиевые сплавы для самолетов

Первый самолет братьев Райт в 1903 году был в основном деревянным с алюминиевым двигателем.

Среди алюминиевых сплавов, которые применяют в самолетостроении доминируют высокопрочные деформируемые сплавы, такие как, сплав 2024 (содержащий медь и магний) и сплав 7075 (содержащий магний, цинк и немного меди). Большинство алюминиевых сплавов, которые применяются в самолетостроении, являются несвариваемыми и их соединяют в основном заклепками.

На рисунках ниже показано применение сплавов серии 2ххх для изготовления фюзеляжа самолета и сплавов серии 7ххх – для крыльев.

Применение алюминиевых сплавов в самолетостроении:
а – сплавы серии 7ххх для фюзеляжа и б – сплавы серии 2ххх для крыльев [2].


Аэробус А380

Основные требования к алюминиевым сплавам в аэрокосмической промышленности:

  • низкая плотность;
  • высокая прочность;
  • точность механической обработки;
  • коррозионная стойкость;
  • стоимость.

Нефтяная и химическая промышленность

Освоение новых месторождений, увеличение глубины скважин выдвигают определенные требования к материалам, применяемым для изготовления деталей и узлов нефте- и газопромыслового оборудования и аппаратуры для переработки продуктов нефти.

Нефтяная вышка

Рисунок 5 – Нефтяная вышка

Высокая удельная прочность алюминиевых сплавов позволяет уменьшить массу бурильного оборудования, облегчить их транспортабельность и обеспечить прохождение глубоких скважин.

Коррозионностойкие алюминиевые сплавы дают возможность повысить эксплуатационную надежность бурильных, насосно-компрессорных и нефтегазопроводных труб. Повышенная сопротивляемость коррозионному растрескиванию позволяет применить алюминиевые сплавы при изготовлении емкостей для хранения нефти и ее продуктов.

Основным конструкционным материалом при изготовлении бурильных труб из алюминиевых сплавов является сплав марки Д16.

Высокую стойкость к сырой нефти и некоторым бензинам показали алюминиевые сплавы АМг2, AMr3, АМг5 и АМг6. Из перечисленных магналиевых сплавов наиболее технологичным сплавом для изготовления аппаратов является сплав АМг2, особенно при изготовлении конденсаторов и холодильников на нефтеперегонных заводах.

В США оборудование для нефтяной промышленности изготовляется из алюминиевых сплавов серии Зххх, 5ххх и 6ххх. В конструкции бурового оборудования применяют трубы из сплава 6063. Морские платформы собираются из труб 6061, 6063, а также из высокопрочных сплавов марок 2014 и 7075. Из алюминия АДОО, АДО и АД1 изготовляют емкости, колонны, конденсаторы и т.п. для производства уксусной кислоты, сульфирования жирных спиртов, хлората калия, натриевой и аммиачной селитры, синильной кислоты и т.д.

Химической промышленности рекомендованы алюминиевые сплавы АМц, АМг2, АМгЗ, АМг5 для изготовления сосудов, работающих под давлением при температурах от – 196 до +150 °С.

Из алюминия АДОО, АДО и АД1 изготовляют емкости, колонны, конденсаторы и т.п. для производства уксусной кислоты, сульфирования жирных спиртов, хлората калия, натриевой и аммиачной селитры, синильной кислоты и т.д.

В США в зависимости от условий эксплуатации аппаратуры химической промышленности применяют сплавы серий 1ххх, Зххх, 5ххх. В отдельных случаях для обеспечения наибольшей прочности применяют термически упрочняемые сплавы 2ххх и 7ххх с пониженной коррозионной стойкостью.

