По масштабам применения алюминий и его сплавы занимают второе место после железа и его сплавов. Широкое применение алюминия в различных областях техники и быта связано с совокупностью его физических, механических и химических свойств: малой плотностью, коррозионной стойкостью в атмосферном воздухе, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью и сравнительно высокой прочностью. Алюминий легко обрабатывается различными способами — ковкой, штамповкой, прокаткой и др. Чистый алюминий применяют для изготовления проволоки (электропроводность алюминия составляет 65,5% от электропроводности меди, но алюминий более чем в три раза легче меди, поэтому алюминий часто заменяет медь в электротехнике) и фольги, используемой как упаковочный материал. Основная же часть выплавляемого алюминия расходуется на получение различных сплавов. Сплавы алюминия отличаются малой плотностью, g, высокой удельной прочностью, sв/g, и удельной жесткостью, Е/g. Коррозионная стойкость алюминиевых сплавов еще выше, чем у чистого алюминия. Сплавы на основе алюминия отличаются высокими технологическими и эксплуатационными свойствами: высокими тепло- и электропроводностью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью. На поверхности сплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия.
Разнообразие свойств алюминиевых сплавов обусловлено введением в алюминий различных добавок, образующих с ним твердые растворы или интерметаллические соединения. Основные легирующие элементы алюминиевых сплавов - Cu, Mg, Si .
Дуралюмины – сплавы алюминия с медью (94% Al, 4% Cu, по 0,5% Mg, Mn, Fe и Si) являются деформируемыми сплавами. Изделия из дуралюмина подвергают термической обработке: закалке и старению образовавшегося твердого раствора естественному (при комнатной температуре или искусственному (при190°С). В процессе старения из твердого раствора выделяются сверхмелкие частицы интерметаллида, и прочность сплава резко возрастает. В закаленном состоянии дуралюмины имеют весьма низкую прочность, но отличаются высокой пластичностью. Дуралюмины широко применяются в авиации. Из сплава Д1, например изготавливают лопатки воздушных винтов, из сплава Д16 – шпангоуты, тяги управления, Д18 – лучший заклепочный материал.
Высокопрочные сплавы Al принадлежат к системе Al-Zn-Mg-Cu, имеют добавки Mn, Cr. и маркируются буквой В, Они характеризуются прочностью sв=600….700 МПа и близким к этому уровню значением предела текучести.
Литейные сплавы системы Al-Si с различными добавками- силумины (85-90% Al, 10-14% Si, 0,1% Na) обладают хорошей жидкотекучестью, малой усадкой, низкой склонностью к образованию горячих трещин. Для диспергирования эвтектики и повышения прочностных свойств силумины модифицируют хлоридом или фторидом Na. В результате такой обработки расплава возрастают одновременно и прочность и пластичность сплава. Например, модифицированный сплав АК-12 имеет следующие характеристики: sв=180МПа, d =6%. Термической обработкой (закалкой и старением) можно увеличить прочность, например у сплава АК-9 до sв=260 МПа.
Некоторые сплавы алюминия, содержащие Cu, Mg< Fe, Ti, Ni, например АК-2 и АК-4, в термообработанном состоянии (закалка + старение) обладают высокой жаропрочностью и работают при температурах 200-300 и даже 350°С. Из таких сплавов изготавливают поршни и головки цилиндров двигателей.
В металлургии алюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из широко применяемых легирующих добавок в сплавах на основе меди, магния, железа, никеля и др.
Сплавы алюминия находят широкое применение в быту, в строительстве и архитектуре, в автомобилестроении, в судостроении, авиационной и космической технике. В частности, из алюминиевого сплава был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Сплав алюминия и циркония — циркалой — широко применяют в ядерном реакторостроении.
Особо следует отметить окрашенные пленки из оксида алюминия на поверхности металлического алюминия, получаемые электрохимическим путем. Покрытый такими пленками металлический алюминий называют анодированным алюминием. Из анодированного алюминия, по внешнему виду напоминающему золото, изготовливают различную бижутерию.
Антифрикционные сплавы
Антифрикционные сплавы предназначены для заливки подшипников скольжения и должны иметь низкий коэффициент трения, быть достаточно пластичными и обеспечивать малую скорость изнашивания сопряженной детали — обычно стального или чугунного вала.
Для обеспечения антифрикционных свойств материал должен обладать высокой теплопроводностью, хорошей смачиваемостью смазочным материалом, способностью образовывать на поверхности защитные пленки мягкого металла и хорошей прирабатываемостью.
