1. Введение
Для изготовления любых изделий, предназначенных к восприятию внешних сил, применяют не чистый алюминий, а его сплавы, которых в настоящее время разработано достаточно много марок.
Введение различных легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства. При различном легировании повышаются прочность, твердость, приобретается жаропрочность и другие свойства. При этом происходят и нежелательные изменения: неизбежно снижается электропроводность, во многих случаях ухудшается коррозионная стойкость, почти всегда повышается относительная плотность. Исключение составляет легирование марганцем, который не только не снижает коррозионную стойкость, но даже несколько повышает ее, и магнием который тоже повышает коррозионную стойкость (если его не более 3%) и снижает относительную плотность, так как он легче, чем алюминий.
Основными легирующими элементами в различных деформируемых сплавах являются медь, магний, марганец и цинк, кроме того, в сравнительно небольших количествах вводятся также кремний, железо, никель и некоторые другие элементы.
Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. В них не должно быть эвтектики, которая легкоплавка и резко снижает пластичность.
Деформируемые сплавы при нагреве под обработку давлением должны иметь гомогенную структуру твердого раствора, обеспечивающую наибольшую пластичность и наименьшую прочность. Это и обусловливает их хорошую обрабатываемость давлением.
Деформируемые сплавы используются в автомобильном производстве для внутренней отделки, бамперов, панелей кузовов и деталей интерьера; в строительстве, как отделочный материал; в летательных аппаратах и др. Алюминий в большом объёме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию.
Деформируемые алюминиевые сплавы делят на упрочняемые и неупрочняемые. Это наименование отражает способность или неспособность сплава заметно повышать прочность при термической обработке.
Уже сейчас трудно найти отрасль промышленности, где бы не использовался алюминий или его сплавы - от микроэлектроники до тяжёлой металлургии. Это обуславливается хорошими механическими качествами, лёгкостью, малой температурой плавления, что облегчает обработку, высоким внешними качествами, особенно после специальной обработки. Учитывая перечисленные и многие другие физические и химические свойства алюминия, его неисчерпаемое количество в земной коре, можно сказать, что алюминий - один из самых перспективных материалов будущего.
2. Применение деформируемых алюминиевых сплавов в народном хозяйстве.
Сплавы на основе систем Al-Mn (АМц) и AL-Mg (АМг6), не упрочняемые термической обработкой. Их используют в отожженном (М), нагартованном (Н) или полунагартованном (П) состояниях. Эти сплавы хорошо свариваются. Их применяют для изготовления коррозионностойких изделий, получаемых методами глубокой вытяжки и сварки (например, сварных бензобаков, трубопроводов для масла и бензина, корпусов и мачт судов);
Сплавы системы Al-Mg-Si (АВ, АД31, АД33), упрочняемые закалкой (520-530 0С) и искусственным старением (150-170 0С, 10-12 ч). Эти сплавы вне зависимости от состояния материала, не склонны к коррозионному растрескиванию под напряжением. Они удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состоянии, а также свариваются с помощью точечной, шовной и аргонодуговой сварки. Большей коррозионной стойкостью обладают сплавы АД31 и АД33, работающие в интервале -70 до +50 0С; сплав авиаль АВ из указанной группы сплавов характеризуется большей прочностью. Из сплавов АВ, Ад31 и АД33 изготавливают лопасти и детали кабин вертолетов, барабаны колес гидросамолетов.
Хорошим сочетание прочности и пластичности отличаются сплавы системы AL-Cu-Mg – дюралюмины Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17 и др. Они упрочняются термической обработкой, хорошо свариваются точечной сваркой, удовлетворительно обрабатываются резанием ( в термоупрочненном состоянии); однако склонны к межкристаллитной коррозии после нагрева (особенно Д1, Д16 и В65). Значительное повышение коррозионной стойкости сплавов достигается плакированием (покрытием их технических алюминием (А7, А8). Сплавы Д19 и ВД17 работают при нагреве до 200-250 0С (например, из сплава ВД17 изготавливают лопатки компрессора двигателя). В авиации дюралюмины применяют для изготовления лопастей воздушных винтов (Д1), силовых элементов конструкций самолетов (Д16, Д19), заклепок (В65, Д18) и др.
