Алюминий

 И. Н. Фридляндер

Доктор техн И. Н. Фридляндерических наук И. Н. Фридляндер

Первый промышленный алюминий получил фран­цузский ученый Сент-Клер Девиль в 1855 г. Алюминий был кра­сив, внешне похож на серебро. Это поражало вооб­ражение. Кроме того, первые порции алюминия бы­ли необычайно дороги. Это тоже поражало. Появи­лись алюминиевые украшения (дороже золотых). А император Наполеон III решил заменить посуду во дворце Тюильри на алюминиевую. Наполеон III не отличался дипломатическими или военными таланта­ми, но в данном случае он оказался провидцем: спустя 100 лет алюминиевая посуда стала самым обычным предметом домашнего обихода во многих странах. Выполненные «под золото» алюминиевые ожерелья могут вызвать немалый интерес модниц, а такие же парадные пуговицы — придать блеск и внушительность генеральским мундирам.

По способу Сент-Клер Девиля с 1855 по 1890 г. было получено всего 200 тонн алюминия; за оставшиеся до конца XIX века 10 лет было выплавлено (уже по новому способу) 28 000 тонн, а в 1930 г. ми­ровое производство алюминия составило около 300 000 тонн В годы второй мировой войны и после нее алюминий начинает вытеснять сталь, а в некото­рой степени и медь. Например, в США, с 1955 по 1963 г. производство стали снизилось почти на пол­тора процента (со 103,2 до 101,9 млн. т), а производ­ство алюминия увеличилось в полтора раза (с 1,5 до 2,3 млн. т в год). И в объемном выражении (не надо забывать, что алюминий втрое легче!) его потребле­ние в США уже составляет примерно 7% от стали.

Другой пример — очень быстрый рост произ­водства алюминия в СССР—в 2,8—3,0 раза по семи­летнему плану 1959—1965 гг.

Алюминий обладает ценнейшими свойствами, которые все глубже познаются и раскрываются. И возможности этого металла в самых различных областях применения становятся все шире.

КОМПЛЕКС ЦЕННЫХ СВОЙСТВ

Алюминий — элемент третьей группы периодиче­ской системы Менделеева, плавится при 660° С и ис­паряется три 2060° С. Удельный вес алюминия 2,7— он примерно в три раз легче железа и меди. Кри­сталлическая решетка алюминия — куб с центриро­ванными гранями и расстоянием между параллель­ными плоскостями — 4,04 А. Кубическая решетка, как правило, дает возможность хорошей пластиче­ской деформации металла. И действительно, алюми­ний прекрасно поддается обработке давлением — прокатке, прессованию, ковке, штамповке, он тех­нологичен. Многие алюминиевые сплавы не стано­вятся хрупкими даже при температуре жидкого во­дорода или гелия.

Прочность чистого алюминия невелика — при­мерно 6—8 кг/мм2. Но уже созданы сплавы алюми­ния, прочность которых в 10 раз выше: 70—75 кг/мм2, как у среднелегированной стали.

Алюминий обладает высокой теплопроводно­стью и электропроводностью (из технических метал­лов только медь превосходит его по этим характе­ристикам). Значит, он перспективен как материал для теплообменников, а это очень важно для химиче­ской промышленности (и не в меньшей степени для изготовления домашних холодильников, радиаторов для автомобилей и тракторов). Если провода элек­трических передач изготовлять из алюминия, то можно увеличить расстояния между опорными мач­тами — это экономия. Алюминиевая обмотка роторов электрических машин позволяет снизить их вес — снова экономия и конструктивные преимущества. Буровые станки из алюминия легки и маневренны.

В 1965 году в СССР увеличивается вдвое выпуск алю­миниевых труб для нефтяной промышленности — они все больше вытесняют стальные трубы…

Высокая отражательная способность алюминия весьма нужна для производства зеркал, для мощных рефлекторов и больших телевизионных экранов. Чистый алюминий и в особенности некоторые его сплавы обладают очень высокой Алюминийкоррозионной стой­костью в воде, в том числе в кипящей. Алюминий практически не взаимодействует с концентрирован­ной азотной кислотой, со многими органическими ве­ществами и пищевыми продуктами. У алюминия ма­лый захват нейтронов; в сочетании с коррозионной стойкостью и технологичностью это делает его одним из важнейших металлов атомной техники.

