Дюралюминий – что это за сплав, его состав и температура плавления

Дюралюминий – это группа сплавов на базе алюминия с добавками легирующих элементов (медь, магний, марганец и пр.). Название Dural происходит от одноимённой торговой марки. Так был назван один из первых алюминиевых сплавов, который подвергался термической обработке с последующим старением. Сплав был разработан немецким инженером-металлургом Альфредом Вильмом в 1903 году. С момента открытия дюралюминия, до его серийного производства на металлургическом заводе, в немецком городе Дюрен, прошло 6 лет. В 1909 году на рынок вышел новый продукт под маркой «дюралюминий». В России с начала ХХ века это название обозначает целую группу сплавов на основе алюминия. В русском языке могут встречаться различные варианты — «дюралюмин», «дюраль», «дуралюминий».

Дюралюмины, дюрали, дуралюмины – главной легирующей добавкой этих сплавов является медь. Базовый состав сплава выглядит таким образом:

• Основная часть – алюминий (90-94%);
• Медь 3,5-5,5%;
• Магний 0,5-0,8%;
• Марганец 0,6%;
• Примеси — кремний, железо, цинк и пр.

Дюраль отличается:

• Повышенной прочностью;
• Малым удельным весом;
• Высокой термоустойчивостью.

Уникальные физико-механические и технологические свойства сделали дюралюминий одним из самых востребованных конструкционных материалов в мире, пригодным для применения во многих сферах производства. В процессе проката дюралю можно придать различные свойства – сделать его прочным и жёстким или мягким и пластичным.

История открытия дюралюминия

Уникальные свойства соединения были обнаружены в 1903 г. немецким инженером, работавшим в немецком г. Дюрен. От названия города произошел термин «дюралюминий». Получившийся сплав металлов отличался повышенной прочностью и небольшим весом, а также другими полезными свойствами.

В 1911 г. на выставке в Санкт-Петербурге дюраль получил серебряную медаль как один из лучших материалов для создания летательных аппаратов.

Наиболее востребованным этот металл стал во время Великой Отечественной войны. Из него изготавливали детали для оружия, самолетов и танков.

С течением времени состав дюраля совершенствовался, появлялись новые виды сплава.

Применение дюралюминия

Вскоре после создания, дюраль стали использовать в авиации. Изначально из него изготавливали каркасы для дирижаблей, а с 1920 года он стал главным материалом в авиастроении. Сфера применения дюралюминия, на сегодняшний день, значительно шире. Металл дюралюминий устойчив к экстремальным температурам, что делает его незаменимым для производства самолётов и высокоскоростных поездов. Дюраль пускают на обшивку, внутренние узлы и крепежи (болты, прутки, заклёпки). Этот конструкционный материал имеет высокие показатели прочности и износостойкости, легко поддаётся как холодной, так и термообработке. В силу таких показателей и относительно легкого веса, дюралюминий востребован в авиации, космонавтике, строительстве; при производстве военной техники, автомобилей и судов; для изготовления оборудования в пищевой и лёгкой промышленности. Дюралюминиевые трубы используются в фармакологической и химической промышленности, для создания лёгких каркасных конструкций. Сварку дюралюминия можно производить в любых условиях. Дюралюминиевый прокат применяют при строительстве трубопроводов, прокладке различных коммуникаций. В итоге плавления дюралюминия получается фольга 0,2 мм. Это отличный изоляционный материал, который идет на обёртку строительных товаров, кондитерских изделий (конфет, шоколада) и пр.

Цена на дюраль за 1 кг. зависит от мировых биржевых котировок. Сейчас в мире производят порядка 60 000 тонн дюрали. По объемам производства Россия занимает второе место, после Китая.

Технология производства

Для получения дюралюминия сначала смешивают шихту — гранулы различных металлов, которые будут сплавляться в единый состав. Затем смесь нагревают до температуры +500°C и резко охлаждают водой или селитрой до комнатной температуры — закаливают.

