Урок 8. 

Алюміній, основні сплави, їх хімічний склад. Маркування та область застосування. Сфера  застосуванння алюмінію та його сплавів.     Основні характеристики, марки нікелю та титану. Основні сплави

Алюмі́ній (також гли­нець) — хімі­чний еле­мент 3 гру­пи пері­о­ди­чної систе­ми, його атом­ний номер 13, від­но­сна атом­на маса 26,9815. В при­ро­ді існує єди­ний ста­біль­ний ізо­топ 27Al. Тре­тій за вмі­стом еле­мент (і най­по­ши­ре­ні­ший метал) зем­ної кори (після кисню і крем­нію), що ста­но­вить при­бли­зно 8% від її маси. Температура плавлення - 660°С. 

Алюміній - метал сріблясто-білого кольору. Його важливою особливістю є низька щільність - 2,7 г/см3 (щільність стали - 7,8 г/см3). Алюміній має високу тепло- і електропровідністю, корозійну стійкість і пластичністю. Електрохімічний потенціал алюмінію в повітряному середовищі негативний, тобто він окислюється на повітрі; корозійна стійкість пояснюється тим, що в результаті взаємодії з киснем повітря на поверхні утворюється щільна плівка оксиду алюмінію (А12O3) товщиною ~ 10 нм, яка ізолює метал від навколишнього середовища. Корозійна стійкість алюмінію тим вище, чим менше міститься в ньому домішок. 

Меха­ні­чні вла­сти­во­сті

Меха­ні­чні вла­сти­во­сті алю­мі­нію в зна­чній мірі зале­жать від кіль­ко­сті домі­шок в ньо­му, його попе­ре­дньої меха­ні­чної оброб­ки і тем­пе­ра­ту­ри. З збіль­ше­н­ням вмі­сту домі­шок міцні­сні вла­сти­во­сті алю­мі­нію зро­ста­ють, а пла­сти­чність змен­шу­є­ться, при­чо­му ці вла­сти­во­сті про­яв­ля­ю­ться навіть при неве­ли­кій змі­ні чисто­ти алю­мі­нію від 99,5 до 99,00 %. При охо­ло­джен­ні ниж­че 120 К міцні­сні вла­сти­во­сті алю­мі­нію на від­мі­ну від біль­шо­сті мета­лів зро­ста­ють, а пла­сти­чні не змі­ню­ю­ться.

Основ­ні меха­ні­чні вла­сти­во­сті алю­мі­нію хара­кте­ри­зу­ю­ться таки­ми пока­зни­ка­ми:

• модуль пру­жно­сті (Юнга) E — від­но­ше­н­ня при­кла­де­но­го зуси­л­ля до ліній­ної дефор­ма­ції в межах пру­жної ділян­ки роз­тя­гу. Для алю­мі­нію чисто­тою 99,25 % при кім­на­тній тем­пе­ра­ту­рі він дорів­нює 710 МН/м², а для алю­мі­нію чисто­тою 99,98 % тіль­ки 670 МН/м²;

• алю­мі­нію хара­кте­ри­зу­є­ться змі­ною об’є­му при висо­ко­му тиску (V) до об’є­му при нор­маль­но­му тиску (V0).

Маркування алюмінію

Чистий алюміній виробляють таких марок: А999 (99,999 % Аl), А995 (99,995 % Αl), А99 (99,99 % Αl), А97 (99,97 % Αl), А95 (99,95 % Аl), алюміній технічної чистоти (для технічних сплавів) позначають А85, А8, А7, А6, А5.

Технічний алюміній виготовляють у вигляді листів, профілів, прутків, дроту. У відпаленому стані алюміній легко обробляється тиском. Зварюється всіма видами зварювання.

Основні сплави, їх хімічний склад. Маркування та область застосування

У сучасній техніці широко застосовують сплави на алюмінієвій основі, які за технологічними властивостями поділяють на три групи:

• ливарні сплави, з яких виготовляють деталі ливарним способом; 

• сплави, що деформуються, з яких виготовляють різні напівфабрикати прокатуванням, пресуванням, волочінням, куванням і штампуванням; 

• сплави, що одержують способом порошкової металурга — спіканням (САП — спікання алюмінієвих порошків, САС — спікання алюмінієвих сплавів).

Ливарні алюмінієві сплави містять підвищену кількість силіцію, міді, магнію або цинку. Ці сплави повинні мати високу рідко-текучість, невелику усадку і малу здатність до утворення тріщин при гарячій пластичній деформації.

Ливарні алюмінієві сплави маркують так: АЛ1...АЛ9, АЛ19, АЛ32 та ін. Літерами АЛ позначають алюмінієвий ливарний сплав, цифри означають умовний номер.

Сплави алюмінію і силіцію АЛ2, АЛ4, АЛ9 називають силумінами. Силуміни — сплави, які, крім алюмінію, мають високий вміст силіцію (3-26 %). До їхнього складу також входять магній (0,2-1,5 %), мідь (1-4 %), цинк (2-4 %), хром (0,2-0,4 %), нікель (0,8-2 %), титан (0,05-1,5 %). Їх використовують у виробництві машин для сільськогосподарських потреб, деталей багатьох приладів, коліс в авіа- й автомобілебудуванні. 

