Свойства алюминия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные физико-химические и механические свойства алюминия

Алюминий характеризуется высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью, пластичностью, морозостойкостью. Важнейшим свойством алюминия является его малая плотность (примерно 2.70 г/куб.см). Температура плавления алюминия около 660 С.

Физико-химические, механические и технологические свойства алюминия очень сильно зависят от вида и количества примесей, ухудшая большинство свойств чистого металла. Основными естественными примесями в алюминии являются железо и кремний. Железо, например, присутствуя в виде самостоятельной фазы Fe-Al, снижает электропроводность и коррозионную стойкость, ухудшает пластичность, но несколько повышает прочность алюминия.

В зависимости от степени очистки первичный алюминий разделяют на алюминий высокой и технической чистоты (ГОСТ 11069-2001). К техническому алюминию относятся также марки с маркировкой АД, АД1, АД0, АД00 (ГОСТ 4784-97). Технический алюминий всех марок получают электролизом криолит-глиноземных расплавов.

Главное практическое различие между техническим и высоокоочищенным алюминием связано с отличиями в коррозионной устойчивости к некоторым средам. Естественно, что чем выше степень очистки алюминия, тем он дороже.

В специальных целях используется алюминий высокой чистоты. Для производства алюминиевых сплавов, кабельно-проводниковой продукции и проката используется технический алюминий. Далее речь будет идти о техническом алюминии.

Электропроводность.

Важнейшее свойство алюминия - высокая электропроводность, по которой он уступает только серебру, меди и золоту. Сочетание высокой электропроводности с малой плотностью позволяет алюминию конкурировать с медью в сфере кабельно-проводниковой продукции.

На электропроводность алюминия кроме железа и кремния сильно влияет хром, марганец, титан. Поэтому в алюминии, предназначенном для изготовления проводников тока, регламентируется содержание ещё нескольких примесей. Так, в алюминии марки А5Е при допускаемом содержании железа 0.35%, а кремния 0.12%, сумма примесей Cr+V+Ti+Mn не должна превышать всего лишь 0.01%.

Электропроводность зависит от состояния материала. Длительный отжиг при 350 С улучшает проводимость, а нагартовка проводимость ухудшает.

Величина удельного электрического сопротивления при температуре 20 С составляет Ом*мм²/м или мкОм*м :

0.0277 - отожженная проволока из алюминия марки А7Е

0.0280 - отожженная проволока из алюминия марки А5Е

0.0290 - после прессования, без термообработки из алюминия марки АД0

Таким образом удельное электросопротивление проводников из алюминия примерно в 1.5 раза выше электросопротивления медных проводников. Соответственно электропроводность (величина обратная удельному сопротивлению) алюминия составляет 60-65% от электропроводности меди. Электропроводность алюминия растет с уменьшением количества примесей.

Температурный коэффициент электросопротивления алюминия (0.004) приблизительно такой же, как у меди.

Теплопроводность

Теплопроводность алюминия при 20 С составляет примерно 0.50 кал/см*с*С и возрастает с увеличением чистоты металла. По теплопроводности алюминий уступает только серебру и меди (примерно 0.90), втрое превышая теплопроводность малоуглеродистой стали. Это свойство определяет применение алюминия в радиаторах охлаждения и теплообменниках.

Другие физические свойства.

Алюминий имеет очень высокую удельную теплоемкость (примерно 0.22 кал/г*С). Это значительно больше, чем для большинства металлов (у меди - 0.09). Удельная теплота плавления также очень высока (примерно 93 кал/г). Для сравнения - у меди и железа эта величина составляет примерно 41-49 кал/г.

Отражательная способность алюминия сильно зависит от его чистоты. Для алюминиевой фольги чистотой 99.2% коэфициент отражения белого света равен 75%, а для фольги с содержанием алюминия 99.5% отражаемость составляет уже 84%.

Коррозионные свойства алюминия.

Сам по себе алюминий является очень химически активным металлом. С этим связано его применение в алюмотермии и в производстве ВВ. Однако на воздухе алюминий покрывается тонкой (около микрона), пленкой окиси алюминия. Обладая высокой прочностью и химической инертностью, она защищает алюминий от дальнейшего окисления и определяет его высокие антикоррозионные свойства во многих средах.

В алюминии высокой чистоты окисная пленка сплошная и беспористая, имеет очень прочное сцепление с алюминием. Поэтому алюминий высокой и особой чистоты очень стоек к действию неорганических кислот, щелочей, морской воды и воздуха. Сцепление окисной пленки с алюминием в местах нахождения примесей значительно ухудшается и эти места становятся уязвимы для коррозии. Поэтому алюминий технической чистоты имеет меньшую стойкость. Например по отношению к слабой соляной кислоте стойкость рафинированного и технического алюминия различается в 10 раз.

На алюминии (и его сплавах) обычно наблюдается точечная коррозия. Поэтому устойчивость алюминия и его сплавов во многих средах определяется не по изменению веса образцов и не по скорости проникновения коррозии, а по изменению механических свойств.

Основное влияние на коррозионные свойства технического алюминия оказывает содержание железа. Так, скорость коррозии в 5% растворе HCl для разных марок составляет (в ):

Марка	Содержание Al	Содержание Fe	Скорость коррозии
А7	99.7%	< 0.16%	0.25 - 1.1
А6	99.6%	< 0.25%	1.2 - 1.6
А0	99.0%	< 0.8%	27 - 31

Наличие железа уменьшает стойкость алюминия также к щелочам, но не сказывается на стойкости к серной и азотной кислоте. В целом коррозионная стойкость технического алюминия в зависимости от чистоты ухудшается в таком порядке: А8 и АД000, А7 и АД00, А6, А5 и АД0, АД1, А0 и АД.

При температуре свыше 100С алюминий взаимодействует с хлором. С водородом алюминий не взаимодействует, но хорошо его растворяет, поэтому он является основной составляющей газов, присутствующих в алюминии. Вредное влияние на алюминий оказывает водяной пар, диссоциирующий при 500 С, при более низких температурах действие пара незначительно.

Алюминий устойчив в следующих средах:

- промышленная атмосфера

- естественная пресная вода до температур 180 С. Скорость коррозии возрастает при аэрации,

примесях едкого натра, соляной кислоты и соды.

