Алюминиевые сплавы

Алюми́ниевые спла́вы, сплавы на основе алюминия; обладают малой плотностью (до 3000 кг/м³ ), высокими электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью и удельной прочностью. Первые алюминиевые сплавы – сплавы алюминия с кремнием, полученные в 50-х гг. 19 в., имели малую прочность и низкую коррозионную стойкость. Поворотным моментом в истории развития алюминиевых сплавов стали исследования А. Вильма (Германия, 1903–1911), который обнаружил в закалённом алюминиевом сплаве, содержащем медь и магний, повышение прочности в процессе вылёживания, т. н. эффект старения (см. Старение металлов). В 1921 г. А. Пац (США) модифицировал сплав Al–Si путём введения в него микроскопических доз Na, что привело к значительному улучшению его свойств. Позже для получения алюминиевых сплавов с определёнными свойствами стали применять легирование различными металлами (Cu, Mg, Mn, Si, Zn, Ni, Li, Be и др.). В России в 1930–1940-х гг. разработку алюминиевых сплавов и внедрение их в производство осуществляли Ю. Г. Музалевский, С. М. Воронов, И. Н. Фридляндер и др.

До 1940-х гг. применялись главным образом сплавы на основе систем Al–Si (силумины), Al–Mg (магналии), Al–Cu–Mg (дуралюмины), Al–Mg–Si (авиали). Впоследствии также получили развитие высокопрочные (на основе систем Al–Zn–Mg, Al–Zn–Mg–Cu, Al–Mg–Si–Cu), жаропрочные (Al–Cu–Mn, Al–Mg–Li, Al–Cu–Mg–Fe–Ni), пониженной плотности (Al–Be–Mg, Al–Mg–Li, Al–Cu–Li) и другие алюминиевые сплавы.

В зависимости от способа производства полуфабрикатов и изделий алюминиевые сплавы делят на деформируемые, используемые для изготовления листов, плит, профилей, труб, поковок, проволоки путём деформации (прокатки, ковки, штамповки и др.), и литейные – для изготовления фасонных изделий литьём. Состав и некоторые свойства наиболее распространённых алюминиевых сплавов приведены в таблицах 1, 2.

Деформируемые сплавы по объёму производства составляют около 80 % всех алюминиевых сплавов. Химический и фазовый состав, режимы термической обработки деформируемых алюминиевых сплавов определяются необходимостью получения оптимального комплекса эксплуатационных и технологических свойств. Сплавы системы Al–Mg (магналии) имеют высокую коррозионную стойкость, хорошо свариваются, но не упрочняются термической обработкой; для повышения прочности в эти сплавы вводят Sc. Сплавы Al–Zn–Mg обладают высокой прочностью, хорошо свариваются, но при значительной концентрации Zn и Mg склонны к замедленному коррозионному растрескиванию. Сплавы Al–Mg–Si (авиали) сочетают хорошую коррозионную стойкость с выраженным эффектом старения; хорошо поддаются анодированию. Сплавы Al–Mg–Si–Cu сильно упрочняются в результате старения, но отличаются пониженной коррозионной стойкостью. Сплавы Al–Cu–Mg (дуралюмины) имеют среднюю прочность, но высокие пластичность и вязкость разрушения, малую скорость развития усталостных трещин. Сплавы Al–Zn–Mg–Cu характеризуются самыми высокими прочностью и пределом текучести. Сплавы Al–Mg–Li имеют такие же, как и у дуралюмина, механические свойства, но пониженную (на 11 %) плотность и больший модуль упругости. Сплавы Al–Be–Mg обладают высокими удельной прочностью и модулем упругости, хорошей коррозионной стойкостью, пластичностью, хорошо свариваются, но из-за токсичности их применение ограничено. Полуфабрикаты из деформированных алюминиевых сплавов для последующей обработки получают из слитков простой формы – круглых, плоских, полых.

Таблица 1. Химический состав и механические свойства некоторых деформируемых алюминиевых сплавов

Примечание. В ряд сплавов вводятся малые добавки Cr, Zr, Sc, Ti, Be, Ca.

