Legierung aus Aluminium, Titan und Silizium. Legierungen aus Eisen und Aluminium

Heute haben fast alle der Menschheit bekannten Metalle und deren Legierungen praktische Anwendung gefunden. Jeder von ihnen hat seine eigenen spezifischen Merkmale, die den Umfang ihres Einsatzes in bestimmten Branchen bestimmen. Am weitesten verbreitet sind Eisen und alle Arten darauf basierender Verbindungen sowie Aluminium und seine Legierungen. Dies lässt sich vor allem durch große Naturreserven sowie hervorragende chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften erklären.

Eine kleine Geschichte

Einer alten Legende zufolge, die in der um 77 n. Chr. verfassten Abhandlung „Naturgeschichte“ von Guy Plinius dem Älteren beschrieben wird, trat eines Tages ein unbekannter Meister an den römischen Kaiser Tiberius heran und überreichte ihm ein Geschenk in Form einer Schale aus Silber und Silber sehr leichtes Metall. Als Tiberius ihn fragte, woraus er es gemacht habe, antwortete er, dass es Ton sei. Überrascht befahl der Kaiser, den unschuldigen Handwerker zu töten und seine Werkstatt zu zerstören, damit diese Erfindung nicht zu einer Wertminderung der Metalle der römischen Schatzkammer führen würde. Schade, dass er damals nicht alle Aussichten der Entdeckung einschätzen konnte, denn Aluminium und seine Legierungen schafften in der Zukunft einen echten Durchbruch.

Warum sind Aluminium und seine Legierungen so beliebt?

Der Aluminiumgehalt in der Erdkruste beträgt etwa 8,8 % und führt damit die Liste der am häufigsten vorkommenden Metalle an. Zu seinen Vorteilen gehören eine geringe Dichte (2,7 g/cm3), eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, Herstellbarkeit, gute elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie relativ hohe Festigkeitseigenschaften. Aluminium und seine Legierungen werden häufig in der Luftfahrt, im Schiffbau, im Schienenverkehr, in der Automobilindustrie, im Baugewerbe, in der Chemie usw. verwendet. zeichnet sich durch eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit aus. All dies bietet eine hervorragende Möglichkeit, sie in nahezu jeder Art von Produktion einzusetzen.

Grundlegende Aluminiumlegierungen

Durch die Kombination von Aluminium mit Legierungszusätzen ist es möglich, eine höhere Festigkeit zu erreichen und andere Eigenschaften dieses Metalls zu verbessern. Die häufigsten Zusatzstoffe sind Kupfer, Mangan, Zink und Magnesium. Schauen wir uns die wichtigsten Legierungen an.

oder einfach Duraluminium)

Der Name dieser Verbindung kommt vom Wort Düren – das ist der Name der deutschen Stadt, in der im Jahr 1911. begann, diese Legierung im industriellen Maßstab herzustellen. Es wird durch Zugabe von Kupfer (2,2 – 5,2 %), Magnesium (0,2 – 2,7 %) und Mangan (0,2 – 0,1 %) zu Aluminium gewonnen. Nach der Wärmebehandlung wird das Metall sehr fest (statische Festigkeit erreicht 450–500 MPa). Um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen, wird es häufig mit Aluminium verkleidet. Wird als Material in der Transport- und Luftfahrttechnik verwendet.

Magnalia

Dabei handelt es sich um verschiedene Legierungen aus Aluminium mit Magnesium und anderen Elementen (Magnesiumgehalt - 1-13 %). Sie zeichnen sich durch hohe Duktilität, gute Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Wird zur Herstellung von Formgussteilen, Drähten, Blechen, Nieten usw. verwendet.

Silumin

Diese Verbindung wird durch die Kombination von Aluminium mit Silizium (Siliziumgehalt - 4-13 %) erhalten. Manchmal werden ihm weitere Zusätze zugesetzt: Be, Ti, Zn, Mg, Mn, Cu. Diese Legierung wird zur Herstellung von Teilen komplexer Strukturen hauptsächlich in der Flugzeug- und Automobilindustrie verwendet.

Aluminium und seine Legierungen werden der Menschheit noch lange zum Wohle der Menschheit dienen. Ein Beweis dafür ist die neue Erfindung – Aluminiumschaum oder auch „Metallschaum“ genannt. Viele Experten glauben, dass poröses Aluminium hervorragende Aussichten hat.

EINFÜHRUNG

Unter den Metallen steht Aluminium hinsichtlich der Häufigkeit in der Natur an erster Stelle und hinsichtlich der praktischen Verwendung an zweiter Stelle (nach Eisen). Aluminium ist ein chemisches Element in der dritten Gruppe des Periodensystems von D.I. Mendelejew. Aluminium mit der Ordnungszahl 13, Atommasse 26,98, Schmelzpunkt 660 °C, Dichte 2,7 g/cm3, hat keine polymorphen Transformationen, hat ein flächenzentriertes Würfelgitter mit einer Periode A = 0,4041 nm.