Емкости для хранения химических продуктов выполняют из сплавов высокой коррозионной стойкости – 1100 или 3003; сосуды высокого давления – из сплавов 5052 или 6063; тара, цистерны и другие виды оборудования для хранения уксусной кислоты, высокомолекулярных жирных кислот, спиртов и других продуктов – из сплавов 3003, 6061, 6063, 5052; емкости для озоносодержащих растворов удобрений из сплавов 3004; 5052 и 5454; емкости для хранения растворов нитрата аммония из сплавов 1100, 3003, 3004, 5050, 5454, 6061 и 6062 [3].

Основные группы алюминиевых сплавов и их свойства

Для работы с алюминием и его соединениями необходимо ознакомиться со свойствами металла, поскольку они существенно влияют на сферу применения деталей и характеристики материала. Ранее мы говорили о классификации сплавов алюминия.

Далее расскажем о наиболее распространенных типах металла и их свойствах.

  • Сплавы с алюминием, медью и кремнием.

Соединение также известно под названием алькусин. Сплавы, в которых присутствуют медь и кремний, используются для изготовления деталей промышленного оборудования. Отличные технические свойства позволяют эксплуатировать их в условиях постоянной нагрузки.

  • Алюминиево-медные сплавы.

Технические характеристики составов, в которых присутствует медь, сравнимы с низкоуглеродистыми сталями. Основной недостаток заключается в плохой коррозионной устойчивости. Детали покрываются защитным составом, предохраняющим от негативного воздействия окружающей среды. Для улучшения качеств материала используют легирующие компоненты (марганец, железо, магний и кремний).

Алюминиево-медные сплавы

  • Алюминиево-кремниевые сплавы.

Эти соединения носят название силумина и служат для производства декоративных элементов. Для повышения характеристик алюминиевых сплавов используют натрий и литий.

  • Алюминиево-магниевые сплавы.

Присутствие в составе магния повышает прочностные характеристики материала, а также облегчает процесс сварки. Содержание магния не должно превышать 6 %. Более высокий процент снизит антикоррозионные свойства соединения. Для повышения прочности без снижения коррозионной устойчивости в составы добавляют марганец, ванадий, хром или кремний. Каждый дополнительный процент магния улучшает прочность на 30 МПа.

  • Алюминиево-марганцевые сплавы.

Для повышения устойчивости к коррозии в состав соединения добавляют марганец. Благодаря ему повышаются прочность и свариваемость материала. Кроме марганца в состав добавляют железо и кремний.

  • Сплавы с алюминием, цинком и магнием.

Высокими прочностными характеристиками, а также простотой обработки отличаются алюминиевые сплавы с магнием и цинком. Для улучшения свойств материала его подвергают термической обработке. Недостатком таких соединений является низкая антикоррозионная устойчивость. Для исправления этого минуса используют легирующий компонент – медь.

  • Авиаль.

В этих сплавах, помимо алюминия, содержатся магний и кремний. Соединения отличаются высокой пластичностью, коррозионной устойчивостью.

Сплавы алюминия с другими элементами

Космическая техника

Первым, кто понял огромный потенциал алюминия для космоса, был великий писатель-писатель Жюль Верн. В своем романе «Путешествие на Луну» от еще в 1865 году детально описал ракету из алюминия.

Алюминиевые сплавы для космических аппаратов

Корпус первого советского спутника, который был запущен в октябре 1957 года, был изготовлен из алюминиево-магниевого сплава АМг6 с содержанием магния 6 %. Алюминиево-магниевые сплавы остаются основным материалом для изготовления корпусов ракет. Во внутренних отсеках ракет применяются и дюралевые алюминиевые сплавы.


Первый искусственный космический объект – советский Спутник 1

В последние десятилетия 20-го века в космических аппаратах стали применяться алюминиево-литиевые сплавы. Плотность лития составляет всего 0,533 г/см 3 – он легче воды. Добавки лития в алюминий в количестве до 2,5 % снижают плотность алюминиевого сплава , а также повышают его модуль упругости. Так, сплав 8090 имеет плотность на 10 % ниже, а модуль упругости на 11 % выше, чем у популярных в самолетостроении сплавов 2024 и 2014. На рисунке ниже показано колесо марсохода Curiosity из алюминиевого сплава 7075.

