Сплавы алюминия (порошковые и гранулированные)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

БЕЛГОРОДСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

(НИУ  «БелГУ») 
 

Факультет Бизнеса и сервиса 
 

Кафедра технологии продуктов  питания и сферы  услуг 
 
 
 

     РЕФЕРАТ

     По  дисциплине «Материаловедение»

     На  тему: «Сплавы алюминия (порошковые и гранулированные)» 
 
 
 
 

     Выполнила:

     Студентка группы 170909                                                  Плотникова Ю.Г.

     Проверила:                                                                          Ткаченко Г. И. 
 
 
 
 
 

     Белгород, 2011

Содержание 

Введение…………………………………………………………………………...3   1.Сплавы на основе алюминия…………………………………………………..4

2.Порошковые сплавы алюминия………………………………………………6

3.Гранулированные сплавы алюминия……………………………………….13

Заключение………………………………………………………………………16

Список  используемой литературы…………………………………………….17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     Алюминий — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группелёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости химический элемент в земной коре (после кислорода и кремния).

     Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий,  парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия.

     Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году действием амальгамы калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути.

     Современный метод получения  был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al₂O₃ в расплаве  криолита Na₃AlF₆ с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.

Для производства 1 т алюминия чернового требуется 1,920 т глинозёма, 0,065 т криолита, 0,035 т фторида алюминия, 0,600 т анодной массы и 17 тыс. кВт·ч электроэнергии постоянного тока. 
 
 

1. Сплавы  на основе алюминия

     В качестве конструкционного материала обычно используют не чистый алюминий, а разные сплавы на его основе.

      Алюминиево-магниевые Al-Mg. Характеризуются сочетанием удовлетворительной прочности, хорошей пластичности, очень хорошей свариваемости и коррозионной стойкости. Кроме того, эти сплавы отличаются высокой вибростойкостью. Наиболее широкое распространение в промышленности получили сплавы с содержанием магния от 1 до 5 %. Рост содержания Mg в сплаве существенно увеличивает его прочность. Каждый процент магния повышает предел прочности сплава на 30 МПа, а предел текучести — на 20 МПа. Сплавы с содержанием магния до 3 % (по массе) структурно стабильны при комнатной и повышенной температуре даже в значительно нагартованном состоянии. Увеличение содержания магния свыше 6 % приводит к ухудшению коррозионной стойкости сплава. Для улучшения прочностных характеристик сплавы системы Al-Mg легируют хромом, марганцем, титаном, кремнием или ванадием. Попадания в сплавы этой системы меди и железа стараются избегать, поскольку они снижают их коррозионную стойкость и свариваемость.

     Алюминиево-марганцевые Al-Mn. Сплавы этой системы обладают хорошей прочностью, пластичностью и технологичностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.

     Основными примесями в сплавах системы Al-Mn являются железо и кремний. Оба этих элемента уменьшают растворимость марганца в алюминии. Для получения мелкозернистой структуры сплавы этой системы легируют титаном. Присутствие достаточного количества марганца обеспечивает стабильность структуры нагартованного металла при комнатной и повышенной температурах.

     Алюминиево-медные Al-Cu (Al-Cu-Mg). Механические свойства сплавов этой системы в термоупрочненном состоянии достигают, а иногда и превышают, механические свойства низкоуглеродистых сталей. Эти сплавы высокотехнологичны. Однако у них есть и существенный недостаток — низкое сопротивление коррозии, что приводит к необходимости использовать защитные покрытия.

     В качестве легирующих добавок могут встречаться марганец, кремний, железо и магний. Причем наиболее сильное влияние на свойства сплава оказывает последний: легирование магнием заметно повышает предел прочности и текучести. Добавка кремния в сплав повышает его способность к искусственному старению. Легирование железом и никелем повышает жаропрочность сплавов второй серии. Нагартовка этих сплавов после закалки ускоряет искусственное старение, а также повышает прочность и сопротивление коррозии под напряжением.

     Сплавы системы Al-Zn-Mg (Al-Zn-Mg-Cu). Сплавы этой системы ценятся за очень высокую прочность и хорошую технологичность. Представитель системы — сплав 7075 является самым прочным из всех алюминиевых сплавов. Эффект столь высокого упрочнения достигается благодаря высокой растворимости цинка (70 %) и магния (17,4 %) при повышенных температурах, резко уменьшающейся при охлаждении.