Aluminium unterscheidet sich von anderen Metallen durch seine geringe Dichte, seine hohen plastischen und korrosionsbeständigen Eigenschaften, seine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie sein Reflexionsvermögen.

Dank dieser Eigenschaften wird Aluminium in fast allen Branchen eingesetzt – Luftfahrt, Bauwesen, Chemie usw.

Aluminium ist ein korrosionsbeständiges Metall. Der auf seiner Oberfläche gebildete dichte Film aus A1 2 O 3-Oxid haftet sehr gut am Metall, ist für alle Gase wenig durchlässig und schützt Aluminium vor weiterer Oxidation und Korrosion in atmosphärischen Bedingungen, Wasser und anderen Medien. Aluminium ist beständig gegen konzentrierte Salpetersäure und einige organische Säuren (Zitronensäure, Essigsäure usw.). Mineralsäuren (Salzsäure, Flusssäure) und Laugen zerstören den Oxidfilm.

Permanente Verunreinigungen (Fe, Si, Ti, Mn, Cu, Zn, Cr) verringern die physikalisch-chemischen Eigenschaften und die Duktilität von Aluminium. Abhängig vom Gehalt an Verunreinigungen werden Primäraluminiumqualitäten unterschieden: A999, A995, A99, A97, A95.

Eisen und Silizium sind die wichtigsten unvermeidbaren Verunreinigungen, die bei der Herstellung von Aluminium in das Aluminium gelangen und sich negativ auf die Eigenschaften von Aluminium auswirken. Eisen ist in Aluminium praktisch unlöslich, daher entsteht bereits bei geringstem Gehalt eine fragile chemische Verbindung FeAl 3. Es kristallisiert in Form von Nadeln, die als Schnitte im Metall dienen, und verringert die plastischen Eigenschaften von Aluminium. Eisen verringert die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium aufgrund des großen Unterschieds in den elektrochemischen Potentialen der A1- und FeAlg-Phasen, des Auftretens mikrogalvanischer Paare an der Grenze dieser Phasen und der Entwicklung interkristalliner Korrosion.

Silizium geht mit Aluminium keine chemischen Verbindungen ein und liegt in Aluminiumlegierungen in elementarer Form vor. Die Löslichkeit von Silizium in Aluminium beträgt bei Raumtemperatur nicht mehr als 0,05 %. Bereits bei unbedeutenden Mengen Silizium im Aluminiumgefüge bilden sich Einschlüsse des Eutektikums Al-fSi. Siliziumkristalle haben ähnliche Eigenschaften wie chemische Verbindungen; sie weisen eine hohe Härte (HB 800) und Sprödigkeit auf. Die wesentlichen negativen Auswirkungen von Siliziumverunreinigungen äußern sich in der Verschlechterung der Gusseigenschaften von technischem Aluminium. Silizium senkt die Solidustemperatur stark und verlängert das Kristallisationsintervall (Bei = tn -- -- t 0), Dies bedeutet, dass es die Fließfähigkeit verringert und die Rissanfälligkeit der Legierung erhöht.

Industriealuminium enthält gleichzeitig Eisen und Silizium und kann daher als ternäre Legierung des Al-Fe-Si-Systems betrachtet werden. Dabei können im Aluminium zwei ternäre chemische Verbindungen gebildet werden: a (A1-Fe-Si) und J (A1-Fe-Si), die in A1 praktisch unlöslich sind. Das Auftreten einer skelettartigen, krabbenförmigen Phase in der Struktur von technischem Aluminium A(A1--Fe--Si) und die grobe lamellare Phase (3 (A1--Fe--Si) verändern ihre Eigenschaften dramatisch.

Abhängig vom Gehalt an Verunreinigungen wird Aluminium in die Güteklassen technische, hochreine und besondere Reinheit eingeteilt.

Tabelle 1 zeigt einige Sorten und die chemische Zusammensetzung von verformbarem Aluminium (zur Herstellung von Halbzeugen durch Warm- oder Kaltverformung bestimmt). In Form von Masseln und Barren geliefertes Primäraluminium unterliegt der Norm GOST 11069-74, Beispiele für Sortenbezeichnungen sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die mechanischen Eigenschaften von Aluminium hängen von seiner Reinheit und seinem Zustand ab. Eine Erhöhung des Gehalts an Verunreinigungen und plastische Verformung erhöhen die Festigkeit und Härte von Aluminium (Tabelle 3).