Высокопрочные сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu (В93, В95, В96Ц) характеризуются большими значениями временного сопротивления (до 700МПа). При этом достаточная пластичность, трещиностойкость и сопротивление коррозии достигаются режимами коагуляционного ступенчатого старения (Т2, Т3), а также применением сплавов повышенной (В95пч) и особой (В95оч) чистоты. В данном случае сплавы обладают лучшей коррозионной стойкостью, чем дюралюмины. Рабочая температура высокопрочных сплавов не превышает 120 0С, ибо они не являются теплопрочными. Сплавы используются для изготовления высоконагруженных изделий, как правило, работающих в условиях сжатия (стрингеры, шпангоуты, лонжероны и др.)
Высокомодульный сплав 1420 обладает за счет легирования алюминия литием и магнием (система Al-Mg-Li) пониженной (на 11%) плотностью и одновременно повышенным (на 4%) модулем упругости по сравнению со свойствами сплава Д16.
Сплав 1420 характеризуется коррозионной стойкостью (аналогичной сплаву АМг6М) после закалки с искусственным старением (Т1), а также после сварки. Сплав может быть использован для замены в изделиях сплава Д16, обеспечивая при этом снижение их массы на 10-15%.
Высокой пластичностью при горячей обработке давлением обладают ковочные сплавы АК6 и АК8 (система Al-Mg-Si-Cu). Они удовлетворительно свариваются, хорошо обрабатываются резанием, но склонны к коррозии под напряжением. Для обеспечения коррозионной стойкости детали из сплавов АК6 и АК8 анодируют (электрохимически оксидируют) или наносят лакокрасочные покрытия. Из ковочных сплавов изготавливают ковкой и штамповкой детали самолетов, работающие под нагрузкой (рамы, пояса лонжеронов, крепежные детали). Эти сплавы способны работать при криогенных температурах.
Жаропрочные алюминиевые сплавы системы Al-Cu-Mn (Д20, Д21) и Al-Cu-Mg-Fe-Ni (АК4-1) применяют для изготовления деталей (поршни, головки цилиндров, диски и лопатки компрессоров), работающих при повышенных температурах (до 300 0С). Жаропрочность достигается за счет легирования сплавов никелем, железом и титаном, затормаживающими диффузионные процессы и образующими сложнолегированные мелкодисперсные упрочняющие фазы, устойчивые к коагулящии при нагреве. Сплавы обладают высокой пластичностью и технологичностью в горячем состоянии, хорошо (Д20) или удовлетворительно (Д21, АК4-1) свариваются, однако отличаются пониженной коррозионной стойкостью; их защищают от коррозии анодированием и лакокрасочными покрытиями. При 2500С большей жаропрочностью обладают сплавы Д21, Д20 по сравнению со сплавом АК4-1.
3. Классификация деформируемых алюминиевых сплавов.
В основу классификации товаров заложены ведущие, характерные признаки. Основными классификационными признаками промышленной продукции являются: происхождение (продукция металлургии, химической промышленности, машиностроения и т.д.); участие в производственном про-цессе (сырье, топливо, энергия и т.д.); назначение. Для непродовольсвенных товаров характерными признаками являются: назначение, исходный материал, способ производства, особенности кон-струкции, размерные показатели, фасон, отделка и т.д.
Экономико-статистическая классификация представлена в Общегосу-дарственном классификаторе промышленной и сельскохозяйственной про-дукции (ОКП), который входит в состав Единой системы классификации и кодирования технико-экономической и социальной информации Республики Беларусь.
ОКП предназначен для создания единого языка, обеспечивающего сопо-ставимость данных о продукции Республики Беларусь с учетом международ-ных классификаций в системах автоматизированной обработки инфор-мации при кодировании промышленной и сельскохозяйственной продукции для ре-шения следующих задач: создания государственной системы каталогизации продукции; предоставления информации о производимой в Республике Бела-русь продукции в международные организации; организации связей в произ-водственной сфере между производителями и потребителями продук-ции.
Классификация по ГОСТу 21488-97 “Прутки пресованные из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия.”.