К деформируемым алюминиевым сплавам относят также спечённые сплавы (вместо слитка для формования изделий используют брикет, спечённый из порошков): спечённая алюминиевая пудра (САП) и спечённые алюминиевые сплавы (САС). САП, упрочнённая дисперсными частицами оксида алюминия, превосходит все алюминиевые сплавы по жаропрочности. САС, легированные Si, Fe, Ni, отличаются очень низким коэффициентом линейного расширения.

Таблица 2. Химический состав и механические свойства некоторых литейных алюминиевых сплавов

Для литейных сплавов особенно важны такие характеристики, как высокая жидкотекучесть, малая склонность к образованию усадочных и газовых пустот, трещин, раковин. Наиболее высокие характеристики достигаются при литье в металлические формы (в кокиль, под давлением, при жидкой штамповке). Важнейшие литейные алюминиевые сплавы – силумины – содержат свыше 4,5 % Si, к ним относятся сплавы системы Al–Si и более сложных систем: Al–Si–Mg, Al–Si–Cu–Mg; обладают хорошими литейными свойствами, неплохой коррозионной стойкостью, средней прочностью, в отливках не образуется усадочной пористости. Сплавы с содержанием Mg свыше 5 % (сплавы систем Al–Mg, Al–Mg–Si с добавкой Mn, Be и Ti) коррозионностойки, высокопрочны, высокопластичны и обладают пониженной плотностью. Длительные низкотемпературные (60–80 °C) нагревы приводят к ухудшению коррозионной стойкости литейных алюминиевых сплавов с высоким содержанием Mg. Технология изготовления этих сплавов сложна, изделия отливаются главным образом в земляные формы. Сплавы с содержанием Cu свыше 4 % (сплавы систем Al–Cu, Al–Cu–Mn с добавкой Ti, Cd) по жаропрочности превосходят другие литейные сплавы, но имеют пониженные коррозионную стойкость и литейные свойства. Литейные сплавы (кроме силуминов) в принципе аналогичны деформируемым сплавам соответствующих систем, но отличаются более высоким содержанием легирующих компонентов (Cu, Mg), добавок (Ni, Ti) и примесей (Fe).

На свойства литейных сплавов, помимо способов литья, также влияют входящие в их состав компоненты, которые для одних сплавов являются легирующими, но оказывают вредное влияние на другие: Si снижает прочность сплавов Al–Mg; примесь Zn ухудшает механические свойства сплавов Al–Si и Al–Cu; Sn и Pb даже в десятых долях процента значительно понижают температуру плавления сплавов. Вредное влияние на силумины оказывает Fe, вызывающее образование хрупких включений, кристаллизующихся в виде пластин. Содержание Fe зависит от способа литья: оно максимально при литье под давлением и в кокиль и минимально при литье в землю. Качество фасонных отливок из алюминиевых сплавов существенно повышается при использовании чистой шихты (уменьшение количества вредных металлических и неметаллических примесей в сплавах), модифицировании сплавов (введение малых добавок Ti, Zr, Be), использовании прогрессивных методов рафинирования и термической обработки.

Алюминиевые сплавы относятся к важнейшим конструкционным материалам. По масштабам производства и потребления занимают 2-е место после стали; в промышленности используют около 55 марок алюминиевых сплавов. Благодаря уникальным эксплуатационным свойствам широко применяются:

• в авиа- и ракетостроении – шасси, лопасти воздушных винтов, силовые элементы летательных аппаратов (обшивка, фюзеляж, шпангоуты, лонжероны, нервюры, верхние и нижние плоскости крыльев), корпусы ракет, топливные и масляные баки;
• в судостроении – корпусы судов, палубные надстройки, различное судовое оборудование;
• в автомобилестроении – детали двигателя (поршни, головки, блоки цилиндров), радиаторы охлаждения, отопители, кабины, салоны автобусов, цистерны для перевозки химических и нефтехимических продуктов, сыпучих грузов;
• в строительстве – строительные конструкции, оконные рамы и двери;
• в пищевой промышленности – банки для пива, воды, пищевых продуктов, бытовая фольга и др.