ЗАСТОСУВАННЯ АЛЮМІНІЮ І ЙОГО СПЛАВІВ

Широке застосування алюмінію в промисловості, перш за все, пов'язано з його великими природними запасами, а також сукупністю хімічних, фізичних і механічних характеристик.

Алюміній за змістом в земній корі ( ~8 % ) є одним з найпоширеніших металів. До достоїнств алюмінію і його сплавів слід віднести його малу густину ( 2,7 г/см3), порівняно високі міцнісні характеристики, добру тепло- і електропровідність, технологічність, високу корозійну стійкість. Сукупність цих властивостей дозволяє віднести алюміній до числа найважливіших технічних матеріалів.

              Механічні властивості зварюваних алюмінієвих сплавів.

Схильність до корозійного розтріскування під напругою

АМг6М -не схилений

АМг6Н (20% нагартовки) -мало схилений

АМг6Н (40% нагартовки) -склонен

1915 -склонен

Д20, 1201 -мало схилений

1205 -не схилений

А К8 -мало схилений

ВАД1 -не схилений

Застосовуються зварювані алюмінієві сплави, не зміцнювані термічною обробкою АМг2, АМг3, АМг4, АМг5, АМг6, АМг61.

Нізколегированниє сплави АМг2 і АМг3 застосовують при виготовленні різних бензо і масло трубопроводів в літакобудуванні і інших літальних апаратах.

Сплав АМг3 широко застосовують для виготовлення зварних баків і деталей зварних конструкцій середньої міцності.

Сплави Амг4, Амг5, АМг6 і АМг61 як більш міцні використовують в більш зовнішніх зварних конструкціях.

Для підвищення міцності і особливо межі текучості листів і плит із сплаву АМг6 завтовшки 15-20 мм їх нагартовивают на (20-40%).


             Зварювані термічно зміцнювані сплави.

Сплави, що самогартуються, 1915 і В92ц термічно зміцнювані зварювані сплави системи Al – Zn – Mg мають більш високі технологічні і міцністни властивості в порівнянні із сплавами системи Al – Mg .

Для зварних конструкцій працюючих при криогенних і підвищених температурах, застосовуються сплави АК8, 1201, 1205, ВАД1.

Сплави для внутрішньої декоративної обробки застосовуються АД1, АД31, АВ і АМц (різні профілі деталі).

Для лопатей вертольотів застосовуються сплави АВ і АД33.

Для заклепок застосовують сплави Д18 і В65, В94 (в загартованому і постареному стані). Al сплави вживані для заклепок повинні володіти високою пластичністю, достатньою для расклепываемости без утворення тріщин.

             Конструкційні зварювані сплави.

Застосовується для зварювання сплав АМг6 не зміцнюваний термічною обробкою.
Зварні конструкції з А l сплавів, що деформуються, широко використовують при створенні зварного бака, що поміщається в крилі літака, зварних конструкцій корпусів ракет, місткостей для палива.

             Застосування в авіації.

На сучасному етапі розвитку дозвукової і надзвукової авіації алюмінієві сплави є основними конструкційними матеріалами в літакобудуванні.

В авіації США широко застосовуються сплави серії 2ххх, Зххх, 5ххх, 6ххх і 7ххх. Серія 2ххх рекомендована для роботи при високих робочих температурах і з підвищеними значеннями коефіцієнта в'язкості руйнування. Сплави серії 7ххх - для роботи при більш низьких температурах значно навантажених деталей і для деталей з високою опірністю до корозії під напругою. Для малонавантажених вузлів застосовуються сплави серії Зххх, 5ххх і 6xxx. Вони ж використовуються в гидро-, масло-и паливних системах.

В Росії при виготовленні авіаційної техніки успішно використовуються зміцнювані термічною обробкою високоміцні алюмінієві сплави Al-Zn-Mg-Cu і сплави середньої і підвищеної міцності Al-Mg-Cu. Вони є конструкційним матеріалом для обшивки і внутрішнього сплавного набору елементів планера літака (фюзеляж, крило, кіль і ін.).

