Нержавіюча сталь чи алюміній? Алюміній сплави та марки Алюміній яка сталь

Сьогодні алюміній використовується практично у всіх галузях промисловості, починаючи з виробництва харчового посуду та закінчуючи створенням фюзеляжів космічних кораблів. Для тих чи інших виробничих процесів підходять лише певні марки алюмінію, які мають певні фізико-хімічні властивості.

Головні властивості металу - висока теплопровідність, ковкість та пластичність, стійкість до утворення корозії, невелика вага та низький омічний опір. Вони знаходяться у прямій залежності від відсоткового вмісту домішок, що входять до його складу, а також від технології одержання або збагачення. Відповідно до цього виділяють основні марки алюмінію.

Види алюмінію

Всі марки металу описані та внесені до єдиної системи визнаних національних та міжнародних стандартів: Європейських EN, Американських ASTM та міжнародних ISO. У нашій країні марки алюмінію визначені ГОСТом 11069 та 4784. У всіх документах розглядаються окремо. При цьому сам метал підрозділяється саме на марки, а сплави не мають певних знаків.

Відповідно до національних та міжнародних стандартів, слід виділити два види мікроструктури нелегованого алюмінію:

• високої чистоти із відсотковим вмістом понад 99,95%;
• технічної чистоти, що містить близько 1% домішок та добавок.

Як домішки найчастіше розглядають сполуки заліза та кремнію. У міжнародному стандарті ISO для алюмінію та його сплавів виділено окрему серію.

Марки алюмінію

Технічний вид матеріалу ділиться на певні марки, які закріплені за відповідними стандартами, наприклад, АД0 за ГОСТ 4784-97. При цьому класифікацію входить і метал високої частоти, щоб не створювати плутанину. Ця специфікація містить такі марки:

1. Первинний (А5, А95, А7Е).
2. Технічний (АД1, АД000, АДС).
3. Деформується (АМг2, Д1).
4. Ливарний (ВАЛ10М, АК12пч).
5. Для розкислення сталі (АВ86, АВ97Ф).

Крім того, виділяють і категорії лігатури – сполуки алюмінію, які використовуються для створення сплавів із золота, срібла, платини та інших дорогоцінних металів.

Первинний алюміній

Первинний алюміній (марка А5) – типовий приклад цієї групи. Його одержують шляхом збагачення глинозему. У природі метал у чистому вигляді не зустрічається через його високу хімічну активність. Поєднуючись з іншими елементами, він утворює боксити, нефеліни та алуніти. Згодом із цих руд одержують глинозем, а з нього за допомогою складних хіміко-фізичних процесів – чистий алюміній.

ГОСТ 11069 встановлює вимоги до марок первинного алюмінію, які слід відзначити шляхом нанесення вертикальних і горизонтальних смуг фарбою, що не змивається, різних кольорів. Даний матеріал знайшов широке застосування у передових галузях промисловості, головним чином там, де від сировини потрібні високі технічні характеристики.

Технічний алюміній

Технічним алюмінієм називають матеріал із відсотковим вмістом сторонніх домішок менше 1%. Дуже часто його також називають нелегованим. Технічні марки алюмінію згідно з ГОСТ 4784-97 характеризуються дуже низькою міцністю, але високою антикорозійною стійкістю. Завдяки відсутності у складі легуючих частинок на поверхні металу швидко утворюється захисна плівка, яка відрізняється стійкістю.

Марки технічного алюмінію відрізняються і гарною тепло- та електропровідністю. У їх молекулярних ґратах практично відсутні домішки, які розсіюють потік електронів. Завдяки цим властивостям матеріал активно використовується у приладобудуванні, при виробництві нагрівального та теплообмінного обладнання, предметів освітлення.

Деформований алюміній

До алюмінію, що деформується, відносять матеріал, який піддають гарячій і холодній обробці тиском: прокатці, пресування, волочення та інших видів. В результаті пластичних деформацій з нього одержують напівфабрикати різного поздовжнього перерізу: алюмінієвий пруток, лист, стрічку, плиту, профілі та інші.