Tabelle 1

Aluminium verformbar

Tabelle 2

Primäraluminium

Tisch 3

Die mechanischen Eigenschaften von Aluminium variieren
Reinheit im geglühten Zustand

Aluminium zeichnet sich durch hohe technologische Eigenschaften aus. Daraus können beliebige Halbzeuge in verschiedenen Größen hergestellt werden. Aufgrund ihrer hohen Duktilität können Halbzeuge aus Aluminium ohne nennenswerte Erwärmung problemlos einer Verformung unterzogen werden. Schweißen kann mit fast allen Verfahren durchgeführt werden, auch mit dem Schmelzschweißen. Aufgrund der hohen Viskosität von Aluminium ist die Bearbeitbarkeit schlecht.

Es wird in der Elektroindustrie und in Wärmetauschern eingesetzt. Das hohe Reflexionsvermögen von Aluminium wird zur Herstellung von Spiegeln und leistungsstarken Reflektoren genutzt. Aluminium interagiert praktisch nicht mit Salpetersäure, organischen Säuren und Lebensmitteln. Daraus werden Behälter für den Transport von Lebensmitteln und Haushaltsutensilien hergestellt. Als Verpackungsmaterial wird häufig Aluminiumblech verwendet. Der Einsatz von Aluminium im Bau- und Transportwesen hat deutlich zugenommen.

HAUPTTEIL

1. Klassifizierung von Aluminiumlegierungen

Abhängig von der Herstellungsmethode werden industrielle Aluminiumlegierungen in gesinterte, gegossene und geknetete Aluminiumlegierungen unterteilt (Abb. 1).

Gusslegierungen durchlaufen eine eutektische Umwandlung, Knetlegierungen jedoch nicht. Letztere wiederum können thermisch nicht härtend (Legierungen, bei denen im festen Zustand keine Phasenumwandlungen stattfinden) und verformbar, thermisch härtend (durch Härten und Altern gehärtete Legierungen) sein.

Aluminiumlegierungen werden üblicherweise mit Cu, Mg, Si, Mn, Zn und seltener mit Li, Ni, Ti legiert.

2. Verformbare Aluminiumlegierungen, die durch Wärmebehandlung nicht verstärkt werden können

Zu dieser Legierungsgruppe gehören technisches Aluminium und thermisch nicht aushärtende schweißbare korrosionsbeständige Legierungen (Legierungen aus Aluminium mit Mangan und Magnesium). AMts-Legierungen gehören zum Al-Mn-System (Abb. 2).

Reis. 1. Zustandsdiagramm „Aluminium – Legierungselement“:

1–verformbare, thermisch nicht aushärtende Legierungen;
2–verformbare, thermisch härtbare Legierungen.

Reis. 2. Zustandsdiagramm „Aluminium – Mangan“:

Reis. 3. Mikrostruktur der AMts-Legierung

Reis. 6. Mikrostruktur von Duraluminium nach:

a) Abschrecken in Wasser bei der Temperatur T2;
b) Härten und Warmauslagern bei T 3 (rechts - schematisches Bild)

Die Struktur der AMts-Legierung besteht aus einer festen Lösung von Mangan in Aluminium und sekundären Ausscheidungen der MnAl 6-Phase (Abb. 3). In Gegenwart von Eisen entsteht anstelle von MnAl 6 eine komplexe Phase (MnFe)Al 6, die in Aluminium praktisch unlöslich ist, weshalb die AMts-Legierung durch Wärmebehandlung nicht verfestigt wird.

Die Zusammensetzung dieser Legierungen unterliegt sehr engen Grenzen: 1 – 1,7 % MP; 0,05 – 0,20 % Cu; Um Lochfraß zu reduzieren, wird Kupfer hinzugefügt.

Bis zu 0,6 – 0,7 % Fe und 0,6 – 0,7 % Si sind zulässig, was zu einer gewissen Verfestigung der Legierungen ohne nennenswerten Verlust der Korrosionsbeständigkeit führt.

Mit sinkender Temperatur steigt die Festigkeit schnell an. Daher haben Legierungen dieser Gruppe in der Kryotechnik breite Anwendung gefunden.

AMg (Magnalium)-Legierungen gehören zum A1-Mg-System (Abb. 4). Magnesium bildet mit Aluminium eine a-Mischkristalllösung und im Konzentrationsbereich von 1,4 bis 17,4 % Mg wird eine sekundäre b-Phase (MgAl) freigesetzt, aber Legierungen mit bis zu 7 % Mg ergeben bei der Wärmebehandlung nur eine sehr geringe Verfestigung, weshalb sie durch plastische Verformung verstärkt – Kaltverfestigung.

Nature hat einen wissenschaftlichen Artikel veröffentlicht, der die Schaffung eines Materials mit ähnlichen Eigenschaften wie Titan beschreibt, aber viel billiger.

Titan ist dort wichtig, wo geringes Gewicht und hohe Festigkeit erforderlich sind, beispielsweise im Flugzeugbau. Sein wesentlicher Nachteil sind jedoch die relativ hohen Kosten.

