Алюминий

Эффект старения присущ и сплавам системы Al – Zn – Mg. Эта система сразу же проявила себя дважды рекордсменом: рекордсменом по прочности – еще в 20-х годах  получены алюминий-цинк-магниевые сплавы прочностью 55...60 кг/мм² – и «рекордсменом наоборот» по химической стойкости – листы и рулоны из таких тройных сплавов растрескивались, а то и рассыпались под влиянием атмосферной коррозии еще в процессе вылеживания, прямо на заводском дворе.

Десятки лет исследователи  разных стран искали возможность  повысить коррозионную стойкость подобных сплавов. В конце концов, уже в 50-х годах появились высокопрочные  алюминиевые сплавы с цинком и  магнием, обладающие удовлетворительной коррозионной стойкостью. Среди них  – отечественные сплавы В95 и В96. В этих сплавах, помимо трех основных компонентов, есть также медь, хром, марганец, цирконий. При такой комбинации химических элементов существенно  меняется характер распада пересыщенного  твердого раствора, отчего и повышается коррозионная стойкость сплава.

Однако когда  авиаконструктор О.К. Антонов приступил к созданию гигантского самолета «Антей» и для силового каркаса «Антея» потребовались большие поковки и штамповки, равнопрочные во всех направлениях, сплавы В95 и В96 не подошли. В сплаве для «Антея» малые добавки марганца, циркония и хрома пришлось заменить железом. Так появился известный сплав В93.

В последнее десятилетие  возникли новые требования. Для так  называемых широкофюзеляжных самолетов  ближайшего будущего, рассчитанных на 300...500 пассажиров и на 30...50 тыс. летных часов эксплуатации, повышаются главные критерии – надежность и долговечность. Широкофюзеляжные самолеты и аэробусы на 70...80% будут состоять из алюминиевых сплавов, от которых требуется и очень высокая прочность, и очень высокая коррозионная стойкость. Почему прочность – понятно, почему химическая стойкость – в меньшей мере, хотя приведенный выше пример с вертолетными лопастями, очевидно, достаточно нагляден...

Возникла концепция  безопасно-повреждаемых конструкций, которая гласит: если в конструкции  и появилась трещина, она должна развиваться медленно, и, даже достигнув  значительных размеров, будучи легко  обнаруживаемой, она, эта трещина, ни в коем случае не должна вызывать разрушения конструкции в целом. Это значит, что высокопрочные алюминиевые  сплавы для таких самолетов должны обладать высокой вязкостью разрушения, высокой остаточной прочностью при  наличии трещины, а это возможно лишь при высокой коррозионной стойкости.

Все эти свойства прекрасно сочетаются в алюминиевых  сплавах повышенной чистоты: примесей железа – десятые доли процента, кремния – сотые, а натрия, микродобавки которого значительно улучшают свойства сплавов алюминия с кремнием, здесь  должно быть не больше нескольких десятитысячных долей процента. А основа таких  сплавов – система Аl – Zn – Mg –  Сu. Старение этих сплавов ведут таким  образом, чтобы упрочняющие частицы  стали несколько больше обычного (коагуляционное старение). Правда, при  этом немного теряется прочность, и  некоторые детали приходится делать более толстостенными, но это пока неизбежная плата за ресурс и надежность. Ирония судьбы: алюминиевые сплавы с цинком и магнием, бывшие когда-то самыми коррозионно-нестойкими, наука  превратила в своего рода эталон коррозионной стойкости. Причины этого чудесного  превращения – добавка меди и  рациональные режимы старения.

Еще один пример совершенствования  давно известных систем и сплавов. Если в классическом дюралюмине резко  ограничить содержание магния (до сотых  долей процента), но сохранить марганец и повысить концентрацию меди, то сплав  приобретает способность хорошо свариваться плавлением. Конструкции  из таких сплавов хорошо работают в температурном интервале от абсолютного нуля до +150...200°C.

В наше время некоторым  техническим изделиям приходится попеременно  воспринимать то умеренный жар, то неумеренный  холод. Не случайно из подобных сплавов  были изготовлены баки жидкого водорода и жидкого кислорода на американских ракетах «Сатурн», доставивших на Луну экипажи кораблей «Аполлон».

При решении земных проблем перевозки и хранения сжиженного газа с трехкомпонентными  сплавами Al – Сu – Мn довольно успешно  конкурируют очень легкие двухкомпонентные сплавы алюминия с магнием – магналии. Магналии не упрочняются термической  обработкой. В зависимости от технологии изготовления и содержания магния их прочность меняется от 8 до 38 кг/мм². При температуре жидкого водорода они хрупки, но в среде жидкого кислорода и сжиженных горючих газов работают вполне успешно. Области их применения весьма обширны. В частности, они прекрасно зарекомендовали себя в судостроении: из магналиев изготовлены корпуса судов на подводных крыльях – «Ракет» и «Метеоров». Применяют их и в конструкциях некоторых ракет.

