Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы, сплавы на основе алюминия. Первые А. с. получены в 50-х гг. 19 в.; они представляли собой сплав алюминия с кремнием и характеризовались невысокими прочностью и коррозионной стойкостью. Длительной время Si считали вредной примесью в А. с. К 1907 в США получили развитие сплавы Al-Cu (литейные с 8% Cu и деформируемые с 4% Cu). В 1910 в Англии были предложены тройные сплавы Al-Cu-Mn в виде отливок, а двумя годами позднее - А. с. с 10-14% Zn и 2-3% Cu. Поворотным моментом в развитии А. с. явились работы А. Вильма (Германия) (1903-11), который обнаружил т. н. старение А. с. (см. Старение металлов), приводящее к резкому улучшению их свойств (главным образом прочностных). Этот улучшенный А. с. был назван дуралюмином. В СССР Ю. Г. Музалевским и С. М. Вороновым был разработан советский вариант дуралюмина - т. н. кольчугалюминий. В 1921 А. Пач (США) опубликовал метод модификации сплава Al-Si введением микроскопических доз Na, что привело к значительному улучшению свойств сплавов Al-Si и их широкому распространению. Исходя из механизма старения А. с., в последующие годы велись усиленные поиски химических соединений, способных упрочнить Al. Разрабатывались новые системы А. с.: коррозионностойкие, декоративные и электротехнические Al-Mg-Si; самые прочные Al-Mg-Si-Cu, Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu; наиболее жаропрочные Al-Cu-Mn и Al-Cu-Li; лёгкие и высокомодульные Al-Be-Mg и Al-Li-Mg (табл. 1).

Основные достоинства А. с.: малая плотность, высокая электро- и теплопроводность, коррозионная стойкость, высокая удельная прочность.

По способу производства изделий А. с. можно разделить на 2 основные группы: деформируемые (в т. ч. спечённые А. с.) для изготовления полуфабрикатов (листов, плит, профилей, труб, поковок, проволоки) путём деформации (прокатки, ковки и т. д.) и литейные - для фасонных отливок. Табл. 1. - Развитие систем алюминиевых сплавов Система Упрочняющая фаза Год открытия упрочняющего эффекта Марка сплава (СССР)

Al-Cu-Mg CuAl₂, Al₂CuMg 1903-11 Д1, Д16, Д18, АК4-1, БД-17, Д19, М40, ВАД1
Al-Mg-Si Mg₂Si 1915-21 АД31, АД33, АВ (без Cu)
Al-Mg-Si-Cu Mg₂Si, W_фаза (Al₂CuMgSi) 1922 AB (с Cu), АК6, AK8
Al-Zn-Mg MgZn₂, Тфаза (Al₂Mg₂Zn₃) 1923-24 B92, В48-4, 01915, 01911
Al-Zn-Mg-Cu MgZn₂, Тфаза (Al₂Mg₂Zn₃),
S_фаза (Al₂CuMg) 1932 B95, В96, В93, В94
Al-Cu-Mn CuAl₂, Al₁₂Mg₂Cu 1938 Д20, 01201
Al-Be-Mg Mg₂Al₃ 1945 Сплавы типа АБМ
Al-Cu-Li Тфаза (Al_7,5Cu₄Li) 1956 ВАД23
Al-Li-Mg Al₂LiMg 1963-65 01420
Деформируемые А. с. по объёму производства составляют около 80% (США, 1967). Полуфабрикаты получают из слитков простой формы - круглых, плоских, полых, - отливка которых вызывает относительно меньшие трудности. Химический состав деформируемых А. с. определяется главным образом необходимостью получения оптимального комплекса механических, физических, коррозионных свойств. Для них характерна структура твёрдого раствора с наибольшим содержанием эвтектики. Деформируемые А. с. принадлежат к различным группам (табл. 2). Табл. 2. - Химический состав и механические свойства некоторых деформируемых алюминиевых сплавов (1Мн/м² " 0,1 кгс/мм²; 1 кгс/мм² "10 Мн/м²) Марка сплава Основные элементы (% по массе)¹   Типичны е механич. свойства³ Cu Mg Zn Si Mn Полуфабрикаты² предел прочности s_b, Мн/м² предел текучести s_0,2, mh/m² относит. удлинение d, %