Сплав 1420, що належить системі Al-Zn-Mg, використовують при конструюванні зварного фюзеляжу пасажирського літака. При виготовленні гідролітаків передбачено застосування зварюваних корозійностійких магнолієвих сплавів (AМг5, АМг6) і сплавів Al-Zn-Mg (1915, В92, 1420). Безперечна перевага є у зварюваних алюмінієвих сплавів при створенні об'єктів космічної техніки. Високі значення питомої міцності, питомій жорсткості матеріалу дозволили забезпечити виготовлення баків, між бакових і носових частин ракети з високою подовжньою стійкістю. До достоїнств алюмінієвих сплавів (2219 і ін.) слід віднести їх працездатність при криогенних температурах у контакті з рідким киснем, воднем і гелієм. У цих сплавів відбувається так зване криогенне зміцнення, тобто міцність і пластичність паралельно ростуть з пониженням температури. Сплав 1460 належить системі Al-Cu-Li і є більш перспективним для проектування і виготовлення бакових конструкцій стосовно криогенного типу палива — стислому кисню, водню або природному газу.

             Застосування алюмінієвих сплавів в конструкціях літальних апаратів.

В конструкціях літальних апаратах застосовуються сплави з напівфабрикатів В96 оскільки мають максимальну міцність. Сплави В95, В93 міцні і пластичні сплави. Застосовуються сплави АМг6 і Д16, Д20.
Для конструкцій піддаються значному аеродинамічному нагріву застосовують напівфабрикати із сплаву АК4-1, АК6.
Найбільш широко в конструкціях літальних апаратів застосовують зміцнювані термічною обробкою сплави Д16ч, 1163, високоміцні сплави В95пч, В95оч і В93пч, сплави середньої і підвищеної міцності АВ, АК6 і АК8. Для будівництва гідролітаків використовують також сплави незміцнювані термічною обробкою корозійностійкі сплави АМг5 і АМг6.
Сплави АК6 і АК8 – переважно кувальні сплави.
Сплав Д16 як кувальне не використовують, але випускають в широкому асортименті у вигляді пресованих і катаних виробів. Сплав Д1 застосовують в основному для лопатей повітряних гвинтів, а сплав АВ і АД33 – для лонжеронів лопатей вертольотів.
Сплав АД31 і АМг1 використовують для декоративних деталей літаків – оправ дзеркал, ручок, попільничок і ін. розташування двигунів, а також як протипожежні перегородки.
Д16 і 1163 виготовляють деталі розтягнутої зони крил і обшивку фюзеляжів, для обшивки гермокабін.
Обшивку літаків проводять із сплавів Д16, Д19 штучно постарених для збільшення корозійної стійкості.
При застосуванні сплаву ВД3 при низьких температурах його піддають штучному старінню при підвищених температурах. Широке застосування знаходить сплав 1420.
По міцності сплав 1420 знаходиться на рівні сплаву Д16, але поступається по пластичності, і перевершує по пружності. По статичній витривалості сплав 1420 близький до сплаву АК4-1.

              Застосування в суднобудуванні.

Алюміній і сплави на його основі знаходять все більш широке застосування в суднобудуванні. З алюмінієвих сплавів виготовляють корпуси судів, палубні надбудови, комунікацію і різного роду суднове устаткування.

Основні вимоги пред'являються до алюмінієвих сплавів для суднобудування наступних:

1. Забезпечення межі текучості, тимчасового опору і пластичних властивостей, необхідних для створення міцних і надійних конструкцій.

2. Задовільна звариваемость, високі міцностні властивості, надійність зварних з'єднань із сплавів, призначених для виготовлення зварних конструкцій.

3. Задовільні технологічні властивості, що забезпечують можливість отримання листів і профілів на металургійних заводах і виготовлення конструкцій на суднобудівельних заводах із здійсненням операцій гнучкі, правки, різкі на ножицях гільйотин і іншим холодильним інструментом, обробки на верстатах і ін.

