В наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки - в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

Алюминий с железом способен давать твердые растворы, интерметаллидные соединения (Fe 2 Al 4 -62,93 % Al; Fe 2 Al 5 - 54,71 % Al; FeAl 2 -49,13% Al; FeAl -32,57 % Al и др.) и эвтектику (Al + FeAl 3 , Т пл = 654 °С, содержание железа в металле 1,8%). Растворимость железа в твердом состоянии ограничивается 0,053 % при эвтектической температуре. Растворимость алюминия в железе порядка 32%, т. е. в 600 раз выше. При затвердевании в структуре сплавов алюминия и железа выпадают кристаллы соединения FeAl 5 (59,18 %).

Для условий сварки характерно появление FeAl 3 и Fe 2 Al 5 . Они обладают низким пределом временного сопротивления (15-17 МПа). Твердость Fe 2 Al 5 , FeAl 3 и FeAl 2 лежит в диапазоне μv = 9600-11500 МПа. С увеличением содержания железа и с повышением температуры твердость снижается. Для Fe 3 Al μv = 2700 МПа. Разупрочнение FeAl 3 и Fe 2 Al 5 начинается при температуре 0,45 Т пл. Для Fe 2 Al 5 характерно аномально высокое значение удельного электрического сопротивления.

Интерметаллиды химически стойки. Последующая термическая обработка соединений может привести только к росту протяженности зоны интерметаллидов. В соединении имеют место три характерных участка: железо (сталь)-интерметаллидная зона - алюминий (алюминиевый сплав). Механические свойства соединений зависят от промежуточной зоны - ее состава. количества интерметаллидов, их формы, протяженности, характера расположения и сплошности.

На алюминии образуется химически стойкая тугоплавкая окисная пленка (Аl 2 O 3 имеет T пл = 2047 °С), что при сварке плавлением может привести к дефекту в виде включений этой пленки в металл шва. Использование флюсов не дает положительных результатов: флюсы для сварки алюминия легкоплавки, жидкотекучи, плохо смачивают стали; флюсы для стали активно реагируют с расплавленным алюминием.

Характер диффузионных процессов при сварке в твердой фазе алюминия с железом и сталью на начальной стадии взаимодействия и в дальнейшем отличается. Показано, что в начальный период имеет место диффузия железа в алюминий. В результате в пограничной зоне образуется слой из смеси фаз FeAl 3 + Fe 2 Al 5 . В дальнейшем при температуре, соответствующей рекристаллизации стали, наблюдается интенсивная диффузия алюминия в сталь. Скорость этого процесса зависит от химического состава материала контактирующих заготовок и условий нагрева. Для твердофазного взаимодействия при определенных температурно-временных условиях сварки может отсутствовать сплошной фронт интерметаллидов.

Реакционная диффузия в системе алюминий - железо наблюдается при температуре >400 °С. Рост интерметаллидного слоя подчиняется параболическому закону: у 2 = 2k 1 τ, где k 1 - величина, пропорциональная коэффициенту диффузии алюминия через слой.

Легирование материалов алюминиевой заготовки Si, Мn и другими элементами, а стали - V, Ti, Si и Ni ведет к повышению энергии активации реакционной диффузии. Их влияние связано с затруднением образования зародышей в промежуточной фазе. Противоположное влияние оказывает С и Мn в стали. Повышенное содержание в определенных пределах в стали свободного кислорода и азота ведет к росту температуры начала образования интерметаллидов. Возникновение интерметаллидного слоя для каждой температуры начинается после некоторого критического времени, т. е. имеет место латентный период (τ 0), по прошествии которого идет интенсивное образование интерметаллидов. Его зависимость от температуры имеет вид

τ 0 = 6,0 10 -13 ехр (192,3/RT).

При ведении процесса в твердо-жидком состоянии (с расплавлением алюминия) со стороны железа (стали) образуется Fe 2 Al 5 , а со стороны алюминия - FeAl 3 .

