Алюминий

Как видно из таблицы, бокситы одних и тех же марок используют для различных назначений, так например, боксит марки Б-1 может использован для производства глинозема, плавленых огнеупоров и глиноземистых цементов. Однако в зависимости от назначения к бокситу одной и той же марки при одинаковых основных показателях качества (содержание Al O и кремниевом модуле) предьявляют разные требования по содержанию примесей серы, окиси кальция и фосфора.                                                                                      Содержание влаги в бокситах любых марок установлено в зависимости от их месторождения: наименьшая влажность (не более 7 %) установлена для бокситов южно-уральских месторождений, а для северо-уральских, каменск-уральских и тихвинских-соответственно не более 12, 16 и 22%.                                                                                                 Показатель влажности не является браковочным признаком и служит только для расчетов с потребителем.                                                                                                                                                  Боксит поставляют в кусках размером не более 500 мм. Перевозят его навалом на платформах или в гондолах.

5.     Сплавы  алюминия                                                                                                                 

Прочность алюминия незначительна, поэтому для изготовления любых изделий, предназначенных к восприятию внешних сил, применяют не чистый алюминий, а его сплавы, которых в настоящее время разработано достаточно много марок.                                        Введение различных легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства.                                                    При различном легировании повышаются прочность, твердость, приобретается жаропрочность и другие свойства. При этом происходят и нежелательные изменения: неизбежно снижается электропроводность, во многих случаях ухудшается коррозионная стойкость, почти всегда повышается относительная плотность. Исключение составляет легирование марганцем, который не только не снижает коррозионную стойкость, но даже несколько повышает ее, и магнием, который тоже повышает коррозионную стойкость (если его не более 3 %) и снижает относительную плотность, так как он легче, чем алюминий. Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изделий делят на две группы: деформируемые и литейные. Такое деление отражает основные технологические свойства сплавов: деформируемые имеют высокую пластичность в нагретом состоянии, а литейные-хорошую жидкотекучесть. Для получения этих свойств в алюминий вводят разные легирующие элементы и в неодинаковом количестве.                                                                  Сырьем для получения сплавов обоего типа являются не только технически чистый алюминий, о котором речь шла выше, но также и двойные сплавы алюминия с кремнием, которые содержат 10-13 % Si, и несколько отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общей содержание примесей в них 0.5-1.7 %. Эти сплавы называют силуминами и маркируют у нас в стране СИЛ-00 (наиболее чистый по примесей), СИЛ-0, СИЛ-1 и СИЛ-2. Поставляют их в виде гладких чушек или чушек с пережимами массой 6 и 14 кг. Силумин в чушках тоже является товаром на мировом рынке. Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. В них не должно эвтектики, которая легкоплавка и резко снижает пластичность.                                                                                                                                    Деформируемые сплавы при нагреве под обработку давлением должны иметь гомогенную структуру твердого раствора, обеспечивающую наибольшую пластичность и наименьшую прочность. Это и обусловливает их хорошую обрабатываемость давлением.                  Основными легирующими элементами в различных деформируемых сплавах является медь, магний, марганец и цинк, кроме того, в сравнительно небольших количествах вводят также кремний, железо, никель и некоторые другие элементы.                                        Деформируемые алюминиевые сплавы делят на упрочняемые и не упрочняемые. Это наименование отражает способность или неспособность сплава заметно повышать прочность при термической обработке. Структурные превращения, происходящие в алюминиевых сплавах при их термической обработке, существенно отличается от таковых в стали потому, что алюминий не имеет аллотропического превращения. В них повышение прочности может происходить только за счет процессов, связанных с выделением из перенасыщенного в результате закалки твердого раствора каких-то упрочняющих фаз.

6. Упрочняемые сплавы

Характерными упрочняемыми сплавами являются дюралюминии-сплавы алюминия с медью, которые содержат постоянные примеси кремния и железа и могут быть легированы магнием и марганцем. Количество меди в них находится в пределах 2.2-7 %. Название марок дюралюминия начинается буквой Д, затем идет цифра, которая не отражает химического состава, а представляет собой просто номер. В разное время было разработано много марок дюралюминия, но многие из них не нашли широкого применения. Сейчас промышленность выпускает пять основных марок дюралюминия, химический состав которых приведен в таблице.

