Алюминий и его сплавы: все об этом металле. Сварка стали с алюминием и алюминиевыми сплавами Классификация алюминиевых сплавов

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

Чистота, %

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.

Редкий метал так часто поднимается в воздух, участвует в строительстве домов, автомобилей и морских судов, как алюминий. Казалось бы - не самый прочный, не самый стойкий, довольно мягкий... Что такого есть в алюминии, благодаря чему его называют "металлом будущего"?

У алюминия без сомнения есть несколько преимуществ, с которыми сложно поспорить:

Легкость;
- распространенность - алюминий самый распространенный металл на планете Земля;
- простота обработки;

Еще алюминий не выделяет вредных веществ при нагревании и хорошо проводит тепло. Но самое главное - стоит добавить к чистому алюминию немного, всего несколько десятых долей другого элемента, и.... вуаля! Получаете материал с диаметрально противоположными физико-химическими свойствами. Некоторые сплавы на основе алюминия настолько прочны, что при температуре до - 200 градусов по Цельсию сравнимы с титаном и сталью!

Получение и классификация алюминиевых сплавов

Процесс получения алюминиевых сплавов называется легированием. Однако легирование - это скорее не один, а несколько взаимосвязанных процессов. Его суть заключается в том, что в расплавленный алюминий вводят вспомогательные (легирующие) элементы в количестве от нескольких десятых до нескольких тысячных процента.

Доля вспомогательных веществ напрямую зависит от того результата, который необходимо получить. При этом важно учитывать, что алюминий обычно уже содержит в себе железо и кремний. Оба элемента не в лучшую сторону влияют на качество будущего сплава: они уменьшают его стойкость к коррозии, электропроводимость и пластичность.

В связи с тем, что алюминий и алюминиевые сплавы используются в стратегически важных областях, они подлежат обязательной государственной сертификации и маркировке. В России качество сплавов определяется на основе двух ГОСТ: №4784-97 и № 1583-93.

Сплавы из алюминия можно классифицировать по нескольким разным направлениям. По типу вспомогательных (легирующиех) элементов сплавы бывают:

С добавлением присадок (отдельных элементов - цинк, магний, марганец, хром, кремний, литий и т.д);

С добавлением интреметаллидов (соединений из нескольких металлов - магний+кремний, медь+магний, литий+магний, литий+медь и пр.).

В зависимости от выбранного метода дальнейшей металлообработки они делятся на:

Деформируемые сплавы алюминия (сплав не превращается в жидкость, а просто становится очень пластичным) - их удобно штамповать, подвергать ковке, прокату, экструзии, прессовке. Для достижения большей прочности некоторые из сплавов подвергают обработке при повышенных температурах (отжиг, закалка и старение), другие же обрабатывают под давлением. В результате получаются такие алюминиевые заготовки, как листы, профили, трубы, изделия более сложных форм и т.д.

Литейные сплавы алюминия (сплав проступает в производство в очень жидком состоянии, чтобы его легко можно налить в какую-нибудь форму) - такие сплавы легко резать, их них получаются литые фасонные (получаемые под давлением) и формовочные изделия.

Все сплавы на базе алюминия также можно разделить по степени прочности на:

Сверхпрочные (от 480 МПа) ;
- среднепрочные (от 300 - 480 МПа);
- малопрочные (до 300 МПа);

Отдельно классифицируются сплавы стойкие к воздействию высоких температур и коррозии.

Для того, чтобы изделия из сплавов было легко различить, каждому сплаву присваивается свой номер, состоящий из букв и цифр. Этот номер означает марку сплава алюминия. В начале наименования марки ставится буква или несколько букв, они указывают на состав сплава. Затем идет цифровой порядковый номер сплава. Буква в конце показывает, как обрабатывался сплав и в каком виде находится в данный момент.

Разберем принцип маркировки на примере сплава Д16П. Первая буква в марке "Д" означает дюралюминий, т.е сплав алюминия с медью и магнием. "16" - порядковый номер сплава. "П" - полунагартованный, то есть сплав прошел холодную обработку давлением до значения прочности вполовину меньше максимального.

