Кузьмин Б.А. и др. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

301

сокий уровень, а в образовавшуюся полость затекает анодная масса и коксуется

в ней.

На получение 1 т первичного алюминия электролизом расходуется при-

мерно 16000 кВт-ч электроэнергии и почти 2 т глинозема.

Извлеченный из электролизеров алюминий часто подвергают 10-15-

минутному хлорированию при температуре 750° С в ковше для удаления глав-

ным образом неметаллических включений (частичек угля, глинозема, фтори-

стых солей и т. д.) и после этого металл направляют в большие электропечи со-

противления, из которых проводится его полунепрерывная или непрерывная

разливка в калиброванные заготовки для производства труб, проволоки и листа

(рис. 159). Эти же печи применяются для получения многих сплавов на алюми-

ниевой основе

По ГОСТ 11069-74 первичный алюминий делится на три группы: алюми-

ний особой чистоты, высокой чистоты и технической чистоты (табл. 20). В

электролизных ваннах получают алюминий технической чистоты. Для получе-

ния алюминия более высоких марок требуется его дополнительное рафиниро-

вание.

302

Т а б л и ц а 20

Химический состав (%) и марки первичного алюминия

(марки по ГОСТ 11•069-74)

Химический состав

Марки

алюми-

ний, не

менее

примеси, не более

Цветная маркировка

алю-

миния

железо

крем-

нии

медь

цинк

титан

в с е

го

Алюминий особой чистоты

А99Э

99,999

0,001

Алюминий высокой

чистоты

А9Э5

А99

А97

А95

99,995

99,99

99,97

99,95

0,0015

0,003

0,015 '

0,030

0,0015

0,003

0,015

0,030

0,001

0,003

0,005

0,015

0,001

0,003

0,005

0,001

0,002

0,005

0,010

0,03

0,05

Одна зеленая полоса

продольная, одна

поперечная

Две зеленые полосы

продольные, одна

поперечная

Три зеленые полосы

продольные, одна

поперечная

Четыре зеленые по-

лосы продольные,

одна поперечная

Алюминий технической чистоты

А85

А7

А7Е

А6

А5

А5Е

99,85

99,80

99,70

9Э,70

99,60

99,50

99,00

0,08

0,12

0,16

0,20

0,25

0,30

0,18-0,35

0,50

0,06

0,10

0,16

0,08

0,20

0,30

0,12

0,50

0,01

0,02

0,04

0,06

0,04

0,08

0,01

0,02

0,01•

0,03

0,01

0,03

0,15

0,20

0,30

0,40

0,50

1,00

Одна голубая полоса

Две голубые полосы

Одна белая полоса

Три белые полосы

Две белые полосы

Одна красная полоса

Одна желтая полоса

Две красные полосы

303

§ 5. Рафинирование алюминия

Наиболее часто применяют электролитическое рафинирование трехслой-

ным методом, подробно изученным советскими учеными А.И. Беляевым, В.М.

Гуськовым и другими. Рафинирование алюминия осуществ-ляется в расплав-

ленной среде. Анодом является сплав загрязненного алюминия с тяжелым ме-

таллом, к которому через подовые угольные блоки 1 подводится ток большой

силы (рис. 160), катодом - чистый рафинированный металл, отрицательный по-

люс к которому подводится с помощью подвесных графитовых катодов 5.

Между анодным сплавом и катодом расположен электролит, состоящий

из безводных фтористых и хлористых солей. Плотность электролита при тем-

304

пературе процесса должна быть больше, чем плотность чистого алюминия, но

меньше, чем плотность анодного сплава.

В качестве электролита обычно применяют смесь ВаС1

(60%), A1F

(23%) и NaF (17%), имеющую плотность в условиях процесса 2,7 (плотность

чистого алюминия в этих условиях 2,3). В качестве утяжелителя для анодного

сплава наиболее удобно применять медь, которую обычно вводят в количестве

25%, что вполне предохраняет анодный сплав от всплывания со дна электроли-

зера (плотность 3,0-3,5).

Сущность процесса электролитического рафинирования по трехслойному

методу сводится к следующему. Если на дно электролитической ванны (рис.