При сварке хромоникелевых нержавеющих сталей с алюминиевыми сплавами интерметаллидная прослойка имеет более сложный характер и в ее образовании участвует Сr и Ni.

Биметаллическое соединение имеет удовлетворительные механические свойства лишь до образования сплошного слоя интерметаллидной фазы. Работоспособность соединения сохраняется при определенном температурно-временном воздействии. Верхний температурный порог для биметаллических изделий из рассматриваемого сочетания материалов составляет 500- 520 °С.

Основными путями получения работоспособного соединения алюминиевых сплавов со сталями являются следующие:

ограничение протяженности слоя интерметаллидных прослоек. Высокая прочность может быть получена при ширине зоны с 10 мкм;

легирование алюминия элементами, сдерживающими образование промежуточной фазы, прежде всего кремнием, а также применение стали с низким содержанием углерода и марганца, что позволяет поднять температуру образования интерметаллидов на 40-60 °С выше температуры рекристаллизации стали. Этот путь может быть с успехом использован при сварке в твердой фазе.

Различия в пластических свойствах и твердости позволяют успешно применять для рассматриваемого сочетания материалов клинно-прессовую сварку при изготовлении биметаллических стержней, трубчатых переходников и т. п. Температура нагрева стальной заготовки, имеющей в продольном сечении форму клина, до 500-600 °С. Предусматривают меры по защите стали от окисления. Высокие механические свойства соединения получаются при использовании покрытий из цинка на поверхности клина.

Диффузионная сварка ведется при температуре 425-495 °С (время до 10 мин, сварочное давление 210-310 Па). Поверхность заготовки из стали покрывается слоем Ni и W. Последний с алюминием способен образовывать эвтектику. При этом температура сварки должна быть ниже температуры образования эвтектики.

Ультразвуковая сварка позволяет получать нахлесточные, точечные и шовные соединения на тонких заготовках. Колебания подаются со стороны алюминия. Толщина алюминия ограничивается величиной порядка 1,0-1,25 мм.

Сварка трением позволяет получать высокого качества соединения, равнопрочные алюминиевому сплаву в отожженном состоянии. В процессе сварки температура в стыке быстро достигает своего максимума и затем стабилизируется. При сварке аустенитной стали 12Х18Н10Т с АД1 продолжительность латентного периода для температуры 660 °С, что близко к развиваемой в стыке, составляет 100-120 с. Продолжительность сварки ~ 10 с. Поэтому интерметаллидная фаза не успевает образоваться в сколько-нибудь значительных количествах. С другой стороны, непрерывно идущая осадка (главным образом за счет алюминия) способствует получению чистого от интерметаллидов шва (суммарная осадка ~14 мм).

При наличии в алюминиевом сплаве магния продолжительность латентного периода резко сокращается. Поэтому алюминиевые магниевосодержащие сплавы сваривают на режимах, обеспечивающих температуру в стыке не выше 500 °С.

Сварка взрывом таких материалов требует применения барьерного слоя, который наносится на стальную заготовку. Этим способом получают слоистые листы и ленты.

Широкое применение получила сварка прокаткой , которая позволяет регламентировать температуры нагрева зоны соединения. Таким способом в промышленных масштабах сваривается 12Х18Н10Т +АМг6; армко-железо +АМг5 и другие сочетания.

При сварке плавлением и сварко-пайке процессы зарождения и роста интерметаллидной прослойки идут значительно интенсивнее. При формировании соединения существенным является смачивание твердой стали алюминием. Для улучшения смачивания и тем самым сокращения времени контакта расплава со сталью прибегают к легированию шва и нанесению покрытий на поверхность стальной заготовки (цинковое, цинко-никелевое - как наиболее технологичное и недорогое). После смачивания идет процесс растворения железа в жидком алюминии. Установлено, что образующаяся в процессе растворения фаза Fe 2 Al 5 может переходить в расплав в виде кристаллов и растворяться. Причем скорость роста промежуточного слоя больше скорости растворения, что делает невозможным получение соединения без интерметаллидных прослоек. Снижения отрицательного действия этого фактора можно добиться увеличением объема расплава алюминия (предварительная разделка кромки), оптимизацией режима с целью ограничения температуры расплава, легированием ванны через присадочный материал элементами, влияющими на скорость роста и состав интерметаллидной прослойки. Введение в шов Si (4-5%), Zn (6,5-7%), Ni (3-3,5%) позволяет уменьшить толщину интерметаллидного слоя и получать соединения с прочностью на уровне 300-320 МПа.