Медь растворяется в алюминии в количестве 0,5% при комнатной температуре и 5,7% при эвтектической температуре, равной 548 C .                                                                                         Термическая обработка дюралюминия состоит из двух этапов. Сначала его нагревают выше линии предельной растворимости (обычно приблизительно до 500 C ). При этой температуре его структура представляет собой гомогенный твердый раствор меди в алюминии. Путем закалки, т.е. быстрого охлаждения в воде, эту структуру фиксируют при комнатной температуре. При этом раствор получается пересыщенным. В этом состоянии, т.е. в состоянии закалки, дюралюминий очень мягок и пластичен.                                                   Структура закаленного дюралюминия имеет малую стабильность и даже при комнатной температуре в ней самопроизвольно происходят изменения. Эти изменения сводятся к тому, что атомы избыточной меди группируются в растворе, располагаясь в порядке, близком к характерному для кристаллов химического соединения CuAl . Химическое соединение еще не образуется и тем более не отделяется от твердого раствора, но за счет неравномерности распределения атомов в кристаллической решетке твердого раствора в ней возникают искажения, которые приводят к значительному повышению твердости и прочности с одновременным снижением пластичности сплава. Процесс изменения структуры закаленного сплава при комнатной температуре носит название естественного старения.                                                                                                                                                Естественное старение особенно интенсивно происходит в течение первых нескольких часов, полностью же завершается, придавая сплаву максимальную для него прочность, через 4-6 суток. Если же сплав подогреть до 100-150 C ,то произойдет искуственное старение. В этом случае процесс совершается быстро, но упрочнение происходит меньшее. Объясняется это тем, что при более высокой температуре диффузионные перемещения атомов меди осуществляются более легко, поэтому происходит завершенное образование фазы CuAl и выделение ее из твердого раствора.                                                                 Упрочняющее же действие полученной фазы оказывается меньшим, чем действие искаженности решетки твердого раствора, возникающей при естественном старении. Сравнение результатов старения дюралюминия при различной температуре показывает, что максимальное упрочнение обеспечивается при естественном старении в течении четырех дней.                                                                                                                                                                Близкими по химическому составу к дюралюминию, но в горячем состоянии несколько более пластичными, чем они, являются алюминиевые сплавы для поковок и штамповок, которые маркируют буквами АК (алюминий кованый) и порядковым номером (АК4, АК4-1, АК6 и АК8).                                                                                                                                                                  К группе деформируемых упрочняемых сплавов сплавов относят также более высокопрочные, чем дюралюминий, сплавы системы Al-Cu-Mg-Zn, название марок которых начинаются буквой В (высокопрочные)-это сплавы марок В93, В94, В95. Характерной особенностью осноного химического состава сплавов В93, В94 и В95 является то, что при сравнительно небольшом содержании меди (0.8-2.4 %) и магния (1.2-2.8 %) в них вводят большое количество цинка (5-7 %). Цинк не образует упрочняющих фаз, но, входя в состав твердого раствора, увеличивает эффект старения, что приводит к значительному повышению твердости.                                                                                                                                                            Среди не упрочняемых алюминиевых сплавов наибольшее значение приобрели сплавы на основе Al-Mn и Al-Mg. Марганец и магний, так же как и медь, имеют ограниченную растворимость в алюминии, уменьшающуюся при снижении температуры. Однако эффект упрочнения при их термообработке невелик. Объясняется это следующим образом. В процессе кристаллизации при изготовлении сплавов, содержащих до 1,9% Mn, выделяющийся из твердого раствора избыточный марганец должен был бы образовать с алюминием растворимое в нем химическое соединение Al (MnFe), которое в алюминии не растворяется. Следовательно, последующий нагрев выше линии предельной растворимости не обеспечивает образование гомогенного твердого раствора, сплав остается гетерогенным, состоящим из твердого раствора и частиц Al (MnFe), а это приводит к невозможности закалки и последующего старения.                                                                                                                 В случае системы Al-Mg причина отсутствия упрочнения при термической обработке иная. При содержании магния до 1,4% упрочнения быть не может, так как в этих пределах он растворяется в алюминии при комнатной температуре и никакого выделения избыточных фаз не происходит. При большем же содержании магния закалка с последующим химическим старением приводит к выделению избыточной фазы-химического соединения Mg Al .                                                                                                                                                           Однако свойства этого соединения таковы, что процессы, предшествующие его выделению, а затем и образующиеся включения не вызывают заметного эффекта упрочнения.            Несмотря на сказанное, введение и марганца, и магния в алюминий полезно. Они повышают его прочность и коррозионную стойкость (при содержании магния не более 3%). Кроме того, сплавы с магнием более легкие, чем чистый алюминий.                                                  Значительное повышение прочности сплавов алюминия с марганцем и магнием может быть достигнуто путем их пластической деформации. Наклепанные (нагартованные) изделия из этих сплавов обладают существенно более высокой прочностью, чем в отожженном состоянии. В сплаве АМц, например, при поклепе временное сопротивление повышается с 13 до 22 кГ/мм .                                                                                                                                              Название марок сплавов системы Al-Mn обозначают буквами АМц, а системы Al-Mg буквами АМг, далее в обоих случаях следует цифра, указывающая номер сплава.                                          Для получения литейных сплавов в алюминий вводят такие легирующие элементы и в таком количестве, чтобы обеспечить получение в их структуре эвтектики. Эвтектика легкоплавка и кристаллизуется при постоянной температуре, что создает хорошую жидкотекучесть, т.е. способность сплава в жидком состоянии хорошо заполнять литейную форму.           Применяемые в настоящее время литейные алюминиевые сплавы, делят на пять групп в зависимости от того, какой основной легирующий элемент введен в них. К группе 1 относят сплавы, легированные магнием, к группе 2-кремнием, 3-медью, 4-одновременно кремнием и медью, к группе 5 относят сплавы, легируемые другими элементами, включающие в свой состав иногда до пяти легирующих компонентов одновременно.                                               Марки литейных сплавов независимо от их принадлежности к той или иной группе обозначают буквами АЛ (алюминиевый литейный) и номером.                                            Наиболее характерные составы литейных алюминиевых сплавов всех пяти групп приведены в таблице. Там же указаны и другие марки сплавов, относящихся к каждой из этих групп.