На воздухе алюминий быстро покрывается тон­кой окисной пленкой. Первые слои этой пленки вос­производят кристаллическую решетку алюминия, образуя очень прочное соединение. За последние 10 лет механизм роста окисной пленки удалось ис­пользовать для создания исключительно жаропроч­ных сплавов, упрочненных дисперсными частицами окиси алюминия. Специально выращивая химическим или электрохимическим способом утолщенную плен­ку и вводя в нее различные наполнители, можно придать ей любой цвет.

КАЖДЫЙ ДВАДЦАТЫЙ АТОМ ЗЕМНОЙ КОРЫ — АЛЮМИНИЙ

По распространенности на Земле алюминий на­ходится на четвертом месте после кислорода, водо­рода и кремния и на первом месте среди металлов.

На долю алюминия в составе различных соедине­ний приходится около 5,5% общего числа атомов земной коры (или 7,45% по весу). Конечно, не все месторождения пригодны для разработки, но тем не менее запасы алюминиевого сырья на Земле огромны.

Сент-Клер Девиль получал алюминий, вытесняя его с помощью натрия из двойного хлорида алюми­ния и натрия (АlСlз • NАСl). Однако настоящее про­мышленное производство алюминия стало возмож­ным только после изобретения процесса электроли­за глинозема, растворенного в расплавленном крио­лите. Электролиз алюминия, одного из наиболее электроотрицательных элементов в ряду напряжений, нельзя вести в водных растворах. По этой же при­чине все материалы, участвующие в электролизе, должны отличаться большой чистотой, чтобы в ванне не было примесей, способных осадиться на катоде и загрязнить алюминий.

Современные электролитические ванны рабо­тают при силе тока 130—1150 тысяч ампер; на получение 1 кг алюминия расходуется до 16 квт-ч элек­троэнергии. Естественно, что крупное производство алюминия возможно только в стране с развитой энергетикой. Хорошие условия для этого имеются у нас в ряде районов, особенно в Сибири — на базе дешевой электроэнергии и запасов нефелиновых руд.

Несмотря на применение довольно чистых ма­териалов, электролизный алюминий всегда загрязнен неметаллическими включениями — частицами глино­зема и углерода, водородом, железом, кремнием, натрием, титаном. Его подвергают очистке — продув­ке газообразным хлором, увлекающим неметалличе­ские примеси. Получается обычный товарный алюми­ний, содержащий, как правило, менее 0,3% приме­сей, главным образом железа, кремния, титана. При повторном электролизе чистоту металла удается поднять до 99,999%. А методом зонной перекристалли­зации или дистилляцией через субфторид, можно получить сверхчистый — четыре и даже пять девя­ток после запятой (99,9999 или 99,99999%). Такой ме­талл может использоваться для полупроводниковых сплавов или в тех случаях, когда нужна максималь­ная отражательная способность и коррозионная стойкость.

ПРОЦЕСС СТАРЕНИЯ ПРИДАЕТ АЛЮМИНИЮ НЕОБЫЧАЙНУЮ ПРОЧНОСТЬ

В 1909—1911 гг. немецкий ученый А. Вильм от­крыл процесс, который получил название естествен­ного старения. Оказалось, что сплав алюминия с до­бавками меди, магния и марганца (так называемый дуралюмин) после резкого охлаждения — закалки с 500° С и вылеживания при комнатной температуре в течение 4—5 суток, постепенно, но очень основа­тельно увеличивает твердость и прочность, не сни­жая способности к деформации.

Это открытие имело величайшее значение для развития алюминиевой промышленности.

Было высказано предположение, что в процессе вылеживания закаленного дуралюмина при комнат­ной температуре из матрицы — пересыщенного твер­дого раствора меди в алюминии — выделяются мель­чайшие кристаллики СuАl2, упрочняющие сплав до 36—38 кг/см2 вместо 7—8 кг/мм2 у чистого алюминия. Казалось, что механизм старения раскрыт. Но страсти еще только разгорались. Дело в том, что с помощью оптического микроскопа не удавалось най­ти частицы СuАl2, и реальность их существования в естеcтвенно состаренном сплаве стали подвергать сомнению. Кроме того, выделение меди из матрицы должно обязательно снижать электросопротивление сплава. А в процессе естественного старения дуралюмина оно росло. Это прямо указывало на то, что медь должна оставаться в твердом растворе.Алюминий