АМг1 < 0,01 0,5-0,8   < 0,05  
Л 120 50 27,0
АМг6 < 0,1 5,8-6,8 < 0,2 < 0,4 0,5-0,8
Л, Пл, Пр, Пф 340 170 20,0
АД31 < 0,1 0,4-0,9 < 0,2 0,3-0,7 < 0.1
Пр (Л, Пф) 240 220 10,0
АДЗЗ 0,15-0,4 0,8-1,2 < 0,25 0,4-0,8 <0,15
Пф (Пр. Л) 320 260 13,0
АВ 0,2-0,6 0,45-0,9 < 0,2 0,5-1,2 0,15-0,35
л, ш, т, Пр, Пф 340 280 14,0
АК6 1,8-2,6 0,4-0,8 < 0,3 0,7-1,2 0,4-0,8
Ш, Пк, Пр 390 300 10,0
АК8 3,9-4,8 0,4-0,8 < 0,3 0,6-1,2 0,4-1,0
Ш, Пк, Пф, Л 470 380 10,0
Д1 3,8-4,8 0,4-0,8 < 0,3 <] 0,7 0,4-0,8
Пл (Л, Пф, Т), Ш, Пк 380 220 12,0
Д16 3,8-4,9 1,2-1,8 < 0,3 < 0,5 0,3-0,9
Л (Пф, Т, Пв) 440 2"0 19,0
Д19 3,8-4,3 1,7-2,3 < 0,1 < 0,5 0,5-1,0
Пф (Л) 460 340 12,0
В65 3,9-4,5 0,15-0,3 < 0,1 < 0,25 0,3-0,5
Пв 400 -- 20,0
АК4-1⁴ 1,9-2,5 1,4-1,8 < 0,3 < 0,35 < 0,2
Пн, Пф (Ш, Пл, Л) 420 350 8,0
Д20 6,0-7,0 < 0,05 < 0,1 < 0,3 0,4-0,8
Л, Пф (Пн, Ш, Пк, Пр) 400 300 10,0
ВАД23⁵ 4,9-5,8 < 0,05 < 0,1 < 0,3 0,4-0,8
Пф (Пр, Л) 550 500 4,0
01420⁶ < 0,05 5,0-6,0 - < 0,007 0,2-0,4
Л (Пф) 440 290 10,0
В92 < 0,05 3,9-4,6 2,9-3,6 < 0,2 0,6-1,0
Л (Пл, Пс, Пр, Пк), Ш, Пф 450 320 13,0
0,1915⁷ < 0,1 1,3-1,8 3,4-4,0 < 0,3 0,2-0,6
Л, (Пф) 350 300 10.1)
В93 0,8-1,2 1,6-2,2 6,5-7,3 < 0,2 < 0,1
Ш, (Пк) 480 440 2,5
В95 1,4-2,0 1,8-2,8 5,0-7,0 < 0,5 0,2-0,6
Л, Пл, Пк, Ш, Пф, Пр 560 530 7,0
В96 2,2-2,8 2,5-3,5 7,6-8,6 < 0,3 0,2-0,5
Пф (Пн, Пк, Ш) 670 630 7,0
Примечания. ¹Во всех сплавах в качестве примесей присутствуют Fe и Si; в ряд сплавов вводятся малые добавки Сг, Zr, Ti, Be. ²Полуфабрикаты: Л - лист; Пф - профиль; Пр - пруток; Пк - поковка; Ш - штамповка; Пв - проволока: Т - трубы; Пл - плиты; Пн - панели: Пс - полосы; Ф - фольга. ³Свойства получены по полуфабрикатам, показанным без скобок. ⁴С добавкой 1,8-1,3% Ni и 0,8-1,3% Fe. ⁵С добавкой 1,2-1,4% Li. ⁶С добавкой1,9-2,3% Li. ⁷С добавкой 0,2-0,4%Fe.
Двойные сплавы на основе системы Al-Mg (т. н. магналии) не упрочняются термической обработкой. Они имеют высокую коррозионную стойкость, хорошо свариваются; их широко используют при производстве морских и речных судов, ракет, гидросамолётов, сварных ёмкостей, трубопроводов, цистерн, ж.-д. вагонов, мостов, холодильников и т. д.
Сплавы Al-Mg-Si (т. н. авиали) сочетают хорошую коррозионную стойкость со сравнительно большим эффектом старения; анодная обработка позволяет получать красивые декоративные окраски этих сплавов.
Тройные Al-Zn-Mg сплавы имеют высокую прочность, хорошо свариваются, но при значительной концентрации Zn и Mg склонны к самопроизвольному коррозионному растрескиванию. Надёжны сплавы средней прочности и концентрации.
