Алюминий и его сплавы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО  ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

 «Иркутский  государственный университет путей  сообщения»

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

Тема:

«Алюминий и его сплавы»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

Введение...............................................................................................................

Алюминий и  алюминиевые сплавы…………………………………………….

Классификация алюминиевых  сплавов………………………………………..

Обработка алюминия…………………………………………………………

Сплавы из алюминия и  их применение……………………………………….

Алюминиевые сплавы………………………………………………………….

Дюралюминии — сплавы алюминия с медью………………………………….

Сплавы алюминия с марганцем  и магнием…………………………………….

Другие легирующие элементы…………………………………………………

Основные природные  соединения алюминия....................................................

Химические свойства…………………………………………………………..

Применение алюминиевых  сплавов……………………………………………….

Применение алюминия………………………………………………………

Заключение………………………………………………………………………

Список литературы……………………………………………………………

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Алюминий -  серебристо-белый металл, обладающий высокой электропроводностью и  теплопроводностью. Он имеет низкую плотность – приблизительно втрое  меньшую, чем у железа, меди и цинка. Поэтому удельная прочность данного  металла высока. Масштабы применение алюминия и, в особенности, его сплавов весьма широки. Последние занимают сейчас второе место после железосодержащих сплавов. Поэтому основная часть выплавляемого алюминия расходуется именно на получение различных сплавов, которые обладают самыми разнообразными свойствами. Широкие спектр свойств алюминиевых сплавов обусловлен  ведением в металл различных добавок, образующих с ним твёрдые растворы или интерметаллиды (химические соединение металлов). Среди сплавов алюминия львиная доля приходится на такие лёгкие сплавы как дуралюмин и силумин. В металлургии алюминий используется не только в качестве основы для  сплавов, но также широко применяются в виде легирующих добавок к меди и др. металлам.

Сплавы алюминия находят широкие применение в быту, в строительстве, архитектуре, автомобилестроении, судостроение, авиационной, и космической технике.

Особо следует  упомянуть полуфабрикаты и изделия  из алюминия,  покрытые по поверхности  защитной плёнкой из его оксида, и изделия из спеченных алюминиевых сплавов, имеющих каркас из оксида алюминия. Они обладают особыми физическими, механическими и даже, декоративными свойствами. Так, например, из алюминия, покрытого электрохимическим способом окрашенной плёнкой, по внешнему виду напоминающей золотую, изготовляют различную бижутерию.

 

 

 

Алюминий и  алюминиевые сплавы

Алюминий — мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления 660°C.

По распространенности в земной коре алюминий занимает 3-е  место после кислорода и кремния среди всех атомов и 1-е место — среди металлов.

К достоинствам алюминия и его сплавов следует  отнести его малую плотность (2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные  характеристики, хорошую тепло- и  электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов.

Алюминий  и его сплавы делятся по способу получения на деформируемые, подвергаемые обработке давлением и литейные, используемые в виде фасонного литья; по применению термической обработки — на термически не упрочняемые и термически упрочняемые, а также по системам легирования.

Диаграмма состояния

^{диаграмма равновесия, фазовая  диаграмма - графическое  изображение соотношений  между параметрами состояния физико-химической системы (температурой, давлением и др.) и ее составом. По диаграмме состояния можно установить, например, температуры начала и конца фазовых превращений, химический состав фаз. Диаграмма состояния широко используют в металловедении.}

Классификация алюминиевых сплавов

    В зависимости от способа производства промышленные алюминиевые сплавы делятся на спеченные, литейные и деформируемые (рис.1).

Литейные сплавы претерпевают эвтектическое превращение, а деформируемые – нет. Последние в свою очередь бывают термически неупрочняемыми (сплавы в которых нет фазовых превращений в твердом состоянии) и деформируемые, термически упрочняемые (сплавы, упрочняемые закалкой и старением).

Алюминиевые сплавы обычно легируют Си, Mg, Si, Мn, Zn, реже Li, Ni, Ti.

