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, Wфаза (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),
Sфаза (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 (Al7,5Cu4Li)
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 sb, Мн/м2
предел текучести s0,2, 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 sb50-80 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 (1 Мн/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 sb, Мн/м2
предел текучести s0,2, 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, ed. P. Barrand, R. Gadeau, t. 1-2, P., 1964; Aluminium, ed. R. Kent van Horn, v. 1-3, N. Y., 1967.
И. Н. Фридляндер.