Сплавы на базе алюминия

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение……………………………………………………………………..…….2

1. Сплавы на основе алюминия………………………………………...…….3
2. Состав……………………………………………………………………….5
3. Применение………………………………………………………………....8
1. Конструкционные алюминиевые сплавы………………………….8
2. Алюминий как добавка в другие сплавы ………………..………12

Заключение…………………………………………………………………….....13

Библиографический список……………………………………………….…….14

Приложение 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

   Алюминий (Al) - серебристо-белый металл. В природе встречается в виде минералов, преимущественно алюмосиликатов. Наиболее распространенными минералами являются боксит, алунит, нефлин, содержащие глинозем Al₂O₃. Получают алюминий при электролизе глинозема, Алюминий — легкий, пластичный металл, хорошо поддающийся обработке давлением (ковка, прокатка, волочение), обладающий высокой тепло- и электропроводностью. Плотность алюминия 2,7 г/см³, температура плавления 660°С, температура кипения 2500°С, термический коэффициент линейного расширения 24 x 10^-6, предел прочности 5—6 кгс/мм², твердость по Бринеллю 17 кгс/мм² (при прокатке прочность и твердость возрастают). На воздухе алюминий покрывается тонкой окисной пленкой, защищающей металл от дальнейшего окисления. Алюминий обладает химической стойкостью к азотной и органическим кислотам, пищевым продуктам. Легко растворяется в щелочах. Алюминий используют для получения различных сплавов и как лигатуру в сплавах на основе меди, титана, никеля, цинка, железа. Он применяется для раскисления стали перед литьем. Из сплавов на основе алюминия наиболее известны дюралюминий и магналий.

   Целью работы является более глубокое изучение теоретического материала по теме «Сплавы» на примере алюминия. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. СПЛАВЫ  НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ

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

• Алюминиево-магниевые Al-Mg. Сплавы системы Al-Mg характеризуются сочетанием удовлетворительной прочности, хорошей пластичности, очень хорошей свариваемости и коррозионной стойкости. Кроме того, эти сплавы отличаются высокой вибростойкостью.

В сплавах  этой системы, содержащих до 6 % Mg, образуется эвтектическая система соединения Al₃Mg₂ c твердым раствором на основе алюминия. 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. При этом относительное удлинение уменьшается незначительно и находится в пределах 30…35 %. Сплавы с содержанием магния до 3 % (по массе) структурно стабильны при комнатной и повышенной температуре даже в значительно нагартованном состоянии. С ростом концентрации магния в нагартованном состоянии структура сплава становится нестабильной. Кроме того, 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. СОСТАВ

     Алюминиевые сплавы делятся на две группы, применяемые  в деформированном виде (прессованном, катаном, кованом ) и на применяемые в литом виде. Границу между этими двумя группами сплавов определяет предел насыщения твердого раствора при эвтектической температуре

     По  физико-химическим и технологическим  свойствам все деформируемые  алюминиевые сплавы можно разделить  на следующие группы:

1)       малолегированные и термически не упрочненные сплавы;

2)       Сплавы, разработанные на базе систем: Al-Mg-Si, : Al-Mg-Si-Cu-Mn (АВ, АК6, АК8);

3)       Сплавы типа дуралюмин  (Д1, Д6, Д16 и др);

4)       Сплавы, разработанные на базе системы: Al-Mg-Ni-Cu-Fe (АК2, АК4, АК4-1);

5)       Сплавы типа В95, обладающие наибольшей прочностью при комнатной температуре.

     Дюралюминий имеет состав: алюминия 95%, меди 4%, марганца и магния по 0,5%. Достоинством сплава является его легкость, хорошие литейные свойства и прочность. Предпринимались попытки использовать дюралюминий для изготовления зубных протезов, однако они были оставлены из-за коррозионной неустойчивости сплава. Использование его в зубном протезировании в настоящее время не проводится. Из дюралюминия изготавливаются некоторые предметы оснастки зуботехнических лабораторий (кюветы, артикуляторы).

