» » » Алюминий как конструкционный материал

Алюминий как конструкционный материал

 

Алюминий как конструкционный материал.

 В противоположность стали заготовки из алюминиевых сплавов можно получать максимально приближенными к размерам готовых деталей. Как следствие снижается количество металлической стружки, и технология становится малоотходной. Не все легкие металлы имеют одинаковое значение в технике. Но алюминий, безусловно, один из важнейших конструкционных материалов современности. Производство алюминия продолжает развиваться по восходящей линии, сырьевая база практически неисчерпаема на ближайшие сотни лет. С каждым годом алюминий находит новые, подчас неожиданные, но постоянно весьма эффективные области применения.

 

 Немного истории

  

 В свободном виде алюминий впервые был получен в 1825 г. Затем почти 60 лет он считался драгоценным металлом, не имеющим промышленного применения. Так, в 1854—1855 гг. было получено всего 25 кг алюминия по цене около 45 руб. золотом за 1 кг.

 Затем, в 1886 г. одновременно и независимо друг от друга французский металлург Эру и американский физик Холл предложили способ получения алюминия электролизом криолитно-глиноземных расплавов. Это положило начало промышленному производству.

 За 100 лет алюминии опередил по объемам выпуска такие металлы, как медь, цинк, олово, свинец, которые тысячелетиями были известны человечеству, и прочно занял второе место после железа по масштабам производства и потребления. Годовой выпуск алюминия в мире увеличился почти в 100 000 раз. История не знает таких темпов применения какого-либо другого промышленного металла.

 Широкое использование алюминия стало возможным благодаря открытию новых месторождений, строительству заводов по производству алюминия и обработке алюминиевых сплавов, сооружению мощных электростанций, снабжающих электроэнергией процессы электролиза глинозема.

 Сегодня трудно представить нашу цивилизацию без алюминия. Возможно, в будущем человечество изобретет новые искусственные конструкционные материалы или научится в больших масштабах производить какие-либо из известных металлов, обладающих еще более ценными качествами, но пока одним из главных металлов технического прогресса остаётся алюминий. К тому есть ряд веских оснований. Запасы алюминия практически неисчерпаемы: по распространенности в природе он занимает третье место среди всех элементов и первое среди металлов. На его долю приходится более 8% от массы земной коры — примерно вдвое больше, чем железа, и в 2500 раз больше, чем меди. Плотность алюминия 2, 7 г/см3, т. е. почти втрое меньше плотности стали. Еще более благоприятное соотношение получается, если сравнить алюминий с тяжелыми металлами. Благодаря ему легче становятся мобильные конструкции (например, в железнодорожном транспорте, судостроении и наземных транспортных средствах), а также часто заменяемые и транспортируемые детали. Снижение массы ведет к снижению расхода энергии, к более низкой стоимости изготовления и эксплуатации. Часто значительно снижается масса и статических конструкций. Чистый алюминий и алюминий повышенной чистоты, а также алюминиевые сплавы, не содержащие меди, отличают химическая стойкость, атмосферостойкость, стойкость к морской воде.


 Алюминий и его сплавы не ядовиты, они легко очищаются, стерилизуются, удовлетворяют требованиям санитарии. Хорошая теплопроводность позволяет использовать алюминий для поршней цилиндров и цилиндрических головок в камерах сгорания двигателей, компрессорах, а также в теплообменниках всех видов. Благодаря электропроводности чистый алюминий успешно выступает в роли токопроводящего материала в электротехнике.

 В технике в основном применяют не чистый алюминий, а сплавы алюминия (за исключением тех случаев, когда главным требованием к материалу является, например, повышенная электропроводность или какая-либо другая специальная характеристика, а прочность может быть невысокой).

 По методу получения эти алюминиевые сплавы разделяются на две большие группы — литейные и деформируемые, а по термической обработке — на термически обрабатываемые и термически не обрабатываемые. Литейные сплавы легируются в основном кремнием (5—14%), а также медью, магнием и цинком. Наивысшая прочность таких сплавов 30—35 кг/мм2 при сравнительно невысокой пластичности.

 Получить отливки алюминиевых сплавов можно всеми известными способами литья, масса отливок приблизительно на 50% меньше, чем у отливок черных сплавов или тяжелых цветных металлов.

 Кроме того, применение при крупносерийном и массовом производстве весьма экономичного способа литья под давлением гарантирует очень высокую размерную точность отливок. Это снижает затраты на последующую механическую обработку. Отливки, полученные литьем под давлением, имеют высококачественную поверхность. Все способы литья дают возможность изготавливать детали массой несколько граммов. Верхний же предел массы отливки разный. При литье в песчаные формы предельная масса отливки зависит исключительно от того, каким оборудованием оснащен конкретный литейный цех. При литье в кокиль с использованием современных способов изготовления оснастки и прогрессивной технологии литья масса отливок может достигать 100 кг и более.


 Деформируемые сплавы, в которых главными легирующими элементами в количестве, не превышающем 4—6%, являются медь, цинк, магний и некоторые другие, наряду с малой плотностью обладают высокой прочностью — до 55—60 кг/мм2 и одновременно хорошими пластическими характеристиками. Например, удельная прочность алюминиевых сплавов в 5 раз выше, чем у поделочной стали. Сварка алюминия в строительстве аргоном не заменима при изготовлении различных резервуаров, емкостей, цистерн. Поэтому алюминий отлично вписался в круг современных конструкционных материалов, из которых изготавливают различные транспортные устройства вначале в авиа, затем в ракетостроении, а затем и в автомобиле-, машино- и вагоностроении, судостроении.

 Алюминий выгодно отличается от других металлов и сплавов с высокими механическими свойствами тем, что очень хорошо обрабатывается давлением и резанием. Созданы крупные заводы по обработке деформируемых алюминиевых сплавов и получению из них алюминиевых листов, штампованных заготовок, прессованных профилей. Они оснащены уникальным металлургическим оборудованием — полностью автоматизированными прокатными станами, горизонтальными гидравлическими прессами усилием до 20 тыс. т, самыми крупными в мире (на момент установки) вертикальными штамповочными прессами усилием до 75 тыс. т.

 Промышленность выпускает широкий сортамент различных полуфабрикатов из деформированных алюминиевых сплавов. Возможность выбора полуфабриката, который максимально приближается по своей форме и размерам к готовому изделию и почти не требует механической или какой-либо другой обработки, — одна из причин, по которым алюминий все чаще применяют в различных отраслях техники и народного хозяйства.


 Алюминиевый профиль


 Особенно интенсивно алюминиевые изделия в строительной сфере стали использовать по мере увеличения производства прессованных алюминиевых профилей. Их несколько десятков тысяч различных типов — от алюминиевого профиля, поперечное сечение которого не превышает 1 см2, до профилей сечением до 1500 см2. Практически можно «отпрессовать» алюминиевый профиль любой конфигурации как сплошного, так и полого сечения или сечения, в котором имеется несколько полостей произвольной формы. Прессованный профиль из различных алюминиевых сплавов — великолепный материал для проектанта и технолога. Широкий диапазон разнообразных соединений для сборки отдельных деталей из алюминиевых профилей, высокая точность размеров поперечного сечения позволяют создавать такие прочные и легкие алюминиевые конструкции, которые трудно, а порой и нельзя изготовить из какого-либо другого материала. Одно из главных преимуществ прессования — возможность получать крупные монолитные изделия, которые совмещают в себе несущие, ограждающие и некоторые другие функции. Это освобождает от трудоемких и сложных работ по соединению отдельных элементов, которые удорожают и утяжеляют конструкцию и довольно часто служат причиной ее ослабления.

 Пример такого интегрального полуфабриката — алюминиевая прессованная монолитная панель, ширина которой может быть более 1 м, а длина — несколько десятков метров. Ее сечение представляет собой полотно различной толщины, которое монолитно соединено с упрочняющими элементами в виде стрингеров, уголков или тавров. Панель может быть отпрессована полой. До того, как освоили прессование панелей, такую деталь изготавливали из алюминиевого листа или алюминиевой плиты, к которым приваривали или приклепывали стрингеры. Сборная панель имела множество отверстий или других концентраторов напряжений, и потому ее ресурс значительно ниже, чем у монолитной. Кроме того, собирать панель было попросту трудно. Монолитные прессованные алюминиевые панели радикально решили все проблемы, связанные с изготовлением сборных панелей. Использование их снизило трудоемкость производства, существенно уменьшило массу узла машины и увеличило надежность конструкции. Применение монолитных панелей — прямой выигрыш в массе, ресурсе, трудоемкости.


 
 Так как алюминиевые профили могут изготавливаться с замкнутыми отверстиями самой различной формы и размеров (независимо от длины профиля), причем стенки их зачастую весьма небольшой толщины, открывается возможность облегчить конструкции, делать их более экономичными и, в частности, создавать различные эффективные теплообменные устройства. В конструкциях алюминиевые профили могут удовлетворительно работать в контакте с деревом, сталью, стеклом, резиной, различными полимерами. Соединять элементы можно сваркой, клепкой, пайкой, склеиванием.  Профили могут быть и с незамкнутыми полостями различной конфигурации, у кромок которых пружинящие свойства. Благодаря этому отдельные профили соединяются между собой в конструкции «защелкиванием» элемента одного профиля в полости другого или ввода части одного профиля по оси в другой (штекерные разъемы). Таким образом, можно получить неподвижные и подвижные соединения (например, вращающиеся или с уплотнением стыка) без трудоемких сборочных работ.

 

 


 Алюминий поддается электрохимической и другим видам обработки, становясь прекрасным декоративным материалом. Кроме того, у него высокая коррозионная устойчивость, он долговечен. Благодаря этому в последние десятилетия алюминий стал широко применяться в строительстве в виде несущих и ограждающих конструкций в интерьере и внешнем оформлении здании. Трудно перечислить все области применения алюминиевых сплавов. Объемы потребления этого металла постоянно растут. Прогноз предсказывает, что в будущем его нужно будет все больше и больше. Основные отрасли-потребители — строительство, электротехника, машиностроение и т. д.
 

 

7-10-2017, 15:47
189 просмотров
  
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо зайти на сайт под своим именем.