Алюминий и алюминиевые сплавы подходят для многих инженерных применений благодаря сочетанию легкости с прочностью, высокой коррозионной стойкости, теплопроводности и электропроводности, отражательной способности тепла и света, а также их гигиеническим и нетоксичным свойствам. Разнообразие форм, в которых они доступны, также повышает их полезность. Так, вывоз кабеля из алюминия и других металлов с хорошей электропроводностью даст вторую жизнь использованию того или иного металла.
Состав и механические свойства алюминия
Чистый алюминий обладает хорошими рабочими и формовочными свойствами, высокой устойчивостью к коррозии, низкой механической прочностью и высокой пластичностью. Разнообразным и строгим техническим требованиям, предъявляемым к алюминиевым сплавам в различных областях применения, отвечает широкий ассортимент соединений, доступных для общих и специальных инженерных целей.
Алюминиевые сплавы называемые дюралюминий разработаны и испытаны для обеспечения различных комбинаций полезных свойств. К ним относятся соотношение прочности и веса, коррозионная стойкость, обрабатываемость, способность к литью или свойства при высоких температурах, и это лишь некоторые из них.
Более специализированные сплавы для авиационных применений включают высокопрочные сплавы Al-Zn-Mg (алюминиево-цинково-магниевые сплавы).
Свариваемые композиции Al-Zn-Mg средней прочности находят все большее применение в машиностроении.
Там, где требуются характеристики свободной обработки, это может быть достигнуто добавлением кадмия, сурьмы, олова или свинца. Материалы для электрооборудования имеют специальный состав, а подшипники изготавливаются из сплавов Al-Sn (Sn –олово).
Композиты из алюминиевого сплава с тонкой оболочкой на одной или обеих поверхностях из более анодного алюминиевого сплава или чистого алюминия позволяют изготавливать листы, пластины и трубы с особыми сочетаниями прочности и коррозионной стойкости, соответствующими условиям эксплуатации. Хотя первоначально этот принцип наплавки применялся для высокопрочных авиационных сплавов, в настоящее время он используется в ряде важных промышленных применений.
Термообрабатываемые сплавы типы Al-Cu-Mg и Al-Mg-Si — могут нагреваться при 480-5350 °C в течение периода от 20 минут до нескольких часов для получения раствора легирующих элементов, а затем быстро закаляются. Такая обработка обеспечивает повышенную прочность, а также может слегка повысить коррозионную стойкость. Дальнейшее упрочнение некоторых сплавов достигается дополнительной термообработкой при более низкой температуре в течение более длительных периодов (1-20 ч или более, в зависимости от сплава), что способствует осаждению легирующих элементов в кристаллической структуре металла. В некоторых сплавах такая обработка старением происходит при комнатной температуре. Обработка старением или осаждением незначительно снижает коррозионную стойкость большинства сплавов.
Физические свойства
Алюминий и алюминиевые сплавы изготавливаются в виде таких изделий, как рулонная плита, лист, экструдированные профили, волоченные трубка и т.д. Всеми известными процессами, с модификациями, соответствующими температуре или состоянию материала. Соединение может быть выполнено механическими методами (такими как заклепка и скрепление болтами), пайкой, клеевым соединением или сваркой. Методы дуговой сварки в среде аргона особенно подходят там, где важна коррозионная стойкость сварных соединений.
Чистый алюминий
Коррозионная стойкость нелегированного алюминия повышается с увеличением чистоты металла.
Использование марок 98-99% обычно ограничивается теми областями применения, где требуется очень высокая коррозионная стойкость или пластичность. Химическая промышленность может использовать эти чистоты для обработки некоторых продуктов, но из-за их низкой механической прочности они иногда используются в качестве облицовочного материала для более прочной основы.
Уменьшение чистоты приводит к увеличению прочности, но все еще сохраняется высокая устойчивость к коррозии. Чистый металл на 99% можно считать более полезным металлом общего назначения для слегка нагруженных применений, таких как обшивка панелями и кухонная утварь.
Алюминиево-марганцевый сплав
В листовой форме алюминиево-марганцевый сплав Al-Mn приводит к сочетанию хорошей коррозионной стойкости с достаточной механической прочностью. Большие объемы используются в строительстве, кухонной утвари и других областях общего назначения.
