Порошковые алюминиевые сплавы кратко
Обновлено: 07.07.2024
- невысокая коррозионная стойкость в морской и пресной воде и во влажной атмосфере.
Маркируются буквой Д- что означает дюралюмин, далее стоит цифра, указывающая порядковый номер в ГОСТе.
Применение: детали строительных конструкций, лопасти воздушных винтов, тяги управления, заклепки и др.
2. Высокопрочные алюминиевые сплавы:
Содержат в среднем до 2% Cu, до 2,5% Mg, до 7% Zn.
Основные свойства – самая высокая прочность из всех деформируемых алюминиевых сплавов (sв = 700 МПа), высокая удельная прочность, высокая пластичность.
Маркируется – В95, В96.
В95 – 95 % Al, а остальное Cu, Mg, Zn.
Применение: силовые каркасы различных сооружений, обшивка самолетов, заклепки для ответственных прочных конструкций и т.д.
3. Ковочные алюминиевые сплавы:
Содержат в среднем до 4% Cu; до 1% Mg; до 1% Mn; до 1,2% Si;
Основные свойства: отличаются от дюралюминов тем, что при одинаковой прочности имеют повышенную пластичность.
Маркируются: АК6, АК8; где А – алюминиевый, К – ковочный сплав, 6,8 – цифры № в ГОСТе.
Применение: для изготовления толстостенных изделий, получаемых ковкой и штамповкой.
Деформируемые алюминиевые сплавы не упрочненные ТО
Эти сплавы делятся на 2 группы:
1 группа – Al + Mn;
2 группа - Al + Mg.
Основные свойства Al-Mn сплавов.
1. Высокая удельная прочность и коррозионная стойкость на воздухе.
2. Самая низкая прочность при растяжении среди Al сплавов.
3. Высокая технологическая пластичность и свариваемость.
АМцМ – мягкий после отжига,
Основные свойства Al-Mg сплавов.
1. Более высокая прочность (чем больше Мg, тем больше прочность, 1% Мg увеличивает прочность на 30МПа)
2. Повышенная вибрационная устойчивость и усталостная прочность.
3. Хорошая свариваемость
Маркируются: АМг1, АМг2, АМг5. Цифра показывает номер в ГОСТе
Способ упрочнения этих сплавов – наклеп.
Применение: для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, от которых требуется высокая коррозионная стойкость (трубопроводы для бензина и масла, сварные баки), для электропроводов, радиаторов парового отопления, заклепок.
Литейные алюминиевые сплавы.
Литейные алюминиевые сплавы – это сплавы Al с кремнием (9-13% Si). Эти сплавы называются силуминами.
- низкая прочность и пластичность, поэтому изделия из них получают литьем;
Маркируются: буквами АЛ – обозначающими алюминиевый литейный сплав. Далее цифра, указывающая на порядковый номер в ГОСТе.
Простые силумины – легированы только кремнием АЛ2, сложные силумины – легированы другими элементами (Сu): АЛ4, АЛ7.
Основным способом, улучшающим механические свойства – модифицирование солями Na (NaCl, NaF).
Модифицирование – добавка в каждый расплав модификаторов, которые измельчают зерно и повышают механические свойства.
У модифицированных силуминов прочность и пластичность в 1,5 – 2 раза выше, чем у не модифицированных.
В качестве упрочняющей термической обработки применяется закалка с последующим искусственным старением.
Применение: для отливок сложной формы – кронштейны, корпуса электродвигателей, водяных насосов, крышки подшипников, маховики и т.д.
К литейным относятся жаропрочные алюминиевые сплавы:
Содержат в среднем до 1,5% Fe; до2% Ni; до 2,5% Cu; до 1,8% Mg.
Основные свойства:повышенная прочность при нагреве до 350 0 С в течение 100 часов. s100 = 450 МПа (длительный предел прочности), но меньше пластичность, чем в дюралюмине.
Маркируются: АК2, АК4 (цифра 0 С, испытывающие ударные нагрузки – поршни двигателей внутреннего сгорания, диски и кольца, головки блоков цилиндров.
Порошковые алюминиевые сплавы.
Эти сплавы получают методом порошковой металлургии (прессование и спекание порошков).
1. Спеченный алюминиевый порошок (пудра).
Эти сплавы содержат 6 – 23% Al2O3 – корунд - очень твердые частицы.
- повышенная жаропрочность s100 = 80 – 120 МПа (работают при t до 500 0 С); по жаропочности превосходят все деформируемые алюминиевые сплавы.
- повышенная удельная прочность;
- легко обрабатываются резанием и давлением, удовлетворительно свариваются.
Маркируются: САП1, САП4. (цифра - № в ГОСТе)
Применение: поршневые штоки, лопатки компрессоров, лопасти вентиляторов и турбин и др.
2. Спеченный алюминиевый сплав.
Эти сплавы содержат порошки Al, Si, Ti, Ni, которые путем сплавления получить невозможно.
- высокая прочность sв до 800 МПа;
- повышенная жаропрочность (работают при t до 500 0 С);
- обладают малым или заданным коэффициентом теплового расширения, элетросопротивления.