Производство сплавов алюминия и их применение сильно разнятся в зависимости от вида и марки. Каждый сплав обладает своим собственным, весьма специфическим набором физико-механических свойств. Среди этих свойств есть такие, от которых зависит дальнейшая судьба сплава - то, куда он отправится с завода: на авиабазу, на стройку и в цех изготовления кухонной утвари. Эти свойства следующие: уровень прочности, коррозионная стойкость, плотность, пластичность, электро- и теплопроводность.

Основные свойства различных сплавов алюминия

Давайте рассмотрим основные сплавы на базе алюминия именно с точки зрения их приобретенных свойств.

Сплав меди и алюминия бываетнескольких видов - "чистый", в котором главными действующими элементами выступают Al и Cu, "медно-магниевый", в котором помимо меди и алюминия некоторую долю занимает магий и "медно-марганцевый" с легированием марганцем. Такие сплавы часто также называют дюралюминиям, их легко резать и сваривать "точечно".

Характерная черта дюралюминов в том, что для них берется алюминий с примесями железа и кремния. Как мы уже говорили, обычно присутствие этих элементов ухудшает качество сплава, но данный случай - исключение. Железо при повторной термической обработке сплава повышает его жаростойкость, а кремний выступает катализатором в процессе "старения" дюралюминов. В свою очередь магний и марганец в качестве легирующих элементов делают сплав намного прочнее.

Сплав алюминия и магния имеет разные показатели прочности и пластичности, в зависимости от количества магния. Чем магния меньше, тем меньше прочность изделия из такого сплава и тем выше стойкость к коррозии. Увеличение содержания магния на 1 % приводит к росту прочности до 30 000 Па. В среднем сплавы на основе магния и алюминия содержат до 6% первого. Почему не больше? Если магния в сплаве становится слишком много, изделие из него будет быстро покрываться ржавчиной, а кроме того такие изделия имеют нестабильную структуру, могут треснуть и т.д.

Термообработку сплавов магния с алюминием не проводят, так как она малоэффективна и не дает необходимого эффекта увлечения прочности.

Сплав алюминия с цинком и магнием считается наиболее прочным из всех алюминиевых сплавов, известных на сегодняшний день. Его прочность сравнима с титаном! Во время термообработки большая часть цинка растворяется, что и делает данный сплав таким прочным. Правда использовать в электрической промышленности изделия из таких сплавов невозможно, они не стойки к коррозии под напряжением. Чуть повысить коррозионную стойкость можно, если добавить в состав меди, но показатель все равно останется не удовлетворительным.

Сплав алюминия с кремнием - самый распространенный сплав в литейной промышленности. Поскольку кремний прекрасно растворяется в алюминии при нагреве, то образуемый расплавленный состав замечательным образом подходит для формовочного и фасонного литья. Готовые изделия относительно легко режутся и имеют высокую плотность.

Сплав алюминия с железом, как и сплавы алюминия с никелем практически не встречается "в живую". Железо добавляют исключительно как вспомогательный элемент для того, чтобы литейный сплав легко отлипал от стенок формы. Никель с свою очередь наиболее известен в производстве магнитов и присутствует в качестве одного из элементов в сплаве алюминий-никель-железо.

Сплав титана и алюминия, такжене встречается в чистом виде и используется только дляувеличения прочности изделий. С той же целью проводится сварка стали и сплавов алюминия.

Алюминий применяют для производства из него изделий и сплавов на его основе.

Легирование - процесс введения в расплав дополнительных элементов, улучшающих механические, физические и химические свойства основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, проводимых на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции.

Введение различных легирующих элементов в алюминий существенно изменяет его свойства, а иногда придает ему новые специфические свойства.

Прочность чистого алюминия не удовлетворяет современные промышленные нужды, поэтому для изготовления любых изделий, предназначенных для промышленности, применяют не чистый алюминий, а его сплавы.

При различном легировании повышаются прочность, твердость, приобретается жаропрочность и другие свойства. При этом происходят и нежелательные изменения: неизбежно снижается электропроводность , во многих случаях ухудшается коррозионная стойкость , почти всегда повышается относительная плотность . Исключение составляет легирование марганцем, который не только не снижает коррозионную стойкость, но даже несколько повышает ее, и магнием, который тоже повышает коррозионную стойкость (если его не более 3 %) и снижает относительную плотность, так как он легче, чем алюминий.