Промышленное получение дюралюминия основано на использовании электричества огромной мощности.

После этого в большинстве случаев производят т. н. «искусственное старение» полученного сплава. Эта операция заключается в дополнительной выдержке металла при повышенной температуре в течение длительного времени, например, при +150…+200°С в течение 2 часов (все условия зависят от марки соединения и требуемых качеств). Процесс старения проводят для приобретения дюралюминием особой прочности. Без него сплав характеризуется мягкостью, податливостью.

После изготовления состав может покрываться защитной пленкой, предохраняющей от коррозии.

Промышленное получение

В целях промышленного производства сплава применяют электроэнергию большой мощности.

Чтобы получить дюраль делают соединение (шихту) — это частицы разных металлов, позже их будут сплавлять в однородный материал. После этого компонент нагревается до уровня +500° C, затем резко охлаждается при помощи воды или селитры. Когда температура дюралевой заготовки дойдет до показателей комнатной — делают закаливание.

Интересное: Что такое поверхностная закалка стали

Вслед за этим чаще всего используют так называемое «искусственное старение», изготовленного компонента. Для этого производится дополнительная выдержка материала при большой температуре в течение долгого периода: около 2 часов при +…+200° С. Процесс проводится с учетом марки смеси и необходимых свойств. Процедура старения проводится в целях получения дюралем высокой прочности. Если этот процесс не применять, металл будет мягким и податливым.

После формирования, компонент иногда покрывают защитным веществом, которое защищает от коррозии.

Дюралюминий: состав

Основная часть сплава — алюминий. Доля этой составляющей может доходить до 94% от общей массы. Следующий компонент, присутствующий чаще других — медь. Вес остальных добавок — марганца, магния, железа и других — невелика.

Это интересно: Что такое термическая обработка металлов и сплавов

Пример состава часто применяемого дюралюминия марки Д16:

• алюминий — 93-94%;
• медь — 3,8-4,9%;
• легирующие сплавы — 1,5-2%.

Химический состав дюралюминия.

Виды и характеристики сплавов

С течением времени состав дюрали совершенствовался, появились новые виды сплавов. Они различаются между собой, как составом примесей, так и способом обработки. Самая популярная марка Д16 заслужила широкое распространение благодаря оптимальному соотношению цены и качества. Дюралюминий Д16 имеет следующий химический состав:

• Алюминий (Al) – 91-94,7% от общей массы;
• Медь (Cu) – 3,8-4,9%;
• Кремний (Si) и железо (Fe) – по 0,5%;
• Цинк (Zn) – не более 2,5%;
• Магний (Mg) – 1,8%;
• Хром (Cr) — 0,1%;
• Марганец (Mn) – 0,9%;
• Титан (Ti) – 0,1%.

Исходя из дополнительных компонентов и способов термической обработки, различают несколько типов соединений:

Al+Cu+Mg (дюралюмин). Типичным дюралюмином считается сплав Д1. Данный вид превосходит по жаропрочности многие высокопрочные алюминиевые сплавы, при этом склонен к образованию кристаллизационных трещин и нуждается в дополнительной защите от коррозии. Конструкционные дюралюминиевые сплавы Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17 упрочняются термической обработкой, характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности.

Al+Mg+Si (авиаль). Легирование алюминия магнием и кремнием повысило коррозийную стойкость сплава. После расплавления основы и добавления легирующих компонентов сплав проходит термообработку при температуре около 500 градусов Цельсия и резкое охлаждение до двадцати градусов, с естественным старением на протяжении нескольких суток. Благодаря такой обработке данный сплав можно эксплуатировать под напряжением и в условиях повышенной влажности.

АМг5, АМг6 – сплавы алюминия с магнием (магналии), характеризуются высокой коррозийной стойкостью (даже в морской воде), пластичностью, отличной свариваемостью. Они легко поддаются механической обработке, сварочным и паяльным работам, хорошо полируются.