Начались многолетние споры. Сторонники и про­тивники выделения меди из твердого раствора при естественном старении, подобно представителям ве­нецианских фамилий Монтекки и Капулетти, схваты­вались неизменно при каждой встрече. Положение прояснил только рентгеноструктурный анализ. А в последние годы благодаря мощным электронным ми­кроскопам, позволяющим просматривать тонкие металлические пленки насквозь, картина стала нагляд­ной. Истина оказалась где-то «посередине». Медь не выделяется из твердого раствора и не остается вну­три него. В процессе старения она собирается в дискообразных участках толщиной в 1—3 атомных слоя и диаметром 90 А, образуя так называемые зоны Гинье — Престона. Они имеют искаженную кристал­лическую структуру твердого раствора, искажается также прилегающая к зоне область твердого раство­ра. Число таких выделений огромно — оно выра­жается единицей с 16—18 нулями для 1 см3 сплава. Изменения и искажения кристаллической решетки при образовании зон Гинье — Престона и служат при­чиной повышения прочности дуралюмина при есте­ственном старении. Эти же изменения увеличивают электрическое сопротивление сплава.

Можно без преувеличения сказать, что крылья самолетов удерживаются в воздухе зонами или метастабильными частицами, а если в результате нагре­ва вместо зон и частиц появятся стабильные выделе­ния, крылья потеряют свою прочность и просто со­гнутся…

Закончить эту часть рассказа о свойствах элемен­та № 13 мне хочется упоминанием имен тех, кто много сделал в теории старения алюминиевых спла­вов — профессоров С. Т. Конобеевского, Д. А. Пет­рова, Ю. А. Багаряцкого.

ФАЗЫ-УПРОЧНИТЕЛИ

Принципиально новые сплавы появляются тогда, когда открываются новые фазы-упрочнители. Во всем мире исследователи усиленно ищут новые фазы, спо­собные вызвать значительное упрочнение сплавов, повышение их коррозионной стойкости или других важных характеристик. До настоящего времени их найдено не так много.

Марганец и еще два элемента — хром и цирко­ний — вводятся в небольших количествах почти во все алюминиевые сплавы. Они очень сильно влияют на структуру и свойства металла. Из сплава алюминия с марганцем изготовляли первые авиационные бензобаки. Сплавы алюминия с марганцем и магни­ем не упрочняются термической обработкой (не да­ют эффекта старения); однако они обладают высо­кой коррозионной стойкостью, очень хорошо свари­ваются плавлением (в аргоновой среде). Они пре­красно зарекомендовали себя в судостроении как конструкционный материал, из таких сплавов, на­пример, сделаны корпуса «Ракет» и «Метеоров», су­дов на подводных крыльях. Из такого же сплава магналия сделаны крыша и козырьки стадиона, по­строенного Советским Союзом в Джакарте. Мате­риал этот успешно выдерживает натиск времени, жаркого и влажного климата и горячего темпера­мента болельщиков.

Из сплавов с низким содержанием магния (или из чистого алюминия) изготовляют миллионы штук испарителей для холодильников, баки стиральных ма­шин, радиаторы автомобилей и тракторов, резервуа­ры для хранения жидкого кислорода, цистерны для перевозки молока и других пищевых продуктов. Успешно прошли испытания изготовленные из маг­налия пассажирские вагоны с креслами самолетного типа и большие товарные вагоны. Эти сплавы хоро­шо полируются, им можно придать разнообразные цветовые оттенки В США их начали применять вме­сто упаковочной жести и для изготовления консерв­ных банок. И если в 1960 г. было выпущено всего около 1 % алюминиевых банок, то в настоящее вре­мя их изготовляют до 15—20% от общего количе­ства.

Но вернемся к фазам алюминиевых сплавов. Сплавы, старение которых определяется в основном фазой СuАl2, отличаются средней прочностью, хоро­шей жаропрочностью и небольшой общей коррози­онной стойкостью.

Но зато в конструкциях из таких сплавов, находя­щихся в напряженном состоянии, не возникают само­произвольно коррозионные трещины (а это самый опасный дефект).