Деформированные  алюминиевые  сплавы, неупрочняемые  термической обработкой

К этой группе сплавов относятся технический  алюминий и термически неупрочняемые  свариваемые коррозионностойкие сплавы (сплавы алюминия с марганцем и  магнием). Сплавы АМц относятся к системе Аl – Ми (рис.1).

 

Рис.1. Диаграмма состояний  “алюминий – легирующий элемент”:

1–деформируемые, термически  неупрочняемые сплавы;

2–деформируемые, термически  упрочняемые сплавы.

 

Рис.2. Диаграмма состояния  “алюминий – марганец”:

–концентрация Mn в промышленных сплавах.

 

Рис.3. Микроструктура сплава АМЦ

 

Рис.6. Микроструктура дюралюмина после:

а) закалки в воде с  температуры Т2;

б) закалки и искусственного старения при Т3

( справа – схематическое  изображение )

Структура сплава Амц состоит из a -твердого раствора марганца в алюминии и вторичных выделений фазы MnAl (рис.3).В присутствии железа вместо MnAl образуется сложная фаза ( MnFe) Al, практически нерастворимая в алюминии, поэтому сплав Амц и упрочняется термической обработкой.

Состав данных сплавов имеет очень узкие  пределы: 1—1,7% Мп;

0,05 – 0,20% Cu; медь добавляют в целях уменьшения  питтинговой коррозии.

Допускается до 0,6–0,7% Fe и. n 0,6—0,7% Si, что приводит к некоторому упрочнению сплавов  без существенной потери сопротивления коррозии.

При понижении  температуры прочность быстро растет.Поэтому  сплавы этой группы нашли широкое  применение в криогенной технике.

Сплавы АМг (магналий) относятся к системе  А1 – Mg (рис.4). Магний образует с алюминием a -твердый раствор и в области концентраций от 1,4 до 17,4% Mg происходит выделение вторичной b -фазы (MgAl), но сплавы содержащие до 7% Mg, дают очень незначительное упрочнение при термической обработке, поэтому их упрочняют пластической деформацией–нагартовкой.

Сплавы систем А1– Мn. и А1–- Mg используются в отожженном, нагартованном и полунагартованном состояниях. В промышленных сплавах магний содержится в пределах от 0,5 до 12... 13%, сплавы с низким содержанием магния обладают наилучшей способностью к формообразованию, сплавы с высоким содержанием магния имеют хорошие литейные свойства (табл.5) приложения.

На судах  из сплавов этой группы изготовлены  спасательные боты, шлюпбалки, забортные  трапы, дельные вещи и т.п.

Деформированные  алюминиевые  сплавы, упрочняемые термической обработкой

К этой группе сплавов относятся сплавы высокой  и нормальной прочности. Составы  некоторых деформируемых термически упрочняемых сплавов приведены  в таблице 6 приложения. Типичными  деформируемыми алюми-ниевыми сплавами являются дуралюмины (маркируют буквой Д) – сплавы системы А1 – Си – Mg. Очень упрощенно процессы, проходящие при упрочняющей термической обработке дуралюмина можно рассмотреть, используя диаграмму Al – Си (рис.5).

Рис.4. Диаграмма состояния  “алюминий – магний”.

‚ – концентрация Mg в промышленных сплавах.

 

Рис.5. Фрагмент диаграммы  состояния “алюминий – медь”:

Т1 – температура оплавления;

Т2 – температура закалки;

Т3 – температура искусственного старения.

Рис.7. Диаграмма состояния  “алюминий – кремний”:

а) общий вид;

б) после введения модификатора.

При закалке, которая заключается в нагреве  сплава выше линии переменной растворимости, выдержке при этой температуре и  быстром охлаждении, фиксируется  структура пересыщенного a – твердого раствора (светлый на рис.6а) и нерастворимых включении железистых и марганцовистых соединений (темные). Сплав в свежезакаленном состоянии имеет небольшую прочность s6 = 30 кг/мм3 (300 Мпа); d = 18%; твердость НВ75.