3. Классификация
3.1 Прутки подразделяют:
по форме сечения: круглые, квадратные, шестигранные;
по точности изготовления: нормальной точности, повышенной точности, высокой точности;
по состоянию материала: без термической обработки (горячепрессованные), мягкие (отожженные), закаленные и естественно состаренные, закаленные и искусственно состаренные;
по виду прочности: нормальной прочности; повышенной прочности.
Код по ТН ВЭД (2003) на деформируемые алюминиевые сплавы:
Раздел XV: Недрагоценные металлы и изделия из них.
Группа 76: Алюминий и изделия из него.
Подгруппа 7604: Прутки и профили алюминиевые:
Позиция 7604 29: - прочие:
Субпозиция 7604 29 100 0: ---прутки.
Код по ОКП (2002) на деформируемые алюминиевые сплавы:
Секция D: Продукция перерабатывающей промышленности.
Подсекция DJ: Основные металлы и готовые металлические изделия.
Раздел 27: Основные металлы.
Группа 27.4: Основные драгоценные металлы и металлы, плакированные драгоценными металлами.
Класс 27.42: Алюминий и полуфабрикаты из алюминия.
Категория 27.42.2: Полуфабрикаты из алюминия или алюминиевых сплавов.
Подкатегория 27.42.22: Прутки и профили из алюминия
Вид 27.42.22.500: Прутки и профили из алюминиевых сплавов.
4. Свойства деформируемых алюминиевых сплавов.
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.
Малолегированные и термически не упрочненные сплавы.
Наиболее типичными сплавами, отнесенными к этой группе, являются
сплавы группы магналий и АМц. Эти сплавы отличаются наиболее высокой
коррозионной стойкостью и пластичностью. Упрочнение этих сплавов достигается
нагартовкой. Они нашли наиболее широкое применение в виде листового материала,
используемого для изготовления сложных по конфигурации изделий, получаемых
путем горячей штамповки, глубокой вытяжке и прокатки. Из этих же сплавов путем
прессования изготовляются трубы. Листовые материалы типа магналия обычно
подвергаются точечной электросварке, тогда как для марганцовистых материалов
можно применять любой вид сварки. Эти сплавы характеризуются сравнительно
невысокой прочностью, не намного превосходящей прочность алюминия.
Марганец, в отличие от остальных элементов не только не ухудшает коррозионной
стойкости алюминиевого сплава, но даже несколько повышает ее. Магний является
полезным легирующим элементом. Не считая повышения коррозионного сопротивления,
магний уменьшает удельный вес алюминиевого сплава (так как он легче алюминия),
повышает прочность, не снижая пластичности. Поэтому алюминиевые сплавы получили
распространение как более прочные и легкие, чем чистый алюминий.
Сплавы, разработанные на базе систем: Al-Mg-Si, : Al-Mg-Si-Cu-Mn
Группа сплавов АВ, АК6, АК8 по химическому составу значительно отличается
как от сплавов типа дуралюмин, так и сплавов типа АК2 иАК4.
Сплавы АВ относятся к малолегированным сплавам, но применяются в термообработанном
состоянии. Основным упрочнителем их является фаза Mg2Si, а также фаза CuAl2. Добавка
марганца и хрома способствует измельчению структуры и некоторому повышению
температуры рекристаллизации.
По прочности сплавы АВ несколько уступают сплавам типа дуралюмин и сплавам АК6,
АК8 , а по пластичности превосходят последние.
Сплавы типа авиаль нашли наиболее широкое применение для изготовления
различных весьма сложных по форме полуфабрикатов, получаемых путем горячей штамповки,
ковки, глубокой вытяжки и прокатки.
Сплавы типа дуралюмин.
Наиболее типичным представителем сплавов типа дуралюмин является сплав Д1. К
этой же группе относятся сплавы Д6, Д16 и др. Следует отметить, что сплавы Д6 и
Д16 обладают более высокой прочностью, чем сплав Д1. Большинство сплавов типа
дуралюмин применяется в закаленном и естественно состаренном состоянии. Все эти
сплавы имеют наибольшее распространение для изготовления труб, прутков,
профилей и листов. По своей природе сплавы Д3П и Д18П также относятся к числу
сплавов типа дуралюмин, но они менее легированы и отличаются весьма высокой
пластичностью. Поэтому сплавы Д3П и Д18П нашли широкое применение в основном,
для изготовления заклепок.
