Материаловедение: алюминий и алюминиевые сплавы

Все по порядку: от места «крылатого металла» в мировой индустрии до характеристики сплавов на его основе. Занимательные факты об алюминии; обзор его физических и механических свойств; отличия деформируемых сплавов от литейных, дюралей от авиалей… Все это и не только в нашей большой статье.

Прежде чем начать, напомним: в интернет-магазине palladium.ru вы сможете купить дверные ручки из алюминия, а также некоторую другую фурнитуру из этого металла и его сплавов. Вся продукция от производителя, гарантия – до 7 лет. Ждем ваших заказов!

 

Алюминий – 13-й химический элемент в периодической системе. По разным данным процент содержания алюминия в земной коре – от 7,45% до 8,14%; из всех элементов только кислород и кремний встречаются здесь чаще. Фактически запасы алюминия на планете неисчерпаемы, и по объемам производства среди металлов он уступает только железу.

Алюминий – один из самых легковесных металлов: в 3 раза легче того же железа. Ему можно придать какую угодно форму; он свободно пилится, без особых проблем сваривается и не знает, что такое коррозия. Строительный сектор и транспорт, техника и электроэнергетика, производство домашней утвари и пищевой упаковки – алюминий и его сплавы востребованы везде, где нужны прочность и практичность без утяжеления конструкции. Корпус вашего смартфона – и тот наверняка из алюминия.

 

Алюминий – химически высокоактивный металл, который всегда стремится к взаимодействию с другими элементами и веществами. Поэтому в чистом виде он в природе не встречается, и получают его из минералов. Бокситы, нефелины, алуниты, глиноземы – насчитывают более 250 горных пород и соединений, богатых алюминием.

Первый известный истории способ получения нелегированного алюминия был задокументирован датским физиком Г. Х. Эрстедом в 1825 году в ходе опытов с электромагнетизмом. Однако способ этот был трудоемким, а потому и дорогостоящим. Как, собственно, и сам алюминий: вплоть до середины XIX века он считался металлом роскоши, почти что наравне с золотом и серебром.

Все изменилось в 1886 году, когда химик Ч. М. Холл запатентовал электролизную технологию производства алюминия из глинозема. Это сразу перевернуло игру: добыча алюминия упростилась в разы, и с 1890х производство разгонялось скачкообразно. По итогу цены на алюминий закономерно обрушились: за следующие 40 лет «крылатый металл» подешевел в 5 раз. Заметим, что метод Холла прошел проверку временем и до сих пор лежит в основе получения первичного алюминия.

 

• Плотность алюминия: 2712 кг/м3 (2,7 г/см3)

• Температура плавления: +658°C у технического, +658°C – у алюминия особой чистоты

• Удельная теплоёмкость: 897 Дж/кг·K

• Коэффициент теплопроводности: 203,5 Вт/(м·К)

• Электропроводность: 3,7·107 См/м

• Удельное электрическое сопротивление: 2.700 · 10−8Ом·м

• Является слабым парамагнетиком

• Цвет: серебристо-белый

 

Пример из строительства: алюминиевые конструкции в 2-3 легче стальных с той же несущей способностью, что определенно развязывает руки архитекторам. В авиации и космонавтике алюминий вообще основополагающий материал. В случае с метро и пригородными электричками применение алюминия, помимо прочего, снижает затраты электроэнергии, необходимой на разгон подвижного состава, следующего с частыми остановками.

 

Все дело в тончайшей (0,00001 мм) и крайне прочной оксидной пленке, образующей надежное сцепление с металлом. Даже если пленка все же разрушится, в большинстве сред она мгновенно восстановится. Отдельно отметим марки алюминиево-магниевых сплавов с Mg 3-6% («морской алюминий»). На морском воздухе они корродируют в 100 раз медленнее, чем сталь, поэтому активно используются в судостроении.

 

Его можно вытянуть ультратонкой (0,004 мм) проволокой или прокатать в фольгу, которая будет втрое тоньше волоса взрослого человека. Отлить из алюминия что-нибудь фигурное или детализированное – всегда пожалуйста, нужно просто выбрать подходящий литейный сплав.

 

Среди недрагоценных металлов только медь обходит алюминий по электропроводности: 5,87х107 См/м у первой против 3,7х107 См/м у второго. Но у алюминия припрятан козырь: малая плотность. Так, если в среднестатистической легковушке заменить всю медную проводку алюминиево-циркониевой, автомобиль похудеет на ~12 кг.

 

 

Только серебро и медь теплопроводнее, чем алюминий. По этой причине алюминиевые сплавы часто используют в теплообменниках и радиаторах охлаждения. Помимо прочего, сплавы алюминия – почти идеальные материалы для кухонной утвари: от кастрюль до корпусов кофеварок. Та же алюминиевая кастрюля при нагревании поглощает всего ~7%, остальная энергия идет на разогрев пищи.

 

Скажем, дюралюминий по удельной прочности не уступает среднелегированным сталям. Более того, так называемые высокопрочные алюминиевые сплавы эти самые стали даже обходят: ~18,5 км у первых против ~15,4 км у вторых.