С учетом отмеченных особенностей в практике нашли применение два варианта технологии соединений методами плавления алюминия со сталью: 1) сварка-пайка с предварительным нанесением на стальную кромку покрытия с использованием аргонодуговых аппаратов с неплавящимся электродом и 2) автоматическая дуговая сварка плавящимся электродом по слою флюса АН-А1. Покрытия (цинковые, алюминиевые) имеют толщину 30-40 мкм и наносятся гальваническим способом или алитированием. При сварке необходимо вести дугу по кромке алюминиевого листа на расстоянии 1-2 мкм от линии стыка и соблюдать определенную скорость (при малых скоростях наблюдается перегрев и выгорание покрытий, при больших - несплавления).

При сварке под флюсом роль флюса сводится к улучшению смачиваемости и торможению образования интерметаллидов. Необходимо не допускать прямого воздействия дуги на кромку стали, а разделку кромки на стали делать возможно ближе к очертанию профиля ванны. Таким способом сваривают толщины 15-30 мм.

ВВЕДЕНИЕ

Среди металлов алюминий по распространенности в природе занимает первое место, по практическому использованию – второе (после железа). Алюминий – химический элемент, находящийся в третьей группе периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер алюминия 13, атомная масса 26,98, температура плавления 660 °С, плотность 2,7 г/см 3 , полиморфных превращений не имеет, обладает решеткой гранецентрированного куба с периодом а = 0,4041 нм.

Алюминий отличается от других металлов малой плотностью, высокими пластическими и коррозионностойкими свойствами, высокими тепло- и электропроводимостью, а также отражательной способностью.

Благодаря таким свойствам алюминий находит применение почти во всех отраслях промышленности – авиационной, строительной, химической и т.д.

Алюминий - коррозионностойкий металл. Образующаяся на его поверхности плотная пленка оксида А1 2 О 3 обладает очень хорошим сцеплением с металлом, малопроницаема для всех газов и предохраняет алюминий от дальнейшего окисления и коррозии в атмосферных условиях, воде и других средах. Алюминий стоек в концентрированной азотной кислоте и некоторых органических кислотах (лимонной, уксусной и др.). Минеральные кислоты (соляная, плавиковая) и щелочи разрушают оксидную пленку.

Постоянные примеси (Fe, Si, Ti, Mn, Cu Zn, Cr) понижают физико-химические характеристики и пластичность алюминия. В зависимости от содержания примесей различают марки первичного алюминия А999, А995, А99, А97, А95.

Железо и кремний являются основными неизбежными примесями, попадающими в алюминий при его производстве Их присутствие отрицательно сказывается на свойствах алюминия. Железо практически нерастворимо в алюминии, поэтому даже при самом малом его содержании образуется хрупкое химическое соединение FeAl 3 . Кристаллизуясь в виде игл служащих надрезами в металле, оно снижает пластические свойства алюминия. Железо уменьшает коррозионную стойкость алюминия вследствие большой разницы электрохимических потенциалов фаз А1 и FeAlg, возникновения микрогальванических пар на границе этих фаз и развития межкристаллитной коррозии.