Свойства дюралюминия

Отличные свойства дюралюминия делают его пригодным для применения во многих сферах производства, изготовления деталей, изоляции.

Физико-механические

Особенностью дюралюминия является его легкость при повышенной прочности и термоустойчивости. Так, удельный вес этого металла составляет 2,8 г/м³, тогда как у стали этот показатель равен 8 г/м³. Температура плавления дюралюминия — +500°С.

Недостатком сплава является повышенная склонность к коррозии в результате воздействия повышенной температуры или нагрузки.

Технологические

Отличительное свойство дюралюминия представляет легкость его производства. Этот сплав можно сделать даже в бытовых условиях: например, в гараже. Его не нужно нагревать до экстремальных температур. Благодаря несложной технологии изготовления этот металл относительно дешевый.

Процедуру литья дюралюминия можно провести в домашних условиях.

Технологические свойства дюрали

В зависимости от химического состава и применяемого метода изготовления технологические свойства дюрали могут существенно отличаться. ГОСТа именно для этого металла пока нет.

Сразу после появления дюралюминия его назвали самым подходящим материалом для строительства дирижаблей и самолетов.

Среди технологических свойств следует отметить нижеприведенные моменты:

1. Низкая стоимость, которая обуславливается простой технологией производства. Тот момент, что компоненты не нужно разогревать до экстремально высоких температур определяет существенное удешевление материала. Также на стоимости благоприятно отражается возможность проведения производства в обычной среде.
2. Небольшой вес. Рассматривая химический состав можно отметить, что большая часть состава представлена алюминием. Этот металл известен своей легкостью.
3. Высокие показатели температуры плавления позволили использовать сплав дюраль при производстве различных элементов самолетов и другой техники. Температура плавления дюралюминия около 650 градусов Цельсия. При этом обычный алюминий плавится уже при более низких температурах, что приводит к изменению основных технологических качеств и деформации изделий.
4. Плотность дюралюминия составляет 2,5 грамма на кубический сантиметр (у стали на каждый кубический сантиметр приходится 8 грамм). Именно этот показатель определяет существенно снижение веса изготавливаемых деталей. Данный показатель может варьироваться в относительно небольшом диапазоне, достигать значения 2,8 грамм на кубический сантиметр.
5. Статическая прочность дюралюминия достаточно высока, что определяет устойчивость к разовой нагрузке. Именно поэтому сплав применяется при изготовлении различных ответственных деталей. Проведенные исследования указывают на то, что разрушить подобный материал довольно сложно.

Однако есть и один недостаток – относительно невысокая устойчивость к воздействию повышенной влажности. Разрушение сплава блокируют путем нанесения защитного покрытия, что несколько повышает стоимость сплава.

Детали из дюрали

Дюралюминий Д16 получил достаточно широкое распространение. Отличные эксплуатационные качества он демонстрирует при температуре не выше 250 градусов Цельсия. Стоит учитывать, что уже при температуре 80 градусов Цельсия появляются признаки образования межкристаллической коррозии.

В последнее время в чистом виде дюралюминий практически не применяется. Это связано не только с высокой вероятностью появления коррозии, но и другими недостатками алюминиевого сплава. Для повышения эксплуатационных качеств сегодня выполняют следующее улучшение:

1. Закалку в естественных условиях. При маркировке указывается буква «Т».
2. Выполняют процедуру искусственного старения, что также отражается на маркировке «Т1».
3. Анодирование и покрытие поверхности специальными лаками (в маркировке указывают букву «А»).

Снижение коррозионной стойкости происходит не только по причине повышения температуры, но и механического воздействия. Именно поэтому уделяется внимание дополнительным процедурам увеличения эксплуатационных качеств.

