ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Широкое применение алюминия в промышленности, прежде всего, связано с его большими природными запасами, а также совокупностью химических, физических и механических характеристик.

Алюминий по содержанию в земной коре ( ~8 % ) является одним из самых распространенных металлов. К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность ( 2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов.

Механические свойства свариваемых алюминиевых сплавов.

             Склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением

АМг6М -не склонен

АМг6Н (20% нагартовки) -мало склонен

АМг6Н (40% нагартовки) -склонен

1915 -склонен

Д20, 1201 -мало склонен

1205 -не склонен

АК8 -мало склонен

ВАД1 -не склонен

         Применяются свариваемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой АМг2, АМг3, АМг4, АМг5, АМг6, АМг61.

Низколегированные сплавы АМг2 и АМг3 применяют при изготовлении различных бензо и масло трубопроводов в самолетостроении и других летательных аппаратах.

Сплав АМг3 широко применяют для изготовления сварных баков и деталей сварных конструкций средней прочности.

Сплавы Амг4, Амг5, АМг6 и АМг61 как более прочные используют в более наружных сварных конструкциях.

Для повышения прочности и особенно предела текучести листов и плит из сплава АМг6 толщиной 15-20 мм их нагартовывают на (20-40%).

        Свариваемые термически упрочняемые сплавы.

          Самозакаливающиеся сплавы 1915 и В92ц термически упрочняемые свариваемые сплавы системы Al – Zn – Mg имеют более высокие технологические и прочностные свойства по сравнению со сплавами системы Al – Mg .

Для сварных конструкций работающих при криогенных и повышенных температурах, применяются сплавы АК8, 1201, 1205, ВАД1.

Сплавы для внутренней декоративной отделки применяются АД1, АД31, АВ и АМц (различные профили детали).

Для лопастей вертолетов применяются сплавы АВ и АД33.

Для заклепок применяют сплавы Д18 и В65, В94 (в закаленном и состаренном состоянии). Al сплавы применяемые для заклепок должны обладать высокой пластичностью, достаточной для расклепываемости без образования трещин.

Конструкционные свариваемые сплавы.

              Применяется для сваривания сплав АМг6 неупрочняемый термической обработкой.
Сварные конструкции из А l деформируемых сплавов широко используют при создании сварного бака, помещаемого в крыле самолета, сварных конструкций корпусов ракет, емкостей для топлива.

Применение в авиации

На современном этапе развития дозвуковой и сверхзвуковой авиации алюминиевые сплавы являются основными конструкционными материалами в самолетостроении.

В авиации США широко применяются сплавы серии 2ххх, Зххх, 5ххх, 6ххх и 7ххх. Серия 2ххх рекомендована для работы при высоких рабочих температурах и с повышенными значениями коэффициента вязкости разрушения. Сплавы серии 7ххх - для работы при более низких температурах значительно нагруженных деталей и для деталей с высокой сопротивляемостью к коррозии под напряжением. Для малонагруженных узлов применяются сплавы серии Зххх, 5ххх и 6xxx. Они же используются в гидро-, масло-и топливных системах.

В России при изготовлении авиационной техники успешно используются упрочняемые термической обработкой высокопрочные алюминиевые сплавы Al-Zn-Mg-Cu и сплавы средней и повышенной прочности Al-Mg-Cu. Они являются конструкционным материалом для обшивки и внутреннего сплавного набора элементов планера самолета (фюзеляж, крыло, киль и др.).

Сплав 1420, принадлежащий системе Al-Zn-Mg, используют при конструировании сварного фюзеляжа пассажирского самолета. При изготовлении гидросамолетов предусмотрено применение свариваемых коррозионностойких магнолиевых сплавов (AМг5, АМг6) и сплавов Al-Zn-Mg (1915, В92, 1420).