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изделий делят на две группы:
1) деформируемые (имеют высокую пластичность в нагретом состоянии),
2) литейные (имеют хорошую жидкотекучесть).

Такое деление отражает основные технологические свойства сплавов. Для получения этих свойств в алюминий вводят разные легирующие элементы и в неодинаковом количестве.

Сырьем для получения сплавов обоего типа являются не только технически чистый алюминий, но также и двойные сплавы алюминия с кремнием, которые содержат 10-13 % Si, и немного отличаются друг от друга количеством примесей железа, кальция, титана и марганца. Общее содержание примесей в них 0.5-1.7 %. Эти сплавы называют силуминами . Для получения деформируемых сплавов в алюминий вводят в основном растворимые в нем легирующие элементы в количестве, не превышающем предел их растворимости при высокой температуре. Деформируемые сплавы при нагреве под обработку давлением должны иметь гомогенную структуру твердого раствора, обеспечивающую наибольшую пластичность и наименьшую прочность. Это и обусловливает их хорошую обрабатываемость давлением.

Основными легирующими элементами в различных деформируемых сплавах является медь, магний, марганец и цинк, кроме того, в сравнительно небольших количествах вводят также кремний, железо, никель и некоторые другие элементы.

Дюралюминии - сплавы алюминия с медью

Характерными упрочняемыми сплавами являются дюралюминии - сплавы алюминия с медью, которые содержат постоянные примеси кремния и железа и могут быть легированы магнием и марганцем. Количество меди в них находится в пределах 2.2-7 %.

Медь растворяется в алюминии в количестве 0,5% при комнатной температуре и 5,7% при эвтектической температуре, равной 548 C.

Термическая обработка дюралюминия состоит из двух этапов. Сначала его нагревают выше линии предельной растворимости (обычно приблизительно до 500 C). При этой температуре его структура представляет собой гомогенный твердый раствор меди в алюминии. Путем закалки, т.е. быстрого охлаждения в воде, эту структуру фиксируют при комнатной температуре. При этом раствор получается пересыщенным. В этом состоянии, т.е. в состоянии закалки, дюралюминий очень мягок и пластичен.

Структура закаленного дюралюминия имеет малую стабильность и даже при комнатной температуре в ней самопроизвольно происходят изменения. Эти изменения сводятся к тому, что атомы избыточной меди группируются в растворе, располагаясь в порядке, близком к характерному для кристаллов химического соединения CuAl. Химическое соединение еще не образуется и тем более не отделяется от твердого раствора, но за счет неравномерности распределения атомов в кристаллической решетке твердого раствора в ней возникают искажения, которые приводят к значительному повышению твердости и прочности с одновременным снижением пластичности сплава. Процесс изменения структуры закаленного сплава при комнатной температуре носит название естественного старения.

Естественное старение особенно интенсивно происходит в течение первых нескольких часов, полностью же завершается, придавая сплаву максимальную для него прочность, через 4-6 суток. Если же сплав подогреть до 100-150 C, то произойдет искусственное старение . В этом случае процесс совершается быстро, но упрочнение происходит меньшее. Объясняется это тем, что при более высокой температуре диффузионные перемещения атомов меди осуществляются более легко, поэтому происходит завершенное образование фазы CuAl и выделение ее из твердого раствора. Упрочняющее же действие полученной фазы оказывается меньшим, чем действие искаженности решетки твердого раствора, возникающей при естественном старении.

Сравнение результатов старения дюралюминия при различной температуре показывает, что максимальное упрочнение обеспечивается при естественном старении в течении четырех дней.

Сплавы алюминия с марганцем и магнием

Среди неупрочняемых алюминиевых сплавов наибольшее значение приобрели сплавы на основе Al-Mn и Al-Mg.