- морская вода

- концентрированная азотная кислота

- кислые соли натрия, магния, аммония, гипосульфит.

- слабые (до 10%) растворы серной кислоты,

- 100% серная кислота

- слабые растворы фосфорной (до 1%), хромовой (до 10%)

- борная кислота в любых концентрациях

- уксусная, лимонная, винная. яблочная кислота, кислые фруктовые соки, вино

- раствор аммиака

Алюминий неустойчив в таких средах:

- разбавленная азотная кислота

- соляная кислота

- разбавленная серная кислота

- плавиковая и бромистоводородная кислота

- щавелевая, муравьиная кислота

- растворы едких щелочей

- вода, содержащая соли ртути, меди, ионов хлора, разрушающих окисную пленку.

Контактная коррозия

В контакте с большинством технических металлов и сплавов алюминий служит анодом и его коррозия будет увеличиваться.

Механические свойства

Модуль упругости E = 7000-7100 кгс/мм² для технического алюминия при 20 С. При повышении чистоты алюминия его величина уменьшается (6700 для А99).

Модуль сдвига G = 2700 кгс/мм².

Основные параметры механических свойств технического алюминия приведены ниже:

Параметр	Ед. изм.	Деформированный	Отожженный
Предел текучести ?0.2	кгс/мм2	8 - 12	4 - 8
Предел прочности при растяжении ?в	кгс/мм2	13 - 16	8
Относительное удлинение при разрыве ?	%	5 - 10	30 - 40
Относительное сужение при разрыве	%	50 - 60	70 - 90
Предел прочности при срезе	кгс/мм2	10	6
Твердость	НВ	30 - 35	20

Приведенные показатели очень ориентировочны:

1) Для отожженного и литого алюминия эти значения зависят от марки технического алюминия. Чем больше примесей, тем больше прочность и твердость и ниже пластичность. Например твердость литого алюминия составляет: для А0 - 25НВ, для А5 - 20НВ, а для алюминия высокой чистоты А995 - 15НВ. Предел прочности при растяжении для этих случаев составляет: 8,5; 7.5 и 5 кгс/мм², а относительное удлинение 20; 30 и 45% соответственно.

2) Для деформированного алюминия механические свойства зависят от степени деформации, вида проката и его размеров. Например предел прочности при растяжении составляет не менее 15-16 кгс/мм² для проволоки и 8 - 11 кгс/мм² для труб.

Однако, в любом случае, технический алюминий это мягкий и непрочный металл. Низкий предел текучести (даже для нагартованного проката он не превышает 12 кгс/мм²) ограничивает применение алюминия по допустимым нагрузкам.

Алюминий имеет низкий предел ползучести: при 20 С - 5 кгс/мм², а при 200 С - 0.7 кгс/мм². Для сравнения: у меди эти показатели равны 7 и 5 кгс/мм² соответственно.

Низкая температура плавления и температура начала рекристаллизации (для технического алюминия примерно 150 С), низкий предел ползучести ограничивают температурный диапазон эксплуатации алюминия со стороны высоких температур.

Пластичность алюминия не ухудшается при низких температурах, вплоть до гелиевых. При понижении температуры от +20 С до - 269 С, предел прочности возрастает в 4 раза у технического алюминия и в 7 раз у высокочистого. Предел упругости при этом возрастает в 1.5 раза.

Морозостойкость алюминия позволяет использовать его в криогенных устройствах и конструкциях.

2. Как взаимодействует алюминий с другими металлами и химическими элементами

Алюминий - химически активный металл, но прочная оксидная пленка определяет его стойкость при обычных условиях. Практически во всех химических реакциях алюминий проявляет восстановительные свойства.

1. Взаимодействие с неметаллами

С кислородом взаимодействует только в мелкораздробленном состоянии при высокой температуре:

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃,

реакция сопровождается большим выделением тепла.

Выше 200°С реагирует с серой с образованием сульфида алюминия:

2Al + 3S = Al₂S₃.

При 500°С - с фосфором, образуя фосфид алюминия:

Al + P = AlP.

При 800°С реагирует с азотом, а при 2000°С - с углеродом, образуя нитрид и карбид:

2Al + N₂ = 2AlN,

4Al + 3C = Al₄C₃.

С хлором и бромом взаимодействует при обычных условиях, а с йодом при нагревании, в присутствии воды в качестве катализатора:

2Al + 3Cl₂ = 2AlCl₃

С водородом непосредственно не взаимодействует.

С металлами образует сплавы, которые содержат интерметаллические соединения - алюминиды, например, CuAl₂, CrAl₇, FeAl₃ и др.

2. Взаимодействие с водой

Очищенный от оксидной пленки алюминий энергично взаимодействует с водой:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂

в результате реакции образуется малорастворимый гидроксид алюминия и выделяется водород.

3. Взаимодействие с кислотами

Легко взаимодействует с разбавленными кислотами, образуя соли:

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂;

2Al + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂;

8Al + 30HNO₃ = 8Al(NO₃)₃ + 3N₂O + 15H₂O

В качестве продукта восстановления азотной кислоты также может быть азот и нитрат аммония.

С концентрированной азотной и серной кислотами при комнатной температуре не взаимодействует, при нагревании реагирует с образованием соли и продукта восстановления кислоты:

2Al + 6H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O;

Al + 6HNO₃ = Al(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O.

4. Взаимодействие со щелочами

Алюминий - амфотерный металл, он легко реагирует со щелочами:

в растворе с образованием тетрагидроксодиакваалюмината натрия:

2Al + 2NaOH + 10H₂O = 2Na[Al(H₂O)₂(OH)₄] + 3H₂

при сплавлении с образованием алюминатов:

2Al + 6KOH = 2KAlO₂ + 2K₂O + 3H₂.

5. Восстановление металлов из оксидов и солей

Алюминий - активный металл, способен вытеснять металлы из их оксидов. Это свойство алюминия нашло практическое применение в металлургии:

2Al + Cr₂O₃ = 2Cr + Al₂O₃.

3. Назовите основные группы алюминиевых литейных сплавов

Литейные алюминиевые сплавы - общая характеристика: для изготовления фасонных деталей применяют литейные алюминиевые сплавы, которые имеют низкую плотность и высокую удельную прочность.