Бесспорное преимущество имеется у свариваемых алюминиевых сплавов при создании объектов космической техники. Высокие значения удельной прочности, удельной жесткости материала позволили обеспечить изготовление баков, межбаковых и носовых частей ракеты с высокой продольной устойчивостью. К достоинствам алюминиевых сплавов (2219 и др.) следует отнести их работоспособность при криогенных температурах в контакте с жидким кислородом, водородом и гелием. У этих сплавов происходит так называемое криогенное упрочнение, т.е. прочность и пластичность параллельно растут с понижением температуры.

Сплав 1460 принадлежит системе Al-Cu-Li и является более перспективным для проектирования и изготовления баковых конструкций применительно к криогенному типу топлива — сжатому кислороду, водороду или природному газу.

Применение алюминиевых сплавов в конструкциях летательных аппаратов.

            В конструкциях летательных аппаратах применяются сплавы из полуфабрикатов В96 т.к. имеют максимальную прочность. Сплавы В95, В93 прочные и пластичные сплавы. Применяются сплавы АМг6 и Д16, Д20.
Для конструкций подвергающихся значительному аэродинамическому нагреву применяют полуфабрикаты из сплава АК4-1, АК6.
Листы из сплавов Д16, 1163, В95.
Наиболее широко в конструкциях летательных аппаратов применяют упрочняемые термической обработкой сплавы Д16ч, 1163, высокопрочные сплавы В95пч, В95оч и В93пч, сплавы средней и повышенной прочности АВ, АК6 и АК8. Для строительства гидросамолетов используют также сплавы неупрочняемые термической обработкой коррозионно-стойкие сплавы АМг5 и АМг6.
Сплавы АК6 и АК8 – преимущественно ковочные сплавы.
Сплав Д16 в качестве ковочного не используют, но выпускают в широком ассортименте в виде прессованных и катаных изделий. Сплав Д1 применяют в основном для лопастей воздушных винтов, а сплав АВ и АД33 – для лонжеронов лопастей вертолетов.
Сплав АД31 и АМг1 используют для декоративных деталей самолетов – оправ зеркал, ручек, пепельниц и др.
САП-1 и 1420 – теплопрочные и коррозионно-стойкие материалы, их используют в зоне расположения двигателей, а также в качестве противопожарных перегородок.
Д16 и 1163 изготавливают детали растянутой зоны крыльев и обшивку фюзеляжей, для обшивки гермокабин.
Обшивку самолетов производят из сплавов Д16, Д19 искусственно состаренных для увеличения коррозионной стойкости.
Из сплава В93 изготавливают в основном штамповки до 200 кг и поковки массой до 5 т.
При применении сплава ВД3 при низких температурах его подвергают искусственному старению при повышенных температурах. Широкое применение находит сплав 1420.
По прочности сплав 1420 находится на уровне сплава Д16, но уступает по пластичности, и превосходит по упругости. По статической выносливости сплав 1420 близок к сплаву АК4-1.
Применение в конструкциях полуфабрикатов из сплава 1420 взамен сплава Д16 обеспечивает снижение массы изделий на 10-12%.

Применение в судостроении

Алюминий и сплавы на его основе находят все более широкое применение в судостроении. Из алюминиевых сплавов изготовляют корпусы судов, палубные надстройки, коммуникацию и различного рода судовое оборудование.

Основные требования предъявляемые к алюминиевым сплавам для судостроения следующих:

1. Обеспечение предела текучести, временного сопротивления и пластических свойств, необходимых для создания прочных и надежных конструкций.

2. Удовлетворительная свариваемость, высокие прочностные свойства, надежность сварных соединений из сплавов, предназначенных для изготовления сварных конструкций.

3. Удовлетворительные технологические свойства, обеспечивающие возможность получения листов и профилей на металлургических заводах и изготовление конструкций на судостроительных заводах с осуществлением операций гибки, правки, резки на гильотинных ножницах и другим холодильным инструментом, обработки на станках и пр.