Маркируются: САС1, САС2, САС3. (цифра - № в ГОСТе; чем выше №, тем выше свойства.)
Применение: Эти сплавы заменяют более тяжелые стали при изготовлении отдельных деталей приборов, используют для подшипников скольжения, работающих при температурах до 300 0 С.
Магний и его сплавы.
Магний – металл серебристо-серого цвета, очень легкий, имеет самую низкую плотность r = 1,74 г/см 3 , легкоплавок (tпл = 651 0 С), низкая прочность sв = 115 МПа, d = 8%; легко окисляется и воспламеняется на воздухе.
Маркируется: Мг 90 99,0% Mg
Применение: в пиротехнике.
По технологическим свойствам:
По механическим свойствам:
- не высокой прочности,
По склонности к упрочнению с помощью термообработки:
- не упрочняемые ТО.
Сплавы магния обычно содержат до 10% Al; 5 – 6% Zn; до 2,5 % Mn.
1. Самая большая удельная прочность;
2. Высокая способность сопротивляться вибрации и поглощать удары.
Маркируются: МЛ 1,2,3,4,5,6 - № в ГОСТе (литейные);
МА 1,2,3,4,5,6 - № в ГОСТе (деформируемые).
Применение: используется там, где вес изделия имеет первостепенное значение – корпуса приборов, панели бытовых изделий и т.д.
Титан и его сплавы.
Металл серебристо-белого цвета, прочность – 200…380 МПа, пластичный (d = 20-30%), температура плавления – 1668 0 С, малая плотность r = 4,5 г/см 3 , немагнитен, коррозионно-стойкий в пресной и морской воде, во многих кислотах. По своим антикоррозионным свойствам превосходит цветные металлы и легированные стали, удовлетворительно обрабатывается давлением, трудно обрабатывается резанием, обладает низкой электропроводимостью, малочувствителен к хрупким разрушениям, сохраняет свои свойства при нагреве до температуры 400 0 С.
Маркируется: ВТ1 – 0, ВТ1 – 00; чем больше0, тем меньше примесей и лучше свойства.
Применение: чистый титан используется в химической промышленности для изделий, работающих в агрессивных средах (насосы для перекачки кислот и солей, детали химического оборудования), обшивок морских судов, как легирующий элемент для получения нержавеющих сталей. В основном используется в виде сплавов.
Все титановые сплавы содержат: 1 – 6 % Al; до 2,5 – 4,5 % Mo, V; 0,2 – 2,5 % Mn, Cr, Zn– все они повышают жаропрочность.
- высокая прочность на уровне высоколегированных сталей sв / 1500 МПа;
- высокая пластичность d = 20%;
- высокая удельная прочность;
- высокая коррозионная стойкость;
По способу обработки делятся на деформируемые и литейные.
Маркируются: ВТ5, ВТ16, ВТ5 – 1, ВТ9; ВТ5Л – литейный.
Применение: в судостроении для производства гребных винтов, обшивки подводных лодок; в авиации – обшивка сверхзвуковых самолетов; в ракетной технике - корпуса ракетных двигателей, баллоны для сжиженных газов.
Алюминий — серебристо-белый легкий парамагнитный металл. Впервые получен физиком из Дании Гансом Эрстедом в 1825 году. В периодической системе Д. И. Менделеева имеет номер 13 и символ Al, атомная масса равна 26,98.
Производство алюминия
Для производства алюминия используют бокситы — это горная порода, которая содержит гидраты оксида алюминия. Мировые запасы бокситов почти не ограничены и несоизмеримы с динамикой спроса.
Боксит дробят, измельчают и сушат. Получившуюся массу сначала нагревают паром, а затем обрабатывают щелочью — в щелочной раствор переходит большая часть оксида алюминия. После этого раствор длительно перемешивают. На этапе электролиза глинозем подвергают воздействию электрического тока силой до 400 кА. Это позволяет разрушить связь между атомами кислорода и алюминия, в результате чего остается только жидкий металл. После этого алюминий отливают в слитки или добавляют к нему различные элементы для создания алюминиевых сплавов.
Алюминиевые сплавы
Наиболее распространенные элементы в составе алюминиевых сплавов — медь, марганец, магний, цинк и кремний. Реже встречаются сплавы с титаном, бериллием, цирконием и литием.
Алюминиевые сплавы условно разделяют на две группы: литейные и деформируемые.
Для изготовления литейных сплавов расплавленный алюминий заливают в литейную форму, которая соответствует конфигурации получаемого изделия. Эти сплавы часто содержат значительные примеси кремния для улучшения литейных свойств.
Деформируемые сплавы сначала разливают в слитки, а затем придают им нужную форму.
- Прокаткой, если необходимо получить листы и фольгу.
- Прессованием, если нужно получить профили, трубы и прутки.
- Формовкой, чтобы получить сложные формы полуфабрикатов.
- Ковкой, если требуется получить сложные формы с повышенными механическими свойствами.
Марки алюминиевых сплавов
- А — технический алюминий;
- Д — дюралюминий;
- АК — алюминиевый сплав, ковкий;
- АВ — авиаль;
- В — высокопрочный алюминиевый сплав;
- АЛ — литейный алюминиевый сплав;
- АМг — алюминиево-магниевый сплав;
- АМц — алюминиево-марганцевый сплав;
- САП — спеченные алюминиевые порошки;
- САС — спеченные алюминиевые сплавы.
