info@svartek.ru
I. Алюминий и алюминиевые сплавы. Химико-металлургические и технологические особенности
1.1. Алюминий.
Алюминий — один из самых лёгких металлических конструкционных материалов, его плотность составляет 2,7 г/см3. Чистый алюминий имеет невысокую температуру плавления (657ºС), низкую твёрдость, высокую пластичность, хорошую электропроводность (60% от электропроводности меди). Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью к воздействию воды и кислот. Коррозионные свойства объясняются высокой химической активностью алюминия, он быстро окисляется с образованием поверхностной плёнки Al2O3, которая имеет высокую плотность, твёрдость и температуру плавления. Одним из наиболее ценных свойств алюминия — высокая пластичность и хорошая деформируемость; он хорошо подвергается обработке давлением в холодном и горячем состоянии.
Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов определяется наличием на поверхности изделий плотной окисной пленки. Алюминий совершенно нетоксичен, чем определяется широкое применение его в пищевой промышленности. Он весьма стоек в окислительных средах. В связи с этим его используют в сосудах для транспортировки и получения азотной кислоты и т.п. Как правило, чем меньше примесей в техническом металле, тем выше его коррозионная стойкость.
Чистый алюминий редко применяется как конструкционный материал (за исключением использования в качестве электропроводного материала в электротехнической промышленности и в отдельных случаях в химической и пищевой промышленности), что связано с его низкой прочностью. Но в результате сплавления с магнием, медью, цинком, кремнием и другими элементами алюминий способен образовывать разнообразные сплавы, обладающие достаточной прочностью и хорошими технологическими свойствами.
1.2. Алюминиевые сплавы
Алюминиевые сплавы используют в сварных конструкциях различного назначения. Основными достоинствами их как конструкционных материалов являются малая плотность, высокая удельная прочность, высокая коррозионная стойкость. В качестве конструкционных материалов в основном используют полуфабрикаты из алюминиевых сплавов. По показателям отношения прочности и текучести к плотности высокопрочные алюминиевые сплавы значительно превосходят чугун, низкоуглеродистые и низколегированные стали, чистый титан и уступают лишь высоколегированным сталям повышенной прочности и сплавам титана. Рис. 1. Классификация алюминиевых сплавов по бинарной диаграмме: 1 — деформируемые; 2 — литейные; 3 — деформируемые, неупрочняемые термической обработкой; 4 — деформируемые, упрочняемые термической обработкой. Алюминиевые сплавы разделяют на литейные и деформируемые по пределу растворимости элементов в твердом растворе. В сварных конструкциях в основном используют полуфабрикаты (листы, профили, трубы и др.) из деформируемых сплавов. Концентрация легирующих элементов деформируемых сплавов меньше.
Алюминиевые сплавы разделяют на литейные и деформируемые по пределу растворимости элементов в твердом растворе. В сварных конструкциях в основном используют полуфабрикаты (листы, профили, трубы и др.) из деформируемых сплавов. Концентрация легирующих элементов деформируемых сплавов меньшепредела растворимости, и при нагреве эти сплавы могут быть переведены в однофазное состояние, при котором обеспечивается их высокая деформационная способность. Большинство элементов, входящих в состав алюминиевых сплавов, обладает ограниченной растворимостью, изменяющейся с температурой. Это сообщает сплавам способность упрочняться термической обработкой. В связи с этим деформируемые сплавы разделяют на сплавы, не упрочняемые термической обработкой с концентрацией легирующих элементов ниже предела растворимости при 20 0С), и сплавы, упрочняемые термической обработкой (имеющие концентрацию легирующих элементов свыше этого предела). К деформируемым сплавам, не упрочняемым термической обработкой, относятся:
технический алюминий АД0, АД1
сплав А1-Мn АМц (Аl + 1,3% Мg)
сплавы А1-Мg АМг1, АМг2, АМг3, АМг5, АМг61
В сварных соединениях эти сплавы способны сохранять до 95% прочности основного металла при высокой пластичности и высокой коррозионной стойкости.