Кремний не образует с алюминием химических соединений и присутствует в сплавах алюминия в элементарном виде. Растворимость кремния в алюминии при комнатной температуре не превышает 0,05 %. Уже при незначительных количествах кремния в структуре алюминия образуются включения эвтектики Al -f Si. Кристаллики кремния по свойствам близки к химическим соединениям, обладают высокой твердостью (НВ 800) и хрупкостью. Основное отрицательное влияние примеси кремния выражается в ухудшении литейных свойств технического алюминия. Кремний резко снижает температуру солидуса, увеличивает интервал кристаллизации (At = t n -- -- t 0), а значит, уменьшает жидкотекучесть и увеличивает склонность сплава к трещинообразованию.

В промышленном алюминии одновременно присутствуют железо и кремний, поэтому его можно рассматривать как тройной сплав системы Al--Fe--Si. При этом в алюминии могут образовываться два тройных химических соединения: а (А1--Fe--Si) и J (A1--Fe--Si), которые практически нерастворимы в А1. Появление в структуре технического алюминия скелетообразной, крабовидной фазы а (А1--Fe--Si) и грубой пластинчатой фазы (3 (А1-- Fe--Si) резко изменяет его свойства.

В зависимости от содержания примесей алюминий разделяют на сорта: технический, высокой чистоты и особой чистоты.

В таблице 1 приведены некоторые марки, химический состав алюминия деформируемого (предназначенного для производства полуфабрикатов методом горячей или холодной деформации). На алюминий первичный, поставляемый в форме чушек, слитков распространяется стандарт ГОСТ 11069-74, примеры обозначения марок которого приведены в таблице 2. Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния. Увеличение содержания примесей и пластическая деформация повышают прочность и твердость алюминия (табл. 3).

Таблица 1

Алюминий деформируемый

Таблица 2

Алюминий первичный

Таблица 3

Механические свойства алюминия различной
чистоты в отожженном состоянии

Алюминий характеризуется высокими технологическими свойствами. Из него могут быть изготовлены любые полуфабрикаты различных габаритов. Благодаря высокой пластичности полуфабрикаты из алюминия легко можно подвергать деформации без существенных нагревов. Сварка может осуществляться практически всеми методами, включая сварку плавлением. Обрабатываемость резанием вследствие высокой вязкости у алюминия плохая.

Он используется в электротехнической промышленности и теплообменниках. Высокая отражательная способность алюминия используется для производства зеркал, мощных рефлекторов. Алюминий практически не взаимодействует с азотной кислотой, органическими кислотами и пищевыми продуктами. Из него изготавливается тара для транспортировки пищевых продуктов, домашняя утварь. Листовой алюминий широко применяется как упаковочный материал. Значительно выросло применение алюминия в строительстве и на транспорте.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Классификация алюминиевых сплавов

В зависимости от способа производства промышленные алюминиевые сплавы делятся на спеченные, литейные и деформируемые (рис. 1).

Литейные сплавы претерпевают эвтектическое превращение, а деформируемые – нет. Последние в свою очередь бывают термически неупрочняемыми (сплавы в которых нет фазовых превращений в твердом состоянии) и деформируемые, термически упрочняемые (сплавы, упрочняемые закалкой и старением).

Алюминиевые сплавы обычно легируют Сu, Mg, Si, Мn, Zn, реже Li, Ni, Ti.

2. Деформируемые алюминиевые сплавы, неупрочняемые термической обработкой

К этой группе сплавов относятся технический алюминий и термически неупрочняемые свариваемые коррозионностойкие сплавы (сплавы алюминия с марганцем и магнием). Сплавы АМц относятся к системе Аl – Мn (рис. 2).

Рис. 1. Диаграмма состояний “алюминий – легирующий элемент”:

1–деформируемые, термически неупрочняемые сплавы;
2–деформируемые, термически упрочняемые сплавы.

Рис. 2. Диаграмма состояния “алюминий – марганец”:

Рис. 3. Микроструктура сплава АМц

Рис. 6. Микроструктура дюралюмина после:

а) закалки в воде с температуры Т 2 ;
б) закалки и искусственного старения при Т 3 (справа – схематическое изображение)

Структура сплава АМц состоит из a -твердого раствора марганца в алюминии и вторичных выделений фазы MnAl 6 (рис. 3). В присутствии железа вместо MnAl 6 образуется сложная фаза (MnFe)Al 6 , практически нерастворимая в алюминии, поэтому сплав АМц и не упрочняется термической обработкой.