Алюминиево-магниевые сплавы
Для общего использования сплав Al-Mg приводит к чрезвычайно высокой коррозионной стойкости. Уровень получаемых механических свойств делает их идеально подходящими для использования для конструкций в агрессивных условиях.
Характеристики этих соединений делают их идеальными для строительства лодок и судов, для которых более высокие магниевые сплавы имеют долгую историю удовлетворительных эксплуатационных характеристик.
Там, где прочность менее критична, соединения с низким содержанием магния могут использоваться с таким же успехом и рекомендуются для водных условий.
Алюминиево-магниево-кремниевые сплавы
Термообрабатываемые сплавы Al-Mg-Si являются преимущественно конструкционными материалами, все из которых обладают высокой коррозионной стойкостью.
Низкое содержание Mg + Si облегчает производство сложных профилей с хорошей обработкой поверхности, что делает их естественным выбором для остекления секций и других архитектурных элементов. Более высокие механические свойства достигаются с помощью композиций, которые, более подходят для несущих конструкций.
Коррозионная стойкость сплавов Al-Mg-Si несколько уступает сплаву Al-Mg, но там, где требуется максимальная достижимая прочность, тогда полностью термообработанный сплав Al-Mg-Si, как правило, предпочтительнее.
Алюминиево-медные сплавы
Состав этих сплавов может быть классифицирован как дюралюминиевого типа.
Механические свойства и характеристики обуславливают его использование для тех применений, где главным критерием является высокая прочность, перевешивающая его низкую коррозионную стойкость. Защита анодированием или покраской желательна, когда можно ожидать удовлетворительных эксплуатационных характеристик, за исключением самых тяжелых условий. Альтернативно, версия с покрытием обладает коррозионной стойкостью, аналогичной ее чистой оболочке, при условии, что повторные термические обработкине вызвали чрезмерной диффузии меди в чистую оболочку. Использование для обработанных деталей довольно распространено, но не может быть рекомендовано в тех случаях, когда условия эксплуатации будут агрессивными.
Алюминиево-цинково-магниевые сплавы
Система сплавов Al-Zn-Mg обеспечивает широкий спектр коммерческих композиций, в первую очередь для тех областей, где прочность является основным фактором.
По существу, ассортимент композиций можно удобно разделить на две категории.
Высокопрочные сплавы содержат содержание Zn + Mg, значительно превышающее 6%, и используются в специальных конструкциях, таких как самолеты. Риск коррозионного растрескивания под напряжением в этих сплавах может быть усилен неправильной термической обработкой или составом, и они не могут быть рекомендованы для общего использования.
Другая группа сплавов — это сплавы с содержанием Zn + Mg, не превышающим 6%. Они использовались в общем машиностроении, когда естественное старение после сварки может быть использовано для изготовления прочных сварных конструкций. В частности, эти сплавы Al-Zn-Mg средней прочности успешно используются для транспортных применений, и представляется вероятным, что в ближайшем будущем этот показатель возрастет.
При правильных производственных процедурах риск коррозии под напряжением для этих сплавов незначителен, а устойчивость к безударной коррозия лишь незначительно уступает конструкционным сплавам Al-Mg-Si .
Коррозионные свойства в водных средах
Алюминий — очень реакционноспособный металл с высоким воздействием на кислород. Тем не менее, этот металл обладает высокой устойчивостью к большинству атмосферных воздействий и к большому разнообразию химических веществ. Это сопротивление обусловлено инертным и защитным свойством пленки оксида алюминия, которая образуется на металлической поверхности. Поэтому в большинстве сред скорость коррозии алюминия со временем быстро снижается. Лишь в нескольких случаях, например, в едком натре, скорость коррозии приближена к линейной.
Коррозионная стойкость алюминиевых сплавов в значительной степени обусловлена защитной оксидной пленкой, которая в течение нескольких секунд достигает толщины до 10 нанометра на только что открытом металле. На продолжение роста заметно влияет окружающая среда, ускоряясь при повышении температуры и влажности.
Погружение в воду приводит к быстрому загустению оксида. Поведение оксида может быть модифицировано примесями или легирующими добавками. В алюминиево-магниевых сплавах присутствие магнезии в оксиде придает характерный цвет металлу, хранящемуся во влажных условиях.
Возможное влияние незначительных примесей или добавок хорошо проиллюстрировано в случае олова, модифицирующее воздействие которого на оксид используется для получения высокоэлектроотрицательного потенциала в алюминиевых анодах с расходуемым покрытием.