160) поместить расплавленный анодный сплав из алюминия-сырца и меди, а

над ним электролит указанного выше состава и через них пропускать постоян-

ный электрический ток, то через некоторое время на катоде начнется выделение

чистого алюминия. По мере хода процесса содержание алюминия в анодном

сплаве постепенно уменьшается, а количество чистого алюминия на катоде

увеличивается.

Этот процесс теоретически аналогичен электролитическому ра-

финированию меди и отличается от него тем, что протекает не в водном рас-

творе, а в расплавленных солях и не с твердыми, а с жидкими электродами.

Суммарно процесс можно представить следующими двумя уравнениями: на

аноде [А1

] - 3е А1

, т.е. образуются ионы алюминия и переходят в элек-

тролит; на катоде А1

+ 3е [A1

Более электроположительные, чем алюминий, примеси не могут перейти

из анода в электролит до тех пор, пока в анодном сплаве имеется значительное

количество алюминия. Примеси более электроотрицательные, чем алюминий,

переходят из анода в электролит, но не могут выделяться на катоде до тех пор,

пока концентрация ионов алюминия в электролите имеет значительную вели-

чину, так как потенциал выделения этих примесей выше, чем у алюминия.

305

По мере хода процесса в анодный сплав периодически добавляют алюми-

ний-сырец через специальный «карман», а накапливающийся на катоде чистый

алюминий отчерпывают из ванны.

В анодном слое и электролите постепенно накапливаются примеси и при

значительном повышении их концентрации возникает опасность выделения

примесей на катоде. Во избежание загрязнения катодного алюминия часть

анодного сплава и электролита периодически меняют.

Высота слоя анодного сплава в ванне 200-250 мм, электролита - 120-150

мм. Рекомендуется всегда иметь на катоде слой металла толщиной около 100

мм. Во избежание окисления катодного металла его засыпают сверху тонким

слоем порошкообразного электролита. Процесс ведут при температуре 760-800°

С. Напряжение на ванне выдерживают в пределах 6-7 В. При этом может быть

получен алюминий чистотой до 99,99 %.

Рафинирование по этому методу обходится очень дорого и поэтому при-

меняется в ограниченных масштабах.

Алюминий, полученный после электролитического рафинирования,

обычно соответствует маркам высокой чистоты по ГОСТ 11069-74 (см. табл.

20).

Рафинирование алюминия можно проводить и другими способами. Неко-

торые заводы вторичного алюминия применяют, например, магниевый способ

рафинирования. Начал применяться для очистки алюминия и метод дистилля-

ции через субфторид алюминия.

Для получения алюминия особой чистоты широкое применение получил

метод зонной перекристаллизации, в основе которой лежит

не одинаковое распределение примесей алюминия (или другого рафини-

руемого металла) между жидкой и твердой фазой при частичном расплавлении.

Так, при рафинировании алюминия преимущественно переходят в жидкую фа-

зу такие примеси, как Be, Са, Со, Сu, Li, Mg, Mn, Ni, Sb, Si, Sn, Zn, Cd, Ba, Pb,

306

Na, К, поэтому примеси этой первой группы при частичном расплавлении пе-

реходят в основном в расплавленную часть металла.

Но в алюминии есть примеси, например Сr, Mo, Ti, V, W, которые можно

отнести ко второй группе; они преимущественно остаются в твердой, не рас-

плавляющейся части слитка.

Процесс зонной перекристаллизации алюминия практически ведут сле-

дующим образом. Слиток алюминия высокой чистоты (А99, А995), очищенный

от пленки окислов травлением, помещают в графитовую лодочку и затем в

кварцевую трубку, внутри которой создается вакуум (остаточное давление не

выше 0,1 Па (10

-4

-10

-5

мм рт. ст.).

Снаружи вдоль трубки медленно (1 см в мину-

ту) передвигают узкий нагреватель (обычно кольцо

высокочастотного индуктора), с помощью которого

создается узкая расплавленная зона слитка (25-30

мм). Зонная переплавка показана на рис. 161. Если в

алюминии есть примеси и первой и второй группы,

то наиболее чистой получается средняя часть слит-

ка, подвергнутого зонной переплавке. Если в алюминии нет примесей второй

группы, более чистой получается та часть слитка, с которой начиналась зонная

переплавка. Обычно зонную переплавку повторяют в одном направлении под-

ряд 10-15 раз, после чего можно получить металл особой чистоты (до 99,9999%

Аl).