Состав данных сплавов имеет очень узкие пределы: 1 – 1,7 %Мп; 0,05 – 0,20 %Cu; медь добавляют в целях уменьшения питтинговой коррозии.

Допускается до 0,6 – 0,7 %Fe и 0,6 – 0,7 %Si, что приводит к некоторому упрочнению сплавов без существенной потери сопротивления коррозии.

При понижении температуры прочность быстро растет. Поэтому сплавы этой группы нашли широкое применение в криогенной технике.

Сплавы АМг (магналий) относятся к системе А1 – Mg (рис. 4). Магний образует с алюминием a -твердый раствор и в области концентраций от 1,4 до 17,4 %Mg происходит выделение вторичной b -фазы (MgAl), но сплавы содержащие до 7 %Mg, дают очень незначительное упрочнение при термической обработке, поэтому их упрочняют пластической деформацией – нагартовкой.

Сплав на основе железа и алюминия содержит следующие компоненты, ат.%: алюминий 12-18; хром 0,1-10; ниобий 0,1-2,0; кремний 0,1-2,0; бор 0,1-5; титан 0,01-2,0, а также мг/кг: углерод 100-500; цирконий 50-200; железо - остальное. Техническим эффектом изобретения является повышение механических свойств при температурах свыше 700 o С и значительное улучшение свариваемости. 1 з.п.ф-лы, 3 табл.,1 ил.