- М — сплав после отжига (мягкий);
- Т — после закалки и естественного старения;
- А — плакированный (нанесен чистый слой алюминия);
- Н — нагартованный;
- П — полунагартованный.
Виды и свойства алюминиевых сплавов
Алюминиево-магниевые сплавы
Эти пластичные сплавы обладают хорошей свариваемостью, коррозийной стойкостью и высоким уровнем усталостной прочности.
В алюминиево-магниевых сплавах содержится до 6% магния. Чем выше его содержание, тем прочнее сплав. Повышение концентрации магния на каждый процент увеличивает предел прочности примерно на 30 МПа, а предел текучести — примерно на 20 МПа. При подобных условиях уменьшается относительное удлинение, но незначительно, оставаясь в пределах 30–35%. Однако при содержании магния свыше 6% механическая структура сплава в нагартованном состоянии приобретает нестабильных характер, ухудшается коррозийная стойкость.
Для улучшения прочности в сплавы добавляют хром, марганец, титан, кремний или ванадий. Примеси меди и железа, напротив, негативно влияют на сплавы этого вида — снижают свариваемость и коррозионную стойкость.
Алюминиево-марганцевые сплавы
Это прочные и пластичные сплавы, которые обладают высоким уровнем коррозионной стойкости и хорошей свариваемостью.
Для получения мелкозернистой структуры сплавы этого вида легируют титаном, а для сохранения стабильности в нагартованном состоянии добавляют марганец. Основные примеси в сплавах вида Al-Mn — железо и кремний.
Сплавы алюминий-медь-кремний
Сплавы этого вида также называют алькусинами. Из-за высоких технических свойств их используют во втулочных подшипниках, а также при изготовлении блоков цилиндров. Обладают высокой твердостью поверхности, поэтому плохо прирабатываются.
Алюминиево-медные сплавы
Механические свойства сплавов этого вида в термоупрочненном состоянии порой превышают даже механические свойства некоторых низкоуглеродистых сталей. Их главный недостаток — невысокая коррозионная стойкость, потому эти сплавы обрабатывают поверхностными защитными покрытиями.
Алюминиево-медные сплавы легируют марганцем, кремнием, железом и магнием. Последний оказывает наибольшее влияние на свойства сплава: легирование магнием значительно повышает предел текучести и прочности. Добавление железа и никеля в сплав повышает его жаропрочность, кремния — способность к искусственному старению.
Алюминий-кремниевые сплавы
Сплавы этого вида иначе называют силуминами. Некоторые из них модифицируют добавками натрия или лития: наличие буквально 0,05% лития или 0,1% натрия увеличивает содержание кремния в эвтектическом сплаве с 12% до 14%. Сплавы применяются для декоративного литья, изготовления корпусов механизмов и элементов бытовых приборов, поскольку обладают хорошими литейными свойствами.
Сплавы алюминий-цинк-магний
Прочные и хорошо обрабатываемые. Типичный пример высокопрочного сплава этого вида — В95. Подобная прочность объясняется высокой растворимостью цинка и магния при температуре плавления до 70% и до 17,4% соответственно. При охлаждении растворимость элементов заметно снижается.
Основной недостаток этих сплавов — низкую коррозионную стойкость во время механического напряжения — исправляет легирование медью.
Авиаль
Применять авиаль стали после открытия Д. Хансоном и М. Гейлером эффекта искусственного состаривания и термического упрочнения этой группы сплавов за счет выделения Mg2Si.
Эти сплавы отличаются высокой пластичностью и удовлетворительной коррозионной стойкостью. Из авиаля изготавливают кованые и штампованные детали сложной формы. Например, лонжероны лопастей винтов вертолетов. Для повышения коррозионной стойкости содержание меди иногда снижают до 0,1%.
Также сплав активно используют для замены нержавеющей стали в корпусах мобильных телефонов.
Физические свойства
- Плотность — 2712 кг/м 3 .
- Температура плавления — от 658°C до 660°C.
- Удельная теплота плавления — 390 кДж/кг.
- Температура кипения — 2500 °C.
- Удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг.
- Удельная теплоемкость — 897 Дж/кг·K.
- Электропроводность — 37·10 6 См/м.
- Теплопроводность — 203,5 Вт/(м·К).
Химический состав алюминиевых сплавов
| Алюминиевые сплавы | |||||||||||||
| Марка | Массовая доля элементов, % | Плотность, кг/дм³ | |||||||||||
| ГОСТ | ISO 209-1-89 | Кремний (Si) | Железо (Fe) | Медь (Cu) | Марганец (Mn) | Магний (Mg) | Хром (Cr) | Цинк (Zn) | Титан (Ti) | Другие | Алюминий не менее | ||
| Каждый | Сумма | ||||||||||||
| АД000 | A199,8 1080A | 0,15 | 0,15 | 0,03 | 0,02 | 0,02 | 0,06 | 0,02 | 0,02 | 99,8 | 2,7 | ||
| АД00 1010 | A199,7 1070A | 0,2 | 0,25 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,07 | 0,03 | 0,03 | 99,7 | 2,7 | ||
| АД00Е 1010Е | ЕА199,7 1370 | 0,1 | 0,25 | 0,02 | 0,01 | 0,02 | 0,01 | 0,04 | Бор:0,02 Ванадий+титан:0,02 | 0,1 | 99,7 | 2,7 | |
Применение алюминия
Ювелирные изделия
В далеком прошлом из-за высокой стоимости алюминия его использовали для изготовления ювелирных изделий. Так, весы с алюминиевыми и золотыми чашами были подарены Д. И. Менделееву в 1889 г.