По назначению конструкционные литейные алюминиевые сплавы можно условно разбить на следующие группы:

1) сплавы, отличающиеся высокой герметичностью [АЛ2, АЛ4, АЛ9, ВАЛ8, АЛ9-1, АЛ34 (ВАЛ5), АЛ4М, АЛ32 ];

2) высокопрочные жаропрочные сплавы [АЛ 19, АЛЗ, АЛ5, АЛ5-1, АЛ33 (ВАЛ 1)];

3) коррозионно-стойкие сплавы (АЛ8, АЛ22, АЛ24, АЛ27, АЛ27-1).

Прочность большинства литейных алюминиевых сплавов можно повысить термической обработкой. Механические свойства литейных алюминиевых сплавов зависят не только от содержания легирующих компонентов, но и от содержания примесей. Важное значение в технологии приготовления и в повышении свойств сплавов на основе системы А1--Si имеет процесс модифицирования, вызывающий повышение прочностных и особенно пластических свойств сплавов.

Качество литейных алюминиевых сплавов определяется не только механическими свойствами, но и технологическими характеристиками: жидкотекучестью, степенью изменения механических свойств в зависимости от сечения отливки, герметичностью, склонностью к горячим трещинам и др.

Способы литья и виды термической обработки обозначаются следующим образом:

3 - В песчаную форму

В - По выплавляемым моделям О - В оболочковые формы К - В кокиль Д - Под давлением

М - Сплав при литье подвергался модифицированию Т1 - Старение Т2 - Отжиг Т4 - Закалка

Т5 - То же и частичное старение Т6 - и полное старение Т7 - и стабилизирующий отпуск

Т8 - и смягчающий отпуск

При определении механических свойств на образцах, вырезанных из отливок, допускается снижение временного сопротивления на 25 % и относительного удлинения до 50 %.

Стабильность размеров литейных алюминиевых сплавов (и сравнение с некоторыми магниевыми сплавами): были исследованы наиболее распространенные в приборостроении и машиностроении алюминиевые и магниевые сплавы систем Аl--Si (АЛ2 и АЛ9), Аl--Сu--Мn-(АЛ19 и АЛ321), Аl--Zn--Mg (АЛ24), Al--Mg (АЛ8), Mg--Аl (МЛ5), Mg--Zn (MЛ12), Mg--Nd (МЛ10). Режимы термической обработки сплавов указаны в таблице ниже.

Марка сплава	Режим термической обработки
АЛ9 (Al-Si-Mg)	Т2 - отжиг при 280 °С 3ч. Т5 - закалка с 535 °С 4 ч, старение при 150 °С 2 ч. Т7 - закалка с 535 °С 3 ч, старение при 220-230 °С 4 ч
АЛ24 (Al-Zn-Mg)	Т5 - закалка с 540 °С 4ч, охлаждение на воздухе, старение при 160 °С 24 ч
АЛ8 (Al-Mg)	Т4 - закалка с 435 °С 20 ч, охлаждение в горячей воде (70-90 °С)
АЛ19 (Al-Cu-Mn)	Т5 - нагрев под закалку с 530 °С 7 ч + 545 °С 7ч, охлаждение в горячей воде (70-90 °С), старение при 175 °С 3 ч
АЛ321 (Al-Cu-Mn-Cr-Cd)	Т6 - нагрев под закалку с 535 °С 8 ч + 540 °С 8ч, охлаждение в горячей воде (70-90 °С), старение при 175 °С 8 ч + 190 °С 4 ч
МЛ5 (Mg-Al)	Т6 - закалка с 415 °С 12 ч, охлаждение на воздухе, старение при 200 °С 16 ч
МЛ6 (Mg-Al)	Т6 - закалка с 400 °С 18 ч, охлаждение на воздухе, старение при 200 °С 16 ч
МЛ10Ц (Mg-Nd)	Т2 - отжиг при 300 °С 6 ч. Т6 - закалка с 530 °С 15 ч, охлаждение на воздухе, старение при 200 °С 10 ч
МЛ12Т6 (Mg-Zn)	Т6 - закалка с 330 °С 12 ч, старение при 180 °С 24 ч

Наиболее активным изменением размеров характеризуется применяемый в закаленном состоянии алюминиевый сплав АЛ8, структура которого состоит из твердого раствора Al--Mg. Изменение размеров этого сплава продолжается с мало изменяющейся интенсивностью на протяжении всего периода испытаний, что свидетельствует о неравновесном состоянии структуры твердого раствора. Искусственное старение сплава АЛ8 нецелесообразно вследствие его малой эффективности, а также отрицательного влияния на коррозионную стойкость.

Процессы распада пересыщенного магнием и цинком твердого раствора алюминиевого сплава АЛ24 протекают уже при комнатной температуре, вследствие чего этот сплав склонен к естественному старению.

Объемные изменения в процессе искусственного старения при 160- 200° С прекращаются после 24 ч выдержки. Однако и после такого старения сплав АЛ24Т5 характеризуется значительными объемными изменениями при 100° С.

Старение закаленного силумина АЛ9 при 150° С (режим Т5) не обеспечивает стабильности структуры, достаточной для подавления объемных изменений при 100°С. После отжига при 280-300° С (режим Т2), а также старения закаленного сплава при 220-230° С (режим Т7) изменений размеров ненагруженных образцов при 100°С не обнаружено.

Не обнаружено изменений размеров при 100° С в образцах из сплавов системы Аl-Сu АЛ19Т5 и АЛ321 и магниевом сплаве МЛ10Ц (Mg-Nd), что свидетельствует о стабильности структуры этих сплавов. Объемные изменения в закаленном сплаве МЛ5 (Mg-Аl) при 100° С отсутствуют после 20-часового старения при 190-200° С, которое протекает с интенсивным увеличением размеров.

Среди алюминиевых сплавов наиболее высокой релаксационной стойкостью характеризуются высокопрочные сплавы системы Аl-Сu АЛ321 и АЛ19. Более низкой релаксационной стойкостью обладают сплавы систем Al-Zn (АЛ24) и Al-Si (АЛ9). Очень низкая релаксационная стойкость у алюминий-магниевых сплавов, как это видно на примере высокопрочного сплава АЛ8.