Сплавы, разработанные на базе системы: Al-Mg-Ni-Cu-Fe.
К этой группе относятся прежде всего сплавы АК3, АК4, АК4-1, которые по
фазовому составу, следовательно и по свойствам, резко отличаются от сплавов
типа дуралюмина. Эти сплавы нашли наиболее широкое применение для ковки
штамповки поршней, картеров и др. деталей, работающих при повышенных температурах.
Из сплавов АК4, АК4-1 изготавливают детали колес компрессоров,
воздухозаборников, крыльчатки мощных вентиляторов, лопасти и другие детали,
работающие при повышенных температурах.
Сплавы типа В95, обладающие наибольшей прочностью при комнатной
температуре.
Из всех деформируемых сплавов наибольшую плотность имеют сплавы В95,
хотя этим сплавам присущи следующие недостатки: пониженная пластичность; повышенная
чувствительность к коррозии под напряжением; большая чувствительность к
повторным нагрузкам и действию острых надрезов, чем у сплава типа дуралюмин; склонность
к резкому снижению прочностных характеристик с повышением температуры выше
1400С.
Сплав В95 применяется в виде прессованных профилей, прутков, различных
штамповок. Все эти полуфабрикаты поставляются как в отожженном, так и в
закаленном и искусственно состаренном состояниях. Сплавы типа В95 путем
термической обработки получают упрочнение в большей мере, чем другие
алюминиевые сплавы. Время выдержки как при температуре закалки, так и при
искусственном старении может резко изменяться в зависимости от толщины и
структуры сплава.
Эти сплавы после закалки получают значительное упрочнение, но еще сохраняют
достаточно высокую пластичность, благодаря чему поддаются хорошей деформации.
Поэтому способом штамповки или выколотки из полуфабрикатов свежезакаленного
состояния можно получать детали за одну операцию.
Необходимо учитывать, что деформирование, выполненное в процессе
естественного старения, у многих сплавов вызывает снижение предела прочности
на 2 кг/мм2 по сравнению с пределом прочности, получаемым при старении
сплавов после деформирования. Поэтому рекомендуется производить деформирование
сплавов Д1 только в свежезакаленном состоянии в течение 2 час. после закалки, а
сплавов Д6 и Д16 в течение 30 мин.
Технологические свойства металлов и их сплавов — это часть их общих физико-химических свойств. Знание этих свойств позволяет более обоснованно проектировать и изготовлять изделия с улучшенными для данного сплава качественными показателями. К технологическим свойствам деформированных алюминиевых сплавов относятся:
Пластичность или деформируемость — способность металла (сплава) изменять форму при гибке, ковке, штамповке, прокатке и прессовании без нарушения целостности. Некоторые технологические пробы, используемые для исследования металлов на деформируемость, стандартизированы. Оценка качества металла при исследовании его деформируемости производится визуально по состоянию поверхности после испытания.
Жидкотекучесть — это способность металла заполнять литейную форму. Она зависит от вязкости, поверхностного натяжения и температуры заливки расплава. Чем выше жидкотекучесть расплава, тем легче заполнять сложную литейную форму.
Свариваемость — способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения при их плавлении. Хорошая свариваемость характеризуется плотным швом в зоне сварки, без трещин и раковин.
Паяемость — способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения с помощью промежуточного сплава - припоя (адгезива), температура плавления которого значительно ниже температуры соединяемых металлов. При пайке не происходит структурных изменений соединяемых металлов, так как они не нагреваются до высоких температур и не плавятся, как при сварке. Припои и соответствующие им флюсы выбирают в зависимости от металлов и сплавов, подлежащих пайке.
Упрочняемость — способность металлов и сплавов улучшать свои свойства (прочность, износостойкость, твердость и др.) за счет термической, химико-термической, термомеханической, механической и других видов обработки.
Незакаливаемость — способность металлов и сплавов не изменять свои прочностные и пластические свойства после нагревания и резкого охлаждения, что имеет большое значение при сварочных процессах.