Сплави алюмінію і магнію АЛ8 (9,5... 11 % Mg), АЛ13 (4*6...5,6% Mg) після термічної обробки набувають високої міцності і пластичності, мають високу стійкість до корозії. їх застосовують для виготовлення деталей, які зазнають значних ударних навантажень або працюють за високих температур.

Сплави алюмінію і міді АЛ7, АЛ 12 застосовують для виробництва фасонного лиття. Найкращі ливарні і механічні властивості має сплав із вмістом 8 % Cu.

Алюмінієві сплави, що деформуються, поділяють на зміцнювані і незміцнювані термічною обробкою.

До незміцнюваннх належать сплави алюмінію з магнієм і алюмінію з манганом. У сплавах алюмінію з манганом міститься до 1,5 % Мп, а в сплавах алюмінію з магнієм — 7 % Mg і 0,8 % Мп. Для підвищення їх міцності додатково вводять до 2 % V (АМг5В). Ці сплави характеризуються високою пластичністю, добре зварюються, стійкі до корозії. З них виготовляють штамповані і зварні вироби (труби, баки, резервуари та ін.).

До сплавів, які зміцнюються термообробкою, належать дуралюміни. Дюралюміни (від фр. dur — твердий; aluminium — алюміній) — сплави, що містять у своєму складі мідь (1,4-13 %), магній (0,4-2,8 %), манган (0,2-1 %), цинк (5-7 %), залізо (0,8-1,8 %), титан (0,02-0,35 %) і силіцій (0,5-6 %). Дюралюміни завдяки особливим властивостям — міцності, легкості, стійкості до корозії та теплопровідності — набули широкого застосування в авіа-, корабле- й ракетобудуванні. 

 Позначають дюралюмінн літерою Д і умовним номером сплаву, наприклад Д1, Діб (3,8...4,9 % Сu, 1,2...1,8% Mg, 0,3...0,9% Μn, решта — Αl). їх застосовують для виготовлення лонжеронів літака, силових каркасів, будівельних конструкцій, кузовів вантажних автомобілів та ін. Дуралюміни зазнають термічної обробки: гартування і старіння. Для гартування дуралюміну Діб нагрівають до температури   495...505 °С, а марки Д1 — до 505...510 °С і охолоджують у воді при 40 °С. Після гартування проводять старіння (витримують за кімнатної температури протягом 4 ...7 діб), при цьому міцність і твердість дуралюміну підвищується.

Алюмінієві сплави для кування і штампування маркують літерами АК. Вони досить пластичні і стійкі до утворення тріщин при гарячій пластичній деформації (450...475 °С). Сплав АК6 (1,8...2,6 % Сu; 0,4...0,8 % Mg; 0,4...0,8 % Μn; 0,7...1,2 % Si) використовують для деталей складної форми і середньої міцності (σΒ = 360 МПа), які виготовляють у гарячому стані (крильчатки, спеціальні кріпильні деталі тощо). Сплав АК8 пропонується для дуже навантажених штампованих деталей (стикових вузлів, поясів лонжеронів, лопатей гвинтів гелікоптера та ін.). Сплави АК також зазнають гартування і штучного старіння.

Високоміцні алюмінієві сплави маркують літерою В. Вони характеризуються високою міцністю (600...700 МПа), але меншою пластичністю, ніж дуралюмін, і містять, крім міді, мангану і магнію, цинк та хром. Маркують ці сплави так: В95 і В96 (2,2...2,8% Си, 2,5...3,2 % Mg, 0,2...0,5 % Μη, 7,6...8,6 Ζη). їх застосовують для навантажених конструкцій, що працюють в умовах стиску (обшивка, лонжерони літаків, силові каркаси будівельних споруд тощо).

Алюмінієві сплави, одержані спіканням на основі Аl — AlgOg, мають назву САП і САС. Містять велику кількість легувальних елементів. Наприклад, САС1 (25...30% Si, 5...7% Ні, решта — Al) застосовують для виготовлення деталей приладів, які працюють у парі зі сталлю за температури 20...200 °С, вони потребують поєднання низького коефіцієнта лінійного розширення і малої теплопровідності. Сплави типу САП — жароміцні при тривалому нагріванні (до 500 °С).

Терміт — сплав алюмінію з ферум (ІІ, ІІІ) оксидом. Під час використання виділяє багато тепла, тож його застосовують для зварювання шин. 

Основні характеристики, марки нікелю та титану. Основні сплави

Тита́нові спла́ви (англ. titanium alloys) — сплави на основі титану з добавками алюмінію, олова, мангану, молібдену, заліза, хрому, ванадію, кобальту, міді, вольфраму та інших елементів. Відзначаються високою механічною міцністю, жароміцністю, значною корозійною стійкістю в агресивних середовищах, багато які з них — доброю зварністю. 

Класифікація сплавів

За механічними характеристиками титанові сплави поділяють на маломіцні (високопластичні), середньої міцності та високоміцні а за фізико-хімічними властивостями на жароміцні і корозієстійкі. За технологічною ознакою титанові сплави поділяють на деформівні, ливарні, та порошкові.