Когда себестоимость алюминия снизилась, мода на ювелирные изделия из этого металла прошла. Но и в наши дни его используют для изготовления бижутерии. В Японии, например, алюминием заменяют серебро при производстве национальных украшений.
Столовые приборы
По-прежнему пользуются популярностью столовые приборы и посуда из алюминия. В частности, в армии широко распространены алюминиевые фляжки, котелки и ложки.
Стекловарение
Алюминий широко применяют в стекловарении. Высокий коэффициент отражения и низкая стоимость вакуумного напыления — основные причины использования алюминия при изготовления зеркал.
Пищевая промышленность
Военная промышленность
Из-за небольшого веса и низкой стоимости алюминий широко применяют при изготовлении ручного стрелкового оружия — автоматов и пистолетов.
Ракетная техника
Алюминий и его соединения используют в качестве ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твердых ракетных топливах.
Алюмоэнергетика
В алюмоэнергетике алюминий используют для производства водорода и тепловой энергии, а также выработки электроэнергии в воздушно-алюминиевых электрохимических генераторах.
Порошковая металлургия – это многосторонняя производственная технология, которая, является:
- с одной стороны, более дешевой и экологичной альтернативой традиционным методам обработки металлов;
- с другой стороны, технологией, которая способна создавать материалы с химическим составом и микроструктурой, не достижимые при применении других технологий.
Типичная традиционная технология порошковой металлургии включает:
В дополнение к этим технологическим этапам могут включаться другие технологические этапы по прессованию порошка или некоторые традиционные методы обработки металлов после операции спекания, например, ковка, прокатка, экструзия 3.
Порошковая металлургия в широком понимании – это умение и наука о производстве металлических порошков и применения этих порошков для изготовления заготовочных материалов и готовых изделий со сложной формой. Для решения о применении порошковой металлургии как производственного процесса есть три причины:
- производить экономичные, точные и сложные детали;
- производить материалы с уникальной микроструктурой и свойствами и
- производить материалы, которые трудно или невозможно произвести другими способами.
На рисунке 2 представленные основные технологические цепочки промышленного производства деталей и изделий из порошковых металлических материалов.
Рисунок 1 – Алюминиевый изделия,
изготовленные методами порошковой металлургии [1]
Рисунок 2 – Традиционные и аддитивные технологии порошковой металлургии [2]
Металлургия порошкового алюминия
Алюминиевые сплавы, которые создаются методами порошковой металлургии, предлагают значительные преимущества по сравнению с традиционными деформируемыми и литейными сплавами, а также обеспечивают экономичное производство изделий, которые не требуют или почти не требуют дальнейшей обработки. Однако для алюминия, как весьма реактивного металла, применение методов порошковой металлургии связано с определенными трудностями и проблемами и требует намного более пристального внимания по сравнению с традиционными порошковыми материалами на основе железа, меди или никеля [2].
Алюминиевые сплавы, которые получают путем классической технологии разливки в слитки, обычно оптимизируют путем тщательного выбора химического состава, легирующих элементов, методов изготовления и термической и термомеханической обработок. Однако возможности традиционной технологии производства алюминиевых сплавов по повышению механических, физических и химических свойств весьма ограничены из-за ее сложности и многостадийности. Такие возможности дают технологии порошковой металлургии алюминия.
Применение порошковой металлургии для производства алюминиевых сплавов имеет следующие преимущества:
- Благодаря быстрому охлаждению могут быть получены более рафинированные и гомогенные микроструктуры алюминиевых сплавов.
- Более широкий выбор химических составов сплавов делает возможным получение заданных свойств, таких как плотность, термическое расширение и т. п.
- Технология порошковой металлургии может обеспечивать практически точные размеры готовых изделий и более высокую термическую стабильность, а также повышенное сопротивление коррозии и высокие трибологические свойства.
Производство изделий из алюминиевых порошков
Производство порошковых алюминиевых сплавов выполняется в основном двумя методами. Для химических составов с легирующими элементами, которые имеют высокую растворимость в жидком состоянии, применяется технология быстрого затвердевания. Для легирующих элементов с низкой растворимостью в жидком состоянии обычно применяется смешивание в твердом состоянии.