Среди магниевых сплавов высокой размерной стабильностью характеризуются сплавы системы Mg-Nd (МЛ 10). Сплавы систем Mg-Аl (МЛ5, МЛ6) и Mg-Zn (МЛ12) обладают сравнительно низкой релаксационной стойкостью при 100° С.

Как отмечалось ранее, сопротивление микропластическим деформациям в условиях длительного нагружения определяется природой твердого раствора и упрочняющих фаз. Сравнение релаксационной стойкости сплавов с диаграммами состояний соответствующих систем показывает, что высокой релаксационной стойкостью обладают только те из них, в которых концентрация твердого раствора не изменяется в интервале температур от комнатной примерно до 200° С. Примером могут служить сплавы систем Al-С и Mg-Nd. Чем больше изменяется концентрация твердого раствора в указанном интервале температур, тем ниже релаксационная стойкость, что хорошо видно на примере сплавов систем Al-Mg, Mg- Al и Mg-Zn.

Относительно прочный в закаленном состоянии (Т4) сплав АЛ8 отличается наиболее низкой релаксационной стойкостью вследствие большой пересыщенности магнием твердого раствора и резкого изменения с температурой концентрации твердого раствора. Коэффициент диффузии магния в алюминии весьма высок. При нагревании до 100° С в сплаве интенсивно проходят диффузионные процессы с образованием и выделением фаз Al₃Mg₂ или Al₈Mg₅ по границам зерен. С повышением температуры эти фазы выделяются по всему зерну. Выделяющиеся фазы имеют гексагональную решетку а = 11,38; с = 17,8. Кристаллографическое несоответствие дополнительно понижает устойчивость структуры.

Алюминиево-кремнистые сплавы АЛ2, AЛ9 и др., хотя и характеризуются малым изменением концентрации твердого раствора, однако обладают низкой релаксационной стойкостью вследствие нестабильной дислокационной структуры из-за наличия фаз с резко различающимися коэффициентами линейного расширения, а также низкой легированности твердого раствора, поскольку растворимость кремния в алюминиевой фазе чрезвычайно мала (0,05% при 25° С).

После закалки сплава МЛ5 образуется сильно пересыщенный твердый раствор. Старение Mg-Al сплавов происходит без образования переходных структур и очень часто по двухфазному прерывистому механизму. В процессе старения по границам зерен выделяются крупные пластинки Mg₄Al₃ в виде псевдоэвтектики, что создает большую микронеоднородность сплава и ослабляет приграничную зону. Большая нестабильность и неоднородность структуры обусловливает низкую релаксационную стойкость сплава MЛ5T6 при 100° С.

Сплав МЛ10, легированный неодимом, после закалки и искусственного старения отличается относительно высокими напряжением течения и стабильностью структуры и поэтому имеет хорошие показатели сопротивления микропластическим деформациям. Растворимость неодима в магнии практически не изменяется в интервале температур 200-300° С, что обусловливает большую устойчивость структуры в условиях испытаний. Легирующий элемент Nd после закалки и старения присутствует в виде большого количества мелкодисперсной фазы (Mg₉Nd), равномерно распределенной по всему объему зерна и у границ, что также способствует повышению показателей сопротивления микропластическим деформациям.

Высокой релаксационной стойкостью характеризуются сплавы системы Аl-Сu-Мn. Относительно высоколегированные сплавы этой системы АЛ321, АЛ19 отличаются большой структурной стабильностью и, следовательно, высокой релаксационной стойкостью при 20 и 100° С. Эти сплавы отличаются также высокими прочностными свойствами при комнатной и повышенных температурах. Растворимость марганца и меди в алюминии незначительно изменяется в интервале температур 20-200° С. Коэффициенты диффузии марганца и меди в алюминии сравнительно низкие. Марганец понижает скорость распада твердого раствора, участвует в образовании устойчивой сложной фазы Т (Al₁₂Mn₂Cu), распределяющейся равномерно по зерну и по границам в виде мелкодисперсных частиц.

Наиболее высокой размерной стабильностью среди литейных алюминиевых сплавов обладает высокопрочный сплав АЛ321, который дополнительно легирован хромом и кадмием. Эти элементы повышают устойчивость твердого раствора и способствуют более равномерному распределению мелкодисперсных выделений. Повышение содержания меди в сплаве АЛ321 до 5,5-6,0% позволило значительно улучшить его литейные свойства в сравнении со сплавом АЛ19. Высокая релаксационная стойкость в сочетании с высокими механическими и удовлетворительными литейными свойствами позволили широко внедрить сплав АЛ321 для получения сложных литых деталей с повышенными требованиями к размерной стабильности.

На примере сплава AJ1321 можно дополнительно проследить влияние старения на механические свойства и релаксационную стойкость дисперсионно-твердеющих сплавов.

В закаленном состоянии указанный сплав обладает низким сопротивлением микропластическим деформациям, что связано с большой скоростью диффузионных процессов в пересыщенном твердом растворе, находящемся под влиянием напряжения при повышенной температуре. С повышением температуры старения релаксационная стойкость резко возрастает вследствие изменения степени пересыщенности твердого раствора. Максимальной релаксационной стойкостью обладают несколько перестаренные сплавы, когда процессы распада в значительной степени проходят без заметной коагуляции выделений (упрочняющих фаз). При этом прочностные свойства несколько снижаются. Так, максимальные прочностные свойства в сплаве AЛ321 достигаются после старения при 175° С, в то время как максимальная размерная стабильность - после старения при 200 С.

Таким образом, для получения максимальной размерной стабильности стареющих сплавов температура старения должна быть несколько выше в сравнении с обработкой на максимальную прочность.

Сплавы в упрочненном по оптимальным режимам состоянии, характеризуются более высокой размерной стабильностью, чем в неупрочненном виде.

4. Какое влияние оказывают легирующие компоненты и примеси на свойства литейных алюминиевых сплавов

Алюминий отличают низкая плотность, высокие тепло- и электропроводность, хорошая коррозийная стойкость во многих средах за счет образования на поверхности металла плотной оксидной пленки Аl₂0₃. Технический отожженный алюминий АДМ упрочняется холодной пластической деформацией.

