1.3. Применение алюминия
Обладая такими свойствами, как малая плотность, высокая теплопроводность и низкое электрическое сопротивление, высокая пластичность и коррозионная стойкость, достаточно высокие прочностные свойства (особенно в сплавах) и многими другими ценными качествами, алюминий получил исключительно широкое распространение в различных отраслях современной техники и играет важнейшую роль среди всех цветных металлов. Алюминий во многих случаях с успехом заменяет другие металлы - медь, свинец, цинк и нередко используется взамен стали. Его широкому внедрению способствует самая низкая стоимость среди всех цветных металлов. Мировое производство алюминия неизменно растет и в 1998 г. превысило 22 млн. т, уступая только стали.
Чистый технический алюминий, ввиду своей пластичности, применяется в производстве фольги, широко используемой для изготовления электролитических конденсаторов и упаковочных материалов для пищевых продуктов (чай, молочные продукты, кондитерские изделия, сигареты). Благодаря дешевизне и высокой проводимости, он практически полностью вытеснил
медь из производства проводниковой продукции (установочные провода, кабели, шины и пр.).
Качество электролитического алюминия регламентирует ГОСТ 11069-74, а алюминий марки А7Э, который является базовым на Лондонской бирже металлов (LME), выпускается в соответствии с ТУ 48-5-287-67. В табл. 1.4 приведены выдержки из указанных стандартов, характеризующие химический состав алюминия различных марок.
Однако подавляющее количество алюминия используется в виде сплавов, которые обладают высокими механическими свойствами, и в зависимости от применения, делятся на две большие группы - деформируемые (около 80 % от общего объема производства сплавов) и литейные (около 20 %).
1.3.1. Деформируемые сплавы предназначены для производства изделий из них давлением (прокатка, штамповка, волочение). Для придания изделиям определенных свойств изготавливают алюминиевые сплавы, легированные различными элементами (Си, Mn, Si, Mg, Zn и др.). Производство деформируемых сплавов в России осуществляется по ГОСТ 1131-76, который регламентирует химический состав и размеры чушек, используемых для изготовления слитков, обрабатываемых давлением. Химический состав алюминиевых деформируемых сплавов регламентируется ГОСТ 4784-74. В зависимости от содержания главного легирующего элемента все сплавы делятся на пять серий (Mn, Mg, (Mg+Si), (Cu+Mg), Zn), которые, в свою очередь, состоят из нескольких марок сплавов [9].
Таблица 1.4 - Химический состав товарного алюминия, %
Марка
|
А1
|
Fe
|
Si
|
Си
|
Zn
|
Ti
|
Примесь (каждая)
|
Сумма примесей
|
А8
|
99,80
|
0,12
|
0,10
|
0,01
|
0,04
|
0,01
|
0,02
|
0,20
|
А7
|
99,70
|
0,16
|
0,15
|
0,01
|
0,04
|
0,04
|
0,02
|
0,30
|
А7Э
|
99,70
|
0,20
|
0,10
|
0,01
|
0,03
|
0,04
|
0,03
|
0,30
|
А7Е
|
99,70
|
0,20*
|
0,08
|
0,01
|
0,04
|
0,01**"
|
0,02
|
0,30
|
А6
|
99,60
|
0,25
|
0,18
|
0,01
|
0,06
|
0,02
|
0,03
|
0,40
|
А5
|
99,50
|
0,30
|
0,25
|
0,02
|
0,06
|
0,02
|
0,03
|
0,50
|
А5Е
|
99,50
|
0,35*
|
0,10
|
0,02
|
0,04
|
0,015**
|
0,02
|
0,50
|
АО
|
99,00
|
0,50
|
0,50
|
0,02
|
0,06
|
0,02
|
0,03
|
1,00
|
* не менее 0,18 %; **для суммы Ti + V + Mn + Cr.
Деформируемые сплавы подразделяют на два основных класса: неупрочняемые и термически упрочняемые [10]. К неупрочняемым сплавам относятся различные сорта технического алюминия и многие сплавы, упрочнение которых может быть достигнуто путем нагартовки из отожженного состояния. Термическое упрочнение сплавов заключается в их обработке при определенной температуре (отжиг, закалка и старение). Некоторые виды изделий (фольга и плакированные полуфабрикаты) могут быть изготовлены как из неупрочняемых, так и термически упрочняемых сплавов.
Алюминиевую фольгу, исключительно важный и широко используемый полуфабрикат, выпускают в промышленном масштабе из алюминия и термически неупрочняемых сплавов систем А1-Mn, A1-Mg. Авиационные конструкции заполняют фольгой, приготовленной из сплавов систем А1-Мп и А1-Mg, а при эксплуатации конструкций при повышенных температурах применяют сплав системы А1-Си.