При испытании на незакаливаемость металл нагревают до 750 °С,
затем резко охлаждают в поде, после чего проверяют его на изгиб.
Обрабатываемость резанием — свойство металла или сплава обрабатываться резцом или абразивом. При хорошей обрабатываемости получается малая шероховатость поверхности (чистота), обеспечивается точность размеров готовой детали. Хорошо обрабатываемые металлы обладают невысоким сопротивлением резанию, не затрудняют процесс стружкообразования, не снижают стойкость инструмента.
5. Технология производства деформируемых алюминиевых сплавов.
Получают алюминий из горных пород с высоким содержанием глинозема: бокситов, нефелинов, алунитов и коалинов. Основным видом сырья для получения алюминия являются бокситы. Они содержат около 50—60% глинозема, 1—15 кремнезема, 2—25 окиси железа, 2—4 окиси титана, 10—30% воды.
Технологический процесс получения алюминия состоит из двух стадий: получения глинозема (А1з0з) из руды и производства алюминия из глинозема. В зависимости от состава и свойств исходного сырья применяют различные способы получения глинозема: химико-термические, кислотные и щелочные.
Широкое распространение получили щелочные способы. Этим способом перерабатываются бокситы с низким содержанием кремнезема (2—3%). Боксит при этом сушат, дробят, размалывают в шаровых мельницах и обрабатывают концентрированной щелочью для перевода гидрата окиси алюминия, в алюминат натрия: 2А1(ОН)з+2NаОН=NааО2 • Аl2Oз+4Н20.
Алюминат натрия (Nа2О • Аl2Оз) переходит в водный раствор, а другие примеси, не растворимые в щелочах, выпадают в осадок и отфильтровываются. Одна часть кремнезема также переходит в осадок, а другая растворяется в щелочи и загрязняет водный раствор, В связи с этим для очищения раствора требуется повышенный расход едкого натра.
Отфильтрованный водный раствор алюмината натрия поступает в специальные аппараты— самоиспарители, где происходит гидролиз алюмината натрия и выделение гидроокиси алюминия: Nа2O=Аl2Oз+4Н2O=2NаОН+2Аl(ОН)з.
Полученная гидроокись алюминия направляется на фильтрование, а затем промывается и поступает в печи, где при температуре 1200° прокаливается.
В процессе прокаливания получают чистый глинозем:
2А1(ОН)з 4 Аl2Oз+ЗН2О.
Выход глинозема из руды при этом способе составляет около 87%. На производство 1 т глинозема расходуется 2,0—2,5 т боксита. 70—90 кг NаОН, около 120 кг извести, 7—9 т пара; 160—180 кг мазута (в пересчете на условное топливо) и около 280 кВт•ч электроэнергии.
Глинозем (А2О3) представляет собой прочное химическое соединение, температура его плавления 2050, кипения — 2980°С. В этих условиях восстановление алюминия углеродом или его окисью весьма затруднительно, так как этот процесс заканчивается образованием карбида алюминия (Al3С4).
Не представляется возможным получить алюминий с помощью электролиза водного раствора солей, так как в этом случае на катоде выделяется только водород. Поэтому алюминий получают электролизом из глинозема, растворенного в расплавленном криолите. Процесс происходит в специальных электролизных ваннах. На дне ванны (катоде) собирается жидкий алюминий, который периодически откачивается с помощью вакуумного ковша, соединенного с вакуумным насосом, gо мере необходимости электрод обновляется. Суточная производительность ванны составляет около 350 кг алюминия. Длительность непрерывной работы ванны—2—3 года. Для производства одной тонны алюминия расходуется около - 2 т глинозема, 0,7 т анодной массы, 0,1 т криолита и других фторидов и 16—18 тыс. кВт•ч электроэнергии. В структуре себестоимости 1 т алюминия затраты на электроэнергию составляют более 30%, около 50% приходится на сырье и основные материалы. В этих условиях рациональное и экономное использование сырья и электроэнергии является одним из путей снижения себестоимости алюминия.
Блок-схема изготовления деформируемых алюминиевых сплавов