Алюминий высокопластичен и легко обрабатывается давлением, однако при обработке резанием возникают осложнения, одной из причин которых является налипание металла на инструмент.

В зависимости от того, какие примеси присутствуют в алюминии, наблюдаются изменения его коррозионных, физических, механических и технологических свойств. Большинство примесей отрицательно сказываются на электропроводности алюминия. Наиболее распространенные примеси: железо, кремний. Железо, наряду с электропроводностью, снижает пластичность и коррозионную стойкость, повышает прочностные свойства алюминия. Присутствие железа в сплавах алюминия с кремнием и магнием отрицательно сказывается на свойствах сплава. Только в тех сплавах алюминия, где присутствует никель, железо считается полезной примесью.

Наиболее распространенная примесь в алюминиевых сплавах - кремний. Данный металл, а также медь, магний, цинк, марганец, никель и хром вводят в алюминиевые сплавы как основные компоненты. Соединения CuAl₂, Mg₂Si, CuMgAl₂- эффективно упрочняют алюминиевые сплавы.

Основные легирующие элементы в алюминиевых сплавах. Марганец повышает коррозионную стойкость. Кремний является основным легирующим элементом в ряде литейных алюминиевых сплавов (силуминов), поскольку он участвует в образовании эвтектики.

Ni, Ti, Сг, Fе повышают жаропрочность сплавов, затормаживая процессы диффузии и образуя стабильные сложнолегированные упрочняющие фазы. Литий в сплавах способствует возрастанию их модуля упругости. Вместе с тем магний и марганец снижают тепло- и электропроводность алюминия, а железо - его коррозионную стойкость.

Маркировка алюминиевых сплавов. В настоящее время одновременно применяют две маркировки сплавов: старую буквенно-цифровую и новую цифровую. Наряду с этим имеется буквенно-цифровая маркировка технологической обработки полуфабрикатов и изделий, качественно отражающая механические, химические и другие свойства сплава.

Классификация алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы в основном подразделяются на деформируемые и литейные, поскольку в производстве порошковых сплавов и композиционных материалов используются процессы пластической деформации и литья.

Алюминиевые сплавы разделяют по способности упрочняться термической обработкой на упрочняемые и не упрочняемые. Они могут подвергаться гомогенизационному, рекристализационному и разупрочняющему отжигу.

Хорошим сочетанием прочности и пластичности отличаются сплавы системы Аl--Сu--Мg - дюралюмины Д1, Д16, Д18, Д19 и др. Термическая обработка упрочняет дюралюмины, повышает их свариваемость точечной сваркой. Они удовлетворительно обрабатываются резанием, но имеют склонность к межкристаллитной коррозии после нагрева. Значительное повышение коррозионной стойкости сплавов достигается плакированием.

В авиации дюралюмины применяют для изготовления лопастей воздушных винтов (Д1), силовых элементов конструкций самолетов (Д16, Д19).

Высокопрочные сплавы системы Аl--Zn--Мg--Сu (В93, В95, В96Ц) характеризуются большими значениями временного сопротивления (до 700 МПа). При этом достаточная пластичность, трещиностойкость и сопротивление коррозии достигаются режимами коагуляционного ступенчатого старения (Т2, ТЗ), а также применением сплавов повышенной (В95кч) и особой (В95оч) чистоты.

Высокомодульный сплав 1420 обладает благодаря легированию алюминия литием и магнием (система Аl--М-Li) пониженной (на 11 %) плотностью и одновременно повышенным (на 4 %) модулем упругости.

Ковочные сплавы АК6 и АК8 (система Аl--М-Si--Cu) при горячей обработке давлением обладают высокой пластичностью. Они удовлетворительно свариваются, хорошо обрабатываются резанием, но под напряжением склонны к коррозии. Для обеспечения коррозионной стойкости детали из сплавов АК6 и АК8 анодируют или покрывают лакокрасочными материалами. Из ковочных сплавов изготавливают ковкой и штамповкой детали самолетов, работающие под нагрузкой. Эти сплавы способны работать при криогенных температурах.

Жаропрочные алюминиевые сплавы системы А1-Си-Мп (Д20, Д21) и Аl--Сu--Мg--Fе--Ni (АК4-1) применяют для изготовления деталей (поршни, головки цилиндров, диски), работающих при повышенных температурах (до 300 °C). Жаропрочность достигается за счет легирования сплавов никелем, железом и титаном, затормаживающими диффузионные процессы и образующими сложнолегированные мелкодисперсные упрочняющие фазы, устойчивые к коагуляции при нагреве. Сплавы обладают высокой пластичностью и технологичностью в горячем состоянии.

Литейные алюминиевые сплавы.

Основные требования к сплавам для фасонного литья - это сочетание хороших литейных свойств (высокой жидкотекучести, небольшой усадки, малой склонности к образованию горячих трещин и пористости) с оптимальными механическими и химическими (сопротивление коррозии) свойствами. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы эвтектического состава.

5. Как взаимодействует алюминий и его сплавы с газовой атмосферой и футеровкой печей

Плавка алюминиевых сплавов сопряжена с их сильным окислением и насыщением газами, что предопределяет особенности загрузки и расплавления шихты, а также обработки получаемых сплавов. Загрузку сначала производят чушковыми материалами, затем отходами изделий и лигатурами с тугоплавкими элементами. После этого загружают легкоплавкие лигатуры и соответствующие элементы. Плавку ведут под слоем флюса и ускоренно во избежание излишнего окисления. Перед разливкой сплавы рафинируются продувкой газообразным хлором или обработкой хлористыми солями цинка, марганца, бора. В результате взаимодействия сплава с солями хлора образуется газообразный хлористый алюминий, очищающий металл от газов и неметаллических частиц. [1]

Тигельная печь для плавки.

Плавка алюминиевых сплавов производится в тигельных и электрических печах сопротивления и индукционных. Вначале плавят чушковый алюминий и лом под слоем флюса (50 % NaCl 50 % СаСЬТ, а затем в ванну добавляют лигатуры для получения сплава определенного химического состава. [2]

Плавильные печи для плавки алюминиевых сплавов.