Плакированные полуфабрикаты, у которых с одной или обеих сторон основное изделие покрыто слоем алюминия или алюминиевого сплава, предназначены для химической защиты сердцевины. Наиболее часто плакированными полуфабрикатами являются листы и плиты, но иногда выпускают проволоку, трубы и пр. Толщина плакирующего слоя составляет 1,5-10 % толщины основного сплава. В большинстве случаев в качестве основного применяют сплавы систем А1-Си, А1-Мп, А1-Mg- Si и А1-Zn, а в качестве плакирующего слоя - сплавы систем А1-Mg- Si, Al и Al-Zn.
Полуфабрикаты с покрытием во многом сходны с плакированными, но они предназначены для тех случаев, когда важно улучшенное качество поверхности или другие характеристики специального назначения. Применяются изделия, покрытые припоем, температура плавления которого ниже температуры плавления сердцевины, и это качество используется для соединения деталей в узлы методом пайки. В частности, в качестве припоя хорошо зарекомендовал себя сплав системы Al-Si, температура которого позволяет производить пайку под слоем флюса.
Полуфабрикаты для автомобильной промышленности идут в основном для изготовления бамперов, панелей кузовов, элементов внутренней отделки салона. Для внутренней отделки салона применяются сплавы системы Al-Mg, а для бамперов - различные по составу сплавы системы Al-Zn, которые позволяют получать блестящее покрытие методом анодирования и хромирования. Для деталей кузова используют сплавы общего конструкционного назначения из сплавов систем Al-Mn, Al-Mg и Al-Mg-Si. В последние годы широко ведутся работы по сокращению использования стали в автомобилестроении и замене ее на алюминиевые сплавы.
Сплавы для авиации разработаны с целью снижения массы авиационных конструкций, и их выпускают для изготовления плит, листов и прессованных полуфабрикатов. Сплавы систем А1-Си и Al-Zn остаются основными конструкционными материалами для авиационной промышленности в течение многих лет. Предъявляемым в ряде случаев требованиям повышенной вязкости отвечают сплавы повышенной чистоты системы А1-Си и Al-Zn. Большой интерес представляют сплавы системы Al-Mg-Li из-за пониженной плотности и высокого модуля упругости.
Листы для контейнеров и консервных банок изготавливают из сплава с содержанием 4,5 % меди и 0,35 % марганца, который имеет высокую прочность и хорошую формуемость. Обечайки банок получают ударной штамповкой или глубокой вытяжкой из сплавов системы А1-Мп.
Сплавы для блестящих поверхностей изготавливают из различных сплавов систем Al-Mn, Al-Mg, Al-Mg-Si и Al-Zn, а также из технического алюминия. Изделия из этих сплавов обрабатывают методом горячего анодирования. Диапазон применения таких деталей очень широк, особенно в товарах массового потребления.
Полуфабрикаты со специальной отделкой поверхности находят применение в строительных конструкциях, для чего используют анодирование, позволяющее получить гамму оттенков от серого до черного цвета. Для этих целей в основном применяют сплавы системы Al-Si.
Следует добавить, что для производства полуфабрикатов из деформируемых сплавов используют различные способы горячей и холодной обработки давлением - штамповку, вытяжку, ковку и пр.
1.3.2. Литейные сплавы. Отливки из алюминиевых сплавов можно получать всеми существующими способами литья: литье под давлением, в кокиль, в песчаные формы, литье по выплавляемым моделям и пр. Для этого используют различные литейные сплавы, выпуск которых регламентирует ГОСТ 1583-93. Согласно этому стандарту все литейные сплавы (в том числе и на основе вторичного алюминия) по содержанию основных легирующих компонентов подразделяются на пять групп: I - система А1-Si-Mg; II - система Al-Si-Cu; III - система А1-Си; IV - система Al-Mg; V - система А1 - прочие компоненты. Особую группу составляет система Al-Si (силумины) с добавками кремния в пределах 10-13 %, сплавы которой различаются между собой только содержанием примесей.
Система Al-Si (силумины). По содержанию кремния эти сплавы подразделяются на доэвтектические, эвтектические (содержание Si не более 12 %) и заэвтектические (содержание Si более 12 %). Сплавы с содержанием кремния не более 12 % находят самое широкое применение благодаря прекрасным литейным свойствам по сравнению с другими сплавами. Их физические и механические свойства достаточно широки, что дает возможность выбрать сплав с необходимыми параметрами. Такие сплавы обладают хорошими коррозионными характеристиками, неплохо свариваются и механически обрабатываются и поэтому широко применяются для производства большинства изделий. Для повышения отдельных свойств эта сплавов к ним добавляют небольшое количество различных легирующих компонентов (Си, Zn, Mg, Be и др.).