Сплавы железа с алюминием могут применяться в термически сильно нагруженных и подверженных окисляющим и/или корродирующим воздействиям деталях термических машин. Там во все возрастающей мере они должны заменить специальные стали, а также суперсплавы на основе никеля. В литературной статье "Acceptable Aluminium Additions for Minimal Environmental Effect in Iron - Aluminium Alloys", Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 288, s. 971-976, В.К. Сикка и другие описывают сплав железа с алюминием с содержанием около 16 вес.% алюминия и около 5 вес.% хрома, который при необходимости содержит около 0,1 вес.% углерода, и/или циркония, и/или 1 вес.% молибдена. Известный сплав имеет при комнатной температуре по сравнению со сплавами железа с алюминием с содержанием алюминия от 22 до 28 вес.% значительно более высокую пластичность. При температуре 700 o C предел прочности при растяжении этого сплава с механическим напряжением около 100 МПа относительно невелик. Поэтому изготовленные из сплава детали не следовало бы применять при температурах выше 700 o C. В основе изобретения, как это указано в пункте 1 формулы изобретения, лежит задача разработки сплава железа с алюминием, который отличается хорошими механическими свойствами при температурах свыше 700 o C. Задачей изобретения является также надлежащее применение этого сплава. Сплав в соответствии с изобретением даже при температурах от 700 до 800 o C еще обладает механическими свойствами, которые позволяют использовать его в механически незначительно нагруженных деталях. Наряду с этим сплав в соответствии с изобретением отличается отличной стойкостью при тепловых ударах и поэтому с особым преимуществом может использоваться в подверженных нагрузкам с изменением температуры деталях тепловых установок, как, в частности, в качестве корпуса или части корпуса газовой турбины или турбонагнетателя или в качестве соплового кольца, в частности, для турбонагнетателя. Помимо этого сплав можно получать с очень небольшими затратами с помощью литья или литья и прокатки. Другое преимущество сплава в соответствии с изобретением заключается в том, что его компоненты содержат исключительно металлы, которые можно приобрести сравнительно недорого и независимо от стратегического и политического влияния. На чертеже представлена диаграмма, на которой показан предел прочности при растяжении UTS (МПа) сплава I в соответствии с изобретением и сплава II в соответствии с уровнем техники в зависимости от температуры T (o C). В табл. 1 приведен состав сплава I (в соответствии с предпочтительным примером выполнения изобретения). В табл. 2 приведен состав сплава II (в соответствии с уровнем техники). Сплав I выплавляется в электродуговой печи в присутствии аргона в качестве защитного газа. В качестве исходных материалов служили отельные элементы со степенью чистоты выше 99%. Расплав отливался в виде отливки диаметром около 100 мм и высотой около 100 мм. Отливка вновь расплавлялась в вакууме и также в вакууме отливалась в форме цилиндрических стержней диаметром около 12 мм и длиной около 70 мм, в форме каротелей с минимальным диаметром около 10 мм, с максимальным диаметром около 16 мм и длиной около 65 мм или в форме дискообразных пластин диаметром 80 мм, толщиной до 14 мм и радиусом у кромки пластины около 1 мм. В ходе последующей технологической операции в дискообразных пластинах вдоль их оси выполнялось соответственно отверстие диаметром 19,5 мм. Из цилиндрических стержней и каротелей были изготовлены испытуемые образцы для испытаний на растяжение. Пластины предназначены для определения стойкости при тепловых ударах. В соответствии с выбранными размерами испытуемые образцы для определения механической прочности и стойкости при тепловых ударах были изготовлены из имеющегося в продаже и используемого в большом объеме в качестве материала для корпуса газовых турбин сплава II и родственного сплава с меньшим содержанием на 25% кремния и с меньшим содержанием на 40% молибдена. Испытания на растяжение проводились в зависимости от температуры. В результате для сплава I в соответствии с изобретением был получен предел прочности при растяжении, который при температуре 800 o C с механическим напряжением около 100 МПа был значительно выше, чем предел прочности при растяжении сплава II в соответствии с уровнем техники. Соответствующее относится также и к не показанному на диаграмме сплаву в соответствии с уровнем техники с уменьшенным содержанием кремния и молибдена. С помощью дискообразных пластин определялась стойкость от тепловых ударов по Гленни. По две пластины каждого сплава циклически нагревались соответственно в псевдоожиженном слое до температуры 650 o C и затем охлаждались с помощью сжатого воздуха до температуры 200 o C. После определенного количества таких циклов нагревания и охлаждения затем было подсчитано количество возможно образующихся на кромке пластин трещин длиной более 2 мм. В табл. 3 указано суммированное количество появившихся на обеих пластинах трещин в зависимости от количества циклов для сплава I в соответствии с изобретением, а также для обоих сплавов в соответствии с уровнем техники. Из этого видно, что при использовании в качестве материала для корпусов газовых турбин сплавов в соответствии с уровнем техники уже после 240 циклов появляются нежелательные трещины, в то время как сплав в соответствии с изобретением даже после 740 циклов еще не имеет трещин. Сплав в соответствии с изобретением превосходит используемые сплавы в соответствии с уровнем техники не только относительно механической прочности при температурах выше 700 o C, но и с точки зрения стойкости при тепловых ударах. Поэтому сплав в соответствии с изобретением может использоваться с большим преимуществом в качестве материала для деталей тепловых установок, которые при температурах от 700 до 800 o C обладают еще сравнительно высокой механической прочностью и которые, как корпус газовых турбин, подвержены воздействию нагрузок при изменении температур. Изготовленный в соответствии с изобретением сплав имеет хорошие прочностные свойства при температурах от 700 до 800 o C и большую стойкость при тепловых ударах тогда, когда содержание алюминия составляет минимум 12 и максимум 18 вес. %. Если содержание алюминия уменьшается ниже 12 вес.%, то ухудшается неокисляемость, коррозинностойкость и стойкость при тепловых ударах сплава в соответствии с изобретением. Если содержание алюминия более 18 вес.%, то сплав приобретает все более хрупкие свойства. Благодаря добавлению легирующей присадки хрома от 0,1 до 10 вес.% хрома повышается стойкость при тепловых ударах, улучшается неокисляемость и коррозинностойкость. Одновременно с помощью хрома улучшается пластичность. Однако добавление хрома более 10 вес.% вновь ухудшает механические свойства. Путем добавления легирующей присадки ниобия от 0,1 до 2 вес.% повышается твердость и прочность сплава в соответствии с изобретением. Наряду с ниобием или вместо него в качестве легирующей присадки можно добавлять также от 0,1 до 2 вес.% вольфрама и/или тантала. Содержание кремния от 0,1 до 2 вес.% кремния улучшает литейные свойства сплава в соответствии с изобретением и благоприятно сказывается на неокисляемости и коррозионностойкости. Кроме того, кремний повышает твердость. Благодаря добавлению легирующих присадок бора от 0,1 до 5 вес.% и титана от 0,01 до 2 вес.% значительно повышается стойкость при тепловых ударах, неокисляемость и коррозионностойкость сплава в соответствии с изобретением. Это обусловлено прежде всего тем, что в этом случае в сплаве образуется тонкодисперсный диборид титана TiB 2 . При высоких температурах и при вызывающих окисление и/или коррозию условиях на поверхности сплава в соответствии с изобретением образуется содержащий в основном окислы алюминия защитный слой. Фаза диборида титана способствует значительной стабилизации этого защитного слоя, так как фаза диборида титана в виде игольчатых кристаллитов проникает из сплава в защитный слой и в результате этого способствует особенно хорошему сцеплению защитного слоя с находящимся под ним сплавом. Содержание бора не должно составлять более 5 вес.%, а содержание титана должно быть не более 2 вес. %, так как в ином случае образуется слишком много диборида титана и сплав приобретает хрупкие свойства. Если содержание бора менее 0,1 вес.% и титана менее 0,01 вес.%, то значительно ухудшаются стойкость при тепловых ударах, неокисляемость и коррозионностойкость сплава в соответствии с изобретением. Незначительное повышение механической прочности и одновременно значительное улучшение свариваемости достигается благодаря добавлению легирующих присадок: от 100 до 500 мг/кг углерода и от 50 до 200 мг/кг циркония. Особенно хорошие показатели механической прочности и стойкости при тепловых ударах имеют сплавы следующего состава: от 14 до 16 вес.% алюминия, от 0,5 до 1,5 вес.% ниобия, от 4 до 6 вес.% хрома, от 0,5 до 1,5 вес.% кремния, от 3 до 4 вес.% бора, от 1 до 2 вес.% титана, около 300 мг/кг углерода, около 100 мг/кг циркония, остальное - железо.