Основні марки деформованого матеріалу, використовуваного на вітчизняному виробництві, наведені в нормативних документах: ГОСТ 4784, OCT1 92014-90, OCT1 90048 і OCT1 90026. Характерною особливістю деформованої сировини є тверда структура розчину з великим вмістом евтек двома або твердішими станами речовини.

Область застосування алюмінію, що деформується, як і та, де застосовується алюмінієвий пруток, досить велика. Він використовується як в областях, що вимагають високих технічних характеристик від матеріалів - в кораблі-і літакобудуванні, так і на будівельних майданчиках як сплав для зварювання.

Ливарний алюміній

Ливарні марки алюмінію використовуються для виготовлення фасонних виробів. Їх головною особливістю є поєднання високої питомої міцності та низької щільності, що дозволяє відливати вироби складних форм без утворення тріщин.

Відповідно до свого призначення, ливарні марки умовно поділяються на групи:

1. Високогерметичні матеріали (АЛ2, АЛ9, АЛ4М).
2. Матеріали з високою міцністю та жаростійкістю (АЛ 19, АЛ5, АЛ33).
3. Речовини із високою антикорозійною стійкістю.

Дуже часто експлуатаційні характеристики виробів із ливарного алюмінію підвищують різними видами термічної обробки.

Алюміній для розкислення

На якість виробів впливає і те, які має алюміній фізичні властивості. І застосування низькосортних сортів матеріалу не обмежується створенням напівфабрикатів. Найчастіше він використовується для розкислення сталі - видалення з розплавленого заліза кисню, який розчинений у ньому і тим самим підвищує механічні властивості металу. Для проведення цього процесу найчастіше застосовуються марки АВ86 та АВ97Ф.

Вибираючи металовироби – сушки для рушників і перила, посуд і огородження, решітки або поручні – ми вибираємо, в першу чергу, матеріал. Традиційно конкуруючими вважаються нержавіюча сталь, алюміній та звичайна чорна сталь (вуглецева). Володіючи подібними характеристиками вони, тим не менш, істотно відрізняються один від одного. Має сенс порівняти їх і розібратися, що краще: алюміній або нержавіюча сталь(чорна сталь, через низьку корозійну стійкість, розглядатися не буде).

Алюміній: характеристики, переваги, недоліки

Один із найлегших металів, що в принципі використовуються в промисловості. Дуже добре проводить тепло, не схильний до кисневої корозії. Алюміній випускається кількох десятків видів: кожен зі своїми добавками, що збільшують міцність, стійкість до окиснення, ковкість. Однак, за винятком дуже дорогого авіаційного алюмінію, всім їм притаманний один недолік: надмірна м'якість. Деталі цього металу легко деформуються. Саме тому неможливе використання алюмінію там, де під час експлуатації на виріб впливає великий тиск (гідроудари в системах водопостачання, наприклад).

Стійкість до корозії у алюмініюдещо завищена. Так, метал не «прогниє». Але тільки за рахунок захисного шару з оксиду, який на повітрі утворюється на виробі за лічені години.

Нержавіюча сталь

Сплав практично не має недоліків – окрім високої ціни. Він не боїться корозії не теоретично, як алюміній, а практично: на ньому не з'являється оксидної плівки, а значить, згодом. нержавіюча сталь» не тьмяніє.

Трохи важча, ніж алюміній, нержавіюча сталь чудово справляється з ударними впливами, високим тиском та стиранням (особливо марки, в яких є марганець). Теплопередача у неї гірша, ніж у алюмінію: але завдяки цьому метал не потіє, на ньому менше конденсату.

За підсумками порівняння стає ясно – для виконання завдань, де потрібна мала вага металу, міцність та надійність, нержавіюча сталь краще, ніж алюміній.