Aluminium hat fast das gleiche Gewicht und ist um ein Vielfaches günstiger, aber nicht langlebig. Stahl ist noch günstiger und fast so stark wie Titan, aber um ein Vielfaches schwerer.

Dafür werden Eisen und Kohlenstoff benötigt, die Materialien, die zur Herstellung von Stahl, Aluminium, Mangan und Nickel benötigt werden.

Der Schlüssel liegt in der Bildung intermetallischer Verbindungen im resultierenden Material. Es ist eine chemische Verbindung mehrerer Metalle mit jeweils einer festen Anzahl von Atomen. In diesem Fall wird intermetallisches B2 aus Nickel und Aluminium gewonnen, das heißt, es enthält gleich viele Atome beider Metalle.

B2-Kristalle sind nur wenige Nanometer dick und durchdringen die Stahlstruktur und verleihen ihr die Festigkeit von Titan.

Einer der größten Stahlkonzerne, POSCO, hat die Forschung bereits zur Kenntnis genommen und plant, das Material noch in diesem Jahr im kommerziellen Maßstab zu testen. Wenn das Experiment gelingt, werden Autos vielleicht schon bald deutlich leichter und damit effizienter sein.

Laut Hansoo Kim sank der Anteil von Stahl in Autos von 1995 bis 2011 im Durchschnitt von 68 % auf 61 %.

Seltenes Metall steigt genauso häufig in die Luft wie Aluminium und wird beim Bau von Häusern, Autos und Schiffen verwendet. Es scheint – nicht das stärkste, nicht das widerstandsfähigste, eher weich... Warum wird Aluminium als „Metall der Zukunft“ bezeichnet?

Aluminium hat zweifellos mehrere Vorteile, die schwer zu bestreiten sind:

Leichtigkeit;
- Verbreitung – Aluminium ist das am häufigsten vorkommende Metall auf dem Planeten Erde;
- einfache Verarbeitung;

Außerdem gibt Aluminium beim Erhitzen keine Schadstoffe ab und leitet die Wärme gut. Aber das Wichtigste ist, dass Sie dem reinen Aluminium nur ein wenig hinzufügen müssen, nur ein paar Zehntel eines anderen Elements und ... voilà! Sie erhalten ein Material mit diametral entgegengesetzten physikalischen und chemischen Eigenschaften. Einige Legierungen auf Aluminiumbasis sind so fest, dass sie bei Temperaturen bis zu -200 Grad Celsius mit Titan und Stahl vergleichbar sind!

Vorbereitung und Klassifizierung von Aluminiumlegierungen

Der Prozess der Herstellung von Aluminiumlegierungen wird als Legieren bezeichnet. Allerdings handelt es sich beim Legieren eher nicht um einen, sondern um mehrere miteinander verbundene Prozesse. Sein Wesen liegt darin, dass Hilfselemente (Legierungselemente) in Mengen von mehreren Zehnteln bis mehreren Tausendstel Prozent in die Aluminiumschmelze eingebracht werden.

Der Anteil der Hilfsstoffe hängt direkt vom gewünschten Ergebnis ab. Es ist wichtig zu bedenken, dass Aluminium in der Regel bereits Eisen und Silizium enthält. Beide Elemente wirken sich negativ auf die Qualität der zukünftigen Legierung aus: Sie verringern deren Korrosionsbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Duktilität.

Da Aluminium und Aluminiumlegierungen in strategisch wichtigen Bereichen eingesetzt werden, unterliegen sie einer staatlichen Zertifizierungs- und Kennzeichnungspflicht. In Russland wird die Qualität von Legierungen anhand von zwei GOSTs bestimmt: Nr. 4784-97 und Nr. 1583-93.

Aluminiumlegierungen können auf verschiedene Arten klassifiziert werden. Je nach Art der Hilfselemente (Legierungselemente) sind Legierungen:

Unter Zusatz von Zusatzstoffen (einzelne Elemente - Zink, Magnesium, Mangan, Chrom, Silizium, Lithium usw.);

Unter Zusatz von Intrametallen (Verbindungen mehrerer Metalle – Magnesium + Silizium, Kupfer + Magnesium, Lithium + Magnesium, Lithium + Kupfer usw.).

Abhängig von der gewählten Methode der weiteren Metallbearbeitung werden sie unterteilt in:

Verformbare Aluminiumlegierungen (die Legierung wird nicht flüssig, sondern wird einfach sehr plastisch) – sie lassen sich gut stanzen, schmieden, walzen, extrudieren und pressen. Um eine höhere Festigkeit zu erreichen, werden einige der Legierungen bei erhöhten Temperaturen (Glühen, Härten und Altern) verarbeitet, während andere unter Druck verarbeitet werden. Das Ergebnis sind Aluminiumwerkstücke wie Bleche, Profile, Rohre, Produkte mit komplexeren Formen usw.