Колесо марсохода Curiosity из алюминиевого сплава 7075-Т7351

Алюминий применяется также в качестве связующего материала в бороалюминиевых композитах, которые в настоящее время также применяются в космической технике.

Бороалюминиевый композит (40 % волокон бора)

Порошковый алюминий – компонент ракетного топлива

Высокая химическая активность алюминия дает возможность применять его в составе ракетного топлива для твердотопливных ускорителей в разрабатываемой NASA системе космических запусков (SLS).

В ракетных ускорителях алюминиевый порошок и перхлорат аммиака соединяются вместе с помощью специального связующего вещества. Эта смесь, похожая на материал стирательной резинки, помещается затем в стальной корпус [3].

Когда эта смесь загорается, кислород из перхлората аммиака соединяется с алюминием с образованием оксида алюминия, хлорида алюминия, водяного пара и газообразного азота, а также с выделением огромного количества энергии.

Алюминий входит в состав твердого топлива для ракетных ускорителей NASA [3]

Примеры использования алюминия и его сплавов при производстве различных видов транспорта

Современные отрасли транспортостроения невозможно представить без материалов, созданных на основе Al, которые сочетают достаточно высокую прочность, пластичность, малую плотность и хорошую устойчивость ко многим видам коррозии.

Самолетостроение

В РФ при создании авиационной техники широко используют тремоупрочняемые высокопрочные марки, содержащие, помимо AL, цинк, магний, медь. Марки повышенной прочности и среднепрочные, не имеющие в своем составе цинка, используются для изготовления киля, крыла, фюзеляжа. Для гидросамолетов востребованы магнийсодержащие марки АМг5, АМг6 с хорошей свариваемостью и марки В92, 1915, 1420.

Создание объектов космической техники

В этой области используют сплавы на основе алюминия, обладающие хорошей устойчивостью к низким температурам. Из марки 2219, способной работать при криогенных температурных условиях в контакте с жидким кислородом, гелием, водородом, изготавливались листы, применяемые при создании космических «Шаттлов». Из алюминиево-литиевой марки 2090 изготавливают емкости для жидкого водорода.

Судостроение

Алюминиевая промышленность изготавливает полуфабрикаты из алюминия и его сплавов для использования в судостроении. Из них производят судовое оборудование, корпуса судов, коммуникационные системы, надстройки для палубы. Применение этих материалов вместо стали уменьшает массу судна, улучшает его маневренность и максимально допустимую скорость. Чаще всего в этой отрасли востребованы магний- и марганецсодержащие марки.

Железнодорожный транспорт

Подвижной состав, эксплуатируемый на железной дороге, изготавливается только из прочных, износостойких, коррозионностойких, долговечных материалов. Такие свойства имеют алюминий и сплавы на его основе. Из них изготавливают емкости для перевозки сырой нефти, темных и светлых нефтепродуктов, масел.

Автомобильный транспорт

Сочетание небольшой плотности, прочности, декоративных характеристик и коррозионной устойчивости позволяет успешно использовать алюминиевые марки в автомобилестроении. Их применение расширяет ассортимент перевозимых товаров, среди которых могут быть жидкости и газы высоких классов опасности.

Применение алюминия в металлургии

Алюминий – высокоактивный металл, поэтому его используют в металлургии в качестве мощного восстановителя при производстве хрома, кальция, марганца. Для раскисления стали используется низкокачественный материал, не подходящий для производства полуфабрикатов и готовой металлопродукции. В ходе этого процесса из расплавленного железа удаляется кислород, негативно влияющий на эксплуатационные свойства конечного продукта.

Электрика

Алюминий и ряд сплавов на его основе находят применение в электротехнике, благодаря хорошей электропроводности, коррозионной стойкости, небольшому удельному весу, и, что немаловажно, меньшей стоимостью, по сравнению с медью и ее проводниковыми сплавами.