В даний час найбільш поширеними на російському ринку системи НВФ можна розділити на три великі групи:

• системи з підлицювальною конструкцією з алюмінієвих сплавів;
• системи з підлицювальною конструкцією з оцинкованої сталі з полімерним покриттям;
• системи з підлицювальною конструкцією з нержавіючої сталі.

Найкращі міцнісні та теплофізичні показники, безумовно, мають підлицювальні конструкції з нержавіючої сталі.

Порівняльний аналіз фізико-механічних властивостей матеріалів

*Властивості нержавіючої та оцинкованої сталі відрізняються незначно.

Теплотехнічні та міцнісні характеристики нержавіючої сталі та алюмінію

1. Враховуючи в 3 рази меншу несучу здатність та в 5,5 разів більшу теплопровідність алюмінію, кронштейн із алюмінієвого сплаву є сильнішим "мостом холоду", ніж кронштейн із нержавіючої сталі. Показником цього є коефіцієнт теплотехнічної однорідності огороджувальної конструкції. За даними досліджень коефіцієнт теплотехнічної однорідності огороджувальної конструкції при застосуванні системи з нержавіючої сталі становив 0,86-0,92, а для алюмінієвих систем він дорівнює 0,6-0,7, що змушує закладати більшу товщину утеплювача і, відповідно, збільшувати вартість фасаду .

Для м. Москви необхідний опір теплопередачі стін з урахуванням коефіцієнта теплотехнічної однорідності становить нержавіючий кронштейн - 3,13/0,92=3,4 (м2.°C)/Вт, для алюмінієвого кронштейна - 3,13/0,7= 4,47 (м 2 .°C)/Вт, тобто. на 1,07 (м 2 .°C)/Вт вище. Звідси при використанні алюмінієвих кронштейнів товщина утеплювача (з коефіцієнтом теплопровідності 0,045 Вт/(м.°C) повинна прийматися майже на 5 см більше (1,07*0,045=0,048 м)).

2. Через більшу товщину та теплопровідність алюмінієвих кронштейнів за розрахунками, проведеними в НДІ Будівельної фізики, при температурі зовнішнього повітря -27 °C температура на анкері може опускатися до -3,5 °C і навіть нижче, т.к. у розрахунках площа поперечного перерізу алюмінієвого кронштейна приймалася 1,8 см 2 тоді як реально вона становить 4-7 см 2 . При застосуванні кронштейна з нержавіючої сталі температура на анкері склала +8 °C. Тобто, при застосуванні алюмінієвих кронштейнів анкер працює в зоні знакозмінних температур, де можлива конденсація вологи на анкері з наступним замерзанням. Це буде поступово руйнувати матеріал конструктивного шару стіни навколо анкера і відповідно знижувати його здатність, що несе, що особливо актуально для стін з матеріалу з низькою несучою здатністю (пінобетон, пустотіла цегла та ін.). При цьому теплоізоляційні прокладки під кронштейн через їх малу товщину (3-8 мм) і високу (щодо утеплювача) теплопровідність знижують втрати втрати всього на 1-2 %, тобто. практично не розривають "міст холоду" і мало впливають на температуру анкера.

3. Низьке температурне розширення напрямних. Температурні деформації алюмінієвого сплаву у 2,5 рази більші, ніж нержавіючої сталі. Нержавіюча сталь має нижчий коефіцієнт температурного розширення (10 10 -6 °C -1) порівняно з алюмінієм (25 10 -6 °C -1). Відповідно подовження 3-метрових напрямних при перепаді температур від -15 °C до +50 °C становитиме 2 мм для сталі та 5 мм для алюмінію. Тому для компенсації температурного розширення алюмінієвої напрямної необхідна ціла низка заходів:

а саме - введення в підсистему додаткових елементів - рухомих санок (для П-подібних кронштейнів) або овальних отворів із втулками для заклепок - не жорстка фіксація (для L-образних кронштейнів).