 

В отличие от многих других металлов его можно перерабатывать бесконечно. Примерно 75% алюминия, выпущенного за все эти 150 лет, используется до сих.

 

Сам по себе алюминий идет в ход реже, чем бесчисленные сплавы на его основе. Как мы уже говорили, алюминий активно соединяется с другими элементами, и даже мизерные присадки способны значительно изменить его характеристики. Правда, почти всегда – ценой увеличения плотности и просадки в коррозионной стойкости. Исключение здесь разве что магний и марганец. Тот и другой облегчают сплав, а в определенной доле (до 3,0% для Mg; до 1,0% для Mn) могут еще сильнее замедлить коррозию.

Условно алюминиевые сплавы делят на три группы: деформируемые, литейные и спеченные.

 

Применяются для получения полуфабрикатов (листов, профилей, труб…) и различных деталей штамповкой, ковкой, прессованием. Все деформируемые сплавы подразделяют на термически упрочняемые и неупрочняемые. К первой группе относят сплавы алюминия с магнием и кремнием, а также с магнием и медью. Ко второй – с марганцем и с марганцем и магнием. В соответствии с действующим ГОСТ 4784-2019 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки» для маркировки используется буквенное обозначение (АМ, АК, В, ВД, Д…) с порядковым номером сплава (например, Д18).

Семейство промышленных сплавов Al-Cu-Mg: алюминий (до 93%), медь (до 5%), магний (до 3%). В качестве присадки вводят марганец (~0,5%); кремний c железом считают естественными примесями.

Чем интересен дюралюминий? Тем, что в результате закалки или состаривания он становится таким же прочным, как сталь, и вдобавок приобретает устойчивость к скачкам температуры. Поэтому дюраль активно используется в авиации, автопроме и строительстве. Самые ходовые марки – Д1 и Д16. Вторая, к слову, считается самым стойким к трещинам алюминиевым сплавом, в том же самолетостроении ее расходуют на ответственные детали и узлы.

Сплавы системы Al-Mg-Si: алюминий (до 98%), магний (до 0,9%), кремний (до 1,2%). Из других легирующих элементов и примесей присутствуют незначительные доли марганца, меди, железа и цинка. Марки: АВ, АД31, АД35.

Сплавы этой группы пластичны, после закалки и старения удовлетворительно режутся и хорошо свариваются. Из них делают велосипедные рамы, корпуса мобильных телефонов, лопасти вертолетов и средненагруженные детали. Средненагруженные – потому, что в прочности авиационный алюминий уступает дюралям. Как, впрочем, и в и приспособленности к температурным колебаниям.

Это, в частности, марки В95 и В96. В основе их системы лежит соединение алюминия с цинком, магнием и медью. Как ясно из названия, эти сплавы крайне устойчивы к разрывам, удельная прочность у них даже выше, чем у среднелегированных сталей. В горячем состоянии высокопрочные алюминиевые сплавы пластичны – хорошее подспорье при изготовлении нагруженных деталей, в том числе элементов крыла самолета и шпангоутов судна. Из минусов В95 и В96: чувствительность к низким температурам и к коррозии под напряжением.

Пластичные и устойчивые к горячим трещинам сплавы алюминия Al-Si-Mg-Cu. Маркировка такая: АК и номер – АК1, АК3, АК8 и т. д. Самый прочный из ковочных алюминиев – АК8, из него штампуют нагруженные узлы вроде лопастей вертолета и подрамника мотора. Правда, он же наименее технологичный из-за повышенной доли меди в составе. Для фигурных или высокоточных деталей средней прочности вроде крепежа или фитинга используют АК5. К слову, сплав алюминия АК5 – а заодно дюрали типа Д20 и Д21 – относят к жаропрочным. Из него производят головки цилиндров, детали турбореактивных двигателей, а также обшивку сверхзвуковой авиатехники.

  

 

Фигурные, детализированные изделия, особенно фасонные (фитинги), гораздо сподручнее отливать в формы, а не резать или штамповать. Так и точность проще соблюсти, и расход материала меньше: при фасонном литье теряется 10%, тогда как при штамповке – 50%. В случае с резкой потери особенно велики: стружкой становится больше половины металла.

Сплавы алюминия с кремнием (4-22%) и незначительной долей примесей, в первую очередь Fe, Mn, Cu, Zn и Ti. Самая ходовая марка – АК12 (АЛ2) с 10-13% кремния в составе. 

По физическим свойствам силумин напоминает нержавеющую сталь, но втрое легче ее. Если сравнивать с дюралем, силумин даже вполовину не так прочен, зато куда устойчивей к коррозии, в том числе в проблемных средах – морской, щелочной и слабокислой. Что же до недостатков, среди таковых можно назвать пористость, зернистость и хрупкость от одной отливки к другой. Причем упрочнить силумин термообработкой невозможно из-за нерастворимости кремния в алюминии. В том числе поэтому марки типа АК12 используют для литья слабонагруженных деталей: корпусов помп, теплообменников, трубопроводной арматуры, мясорубок, бытовых изделий и т. д.