Изделия из алюминиевых порошковых материалов могут изготавливаться по различным технологиям, но общими этапами их производства являются следующие:
- производство порошка
- смешивание порошков с добавлением лубрикантов и наполнителей
- холодное или горячее уплотнение, обычно с последующей дегазацией
- спекание или горячее прессование
- различные дополнительные обработки
Пример одного из производственных процессов порошковой металлургии алюминия от изготовления порошка до готового изделия представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Пример типичной технологии производства
алюминиевых порошковых материалов и изделий из них [3]
Области применения продукции из порошкового алюминия
Большинство порошковых алюминиевых сплавов могут подразделяться на три основных области применения изделий и деталей:
- пониженная плотность;
- высокая прочность;
- высокая температура эксплуатации.
Снижение плотности достигается путем добавления лития. Известно, что некоторые промышленные алюминиево-литиевые сплавы (например, 2090 и 8090) производят классическим методом с выплавкой слитков. Однако методами порошковой металлургии достигают:
- сверхпереохлаждения за предел равновесной растворимости лития в алюминии
- повышения прочности путем дисперсного упрочнения очень мелкими частицами вторичной фазы.
Эти порошковые алюминиево-литиевые сплавы во многом способны заменить классические сплавы 2024 и 7075.
Высокопрочные сплавы производят:
- методом сверхбыстрого затвердевания сплавов серии 7ххх с дополнительным легированием переходными элементами, таким как кобальт, цирконий или никель
- механического легирования карбидами алюминия или оксидами алюминия чистого алюминия или сплавов алюминий-магний.
Эти сплавы предназначают для замены сплава 7075-Т6.
Сплавы для работы при повышенных температурах получают сверхбыстрым затвердеванием алюминиевых сплавов с добавками редкоземельных или переходных металлов путем механического легирования.
Несмотря на интересные технические возможности, фактический экономический интерес к порошковому алюминию в алюминиевой промышленности весьма незначительный. Главным барьером для широкого применения изделий из порошкового алюминия является их высокая стоимость – грубо в 1,5-2 раза больше, чем изделия из классических алюминиевых слитков. Это происходит из-за необходимости применения специального оборудования и мер безопасности при обращении с металлическими порошками.
Другим препятствием является малый размер заготовок, которые могут перерабатываться в изделия методами обработки металлов давлением, и ограниченная доступность. Определенным препятствием для применения компонентов из порошкового алюминия в критических несущих конструкциях из-за отсутствия надежных неразрушающих методов испытания для обнаружения малых пор или других дефектов. Промышленное применение изделий из порошкового алюминия в настоящее время в основном ограничивается [3]:
- высокопрочными сплавами для деталей военных самолетов
- износостойкими сплавами для автомобильных двигателей
- сплавов с высоким модулем упругости для повышения жесткости деталей и изделий
- высокотемпературными сплавами для двигателей, а также фюзеляжей самолетов.
Современные технологии производства алюминиевых порошков
Порошковые алюминиевые сплавы
Большинство промышленных порошковых алюминиевых сплавов основаны на деформируемых алюминиевых сплавах серий 2ххх, 4ххх, 6ххх или 7ххх, но всегда содержат легирующие добавки магния, что необходимо для снижения образования оксида алюминия на частицах порошка при его спекании [2].
Основные методы
Порошковые алюминиевые материалы могут производиться с применением несколькими методов их изготовления. Основными такими промышленными методами, то есть такими, которыми производят порошки, которые доступны на рынке, являются:
Атомизация
Атомизация включает формирование порошка из потока расплавленного металла, который разбивается на капли. Могут формироваться как порошки чистого алюминия, так и из предварительно легированные порошки. Фактически этим методом производится большая часть всех порошков. Важным аспектом этого метода является быстрое затвердевание порошка из расплава. Для реализации метода применяют следующие способы:
- Водная атомизация
- Газовая атомизация
- Вакуумная атомизация
- Воздушная атомизация
- Центробежная атомизация
Водный и газовый способы атомизации являются основными.
Быстрое затвердевание в ленту и распыление
Другой метод производства алюминиевого порошка состоит в получении быстро затвердевшей ленты и последующего измельчения этой ленты в хлопья, которые можно спрессовывать и экструдировать.
Механическое легирование
Интересным методом для производства оксидного дисперсноупрочненного материала для применения в деталях при высоких температурах является механическое легирование. В этом методе порошок многократно сваривается, разламывается и снова сваривается.
Газовая атомизация
На рисунке 4 показана схематическая диаграмма вертикального атомизатора с применением инертного газа. Сверхперегретый расплав готовится в вакуумной индукционной печи и разливается в одно или несколько сопел. Быстро расширяющийся газ разбивает жидкую струю, которая сначала превращается в тонкий лист и затем образует пучки, эллипсоиды и сферы. Этот порошок собирается, а воздух проходит через циклон, где очищается от мелкого порошка, и уходит на повторное применение. Этот процесс газовой атомизации имеет большое количество переменных параметров, таких как:
- состав сплава
- скорость подачи металла
- температура расплава
- вязкость расплава
- давление и температура газа
- тип газа
- геометрия сопла.
Рисунок 4 – Атомизация порошковых материалов инертным газом [3]
Главным преимуществом газовой атомизации является:
- гомогенность порошкового материала,
- отсутствие загрязнения благодаря атмосфере инертного газа и
- сферическая форма частиц порошка.