     Однако существенным недостатком этих сплавов является крайне низкая коррозионная стойкость под напряжением. Повысить сопротивление коррозии сплавов под напряжением можно легированием медью. Нельзя не отметить открытой в 60-е годы закономерности: присутствие лития в сплавах замедляет естественное и ускоряет искусственное старение. Помимо этого, присутствие лития уменьшает удельный вес сплава и существенно повышает его модуль упругости. В результате этого открытия были разработаны новые системы сплавов Al-Mg-Li, Al-Cu-Li и Al-Mg-Cu-Li.

     Алюминиево-кремниевые сплавы (силумины) лучше всего подходят для литья. Из них часто отливают корпуса разных механизмов.

Комплексные сплавы на основе алюминия: авиаль. Алюминий переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 1,2 кельвина.

2. Порошковые сплавы алюминия

     В промышленности используются также и алюминиевые порошки. Применяются в металлургической промышленности: в алюминотермии, в качестве легирующих добавок, для изготовления полуфабрикатов путём прессования и спекания. Этим методом получают очень прочные детали (шестерни, втулки и др.). Также порошки используются в химии для получения соединений алюминия и в качестве катализатора (например, при производстве этилена и ацетона). Учитывая высокую реакционную способность алюминия, особенно в виде порошка, его используют во взрывчатых веществах и твёрдом топливе для ракет, используя его свойство быстро воспламеняться.

     Учитывая высокую стойкость алюминия  к окислению, порошок используются  в качестве пигмента в покрытиях  для окраски оборудования, крыш, бумаги в полиграфии, блестящих  поверхностей панелей автомобилей.  Также слоем алюминия покрывают  стальные и чугунные изделия  во избежание их коррозии.

     Методы получения порошков. Методами порошковой металлургии можно получать сплавы из металлов, не растворяющихся друг в друге при расплавлении, а также сплавы из тугоплавких металлов и металлов особо высокой чистоты. Порошковой металлургией изготовляют как заготовки, так и разнообразные детали точных размеров. Порошковая металлургия позволяет получать пористые материалы и детали из них, а также детали, состоящие из двух (биметаллы) или нескольких слоев различных металлов и сплавов. Методы порошковой металлургии позволяют получить материалы и детали, обладающие высокой жаростойкостью, износостойкостью, твердостью, с заданными стабильными магнитными свойствами, особыми физико-химическими, механическими и технологическими свойствами, которые невозможно получить методами литья или обработкой давлением.

     Процесс производства деталей и изделий из порошковых материалов заключается в приготовлении металлического порошка, составлении шихты, прессовании и спекании заготовок. Металлические порошки получают механическими и физико-химическими методами.  
       При механических методах порошки вырабатывают измельчением твердых или распылением жидких металлов без изменения их химического состава.  Для измельчения твердых хрупких материалов применяют шаровые, вихревые и вибрационные мельницы. Измельчение обрабатываемого материала производят ударным и истирающим действием шаров (стальных или чугунных). Следует учитывать, что при получении металлических порошков механическими методами возможно их загрязнение. 
     Шаровая мельница состоит из стального барабана, в который загружают размалывающие шары и обрабатываемый материал. Частицы порошка, поученного в шаровых мельницах, имеют вид неправильных многогранников размерами 100- 1000 мкм.  Размол в вихревых мельницах более интенсивен, чем в шаровых. В камере вихревой мельницы имеется два пропеллера, которые, вращаясь в противоположные стороны, создают пересекающиеся воздушные потоки. Материал (рубленая проволока, стружка, обрезки и другие мелкие кусочки), загруженный в камеру, захватывается воздушными потоками и за счет взаимного соударения дробится на частицы размером от 50 до 200 мкм. Полученные частицы имеют тарельчатую форму и зазубренные края.

    Для получен и я тонких порошков из хрупких карбидов металлов и окислов применяют вибрационные мельницы. Вибромельницы наиболее пронзительны, их работа основана на высокочастотном воздействии на измельчаемый материал стальных шаров и цилиндров за счет совершения барабаном мельницы круговых колебаний высокой частоты.

     Для получения порошков из  олова, свинца, алюминия, меди, а также  из железа и стали применяют распыление струи жидкого металла кинетической энергией воздуха, воды, пара или инертных газов. Полученные частицы порошка имеют размеры 50-350 мкм и форму, близкую к сферической.

     При получении порошков физико-химическими методами происходят изменения химического состава и свойств исходного материала. Основными физико-химическими методами являются химическое восстановление металлов из окислов, электролиз расплавленных солей, карбонильный метод и метод гидрогенизации.

   Химическое восстановление окислов  металлов осуществляют газообразным и или твердыми восстановителями. В качестве газообразных восстановителей широко используют природный, доменный и углекислый газы, а также водород. Получающуюся при химическом восстановлении металлическую губку подвергают размолу. Среди физико-химических методов получения порошков этот метод наиболее дешевый. Порошки чистых и редких металлов (тантала, циркония и др.) в виде дендритов величиной 1-100 мкм получают электролизом расплавленных солей металлов. Электролиз позволяет получать чистые порошки из загрязненного сырья. Карбонильный метод позволяет получать порошки магнитного железа, никеля и кобальта в виде сфероидов величиной 1—800 мкм. Получающийся этим методом продукт при температуре 200—300°С распадается на порошок металла и окись углерода. В основе метода гидрогенизации лежит восстановление хрома гидратом кальция. Получающаяся при этом известь вымывается водой, а порошок металла состоит из дендритов величиной 8-20 мкм.

 Порошки, полученные физико-химическими методами, являются наиболее тонкодисперсными и чистыми. В зависимости от размера частиц порошки классифицируют по гранулометрическому составу на ультра- тонкие до 0,5 мкм, очень тонкие 0,5-10 мкм, тонкие 10-40 мкм, средней тонкости - 40-150 мкм и крупные 150-500 мкм.

Характеристиками  основных технологических свойств  порошков являются насыпная масса, текучесть, прессуемость и спекаемость.

 Насыпная  масса - масса 1 см¹ свободно насыпанного порошка в Раммах. Если порошок имеет постоянную насыпную массу, то при спекании будет обеспечиваться постоянная усадка. Один и тот же порошок может иметь различную насыпную массу в зависимости от способа получения. Для изготовления высокопористых изделий следует использовать порошки с малой насыпной массой, а для разнообразных деталей приборов и машин — с большой насыпной массой.

  Текучесть - способность порошка заполнять форму. Она характеризуется скоростью прохождения порошка через отверстие определенного диаметра. С уменьшением размера частиц порошка его текучесть ухудшается. Текучесть в большей степени влияет на равномерность заполнения формы порошком и на скорость уплотнения при прессовании.

  Прессуемость— способность порошка уплотняться под действием внешней нагрузки и характеризуется прочностью сцепления частиц порошка после прессования. На прессуемость оказывают влияние пластичность материала, размер и форма частиц порошка. С введением в состав порошков поверхностно-активных веществ прессуемость их повышается. Под спекаемостью понимают прочность сцепления частиц, возникающую в результате термической обработки прессованных заготовок.

  Приготовление шихты. Дозированные порции порошков определенного химического и гранулометрического состава и технологических свойств смешивают в барабанах, мельницах и других устройствах. При необходимости особо равномерного перемешивания шихты применяют добавки спирта, бензина, глицерина и дистиллированной воды. Иногда в процессе смешивания вводят технологические присадки различного назначения: пластификаторы, облегчающие прессование (парафин, стеарин, глицерин и др.), легкоплавкие присадки, летучие вещества, позволяющие получать изделия с заданной пористостью.

Формование  заготовок и изделий. Прессование  порошков в холодном или горячем состоянии осуществляют прокаткой и другими способами. При холодном прессовании в матрицу пресс-формы засыпают шихту и рабочим пуансоном производят прессование. После снятия давления изделие выпрессовывают из матрицы выталкивающим пуансоном. В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругой и пластической деформациям, при этом резко увеличивается контакт между частицами порошка и уменьшается пористость, что дает возможность получить заготовку нужной формы и достаточной прочности. Прессование выполняют на гидравлических или механических (эксцентриковых кривошипных) прессах. Давление прессования составляет 200-1000 МПа в зависимости от состава порошка и назначения изделия.

  Широкое распространение получили прессы автоматического  действия. Шихта, загружаемая в приемный бункер, перемешается в заполняющий рукав под действием собственного веса. Рукав заканчивается над пресс-формой и может перемещаться по столу пресса. Положение нижнего выталкивающего пуансона определяет количество засыпаемого порошка, т.е. в данном случае дозировка и питание пресс-формы совмещаются. После заполнения пресс-формы рукав отходит в сторону и дает возможность произвести давление посредством верхнего рабочего пуансона. Заготовка выталкивается нижним пуансоном, а рукав перемещается для следующей засыпки, одновременно сталкивая заготовку со стола в специальный лоток. Такие прессы иногда снабжаются вращающимися столами, на которых устанавливается несколько пресс-форм. Производительность     автоматических прессов достигает несколько тысяч заготовок в час.

  При горячем прессовании  в пресс-форме изделие не только формуется, но и подвергается спеканию, что позволяет получать беспористый материал с высокими физико-механическими свойствами. Горячее прессование можно осуществлять в вакууме, в защитной или восстановительной атмосфере, в широком интервале температур (1200—1800°С) и при более низких давлениях, чем холодное прессование. Приложение давления обычно производится после нагрева порошков до требуемой температуры. Этим методом получают изделия из трудно деформируемых материалов (боридов, карбидов и др.).

     Прокатка металлических порошков является непрерывным процессом

получения изделий в виде лент, проволоки, полос  путем деформирования в холодном или горячем состоянии. Прокатку производят в вертикальном, наклонном и горизонтальном направлениях. Наилучшие условия формования изделия создаются при вертикальной прокатке. Сначала порошок из бункера поступает в зазор между вращающимися обжимными валками и обжимается в заготовку, которая направляется в проходную печь для спекания, а затем прокатывается в чистовых валках. Объем порошка при прокатке уменьшается в несколько раз. При прокатке ленты отношение диаметра валков к толщине ленты от 100: 1 до 300: 1. Скорость прокатки порошков меньше скорости прокатки литых металлов и ограничивается текучестью порошка. Поэтому линейная скорость поверхности вращающихся вал ков должна быть меньше скорости перемещения металлического порошка из бункера в зазор между валками. Прокаткой можно получать однослойные и многослойные изделия, ленты толщиной 0,025-3 мм и шириной до 300 мм, проволоку диаметром от 0,25 мм и более и т. д. Непрерывность процесса обеспечивает высокую производительность и возможность автоматизации.

  Для придания деталям и изделиям необходимой  прочности и твердости их подвергают спеканию. Операция спекания состоит в нагреве и выдержке изделий некоторое время в печи при температуре, примерно равной 0,6—0,8 температуры плавления основного компонента. Спекание производят в электропечах сопротивления, индукционным нагревом или путем непосредственного пропускания тока через спекаемое изделие. Для предотвращения окисления металлических порошков спекание ведут в аргоне, гелии, вакууме или в среде водорода. Во избежании коробления тонкие и плоские детали спекают под давлением. Для придания изделиям окончательной формы и точных размеров готовые изделия после спекания подвергают отделочным операциям: калиброванию, обработке резанием, химико-термической обработке и размерной обработке электрофизическими методами, повторному прессованию.

  Калибрование  заключается в продавливай и  и спеченного изделия через отверстие соответствующего сечения в пресс-форме. В результате калибрования происходит уточнение размеров изделия, полирование его поверхности и некоторое снижение пористости.

  Обработку резанием выполняют для получения  из прессованных заготовок деталей сложных форм (волоки для волочения, твердосплавные вставки и матрицы штампов и т.д.), для нарезания небольших по диаметру, но глубоких отверстий.

  Химико-термическую  обработку (азотирование, хромирование, цианирование и т. д.) выполняют так же, как и для металлов. Наличие пористости способствует более активному осуществлению химико-термических процессов.

  Электрофизические методы — электроискровую и электроимпульсную  обработку применяют для получения  деталей сложной формы. Сущность электроискровой обработки заключается  в использовании электроимпульсного искрового разряда между двумя электродами, один из которых является обрабатываемой заготовкой (анод), а другой - инструментом (катод). При электроимпульсной обработке применяют обратную полярность включения электродов. Это приводит к меньшему износу инструментов — электродов и повышению производительности в несколько раз, чем при электроискровой обработке. Эти методы основаны на использовании явления эрозии (разрушения) токопроводящих электродов при пропускании между ними импульсного электрического тока. В результате возникающего разряда температура на поверхности обрабатываемой заготовки — электрода возрастает за очень малый промежуток времени до 10000-12000°С, металл мгновенно оплавляется и испаряется. Удаленный металл застывает в среде диэлектрической жидкости в виде гранул.

  Повторное прессование используют для изготовления деталей сложной формы. Повторным  прессованием обеспечиваются заданные размеры и требуемая форма  заготовки, имеющей после первого  прессования более простую форму  и приближенные размеры. 