К таким сплавам, где фазе СuАl2 принадлежит доминирующая роль, относится классический дуралюмин (сплав Д1), открытый Вильмом и все еще за­нимающий важное место в промышленности. Из сплава Д1, в частности, делают лопасти самолетных винтов. Во время войны, когда нередко приходилось садиться на случайные площадки, не выпуская шасси, «на брюхо», лопасти сгибались при ударе о землю под прямым углом. Их тут же в полевых условиях выпрямляли и после этого снова летали с таким винтом…

Сплавы типа Д20 (Аl — Сu — Мn) удовлетвори­тельно свариваются. Из них, в частности, изготовле­ны огромные сварные баки жидкого кислорода и во­дорода американской ракеты «Сатурн», предназна­чаемой для полета на Луну.

В другой группе алюминиевых сплавов (в рабо­тах с ними большая роль принадлежит профессору С. М. Воронову) упрочнителем служит соединение Mg2Si. Прочность металла изменяется от 12 до 36 кг/мм2 в зависимости от содержания Мg и Si и добавок меди и марганца. Сплавы системы Аl — Мg — применяются в судостроении, для облицов­ки и перекрытий зданий, изготовления металлических обоев, корпусов часов, ювелирных украшений. С их широким применением построены Дворец спорта в Киеве, Московский дворец пионеров, универмаг «Москва». В Кремлевском дворце съездов прекрас­ная панорама создается сочетанием золотых и чер­ных покрытий на алюминиевом сплаве системы Аl — Мg — Si.

Эти сплавы — замечательный материал для окон­ных рам. Сваренные специальными машинами в стык такие рамы не имеют швов, они легки, изящны, ги­гиеничны и геометрически точны. На них можно соз­давать пленки любых цветовых оттенков. А горные или полярные области, где нет строительных мате­риалов, куда их трудно доставить? Почему бы не транспортировать туда самолетами и вертолетами сборные алюминиевые дома? Первые десятки алю­миниевых домиков уже служат полярникам, но это должно быть только началом.Алюминий

В нашей стране идет огромное строительство. И лет через 15—20 для стенных панелей, подвесных потолков, крыш, оконных рам и других строительных деталей может потребоваться такое количество алю­миниевых сплавов, что не хватит и сотен тысяч тонн.

И еще одна очень ответственная служба сплавов Аl — Мg — Si. Из них во всем мире изготовляют ло­пасти винтов для вертолетов, потому что именно эти сплавы обладают очень высокой коррозионной стой­костью. Чрезвычайно важное свойство, если иметь в виду, что даже мельчайший коррозионный дефект может резко ускорить появление и развитие уста­лостных трещин. Для спокойствия пассажиров хочу добавить, что усталостные трещинки развиваются в действительности очень медленно. А на вертолетах установлены приборы, подающие летчику световые или звуковые сигналы, как только появится первая трещинка. И лопасти меняют несмотря на то, что они могли бы работать еще сотни часов.

В самые последние годы стали известны сплавы алюминия, содержащие германий и серебро. Их свойства подтверждают основную мысль: если в алю­минии растворено химическое соединение, содержа­щее атомы не менее чем двух других элементов, то можно ожидать заметного эффекта старения сплава. К сожалению, германий — редкий элемент, а сереб­ро— драгоценный металл; они дорого стоят. Пока у сплавов с германием и серебром не будут найдены какие-либо выдающиеся свойства, эти сплавы не имеют практического значения… А вот о недавно от­крытой системе Аl — Мg — Li этого не скажешь: лег­кие и прочные сплавы с литием безусловно могут найти применение в промышленности.

БЫСТРОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПРЕОБРАЗУЕТ КРИСТАЛЛЫ

Прежде чем получить слитки или фасонные отливки, жидкий металл нужно очистить от газов и твердых неметаллических включений. Из газов в жидком алюминии растворен главным образом водо­род. Чем выше температура расплава, тем его боль­ше. При остывании и кристаллизации он не успевает выделиться и остается в металле в виде мельчайших, а иногда и довольно крупных пор. Водород приносит много неприятностей — пустоты в фасонном литье, пузыри в листах и профилях, поры при сварке плав­лением. И только в одном случае водород оказался весьма полезным — речь идет о так называемом пеноалюминии, напоминающем хороший голландский сыр (только пор в таком металле гораздо больше, а «слезу» он не пускает). Удельный вес пенистого алюминия может быть доведен до 0,3—0,5 г/см3. По­ры в нем замкнутые, и металл свободно плавает в воде. У него исключительно низкая тепло- и звуко­проводность, он режется и паяется. Чтобы получить рекордное количество пустот, жидкий алюминий, по «рецепту» профессора М. Б. Альтмана, перегревают и затем вводят в него гидрид циркония или титана, который немедленно разлагается, выделяя водород. Тут же металл, вскипающий огромным количеством пузырьков, быстро разливают в формы.

