Алюминиевые и магниевые сплавы

Содержание: 
 
 

1. Алюминиевые сплавы:

1.1 Химические свойства  алюминия

1.2 Производство 

1.3 Применение 

 

2. Магниевые сплавы:

2.1 Химические свойства  магния

2.2 Производство

2.3 Применение 

 

3. Алюминиево- магниевые  сплавы (общие характеристики) 

4. Список литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      1.Алюминиевые  сплавы 

1. Химические  свойства

 

        Алюминий (Aluminium) - химический элемент третьей группы периодической системы. Атомный номер 13, атомная масса 26,9815. Обозначается латинскими буквами Al . Это серебристо-белый металл, легкий (r = 2,7 г/см³) , легкоплавкий (t_пл = 660,4 °С ), пластичный, легко вытягивается в проволоку и фольгу. Электропроводность алюминия довольно высока и уступает только серебру (Ag) и меди (Cu) (в 2,3 раза больше чем у меди)

      Алюминий  находится практически везде на земном шаре так как его оксид (Al₂O₃) составляет основу глинозема. Алюминий в природе встречается в соединениях - его основные минералы:

• боксит  - смесь минералов диаспора, бемита AlOOH, гидраргиллита Al(OH)₃  и оксидов других металлов - алюминиевая руда;
• алунит - (Na,K)₂SO_{4 *} Al₂(SO₄)_{3 *} 4Al(OH)₃ ;
• нефелин - (Na,K)₂O _* Al₂O_{3 *} 2SiO₂ ;
• корунд - Al₂O₃ - прозрачные кристаллы;
• полевой шпат (ортоклаз) - K₂O _* Al₂O_{3 *} 6SiO₂ ;
• каолинит - Al₂O_{3 *} 2SiO_{2 *} 2H₂O - важнейшая составляющая часть глины

      и другие алюмосиликаты, входящие в состав глин.  

      И хотя содержание его в земной коре 8,8% (для сравнения, например, железа в земной коре 4,65% - в два раза меньше), а по распространенности занимает третье место после кислорода (O) кремния (Si) в свободном состоянии впервые был получен в 1825 году Х. К. Эрстедом.

      Немецкий  химик Ф. Вёлер в 1827 получил алюминий при нагревании хлорида алюминия AlCl₃ со щелочными металлами калием (K) и натрием (Na) без доступа воздуха.

        новыми способами получения чистого алюминия являются метод зонной очистки , кристаллизация из амальгам (сплавов алюминия со ртутью) и выделение из щёлочных растворов. Степень чистоты алюминия контролируется величиной электросопротивления при низких температурах. 

      В настоящее время используется следующая классификация алюминия по степени чистоты: 

 

      Механические  свойства алюминия при комнатной  температуре: 

 
 
 
 

^{1.2 Производство}

^{Прочность чистого алюминия не удовлетворяет  современные промышленные нужды, поэтому для  изготовления любых  изделий, предназначенных  для промышленности , 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, но также и двойные  сплавы алюминия с  кремнием, которые  содержат 10-13 % Si, и  немного отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общей содержание примесей в них 0.5-1.7 %. Эти сплавы называют силуминами. Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. 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.}

^{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 %.}

^{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 искусственное 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.}

^{Среди неупрочняемых 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 последущего 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 заметногоэффекта упрочнения.  Несмотря на это, 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.}

      Также для улучшения некоторых характеристик  алюминия в качестве легирующих элементов  используются:

      Бериллий  добавляется для уменьшения окисления  при повышенных температурах. Небольшие  добавки бериллия (0,01 - 0,05%) применяют  в алюминиевых литейных сплавах для улучшения текучести в производстве деталей двигателей внутреннего сгорания (поршней и головок цилиндров).

      Бор вводят для повышения электропроводимости  и как рафинирующую добавку. Бор  вводится в алюминиевые сплавы, используемые в атомной энергетике(кроме деталей реакторов), т.к. он поглощает нейтроны, препятствуя распространению радиации. Бор вводится в среднем в количестве 0,095 - 0,1%.

      Висмут. Металлы с низкой температурой плавления, такие как висмут, свинец, олово, кадмий вводят в алюминиевые сплавы для улучшения обрабатываемости резанием. Эти элементы образуют мягкие легкоплавкие фазы, которые способствуют ломкости стружки и смазыванию резца.

      Галлий  добавляется в количестве 0,01 - 0,1% в сплавы, из которых далее изготавливаются  расходуемые аноды.

      Железо. В малых количествах (»0,04%) вводится при производстве проводов для увеличения прочности и улучшает характеристики ползучести. Так же железо  уменьшает прилипание к стенкам форм при литье в кокиль.

      Индий. Добавка 0,05 - 0,2% упрочняют сплавы алюминия при старении, особенно  при низком содержании меди. Индиевые добавки используются в алюминиево - кадмиевых подшипниковых сплавах.

      Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности  и улучшения коррозионных свойств  сплавов.

      Кальций придаёт пластичность. При содержании кальция 5% сплав обладает эффектом сверхпластичности.

      Кремний является наиболее используемой добавкой в литейных сплавах. В количестве 0,5 - 4% уменьшает склонность к трещинообразованию. Сочетание кремния с магнием  делают возможным термоуплотнение сплава.

      Магний. Добавка магния значительно повышает прочность без снижения пластичности, повышает свариваемость и увеличивает  коррозионную стойкость сплава.

      Медь  упрочняет сплавы, максимальное упрочнение достигается при содержании меди 4 - 6%. Сплавы с медью используются в производстве поршней двигателей внутреннего сгорания, высококачественных литых деталей летательных аппаратов.

      Олово улучшает обработку резанием.