Це неминуче призводить до ускладнення та подорожчання підсистеми або неправильного монтажу (оскільки часто буває, що монтажники не використовує втулки або неправильно фіксує вузол з додатковими елементами).

В результаті цих заходів вагове навантаження припадає тільки на несучі кронштейни (верхній і нижній), а інші служать лише як опора, а це означає, що анкери навантажені не рівномірно і це обов'язково потрібно враховувати при розробці проектної документації, що часто просто не роблять. У сталевих системах все навантаження розподіляється рівномірно - всі вузли жорстко зафіксовані - незначні температурні розширення компенсуються з допомогою роботи всіх елементів на стадії пружної деформації.

Конструкція кляммера дозволяє робити зазор між плитами в системах з нержавіючої сталі від 4 мм, тоді як в алюмінієвих системах - не менше 7 мм, що не влаштовує багатьох замовників і псує зовнішній вигляд будівлі. Крім того, клямер повинен забезпечувати вільне переміщення плит облицювання на величину подовження напрямних, інакше відбуватиметься руйнування плит (особливо на стику напрямних) або розгинання клямеру (і те, й інше може призвести до випадання плит облицювання). У сталевій системі немає небезпеки розгинання лапок клямера, що може з часом відбутися в алюмінієвих системах через великі температурні деформації.

Протипожежні властивості нержавіючої сталі та алюмінію

Температура плавлення нержавіючої сталі 1800 ° C, а алюмінію 630/670 ° C (залежно від сплаву). Температура при пожежі на внутрішній поверхні плитки (за результатами випробувань МООУ «Регіональний сертифікаційний центр «ДОСВІДНЕ») досягає 750 °C. Таким чином, при застосуванні алюмінієвих конструкцій може статися розплавлення підконструкції та обвалення частини фасаду (в зоні віконного отвору), а при температурі 800-900 ° С алюміній сам по собі підтримує горіння. Нержавіюча сталь при пожежі не плавиться, тому найкраща за вимогами пожежної безпеки. Наприклад - м. Москва під час будівництва висотних будівель алюмінієві підконструкції взагалі допускаються до застосування.

Корозійні властивості

На сьогоднішній день єдиним достовірним джерелом про корозійну стійкість тієї чи іншої підлицювальної конструкції, а відповідно і довговічності, є експертний висновок «ЕкспертКор-МІСіС».

Найбільш довговічними є конструкції із нержавіючих сталей. Термін служби таких систем становить не менше 40 років у міській промисловій атмосфері середньої агресивності та не менше 50 років в умовах умовно-чистої атмосфери слабкої агресивності.

Алюмінієві сплави, завдяки оксидній плівці, мають високу корозійну стійкість, але в умовах підвищеного вмісту в атмосфері хлоридів і сірки можливе виникнення міжкристалітної корозії, що швидко розвивається, що призводить до істотного зниження міцності елементів конструкції і їх руйнування. Таким чином, термін служби конструкції із алюмінієвих сплавів в умовах міської промислової атмосфери середньої агресивності не перевищує 15 років. Однак, за вимогами Росстрою, у разі застосування алюмінієвих сплавів для виготовлення елементів підконструкції НВФ, всі елементи обов'язково повинні мати анодне покриття. Наявність анодного покриття збільшує термін служби підконструкції із алюмінієвого сплаву. Але при монтажі підконструкції різні її елементи з'єднуються заклепками, навіщо свердляться отвори, що викликає порушення анодного покриття ділянці кріплення, т. е. неминуче створюються ділянки без анодного покриття. Крім того, сталевий осердя алюмінієвої заклепки спільно з алюмінієвим середовищем елемента становить гальванічну пару, що також веде до розвитку активних процесів міжкристалітної корозії у місцях кріплення елементів підконструкції. Варто відзначити, що найчастіше дешевизна тієї чи іншої системи НВФ з підконструкцією з алюмінієвого сплаву обумовлена ​​саме відсутністю анодного захисного покриття на елементах системи. Несумлінні виробники таких підконструкцій заощаджують на дорогих електрохімічних процесах анодування виробів.

