ГЛАВА VI. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

§ 26. АЛЮМИНИЙ И АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Получение алюминия. Из руд для промышленного получения алюминия используют преимущественно бокситы и нефелины. Химический состав бокситов выражается формулой Na₂(K₂)О∙Al₂О₃∙2SiО₂. Бокситы содержат в своем составе 30-70% глинозема Аl₂О₃, 2-20% кремнезема SiО₂, 2-50% окиси железа Fe₂О₃ и 0,1-10% окиси титана ТiO₂. Производство алюминия состоит из двух основных процессов: получения глинозема Al₂О₃ из бокситов и восстановления металлического алюминия электролизом из раствора глинозема в расплавленном криолите (Na₃AlF₆). Электролитом служит криолит с добавлением 8-10% глинозема, а также AlF₃ и NaF. Образующийся в результате электролиза жидкий алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его называют алюминием-сырцом. Алюминий-сырец содержит металлические (Fe, Si, Си, Zn и др.) и неметаллические (С, Al₂О₃ и др.) примеси, а также газы - кислород, водород, окись и двуокись углерода и др. Эти примеси удаляют, например, хлорированием (продувкой хлором) жидкого алюминия-сырца в ковше. Образующийся при этом парообразный хлористый алюминий АlСl₃, проходя через расплавленный алюминий, обволакивает пузырьками частицы примесей и выносит их вместе с газами, растворенными в алюминии. После рафинирования хлором алюминий отливают в слитки и направляют потребителям.
Первичный алюминий (ГОСТ 11069-74) делят на три группы: алюминий особой чистоты (марка А999), высокой чистоты (четыре марки) и технической чистоты. Указанным ГОСТом предусмотрено восемь марок, допускающих содержание примесей 0,15-1%. Название марки указывает ее чистоту. Например, марка А8 обозначает, что в металле содержится 99,8% алюминия, а в марке А99 - 99,99% алюминия. Алюминий технической чистоты получают в электролизных ваннах. Путем электролитического рафинирования алюминия-сырца получают алюминий марок высокой чистоты.
Алюминий - легкий металл серебристо-белого цвета с высокой электро- и теплопроводностью; плотность его 2700 кг/м³, температура плавления в зависимости от чистоты колеблется в пределах 660-667°С. В отожженном состоянии алюминий имеет малую прочность (σ_в=80-100 МПа), низкую твердость (НВ 20-40), но обладает высокой пластичностью (δ=35-40%). Алюминий хорошо обрабатывается давлением, сваривается, но плохо поддается резанию. Имеет высокую стойкость против атмосферной коррозии и в пресной воде. На воздухе алюминий быстро окисляется, покрываясь тонкой плотной пленкой окиси, которая не пропускает кислород в толщу металла, что и обеспечивает его защиту от коррозии.
В качестве конструкционных материалов алюминий широко применяют в виде сплавов с другими металлами и неметаллами (медь, марганец, магний, кремний, железо, никель, титан, бериллий и др.). Алюминиевые сплавы сочетают в себе лучшие свойства чистого алюминия и повышенные прочностные характеристики легирующих добавок. Так, железо, никель, титан повышают жаропрочность алюминиевых сплавов. Медь, марганец, магний обеспечивают упрочняющую термообработку алюминиевых сплавов. В результате легирования и термической обработки удается в несколько раз повысить прочность (σ_в с 100 до 500 МПа) и твердость (НВ с 20 до 150) алюминия. Все сплавы алюминия подразделяют на деформируемые и литейные.
Деформируемые алюминиевые сплавы. Деформируемые алюминиевые сплавы применяют для получения листов, ленты, фасонных профилей, проволоки и различных деталей штамповкой, прессованием, ковкой. В зависимости от химического состава деформируемые алюминиевые сплавы делят на 7 групп; содержат 2-3 и более легирующих компонента в количестве 0,2-4% каждого. Например, сплавы алюминия с магнием и марганцем; алюминия с медью, магнием, марганцем и др.
Деформируемые сплавы разделяют на сплавы, упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой. Деформируемые сплавы, подвергаемые механической и термической обработке, имеют буквенные обозначения, указывающие на характер обработки (см. примечания к табл. 9).
Термически неупрочняемые сплавы - это сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием и марганцем (АМг). Они обладают умеренной прочностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и пластичностью (табл. 9).
Термически упрочняемые сплавы (см. табл. 9) приобретают высокие механические свойства и хорошую сопротивляемость коррозии только в результате термической обработки. Наиболее распространены сплавы алюминия с медью, магнием, марганцем (дюралюмины) и алюминия с медью, магнием, марганцем и цинком (сплавы высокой прочности).
Дюралюмины маркируют буквой Д, после которой стоит цифра, обозначающая условный номер сплава. Термическая обработка дюралюминов состоит в закалке, естественном или искусственном старении. Для закалки сплавы нагревают до 500°С и охлаждают в воде. Естественное старение производят при комнатной температуре в течение 5-7 сут. Изменение прочности дюралюминия при естественном старении показано на рис. 48. Искусственное старение проводят при 150-180°С в течение 2-4 ч. (При одинаковой прочности дюралюмины, подвергнутые естественному старению, более пластичны и коррозионностойки, чем подвергнутые искусственному старению. Особенностью нагрева алюминиевых сплавов при закалке является строгое поддержание температуры (+5°), чтобы не допустить пережога и достичь наибольшего эффекта термической обработки.



