Ένα από τα πιο κοινά μέταλλα στη Γη είναι το αλουμίνιο. Ονομάζεται και «ιπτάμενο μέταλλο». Αν και δεν βρίσκεται στη φύση στην καθαρή του μορφή, μπορεί να βρεθεί σε πολλά ορυκτά. Και το πιο κοινό κράμα, το οποίο χρησιμοποιείται για την παραγωγή πολλών εξαρτημάτων και δομών, είναι το ντουραλούμ (duralumin).
Εφευρέθηκε από τον Γερμανό επιστήμονα Alfred Wilm, ο οποίος εργαζόταν στο εργοστάσιο Dürener Metallwerke AG (Düren). Προσδιόρισε ότι ένα κράμα αλουμινίου και χαλκού έχει πολύ καλύτερα χαρακτηριστικά από το ίδιο το μέταλλο στην καθαρή του μορφή.
Ομάδα κραμάτων υψηλής αντοχής
Στην πραγματικότητα, το duralumin είναι μια ολόκληρη ομάδα κραμάτων στην οποία το κύριο συστατικό είναι το αλουμίνιο και τα κράματά του είναι χαλκός, ψευδάργυρος, μαγγάνιο, μαγνήσιο. Αλλά γενικά, τα χαρακτηριστικά τους καθορίζονται όχι μόνο από τη σύνθεση, αλλά και από τη μέθοδο θερμικής επεξεργασίας. Το 1903, ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά ότι κατά τη διαδικασία γήρανσης, ένα κράμα αλουμινίου μεο χαλκός γίνεται ακόμα πιο ανθεκτικός και σκληρός.
Όπως αποδείχθηκε αργότερα, αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι όταν, μετά τη σκλήρυνση, το μέταλλο βρίσκεται σε θερμοκρασία δωματίου για αρκετές ημέρες, το υπερκορεσμένο στερεό διάλυμά του αποσυντίθεται και αυτό, με τη σειρά του, συνοδεύεται από σκλήρυνση το υλικό.
Η διαδικασία γήρανσης και επιστροφή στην προηγούμενη κατάσταση
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η γήρανση του μετάλλου είναι μια σημαντική διαδικασία, η οποία προκαλείται από δομικούς μετασχηματισμούς που προκαλούν αλλαγές στις φυσικές και μηχανικές ιδιότητες. Μπορεί να είναι φυσικό και τεχνητό. Στην πρώτη περίπτωση, το κράμα διατηρείται για αρκετές ημέρες σε θερμοκρασία δωματίου.
Με την τεχνητή γήρανση, ο χρόνος επεξεργασίας μειώνεται, αλλά η θερμοκρασία αυξάνεται. Για να επανέλθει το κράμα στην προηγούμενη κατάσταση, πρέπει να θερμανθεί στους 270 βαθμούς για λίγα δευτερόλεπτα και μετά να κρυώσει γρήγορα.
παραγωγή αλουμινίου
Για να φτιάξετε ένα κράμα αλουμινίου με χαλκό, χρειάζεστε εξοπλισμό υψηλής τεχνολογίας και, φυσικά, το ίδιο το μέταλλο. Εξορύσσεται από βωξίτη. Αυτός είναι ένας βράχος που πρέπει να θρυμματιστεί, να προστεθεί νερό και να αχνιστεί υπό υψηλή πίεση. Έτσι, το πυρίτιο διαχωρίζεται από την αλουμίνα. Στη συνέχεια η παχιά μάζα τοποθετείται σε ειδικό λουτρό με ισιωμένο κρυόλιθο. Το περιεχόμενο θερμαίνεται στους 950 ° C και διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα 400 kA.
Αυτό σας επιτρέπει να σπάσετε τον δεσμό μεταξύ των ατόμων οξυγόνου και αλουμινίου. Ως αποτέλεσμα, το τελευταίο κατακάθεται στον πυθμένα ως υγρό μέταλλο. Έτσι κατασκευάζονται τα χυτά από υγρό αλουμίνιο. Τώρα μεταλλικόεντελώς έτοιμο για κατεργασία. Ωστόσο, για να αυξηθεί η αντοχή του, είναι απαραίτητο να προσθέσετε στοιχεία κράματος σε αυτό και έτσι να αποκτήσετε ένα υψηλής ποιότητας κράμα αλουμινίου-χαλκού.