Четверные сплавы Al-Mg-Si-Cu сильно упрочняются в результате старения, но имеют пониженную (из-за Cu) коррозионную стойкость; из них изготовляют силовые узлы (детали), выдерживающие большие нагрузки. Четверные сплавы Al-Zn-Mg-Cu обладают самой высокой прочностью (до 750 Мн/м² или до 75 кгс/мм²) и удовлетворительно сопротивляются коррозионному растрескиванию; они значительно более чувствительны к концентрации напряжений и повторным нагрузкам, чем дуралюмины (сплавы Al-Cu-Mg), разупрочняются при нагреве свыше 100?С. Наиболее прочные из них охрупчиваются при температурах жидкого кислорода и водорода. Эти сплавы широко используют в самолётных и ракетных конструкциях. Сплавы Al-Cu-Mn имеют среднюю прочность, но хорошо выдерживают воздействие высоких и низких температур, вплоть до температуры жидкого водорода. Сплавы Al-Cu-Li по прочности близки сплавам Al-Zn-Mg-Cu, но имеют меньшую плотность и больший модуль упругости; жаропрочны. Сплавы Al-Li-Mg при той же прочности, что и дуралюмины, имеют пониженную (на 11%) плотность и больший модуль упругости. Открытие и разработка сплавов Al-Li-Mg осуществлены в СССР. Сплавы Al-Be-Mg имеют высокую ударную прочность, очень высокий модуль упругости, свариваются, обладают хорошей коррозионной стойкостью, но их применение в конструкциях связано с рядом ограничений.
В состав деформируемых А. с. входят т. н. спечённые (вместо слитка для дальнейшей деформации используют брикет, спечённый из порошков) А. с. (в 1967 в США объём производства составил около 0,5% ). Имеются 2 группы спечённых А. с. промышленного значения: САП (спечённая алюминиевая пудра) и САС-1 (спечённый алюминиевый сплав).
САП упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия, нерастворимой в алюминии. На частицах чрезвычайно дисперсной алюминиевой пудры в процессе помола её в шаровых мельницах в атмосфере азота с регулируемым содержанием кислорода образуется тончайшая плёнка окислов Al. Помол осуществляется с добавкой стеарина, по мере его улетучивания наряду с дроблением первичных порошков происходит их сращивание в более крупные конгломераты, в результате чего образуется не воспламеняющаяся на воздухе т. н. тяжёлая пудра с плотностью св. 1000 кг/м². Пудру брикетируют (в холодном и горячем виде), спекают и подвергают дальнейшей деформации - прессованию, прокатке, ковке. Прочность САП возрастает при увеличении содержания первичной окиси алюминия (возникшей на первичных порошках) до 20-22%, при большем содержании снижается. Различают (по содержанию Al₂O₃) 4 марки САП (6-9% - САП1; 9,1-13% - САП2; 13,1-18% - САП3; 18,1-20% - САП4). Длительные выдержки САП ниже температуры плавления мало влияют на его прочность. Выше 200-250 ?С, особенно при больших выдержках, САП превосходит все А. с., например при 500?С предел прочности s_b=50-80 Мн/м² (5-8 кгс/мм²). В виде листов, профилей, поковок, штамповок САП применяется в изделиях, где нужна высокая жаропрочность и коррозионная стойкость. САП содержит большое количество влаги, адсорбированной и прочно удерживаемой окисленной поверхностью порошков и холоднопрессованных брикетов. Для удаления влаги применяется нагрев в вакууме или нейтральной среде несколько ниже температуры плавления алюминиевых порошков или холоднопрессованных брикетов. Дегазация САП повышает его пластичность, и он удовлетворительно сваривается аргоно-дуговой сваркой.
САС-1, содержащий 25% Si и 5% Ni (или Fe), получают распылением жидкого сплава, брикетированием пульверизата, прессованием и ковкой прутков. Мельчайшие кристаллики Si и FeAl₃(NiAl₃), воздействуя на матрицу, упрочняют сплав, повышают модуль упругости и пластичность, снижают коэффициент линейного расширения; этот эффект тем больше, чем мельче твёрдые частицы и меньше просвет между ними. Этот А. с. характеризуется низким коэффициентом линейного расширения и повышается модулем упругости. По этим характеристикам порошковые сплавы заметно превосходят соответствующие литейные А. с.
