Алюминий и его сплавы относятся к группе материалов с малой плотностью и высокой удельной прочностью и жесткостью. К этой же группе относятся Mg, Be, Ti и их сплавы, а также композиционные материалы. Их применение позволяет снизить массу изделий при одновременном повышении их прочности и жесткости.
Алюминий обладает малой плотностью, хорошей теплопроводностью и электрической проводимостью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Примеси ухудшают все названные свойства алюминия. В зависимости от содержания примесей первичный алюминий подразделяют на три класса: особой чистоты А999, где цифра показывает процентное содержание алюминия после запятой (99,999% Al, примесей 0,001%); высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (примесей от 0,005 до 0,05%); и технической чистоты А85, А8 (примесей от 0,15 до 1%). Технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и другие.), маркируют АД0, АД1. С увеличением содержания примесей и после пластической деформации прочность алюминия повышается, а пластичность падает. Например, для алюминия А999: sв = 50 МПа; d = 45%, а для марки А0 (1% примесей) - sв = 90МПа; d = 25%.
Алюминий особой и высокой чистоты применяют для изготовления оксидных конденсаторов, химической посуды, в микроэлектронике, для изготовления фольги, поверхностей с высокой отражающей способностью, и другие. Алюминий высокой и технической чистоты применяют для изготовления проводов, труб, изготовления порошков, каркасов потенциометров и других ненагруженных или слабо нагруженных деталей и элементов конструкций: короткозамкнутых обмоток электродвигателей, стрелок и циферблатов приборов, рамок, заклепок. Но алюминий (как и его многие сплавы) подвержен электролитической коррозии в соединении с другими металлами, пайка его затруднена. Он плохо обрабатывается резанием.
Сплавы алюминия характеризуются высокой удельной прочностью, способностью работать в условиях знакопеременных нагрузок, хорошими технологическими свойствами. Временное сопротивление у отдельных сплавов достигает значений s = 500…700МПа, а удельная прочность близка к удельной прочности высоколегированных сталей. Большинство алюминиевых сплавов имеет хорошую коррозионную стойкость (за исключением сплавов с медью), высокую тепло- и электропроводность, обрабатываются давлением, свариваются точечной сваркой, в основном хорошо обрабатываются резанием.
В зависимости от химического состава по основному легирующему элементу алюминиевые сплавы делятся на пять групп: Al+Mg; Al+Si; Al+Cu; Al+Si+Cu; Al + некоторые из названных и другие элементы (Mn, Zn, Ni, Ti и другие). Многие легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости и промежуточные фазы. Это дает возможность подвергать сплавы упрочняющей термической обработке, состоящей из закалки на пересыщенный твердый раствор (повышается растворимость легирующих элементов) и естественного или искусственного старения (происходит рекристаллизация и образование вторичных фаз и упрочнение сплава). Алюминиевые сплавы подразделяют, поэтому, на неупрочняемые (нестареющие) и упрочняемые (стареющие).
По технологии изготовления алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые, литейные и порошковые.
К деформируемым сплавам, неупрочняемым термической обработкой, относятся алюминиевые сплавы АМц и АМг. Они отличаются высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью. Имеют сравнительно низкую прочность sв = 130…340МПа, которая может быть повышена пластическим деформированием. Сплавы АМг, АМц применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, при требовании высокой коррозионной стойкости: ротора электродвигателей с полым ротором, сложные шасси приборов и устройств, заклепок, трубопроводов, сварных емкостей и других.
К деформируемым сплавам, упрочненнымтермической обработкой, относятся сплавы системы Al-Cu-Mg. Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. К ним относятся дюралюминий (маркируются буквой Д), ковочные алюминиевые сплавы (маркируются буквами АК), высокопрочные алюминиевые сплавы (маркируются буквой В). Механические характеристики этих сплавов зависят не только от марки сплава (например, Д1 или Д16; В95 или В96; АК6 или АК8), но и от вида полуфабриката: лист, пруток, прессованный пруток, проволока– подробнее смотри [1,2,4,6 ]. Отметим, что предел прочности этих сплавов алюминия изменяется в пределах sв ~ 300…600МПа; предел текучести s0,2 » 170…560МПа; напряжения предела выносливости s-1 » 100…150МПа. Старение может быть как искусственное, так и естественное (длительностью от 10 часов до 5…7 суток). При искусственном старении в течение первых 20…60 минут после старения сплавы сохраняют высокую пластичность и низкую твердость. Это позволяет проводить такие технологические операции, как клепка, гибка, правка и другие.