4. Добра корозійна стійкість в морській і річковій воді або інших середовищах, в яких працюватиме конструкція, при заданих швидкостях руху в них сплавів також повинен володіти задовільною корозійною стійкістю під напругою у відповідних середовищах.

5. Задовільна опірність ударним навантаженням. Для сплавів, що зварюються, це відноситься і до зварних з'єднань.

6. Відсутність схильності до іскроутворення при ударах і терті деталей з алюмінієвих сплавів одна об іншу, що особливо важливо за наявності легко займистих середовищ (танкери і ін.)

Основна перевага при упровадженні алюмінію і його сплавів в порівнянні із сталлю - зниження маси судів, яка може досягати 50 ... 60 %. В результаті представляється можливість підвищити вантажопідйомність судна або поліпшити його тактико-технічні характеристики (маневреність, швидкість і т.д.).

Найширше застосування серед алюмінієвих сплавів для виготовлення конструкцій річкового і морського флоту знаходять магнолієві сплави АМгЗ, АМг5, АМг61, а також сплави АМц і Д16. Корпус судна підвищеної вантажопідйомності виготовляють із сталі, тоді як надбудови і інше допоміжне устаткування з алюмінієвих сплавів. Має місце виготовлення риболовецьких баркасів із сплаву АМг5 (обшивка).

Широке застосування в суднобудуванні США знаходять зварювані сплави серії 5ххх і 6ххх. Там, де необхідна висока міцність (500 МПа), використовуються напівфабрикати із сплавів серії 2xxx і 7ххх. 

             Залізничний транспорт.

Важкі умови експлуатації рухомого складу залізниці (тривалий термін служби і здатність витримувати ударні навантаження) висувають особливі вимоги до конструкційних матеріалів.

Основні характеристики алюмінію і його сплавів, що розкривають доцільність застосування їх в залізничному транспорті, висока питома міцність, невелика сила інерції, корозійна стійкість. Упровадження алюмінієвих сплавів при виготовленні зварних місткостей підвищує їх довговічність при перевезенні ряду продуктів хімічної і нафтохімічної промисловості.

Алюміній і його сплави використовуються при виготовленні кузова і рами вагону. Для вагону рекомендовані зварювані сплави середньої міцності марок АМг3, AMr5, Амг6 і 1915 [96-100]. Перспективними сплавами для рефрижераторних вагонів є алюмінієві сплави. Заміна сталевої конструкції залізничного вагону конструкцією з алюмінієвих сплавів дозволяє понизити масу вагону до 15%. У зв'язку з цим зростає швидкість руху потягу, навантаження на вісь, знижується витрата енергії і палива на 10%, скорочуються витрати на поточний і кап. ремонт вагонів до 18%. Залежно від продуктів хімічної промисловості вибирається марка зварюваного матеріалу для казанів цистерни.

В США із зварюваних сплавів серії 6ххх, серії 5ххх і сплаву 7005 виготовляють пересувний склад з отриманням оптимальних міцностних характеристик і високої корозійної стійкості зварних елементів.

             Автомобільний транспорт.

Однією з основних вимог до матеріалів, вживаних в автомобільному транспорті, є мала маса і достатньо високі показники міцності. Беруться до уваги також корозійна стійкість і добра декоративна поверхня матеріалу.

Висока питома міцність алюмінієвих сплавів збільшує вантажопідйомність і зменшує експлуатаційні витрати пересувного транспорту. Висока корозійна стійкість матеріалу продляє терміни експлуатації, розширює асортимент товарів, що перевозяться, включаючи рідини і гази з високою агресивною концентрацією.

При виготовленні елементів каркаса, обшивки кузова напівпричепа автофургона, рефрижератора, скотовоза і т.п. перспективним матеріалом є алюмінієві сплави АД31, 1915 (пресовані профілі) і сплави АМг2, АМг5 (лист) .