§ 6. Строение и свойства алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы в СССР принято делить на две группы: первая-

сплавы, деформируемые обработкой, и вторая - литейные сплавы. Иногда пер-

вую группу делят на две подгруппы: сплавы, не упрочняемые термообработкой,

и сплавы, упрочняемые термообработкой.

307

Деформируемые обработкой алюминиевые сплавы, не упрочняемые тер-

мической обработкой, характеризуются невысокой прочностью, но хорошей

пластичностью (до 40%). К ним относятся сплавы алюминия с марганцем и

магнием, содержащие его до 6%. Из этих сплавов широко применяются сплав

АМц, содержащий 1,0-1,6% Мn, и сплавы АМг, АМг5, содержащие соответст-

венно 2,0-2,8 Mg, 0,2-0,4 Мn и 4,0-5,5 Mg, 0,3-0,6 Мn. Эти сплавы почти всегда

однофазные, имеющие структуру твердого раствора (рис. 162). Они хорошо

свариваются, устойчивы против коррозии и применяются для мало нагружен-

ных деталей, изготовляемых холодной штамповкой с глубокой вытяжкой, и для

свариваемых конструкций. Упрочнение этих сплавов возможно только путем

холодной деформации, так как упрочнение термической обработкой не удается.

Из группы деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термо-

обработкой, наиболее известны дюралюмины, авиаль. Эти современные сплавы

имеют в своем составе по три-четыре, а чаще и больше составляющих. Их спо-

собность упрочняться термообработкой показана на двойной диаграмме А1-Сu

(рис. 163), так как почти во всех сплавах этой группы обычно присутствует

медь. Медь образует с алюминием твердый раствор с предельной раствори-

мостью 5,6% при температуре 548° С.

308

С понижением температуры растворимость меди в алюминии быстро

уменьшается. Сплавы, содержащие несколько десятых долей меди, обычно

имеют однофазную структуру твердого раствора меди в алюминии. Но так как

при высоком содержании меди образуется химическое соединение СиА1

(см.

диаграмму на рис. 163), то при содержании меди в сплаве более 0,5%, при низ-

кой температуре, он имеет двухфазную структуру твердого раствора и СuАl

Если двухфазный сплав, содержащий до 5,6% меди, нагреть до 500-540°

С, то частицы CuAl

растворятся в алюминии и сплав приобретет однофазную

структуру твердого раствора. Быстрое охлаждение такого сплава (закалка) не

дает возможности выделиться фазе СuА1

из твердого раствора, что позволяет

получить упрочнение сплава. Наибольший эффект упрочнения получается, если

происходит выделение некоторой промежуточной фазы, связанной с началом

перегруппировки атомов в кристаллической решетке. Это удается достичь при

низком отпуске при температуре 100-120

С; более высокий отпуск приводит к

размягчению сплава и выделению фазы СuА1

Дюралюмины - сплавы на основе А1 - Сu - Mg, в которые дополнительно

вводится Мn для повышения коррозионной стойкости сплава. Наиболее извест-

ны у нас сплавы Д1, Д18 и Д16; их состав и свойства приведены в табл. 21.

Т а б л и ц а 21

Химический состав (%) и основное назначение алюминиевых сплавов

(ГОСТ 4784-74 и 2685-75)