Формула изобретения

1. Сплав на основе железа и алюминия, содержащий хром, ниобий, кремний и бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, углерод и цирконий при следующем соотношении компонентов, ат.%: Алюминий - 12 - 18 Хром - 0,1 - 10,0 Ниобий - 0,1 - 2,0 Кремний - 0,1 - 2,0 Бор - 0,1 - 5,0 Титан - 0,01 - 2,0 а также, мг/кг: Углерод - 100 - 500
Цирконий - 50 - 200
Железо - Остальное
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, ат.%:
Алюминий - 14 - 16
Хром - 4 - 6
Ниобий - 0,5 - 1,5
Кремний - 0,5 - 1,5
Бор - 3 - 4
Титан - 1 - 2
а также, мг/кг:
Углерод - Около 300
Цирконий - Около 100
Железо - Остальноел

Nature опубликовала научную статью, в которой описано создание материала по свойствам похожего на титан, однако гораздо более дешевого.

Титан важен там где необходим небольшой вес и высокая прочность, например в самолетостроении. Однако его существенным недостатком является относительно высокая стоимость.

Алюминий имеет практически такую же массу и в несколько раз дешевле, однако не отличается прочностью. Сталь еще дешевле, и практически такая же крепкая как титан, однако в несколько раз тяжелее.

Для этого требуется железо и углерод, материалы, необходимые для создания стали, алюминий, марганец и никель.