Gussaluminiumlegierungen (die Legierung geht in einem sehr flüssigen Zustand in die Produktion, so dass sie leicht in eine Form gegossen werden kann) – solche Legierungen sind leicht zu schneiden, sie ergeben gegossene (unter Druck hergestellte) und geformte Produkte.

Alle Aluminiumbasislegierungen lassen sich auch nach der Festigkeit einteilen in:

Ultrastark (ab 480 MPa);
- mittelfest (von 300 - 480 MPa);
- geringe Festigkeit (bis zu 300 MPa);

Hochtemperatur- und korrosionsbeständige Legierungen werden separat klassifiziert.

Zur besseren Unterscheidung von Produkten aus Legierungen ist jeder Legierung eine eigene Nummer, bestehend aus Buchstaben und Zahlen, zugeordnet. Diese Zahl gibt den Grad der Aluminiumlegierung an. Am Anfang des Markennamens stehen ein oder mehrere Buchstaben, die die Zusammensetzung der Legierung angeben. Dann kommt die digitale Seriennummer der Legierung. Der Buchstabe am Ende zeigt, wie die Legierung verarbeitet wurde und in welcher Form sie sich derzeit befindet.

Schauen wir uns das Prinzip der Markierung am Beispiel der Legierung D16P an. Der erste Buchstabe der Marke „D“ bedeutet Duraluminium, also eine Legierung aus Aluminium mit Kupfer und Magnesium. „16“ ist die Seriennummer der Legierung. „P“ – halbgehärtet, d. h. die Legierung wurde einer Kaltdruckbehandlung auf einen Festigkeitswert der Hälfte des Maximums unterzogen.

Die Herstellung von Aluminiumlegierungen und ihre Anwendungen variieren je nach Art und Marke stark. Jede Legierung hat ihre eigenen, sehr spezifischen physikalischen und mechanischen Eigenschaften. Unter diesen Eigenschaften gibt es solche, von denen das weitere Schicksal der Legierung abhängt – wohin sie von der Fabrik gelangt: zu einem Luftwaffenstützpunkt, auf eine Baustelle und in eine Werkstatt zur Herstellung von Küchenutensilien. Diese Eigenschaften sind die folgenden: Festigkeitsniveau, Korrosionsbeständigkeit, Dichte, Duktilität, elektrische und thermische Leitfähigkeit.

Grundlegende Eigenschaften verschiedener Aluminiumlegierungen

Betrachten wir die wichtigsten Legierungen auf Aluminiumbasis im Hinblick auf ihre erworbenen Eigenschaften.

Die Legierung aus Kupfer und Aluminium gibt es in verschiedenen Ausführungen: „rein“, bei dem die wichtigsten aktiven Elemente Al und Cu sind, „Kupfer-Magnesium“, bei dem neben Kupfer und Aluminium auch Magie einen bestimmten Anteil einnimmt, und „Kupfer“. -Mangan“ mit Manganlegierung. Solche Legierungen werden oft auch Duraluminium genannt; sie lassen sich leicht schneiden und punktschweißen.

Ein charakteristisches Merkmal von Duraluminium ist die Verwendung von Aluminium mit Beimischungen von Eisen und Silizium. Wie wir bereits gesagt haben, verschlechtert das Vorhandensein dieser Elemente normalerweise die Qualität der Legierung, aber dieser Fall ist eine Ausnahme. Eisen erhöht bei wiederholter Wärmebehandlung der Legierung deren Hitzebeständigkeit und Silizium wirkt als Katalysator im „Alterungsprozess“ von Duraluminium. Magnesium und Mangan wiederum machen die Legierung als Legierungselemente deutlich fester.

Eine Legierung aus Aluminium und Magnesium weist je nach Magnesiumanteil unterschiedliche Festigkeit und Duktilität auf. Je weniger Magnesium vorhanden ist, desto geringer ist die Festigkeit des aus einer solchen Legierung hergestellten Produkts und desto höher ist die Korrosionsbeständigkeit. Eine Erhöhung des Magnesiumgehalts um 1 % führt zu einer Festigkeitssteigerung auf bis zu 30.000 Pa. Im Durchschnitt enthalten Legierungen auf Magnesium- und Aluminiumbasis bis zu 6 % ersteres. Warum nicht mehr? Wenn die Legierung zu viel Magnesium enthält, wird ein daraus hergestelltes Produkt schnell mit Rost bedeckt, außerdem haben solche Produkte eine instabile Struktur, können reißen usw.

Eine Wärmebehandlung von Magnesiumlegierungen mit Aluminium wird nicht durchgeführt, da sie unwirksam ist und nicht den notwendigen Effekt der Festigkeitssteigerung erzielt.