Дюралюмины не обладают необходимой коррозионной стойкостью, поэтому их подвергают плакированию (см. § 50). Дюралюмины выпускают в виде листов, прессованных и катаных профилей, прутков, труб. Особенно широко применяют дюралюмины в авиационной промышленности и строительстве.
Литейные алюминиевые сплавы. Литейные сплавы содержат почти те же легирующие компоненты, что и деформируемые сплавы, но в значительно большем количестве (до 9-13% по отдельным компонентам). Литейные сплавы предназначены для изготовления фасонных отливок. Выпускают 35 марок литейных алюминиевых сплавов (АЛ), которые по химическому составу можно разделить на 5 групп. Например, алюминий с кремнием (АЛ2, АЛ4, АЛ9) или алюминий с магнием (АЛ8, АЛ 13, АЛ22 и др.).
Алюминиевые литейные сплавы маркируют буквами АЛ и цифрой, указывающей условный номер сплава. Сплавы на основе алюминия и кремния называют силуминами. Силумины обладают высокими механическими и литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, достаточно высокой прочностью и удовлетворительной пластичностью. Сплавы на основе алюминия и магния имеют высокую удельную прочность, хорошо обрабатываются резанием и имеют высокую коррозионную стойкость. Свойства алюминиевых литейных сплавов существенно зависят от способа литья и вида термической обработки. Важное значение при литье имеет скорость охлаждения затвердевающей отливки или скорость охлаждения при ее закалке. В общем случае увеличение скорости отвода тепла вызывает повышение прочностных свойств. Поэтому механические свойства отливок при литье в кокиль (металлические литейные формы) выше, чем при литье в песчано-глинистые формы (табл. 10).
Литейные алюминиевые сплавы имеют более грубую и крупнозернистую структуру, чем деформируемые. Это определяет режимы их термической обработки. Для закалки силумины нагревают до температуры 520-540°С и дают длительную выдержку (5-10 ч), для того чтобы полнее растворить включения. Искусственное старение проводят при 150-180°С в течение 10-20 ч.


Для улучшения механических свойств силумины, содержащие более 5% кремния, модифицируют натрием. Для этого в расплав добавляют 1-3% от массы сплава соли натрия (⅔NaF+⅓NaCl). При этом снижается температура кристаллизации сплава и измельчается его структура.