Но во всех других случаях от водорода стара­ются избавиться. Самый лучший способ для этого — продувка расплава хлором. Пузырьки хлора, двига­ясь через жидкий алюминий, вбирают в себя атомы и мельчайшие пузырьки водорода, захватывают взве­шенные частицы шлака и окисных пленок.

Все неметаллические включения особенно вред­ны при медленной кристаллизации металла, поэтому при литье всегда стремятся увеличить скорость кри­сталлизации. Фасонные детали отливают не в зем­ляные формы, а в металлический кокиль; при литье слитков чугунные изложницы заменяют медными с водяным охлаждением. Но даже при самом быстром отводе тепла от стенки изложницы или формы после кристаллизации первого тонкого слоя между стенкой и этой корочкой появляется воздушный зазор. Воз­дух очень плохо проводит тепло… Скорость отвода тепла от металла резко падает.

Долгое время все попытки радикально ускорить охлаждение стенки терпели неудачу из-за этого воз­душного зазора. В конце концов верное решение было найдено, как это нередко бывает в технике, совершенно «с другой стороны»: вместо борьбы с потерями тепла в воздушном зазоре ликвидировали сам зазор. Охлаждающей водой стали орошать не­посредственно кристаллизующийся металл. Так ро­дился метод непрерывного литья алюминиевых слит­ков (рис. 1).

В медный или алюминиевый кристаллизатор не­большой высоты заливается жидкий металл. В кри­сталлизатор вдвинут поддон, заменяющий неподвиж­ное дно. Как только начинается затвердевание алю­миния, (поддон медленно опускают — постепенно и с той же скоростью, с какой идет процесс кристал­лизации. А сверху непрерывно доливают жидкий ме­талл. Процесс регулируют так, чтобы лунка расплав­ленного алюминия находилась в основном ниже кромки кристаллизатора, где прямо на застывающий слиток подается вода.

Освоение непрерывного литья слитков из алю­миниевых сплавов происходило в трудные годы вой­ны. Но в 1945 г. на наших металлургических заводах не осталось ни одной изложницы для алюминиевых слитков. Качество литого металла радикально улуч­шилось. Большая роль в разработке непрерывного литья алюминия принадлежит профессорам В. А. Ли­ванову и В. И. Добаткину. Кстати, метод непрерывной разливки стали в черной металлургии, освоение ко­торого началось в последующие годы, многим обя­зан именно успешному освоению непрерывного литья алюминия.

отливка алюминия

Рис. 1. Непрерывная отливка алюминиевых слитков. Сверху пода¬ется жидкий металл, внизу выдвигается готовый слиток

И еще одно очень важное и остроумное реше­ние. Это производство литой алюминиевой прово­локи (рис. 2) по методу В. Г. Головкина.

Из горизонтального отверстия в печи непрерыв­но вытягивается струя жидкого металла, опирающая­ся на некотором расстоянии от печи на ролики. Пря­мо по выходе из печного отверстия на металл по­дается охлаждающаяся вода. Самое интересное в этом методе состоит в том, что жидкая струя сила­ми поверхностного натяжения и достаточно прочной пленкой окислов удерживается в воздухе. Поэтому поверхность проволоки получается гладкой и бле­стящей. По прочности такая проволока не уступает обычной холоднотянутой. А потребность в ней, особенно в годы войны, когда и был создан этот метод, была громадной. Каждому, кто летал на самолете, достаточно вспомнить бесконечные ряды заклепок на крыльях, на фюзеляже. Но, может быть, далеко не все знают, что число этих заклепок на истребите­ле военного времени доходило до 100—200 тысяч штук, а на бомбардировщике — даже до миллиона.