Eine Legierung aus Aluminium mit Zink und Magnesium gilt als die haltbarste aller heute bekannten Aluminiumlegierungen. Seine Festigkeit ist mit Titan vergleichbar! Bei der Wärmebehandlung wird der größte Teil des Zinks gelöst, was dieser Legierung ihre Festigkeit verleiht. Es ist zwar unmöglich, Produkte aus solchen Legierungen in der Elektroindustrie zu verwenden, da sie nicht beständig gegen Spannungskorrosion sind. Sie können die Korrosionsbeständigkeit leicht erhöhen, wenn Sie der Zusammensetzung Kupfer hinzufügen, der Indikator bleibt jedoch weiterhin unbefriedigend.

Die Aluminium-Silizium-Legierung ist die am häufigsten verwendete Legierung in der Gießereiindustrie. Da sich Silizium beim Erhitzen gut in Aluminium löst, eignet sich die resultierende geschmolzene Zusammensetzung hervorragend zum Formen und Formgießen. Fertigprodukte lassen sich relativ leicht schneiden und weisen eine hohe Dichte auf.

Eine Legierung aus Aluminium mit Eisen kommt, ebenso wie Legierungen aus Aluminium mit Nickel, „im wirklichen Leben“ praktisch nie vor. Eisen wird lediglich als Hilfselement zugesetzt, damit sich die Gusslegierung leicht von den Wänden der Form lösen kann. Nickel wiederum ist vor allem bei der Herstellung von Magneten bekannt und kommt als eines der Elemente in der Aluminium-Nickel-Eisen-Legierung vor.

Auch eine Legierung aus Titan und Aluminium kommt nicht in reiner Form vor und dient lediglich der Erhöhung der Festigkeit von Produkten. Zum gleichen Zweck wird das Schweißen von Stahl- und Aluminiumlegierungen durchgeführt.

Aluminium wird zur Herstellung darauf basierender Produkte und Legierungen verwendet.

Beim Legieren werden zusätzliche Elemente in die Schmelze eingebracht, die die mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften des Grundmaterials verbessern. Das Legieren ist ein allgemeines Konzept einer Reihe technologischer Verfahren, die in verschiedenen Phasen der Gewinnung von Metallmaterial durchgeführt werden, mit dem Ziel, die Qualität metallurgischer Produkte zu verbessern.

Einführung verschiedener Legierungselemente in Aluminium verändert seine Eigenschaften erheblich und verleiht ihm manchmal neue spezifische Eigenschaften.

Die Festigkeit von reinem Aluminium entspricht nicht den modernen industriellen Anforderungen, daher wird für die Herstellung von Produkten, die für die Industrie bestimmt sind, nicht reines Aluminium, sondern seine Legierungen verwendet.

Bei unterschiedlicher Dotierung nehmen sie zu Festigkeit, Härte, Hitzebeständigkeit werden erworben und andere Eigenschaften. Gleichzeitig kommt es zu unerwünschten Veränderungen: Sie nimmt zwangsläufig ab elektrische Leitfähigkeit, in vielen Fällen schlimmer Korrosionsbeständigkeit, nimmt fast immer zu relative Dichte. Eine Ausnahme bildet das Legieren mit Mangan, das die Korrosionsbeständigkeit nicht nur nicht verringert, sondern sogar geringfügig erhöht, und Magnesium, das ebenfalls die Korrosionsbeständigkeit erhöht (wenn es nicht mehr als 3 % beträgt) und die relative Dichte verringert, da es leichter ist als Aluminium.

Aluminiumlegierungen

Aluminiumlegierungen werden je nach Herstellungsverfahren aus ihnen in zwei Gruppen eingeteilt:
1) verformbar (haben beim Erhitzen eine hohe Plastizität),
2) Gießerei (gute Fließfähigkeit).

Diese Unterteilung spiegelt die grundlegenden technologischen Eigenschaften von Legierungen wider. Um diese Eigenschaften zu erreichen, werden unterschiedliche Materialien in Aluminium eingebracht. Legierungselemente und in ungleichen Mengen.

Rohstoffe für die Herstellung von Legierungen beider Arten sind nicht nur technisch reines Aluminium, sondern auch Doppellegierungen aus Aluminium mit Silizium, die 10-13 % Si enthalten und sich in der Menge der Verunreinigungen Eisen, Kalzium geringfügig voneinander unterscheiden , Titan und Mangan. Der Gesamtgehalt an Verunreinigungen beträgt 0,5–1,7 %. Diese Legierungen werden Silumine genannt. Um Knetlegierungen zu erhalten, werden überwiegend lösliche Legierungselemente in Aluminium in Mengen eingebracht, die ihre Löslichkeitsgrenze bei hohen Temperaturen nicht überschreiten. Beim Erhitzen unter Druck müssen verformbare Legierungen eine homogene Mischkristallstruktur aufweisen, die die größte Duktilität und die geringste Festigkeit bietet. Dies bestimmt ihre gute Belastbarkeit.