Недостатню корозійну стійкість, з точки зору довговічності конструкції, має оцинкована сталь. Але після нанесення полімерного покриття термін служби підконструкції з оцинкованої сталі з полімерним покриттям складе 30 років за умов міської промислової атмосфери середньої агресивності, і 40 років за умов умовно-чистої атмосфери слабкої агресивності.

Порівнявши перелічені вище показники алюмінієвих і сталевих підконструкцій, можна зробити висновок - сталеві підконструкції за всіма показниками значно перевершують алюмінієві.

Опис алюмінію:Алюміній не має поліморфних перетворень, має грати гранецентрованого куба з періодом а=0,4041 нм. Алюміній та його сплави добре піддаються гарячій та холодній деформації — прокатці, ковці, пресуванні, волоченню, згинанні, листовому штампуванню та іншим операціям.

Усі алюмінієві сплави можна з'єднувати точковим зварюванням, а спеціальні сплави можна зварювати плавленням та іншими видами зварювання. Деформовані алюмінієві сплави поділяються на термічною обробкою, що зміцнюється і не зміцнюється.

Всі властивості сплавів визначають не тільки способом отримання напівфабрикату заготівлі та термічною обробкою, але головним чином хімічним складом та особливо природою фаз – зміцнювачів кожного сплаву. Властивості старіючих алюмінієвих сплавів залежать від видів старіння: зонного, фазового чи коагуляційного.

На стадії коагуляційного старіння (Т2 і ТЗ) значно підвищується корозійна стійкість, причому забезпечується найбільш оптимальне поєднання характеристик міцності, опору корозії під напругою, корозії, що розшаровує, в'язкості руйнування (К 1с) і пластичності (особливо у висотному напрямку).

Стан напівфабрикатів, характер плакування та напрямок вирізки зразків позначені наступним чином. Умовні позначення прокату з алюмінію:

М - М'який, відпалений

Т - загартований і природно зістарений

Т1 - загартований і штучно зістарений

Т2 - загартований і штучно зістарений за режимом, що забезпечує більш високі значення в'язкості руйнування і кращий опір корозії під напругою

ТЗ - загартований і штучно зістарений за режимом, що забезпечує найвищі опори корозії під напругою і в'язкість руйнування

Н - Нагартований (нагартовування листів сплавів типу дуралюмії приблизно 5-7%)

П - Напівнагартований

H1 - Посилено нагартований (нагартування листів приблизно 20%)

ТПП - загартований і природно зістарений, підвищеної міцності

ГК - Гарячекатані (листи, плити)

Б - Технологічне плакування

А - Нормальне плакування

УП - Потовщене плакування (8% на бік)

Д - Поздовжній напрямок (вздовж волокна)

П - Поперечний напрямок

В - Висотний напрямок (товщина)

X - Хордовий напрямок

Р - Радіальний напрямок

ПД, ДП, ВД, ВП, ХР, РХ - Напрямок вирізки зразків, що застосовується для визначення в'язкості руйнування та швидкості зростання тріщини втоми. Перша буква характеризує напрямок осі зразка, друга — напрямок площини, наприклад: ПВ — вісь зразка збігається з шириною напівфабрикату, а площина тріщини паралельна висоті або товщині.

Аналіз та отримання проб алюмінію: Руди.В даний час алюміній отримують лише з одного виду руди - бокситів. У бокситах, що зазвичай використовуються, міститься 50—60% А 12 Про 3 ,<30% Fe 2 О 3 , несколько процентов SiО 2 , ТiО 2 , иногда несколько процентов СаО и ряд других окислов.