Пересыщенный  твердый раствор неустойчив. Наивысшая  прочность достигается при последующем старении закаленного сплава. Искусственное старение заключается в выдержке при температуре 150 — 180 градусов. При этом из пересыщенного a – твердого раствора выделяются упрочняющие фазы CuAl2, CuMgAl2, Al12Mn2Cu.

Микроструктура  состаренного сплава представлена на рис.6б. Она состоит из твердого раствора и включений различных вышеперечисленных фаз.

 

 

 

 

 

Обработка алюминия

Все сплавы алюминия можно разделить на две группы:

Деформируемые алюминиевые сплавы — предназначены  для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей, труб и т. д.), а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки.

а) Упрочняемые термической обработкой:

Дуралюмины, «дюраль» (Д1, Д16, Д20*, сплавы алюминия меди и марганца [Al-Cu-Mg]) — удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состояниях, но плохо в отожженном состоянии. Дуралюмины хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлением вследствие склонности к образованию трещин. Из сплава Д16 изготовляют обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова автомобилей.

Сплав авиаль (АВ) удовлетворительно обрабатывается резанием после закалки и старения, хорошо сваривается аргонодуговой и контактной сваркой. Из этого сплава изготовляются различные полуфабрикаты (листы, профили, трубы и т.д.), используемые для элементов конструкций, несущих умеренные нагрузки, кроме того, лопасти винтов вертолетов, кованные детали двигателей, рамы, двери, для которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем состоянии.

Высокопрочный сплав (В95) имеет предел прочности 560-600 Н/мм2, хорошо обрабатывается резанием и сваривается точечной сваркой. Сплав применяется в самолетостроении для нагруженных конструкций (обшивки, стрингеры, шпангоуты, лонжероны) и для силовых каркасов в строительных сооружениях.

Сплавы для  ковки и штамповки (АК6, АК8, АК4-1 [жаропрочный]). Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительными литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки. Алюминиевые сплавы этой группы хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются контактной и аргонодуговой сваркой.

б) Не упрочняемые термической обработкой:

Сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием (АМг2, АМг3, АМг5, АМг6) легко обрабатываются давлением (штамповка, гибка), хорошо свариваются и обладают хорошей коррозионной стойкостью. Обработка резанием затруднена, поэтому для получения резьбы используют специальные бесстружечные метчики (раскатники), не имеющие режущих кромок.

Литейные алюминиевые  сплавы — предназначенные для  фасонного литья (как правило, хорошо обрабатываются резанием).

Сплавы алюминия с кремнием (силумины) Al-Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9) отличаются высокими литейными свойствами, а отливки — большой плотностью. Силумины сравнительно легко обрабатываются резанием.

Сплавы алюминия с медью Al-Cu (АЛ7, АЛ19) после термической обработки имеют высокие механические свойства при нормальной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием.

Сплавы алюминия с магнием Al-Mg (АЛ8, АЛ27) имеют хорошую коррозионную стойкость, повышенные механические свойства и хорошо обрабатываются резанием. Сплавы применяют в судостроении и авиации.

Жаропрочные алюминиевые  сплавы (АЛ1, АЛ21, АЛ33) хорошо обрабатываются резанием.

С точки зрения обработки фрезерованием, нарезания  резьбы и токарной обработки, алюминиевые  сплавы также можно разделить  на две группы. В зависимости от состояния (закаленные, состаренные, отожженные) алюминиевые сплавы могут относиться к разным группам по легкости обработки:

Мягкие и пластичные алюминиевые сплавы, вызывающие проблемы при обработке резанием:

а) Отожженные: Д16, АВ.

б) Не упрочняемые  термической обработкой: АМц, АМг2, АМг3, АМг5, АМг6.

Сравнительно  твердые и прочные алюминиевые сплавы, которые достаточно просто обрабатываются резанием (во многих случаях, где не требуется повышенная производительность, эти материалы могут обрабатываться стандартным инструментом общего применения, но если требуется повысить скорость и качество обработки, необходимо применять специализированный инструмент):