Die Hauptlegierungselemente in verschiedenen Knetlegierungen sind Kupfer, Magnesium, Mangan und Zink; darüber hinaus werden auch Silizium, Eisen, Nickel und einige andere Elemente in relativ geringen Mengen eingeführt.

Duraluminium – Legierungen aus Aluminium und Kupfer

Typische aushärtbare Legierungen sind Duraluminium – Aluminium-Kupfer-Legierungen, die dauerhafte Verunreinigungen aus Silizium und Eisen enthalten und mit Magnesium und Mangan legiert werden können. Der darin enthaltene Kupfergehalt liegt im Bereich von 2,2–7 %.

Kupfer löst sich in Aluminium in einer Menge von 0,5 % bei Raumtemperatur und 5,7 % bei der eutektischen Temperatur von 548 °C.

Wärmebehandlung von Duraluminium besteht aus zwei Etappen. Es wird zunächst über die Grenzlöslichkeitslinie erhitzt (normalerweise auf etwa 500 °C). Bei dieser Temperatur ist seine Struktur eine homogene feste Lösung von Kupfer in Aluminium. Durch das Härten, d.h. Durch schnelles Abkühlen in Wasser wird diese Struktur bei Raumtemperatur fixiert. In diesem Fall wird die Lösung übersättigt. In diesem Zustand, d.h. Im ausgehärteten Zustand ist Duraluminium sehr weich und duktil.

Die Struktur von gehärtetem Duraluminium weist eine geringe Stabilität auf und selbst bei Raumtemperatur treten spontane Veränderungen auf. Diese Veränderungen laufen darauf hinaus, dass die Atome des überschüssigen Kupfers in der Lösung in einer Reihenfolge gruppiert sind, die der für Kristalle der chemischen Verbindung CuAl charakteristischen Reihenfolge ähnelt. Die chemische Verbindung ist noch nicht gebildet, geschweige denn von der festen Lösung getrennt, aber aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung der Atome im Kristallgitter der festen Lösung kommt es in ihr zu Verzerrungen, die zu einer deutlichen Erhöhung der Härte und Festigkeit mit führen eine gleichzeitige Abnahme der Duktilität der Legierung. Der Prozess der Änderung der Struktur einer gehärteten Legierung bei Raumtemperatur wird als bezeichnet natürliche Alterung.

Die natürliche Alterung erfolgt besonders intensiv in den ersten Stunden, ist jedoch nach 4-6 Tagen vollständig abgeschlossen und verleiht der Legierung ihre maximale Festigkeit. Wenn die Legierung auf 100-150 °C erhitzt wird, dann künstliche Alterung. In diesem Fall erfolgt der Prozess schnell, es kommt jedoch zu einer geringeren Aushärtung. Dies erklärt sich dadurch, dass bei einer höheren Temperatur die Diffusionsbewegungen der Kupferatome leichter ablaufen, sodass die CuAl-Phase vollständig gebildet und von der festen Lösung getrennt wird. Der verstärkende Effekt der resultierenden Phase ist geringer als der Effekt der Verformung des Kristallgitters, der während der natürlichen Alterung auftritt.

Ein Vergleich der Ergebnisse der Alterung von Duraluminium bei verschiedenen Temperaturen zeigt, dass die maximale Festigkeit bei einer natürlichen Alterung über vier Tage erreicht wird.

Aluminiumlegierungen mit Mangan und Magnesium

Unter den nicht aushärtenden Aluminiumlegierungen haben Legierungen auf Basis von Al-Mn und Al-Mg die größte Bedeutung erlangt.

Mangan und Magnesium, wie Kupfer, haben eine begrenzte Löslichkeit in Aluminium, die mit sinkender Temperatur abnimmt. Allerdings ist der Härtungseffekt bei der Wärmebehandlung gering. Dies wird wie folgt erklärt. Beim Kristallisationsprozess bei der Herstellung von Legierungen mit bis zu 1,9 % Mn müsste überschüssiges Mangan, das aus der festen Lösung freigesetzt wird, mit Aluminium eine darin lösliche chemische Verbindung Al (MnFe) bilden, die in Aluminium unlöslich ist. Folglich gewährleistet ein anschließendes Erhitzen über die Grenzlöslichkeitslinie nicht die Bildung einer homogenen festen Lösung; die Legierung bleibt heterogen, bestehend aus einer festen Lösung und Al (MnFe)-Partikeln, und dies führt dazu, dass ein Abschrecken und eine anschließende Alterung nicht möglich sind.

Beim Al-Mg-System ist der Grund für die mangelnde Härtung bei der Wärmebehandlung ein anderer. Bei einem Magnesiumgehalt von bis zu 1,4 % kann keine Aushärtung erfolgen, da es sich innerhalb dieser Grenzen bei Raumtemperatur im Aluminium löst und keine Ausfällung überschüssiger Phasen erfolgt. Bei einem höheren Magnesiumgehalt führt die Härtung mit anschließender chemischer Alterung zur Freisetzung einer überschüssigen Phase – der chemischen Verbindung MgAl.