Водная атомизация
Водная атомизация является аналогичной газовой атомизации, но струя расплавленного металла разбивается струями воды (рисунок 5). Скорость охлаждения выше, чем при газовой атомизации и, следовательно, химическая сегрегация в порошке меньше. Форма частиц порошка более неправильная, поверхность частиц более грубая и более окисленная. Повышенная скорость воды приводит к снижению среднего размера частиц.
Рисунок 5 – Водная атомизация порошковых материалов [3]
Механическое легирование
При механическом легировании применяют смесь шаров и порошка из чистого алюминия для создания микролегированного композитного порошка на аттриторе или в другом высокоэнергетической шаровой мельнице (рисунок 6).
Рисунок 6 – Механическое легирование алюминиевых порошков [3]
Многократное перемалывание, холодное сваривание, разбиение и повторное сваривание металлического порошка приводит к образованию гомогенного порошкового материала с однородным распределением включений. Хороший баланс между перемалыванием и свариванием достигается путем правильного выбора органических жидкостей, которые значительно влияют на технологию. Механически легированные порошки очень трудно поддаются спрессовыванию, так как для их холодной пластической деформации требуются большие усилия. Этот способ не является особенно производительным, но остается привлекательным, так так с его помощью могут производиться уникальные сплавы, которые применяются в основном для изделий и деталей, работающих при высоких температурах.
Преимущества быстрого затвердевания
Важной характеристикой атомизации является быстрое затвердевание порошка из расплава (10 2 – 10 4 К/с для газовой атомизации, 10 4 – 10 6 К/с для водной атомизации). Одним из явных преимуществ повышенной скорости затвердевания является измельчение микроструктурных составляющих. Зависимость между скоростью охлаждения расстоянием между ветвями дендридов приблизительно линейная (рисунок 7). Это структурное измельчение имеет важное влияние на свойства порошковых материалов таких как, повышенная прочность, более высокая усталостная прочность и повышенное сопротивление коррозии. Другим эффектом повышенной скорости охлаждения является расширение пределов растворения легирующих элементов в твердом растворе выше равновесных величин (рисунок 8). Это дает возможность получать метастабильные сплавы с химическим составом, который не может быть достигнут при классическом металлургическом методе литья слитков.
Рисунок 7 – Уменьшение расстояния между ветвями дендритов
при быстром затвердевании [3]
Рисунок 8 – Повышение растворимости легирующих элементов
при быстром затвердевании [3]
Проблема пористости
Структура и пористость порошковых алюминиевых сплавов зависит от химического состава сплава и характеристик порошка, а также технологических условий при прессовании, спекании, аддитивных процессах и вторичных операциях обработки давлением.
Практически все свойства порошковых алюминиевых сплавов зависят от их остаточной пористости, которая может снижать показатели качества до уровней ниже, чем у традиционных деформируемых или литейных сплавов. Важным является не только снижение или исключение остаточной пористости, но также полное понимание и контроль ее присутствия в деталях и изделиях.
Вторичные технологические операции, такие как ковка, прокатка и экструзия, способны повышать плотность и снижать остаточную поверхностную пористость и, тем самым, повышать многие свойства порошковых материалов. При тщательном контроле технологических параметров порошковой металлургии свойства алюминиевых порошковых материалов могут превышать свойства традиционных деформируемых алюминиевых сплавов [2].
Алюминиевые сплавы используются гораздо чаще, чем этот же металл в чистом виде. И тут ничего удивительного: они обладают гораздо большей прочностью, а также устойчивостью к коррозии и высоким температурам.
Комбинации с различными веществами наделяют те или иные сплавы конкретными характеристиками. В зависимости от требований к конечному продукту в алюминий добавляется один или несколько легирующих элементов. А чтобы не возникло путаницы, получившийся сплав маркируют определенным образом. То есть заказчику остается лишь выбрать наиболее подходящий для своих нужд металл.
Краткая характеристика алюминия и его сплавов
Впервые алюминий был получен учеными-химиками из Дании (Эрстедом) и Германии (Велером) в 1825 и 1827 годах соответственно. В промышленных масштабах производить металл стало возможным в 1886 году благодаря разработкам американца Чарльза Холла и француза Поля Эру. Стоимость алюминия вплоть до конца XIX века лишь ненамного уступала золоту.
В начале прошлого столетия алюминий использовался только в чистом виде. В 1906 году немецкий ученый Вильм термически упрочнил металл, добавив к нему медь (4 %), магний (0,5 %), марганец (0,5 %). Так появился первый сплав – дуралюмин. Алюминиевые сплавы, обладающие, помимо высокой прочности, небольшой плотностью, широко применяются в промышленности в настоящее время.
Удельная прочность соединений алюминия (отношение временного сопротивления к плотности) значительно выше аналогичного параметра сталей. Благодаря этому алюминиевые соединения широко используются в ракето- и самолетостроении.
Для металла и его сплавов характерны высокая технологичность и простота деформации, что позволяет с легкостью создавать детали сложной конфигурации. К достоинствам материала относятся также устойчивость к коррозии и хорошая электропроводность (эта характеристика выше только у серебра, меди и золота). Применение сплавов алюминия в электронике и электротехнике обусловлено легкостью их раскатывания в фольгу.