Д1, Д6, Д16, ДЗП и Д18П.

     Магналий — сплав, состоящий из 70% алюминия и 30% магния. По свойствам очень близок к дюралюминию. Применяется в стоматологии в тех же случаях, что и дюралюминий.

     Сплавы, разработанные на базе системы: Al-Mg-Ni-Cu-Fe. К этой группе относятся сплавы АК3, АК4, АК4-1, В95

     Сплавы, разработанные на базе систем: Al-Mg-Si, : Al-Mg-Si-Cu-Mn. Группа сплавов АВ, АК6, АК8.

     Типичный  химический состав и области применения алюминиевых деформируемых сплавов.   

3. ПРИМЕНЕНИЕ

     Широко  применяется как конструкционный  материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной плёнкой Al₂O₃, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.

     Основной  недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий). 

1. КОНСТУКЦИОННЫЕ  АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

     Начиная с 1955 года, институт (Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «ПРОМЕТЕЙ») разрабатывал высокопрочные свариваемые алюминиевые сплавы морского применения. Потребность в этих сплавах возникла в связи с необходимостью создания скоростного флота и судов с динамическими принципами поддержания (ДПП) – судов на подводных крыльях и воздушной подушке.

     Так как алюминиевые сплавы для морских  судов должны обладать высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью, авиационные алюминиевые сплавы, разработанные специально для клепаных (не сварных) конструкций самолетов  и имеющие низкую коррозионную стойкость  в морской среде, для судостроения не подходили. Были созданы алюминиево-магниевые  сплавы нового класса, которые имеют  высокую коррозионную стойкость  в морской среде и хорошо свариваются  всеми видами сварки плавлением. Для  повышения прочностных и коррозионных свойств сварных соединений из этих сплавов не требуется проведения дополнительной термической обработки – их прочность и коррозионная стойкость практически не отличаются от аналогичных свойств исходного металла.

     Наиболее  перспективным является алюминиево-магниевый  сплав марки 1561, в котором благодаря  оптимальному химическому составу  и оригинальной технологии изготовления создана структура, обеспечивающая комплекс характеристик, значительно превосходящих параметры аналогичных зарубежных сплавов. Сплав 1561 в отожженном и горячекатаном состояниях имеет предел текучести не менее 180 – 210 МПа (в зависимости от типа полуфабриката), предел прочности не менее 340 МПа и прочность сварных соединений не менее 0,9 прочности основного металла. Более 40 лет сплав 1561 является основным конструкционным материалом для изготовления сварных корпусов отечественных скоростных судов на подводных крыльях и воздушной подушке.

     Благодаря широкому внедрению сплава 1561 было построено около 1000 судов на подводных  крыльях и воздушной подушке  типа «Комета», «Полесье», «Восход», «Колхида», «Ирбис», «Гепард», «Линда» и др. с пассажировместимостью от 30 до 300 человек. Из сплава 1561 были построены самый большой в мире экраноплан «Лунь», пассажировместимость которого составляет 150 человек.

     На  базе сплава 1561 был создан сплав 1561Н  с пределами текучести и прочности  не менее 250 МПа и 360 МПа соответственно.

     В 90-е годы ХХ века с целью повышения  прочности алюминиево-магниевых  сплавов институтом был разработан высокопрочный термически неупрочняемый сплав марки 1575, дополнительно легированный скандием. Сплав обладает уникально высокой для сплавов этой системы прочностью (пределы текучести и прочности составляют не менее 300 МПа и 400 МПа соответственно), сохраняя высокую коррозионную стойкость и свариваемость.

     Основное  преимущество сплавов 1561 и 1575 – они  превосходно свариваются всеми  видами сварки плавлением, при этом проведение упрочняющей термической  обработки сварных соединений не требуется, т.к. сварные соединения из этих сплавов обладают прочностью и коррозионной стойкостью на уровне свойств исходного металла без  дополнительной термической обработки. Сплавы 1561, 1561Н и 1575 незаменимы при  строительстве крупногабаритных легких сварных конструкций, которые при  эксплуатации должны обладать высокой  прочностью, коррозионной стойкостью, надежностью и обеспечивать проведение ремонтных работ.