Die Eigenschaften dieser Verbindung sind jedoch so, dass die ihrer Isolierung vorausgehenden Prozesse und die daraus resultierenden Einschlüsse keine spürbare verstärkende Wirkung haben. Dennoch ist die Einführung von sowohl Mangan als auch Magnesium in Aluminium von Vorteil. Sie erhöhen die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit (bei einem Magnesiumgehalt von nicht mehr als 3 %). Darüber hinaus sind Magnesiumlegierungen leichter als reines Aluminium.

Andere Legierungselemente

Um einige Eigenschaften von Aluminium zu verbessern, werden außerdem folgende Legierungselemente verwendet:

Beryllium wird hinzugefügt, um die Oxidation bei erhöhten Temperaturen zu reduzieren. Geringe Zusätze von Beryllium (0,01–0,05 %) werden in Aluminiumgusslegierungen verwendet, um die Fließfähigkeit bei der Herstellung von Teilen für Verbrennungsmotoren (Kolben und Zylinderköpfe) zu verbessern.

Bor wird zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und als Raffinationsadditiv eingesetzt. Bor wird in Aluminiumlegierungen eingebracht, die in der Kernenergie verwendet werden (mit Ausnahme von Reaktorteilen), weil Es absorbiert Neutronen und verhindert so die Ausbreitung der Strahlung. Bor wird in einer durchschnittlichen Menge von 0,095–0,1 % eingeführt.

Wismut. Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt wie Wismut, Blei, Zinn, Cadmium werden in Aluminiumlegierungen eingebracht, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern. Diese Elemente bilden weiche, schmelzbare Phasen, die zur Spansprödigkeit und zur Schmierung des Fräsers beitragen.

Gallium wird in einer Menge von 0,01 – 0,1 % den Legierungen zugesetzt, aus denen dann Abschmelzanoden hergestellt werden.

Eisen. Es wird in kleinen Mengen (>0,04 %) bei der Herstellung von Drähten eingesetzt, um die Festigkeit zu erhöhen und die Kriecheigenschaften zu verbessern. Eisen verringert auch die Haftung an den Wänden der Formen beim Gießen in einer Kokille.

Indium. Ein Zusatz von 0,05 - 0,2 % verfestigt Aluminiumlegierungen während der Alterung, insbesondere mit niedrigem Kupfergehalt. Indiumzusätze werden in Aluminium-Cadmium-Lagerlegierungen verwendet.

Cadmium. Um die Festigkeit zu erhöhen und die Korrosionseigenschaften der Legierungen zu verbessern, werden ca. 0,3 % Cadmium zugesetzt.

Calcium verleiht Plastizität. Bei einem Calciumgehalt von 5 % wirkt die Legierung superplastisch.

Silizium ist der am häufigsten verwendete Zusatzstoff in Gusslegierungen. In einer Menge von 0,5-4 % verringert es die Rissneigung. Die Kombination aus Silizium und Magnesium ermöglicht die Heißversiegelung der Legierung.

Zinn verbessert die Schneidleistung.

Titan. Die Hauptaufgabe von Titan in Legierungen besteht darin, das Korn in Gussstücken und Barren zu verfeinern, was die Festigkeit und Gleichmäßigkeit der Eigenschaften im gesamten Volumen deutlich erhöht.

Anwendung von Aluminiumlegierungen

Die meisten Aluminiumlegierungen weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit in der natürlichen Atmosphäre, im Meerwasser, in Lösungen vieler Salze und Chemikalien sowie in den meisten Lebensmitteln auf. Letztere Eigenschaft ermöglicht in Kombination mit der Tatsache, dass Aluminium keine Vitamine zerstört, eine breite Verwendung bei der Herstellung von Geschirr. Strukturen aus Aluminiumlegierungen werden häufig im Meerwasser verwendet. Aluminium wird im Bauwesen in großen Mengen in Form von Verkleidungsplatten, Türen, Fensterrahmen und Elektrokabeln verwendet. Aluminiumlegierungen unterliegen bei Kontakt mit Beton, Mörtel oder Putz über einen längeren Zeitraum keiner starken Korrosion, insbesondere wenn die Bauwerke nicht häufig nass sind. Auch Aluminium ist weit verbreitet im Maschinenbau, Weil hat gute körperliche Eigenschaften.

Aber der wichtigste Industriezweig, der ohne den Einsatz von Aluminium derzeit einfach nicht denkbar ist, ist natürlich die Luftfahrt. In der Luftfahrt wurden alle wichtigen Eigenschaften von Aluminium am besten genutzt