Марка

сплава

Медь

Магний

Марга-

нец

Кремний и

другие добав-

ки

Основное назначение

сплавов

АМц

1,0-1,6

Листы, ленты, угол-

ки

АМгЗ

3,2-3,8

0,3-0,6

0,5-0,8

и другие прока-

танные

Д1

3,8-4,8

0,4-0,8

Не более 0,7

профили

Д18

2,2-3,0

0,2-0,5

> 0,5

То же

Д16

3,8-4,9

1,2-1,8

0,3-0,9

> 0,5

309

АК6

1,8-2,6

0,4-0,8

0,7-1,2

Сплавы для поковок

АК8

3,9-4,8

0,4-0,8

0,4-1,0

0,6-1,2

штамповки

АЛ-2

10,0-13,0

Литейные сплавы

АЛ-4

0,17-0,3

0,2-0,5

8,0-10,5

То же

АЛ-5

1,0-1,5

0,35-0,6

4,5-5,5

АМг6

5,8-6,8

0,5- 0,8

TiO,02-0,10

Ве0,0002-0,005

Обработка давлением

Вредной примесью для дюралюминов является железо; его содержание не

должно превышать 0,5-0,6%, так как оно образует соединение с медью

(Cu

AlFe), нерастворимое в алюминии, связывающее медь и снижающее эф-

фект упрочнения при старении. Кроме того, присутствие железа снижает проч-

ность и пластичность дюралюминия.

Дюралюминий хорошо деформируется и в горячем, и в холодном состоя-

нии; для его упрочнения обычно применяют закалку в воде и естественное ста-

рение. Наибольшее упрочнение достигается в течение первых суток после за-

калки и практически заканчивается в течение пяти суток.

Для защиты дюралюминиевых листов и других его прокатанных изделий

от коррозии, которая даже при добавке марганца остается значительной, широ-

ко применяют его плакирование чистым алюминием. Плакирование проводят

совместной горячей прокаткой слитка дюралюминия, обложенного листами

(толщиной до 6 мм) чистого алюминия марок А8 и А85.

Сплавы авиаль уступают дюралюминию в прочности, но более пластичны

как в горячем, так и в холодном состоянии и поэтому используются для легких

конструкций, требующих гибких и других деформаций при монтаже.

Наиболее прочными алюминиевыми сплавами являются сплавы типа В95,

содержащие 6% Zn, 2,3% Mg, 1,7% Сu, 0,4% Мn, 0,2% Сr. Но, применяя его,

следует иметь в виду, что он еще менее коррозионностоек, чем дюралюминий,

и не пригоден для работы при температурах выше 150° С, так как его прочно-

стные характеристики сильно понижаются при повышенной температуре.

310

Известно много других сложных деформируемых сплавов для ковки,

штамповки и работы при повышенных температурах: АК4, АК6, АК8, АК4-1.

Литейных алюминиевых сплавов очень много; их принято маркировать

двумя буквами АЛ (алюминиевый литейный).

В соответствии с ГОСТ 2685-75 их принято делить на пять групп.

Г р у п п а I - сплавы на основе системы алюминий - кремний, к которой

относятся сплавы АЛ-2, АЛ-4, АЛ-9. Эти сплавы часто называют силуминами,

и они представляют собой интерес с точки зрения металловедения.

Г р у п п а II объединяет много сплавов, имеющих основу алюминий-

кремний - медь. Сюда входят сплавы АЛ-3, АЛ-5, АЛ-6, а также АЛ-32 (многи-

ми называемый МВТУ-1), содержащий кроме трех основных компонентов

группы еще марганец и титан.

Г р у п п а III - сплавы на основе системы алюминий - медь; к ним отно-

сятся сплавы АЛ-7 и АЛ-19. Эти сплавы из-за наличия значительного количест-

ва меди более дефицитны и дороги.

Г р у п п а IV - сплавы на основе системы алюминий - магний, к которой

относятся сплавы АЛ-8, АЛ-13, АЛ-22 и др.

Эти сплавы обладают низкой плотностью (почти в три раза легче стали),

высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Двойные

сплавы начали широко использоваться для получения легких отливок различ-

ного оборудования для транспортных машин. Сплавы на алюминиево-

магниевой основе с небольшими добавками титана, бериллия, например сплав

АМг6, хорошо обрабатываются давлением.

К г р у п п е V относят сплавы на основе алюминия и других компонен-

тов. Эта группа особенно велика, наиболее популярны из этой группы сплав

АЛ-1, содержащий медь, никель и магний, сплав АЛ-11, включающий, кроме

алюминия и кремния, большое количество цинка (7-12%) и немного магния. В