Рассказывая о фазах-упрочнителях, мы подчер­кивали, что они возможны только при условии рас­творимости соответствующих элементов в алюминии. Начиная от электролиза и кончая отливкой слитков и фасонных деталей, на заводах ведут упорную борь­бу с окисными включениями. Но такова уж диалек­тика свойств вещества, что нерастворимые в алюми­нии и наносящие ему вред включения совершенно изменили свое качество, как только их превратили в тончайшие пленки. Это произошло уже в после­военные годы.

АЛЮМИНИЙ — МЕТАЛЛ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

Алюминиевая проволока

Рис. 2. Алюминиевая проволока непрерывно вытягивается из расплава

Если жидкий алюминий распылить, получатся бо­лее или менее округлые частицы, сплошь покрытые тонкими пленками окиси. Эти частицы (они называются пульверизатом) размалывают в шаровых мель­ницах. Получаются тончайшие «лепешки» толщиной 0,1 микрона. Если такую пудру предварительно не окислить, то при соприкосновении с воздухом она мгновенно взорвется — произойдет бурное окисле­ние. Поэтому в мельницах создают инертную атмо­сферу с регулируемым содержанием кислорода, и процесс окисления пудры идет постепенно.

В первый период размола насыпной вес пудры уменьшается до 0,2 г/см3, содержание окиси алюми­ния постепенно увеличивается до 4—8%. Размол продолжается, мелкие частицы укладываются более плотно, не слипаются между собой, так как к пудре специально добавляют жир, и насыпной вес мате­риала повышается до 0,8 г/см3. Окисление происходит интенсивно, и содержание окиси алюминия дости­гает 9—14%. Постепенно жир почти полностью уле­тучивается и мельчайшие окисленные частицы «скле­пываются», сращиваются в более крупные конгломе­раты.

Такая «тяжелая» пудра (в ней содержится до 20— 25% окиси) уже не летит как пух, ее можно спокой­но ссыпать в стаканы. Затем порошок брикетируют в прессах под давлением 30—60 кг /мм2 и при тем­пературе 550—650° С. После этого материал приоб­ретает металлический блеск, он имеет сравнительно высокую прочность, электро- и теплопроводность. Из брикетов можно прессовать, прокатывать, ковать тру­бы, листы, прутки и другие изделия. Все эти полу­фабрикаты именуются САП — по первым буквам слов: «спеченный алюминиевый порошок».

Первичная окисная пленка

Рис. 3. Так построена первичная пленка окиси на алюминии по мнению П. Д. Данкова, Д. В. Игнатьева и Н. А. Шишакова. Белые кружки — ионы кислорода, черные — ноны алюминия, двойные — атомы аяюминия

При содержании окиси алюминия 20—25% проч­ность САП достигает максимума — 45—48 кг /мм2. Иначе говоря, благодаря окиси прочность алюминия увеличивается в 8 раз. Объясняется это, конечно, не просто содержанием окиси алюминия, а ее дисперс­ностью, способом наращивания пленки, механизмом ее взаимодействия с алюминием.

Вероятно, первые молекулярные слои окиси имеют не собственную решетку, а искаженную ре­шетку алюминия (рис. 3). Естественно, что решетка слоев алюминия, прилегающих к пленке окиси, долж­на искажаться (аналогично тому, как искажается ре­шетка метастабильных частиц и матрицы). Можно не сомневаться, что через некоторое время рентгеноструктурные или электронномикроскопические иссле­дования покажут вполне точно «стыковку» кристаллических плоскостей алюминиевой матрицы и окисной фазы. Эти изменения могут распространяться только на очень небольшую глубину. Значит, проч­ность материала может увеличиться только в том случае, если частицы, на которых наращивается окисная пленка, чрезвычайно малы, а сама пленка очень тонка.

Расположение окисных пленок в брикете САП можно увидеть с помощью электронного микроско­па. Пленки, частично разрушенные при брикетирова­нии, обрисовывают контуры первичных алюминиевых частиц, образовавшихся при размалывании пудры в мельнице. Чем меньше рассто­яние между частицами, тем прочнее САП.