В автомобільній промисловості застосовують сплави вторинні ВД1, ДМг, АКМ, В95-2, АК5М7, АКЦМ4, АК7, АК9М2а, АК12Мгр.
Застосовується АЛ5, АЛ4, АК4М2Ц6, АК6М2, АМг4К1, АК18, АК9С, АЛ2, А l 6, АД33, АК12М2.
Для бортів вантажних автомобілів застосовують сплави АД31, 1935, 1915, Амг5. На обшивку рефрижераторів ВД1, АМг2. Бампера на ВАЗ сплав 1915. Радіатори сплав АМц.

Знаходять застосування алюмінієві сплави АМц, АМгЗ і 1915 при виготовленні окремих вузлів легкового автомобіля (навісні деталі, бампери, радіатори охолоджування, отопители).

В автомобілебудуванні США широко використовуються алюмінієві зварювані сплави серії Зххх, 5ххх і 6ххх.

З пресованих напівфабрикатів сплавів 2014 і 6061 виготовляють балки, рами важких вантажних автомобілів. Панелі і окремі елементи із сплаву 5052 поступають на виготовлення кабіни. Як обшивальний матеріал кузова газовика використовують лист із сплавів 5052, 6061, 2024, 3003 і 5154. Стійкі кузови виконуються з пресованих напівфабрикатів сплавів 6061 і 6063. Магнолієві сплави серії 5ххх (5052 . 5086, 5154 і 5454) є основним матеріалом при виготовленні автоцистерн.

             Застосування алюмінієвих сплавів в двигунах.

Для виготовлення деталей поршневих двигунів застосо вують алюмінієві сплави АК9, АК2, АК4, АК4-1 і ливарні сплави АЛ31, АЛ5, АЛ25, АЛ30, що деформуються. Для виготовлення деталей реактивних двигунів застосовують сплави АК4, АК4-1, Вд17 і ливарні сплави АЛ4, Ал5, Ал9, Ал19, Ал33, що деформуються. В поршневих двигунах основні деталі (картери, головки циліндрів, поршні, деталі паливної апаратури). 

             Будівництво.

Перспективність застосування алюмінієвих сплавів в будівельних конструкціях підтверджується техніко-економічними розрахунками і багаторічною світовою практикою в області споруди різних будівельних об'єктів.

Упровадження алюмінієвих сплавів в будівництві зменшує металоємність, підвищує довговічність і надійність конструкцій при експлуатації їх в екстремальних умовах (низька температура, землетрус і т.п.). Залежно від призначення будівельних алюмінієвих конструкцій рекомендуються різні марки сплавів: АД1, АМц, АМг2, АД31, 1915 і ін.

Найцінніші для будівельних конструкцій якостями Al є технологічність, корозійна стійкість і архітектурна виразність. Для будівельних конструкцій застосовують переважно алюмінієві сплави марок АМг, АМц станах М (отожженний), Н2 (полунагартованний) Н (нагартованний – застосовується тільки для заклепок з алюмінієвого сплаву АД1 і АМг2). Застосовуються наступні марки і стани Al сплавів деформується Al – ПЕКЛО, М, АМцМ, АМг2М, АМг2Н 2 (термічно не зміцнюваний); АД31Т, АД31Т5, АД31Т1, 1915, 1915Т, 1925, 1925Т (термічно зміцнюваний) і ливарний алюміній АК8.

Т1 (загартований і природно постарений), Т5 (не повністю загартований і штучно постарений), Т1 (загартований і штучно постарений), а так само без термічної обробки.

Для заклепок, поставлених в холодному стані застосовують алюміній марок АД1Н, АМг2Н, АМг5пМ, АВТ, для болтів АМг5п, АВТ1, для зварних з'єднань – проволікатиму св. Al, св АМг3, 1557.

АМц, АМг2, АД31, АД1 в захищаючих конструкціях і в помірно навантажених елементах несучих конструкцій; 1915 і 1925 в зварних і клепаних несучих конструкціях.