4. Хорошая коррозионная стойкость в морской и речной воде или других средах, в которых будет работать конструкция, при заданных скоростях движения в них сплавов также должен обладать удовлетворительной коррозионной стойкостью под напряжением в соответствующих средах.

5. Удовлетворительная сопротивляемость ударным нагрузкам. Для сваривающихся сплавов это относится и к сварным соединениям.

6. Отсутствие склонности к искрообразованию при ударах и трении деталей из алюминиевых сплавов одна о другую, что особенно важно при наличии легко воспламеняющихся сред (танкеры и пр.)

Основное преимущество при внедрении алюминия и его сплавов по сравнению со сталью - снижение массы судов, которая может достигать 50 ... 60 %. В результате представляется возможность повысить грузоподъемность судна или улучшить его тактико-технические характеристики (маневренность, скорость и т.д.).

Наиболее широкое применение среди алюминиевых сплавов для изготовления конструкций речного и морского флота находят магнолиевые сплавы АМгЗ, АМг5, АМг61, а также сплавы АМц и Д16. Корпус судна повышенной грузоподъемности изготовляют из стали, тогда как надстройки и другое вспомогательное оборудование из алюминиевых сплавов. Имеет место изготовление рыболовецких баркасов из сплава АМг5 (обшивка).

Широкое применение в судостроении США находят свариваемые сплавы серии 5ххх и 6ххх. Там, где необходима высокая прочность (500 МПа), используются полуфабрикаты из сплавов серии 2xxx и 7ххх.

Железнодорожный транспорт

Тяжелые условия эксплуатации подвижного состава железной дороги (длительный срок службы и способность выдерживать ударные нагрузки) выдвигают особые требования к конструкционным материалам.

Основные характеристики алюминия и его сплавов, раскрывающие целесообразность применения их в железнодорожном транспорте, высокая удельная прочность, небольшая сила инерции, коррозионная стойкость. Внедрение алюминиевых сплавов при изготовлении сварных емкостей повышает их долговечность при перевозке ряда продуктов химической и нефтехимической промышленности.

Алюминий и его сплавы используются при изготовлении кузова и рамы вагона. Для вагона рекомендованы свариваемые сплавы средней прочности марок АМг3, AMr5, Амг6 и 1915 [96-100]. Перспективными сплавами для рефрижераторных вагонов являются алюминиевые сплавы. Замена стальной конструкции железнодорожного вагона конструкцией из алюминиевых сплавов позволяет снизить массу вагона до 15%. В связи с этим возрастает скорость движения поезда, нагрузка на ось, снижается расход энергии и топлива на 10%, сокращаются затраты на текущий и кап. ремонт вагонов до 18%. В зависимости от продуктов химической промышленности выбирается марка свариваемого материала для котлов цистерны. 

В США из свариваемых сплавов серии 6ххх, серии 5ххх и сплава 7005 изготавливают подвижной состав с получением оптимальных прочностных характеристик и высокой коррозионной стойкости сварных элементов.

Автомобильный транспорт

Одним из основных требований к материалам, применяемым в автомобильном транспорте, является малая масса и достаточно высокие показатели прочности. Принимаются во внимание также коррозионная стойкость и хорошая декоративная поверхность материала.

Высокая удельная прочность алюминиевых сплавов увеличивает грузоподъемность и уменьшает эксплуатационные расходы передвижного транспорта. Высокая коррозионная стойкость материала продляет сроки эксплуатации, расширяет ассортимент перевозимых товаров, включая жидкости и газы с высокой агрессивной концентрацией.

При изготовлении элементов каркаса, обшивки кузова полуприцепа автофургона, рефрижератора, скотовоза и т.п. перспективным материалом являются алюминиевые сплавы АД31, 1915 (прессованные профили) и сплавы АМг2, АМг5 (лист) .