Более высокими эксплуатационными качествами обладает сплав под названием ВД95. Кроме этого, данная разновидность сплава проходит процедуру старения, за счет чего существенно повышается потенциал этой разновидности дюралюминия.

Разновидности сплавов

В зависимости от области применения и необходимости приобретения нужных характеристик в сплав добавляют различные вещества.

Чтобы избежать коррозии, металл анодируют, т.е. покрывают специальной пленкой.

Все типы дюраля можно разделить на:

• закаленные, имеющие в составе обозначения букву «Т»;
• прошедшие этап искусственного старения — в обозначении стоит «Т1»;
• анодированные — с буквой «А» в названии марки.

В зависимости от формулы и термообработки меняются свойства соединений. Широко применяются сплавы:

1. Алюминий+медь+магний с добавками марганца. Примерами могут служить сплавы марок Д1, Д16. Эти соединения называют «дюралюмин». Они не защищены от коррозии и требуют дополнительного покрытия.
2. Алюминий+магний или марганец. Помимо устойчивости к коррозии, такой состав позволяет производить сварку. Сплав называется «магналий».
3. Алюминий+магний+кремний. Материал защищен от коррозии. Его используют при повышенной влажности, в условиях прохождения электрического тока. Он называется «авиаль».

Химический состав сплава

Основными компонентами сплава, которые придают ему особые эксплуатационные качества, являются: Cu, Mn, Mg. Включение в состав сплава других составляющих, может влиять на его механические и технологические свойства. При несоблюдении пропорций, сплав становится хрупким, теряет пластичность, обретает склонность к появлению трещин. Содержание и процент примесей необходимо строго контролировать.

• При увеличении в сплаве меди до 12% его прочностные свойства возрастают за счёт механизма дисперсионного упрочнения;
• Наличие циркония отрицательно влияет на устойчивость сплава к коррозии, а бериллий препятствует его окислению и повышает прочность материала;
• Кремний увеличивает склонность к образованию трещин при сварке и литье, понижает пластичность заклёпок. Железо в сплаве поможет нейтрализовать эти негативные факторы, если будет в 1,5 раза превышать содержание кремния;
• Литий уменьшает плотность, но повышает модуль упругости;
• Добавление хрома позволяет повысить температуру рекристаллизации;
• Титан и бор применяют в качестве модифицирующих компонентов для измельчения зерна литого металла.

Состав сплава может меняться в зависимости от назначения материала и технологии производства.

Сферы применения

Из дюралюминия делают листы, прутки, плиты, проволоку. Эти материалы используют для изготовления различных деталей.

Это интересно: Что такое термическая обработка металлов и сплавов

Основные области применения:

1. Авиатехника. Важным направлением является применение дюраля в самолетостроении и постройке других летательных аппаратов — космических ракет, дирижаблей. Из этого состава делают обшивку, детали рулевой тяги, силовые элементы и т.п.
2. Строительство. В этой отрасли широко используются листы, трубы, уголки и пр.
3. Автомобилестроение. Из сплава изготавливают кузова, радиаторы и другие детали.
4. Буровая промышленность. Из дюралюминия делают круги, буры и пр.

Дюралюминий часто используется в быту, например, в виде фольги для выпечки или обертки конфет.

Немного истории

Дюралюминий разработан немецким ученым Вильмом в 1903-ем. Металлург попросту смешал алюминий, медь, кремний. С этого момента до начала серийного производства прошло всего 6 лет. В 1911 году дюралюминий стали применять строительства воздушных судов, в частности, дирижаблей и тяжелых бомбардировщиках. Малый вес конструкций при сопоставимой с прочностью стали позволил уменьшить массу летательных аппаратов в 2 — 3 раза. Это привело к резкому развитию авиационной промышленности.

Основные свойства этих сплавов

В базовый состав сплава входят следующие вещества:

• медь — до 0,5%;
• марганец до 0,5%;
• магний до 1,2%;
• кремний и многие другие.