παραγωγή Duralumin
Συνολικά, όλα τα κράματα αλουμινίου χωρίζονται σε δύο ομάδες: χυτά και παραμορφωμένα. Η διαδικασία παραγωγής τους εξαρτάται ακριβώς από το είδος που πρέπει να ληφθεί τελικά. Επιπλέον, η μέθοδος κατασκευής εξαρτάται επίσης από τα απαιτούμενα χαρακτηριστικά.
Για την παραγωγή ντουραλουμινίου, τα πλινθώματα αλουμινίου λιώνουν σε ηλεκτρικό φούρνο. Είναι ενδιαφέρον ότι αυτό είναι ένα από τα λίγα μέταλλα που μπορούν να μετατραπούν από στερεό σε υγρό και αντίστροφα πολλές φορές. Αυτό δεν θα επηρεάσει την απόδοσή του. Χαλκός και άλλα κραματικά στοιχεία όπως μαγγάνιο, σίδηρος και μαγνήσιο προστίθενται με τη σειρά τους στο λιωμένο αλουμίνιο. Είναι πολύ σημαντικό να παρατηρήσετε την ποσοστιαία αναλογία: 93% αλουμίνιο, 5% χαλκός, το υπόλοιπο 2% είναι άλλα στοιχεία κράματος.
Σκληρότητα και ανόπτηση ντουραλουμίου
Υποχρεωτική για ένα τέτοιο κράμα είναι η διαδικασία σκλήρυνσης. Ο χρόνος διατήρησης για μικρά εξαρτήματα είναι μόνο λίγα λεπτά και η θερμοκρασία είναι περίπου 500 °C. Αμέσως μετά τη διαδικασία, η ντουραλουμίνη είναι μαλακή και παχύρρευστη. Είναι εύκολο να παραμορφωθεί και να επεξεργαστεί. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, το κράμα σκληραίνει και οι μηχανικές του ιδιότητες αυξάνονται. Εάν ξεπεραστεί το όριο θερμοκρασίας, λαμβάνει χώρα οξείδωση και το υλικό χάνει τα χαρακτηριστικά του. Μετά τη σκλήρυνση, πρέπει να κρυώσει αργά σε δροσερό νερό.
Λοιπόν, γνωρίζετε ήδη το όνομα του κράματος αλουμινίου-χαλκού. Συχνά προσφέρεται για παραμόρφωση: ψυχρή έλαση, σχέδιο, σφυρηλάτηση. Σε αυτή την περίπτωση, εμφανίζεται η λεγόμενη σκλήρυνση. Αυτή είναι μια διαδικασία κατά την οποία συμβαίνει η κίνηση και ο πολλαπλασιασμός των εξαρθρώσεων στη μεταλλική κατασκευή. Ως αποτέλεσμα, το ίδιο το κράμα αλλάζει τη δομή του, γίνεται σκληρότερο και ισχυρότερο. Αυτό μειώνει την ολκιμότητα και την αντοχή του στην κρούση. Για να περάσουν πιο εύκολα οι παραμορφώσεις και η σκλήρυνση της εργασίας να μην καταστρέψει το μέταλλο, χρησιμοποιείται ανόπτηση. Για να γίνει αυτό, το κράμα θερμαίνεται στους 350 ° C και στη συνέχεια ψύχεται στον αέρα.
Διάγραμμα της κατάστασης του κράματος (αλουμίνιο και χαλκός)
Για να περιγράψετε με μεγαλύτερη σαφήνεια την αλληλεπίδραση των συστατικών της ντουραλουμίνης σε στερεή και υγρή κατάσταση, καθώς και για να εξηγήσετε τη φύση της αλλαγής στις ιδιότητες του κράματος, χρησιμοποιήστε το διάγραμμα κατάστασης.
Από αυτό φαίνεται ότι η υψηλότερη διαλυτότητα του Cu σε ένα κράμα με αλουμίνιο παρατηρείται σε θερμοκρασία 548 ° C και ταυτόχρονα είναι 5,7%. Όταν η θερμοκρασία ανεβαίνει, θα αυξηθεί, και όταν πέσει, θα μειωθεί. Ελάχιστη διαλυτότητα (0,5%) θα παρατηρηθεί σε θερμοκρασία δωματίου. Εάν το ντουραλουμίν σκληρυνθεί πάνω από 400 ° C, θα γίνει ένα στερεό ομοιογενές διάλυμα - α.
Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το στερεό διάλυμα θα αποσυντεθεί. Ένα κράμα αλουμινίου και χαλκού συμπεριφέρεται πολύ ασυνήθιστα, ο τύπος του οποίου είναι CuAl2. Η διαδικασία συνοδεύεται από την απελευθέρωση περίσσειας φάσης Α1. Αυτή η κατανομή λαμβάνει χώρα κατά τη διάρκειαπολύς καιρός. Αυτή είναι η φυσική γήρανση που αναφέραμε προηγουμένως.
Ιδιότητες κράματος
Η κράμα ενός μετάλλου με ορισμένα στοιχεία καθιστά δυνατή την αύξηση των χαρακτηριστικών του. Θυμάστε το όνομα του κράματος αλουμινίου-χαλκού; Τι ιδιότητες έχει;
Το ίδιο το αλουμίνιο είναι πολύ ελαφρύ, μαλακό και εντελώς εύθραυστο. Είναι διαλυτό σε ασθενώς συγκεντρωμένα αλκάλια και οξέα. Προσθέτοντας χαλκό και μαγνήσιο στο αλουμίνιο, μπορείτε ήδη να αποκτήσετε ένα αρκετά ισχυρό κράμα. Η απόδοσή του είναι αρκετά εύκολο να βελτιωθεί - απλά πρέπει να το αφήσετε να ξαπλώσει σε θερμοκρασία δωματίου. Έτσι, η επίδραση της γήρανσης αυξάνει τη δύναμη της ντουραλουμίνης, όπως είπαμε παραπάνω.
Το ίδιο το αλουμίνιο είναι αρκετά ελαφρύ. Ένα μικρό ποσοστό χαλκού δεν κάνει το κράμα πιο βαρύ. Ένα άλλο θετικό χαρακτηριστικό είναι η ικανότητα επανειλημμένης επανατήξης του κράματος. Ταυτόχρονα, δεν θα χάσει τις ιδιότητές του. Το μόνο που χρειάζεται είναι να του δώσετε «ξεκούραση» για μερικές μέρες μετά το casting.
Το μειονέκτημα του duralumin είναι η χαμηλή του αντοχή στη διάβρωση. Επομένως, τις περισσότερες φορές τέτοιο υλικό καλύπτεται με καθαρό στρώμα αλουμινίου ή βάφεται με βερνίκια και χρώματα.
Κράματα αλουμινίου και οι εφαρμογές τους
Για πρώτη φορά, το duralumin χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή αερόπλοιων. Η ελαφρότητα και η αντοχή αυτού του υλικού κατέστησαν δυνατή τη δημιουργία ενός εξαιρετικού αεροσκάφους. Για αυτό, χρησιμοποιήθηκε η μάρκα D16t. Επί του παρόντος χρησιμοποιούνται ευρέως κράματα με αλουμίνιο, ψευδάργυρο, χαλκό και άλλα κραματικά στοιχείααστροναυτική, αεροπορία και άλλοι τομείς της μηχανολογίας.
Έτσι, για παράδειγμα, η χρήση ντουραλουμίνης στην κατασκευή ενός αυτοκινήτου μπορεί να μειώσει σημαντικά το βάρος και το κόστος του, αλλά ταυτόχρονα θα είναι αρκετά ισχυρό.
Γενικά, μπορεί να σημειωθεί ότι η γκάμα αυτού του κράματος είναι αρκετά μεγάλη: σωλήνες, σύρματα, φύλλα, ταινίες, ράβδοι και χυτά μέρη διαφόρων σχημάτων. Η D16t εξακολουθεί να θεωρείται μια από τις πιο δημοφιλείς και κοινές μάρκες. Το μικρό γράμμα "t" στο τέλος της σήμανσης σημαίνει ότι το κράμα είναι σκληρυμένο και φυσικά παλαιωμένο. Χρησιμοποιείται:
- Στα σχέδια διαστημικών σκαφών, πλοίων και αεροσκαφών.
- Για την κατασκευή διαφόρων εξαρτημάτων για εργαλειομηχανές και μηχανές.
- Για την κατασκευή οδικών πινακίδων, οδικών πινακίδων.
Όλοι πρέπει να γνωρίζουν το όνομα του κράματος αλουμινίου και χαλκού. Το Dural χρησιμοποιείται επίσης στη βιομηχανία πετρελαίου. Έτσι, οι ειδικοί σωλήνες που κατασκευάζονται από αυτό μπορούν να εξασφαλίσουν τη λειτουργία του φρεατίου για 6-7 χρόνια.
Ποιο είναι το όνομα του κράματος αλουμινίου και χαλκού, που είναι εύκολο να θυμάστε. Έτσι, είπαμε τι ιδιότητες έχει και πού χρησιμοποιείται. Μπορεί εύκολα να αντικαταστήσει το έλασμα χάλυβα, ειδικά εάν είναι απαραίτητο να γίνει η κατασκευή ελαφριά.