В автомобильной промышленности применяют сплавы вторичные ВД1, ДМг, АКМ, В95-2, АК5М7, АКЦМ4, АК7, АК9М2а, АК12Мгр.
Применяется АЛ5, АЛ4, АК4М2Ц6, АК6М2, АМг4К1, АК18, АК9С, АЛ2, А l 6, АД33, АК12М2.
Для бортов грузовых автомобилей применяют сплавы АД31, 1935, 1915, Амг5. На обшивку рефрижераторов ВД1, АМг2. Бампера на ВАЗ сплав 1915. Радиаторы сплав АМц.

Находят применение алюминиевые сплавы АМц, АМгЗ и 1915 при изготовлении отдельных узлов легкового автомобиля (навесные детали, бамперы, радиаторы охлаждения, отопители).

В автомобилестроении США широко используются алюминиевые свариваемые сплавы серии Зххх, 5ххх и 6ххх.

Из прессованных полуфабрикатов сплавов 2014 и 6061 изготовляют балки, рамы тяжелых грузовых автомобилей. Панели и отдельные элементы из сплава 5052 поступают на изготовление кабины. В качестве обшивочного материала кузова грузовика используют лист из сплавов 5052, 6061, 2024, 3003 и 5154. Стойки кузова выполняются из прессованных полуфабрикатов сплавов 6061 и 6063. Магнолиевые сплавы серии 5ххх (5052, . 5086, 5154 и 5454) являются основным материалом при изготовлении автоцистерн.

 Применение алюминиевых сплавов в двигателях.

           Для изготовления деталей поршневых двигателей применяют деформируемые алюминиевые сплавы АК9, АК2, АК4, АК4-1 и литейные сплавы АЛ31, АЛ5, АЛ25, АЛ30. Для изготовления деталей реактивных двигателей применяют деформируемые сплавы АК4, АК4-1, Вд17 и литейные сплавы АЛ4, Ал5, Ал9, Ал19, Ал33. В поршневых двигателях основные детали (картеры, головки цилиндров, поршни, детали топливной аппаратуры)

Строительство

Перспективность применения алюминиевых сплавов в строительных конструкциях подтверждается технико-экономическими расчетами и многолетней мировой практикой в области сооружения различных строительных объектов.

Внедрение алюминиевых сплавов в строительстве уменьшает металлоемкость, повышает долговечность и надежность конструкций при эксплуатации их в экстремальных условиях (низкая температура, землетрясение и т.п.). В зависимости от назначения строительных алюминиевых конструкций рекомендуются различные марки сплавов: АД1, АМц, АМг2, АД31, 1915 и др.

Наиболее ценные для строительных конструкций качествами Al являются технологичность, коррозионная стойкость и архитектурная выразительность. Для строительных конструкций применяют преимущественно алюминиевые сплавы марок АМг, АМц состояниях М (отожженный), Н2 (полунагартованный) Н (нагартованный – применяется только для заклепок из алюминиевого сплава АД1 и АМг2). Применяются следующие марки и состояния Al сплавов деформируемый Al – АД, М, АМцМ, АМг2М, АМг2Н 2 (термически неупрочняемый); АД31Т, АД31Т5, АД31Т1, 1915, 1915Т, 1925, 1925Т (термически упрочняемый) и литейный алюминий АК8.

Т1 (закаленный и естественно состаренный), Т5 (не полностью закаленный и искусственно состаренный), Т1 (закаленный и искусственно состаренный), а так же без термической обработки.

Для заклепок, поставленных в холодном состоянии применяют алюминий марок АД1Н, АМг2Н, АМг5пМ, АВТ, для болтов АМг5п, АВТ1, для сварных соединений – проволоку св. Al, св АМг3, 1557.

АМц, АМг2, АД31, АД1 в ограждающих конструкциях и в умеренно нагруженных элементах несущих конструкций; 1915 и 1925 в сварных и клепанных несущих конструкциях.