Изменяя пропорции используемых веществ можно изменять и свойства дюралюминия.

Прочность дюралюминия достигает — до 500 МПа под действием временных нагрузок и 250 — 300 при стандартных нагружениях, (прочность чистого алюминия — 70-80 МПа). Этот параметр сделал дюрали материалом, используемым во многих областях промышленности в том числе и высокотехнологичных. Сплав алюминия с некоторыми элементами, в определенных пропорциях, изменяет полученного сплава.

Благодаря компонентам, применяемым в производстве дюралюминия он приобретает ниже приведенные свойства:

• прочность, которая сопоставима с определёнными марками стали;
• высокая стойкость к температурному воздействия. материал начинает плавиться при температуре 650 ºC.
• повышенная электропроводность. это происходит из-за наличия меди.
• дюраль хорошо переносит прокат как по горячей, так и по холодной технологии.

Высокие технологические свойства дюралюминия, привели к высокому спросу на него. В мире производят порядка 60 000 тысяч тонн, из которого почти половину (свыше 30 000 тысяч тонн) изготавливают на территории КНР. Россия занимает второе место об объёмам производства, металлургические заводы получают 3 580 тыс. тонн.

Особенности производства

Производства дюраля, как и большинства сплавов, сопряжено с рядом сложностей. Получение дюраля происходит последовательно. На первом этапе получают технический алюминий и только потом в него начинают вносить добавки, формирующие его свойства. На втором этапе, получений первичный дюраль проходит через термический отжиг, производимый при 500 ºC. Такой режим обработки обеспечивает гибкость и мягкость металла. Для повышения прочности дюраль проходит через операцию старения.

Отечественная и иностранная промышленность освоила выпуск следующих видов проката:

• листы и полосы разного типоразмера ГОСТ 21631-76;
• прутки круглые и многогранные по ГОСТ 21488-97;
• трубы разного диаметра и разной толщиной стенок ГОСТ 18475-82 и ГОСТ 18482-79;
• профили различной формы сечения.

Отличие дюралюминия от алюминия

Дюраль имеет характерный серый цвет. Но его основные отличия от алюминия — отсутствие пластичности, твердость и хрупкость. Сплав невозможно согнуть, сделать вмятину. Стружка из дюраля хрупкая и ломкая. Поцарапать его легко, при рассмотрении повреждения видна мелкокристаллическая структура материала.

Более точно вид металла можно определить, капнув на него едким натрием. Если через 10 минут пятно потемнело — это дюралюминий.

Алюминий и дюраль отличаются друг от друга химическим составом.

Нормативная база

В нашей стране существует несколько ГОСТ, которые нормируют требования к алюминию и его сплавов. Один из них — это ГОСТ 4784-97 Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки (с Изменениями N 1, 2, 3, с Поправками). Он распространяется на алюминий и сплавы из него, которые предназначены для получения полуфабрикатов различного типа и форм.

В частности, ГОСТ определяет соотношение алюминия и остальных компонентов. В этом же документе указаны требования.

Кстати, в этом же документе можно найти и наименование иностранных аналогов, например,

Д16 можно заменить на AlCu4Mg1, а Д16ч на сплав 2124.

В документах, которые предоставляет производитель, в обязательном порядке должны быть указаны не только марка готовой продукции но и ее химический состав.

Преимущества и недостатки

Существенное достоинство дюралюминия — меньший, чем у стали вес, несмотря на прочность этого материала. Это позволяет использовать его при изготовлении автомобилей, самолетов, ракет для облегчения конструкции.

Важным свойством дюраля является высокая термостойкость, что способствует его применению при производстве радиаторов.

Дюралюминий более устойчив к вибрациям, чем сталь. Благодаря этому он широко используется при изготовлении бурового оборудования.

Это интересно: Что такое термическая обработка металлов и сплавов

Среди недостатков — высокая чувствительность к коррозии. Не все типы дюраля пригодны для сварки.