Заэвтектические алюминиево-кремниевые сплавы используют в тех случаях, когда требуется повышенная износоустойчивость изделий, так как в структуре этих сплавов находится твердая кремниевая составляющая. Наиболее часто они применяются для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания и для блока двигателя. Заэвтектические сплавы обладают хорошей жидкотекучестью и отлично обрабатываются резанием с помощью алмазного инструмента.
Сплавы системы Al-Si-Mg практически являются силуминами, легированными магнием, и применяются в тех случаях ,когда требуются повышенные прочностные свойства (например, для деталей автомобилей и самолетов). С этой целью отливки из таких сплавов, выполненные под давлением, подвергают термической обработке. Для особо ответственных изделий (оборонная и авиационная промышленность) используют сплавы этой системы, легированные небольшим количеством бериллия.
Сплавы системы Al-Si-Си применяют для литья в землю и кокиль, но могут быть использованы и для литья под давлением. Отливки из указанных сплавов обладают высокой износостойкостью и прочностью, и их, как правило, не подвергают термической обработке.
Сплавы системы А1-Си обладают достаточно высокой твердостью при повышенных температурах, поэтому их применяют для изготовления высококачественных литых деталей летательных аппаратов. Существенным недостатком этих сплавов является пониженная жидкотекучесть и склонность к образованию кристаллизационных трещин.
Сплавы системы Al-Mg характеризуются высокой коррозионной стойкостью, хорошей обрабатываемостью резанием и привлекательным внешним видом после анодирования. Такие сплавы в жидком состоянии склонны к окислению, обладают пониженной жидкотекучестью, в связи с чем редко используются для изготовления ответственных деталей.
Сплавы системы Al-Zn обладают рядом привлекательных свойств, но имеют трудности при литье в кокиль. Применение этих сплавов целесообразно для отливки деталей такой формы, которые невозможно подвергнуть закалке без риска коробления, так как прочность сплавов при старении растет в значительной степени.
1.3.3. Другие виды изделий из алюминия. Одним из важнейших потребителей алюминия является электротехническая промышленность, которая использует этот металл не только для производства проводниковой продукции, но и для изготовления корпусов электродвигателей небольшой мощности и других электроаппаратов. Обмотку практически всех короткозамкнутых роторов асинхронных двигателей выполняют из алюминия.
Основное количество проводниковой продукции - голые, обмоточные и изолированные провода; кабели в одножильном и многожильном исполнении производят в настоящее время по двухстадийной технологии. Вначале на алюминиевых заводах из жидкого сплава на непрерывных станах типа "Проперци" получают заготовку ("катанку") диаметром 9-19 мм, а затем на кабельных заводах волочением доводят ее до нужного диаметра и при необходимости свивают и покрывают изоляцией. Значительное количество кабеля выпускают в оболочке из алюминия, который дешевле свинцовой, и обладает хорошими антикоррозионными свойствами.
Электропроводность отожженного алюминия чистотой 99,6 %, как уже отмечалось, составляет 62 % проводимости меди, а предел прочности проволоки из алюминия равен 0,84-2,04 МПа в зависимости от степени отжига. При необходимости получения более высоких прочностных характеристик используют сплавы с повышенным содержанием легирующих элементов (Si, Fe), проводимость которых ниже примерно на 16-18 %. Для высоковольтных линий электропередачи применяют алюминиевые провода с сердечником из стального троса или из сплава с повышенным содержанием железа.
Для передачи больших токов на алюминиевых и магниевых электролизерах, а также на мощных дуговых печах для производства кремния и некоторых видов ферросплавов используют шины, которые отливают или прокатывают из различных алюминиевых сплавов или из алюминия марки АЕ. В настоящее время сечение шин достигает значительных размеров - их ширина и толщина составляет 800 и 450 мм соответственно, а их стоимость равна лишь одной трети от стоимости эквивалентных по проводимости медных шин.
Обмоточные провода из алюминия - сравнительно новый вид изделий. Поперечное сечение алюминиевого провода при одинаковом сопротивлении с медным в 1,6 раза больше, и электроаппараты получаются больших размеров. Однако масса алюминиевого провода в 2 раза меньше медного, следовательно, применение таких проводов возможно тогда, когда это позволяет конструкция аппарата.
Алюминиевую фольгу толщиной 0,00635 мм используют в сильноточных статических конденсаторах для улучшения коэффициента мощности, а также для телефонных кабелей, радиаторов для охлаждения крупных полупроводниковых выпрямителей и во многих других изделиях. Потребление алюминия для электротехнических целей составляет около 7 % от его мирового производства.
Вторая особенность алюминия - сохранение прочностных характеристик при низких температурах, что позволяет применять изделия из него при криогенных температурах (емкости для хранения сжиженных газов, радиаторы, трубки для теплообменных аппаратов и пр.).