Литейные сплавы алюминий-медь – это марки типа АК7 (АЛ7), АМ5 (АЛ19) с долей меди ~4-5,5% от состава. Из остальных легирующих добавок и примесей здесь Si (до 8%), Fe (до 1,6%), Mn (до 0,8%) и Zn (до 0,6%).

Что особенного в этих сплавах? После термообработки они хорошо режутся и свариваются, имеют отличные механические свойства и жаростойки: верхний предел температур – +300°С. В то же время жидкотекучесть и ликвация у них заметно хуже, чем у тех же силуминов, и применение ограничено несложными формами.

Литейные магналии – группа сплавов алюминия с Mg 4-13%, среди которых особенно выделяются две марки: АЛ8 и АМг10 (АЛ27). Обе нашли применение в судостроении из-за отличных антикоррозийных свойств, хорошей свариваемости и обработки резкой, высокого предела усталости. При этом литейные свойства магналиев низки, хотя их можно улучшить присадкой Mn 0,2-0,8%

Эти сплавы системы Al-Cu-Ni-Mg, адаптированные к температурам до +275…+300°С (АЛ1) или до +300…+350°С (АЛ21). Повышенная жаропрочность обеспечивается главным образом введением Mn, Ti, Ce и Zr.

 

Или САПы и САСы по-другому. Та и другая группа представляют собой гранулированный состав, получаемый разбрызгиванием жидкого алюминия (САП) либо алюминиевого расплава с большим количеством легирующих элементов (САС).

Суть в следующем. Разбрызганные капли алюминия кристаллизуются. Затем их размалывают в порошок, брикетируют, дегазируют и спрессовывают в полуфабрикат, чтобы дальше под давлением спечь. На выходе получают материал, который остается стабилен даже при +260…+320°С, хорошо режется и обрабатывается давлением и при этом ощутимо прочнее так называемых жаростойких сплавов. Отсюда и типичная сфера применения САПов/САСов: производство поршней двигателей, лопаток компрессоров, теплообменников и др.

К таковым относят сплавы алюминия системы Al-Sn-Cu-Ni-Si. Антифрикционные свойства здесь определяются в основном процентом олова в составе. При этом в литейных сплавах олова не должно быть больше 10-12%, иначе образуемая в таких условиях оловянистая сетка существенно снизит сопротивление усталости. В деформируемые сплавы, где эта сетка просто разлагается, можно добавлять больше олова.

 

Как производитель дверной фурнитуры мы просто не могли обойти этот вопрос стороной.

Первое, что нужно разъяснить. Говорить «дверные ручки из алюминия» не совсем корректно, поскольку чистый (технический) алюминий для литья заготовок непригоден. Вместо этого производители используют литейные алюминиевые сплавы – главным образом двойные силумины с эвтектической структурой типа АК12ч. 

В чем особенность ручек из алюминиевых сплавов? Расскажем через призму сравнения с ручками из другого популярного материала – ЦАМ.

• Легкость. Дверная ручка из алюминия в 2 раза легче, чем аналогичная ручка из ЦАМ.

• Дешевизна. Силумин дешевле ЦАМ, поэтому алюминиевые ручки стоят от 400-500 руб., а ЦАМовые – от 700-900 руб.

• Больше мелких дефектов. Отливки из силуминов пористее, чем отливки из ЦАМ. Кроме того, из-за зернистости и малой плотности силумина при шлифовании отливок неизбежно образование газовых раковин – проще говоря, пузырей. Конечно, эти огрехи обычно незначительные, но все же.

• Быстрее износ. Адгезия с покрытием в основном зависит от содержания меди. В силуминах типа АК12ч только 0,02% меди, тогда как в используемом для литья ручек ЦАМ 4-1 – 0,7-1,2%. Во многом поэтому алюминиевые ручки обтираются быстрее. Первые заметные дефекты могут проявиться уже на третий год использования или даже раньше, если ручка установлена в ванной или помещении с высокой проходимостью.

Если вы ищете, где недорого купить дверные ручки из алюминия от производителя, не забудьте заглянуть в наш каталог. В нем вы найдете нажимные ручки на Palladium и «Фабрика замков» на круглой и квадратной розетке по цене от ~500 руб. В качества материала мы используем алюминиево-кремниевый сплав АК12М2 с повышенным содержанием меди, что улучшает сцепление материала с гальваническим покрытием. В результате ручка дольше будет оставаться как новая, чем если бы она была отлита из более дешевого сплава АК12ч.

Зона доставки нашего интернет-магазина: вся Россия, а также Беларусь, Казахстан и Киргизия (г. Бишкек). Способы получения: курьером, транспортными компаниями, самовывозом со склада или из пунктов выдачи Boxberry/СДЭК. Если же возникнут вопросы по ассортименту или сервису – звоните либо пишите в онлайн-консультант или мессенджеры.