Металлические материалы для подшипников скольжения по своей структуре подразделяются на две группы: сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями и сплавы с твердой матрицей и мягкими включениями.
К сплавам первой группы относятся баббиты (основа Sn или Pb), а также бронзы и латуни. Мягкая матрица в них предотвращает развитие усиления трения и обеспечивает хорошую прирабатываемость, а твердые включения в опоре, по которой скользит вал, способствуют высокой износостойкости.
По антифрикционным свойствам баббиты превосходят все остальные сплавы, используемые для этих целей, но уступают им по сопротивлению усталости. В связи с этим баббиты применяют только для тонкого (до 1 мм) покрытия рабочей поверхности опоры скольжения. Из-за высокого содержания дорогостоящего олова оловянные баббиты используют для подшипников ответственного назначения — в дизелях, паровых турбинах и в подшипниках других особо нагруженных машин. Сплавы типа Б16 используют для подшипников средней нагруженности, а дешевые свинцово-кальциевые баббиты типа БК2 используют для менее ответственных подшипников.
Особое место среди антифрикционных бронз занимают оловянные (БрО10Ф1, БрО10Ц2) и оловянно-цинково-свинцовые (Бр05Ц5С5, БрО6Ц6С3) бронзы. Эти материалы применяют для монолитных подшипников скольжения в турбинах, электродвигателях, компрессорах, работающих при высоких давлениях и средних скоростях скольжения.
Латуни используются в качестве заменителей дорогостоящих бронз, однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам.
К сплавам второй группы относятся свинцовая бронза БрС30 (наплавка на стальную ленту), алюминиевые сплавы с оловом АО9-2 (монометаллические вкладыши). Эти сплавы имеют высокую теплопроводность, что позволяет применять их при больших скоростях скольжения. К сплавам этой группы относятся также и антифрикационные серые чугуны (АСЧ-1, АСЧ-3). Роль мягкой составляющей в чугунах играет графит.
В авиационной и автомобильной промышленности получили распространение композиционные подшипниковые вкладыши: многослойные, самосмазывающиеся, металлофторопластовые и др.
Многослойные подшипниковые вкладыши состоят из стального основания (250 мкм); слоя свинцовой бронзы БРС30; тонкого (до 10 мкм) слоя никеля или латуни; тонкого (до 25 мкм) слоя свинцово-оловянного сплава. Стальная подкладка обеспечивает прочность и жесткость вкладыша, а верхний мягкий слой — его прирабатываемость. После изнашивания верхнего слоя рабочим слоем становится свинцовая бронза. Такие подшипниковые вкладыши используют в двигателестроении в качестве вкладышей коренных и шатунных шеек коленчатого вала.
Самосмазывающиеся подшипниковые вкладыши получают методами порошковой металлургии из следующих комбинаций материалов: железо—графит; железо —медь—графит; бронза—графит. Графит вводят в количестве 1... 4 %. После спекания в материале сохраняется 15...35 % пор, которые заполняются маслом. Графит сам является смазкой и одновременно впитывает смазочное масло, т.е. коэффициент трения дополнительно снижается, когда масло и графит смазывают трущиеся поверхности. При увеличении трения поры раскрываются и смазки поступает больше (автоматическое регулирование подачи смазки). Подшипники работают при скоростях в системе до 3 м/с, используются в труднодоступных для смазки агрегатах.
Биметаллы
Биметалл — материал, состоящий из двух прочно соединенных слоев разнородных сплавов. Соединение может достигаться разными технологическими способами, например совместной прокаткой, многослойным литьем, наплавкой или сваркой взрывом. В многослойном материале слоев больше двух. Биметаллы, как и многослойные материалы, позволяют не только уменьшить расход дефицитных и дорогостоящих цветных сплавов, но и получить материалы с новыми, уникальными свойствами. Например, при изготовлении по такому принципу отвалов плугов получают трехслойный износостойкий материал «сталь 60—сталь 15—сталь 60», позволяющий резко повысить износостойкость отвала.
Также для изготовления деталей машин для подготовки и внесения в почву удобрений и химической защиты растений используют трехслойную коррозионно-стойкую сталь «08Х18Н10Т - сталь 10 (или 08) — 08Х18Н10Т»;
Для подшипников скольжения и вкладышей коренных и шатунных шеек коленчатых валов в комбайновых двигателях применяют биметаллические трубы и полосы Сталь 10 (08) − БрОФ6,5-0,4