Ключевым является создание в полученном материале интерметаллидов . Это химическое соединение нескольких металлов с фиксированным количеством атомов от каждого из них. В данном случае из никеля и алюминия получают интерметаллид B2, то есть в нем равное количество атомов от обоих металлов.

B2 кристаллы получаются всего пару нанометров толщиной и проникают в структуру стали, придавая ей прочность титана.

Одна из крупнейших компаний по производству стали POSCO уже обратила внимание на исследование и планирует тестовое производство материала в коммерческих масштабах в этом году. Если эксперимент завершится удачно, возможно совсем скоро автомобили будут гораздо более легкими и соответственно более эффективными.

По данным Хансу Ким, с 1995 по 2011 год доля стали в автомобилях в среднем снизилась с 68% до 61%.

На сегодняшний день практическое применение нашли почти все известные человеку металлы и их сплавы. У каждого из них есть свои специфические особенности, которые и определяют сферу их использования в тех или иных отраслях промышленности. Наибольшее распространение получили железо и всевозможные соединения на его основе, а также алюминий и его сплавы. Это можно объяснить, прежде всего, большими природными запасами, а также прекрасными химическими, физическими и механическими характеристиками.

Немного истории

Согласно древней легенде, описанной в трактате «Естественная история» Гая Плиния Старшего, составленной примерно в 77 году н.э., однажды к императору Рима Тиберию подошел незнакомый мастер и сделал ему подарок в виде чаши из серебристого и очень легкого металла. Когда Тиберий спросил его, из чего он ее сделал, тот ответил, что из глины. Удивившись, император приказал умертвить невинного ремесленника и уничтожить его мастерскую, чтобы это изобретение не привело к обесцениванию металлов римской казны. Жаль, что он в то время не смог оценить все перспективы открытия, ведь алюминий и его сплавы в будущем совершили прямо-таки настоящий прорыв.

Почему алюминий и его сплавы так популярны?

Содержание алюминия в земной коре составляет примерно 8,8%, и потому он лидирует в перечне наиболее распространенных металлов. В число его достоинств входит малая плотность (2,7 г/см3), прекрасная коррозийная стойкость, технологичность, хорошая электро- и теплопроводность, довольно высокие прочностные характеристики. Алюминий и его сплавы широко используются в авиации, судостроении, железнодорожном транспорте, автомобилестроении, строительстве, химической и и т.д. характеризуются высокой скоростью обработки. Все это дает отличную возможность применять их почти в любом виде производства.

Основные сплавы на основе алюминия

Соединяя алюминий с легирующими добавками, можно добиться большей прочности и улучшить прочие свойства этого металла. В качестве добавок чаще всего медь, марганец, цинк и магний. Рассмотрим основные сплавы.

или просто дюраль)

Название этого соединения произошло от слова Дюрен - именно так назывался немецкий город, в котором в 1911г. начали производить этот сплав в промышленных масштабах. Получают его добавлением к алюминию меди (2,2 - 5,2 %), магния (0,2 - 2,7%) и марганца (0,2 - 0,1%). После термообработки металл становится очень прочным (статическая прочность достигает 450-500 МПа). Для того чтобы повысить антикоррозийную стойкость, его нередко плакируют алюминием. Используют в качестве в транспортном и авиационном машиностроении.

Магналии

Это различные сплавы алюминия с магнием и прочими элементами (содержание магния - 1-13%). Для них характерна высокая пластичность, хорошая свариваемость и коррозийная стойкость. Используются для изготовления фасонных отливок, проволоки, листов, заклепок и т.д.

Силумин

Это соединение получают, соединяя алюминий с кремнием (содержание кремния - 4-13%). Порой в него добавляют и другие добавки: Be, Ti, Zn, Mg, Mn, Cu. Данный сплав применяется для производства деталей сложной конструкции, в основном в авиа- и автостроении.

Алюминий и его сплавы еще долго будут служить на благо человечества. Доказательство тому новое изобретение - пеноалюминий или, как его еще называют, «металлический поролон». Многие эксперты считают, что у пористого алюминия есть отличные перспективы.