Литейные А. с. по объёму производства составляют около 20% (США, 1967). Для них особенно важны литейные характеристики - высокая жидкотекучесть, малая склонность к образованию усадочных и газовых пустот, трещин, раковин. А. А. Бочвар установил, что эти свойства улучшаются при сравнительно высоком содержании в сплаве легирующих элементов, образующих эвтектику, что приводит, однако, к некоторому повышению хрупкости сплавов. Важнейшие литейные А. с. содержат свыше 4,5% Si (т. н. силумины). Введение гомеопатических (сотые доли процента) доз Na позволяет модифицировать структуру доэвтектических и эвтектических силуминов: вместо грубых хрупких кристаллов Si появляются кристаллы сфероидальной формы и пластичность сплава существенно возрастает. Силумины (табл. 3) охватывают двойные сплавы системы Al-Si (АЛ2) и сплавы на основе более сложных систем: Al-Si-Mg (АЛ9), Al-Si-Си (АЛЗ, АЛ6); Al-Si-Mg-Си (АЛ5, АЛ10). Сплавы этой группы характеризуются хорошими литейными свойствами, сравнительно высокой коррозионной стойкостью, высокой плотностью (герметичностью), средней прочностью и применяются для сложных отливок. Для борьбы с газовой пористостью силуминов Бочвар и А. Г. Спасский разработали оригинальный и эффективный способ кристаллизации отливок под давлением.
К сплавам с высоким содержанием Mg (свыше 5% ) относятся двойные Al-Mg (АЛ8), сплавы системы Al-Mg-Si с добавкой Mn (АЛ13 и АЛ28), Be и Ti (АЛ22). Сплавы этой группы коррозионностойки, высокопрочны и обладают пониженной плотностью. Наиболее высокопрочен сплав АЛ8, но технология его изготовления сложна. Для уменьшения окисляемости в жидком состоянии в него вводится 0,05 - 0,07% Be, а для измельчения зерна - такое же количество Ti, в формовочную смесь для подавления реакции металла с влагой добавляется борная кислота. Сплав АЛ8 отливается главным образом в земляные формы. Сплавы АЛ13 и АЛ28 имеют лучшие литейные свойства, но меньшую прочность и не способны упрочняться термической обработкой; они отливаются в кокиль под давлением и в землю. Длительные низкотемпературные нагревы могут привести к ухудшению коррозионной стойкости литейных А. с. с высоким содержанием Mg. Табл. 3.-Химический состав и механические свойства некоторых литейных алюминиевых сплавов (1Мн/м² " 0, 1 кгс /мм²; 1 кгс/мм² " 10 Мн/м²) Марка сплава Элементы (% по массе) Вид литья¹ Типичные механические свойства Cu Mg Mn Si   предел прочности s_b, Мн/м² предел текучести s_0,2, mh/m² относит. удлинение d, %
АЛ8   9,5-11,5 0,1 0,3 З, В, О 320 170 11,0
АЛ2 0,8 - 0,5 10-13 Все виды литья 200 110 3,0
АЛ9 0,2 0,2-0,4 0,5 6-8 " " " 230 130 7,0
АЛ4 0,3 0,17-0,3 0,25-0,5 8-10,5 " " " 260 200 4,0
АЛ5 1,0-1,5 0,35-0,6 0,5 4,5-5,5 " " " 240 180 1,0
АЛЗ 1,5-3,5 0,2-0,8 0,2-0,8 4,0-6,0 Все виды литья, кроме Д 230 170 1,0
АЛ25 1,5-3,0 0,8-1,2 0,3-0,6 11-13 К 200 180 0,5
АЛ30 0,8-1,5 0,8-1,3 0,2 11-13 К 200 180 0,7
АЛ7 4-5 0,03 - 1,2 - 230 150 5,0
АЛ1 3,75-4,5 1.25-1,75 - 0,7 Все виды литья, кроме Д 260 220 0,5
АЛ19 4,5-5,3 20,05 0,6-1,0 0,3 З, О, В 370 260 5,0
АЛ24² 0,2 1,5-2,0 0,2-0,5 0,3 З, О, В 290 - 3,0
Примечание. ¹Виды литья: З - в землю; В - по выплавляемым моделям; О - в оболочковые формы; К -в кокиль; Д - под давлением. ²Zn 3,5 - 4,5%.
Сплавы с высоким содержанием Zn (свыше 3%) систем Al-Si-Zn (АЛ11) и Al-Zn-Mg-Cu (АЛ24) имеют повышенную плотность и пониженную коррозионную стойкость, но обладают хорошими литейными свойствами и могут применяться без термической обработки. Широкого распространения они не получили.
Сплавы с высоким содержанием Си (свыше 4% ) - двойные сплавы Al-Си (АЛ7) и сплавы тройной системы Al-Cu-Mn с добавкой Ti (АЛ19) по жаропрочности превосходят сплавы первых трёх групп, но имеют несколько пониженные коррозионную стойкость, литейные свойства и герметичность.
Сплавы системы Al-Cu-Mg-Ni и Al-Cu-Mg-Mn-Ni (АЛ1, АЛ21) отличаются высокой жаропрочностью, но плохо обрабатываются.