За рівноважною структурою (після відпалювання) титанові сплави поділяють на три основні групи: 

• α -сплави,

•  (α+β)-сплави (двофазні) 

• β-сплави.

Сплави першої групи (α-сплави) малопластичні, а третьої групи (β-сплави) найпластичніші, але мають меншу міцність. Найкращий комплекс механічних і технологічних властивостей мають двофазні (α+β)-сплави. Вони є міцнішими, ніж однофазні, добре куються і штампуються, піддаються термічній обробці. Тому, як конструкційний матеріал, переважно застосовуються двофазні (α+β)-сплави.

Маркуються титанові сплави літерами ВТ і числом (порядковий номер), наприклад ВТ5, ВТ15, ВТ20 тощо

Титанові деформівні сплави

Більшість титанових сплавів конструкційного призначення легують алюмінієм, який підвищує їх жорсткість, міцність, жароміцність і жаротривкість, а також знижує густину. Механічні властивості титанових сплавів поліпшують термомеханічним обробленням.

•    α-титанові сплави (ВТ1-00,BT1-1, BT5, BT5-1) термічною обробкою не зміцнюються. Їх зміцнення досягається легуванням твердого розчину і пластичним деформуванням. До цієї групи належить сплав ВТ5-1, який має добру зварність, жароміцність, кислотостійкість, пластичність при низьких температурах, термічну стабільність за температур до 450 °C. До складу цього сплаву входять ~5%Al і ~2,5%Sn. Олово додають у сплав для поліпшення його технологічних і механічних властивостей. Механічні властивості даного сплаву: σв=800…1000 МПа, δ=10…15%. Зі сплаву ВТ5-1 виготовляють листи, поковки, труби, дріт, профілі.

• Псевдо-α-сплави (ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4-2[3], ВТ18, ВТ20[2]) можуть загартовуватись з утворенням титанового мартенситу, як твердого розчину легувальних елементів в α-титані. Мартенсит у псевдо-α-сплавах має невеликий ступінь пересичення. Зміцнення сплаву при цьому є незначним.

• (α+β)-сплави (мартенситного класу: ВТ6, ВТ3-1, ВТ8, ВТ9, ВТ14, ВТ16, ВТ23, ВТ 33, перехідного класу: ВТ22, ВТ30) зміцнюються термічною обробкою, що складається із гартування і старіння. Їх зварюваність гірша, ніж α-сплавів. Типовим представником цієї групи є сплав ВТ6, який характеризується оптимальним поєднанням технологічних і механічних властивостей. Хімічний склад сплаву ВТ6: ~6%Al, ~4%V, решта Ті, механічні властивості: σв=1100…1250 МПа, δ =6%.

До двофазних сплавів належить жароміцний сплав ВТ8, який призначений для довготривалої роботи за температур 450…500 °C під навантаженням. Хімічний склад сплаву ВТ8: ~6,4%Al, ~3,1%Mg, ~3%Si, механічні властивості: σв=1000…1250 МПа, δ=9…11%.

β-сплави за усіх температур мають структуру β-фази. Термічним обробленням не зміцнюються.

Псевдо-β-титанові сплави (ВТ15, ВТ32) характеризуються високим вмістом β-стабілізаторів, високою пластичністю у загартованому стані та високою міцністю після старіння. При загартуванні псевдо β-сплавів фіксується метастабільна β′-фаза. При старінні з β′ виділяється дрібнодисперсна α-фаза, яка суттєво підвищує міцність і твердість сплаву. До цієї групи належить сплав ВТ15, який має високу пластичність (δ=20%) і відносно невисоку міцність (σв=900 МПа) у загартованому стані. Однак після старіння при 450 С його міцність підвищується до σв=1500 МПа при пластичності δ=6%. Сплав ВТ15 поставляється у вигляді прутків, поковок, листів, штаб. Хімічний склад сплаву ВТ15: ~3%Al, ~8%Mo, ~11%Cr.

Ливарні титанові сплави

Ливарні сплави у порівнянні зі сплавами, що деформуються, мають нижчу міцність, пластичність і витривалість, але є дешевшими. Їх склад аналогічний складу сплавів, що деформуються, тільки наприкінці марки ливарних сплавів ставлять літеру Л, наприклад, ВТ5Л, ВТ14Л.

Порошкові сплави титану

Порошкові сплави отримують методом порошкової металургії, що забезпечує зниження їх вартості приблизно на 50% і підвищення продуктивності виготовлення виробів у два рази.

Застосування

Титанові сплави застосовують як конструкційний матеріал в авіаційній (обшивка літаків, диски й лопаті компресорів тощо) і ракетно-космічній техніці (корпуси двигунів, балони для стиснутих і скраплених газів, сопла тощо), в хімічній і нафтовій промисловості (клапани, вентилі для середовищ хлору та його розчинів, теплообмінники, що працюють в азотній кислоті), суднобудуванні (гребні гвинти, обшивки морських суден, підводних човнів, торпед), холодильній (кріогенній) техніці.

Нікелеві сплави