Алюминиевые полуфабрикаты . В строительстве применяют профильные и листовые полуфабрикаты. Профильные полуфабрикаты включают прессованные и холодногнутые профили, листы и ленты (в рулонах), профилированные листы (гофрированные), тисненные листы. От 60 до 80% алюминия применяемого в строительстве составляют профильные полуфабрикаты.

Для изготовления несущих конструкций применяют профили из алюминиевых марок АД31, 1915 и 1925 и листы из Al марок АМц и АМг2. Марки 1915 и 1925 разработаны специально для несущих строительных конструкций – первая для сварных, вторая для соединяемых на заклепках и болтах.

Опыт, накопленный в США, подтверждает целесообразность использования алюминиевых сплавов в строительных конструкциях. На них расходуется больше алюминия, чем в любой другой отрасли промышленности. При этом предпочтение отдается внедрению свариваемых сплавов серии Зххх, 5ххх и 6ххх.

Нефтяная и химическая промышленность

Освоение новых месторождений, увеличение глубины скважин выдвигают определенные требования к материалам, применяемым для изготовления деталей и узлов нефте- и газопромыслового оборудования и аппаратуры для переработки продуктов нефти.

Высокая удельная прочность алюминиевых сплавов позволяет уменьшить массу бурильного оборудования, облегчить их транспортабельность и обеспечить прохождение глубоких скважин.

Коррозионностойкие алюминиевые сплавы дают возможность повысить эксплуатационную надежность бурильных, насосно-компрессорных и нефтегазопроводных труб. Повышенная сопротивляемость коррозионному растрескиванию позволяет применить алюминиевые сплавы при изготовлении емкостей для хранения нефти и ее продуктов.

Основным конструкционным материалом при изготовлении бурильных труб из алюминиевых сплавов является сплав марки Д16.

Высокую стойкость к сырой нефти и некоторым бензинам показали алюминиевые сплавы АМг2, AMr3, АМг5 и АМг6. Из перечисленных магнолиевых сплавов наиболее технологичным сплавом для изготовления аппаратов является сплав АМг2, особенно при изготовлении конденсаторов и холодильников на нефтеперегонных заводах.

В США оборудование для нефтяной промышленности изготовляется из алюминиевых сплавов серии Зххх, 5ххх и 6ххх. В конструкции бурового оборудования применяют трубы из сплава 6063. Морские платформы собираются из труб 6061, 6063, а также из высокопрочных сплавов марок 2014 и 7075. Из алюминия АДОО, АДО и АД1 изготовляют емкости, колонны, конденсаторы и т.п. для производства уксусной кислоты, сульфирования жирных спиртов, хлората калия, натриевой и аммиачной селитры, синильной кислоты и т.д.

Химической промышленности рекомендованы алюминиевые сплавы АМц, АМг2, АМгЗ, АМг5 для изготовления сосудов, работающих под давлением при температурах от - 196 до +150 0С.

Из алюминия АДОО, АДО и АД1 изготовляют емкости, колонны, конденсаторы и т.п. для производства уксусной кислоты, сульфирования жирных спиртов, хлората калия, натриевой и аммиачной селитры, синильной кислоты и т.д.

В США в зависимости от условий эксплуатации аппаратуры химической промышленности применяют сплавы серий 1ххх, Зххх, 5ххх. В отдельных случаях для обеспечения наибольшей прочности применяют термически упрочняемые сплавы 2ххх и 7ххх с пониженной коррозионной стойкостью.

Емкости для хранения химических продуктов выполняют из сплавов высокой коррозионной стойкости - 1100 или 3003; сосуды высокого давления - из сплавов 5052 или 6063; тара, цистерны и другие виды оборудования для хранения уксусной кислоты, высокомолекулярных жирных кислот, спиртов и других продуктов - из сплавов 3003, 6061, 6063, 5052; емкости для озоносодержащих растворов удобрений из сплавов 3004; 5052 и 5454; емкости для хранения растворов нитрата аммония из сплавов 1100, 3003, 3004, 5050, 5454, 6061 и 6062.