Особо следует отметить возможность использования малолегированных магналиев для упаковки пищевых  продуктов. Консервные банки, обертка  для сыров, фольга для тушения  мяса, банки для пива, крышки для  бутылок с молочнокислыми продуктами – вот не полный перечень околопищевых применений этих сплавов. Скоро в  нашей стране алюминиевые консервные банки будут выпускаться миллиардами  штук, и тогда определение Александра Евгеньевича Ферсмана – «металл консервной банки» – перейдет от олова к алюминию. Но вернемся к фазам-упрочнителям.

В 1965 г. группой советских ученых был открыт эффект упрочнения при старении в сплавах системы Al – Li – Mg. Эти сплавы, в частности сплав 01420, имеют такую же прочность, как дюралюмины, но при этом они на 12% легче и имеют более высокий модуль упругости. В конструкциях летательных аппаратов это позволяет получить 12...14%-ный выигрыш в весе. К тому же сплав 01420 хорошо сваривается, обладает высокой коррозионной стойкостью. К сплавам этой системы и сегодня во всем мире проявляют повышенный интерес.

Быстрое охлаждение, образующее кристаллы

Прежде чем получить слитки или фасонные отливки из алюминиевого сплава, 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, и «слезу» он не пускает). Удельный вес пеноалюминия 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. Большой эффект дает вакуумирование жидкого алюминия, что убедительно  показано советским ученым К.Н. Михайловым.

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  металлические кокили; 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 плохо проводит тепло... Скорость отвода тепла от металла резко падает.

Долгое время  все попытки радикально ускорить охлаждение стенок терпели неудачу  из-за этого воздушного зазора. В  конце концов, верное решение было найдено, как это нередко бывает в технике, совершение «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.

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, куда непосредственно  на застывающий слиток подается вода.

Освоение непрерывного литья слитков из алюминиевых  сплавов происходило в трудные  годы войны. Но к 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 А.Ф. Белову, В.А. Ливанову, С.М. Воронову 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.

Позже Ф.И. Квасов, 3.Н. Гецелев и Г.А. Балахонцев выдвинули оригинальную идею, позволявшую кристаллизовать многотонные алюминиевые слитки вообще без форм. В процессе кристаллизации жидкий металл удерживается в подвешенном состоянии электромагнитным полем.

Не менее остроумным был разработанный в годы войны  В.Г. Головкиным непрерывный способ производства литой алюминиевой проволоки диаметром до 9 мм. Из горизонтального отверстия в печи непрерывно выливалась струя жидкого металла. Прямо на выходе на металл подавалась охлаждающая вода, а вскоре частично отверженная струйка подхватывалась роликами и вытягивалась дальше. Поверхность такой проволоки получалась гладкой и блестящей, по прочности она не уступала холоднотянутой. А потребность в ней была громадной. Каждому, кто летал на самолете, приходилось видеть бесконечные ряды заклепок на крыльях и фюзеляже. Но, видимо, далеко не все знают, что число этих заклепок на истребителе военного времени доходило до 100...200 тыс. штук, а на бомбардировщике – даже до миллиона...

Рассказывая о фазах-упрочнителях, мы подчеркивали, что они – результат  растворения соответствующих металлов в алюминии и химического взаимодействия с ним. Это в высшей степени  полезные включения. С окисными же включениями  ведут упорнейшую борьбу на всех стадиях  производства. Но такова уж диалектика свойств вещества: нерастворимые  в алюминии и наносящие ему  вред окисные включения совершенно изменили свое качество, как только их превратили в наитончайшие пленки.

САП и САС

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 мкм. 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.

На первой стадии 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 достаточно 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...650ºС. 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».

При содержании окиси  алюминия 20...25% прочность САП достигает  максимума – 45...48 кг/мм². Иначе говоря, благодаря окиси прочность алюминия увеличивается и 6 раз. Объясняется это, конечно, не просто присутствием окиси алюминия, а ее дисперсностью, способом наращивания пленки, механизмом ее взаимодействия с алюминием.

Чем меньше расстояние между частицами, тем прочнее  САП. 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°C, а все алюминиевые сплавы при этой температуре переходят в полужидкое или вязкое состояние. Тысячи часов при температуре до 500°C 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.

САП не нуждается  в закалке, по коррозионной стойкости  он близок к чистому алюминию. 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 изготовляют поршни двигателей, работающих при температуре до 400 и даже 450°C, материал этот перспективен для судостроения и химического  машиностроения.

Заканчивая рассказ  о применении алюминия как конструкционного материала, надо упомянуть и о  его спеченных сплавах с кремнием, никелем, железом, хромом, цирконием. Они  называются САС – по первым буквам слов «спеченный алюминиевый сплав». Сплавы имеют 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 прочности.

Рассказать об элементе №13 можно, конечно же, гораздо больше, чем о металле алюминии. С «биографией» элемента №13 связана судьба многих научных проблем и открытий, самых  разных процессов и продуктов  – красок, полимерных материалов, катализаторов  и многих других. И все-таки не будет  ошибки, если утверждать, что металл алюминий по значимости в современной  технике, в современной жизни  – важнее, нежели все соединения алюминия, вместе взятые.

Не только легенда