Алюминий

Возможности алюминиевых сплавов как материала художествен­ного литья: сирена работы скульптора Ги Револя — символ мо­реплавания, украшающий зданне технического колледжа в Страс­бурге (Франция)

Можно ли считать принципиально новый способ упрочнения, основанный на образовании дисперсных частиц из нерастворимых соединений, характерной особенностью именно алюминия и окиси алюминия? По всей видимости, и другие соединения могут соз­давать тончайшие пленки и дисперсные частицы, спо­собные упрочнять металлы. Но их еще предстоит ис­кать, систематически исследуя различные окислы, карбиды, нитриды…

Благодаря тому, что природа дисперсных обра­зований в обычных стареющих алюминиевых сплавах и в САП различна, эти материалы очень различают­ся и по своим свойствам. САП сохраняет высокую прочность до 500—600° С, а все алюминиевые спла­вы переходят при этой температуре в полужидкое или вязкое состояние. Тысячи часов при температу­рах до 500° С в общем мало сказываются на проч­ности САП, потому что взаимодействие окисных частиц и алюминиевой матрицы мало меняется после нагрева. Сплавы же алюминия при таком испытании совершенно теряют прочность, так как зоны и метастабильные фазы превращаются в стабильные фазы или стабильные фазы вновь переходят в твердый раствор.

САП не нуждается в закалке, по коррозионной стойкости он близок к чистому алюминию, совершен­но не подвержен коррозии под напряжением и межкристаллической коррозии. По электропроводности и теплопроводности этот материал ближе к чистому алюминию, чем стареющие сплавы такой же проч­ности. Характерная особенность САП — адсорбция огромного количества влаги разветвленной поверхностью окисленных частиц.

Поэтому САП необходимо хорошо дегазировать в вакууме, нагревая материал до точки плавления алюминия. Из САП можно изготовлять поршни дви­гателей, работающие при температуре до 400 и даже 450° С, материал этот перспективен для судострое­ния и химического машиностроения. При бурении глубоких скважин, когда температура пород может достигать 300—400° С, могут найти применение трубы из САП.

Заканчивая рассказ о применении алюминия как конструктивного материала, надо упомянуть и о его спеченных сплавах с кремнием, никелем, железом, хромом, цирконием (они называются САС — по пер­вым буквам слов «спеченный алюминиевый сплав»).

У них низкий коэффициент линейного расширения, и это позволяет использовать их в сочетании со сталью в механизмах и приборах. У обычного же алюминия коэффициент линейного расширения при­мерно вдвое выше, чем у стали, и это вызывает большие напряжения, искажения размеров и нару­шения точности.

Важное применение могут иметь спеченные алю­миниевые сплавы и как материал оболочки ядерных реакторов с водяным охлаждением.

АЛЮМИНИЙ В ХИМИЧЕСКОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

Алюминий только начинают применять в хими­ческом машиностроении, но возможности его очень велики благодаря двум качествам — малому удель­ному весу и стойкости против коррозии.

Заводам и лабораториям нужны во все боль­ших количествах очень чистая вода и другие хими­ческие вещества, свободные от примесей. Значит, конструктивным материалом аппаратов может быть либо дорогая нержавеющая сталь, либо гораздо бо­лее дешевые алюминиевые сплавы. Они нужны, в частности, для изготовления насосов и вентиля­торов, болтов, гаек, заклепок. Алюминиевые по­верхности теплообменников меньше загрязняются и поэтому повышают эффективность аппаратов, во многих случаях позволяют уменьшить их размеры и сократить расходы на перекачку жидкостей. Промежутки времени между чистками значительно увели­чиваются, а в некоторых случаях необходимость в чистке аппаратов вообще отпадает.

Алюминий не искрит, и поэтому алюминиевые резервуары с легковоспламеняющимися или взрыв­чатыми веществами безопасны. Из алюминия, его сплавов и САП можно изготовлять резервуары и аппараты для хранения и переработки пищевых ма­сел, так как алюминий не является катализатором в окислительных процессах, которые ведут к прогорк­лости масла.

Алюминий дороже простой углеродистой стали (это не значит, что он дороже нержавеющей стали!). Но если рассчитать стоимость алюминиевых и сталь­ных изделий и конструкций с учетом последующей коррозии, то оказывается, что во многих случаях алюминий и его сплавы гораздо экономичнее для химических предприятий. Алюминиевые сплавы дол­жны стать одним из главных конструкционных мате­риалов в химической промышленности.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>