Рекомендуем статьи по металлообработке
Благодаря низкой температуре плавления при обработке материала не требуются значительные энергетические затраты, соответственно, производство и продукция обладают невысокой себестоимостью.
Классификация алюминиевых сплавов
Для классификации алюминиевых сплавов используется большое количество различных признаков. В зависимости от типа вспомогательных элементов выделяют следующие виды:
- с добавлением присадок, в качестве которых выступают различные материалы, например, магний, цинк, хром, кремний и другие.
- с добавлением интерметаллидов – в составе таких соединений присутствует несколько металлов, например, медь и магний, литий и магний.
В составе алюминиевых сплавов может присутствовать множество элементов, придающих материалу те или иные эксплуатационные характеристики.
По способу металлообработки выделяют следующие типы соединений алюминия:
- Деформируемые алюминиевые сплавы – твердые соединения, которые благодаря высокой пластичности могут обрабатываться прессованием или ковкой. Эксплуатационные характеристики материала повышаются путем проведения дополнительной обработки.
- Литейные – поступая на производство в жидком состоянии, они обрабатываются после того как затвердеют. Из литейных алюминиевых сплавов изготавливают корпусные детали различной конфигурации.
Отдельная группа представлена техническим алюминием, содержащим меньше 1 % посторонних примесей. Такой состав приводит к образованию на поверхности металла оксидной пленки, защищающей его от негативного воздействия окружающей среды. В то же время прочностные характеристики технического алюминия довольно низкие.
В зависимости от прочности соединения бывают:
- сверхпрочными (от 480 МПа);
- среднепрочными (от 300–480 МПа);
- малопрочными (до 300 МПа);
Отдельная группа представлена дуралюминами, обладающими особыми эксплуатационными свойствами.
В составе легких алюминиевых соединений может присутствовать множество примесей. Химический состав обозначается маркировкой.
Маркировка алюминиевых сплавов
При определении марки алюминиевых сплавов можно столкнуться с определенными сложностями. Маркировка выполняется таким образом, чтобы вопросов при уточнении соединения не возникало. Составы имеют определенное буквенно-цифровое обозначение.
Особенности маркировки заключаются в следующем:
- в начале стоят одна или несколько букв, указывающие на состав соединения;
- маркировки включают в себя цифровой порядковый номер;
- заканчиваться маркировка может также буквой, обозначающей особенности обработки материала (например, термической).
Ознакомимся с правилами маркировки на примере сплава Д17П. Первая буква Д обозначает состав сплава – дюралюминий. В составе всех дюралюминиев присутствуют определенные химические элементы, различающиеся по количественному содержанию. Порядковый номер 17 указывает на конкретный материал, обладающий определенными свойствами. Буква П в конце маркировки используется для обозначения способа обработки полунагартованного соединения, получаемого под давлением без предварительного нагрева металла, соответственно, прочностные характеристики будут составлять половину от максимально возможных.
VT-metall предлагает услуги:
Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы
Маркировка алюминиевых сплавов производится по ГОСТу 4784-97, определяющему основные требования к обозначению соединений.
4 способа обработки алюминиевых сплавов
Способы обработки алюминиевых соединений зависят от формы, которую необходимо получить по окончании работы. В процессе используют следующие технологии:
- прокатку, с помощью которой производят фольгу и цельные металлические листы;
- ковку – для изготовления элементов сложной конфигурации;
- формовку – также для создания деталей, имеющих сложную форму;
- прессование – для изготовления труб, профиля и прутьев.
Для улучшения эксплуатационных свойств различных типов алюминиевых сплавов металл обрабатывают термически.
Основные группы алюминиевых сплавов и их свойства
Для работы с алюминием и его соединениями необходимо ознакомиться со свойствами металла, поскольку они существенно влияют на сферу применения деталей и характеристики материала. Ранее мы говорили о классификации сплавов алюминия.
Далее расскажем о наиболее распространенных типах металла и их свойствах.
- Сплавы с алюминием, медью и кремнием.
Соединение также известно под названием алькусин. Сплавы, в которых присутствуют медь и кремний, используются для изготовления деталей промышленного оборудования. Отличные технические свойства позволяют эксплуатировать их в условиях постоянной нагрузки.
Технические характеристики составов, в которых присутствует медь, сравнимы с низкоуглеродистыми сталями. Основной недостаток заключается в плохой коррозионной устойчивости. Детали покрываются защитным составом, предохраняющим от негативного воздействия окружающей среды. Для улучшения качеств материала используют легирующие компоненты (марганец, железо, магний и кремний).
Эти соединения носят название силумина и служат для производства декоративных элементов. Для повышения характеристик алюминиевых сплавов используют натрий и литий.
Присутствие в составе магния повышает прочностные характеристики материала, а также облегчает процесс сварки. Содержание магния не должно превышать 6 %. Более высокий процент снизит антикоррозионные свойства соединения. Для повышения прочности без снижения коррозионной устойчивости в составы добавляют марганец, ванадий, хром или кремний. Каждый дополнительный процент магния улучшает прочность на 30 МПа.
Для повышения устойчивости к коррозии в состав соединения добавляют марганец. Благодаря ему повышаются прочность и свариваемость материала. Кроме марганца в состав добавляют железо и кремний.