     В ряде случаев обнаруживаются новые  возможности использования сплава со скандием как, например, сочетание  высокотемпературной пластичности с повышенной прочностью в рабочем  интервале температур или преимущества этого сплава для работы при криогенных температурах. Разработанные институтом алюминиевые сплавы могут составлять конкуренцию титановым сплавам  при криогенных температурах, учитывая их более низкую стоимость, меньший удельный вес и меньшую склонность к водородному охрупчиванию.

     Из  разработанных сплавов 1561, 1561Н и 1575 на отечественных металлургических заводах было освоено производство всех необходимых для судостроения полуфабрикатов. Особое место занимают прессованные панели, представляющие собой элементы конструкций, состоящие  из полотна толщиной 3-16 мм, шириной  до 2000 мм и длиной до 9,0 метров с продольными  ребрами различных сечений. На Самарском  металлургическом заводе были освоены  более 30 типоразмеров панелей судостроительного  назначения.

     Применение  в отечественном судостроении таких  панелей обеспечило повышение производительности сборочно-сварочных работ в 2,5-3,0 раза; снижение трудозатрат при изготовлении 1 т корпусных конструкций на 400 нормо-часов; повышение несущей способности, надежности и качества корпуса за счет уменьшения объема сварных соединений.

     Вес применяемых панелей при строительстве  быстроходных судов достигает 60 и  более процентов от веса корпуса.

     С развитием морской техники и  появлением нового класса судов, например, экранопланов, возникла потребность в конструкционных материалах повышенной прочности. Институтом создан ряд высокопрочных коррозионно-стойких термически упрочняемых сплавов системы Al-Zn-Mg с пределом текучести 280-350 МПа и композиционные материалы слоистого строения на алюминиевой основе.

     Термически  упрочняемый сплав 1980Т1 системы Al-Zn-Mg обладает высокой прочностью (предел текучести не менее 300 МПа), высокой коррозионной стойкостью в морской воде и удовлетворительной свариваемостью. Для повышения прочности и коррозионной стойкости сварных соединений из этого сплава разработаны специальные низкотемпературные режимы термической обработки. Из сплава 1980Т1 освоено производство катаных листов и плит, прессованных труб, прутков, профилей и поковок. Перспективным является применение этого сплава для обшивки и набора судовых корпусов, резервуаров для специальных сред, бурильных и эксплуатационных труб, деталей, изготовляемых из поковок и штамповок, для работы в области температур до (+100)⁰С, глубоководных аппаратов поискового, спасательного и исследовательского назначения.

     Дальнейшие  работы по повышению прочности термически упрочняемых сплавов привели  к созданию сплавов марок 1941 и 1943 системы Al-Zn-Mg-Cu, которые обладают высокими прочностными характеристиками: предел прочности 440-460 МПа, предел текучести не менее 350-400 МПа, хорошей технологичностью и высокой коррозионной стойкостью в морских условиях. Сплавы рекомендованы для изготовления нагруженных несварных конструкций ответственного назначения, эксплуатирующихся в морских условиях в диапазоне температур от - 40 до 1000С.

     Освоены и серийно поставляются из сплавов 1941 и 1943 листы толщиной 1-10 мм, профили  прессованные различной конфигурации и габаритов и прессованные трубы. Бурильные трубы из сплав 1941 успешно работали при бурении нефтяных скважин Поволжья. Использование бурильных труб из высокопрочных коррозионностойких алюминиевых сплавов весьма перспективно, т.к. позволяет увеличивать скорости бурения и глубину скважин за счёт облегчения бурильных колонн.

     Высокая коррозионная стойкость алюминиевых  сплавов, значительно превосходящая  коррозионную стойкость конструкционной  стали, позволяет увеличить срок эксплуатации газо-нефтедобывающего оборудования, работающего в агрессивных средах (углеводородах, минерализованной пластовой  воде, содержащей хлориды, сульфаты, органические кислоты, углекислый газ), поэтому применение их для изготовления труб и деталей  буровых установок, емкостей для  хранения и перевозки нефти весьма перспективно.

     Разработанные алюминиевые сплавы перспективны при  использовании в конструкциях, предназначенных  для эксплуатации в условиях Севера. Являясь металлами с гранецентрированной  кубической решеткой, алюминиевые сплавы, не только не подвержены низкотемпературному охрупчиванию, но обладают повышенными (на 20%) прочностью и пластичностью при снижении температуры до (-196)⁰С.

     Проведенные ЦНИИ КМ «Прометей» прогнозные разработки по зарубежным и отечественным алюминиевым  сплавам для емкостей по хранению и перевозке сжиженных газов  показали, что сплавы 1561 и 1550 при  криогенных температурах до (-196)⁰С не склонны к хрупкому разрушению, причем их прочность и пластичность монотонно возрастают при снижении температуры. Результаты сравнительных испытаний, проведенных в режиме статического и динамического нагружения, показали, что свойства отечественных алюминиево-магниевых сплавов аналогичны свойствам зарубежного сплава 5083, который по стандартам Ллойда разрешено использовать для строительства газовозов.

     Разработанные институтом высокопрочные свариваемые  коррозионно-стойкие алюминиево-магниевые сплавы судостроительного назначения с гарантированным пределом текучести ≥ 180 МПа перспективны для применения в конструкциях судов – газовозов.

2. АЛЮМИНИЙ КАК ДОБАВКА В ДРУГИЕ СПЛАВЫ

     Алюминий  является важным компонентом многих сплавов. Например, в алюминиевых  бронзах основные компоненты — медь и алюминий. В магниевых сплавах в качестве добавки чаще всего используется алюминий. Для изготовления спиралей в электронагревательных приборах используют (наряду с другими сплавами) фехраль (Fe, Cr, Al).

     Ювелирные изделия. Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Так, Наполеон III заказал алюминиевые пуговицы, а Менделееву в 1889 г. были подарены весы с чашами из золота и алюминия. Мода на них сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии. В Японии алюминий используется в производстве традиционных украшений, заменяя серебро.

     Стекловарение. В стекловарении используются фторид, фосфат и оксид алюминия.

     Пищевая промышленность. Алюминий зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е173.

     Алюминий  и его соединения в ракетной технике. Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твёрдых ракетных топливах. Следующие соединения алюминия представляют наибольший практический интерес как ракетное горючее:

• Порошковый алюминий как горючее в твердых ракетных топливах. Применяется также в виде порошка и суспензий в углеводородах.
• Гидрид алюминия.
• Боранат алюминия.
• Триметилалюминий.
• Триэтилалюминий.
• Трипропилалюминий.

Триэтилалюминий (обычно, совместно с триэтилбором) используется также для химического зажигания (то есть, как пусковое горючее) в ракетных двигателях, так как самовоспламеняется в газообразном кислороде. 
 

     ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

     Поставленная  перед началом работы цель была выполнена. Изучены области применения сплавов  на базе алюминия, методы упрочнения, свойства различных групп. Так же изучили  разработки Центрального научно-исследовательского института конструкционных материалов «ПРОМЕТЕЙ».

     Я узнала много об использовании такого металла как алюминий в промышленности и других отраслях. Так же получила полезные знания в области материаловедения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Геллер Ю.А. Материаловедение . Учеб. пособие.-М.: Металлургия, 1989. 454 с.
2. http://www.profprokat.ru/content/section/16/54/
3. http://www.crism-prometey.ru/rus/AboutInstitute/Science/al.htm
4. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BB%D1%8E%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B8%D0%B9
5. http://article-factory.ru/medicina/zubotehnicheskoe-materialovedenie/221-splavy-na-osnove-aljuminija.html

ПРИЛОЖЕНИЕ 

Алюминиевый прокат          Алюминиевое украшение для японских причёсок 

Судно на подводных крыльях и воздушной  подушке типа «Комета»

Проект  пассажирского экраноплана         Панели