Ковочные алюминиевые сплавы (АК6, АК8 и другие) содержат, в сравнении со сплавами дюралюминия, несколько больше Si, и обладают хорошей пластичностью, стойки к образованию трещин при горячей пластической деформации. Их используют для средненагруженных деталей сложной формы: крыльчатки, крепежные детали.
Высокопрочные сплавы типа В95 отличаются по химическому составу от дюралюминия добавкой цинка (система Al+Zn+Mg+Cu), что повышает его временное сопротивление sв до 600…700 МПа и близким к нему по значению пределом текучести. Деформируемые стареющие плакированные сплавы алюминия типа Д1А, Д16А применяют для изготовления корпусов, рам, кронштейнов приборов методами штамповки, плоских и гнутых деталей, и очень широко – в самолетостроении.
Литейные алюминиевые сплавы отличаются от деформируемых большим количеством компонентов сплава. Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы на основе Al-Si – силумины. Высокая жидкотекучесть, малая усадка, низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов.
Литейные алюминиевые сплавы по механическим свойствам уступают деформируемым сплавам: sв » 130…360 МПа, s0,2 » 20…250 МПа, s-1 ~ 40…70 МПа, d ~ 2…10%. Некоторые марки двойных сплавов для повышения механических свойств модифицируют натрием для измельчения структуры. Маркируются силумины буквами АК, например АК12, АК9, АК8М (легирование медью до 1…1,5%) по ГОСТ 1583-83Е. Индекс в марке сплава «ч» или «пч» указывает на снижение содержания примесей в сплаве до 0,1…0,3% (чистый сплав «ч»), или до сотых долей процента (сплав повышенной чистоты - «пч»), например АК9пч.
Сплавы системы Al-Cu (АМ4,5; АМ5) характеризуются высокой прочностью при обычных и повышенных температурах, хорошо обрабатывается резанием и свариваются, но имеют худшие литейные свойства и низкую герметичность в сравнении с силуминами. Улучшение литейных и механических свойств сплавов системы Al-Cu получают легированием титаном и марганцем (сплав АМ5). Применяют литейные алюминиевые сплавы для изготовления различных деталей приборов: корпуса, рамы, кронштейны, маховики, рычаги, штурвалы и других деталей различными способами литья.
Многие литейные сплавы алюминия при обозначении марок алюминиевых сплавов маркируют буквами АЛ и условным номером сплава, например АЛ2, АЛ9.
Порошковые алюминиевые сплавы характеризуются достаточно высокой прочностью при повышенных температурах до 300…350°С, улучшенными теплофизическими свойствами, их получают методом порошковой металлургии (прессованием и последующим спеканием) из алюминиевых порошков. Порошки (гранулы) получают распылением расплава. В зависимости от скорости охлаждения распыленных частиц (105…108°С/с) получают разные по размерам порошки: от десятых долей до сотен микрометров. Их брикетируют, а затем подвергают пластическому деформированию.
Методами порошковой металлургии изготавливают спеченные алюминиевые порошки(САП) и спеченные алюминиевые сплавы (САС). Сплавы САП состоят из порошка алюминия и дисперсных частиц Al2O3, при спекании которых границы между частицами препятствуют движению дислокаций, что повышает прочность сплава, но снижает пластичность. Содержание Al2O3 в САП1, САП2 колеблется от 6 до 20%.
Спеченные алюминиевые сплавы САС-1, САС-2 и другие относятся к сплавам системы Al-Si-Ni и имеют низкий температурный коэффициент линейного расширения, близкий к ТКЛР сталей, что делает выгодным их применение в приборостроение.
Из порошковых алюминиевых сплавов изготавливают поршневые штоки, лопатки компрессоров, обмотки трансформаторов, конденсаторы. Примеры обозначения алюминиевых сплавов:
Лист АД1 М А – 1,6 П 600´2000В ГОСТ 21631-76 –
лист из алюминия марки АД1, мягкий(М), с нормальным плакированием (А), толщиной 1,6 мм, повышенной точности (П), габариты 600´2000, отделка поверхности по группе В (высокая);
Пруток Д16Т КР 22 ПХНД ГОСТ 21488-76 –
пруток из сплава марки Д16, закаленный и естественно состаренный (Т), круглый (КР), диаметр 22мм, повышенной точности (П), без требований к отделке поверхности (Х), немереной длины (НД).