Проби від бокситів відбирають за загальними правилами, звертаючи особливу увагу на можливість поглинання вологи матеріалом, а також різне співвідношення часток великих і дрібних частинок. Маса проби залежить від величини випробуваної поставки: від кожних 20 т необхідно відбирати у загальну пробу щонайменше 5 кг.

При відборі проб бокситу в конусоподібних штабелях від усіх великих шматків масою >2 кг, що лежать в колі радіусом 1 м, відколюють маленькі шматочки і відбирають у лопату. Об'єм, що бракує, заповнюють дрібними частинками матеріалу, взятими з бічної поверхні випробуваного конуса.

Відібраний матеріал збирають в судини, що щільно закриваються.

Весь матеріал проби подрібнюють у дробарці до частинок розміром 20 мм, зсипають у конус, скорочують і знову дроблять до частинок розміром<10 мм. Затем материал еще раз перемешивают и отбирают пробы для определения содержания влаги. Оставшийся материал высушивают, снова сокращают и измельчают до частиц размером < 1 мм. Окончательный материал пробы сокращают до 5 кг и дробят без остатка до частиц мельче 0,25 мм.

Подальшу підготовку проби для аналізу проводять після висушування при 105° С. Розмір частинок проби для аналізу має бути меншим за 0,09 мм, кількість матеріалу 50 кг.

Підготовлені проби бокситу дуже схильні до розшарування. Якщо проби, що складаються з частинок розміром<0,25 мм, транспортируют в сосудах, то перед отбором части материала необходимо перемешать весь материал до получения однородного состава. Отбор проб от криолита и фторида алюминия не представляет особых трудностей. Материал, поставляемый в мешках и имеющий однородный состав, опробуют с помощью щупа, причем подпробы отбирают от каждого пятого или десятого мешка. Объединенные подпробы измельчают до тех пор, пока они не будут проходить через сито с размером отверстий 1 мм, и сокращают до массы 1 кг. Этот сокращенный материал пробы измельчают, пока он не будет полностью проходить через сито с размером отверстий 0,25 мм. Затем отбирают пробу для анализа и дробят до получения частиц размером 0,09 мм.

Проби від рідких розплавів фторидів, що застосовуються при електролізі алюмінієвого розплаву в якості електролітів, відбирають сталевим черпаком з рідкого розплаву після видалення твердої настилі з поверхні ванни. Рідку пробу розплаву зливають у виливницю і отримують невеликий зливок розмірами 150х25х25 мм; потім всю пробу подрібнюють до розміру частинок лабораторної проби менше 0,09 мм.

Плавка алюмінію:Залежно від масштабів виробництва, характеру лиття та енергетичних можливостей плавку алюмінієвих сплавів можна проводити в печах тигельних, в електропечах опору і в індукційних електропечах.

Плавка алюмінієвих сплавів повинна забезпечувати не тільки високу якість готового сплаву, а й високу продуктивність агрегатів та, крім того, мінімальну вартість лиття.

Найбільш прогресивним методом плавлення алюмінієвих сплавів є метод індукційного нагрівання струмами промислової частоти.

Технологія виготовлення алюмінієвих сплавів складається з тих же технологічних етапів, що і технологія виготовлення сплавів на основі будь-яких інших металів.

1. При проведенні плавки на свіжих чушкових металах і лігатурах в першу чергу завантажують (повністю або частинами) алюміній, а потім розчиняють лігатури.

2. При проведенні плавки з використанням у шихті попереднього чушкового сплаву або чушкового силуміну в першу чергу завантажують і розплавляють чушкові сплави, а потім додають необхідну кількість алюмінію та лігатур.

3. У тому випадку, коли шихта складена з відходів та чушкових металів, її завантажують у наступній послідовності: чушковий первинний алюміній, браковані виливки (зливки), відходи (першого сорту) та рафінований переплав та лігатури.

Мідь можна вводити у розплав у вигляді лігатури, а й як електролітичної міді чи відходів (введення шляхом розчинення).