Алюмінієві напівфабрикати . В будівництві застосовують профільні і листові напівфабрикати. Профільні напівфабрикати включають пресовані і холодногнутие профілі, листи і стрічки (в рулонах), профільовані листи (гофровані), тисненние листи. Від 60 до 80% алюмінію вживаного в будівництві складають профільні напівфабрикати.

Для виготовлення несучих конструкцій застосовують профілі з алюмінієвих марок АД31, 1915 і 1925 і листи з Al марок АМц і АМг2. Марки 1915 і 1925 розроблені спеціально для несучих будівельних конструкцій – перша для зварних, друга для тих, що сполучаються на заклепках і болтах.

Досвід, накопичений в США, підтверджує доцільність використовування алюмінієвих сплавів в будівельних конструкціях. На них витрачається більше алюмінію, ніж в будь-якій іншій галузі промисловості. При цьому перевага віддається упровадженню зварюваних сплавів серії Зххх, 5ххх і 6ххх. 

             Нафтова і хімічна промисловість.

Освоєння нових родовищ, збільшення глибини свердловин висувають певні вимоги до матеріалів, вживаних для виготовлення деталей і вузлів нафто- і газопромислового устаткування і апаратури для переробки продуктів нафти.

Висока питома міцність алюмінієвих сплавів дозволяє зменшити масу бурильного устаткування, полегшити їх транспортабельну і забезпечити проходження глибоких свердловин.

Коррозіонностойкие алюмінієві сплави дають можливість підвищити експлуатаційну надійність бурильних, насосно-компресорних і нефтегазопровідних труб. Підвищена опірність корозійному розтріскуванню дозволяє застосувати алюмінієві сплави при виготовленні місткостей для зберігання нафти і її продуктів.

Основним конструкційним матеріалом при виготовленні бурильних труб з алюмінієвих сплавів є сплав марки Д16.

Високу стійкість до сирої нафти і деяких бензинів показали алюмінієві сплави АМг2, AMr3, АМг5 і АМг6. З перерахованих магнолієвих сплавів найтехнологічнішим сплавом для виготовлення апаратів є сплав АМг2, особливо при виготовленні конденсаторів і холодильників на нафтоперегінних заводах.

В США устаткування для нафтової промисловості виготовляється з алюмінієвих сплавів серії Зххх, 5ххх і 6ххх. В конструкції бурового устаткування застосовують труби із сплаву 6063. Морські платформи збираються з труб 6061, 6063, а також з високоміцних сплавів марок 2014 і 7075. З алюмінію АДОО, АДО і АД1 виготовляють місткості, колони, конденсатори і т.п. для виробництва оцетової кислоти, сульфує жирних спиртів, хлорату калія, натрієвої і аміачної селітри, синильної кислоти і т.д.

Хімічній промисловості рекомендовані алюмінієві сплави АМц, АМг2, АМгЗ, АМг5 для виготовлення судин, що працюють під тиском при температурах від - 196 до +150 0С.

З алюмінію АДОО, АДО і АД1 виготовляють місткості, колони, конденсатори і т.п. для виробництва оцтової кислоти, сульфує жирних спиртів, хлорату калія, натрієвої і аміачної селітри, синильної кислоти і т.д.

В США залежно від умов експлуатації апаратури хімічної промисловості застосовують сплави серій 1ххх, Зххх, 5ххх. В окремих випадках для забезпечення найбільшої міцності застосовують термічно зміцнювані сплави 2ххх і 7ххх із зниженою корозійною стійкістю.

Місткості для зберігання хімічних продуктів виконують із сплавів високої корозійної стійкості - 1100 або 3003; судини високого тиску - із сплавів 5052 або 6063; тара, цистерни і інші види устаткування для зберігання оцтової кислоти, високомолекулярних жирних кислот, спиртів і інших продуктів - із сплавів 3003, 6061, 6063, 5052; місткості для озоносодержащіх розчинів добрив із сплавів 3004; 5052 і 5454; місткості для зберігання розчинів нітрату амонія із сплавів 1100, 3003, 3004, 5050, 5454, 6061 і 6062.