За последние десятилетия резко возросло применение алюминия для производства товаров народного потребления. Так, на производство изделий домашнего обихода (пылесосы, стиральные и посудомоечные машины, холодильники, вентиляторы, предметы кухонной утвари, утюги и пр.) и мебели используют значительное количество сплавов из первичного и вторичного алюминия, и масштабы потребления алюминия для этих целей постоянно растут.
Для производства тары, необходимой в основном для упаковки продуктов обеспечения жизнедеятельности человека, расходуются не только металлические листы и фольга, но и слоистые материалы, включающие алюминиевую фольгу. В слоистых упаковочных материалах с фольгой применяют пленки из целлофана, ацетата целлюлозы, гидрохлорида каучука, поливинилхлорида, полиэфиров и полиэтилена. Так, для упаковки чая и сигарет используется фольга с наклеенной бумагой, а для упаковки медицинских препаратов, зубной пасты, кремов и пр. - тубы различной емкости.
Особое значение имеет применение алюминия в военной технике. Уникальные свойства алюминия и его сплавов позволяют получить высокие прочностные характеристики военной техники при минимальной массе. Изделия из алюминия широко используются в различных отраслях военной техники - производство брони, изготовление корпусов крупногабаритных тягачей, автоцистерн, автомобилей специального назначения и особенно в авиационной и ракетной технике. Алюминий находит применение в производстве понтонов, осветительных ракет, дымовых бомб и пр. В последние годы резко возрос интерес к пеноалюминию - уникальному материалу с низкой тепло- и электропроводностью и плотностью 0,23-0,75 г/см3, который легко режется и паяется. Большой практический интерес представляют алюминиевые порошки и частицы самых разнообразных размеров и форм. Размер частиц составляет от 0,015 до 17000 мкм, а размер порошков 1-1000 мкм. Форма частиц может быть сферической, в виде тонких чешуек и частиц неправильной формы.
Порошки выпускаются по различным технологиям [6] и различаются не только размерами, но и физико-химическими свойствами, которые зависят как от их геометрических параметров, так и от состава сплава и технологии, при которой они изготовлены. Порошки получают распылением в струе воздуха или воды, методом центробежного литья, гранулированием через вибросито с последующим охлаждением водой, размолом в мельницах, охлаждением алюминия из газовой фазы и пр.
Алюминиевые порошки находят широкое применение в металлургии в качестве легирующих добавок, в алюмотермии (для термитной сварки и восстановления трудновосстановимых соединений Сг, Mn, W, а в последние годы и для соединений таких металлов, как Са, Sr, Ba, Li).
Реакция окисления алюминия сопровождается выделением большого количество тепла, что позволяет приобретать летучим соединениям, входящим в состав взрывчатых веществ или топлива, высокую температуру. Этот эффект используют в твердых топливах и жидких взрывчатых веществах. Следует подчеркнуть, что алюминий остается главным компонентом твердых видов топлива для снарядов и ракет.
Порошки применяют для изготовления полуфабрикатов и деталей путем их прессования и спекания. Химическая промышленность использует тысячи тонн порошка различной чистоты, который необходим для синтеза металлоорганических соединений и катализа. Порошок применяется и для получения ряда соединений алюминия: алкилов алюминия, хлористого гидроксида, хлорида алюминия и пр.
Алюминиевые порошки имеют ряд особенных качеств - приятный цвет, способность к деформации, высокую теплопроводность и коррозионную стойкость. Деформированные порошки, полученные в шаровых мельницах в виде тонких чешуек, широко используют в качестве пигмента в покрытиях и красках (для окраски оборудования), а также в полиграфии. Их применяют для повышения коррозионной стойкости стали и чугуна, особенно в конструкциях, подверженных атмосферному воздействию (опоры линий электропередачи, элементы строительных конструкций и пр.).
Порошковая металлургия дает возможность значительно снизить стоимость деталей и увеличить коэффициент использования металла, так как деталь, изготовленная брикетированием порошка в штампе, почти не требует последующей механической обработки, что сводит отходы металла к минимуму. Алюминиевые порошки обладают лучшей способностью к уплотнению, чем порошки на железной основе. Это позволяет повысить прочность изделия и расширить возможности получения различных полуфабрикатов при той же мощности прессового оборудования. Спекание порошков проводят при температурах выше точки плавления с целью увеличения плотности и усиления связи между отдельными частицами.
Детали из спеченных алюминиевых порошков могут содержать до 25% оксида алюминия, поэтому их прочность при температуре до 500°С возрастает в несколько раз. Спеченные алюминиевые сплавы имеют уникальные характеристики, благодаря чему область их применения постоянно расширяется, заменяя в ряде случаев такие металлы, как титан и высокопрочные марки стали.
Низкие сорта алюминия используют для раскисления стали, т.е. восстановления растворенной в расплавленной стали закиси железа FeO, сильно ухудшающей технические свойства стали, до металлического железа 2А1 + 3FeO = А12О3 + 3Fe.
|