3. Гранулированные сплавы алюминия

     Гранулированные сплавы - конструкционные металлические материалы, полученные путём изостатического прессования при высоких давлениях (компактирования) мельчайших частиц (гранул) сплавов определенного химического состава, закристаллизовавшихся с высокой скоростью. Металлургия гранул - одно из перспективных направлений порошковой металлургии. В авиационной промышленности широкое применение находят гранулируемые сплавы на основе никеля, титана, алюминия.

     Технологическая схема изготовления  заготовок или деталей методом  металлургии гранул включает  следующие операции; приготовление  расплава, по химическому составу  соответствующего заданному сплаву; получение гранул (используются  методы центробежного распыления  заготовок, оплавляемых плазменной  дугой, распыления расплава сжатыми  инертными газами, центробежного  распыления расплава и др.); рассев  и сепарация гранул; дегазация  гранул и засыпка их в герметичные  металлические или керамические  формы; компактирование гранул  в заготовки с плотностью, близкой  к теоретической, методами горячего  изостатического прессования (в  специальных аппаратах - газостатах  или высокотемпературных гидростатах)  или в контейнерах обычных  гидравлических прессов. 

     Первичное компактирование может  дополняться прессованием, ковкой  или штамповкой, Компактные заготовки  подвергают затем термической  и механической обработке и  контролю качества.

 Важная  характерная особенность металлургии  гранул - высокая скорость затвердевания  капель металлического расплава: если затвердевание промышленных  слитков проходит при скорости  охлаждения менее 1°С/с, то при  затвердевании гранул размером  до 200-300 мкм скорость охлаждения  в интервале кристаллизации превышает  10 000°С/с.

 Высокие  скорости охлаждения, достигаемые  при кристаллизации гранул, в  сочетании с горячим изостатическим  прессованием обеспечивают ряд  преимуществ нового технологического  процесса: отсутствие в больших  объёмах зональной ликвации и  высокая однородность состава,  структуры и свойств изделий  даже из сложнолегированных сплавов;  значительно меньшая чувствительность  свойств к размерам заготовок  и деталей; измельчение структуры  сплава в сочетании со смещением  фазовых равновесий по диаграмме  состояния; возможность изготовления  деталей или точных заготовок  сложной формы при минимальной  трудоёмкости; резкое сокращение  расхода металла; возможность  получения изделий из сплавов  с повышенным содержанием легирующих  компонентов, а также создания  нового класса материалов переменного  химического состава, обеспечивающих  значительное повышение механических, эксплуатационных и многих специальных  характеристик. 

    Так, в сплавах алюминия с  переходными металлами в несколько  раз увеличивается растворимость  (пересыщение твёрдого раствора), что приводит к существенному  повышению конструкционной прочности  и жаропрочности. Гранулируемые  сплавы алюминия со свинцом,  которые невозможно получить  традиционным способом, значительно  превосходят известные алюминиевый  сплавы с оловом по антифрикционным  свойствам. 

     Гранулирование, приводя к многократному  измельчению хрупких первичных  кристаллов, даёт возможность, эффективно  деформируя брикеты, получать  изделия с низким коэффициентом  линейного расширения (сплавы алюминия  с высоким содержанием кремния)  и с хорошим сочетанием прочности  и электрической проводимости  при повышенных температурах (сплавы  алюминия с редкоземельными металлами).

     Из высоколегированных никелевых  сплавов, не поддающихся обработке  давлением из-за малой пластичности  в литом состоянии, методом  металлургии гранул изготовляются  диски газотурбинных двигателей. Предел прочности этих дисков  на 20%, а при высоких температурах  на 30% выше, чем у дисков, получаемых в серийном производстве обычными способами. Новая технология позволяет снизить массу деталей и увеличить ресурс.

     Наряду с гранулируемыми сплавами  на основе никеля, титана, алюминия  получают распространение и другие  гранулируемые материалы. Так,  гранулируемые быстрорежущие стали  обеспечивают значительно более  высокую стойкость режущего инструмента  и возможность замены дефицитных  легирующих элементов. Металлургия  гранул открывает широкие перспективы  для повышения свойств сплавов  на основе различных металлов.

     Метод гранулирования, обеспечивающий высокие скорости охлаждения при кристаллизации (10³ - 10⁵ град/с) позволяет:

     - резко диспергировать все структурные составляющие (эвтектические и первичные интерметаллиды, а также непосредственно твердый раствор);

     - образовывать аномально пересыщенные твердые растворы ряда переходных металлов в Аl;

     - легировать сплавы металлами, ранее не применявшимися для легирования деформируемых Аl сплавов (W, Мо,Со, PЗМ, Рb, Sn, In и др.).