Плавка алюминиевых сплавов под флюсом проходит в такой последовательности: шихтовые материалы плотно укладывают в тигель или печь и сверху засыпают флюсами. Загружают и расплавляют металл по частям: сначала расплавляют примерно треть шихты, потом остаток шихтового материала подогревают до 100 - 120 С для удаления влаги с поверхности и погружают в расплавленный металл под флюсом. Плавку алюминиевых сплавов для литья в землю, а также для литья под давлением осуществляют в индукционных печах типа ИПА, питаемых током промышленной частоты; в печах первичным витком является тигель, а вторичным - индуктор. Плавку сложнолегированных алюминиевых сплавов с высоким содержанием магния проводят только в графитовых тиглях в связи с минимально допустимым содержанием вредных примесей железа и кремния. Процесс плавки алюминиевых сплавов представляет ряд трудностей вследствие сильного окисления сплавов и насыщения их газами при нагревании свыше 800 С. При плавке алюминиевых сплавов и алюминиевых бронз содержащийся в сплаве алюминий химически взаимодействует с футеровкой, при этом он активно восстанавливает кремний из кремнезема п лукислой или алюмосиликатной футеровки. При плавке алюминиевых сплавов, содержащих магний, медь и марганец, вначале в печь загружают чушковый алюминий и силумин, затем лигатуры и чушковые отходы. Магний вводят после рафинирования при 720 - 730 С с помощью окрашенного колокольчика, после чего сплавы модифицируют и разливают. Рассматривая условия плавки алюминиевых сплавов, можно прийти к заключению, что газонасыщенность и пористость сплавов определяются количеством растворимого водорода, а наличие неметаллических включений (окислов, карбидов, сульфидом и др.) реакциями алюминия с другими газами - кислородом и азотом. При значительном количестве раковин, пор и неметаллических включений, когда они распределяются в металле в неблагоприятной форме-в виде цепочек, по границам зерен, в виде крупных скоплений внутри зерна, пластичность алюминия и его сплавов может резко понизиться. При обычных условиях плавки алюминиевых сплавов сера и ее соединения уходят в шлак и практически не оказывают вредного влияния в смысле образования пористости или шлаковых включений в отливках. Примерно такое же действие оказывают азот, фосфор и углерод. Присутствие этих элементов в алюминии в пределах сотых долей процента почти не влияет на его механические свойства. Основными особенностями при плавке алюминиевых сплавов являются их склонность к поглощению газов - особенно водорода - и легкая окисляемость. Основными особенностями при плавке алюминиевых сплавов являются их склонность к поглощению газов - особенно водорода и легкая окисляемость. При плавке медных сплавов коэффициент мощности печей составляет 0 66 - - 0 75; при плавке алюминиевых сплавов он понижается до 0 3 - 0 4, поэтому в последнем случае применяют статические конденсаторы, с помощью которых коэффициент мощности повышают до 0 8 и выше.

6. Назовите основные источники газонасыщения алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы в жидком состоянии активно взаимодействуют с кислородом, водородом, азотом, углеродом, которые присутствуют в составе шихты, атмосфере окружающей среды, футеровке печи, огнеупорных материалах, что и является источниками газонасыщения расплава.