Свойства литейных сплавов существенно меняются в зависимости от способа литья; они тем выше, чем больше скорость кристаллизации и питание кристаллизующегося слоя. Как правило, наиболее высокие характеристики достигаются при кокильном литье. Свойства отдельно отлитых образцов могут на 25-40% превосходить свойства кристаллизовавшихся наиболее медленно или плохо питаемых частей отливки. Некоторые элементы, являющиеся легирующими для одних сплавов, оказывают вредное влияние на другие. Кремний снижает прочность сплавов систем Al-Mg и ухудшает механические свойства сплавов систем Al-Si и Al-Cu. Олово и свинец даже в десятых долях процента значительно понижают температуру начала плавления сплавов. Вредное влияние на силумины оказывает железо, вызывающее образование хрупкой эвтектики Al-Si-Fe, кристаллизующейся в виде пластин. Содержание железа регулируется в зависимости от способа литья: оно максимально при литье под давлением и в кокиль и сильно снижено при литье в землю. Уменьшением вредных металлических и неметаллических примесей в сплавах с применением чистой шихты и рафинирования, введением малых добавок Ti, Zr, Be, модифицированием сплавов и их термической обработкой можно существенно повысить свойства фасонных отливок из А. с. Рафинирование осуществляется: продувкой газом (хлором, азотом, аргоном); воздействием флюсов, содержащих хлористые и фтористые соли; выдерживанием в вакууме или сочетанием этих способов.
С каждым годом увеличивается объём потребления А. с. в различных отраслях техники (табл. 4). За 5 лет применение А. с. в США увеличилось примерно в 1,6 раза и превышает (1967) по объёму 10% от потребления стали (в СССР за 1966-70 намечено увеличение производства А. с. более чем в 2 раза). Наряду с транспортом (авиация, суда, вагоны, автомобили) А. с. находят огромное применение в строительстве - оконные рамы, стенные панели и подвесные потолки, обои; бурно расширяется использование А. с. для производства контейнеров и др. упаковки, в электропромышленности (провода, кабели, обмотки электродвигателей и генераторов). Табл. 4. - Распределение потребления алюминиевых сплавов по отраслям промышленности в США (тыс. т) Область применения 1962 1965 1967
Строительство 613 846 862
Транспорт 612 838 862
Предметы длительного потребления 290,2 383 381
Электропромышленность 485 490 576
Машиностроение и приборостроение 190,5 258,5 279
Контейнеры и упаковка 175 298 397
Экспорт 188 260,2 415
Всего 2553,7 3373,7 3772
Большой интерес представляет распределение производства А. с. по различным видам полуфабрикатов (табл. 5). Табл. 5. - Объём производства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов в США (тыс. т) Вид полуфабриката 1955 1960 1965
Листы и плиты 610 630 1238
Фольга 89,9 131,1 184,1
Другие катаные полуфабрикаты 49,9 42,2 74,8
Проволока 28 25,1 38,6
Кабель 71,2 83 195,2
Проволока и кабель с покрытием 18 27,4 58,7
Прессованные полуфабрикаты 309,5 386 700
Волочёные трубы 30,5 27,4 37,6.
Сварные трубы 11,6 11,7 42,5
Порошки 16,2 14,9 27,2
Поковки, штамповки 31,9 22,7 43,2
Литьё в землю 75 58,9 124,5
Литьё в кокиль 135,2 117 150
Литьё под давлением 161,1 175 365
Всего 1638 1752,4 3279,4 ? Лит.: Сваривающиеся алюминиевые сплавы. (Свойства и применение), Л., 1959; Добаткин В. И., Слитки алюминиевых сплавов, Свердловск, 1960: Фридляндер И. Н., Высокопрочные деформируемые алюминиевые сплавы, М., 1960; Колобнев И. Ф., Термическая обработка алюминиевых сплавов, М., 1961; Строительные конструкции из алюминиевых сплавов. [Сб. ст.], М., 1962; Алюминиевые сплавы, в. 1-6, М., 1963-69; Альтман М. Б., Лебедев А. А., Чухров М. В., Плавка и литье сплавов цветных металлов, М., 1963; Воронов С. М., Металловедение легких сплавов, М., 1965; AltenpohI D., Aluminium und Aluminiumlegierungen, В. - [u. a.], 1965; L'Aluminium, éd. P. Barrand, R. Gadeau, t. 1-2, P., 1964; Aluminium, ed. R. Kent van Horn, v. 1-3, N. Y., 1967.
И. Н. Фридляндер.