Термически упрочняемые деформируемые алюминиевые сплавы могут быть разделены на несколько групп:
сплавы А1-Сu-Мg (дуралюмины) Д1, Д16, Д19, ВАД1, ВД17, М40, Д18
сплавы А1-Мg-Si и А1-Сu-Мg-Si (авиали) АВ, АД31, АД33, АД35, АК6, АК6-1, АК8
сплавы А1-Сu-Мg-Fe-Ni АК2, АК4, АК4-1
сплавы А1-Сu-Мn Д20, Д21
сплавы Аl-Zn-Mg-Cu В93, В95, В96, В94
сплавы А1-Мg-Zn В92, В92Ц
сплавы Al-Cu-Mn-Li-Cd ВАД 23
Из перечисленных сплавов к свариваемым относятся: АД, АД1, АМц, АМг, АМг3, АМг5В, АМг6, АВ, АД31, АДЗЗ, АД35, М40, Д20, ВАД1, В92Ц.
Самая значительная доля алюминиевых сплавов находит свое применение в упаковочной промышленности и транспортном машиностроении (см. Рис. 2), то есть там, где наиболее важны проблемы защиты пищевых продуктов от коррозии и снижения массы конструкций. Второе место по применению алюминиевых сплавов — строительство. Азия и Северная Америка потребляют суммарно более половины всех алюминиевых сплавов, что обусловлено массовым строительством жилых и административных зданий и бурным развитием транспортного машиностроения.
1.3. Поверхностная оксидная плёнка.
При 1000ºС реакция окисления алюминия может протекать при очень низком парциальном давлении кислорода. Образующийся оксид алюминия Al2O3 покрывает поверхность деталей плотной и прочной плёнкой. При 20ºС процессы окисления алюминия протекают по параболическому закону. Оксидная плёнка плохо проводит электрический ток. Важной характеристикой оксидной плёнки алюминия является её способность адсорбировать газы, в особенности водяной пар. Влага удерживается оксидной плёнкой до температуры плавления металла.
Коэффициент теплового расширения оксидной плёнки почти в 3 раза меньше коэффициента расширения алюминия, поэтому при нагреве металла в ней образуются трещины. При наличии в алюминии легирующих добавок состав оксидной плёнки может существенно меняться. Возникающая сложная оксидная плёнка в большинстве случаев является более рыхлой, гигроскопичной и обладает худшими защитными свойствами.
Ещё одной особенностью оксидной плёнки алюминия является её высокая плотность, вследствие чего в расплавленном металле сварочной ванны она опускается на дно и впоследствии может служить причиной дефектов шва — внутренних кристаллизационных трещин, особенно опасных при знакопеременном нагружении.
1.4. Свариваемость алюминиевых сплавов.
Сварные конструкции изготавливают из деформируемых сплавов, сведения о которых приведены в ГОСТ4784-74. Важнейшим показателем свариваемости алюминиевых сплавов является способность не образовывать при сварке горячих трещин. Сплавы, крайне чувствительные к горячему трещинообразованию, считаются несвариваемыми. Применение их в сварных конструкциях не рекомендуется.
Сплавы, не упрочняемые термической обработкой (системы А1-Мn и А1-Мg) и технический алюминий хорошо свариваются. Заготовки из этих сплавов выпускаются в отожженном и холоднодеформированном (нагартованном) состоянии.
Сплавы, упрочняемые термической обработкой (закалка с последующим старением), имеют обычно более высокую степень легирования и механическую прочность. Это сплавы А1-Мg-Si (авиали) и Аl-Zn с добавками других элементов. Они хуже свариваются (некоторые совсем не свариваются) и часто имеют низкую коррозионную стойкость. Авиали свариваются только с использованием присадочного материала.
Сплавы А1-Сu и А1-Сu-Мg (большинство относятся к дюралюминам) относятся к несвариваемым сплавам. Единственный свариваемый сплав А1-Сu — 1201 и его зарубежные аналоги.
Тройные сплавы Аl-Zn-Мg свариваются хорошо только в том случае, если суммарное содержание легирующих элементов не превышает 7,0 — 7,5%. К свариваемым относится отечественный сплав 1915 и его зарубежные аналоги.
Для литейных сплавов сварка применяется только в ремонтных целях, а также для исправления дефектов литья. Из всех литейных сплавов наибольшее распространение получили сплавы А1-Si (силумины), которые относятся к группе ограниченно свариваемых.