В зависимости от величины удельного электросопротивления, алюминиевые сплавы подразделяют на проводниковые и сплавы с повышенным электрическим сопротивлением.

Удельная электрическая проводимость электротехнического алюминия марок А7Е и А5Е составляет порядка 60 % от проводимости отожженной меди по международному стандарту. Технический алюминий АД0 и электротехнический А5Е используют для изготовления проводов, кабелей и шин. Применение в электротехнической промышленности получили низколегированные сплавы алюминия системы Al-Mg-Si АД31, АД31Е.

Сплавы алюминия, повышающие его прочность и улучшающие другие свойства, получают введением в него легирующих добавок, таких, как медь, кремний, магний, цинк, марганец.

Дуралюмин

Дуралюмин (дюраль, дюралюминий, от названия немецкого города, где было начато промышленное производство сплава) – сплав алюминия (основа) с медью (Cu: 2,2 – 5,2%), магнием (Mg: 0,2 – 2,7 %) марганцем(Mn: 0,2 – 1 %). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Является конструкционным материалом длZ авиационного и транспортного машиностроения.

Дюралюминий листовой

Рисунок 6 – Дюралюминий листовой

Силумин

Силумин – легкие литейные сплавы алюминия (основа) с кремнием (Si: 4 – 13 %), иногда до 23 % и некоторыми другими элементами: Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be). Из него изготавливают детали сложной конфигурации, главным образом в авто- и авиастроении.

Силумин Магналии
Рисунок 7 – Силумин Рисунок 8 – Магналии

Магналии

Магналии – сплавы алюминия (основа) с магнием (Mg: 1 – 13 %) и другими элементами, обладающие высокой коррозийной стойкостью, хорошей свариаемостью, высокой пластичностью. Из них изготавливают фасонные отливки (литейные магналии), листы, проволоку, заклепки и т. д. (деформируемые магналии).

По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна [4].

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

  • цветные металлы;
  • чугун;
  • нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Термически неупрочняемые деформируемые сплавы на основе алюминия

К таким сплавам относятся марки АМц(алюминиево-марганцевые) и АМг (алюминиево-магниевые). Алюминиево-магниевые марки могут дополнительно легироваться марганцем, измельчающим зерно и упрочняющим структуру. Эти материалы обычно применяются после отжига с охлаждением на воздухе. Для упрочнения алюминиево-магниевых и алюминиево-марганцевых сплавов может использоваться нагартовка – деформационный процесс, при котором уплотняются верхние слои металла. Эффект нагартовки исчезает в зоне сварного шва.

Для этих материалов характерны:

  • высокая устойчивость к коррозии;
  • хорошая обрабатываемость деформациями – штамповкой, гибкой;
  • хорошая свариваемость;
  • затрудненная обработка режущими инструментами.

Марки АМц и АМг применяются в областях, в которых не предъявляются высокие требования к прочности, но необходима хорошая устойчивость к коррозии. Из этих материалов изготавливают:

  • конструктивные элементы железнодорожных вагонов;
  • перегородки зданий и переборки судов;
  • узлы грузоподъемного оборудования.

Упаковка продуктов

Катаный алюминий – ленты и фольга – применяют в упаковке сыпучих и жидких продуктов. Алюминиевая упаковка сопровождает нас повсюду в нашей жизни – это, например, алюминиевые банки и бутылки, фольга в упаковке продуктов и лекарств. Алюминий обладает низкой плотностью, совместимостью с продуктами и напитками и привлекательным внешним видом. Это делает его идеальным материалом для различных видов упаковки: жестких (банки) и мягких (фольга).

Алюминиевые банки для упаковки пищевых продуктов [6]

Алюминиевые банки

Из алюминия изготавливают 75 % банок для напитков и 15 % емкостей для аэрозолей. Алюминиевые банки обеспечивают значительное снижение веса упаковки по сравнению с аналогичными стальными банками.