Какие печи применяются для плавки алюминиевых сплавов

К конструкции печей для плавки алюминиевых сплавов предъявляют ряд требований: печи должны обеспечивать максимальную производительность и наименьший удельный расход топлива; широкая механизация работ по загрузке шихты и по всем трудоемким операциям приготовления расплава и обслуживания плавильной ванны; равномерный прогрев ванны с тем, чтобы исключить недопустимые перегревы; максимальная скорость расплавления шихты; оптимальные геометрические характеристики рабочего пространства - увеличение отношения глубины ванны к поверхности расплава (с целью уменьшения поверхности контакта печной атмосферы с зеркалом расплавленного металла); получение высоких технико-экономических показателей: минимальных безвозвратных потерь металла, удельных расходов топлива, удельного использования производственных площадей, удельной трудоемкости, минимальных себестоимостей тонны литья и ряд других. Подавляющее большинство печей, применяемых в отечественной металлургии алюминиевых сплавов, имеет принципиально одинаковую конструктивную схему. Печи состоят из следующих основных частей: рабочего пространства (ванны), сжигательных устройств и установки для использования тепла отходящих продуктов горения - рекуператора. Рабочее пространство и рекуператор соединены вертикальными дымоотводами - опусками. Большинство плавильных печей, применяемых в отечественной металлургии алюминиевых сплавов, работает на природном газе. В отдельных случаях применяют мазут и генераторный газ. Печь обслуживается с плавильной площадки, а ниже уровня пола цеха в приямке располагается керамический рекуператор. На фронтовой стенке рабочего пространства (ванны печи) размещены окна, через которые загружают шихту и чистят ванну, Размеры окон рассчитаны на проход мульды. На противоположной стенке находится карман, куда вводится сифон, передающий металл в миксер. Применение отражательных печей большой емкости с открывающимся полностью фронтом позволило механизировать загрузку шихты с помощью мульдозавалочных машин, снятие шлака и чистку ванны. Для выполнения операций, связанных с приготовлением расплава, например, Специальное внимание уделяют выбору типа рекуператора для установки на крупные плавильные печи. В спусках печей температура отходящих газов в период плавки и перегрева металла составляет 1150-1180 °С. Следовательно, рекуператоры должны удовлетворять двум требованиям: обладать устойчивостью против воздействия флюсов, содержащихся в дымовых газах, и высокой теплостойкостью. Общим этим требованиям в условиях крупных плавильных печей наилучшим образом удовлетворяют керамические рекуператоры. Поэтому большинство печей оснащено рекуператорами этого типа, несмотря на их известные недостатки: большие размеры и вес, малую газоплотность, меньшие по сравнению с металлическими значения коэффициентов теплопередачи и необходимость работы дутьевых вентиляторов на отсосе, т. е. на горячем воздухе. Кладка стенок и подины ванны должна обладать достаточной механической прочностью, плотностью, химической пассивностью при взаимодействии с расплавом. Для футеровки ванн до последнего времени применяли два вида материалов: шамот и магнезит. Весьма широко использовали шамотный кирпич, отличающийся невысокой стоимостью и большой термической стойкостью. Однако его серьезные недостатки как футеровочного материала привели к необходимости поисков и применения других видов огнеупоров. Шамот вступает в химическое взаимодействие с алюминиевым расплавом. В результате восстановления алюминием кремнезема футеровки повышается содержание кремния в металле, что крайне нежелательно для ряда сплавов. Алюминий способен глубоко проникать в шамотную футеровку ванны. Проникновение металла и его химическое взаимодействие с кладкой приводят к повреждениям ее отдельных участков, росту безвозвратных потерь алюминия и металлизации подины с превращением ее в массивный монолит. Это значительно затрудняет ремонт печи и увеличивает потери тепла. Наконец, при шамотной футеровке ванна сравнительно быстро зарастает окислами металла, что уменьшает ее полезный объем. Второй футеровочный материал - магнезит из-за большой плотности препятствует проникновению алюминиевого расплава и не вступает с ним в химические реакции. Недостаток магнезита - его сравнительно низкая термостойкость. Более высокую термостойкость имеет хромомагнезит. Он хорошо препятствует проникновению алюминия в кладку ванны. Но при хромомагнезитовых футеровках повышается содержание в расплаве хрома. Для предотвращения прорыва металла через кладку в любых по конструкции и размерам ваннах плавильных печей необходимо укладывать по всей площади подины и стенок засыпку толщиной 60-70 мм из мелкого магнезитового порошка. Индукционные плавильные печи. Индукционный нагрев металлов основан на том, что тело, помещенное в переменное магнитное поле, нагревается индуктируемыми в нем токами. В зависимости от взаимного расположения индуктора и нагреваемого металла печи конструктивно могут быть выполнены в двух вариантах: 1. нагреваемый металл находится в кольцевом желобе или каналах, расположенных вокруг индуктора с сердечником, и является вторичным контуром; 2. нагреваемый металл находится в тигле, помещенном в полость индуктора. Первый тип носит название индукционных печей с сердечником (канальные печи); второй - индукционных печей без сердечника (тигельные печи). В зависимости от частоты питающего тока индукционные печи могут быть низкой (промышленной), повышенной и высокой частоты. Плавление в индукционных канальных печах по сравнению с плавлением в отражательных печах имеет некоторые особенности. В индукционной канальной печи в отличие от пламенной шихта плавится под слоем расплава, защищенного с поверхности окисной пленкой, что полностью исключает соприкосновение расплавляющегося металла с атмосферой печи. Температура металла, проходящего через каналы печи, в некоторых случаях достигает 900-1000 °С, однако температура потока металла, вышедшего из канала, резко снижается вследствие высокой теплопроводности и интенсивного перемешивания расплава. Поверхностные слои металла работающей печи либо покрыты коркой (в период расплавления шихты), либо имеют наиболее низкую температуру. Индукционные канальные печи обеспечивают перемешивание расплава, что улучшает теплообмен и гомогенность расплава. В отличие от применявшихся ранее печей с вертикальными каналами в настоящее время работают печи, имеющие горизонтальные каналы с небольшим наклоном. Замена вертикальных каналов горизонтальными снижает гидростатическое давление и, таким образом, облегчает условия работы подового камня. Однако с уменьшением гидростатического давления облегчается возникновение так называемого сжимающего эффекта, т.е. уменьшение сечения металла в каналах под действием электродинамических сил. Возникновение сжимающего эффекта нежелательно по ряду причин. Разрыв витка в канале приводит к прекращению действия сжимающего эффекта. Поскольку уровень металла в ванне значительно выше уровня каналов, то после окончания действия сжимающего эффекта под действием гидростатического давления потоки металла в канале устремляются навстречу один другому, что приводит к появлению резких «толчков» давления, действие которых усугубляется многократным и частым их повторением. При определенных величине тока в канале и высоте уровня металла в ванне, его температуре и сечении каналов металл в канале пережимается не полностью, а возникает лишь частичное уменьшение сечения, что приводит к увеличению сопротивления витка из расплавленного металла. Это вызывает резкое местное повышение температуры металла в канале, чрезмерный перегрев футеровки и может служить причиной ее оплавления. Практика эксплуатации показывает, что на вероятность возникновения сжимающего эффекта большое влияние оказывает температура металла. Поскольку вторичная обмотка печного трансформатора представлена витком из расплавленного металла, находящегося в каналах и ваннах печи, то объем металла, заключенный в канале под действием электродинамических сил, приобретает направленное движение. По мере движения по каналу металл нагревается и наиболее высокую температуру приобретает на выходе из него. Индукционные канальные печи. В России индукционные плавильные печи с сердечником и закрытыми каналами начали строиться с 1930 г. первоначально для плавки латуни, а затем для плавки других металлов. По мере совершенствования печей возрастала их емкость. Конструктивно печь представляет собой корпус прямоугольной формы из профильной и листовой стали Основные части печи: две ванны -- загрузочная и сливная, соединенные между собой прямоугольными каналами, выполненными в подовом камне, а также средняя камера, предназначенная для установки печного трансформатора. Печной трансформатор состоит из магнитопровода, выполненного в виде верхнего и нижнего ярма и трех кернов, на которые надеты индукторы, служащие первичной обмоткой трансформатора. Вторичный контур - расплавленный металл, находящийся в каналах и ваннах, причем при сливе готовой плавки часть расплава, необходимая для создания вторичного витка (т. н. «болото»), всегда остается в печи Индукторы имеют водяное охлаждение, в рабочем режиме соединяются по схеме треугольника, а при сушке и спекании футеровки, производящихся сразу же после пуска печи. Цапфами печь опирается на четыре специальных подшипника, причем передние цапфы расположены на уровне сливного носка. Печь питается от силового трансформатора. На низкой стороне трансформатор имеет семь ступеней напряжения в диапазоне от 910 до 1114 в для регулирования снимаемой мощности. Для сушки футеровки и поддержания «болота» в жидком состоянии печь снабжена автотрансформатором мощностью 220 кВа с напряжением на вводе 380 в и пятью ступенями напряжения в диапазоне от 76 до 456 в. Для компенсации коэффициента мощности параллельно индукторам подключена конденсаторная батарея мощностью 2880 кВа. Для сливки металла печь наклоняется гидравлической установкой. Футеровка печи состоит из двух частей: подового камня с каналами, изготовляемого набивкой из специальной огнеупорной массы, и выкладываемых из кирпича стенок ванн. Конструктивно подовой камень представляет собой монолитный блок с тремя вертикальными прямоугольными отверстиями для индукторов и четырьмя горизонтальными прямоугольными каналами сечением 60Ч120 мм, длиной 1700-1800 мм (большая длина относится к крайним каналам), расположенными между отверстиями для индукторов. Подовый камень работает в наиболее тяжелых условиях, поскольку для уменьшения магнитного потока рассеяния стенки каналов изготовляют возможно меньшей толщины, в результате чего создается значительный температурный градиент. Одним из основных препятствий, долгое время затруднявших применение индукционных канальных печей для плавки алюминия, была склонность к так называемому зарастанию каналов, т.е. постепенному осаждению окислов и шлаков на стенках с уменьшением их живого сечения. Зарастание каналов ускоряется при высоком содержании в расплаве кремния, железа и магния, при плавлении сильно окисленной шихты и низком уровне «болота», а также при работе на пониженной мощности, что ведет к снижению скорости движения металла в каналах. Шлаки и окислы удаляют со стенок каналов с целью восстановления их первоначального сечения с помощью специальных машин. Индукционные тигельные печи промышленной частоты. Индукционные плавильные тигельные печи промышленной частоты в настоящее время применяют для переплава отходов алюминия и его сплавов. Конструктивно печь представляет собой тигель из огнеупорного материала, окруженный индуктором и установленный на подине, укрепленной в металлическом каркасе. Вся печь с помощью гидравлических цилиндров может поворачиваться для слива металла вокруг оси. Состояние тигля и наличие утечек на землю контролируется сигнализатором утечки, позволяющим своевременно определять сроки ремонтов. Тигель печи изготовляют из жаростойкого бетона или набивной массы. Высокая производительность индукционных печей при небольшой производственной площади, занимаемой печью, обеспечивает получение наиболее высокого съема металла с единицы производственной площади. Для обеспечения дальнейшего повышения технологических показателей работы и качества выплавляемого металла конструкция индукционных канальных печей должна совершенствоваться в следующих направлениях: а) создание однованных со съемными индукционными единицами печей и миксеров с обеспечением эффективного рафинирования и разлива под слоем нейтральной газовой среды; б) создание и внедрение высокопрочных и термически стойких составов футеровочных масс, не смачиваемых алюминием и его окислами, что в свою очередь позволит значительно упростить и улучшить конструктивное решение узла - подовый камень - магнитная система; в) разработка оптимальных компоновок плавильно-литейных агрегатов и внедрение в производство более современных способов перелива металла. Электрические плавильные печи сопротивления и литейные миксеры. Преимущество печей типа САН: получение металла достаточно высокого качества и сравнительно высокий к.п.д. - 55-60 % (при правильно выбранной конструкции и хорошем монтаже). Однако эти печи отличаются рядом недостатков: а) нагреватели могут размещаться только на своде и иметь небольшую удельную мощность, составляющую 30-35 кВт/м². Это приводит к увеличению размеров зеркала ванны при малой ее глубине, а также площади, занимаемой всей печью; б) низкой производительностью, не превышающей для печей емкостью 7 т 800-900 кг/ч; в) трудностями эксплуатации, связанными с частым выходом из строя нагревательных элементов из-за попадания на них частиц расплавленного металла и флюсов, и невозможностью механизировать процессы загрузки и приготовления расплава; г) по перечисленным причинам нецелесообразно строить печи большой емкости, так как они будут иметь низкие технико-экономические показатели: удельный съем металла с 1 м² площади и высокую трудоемкость работ при эксплуатации. Перечисленные недостатки печей типа САН привели к практически полной замене их пламенными отражательными печами. Литейные миксеры. Качество расплава во многом зависит от литейных миксеров. Их атмосфера должна содержать минимальное количество водяных паров. Глубина ванны желательна возможно большая. Заданную температуру металла необходимо поддерживать с достаточной точностью, а перепад температур по объему расплава должен быть минимальным. В настоящее время миксеры работают на двух видах обогрева - пламенном и электрическом. Электрические миксеры имеют существенное преимущество, поскольку они частично дегазируют и, во всяком случае, не увеличивают газонасыщенности металла. Но вместе с тем у них есть и эксплуатационные недостатки. Нагревательные элементы в электрических миксерах могут располагаться только на своде. Размещение их в пазах кладки свода создает большую степень экранизации, что в сочетании с воздействием на них рафинирующих средств и частиц металла приводит к сравнительно частому выходу их из строя. Смена и обслуживание нагревателей связаны с определенными трудностями. В условиях эксплуатации весьма ответственная часть миксера - узел электронагревателей. Способы их размещения определяют также и конструкцию свода. Рабочее пространство по ширине перекрыто двумя рядами блоков, каждый из которых на тягах подвешен к двутавровой балке. Балка несет четыре блока и опирается на металлоконструкцию каркаса миксера. При выборе мощностей электронагревателей миксеров следует учитывать условия компенсации тепловых потерь. Но в процессе приготовления расплава в ряде случаев возникает необходимость поднять температуру ванны миксера на 40-50° С в сравнительно короткие промежутки времени. Поэтому нагреватели рассчитывают на мощности выше тех, которые необходимы для компенсации тепловых потерь. Практически миксеры с емкостями ванн 25-35 т имеют тепловую мощность 400-500 кВт. Удельный расход электроэнергии на 1 т расплава составляет 80-85 кВт*ч/т. перемешиванием, необходимо обеспечить перемещение хобота по всей длине ванны печи.

7. Каков порядок плавки алюминиевых сплавов

При плавке и разливке на воздухе алюминиевые сплавы легко окисляются и насыщаются водородом, причем вредное влияние растворенных газов на качество отливок заметно уже при небольших количествах их в расплаве. Практикой установлено, что предельно допустимое количество водорода в алюминиевых сплавах, позволяющее получать качественное литье, оценивается 0,1--0,20 см³/100 г металла. Поэтому основное внимание при плавке уделяют предупреждению излишнего окисления и газонасыщения сплава. Учитывая вредное влияние примесей в алюминиевых сплавах, стремятся также получить сплав с минимальными количествами этих примесей, особенно железа.