Марганец и магний , так же как и медь, имеют ограниченную растворимость в алюминии, уменьшающуюся при снижении температуры. Однако эффект упрочнения при их термообработке невелик. Объясняется это следующим образом. В процессе кристаллизации при изготовлении сплавов, содержащих до 1,9% Mn, выделяющийся из твердого раствора избыточный марганец должен был бы образовать с алюминием растворимое в нем химическое соединение Al (MnFe), которое в алюминии не растворяется. Следовательно, последующий нагрев выше линии предельной растворимости не обеспечивает образование гомогенного твердого раствора, сплав остается гетерогенным, состоящим из твердого раствора и частиц Al (MnFe), а это приводит к невозможности закалки и последущего старения.

В случае системы Al-Mg причина отсутствия упрочнения при термической обработке иная. При содержании магния до 1,4% упрочнения быть не может, так как в этих пределах он растворяется в алюминии при комнатной температуре и никакого выделения избыточных фаз не происходит. При большем же содержании магния закалка с последующим химическим старением приводит к выделению избыточной фазы - химического соединения Mg Al .

Однако свойства этого соединения таковы, что процессы, предшествующие его выделению, а затем и образующиеся включения не вызывают заметногоэффекта упрочнения. Несмотря на это, введение и марганца, и магния в алюминий полезно. Они повышают его прочность и коррозионную стойкость (при содержании магния не более 3%). Кроме того, сплавы с магнием более легкие, чем чистый алюминий.

Другие легирующие элементы

Также для улучшения некоторых характеристик алюминия в качестве легирующих элементов используются:

Бериллий добавляется для уменьшения окисления при повышенных температурах. Небольшие добавки бериллия (0,01-0,05%) применяют в алюминиевых литейных сплавах для улучшения текучести в производстве деталей двигателей внутреннего сгорания (поршней и головок цилиндров).

Бор вводят для повышения электропроводимости и как рафинирующую добавку. Бор вводится в алюминиевые сплавы, используемые в атомной энергетике(кроме деталей реакторов), т.к. он поглощает нейтроны, препятствуя распространению радиации. Бор вводится в среднем в количестве 0,095-0,1%.

Висмут . Металлы с низкой температурой плавления, такие как висмут, свинец, олово, кадмий вводят в алюминиевые сплавы для улучшения обрабатываемости резанием. Эти элементы образуют мягкие легкоплавкие фазы, которые способствуют ломкости стружки и смазыванию резца.

Галлий добавляется в количестве 0,01 - 0,1% в сплавы, из которых далее изготавливаются расходуемые аноды.

Железо. В малых количествах (>0,04%) вводится при производстве проводов для увеличения прочности и улучшает характеристики ползучести. Так же железо уменьшает прилипание к стенкам форм при литье в кокиль.

Индий. Добавка 0,05 - 0,2% упрочняют сплавы алюминия при старении, особенно при низком содержании меди. Индиевые добавки используются в алюминиево - кадмиевых подшипниковых сплавах.

Кадмий. Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности и улучшения коррозионных свойств сплавов.

Кальций придает пластичность. При содержании кальция 5% сплав обладает эффектом сверхпластичности.

Кремний является наиболее используемой добавкой в литейных сплавах. В количестве 0,5-4% уменьшает склонность к трещинообразованию. Сочетание кремния с магнием делают возможным термоуплотнение сплава.

Олово улучшает обработку резанием.

Титан. Основная задача титана в сплавах - измельчение зерна в отливках и слитках, что очень повышает прочность и равномерность свойств во всем объеме.

Применение алюминиевых сплавов

Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и химикатов и в большинстве пищевых продуктов. Последнее свойство в сочетании с тем, что алюминий не разрушает витамины, позволяет широко использовать его в производстве посуды . Конструкции из алюминиевых сплавов часто используют в морской воде. Алюминий в большом объеме используется в строительстве в виде облицовочных панелей, дверей, оконных рам, электрических кабелей. Алюминиевые сплавы не подвержены сильной коррозии в течение длительного времени при контакте с бетоном, строительным раствором, штукатуркой, особенно если конструкции не подвергаются частому намоканию. Алюминий также широко применяется в машиностроении , т.к. обладает хорошими физическими качествами.

Но главная отрасль, в настоящее время просто не мыслимая без использования алюминия - это, конечно, авиация . Именно в авиации наиболее полно нашли применение всем важным характеристикам алюминия

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