Корпус банки изготавливают из сплава серии 3000 (алюминиево-марганцевые сплавы), который после глубокой высадки раскатывают до толщины стенки 0,27 мм.

Крышка банки составляет 25 % ее веса. Ее изготавливают из более прочного алюминиево-магниевого сплава. Встроенный в банку рычаг-“открывашка”, который крепится к банке на интегральной заклепке, состоит из другого алюминиево-магниевого сплава. Эту заклепку накатывают из тела крышки при ее изготовлении.

Алюминиевая банка для упаковки пива и прохладительных напитков

Требования к алюминиевым сплавам для упаковочного сектора промышленности:

  • низкая плотность;
  • прочность;
  • хорошая формуемость;
  • совместимость с продуктами и напитками;
  • декоративность (способность к нанесению рисунков и надписей);
  • стоимость.

Упаковочная фольга

Алюминиевую фольгу обычно изготавливают из марок технического алюминия серии 1000. Свойства алюминия, которые обеспечивают возможность его применения в качестве материала для изготовления фольги, следующие:

  • прочность и непроницаемость для жидкостей и газов при малой толщине;
  • низкая плотность;
  • термическая проводимость;
  • теплостойкость;
  • стойкость к проникновению газов и жидкостей;
  • совместимость с продуктами и напитками;
  • эстетический и декоративный потенциал.

Алюминиевая упаковочная фольга

Провода и кабели

Высокая электрическая проводимость марок алюминия серии 1000, а также алюминиевых сплавов серии 8000, делает их весьма подходящими для изготовления электрических проводников. Алюминиевые проводники применяют в следующих случаях:

  • распределительные электрические подстанции;
  • силовые системы высотных зданий;
  • высоковольтные линии электропередач;
  • большинство подземных линий электропередач;
  • силовые кабели для промышленного применения.

Большая часть алюминия в электротехнической промышленности применяется в виде кабелей (8 из 13 %). Однако его применяют также и в виде электрических шин для оборудования с большой силой тока, а также для питания электричеством больших зданий. Кроме того, кабели для промышленных, торговых и жилых зданий могут содержать много изолированных проводников, которые помещают в общий защитный алюминиевый рукав.

Требования к алюминию, который применяется для электротехнических приложений:

  • приемлемая стоимость;
  • достаточно высокая электрическая проводимость; ;
  • прочность.

Фармацевтика

Говоря об универсальности алюминия, нельзя обойти вниманием важный факт: металл, из которого делают посуду и самолеты, широко применяется для лечения и предупреждения тяжелых болезней и одобрен для этих целей Всемирной организацией здравоохранения. Конечно, речь идет не об алюминии в чистом виде, а о его соединениях.

В 1926 году было открыто, что осажденный квасцами дифтерийный токсоид (обезвреженный бактериальный токсин) гораздо лучше стимулирует выработку антител, чем он же в чистом виде. С тех пор для усиления действия вакцин чаще всего используют алюминиевые соли, поскольку они считаются безвредными для человека.

Именно на основе алюминия производят наиболее эффективные антациды. Гидроокись алюминия, хорошо нейтрализующая кислоту, нужна для лечения язвенных болезней, диспепсии, раздражения желудка. Для этих же целей подходит фосфат алюминия.

Лекарства Дезодоранты
Рисунок 10 – Лекарства Рисунок 11 – Дезодоранты

Но даже тем, у кого прекрасное здоровье, пригодится содержащее алюминий средство, которое продается в любое аптеке, да и не только. Речь идет о дезодоранте-антиперспиранте. Еще древние греки и римляне использовали квасцы для подавления секреции. Обычными квасцами пользовались и наши бабушки. В первые фабричные средства от запаха пота добавляли хлорид алюминия, а основным агентом современных средств является хлоргидрат алюминия. Кстати, на чем основан эффект их действия, до сих пор точно не известно [6].

Таблица основных марок алюминия и его сплавов

Ниже приведены марки стали алюминия в соответствии с классами, к которым они относятся:

Алюминий для раскисления

Алюминиевый деформируемый сплав

Алюминиевый антифрикционный сплав

Согласно ГОСТу 4784-97 алюминий маркируется буквами и цифрами. Расшифровка марок алюминия приведена ниже, в ней используются следующие обозначения:

  • «А» – технический алюминий;
  • «Д» – дюралюминий;
  • «АК» – алюминиевый сплав, ковкий;
  • «АВ» – авиаль;
  • «В» – высокопрочный алюминиевый сплав;
  • «АЛ» – литейный алюминиевый сплав;
  • «АМг» – алюминиево-магниевый сплав;
  • «АМц» – алюминиево-марганцевый сплав;
  • «САП» – спеченные алюминиевые порошки;
  • «САС» – спеченные алюминиевые сплавы.

Следом за этими буквами указывается номер марки алюминия и буква, обозначающая состояние сплава:

  • «М» – мягкий (после отжига);
  • «Т» – естественно состаренный и закаленный;
  • «А» – плакированный (покрытый слоем чистого алюминия);
  • «Н» – нагартованный;
  • «П» – полунагартованный.

Машины и оборудование

Отопительные и вентиляционные системы

Алюминиевые сплавы серий 3000, 5000 и 6000 обладают хорошей термической проводимостью. В комбинации с высокой прочностью эти сплавы являются хорошим выбором для применения в системах обогрева и вентиляции. Эти системы включают следующие компоненты, в которых применяют алюминиевые сплавы:

  • компрессоры;
  • конденсеры/испарители;
  • расширительные клапаны;
  • вентиляторы;
  • трубы.

Свойства алюминия, которые важны для отопительных и вентиляционных систем:

  • высокая теплопроводность;
  • высокий контактный коэффициент;
  • малая плотность;
  • высокая коррозионная стойкость.

Потребительские товары

Алюминий в больших объемах применяется при изготовлении различных компонентов, деталей и корпусов многих потребительских изделий, которые окружают нашу жизнь – бытовых товаров, например, холодильников, морозильников, посудомоечных машин. Холодильники и морозильники содержать холодильные агрегаты, которые, как упоминалось выше, также содержат значительное количество алюминия. Важными свойствами алюминия для потребительских товаров являются:

  • эстетические свойства;
  • коррозионная стойкость;
  • прочность;
  • высокая теплопроводность (для холодильных агрегатов).

Порошковая металлургия

Порошковая металлургия – это процесс, который позволяет производить изделия как сложной, так и постой формы с минимальными допусками на размеры, что позволяет исключить последующую механическую обработку.

Важными техническим требованиями, которые предъявляются к алюминиевым порошкам являются:

  • низкая плотность;
  • способность воспринимать различные виды отделки, например, окраски;
  • термическая проводимость.

Раскисление стали

Для удаления кислорода из расплавленной стали в расплав добавляют так называемые раскислители. В качестве раскислителя часто применяют алюминий, а также марганец и феррокремний.

Обычно алюминий добавляют в расплавленную сталь в виде 10-килограммовых брусков. Для раскисления одной тонны стали требуется около одного килограмма алюминия. Марки алюминия для раскисления устанавливает ГОСТ

Свойства алюминия, которые определяют его применение в металлургической промышленности как раскислителя стали:

  • активно реагирует с кислородом в расплавленной стали;
  • стоимость;
  • влияние на металлургию стали.
  1. WellMet, University of Cambridge, July 2010
  2. Lightweight Materials—Understanding the Basics /ed. F.C. Campbell – ASM International, 2012
  3. TALAT 1100.01 – European Aluminium Association – 2011
  4. TALAT 3710
  • />← Previous Свойства алюминия
  • Алюминиевые сплавы: категории и классы Next →
Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий