Где применяются алюминиевые сплавы?

Самым первым алюминиевым сплавом был дюралюминий. Это сплав алюминия с медью, марганцем и магнием. Альфред Вильм (Alfred Wilm), сотрудник немецкого металлургического завода «Durener Metallwerke AG», в 1903 году установил, что сплав алюминия с 4% меди, если его резко охладить, а потом дать несколько дней, чтобы «набрать прочность», становился значительно прочнее, сохраняя при этом пластичность алюминия.

В 1909 году Вильм получил патент на этот сплав алюминия, а его фирма, купив у него лицензию, вышла на мировой рынок с новым продуктом, который получил свое название от названия фирмы «Durener Metallwerke AG».

Сплавы

К настоящему времени существует много сплавов алюминия, используемых в различных сферах, для очень различных механизмов. Объединяет их, по сравнению с различными видами сталей, легкость, сопровождаемая и большой прочностью, и простотой обработки материала.

Алюминиево-магниевые (Al-Mg) — такие сплавы устойчивы к коррозии, пластичны и хорошо свариваются, при этом — достаточно прочны. Магния в таких сплавах от 1% до 5%, причем каждый добавочный процент магния означает значительное увеличение прочности сплава. Увы, когда магния больше 6%, у сплава резко падает устойчивость к коррозии.

Алюминиево-марганцевые (Al-Mn) сплавы обладают целым букетом полезных свойств. При том что они, как все алюминиевые сплавы, легки, они еще и прочны, устойчивы к коррозии, пластичны и легко поддаются сварке.

Алюминиево-медные (Al-Cu-Mg) сплавы после термоупрочнения превосходят некоторые типы сталей. Они легко поддаются механической обработке, однако подвержены коррозии, потому для их использования необходимы защитные покрытия.

Сплавы системы Al-Cu-Si называются аэронами, или алькусинами (Al-Cu-Si). Это антифрикционные сплавы, их используют в подшипниках.

Сплавы системы Al-Zn-Mg сочетают высокую прочность и хорошую обрабатываемость. Поскольку сплав еще и легок по сравнению со сталями, такое сочетание делает его незаменимым в тех механизмах, где необходимы легкость и прочность. Увы, этот сплав крайне подвержен коррозии, но дефект удается сильно уменьшить добавлением в сплав меди.

Алюминиево-кремниевые сплавы, или силумины, широко применяются при литье, у них очень маленькая усадка. Из них льют корпуса механизмов и приборов, их широко применяют в художественном литье: легче, чем сталь, красивее литого чугуна, хорошо противостоит коррозии.

В 30−40 годы XX столетия широко применялся альклед (Аlclad), изобретенный в фирме Alcoa. Это дюралюминий, покрытый с обеих сторон чистым алюминием. Такой «сэндвич» обладал прочностью дюраля, но при этом был столь же коррозионно устойчив, как и алюминий.

Во время испытаний лист алькледа обдували соленым воздухом в течении 24 недель, не вызвав ни малейших признаков коррозии. После испытаний было выявлено, что и прочность материала осталась такой же, как была до проверки. Из него делали дирижабли и самолеты, пока не появились более дешевые сплавы металлов с аналогичными свойствами.

Изделия

Сплавы алюминия используются везде, где нужна прочность в сочетании с легкостью. Именно поэтому вплоть до настоящего времени дюралюминий и другие сплавы алюминия широко используются в авиастроении. Алюминиевые детали в кузовах и двигателях автомобилей несколько удорожают их (в сравнении со сталями), но делают легче, а часто и надежней в эксплуатации. Алюминиевые сплавы — легкие и надежные подшипники.

Начиная с 1960-х годов для легких танков, самоходок, БМП, БМД стали применять алюминиевую броню. Броневые военные машины получались значительно легче (чем если бы их броню делали из стали) и были надежно защищены от осколков снарядов и пуль тяжелых пулеметов или даже снарядов легкой артиллерии.

В США в 1966 году был создан легкий танк М551 «Шеридан», корпус которого был защищен алюминиевой броней. Ее не пробивала ЗУ-23 даже при стрельбе практически в упор.

Алюминиевая броня толщиной до 45 мм защищает от осколков тяжелых снарядов и бронебойных пуль калибра до 12.7 мм даже на расстоянии от 75 метров. А броня толщиной 50−70 мм и выше защищает даже от бронебойных пуль калибра 14.5 мм и снарядов калибром до 30 мм. При этом она намного легче стальной брони, а в случае ее пробивания, в отличие от стальной, не дает внутри танка большого количества осколков.

Конфликты в Сирии, Ираке и Афганистане подтвердили востребованность алюминиевой брони. Если от бронебойного снаряда большого калибра не защищает даже стальная броня, то от пуль тяжелых пулеметов может прикрыть и броня алюминиевая — при этом боевая машина с такой защитой меньше весит, а значит значительно более мобильна и попасть в нее труднее.

Современные технологии позволяют сделать из сплава алюминия и магния пенометалл — фомалюм. Пенометаллы имеют низкую плотность (до 50 кг/м³), но при этом очень низкую теплопроводность, высокое шумопоглощение и жесткость. Часто металлическая основа составляет от 5 до 25% объема, остальное — газ.

Пенометаллы с открытыми порами (иначе — металлическая губка) используют как катализаторы, кроме этого — в теплообменниках; еще они работают высокотемпературными фильтрами.

Лет 50 назад научились делать пенометаллы с закрытыми порами, технология их производства весьма сложна, потому они очень дороги. Их используют в качестве ударопоглощающего материала (очень эффективного, но, увы, одноразового), например — в мотоциклетных шлемах. Из них даже делают броню — их пулестойкость больше, чем у монолитной алюминиевой пластины той же толщины.

Вот только стоимость пенометаллов бывает весьма высокой. Получают их или при помощи методов порошковой металлургии, или при помощи специальных вспенивателей, вводимых в расплав.

Разработка новых алюминиевых сплавов продолжается. В 2019 году ученые из научно-исследовательского центра при университете МИСиС разработали новый сплав алюминий-никель-лантан. Прочность при растяжении этого сплава составляет более 250 МПа. Он представляется очень перспективным для применения в автомобиле- и авиастроении.

Полагаю, что исследователи и в дальнейшем будут продолжать эксперименты, пытаясь создать дешевые, легкие, прочные и технологичные в работе сплавы. Уверен, что результат их исследований нас всех еще удивит.