- Сплавы с алюминием, цинком и магнием.
Высокими прочностными характеристиками, а также простотой обработки отличаются алюминиевые сплавы с магнием и цинком. Для улучшения свойств материала его подвергают термической обработке. Недостатком таких соединений является низкая антикоррозионная устойчивость. Для исправления этого минуса используют легирующий компонент – медь.
В этих сплавах, помимо алюминия, содержатся магний и кремний. Соединения отличаются высокой пластичностью, коррозионной устойчивостью.
Сплавы алюминия с другими элементами
Легирующими элементами, используемыми при изготовлении алюминиевых сплавов и улучшающими их качественные характеристики, являются также следующие.
Бериллий уменьшает окисление при термической обработке. Невысокое содержание бериллия (0,01–0,05 %) улучшает текучесть соединений алюминия, используемых в процессе производства деталей двигателей внутреннего сгорания (поршней и головок цилиндров).
Висмут, а также свинец, олово или кадмий, обладающие низкой температурой плавления, при добавлении в состав сплавов облегчают процесс резки металла. Эти компоненты способствуют образованию мягких легкоплавких фаз, обеспечивающих ломкость стружки и смазывание резца.
Соединения с добавлением галлия (0,01–0,1 %) используются для производства расходуемых анодов.
Небольшое количество железа (не более 0,04 %) добавляют в материал, используемый для изготовления проводов, за счет этого повышается прочность и ползучесть материала. Кроме того, железо снижает прилипание состава к стенкам форм при литье в кокиль.
Добавление в алюминиевые сплавы 0,05–0,2 % индия повышают прочностные характеристики в процессе старения, особенно если в составе присутствует низкое содержание меди. Из таких соединений алюминия изготавливают подшипники.
При добавлении в состав 0,3 % кадмия повышаются прочностные и антикоррозионные характеристики алюминиевых соединений.
Для придания материалу пластичности в состав добавляют кальций. Если его содержание достигнет 5 %, то металл будет сверхпластичным.
Добавление олова облегчает процесс резки алюминиевых сплавов.
Введение в состав титана увеличивает прочность и равномерное распределение характеристик во всем объеме заготовок за счет измельчения зерна в отливках и слитках.
Сферы применения алюминиевых сплавов
Алюминиевые сплавы широко применяются во многих сферах. Благодаря их эксплуатационным характеристикам они входят в пятерку наиболее распространенных соединений металла.
Сначала, благодаря легкости и прочности, их начали использовать при производстве дирижаблей и самолетов.
В настоящее время в связи с высокой температурой плавления соединения алюминия используют при производстве скоростных поездов. Поверхность во время движения на большой скорости нагревается, однако при этом не подвергается деформации.
Широко применяются металл и его соединения в судостроении, где им отдают предпочтение перед сталями. Корпуса из алюминия не подвержены обрастанию ракушками, которые отрицательно сказываются на обтекаемости судов и скорости их движения. Очистка стального корпуса требует значительных временных и финансовых затрат. Таким образом, первоначальные вложения в строительство алюминиевого корпуса окупаются благодаря более дешевой эксплуатации.
Невысокая стоимость и небольшой удельный вес обеспечили востребованность материала в военной промышленности, к примеру, из него производят отдельные элементы стрелкового оружия. С использованием соединений алюминия изготавливают ракетное топливо.
Высокой электропроводностью обусловлено использование алюминиевых сплавов для производства проводов и деталей радиоприемников. Они подходят для изготовления различных габаритных проводников электрического тока (линий электропередач, оболочек высоковольтных кабелей, шин распределительных устройств), что вызвано их заметными преимуществами перед другими металлами. Например, для алюминиевых оболочек кабелей характерны большая прочность и меньшая плотность, чем для свинцовых. Страны с высокоразвитой промышленностью тратят около 15 % алюминия для удовлетворения электротехнических потребностей.
Металл в настоящее время продолжает использоваться для производства посуды. По-прежнему остаются востребованными алюминиевые вилки, ложки, кастрюли и емкости для жидкостей.
Алюминий нашел применение и в пищевой промышленности – в качестве пищевой добавки. Для обозначения в составе продуктов алюминия используют букву E. Металл выступает в роли красителя в кондитерских изделиях, предохраняет продукты от появления плесени. Различные продукты упаковывают в тонкую алюминиевую фольгу, толщина которой не превышает 0,009 мм. А алюминиевая лента толщиной 0,2-0,3 мм идет на производство консервных банок.
Одним из специфических вариантов использования алюминиевых сплавов являются атомные реакторы. Большая часть из них при работе использует тепловые нейтроны. Соответственно, конструкция реакторов должна состоять из металлов, слабо поглощающих такие частицы. К примеру, из алюминия, отличающегося также высокой коррозионной устойчивостью при воздействии горячей воды, перегретого пара, углекислого газа, которые чаще всего выступают в качестве источника тепла в реакторах.
Почему следует обращаться именно к нам
Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.
Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:
- цветные металлы;
- чугун;
- нержавеющую сталь.
При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.
Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.
Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.
Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.
Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.
Читайте также: