Хрупкое разрушение алюминия
Польза низкого модуля упругости
Известно, что низкий модуль упругости алюминиевых сплавов является преимуществом, например, перед сталью, когда конструкция подвергается ударным нагрузкам. Конструкционный элемент из алюминиевого сплава будет поглощать в три раза больше упругой энергии, чем стальной элемент с таким же моментом инерции и пределом прочности.
Хрупкое разрушение
Под хрупким разрушением понимают тенденцию материалов проявлять быстрое распространение трещины без заметной пластической деформации. Информация об этом типе разрушения является жизненно необходимой для проектирования конструкций, которые работают под воздействием значительных напряжений и заключают в себе большое количество упругой энергии, когда быстрое разрушение может быть катастрофическим.
Ударная вязкость алюминия по Шарпи и Изоду
Данные по поглощению энергии из ударных испытаний надрезанных образцов по Шарпи или Изоду, как и для других металлов, нельзя прямо использовать в конструировании. Ударные испытания по Шарпи и Изоду широко применяются для определения температуры хрупкого перехода сталей, особенно для ферритных сталей. Температура хрупкого перехода – это температура, при которой сплавы начинают проявлять характеристики хрупкого разрушения. Однако эти испытания обычно не подходят для алюминия и его сплавов, так как, в отличие от сталей, они не проявляют хрупкого перехода. Более того, результаты ударных испытаний надрезанных образцов из алюминиевых сплавов почти не зависят от температуры в интервале температур от комнатной до -270 °С. Мало того, большинство деформируемых сплавов настолько вязки, что испытательные образцы вообще не разрушаются. Поэтому из этих испытаний трудно получить какую-то полезную информацию для конкретного проектирования.
Вязкость разрушения алюминия
Известный метод испытаний вязкости разрушения с определением коэффициента интенсивности напряжения связывает прочность хрупкого разрушения материала с размером дефекта или трещины. Вязкость разрушения рассматривается как сопротивление материала неустойчивому росту трещины при упругих напряжениях или непластическому разрушению любого типа. Испытание на вязкость разрушения требует инициации в образце трещины заданной длины или ее выращивание при усталостном нагружении. Образец и схема его нагружения при определении вязкости разрушения показан на рисунке 1.
Образец для испытания на вязкость разрушения КIc
Рисунок 1
Отношение между коэффициентом интенсивности напряжения К, однородным напряжением σа и длиной трещины 2а задается в виде соотношения K = Ϭa (2πa)1/2. Коэффициент интенсивности напряжений К (в начале неустойчивого роста трещины) уменьшается с увеличением толщины образца и достигает минимальной величины, которую называют КIc– критический упругий коэффициент интенсивности напряжений или вязкость разрушения при плоской деформации. Величина КIcявляется аналогом предела текучести, так как это – минимальная интенсивность напряжений, при которой может начинаться хрупкое разрушение при данной температуре и при достаточной толщине образца или изделия для обеспечения условия плоского деформационного состояния. Однако этот подход не подходит для сплавов с высокой пластичностью, так как они не показывают быстрого распространения трещины в упругих условиях. Поэтому применение этого подхода обычно ограничено высокопрочными термически упрочненными сплавами.
Испытание на разрыв по Кану
В международной практике для оценки влияния на характеристики вязкости алюминиевых сплавов их химического состава, технологии изготовления, состояния и т.п. широко применяется испытание на разрыв по методу Кана (Kahn). Преимущество этого метода в том, что с его помощью непосредственно измеряют количество энергии, которое необходимо для распространения трещины, даже для самых вязких алюминиевых сплавов. Кроме того, этот метод не требует таких «толстых» образцов, как метод определения вязкости разрушения К Ic , и поэтому подходит для большего количества видов изделий.
При этом испытании энергия, которая требуется для зарождения и роста трещины в испытательном образце специальной формы, вычисляется по соответствующим площадям под кривой растяжения (рисунки 2 и 3). Энергия, которая потребовалась для роста трещины, делится на площадь рабочего поперечного сечения образца и называется «удельной энергией роста трещины». Она представляет собой меру сопротивления разрыва трещины и косвенно – меру вязкости разрушения.
Рисунок 2
Рисунок 3
Удельная энергия роста трещины может быть прямо связана со скоростью высвобождения энергии деформации, что совпадает с подходом механики разрушения и поэтому дает реалистичную меру сопротивления быстрому росту трещины. Установлено, что удельная энергия распространения трещины удовлетворительно коррелирует со значениями К
Способность сопротивляться росту трещин остается высокой для большинства алюминиевых сплавов даже при очень низких температурах, а в случае сплава 6061 (АД33) даже значительно возрастает (рисунок 4). Для большинства алюминиевых сплавов способность деформироваться пластически и сопротивляться росту трещин настолько велика, что неустойчивый рост трещины в упруго напряженном материале, то есть хрупкое разрушение, просто невозможен.
Рисунок 4
Вязкость надреза
Удобным способом представления вязкости сплава считается вычисление так называемой «вязкости надреза»: отношения прочности при растяжении образца с надрезом к пределу текучести образца без надреза. Вязкость надреза большинства алюминиевых сплавов остается постоянной вплоть до криогенных температур, за исключением высокопрочных сплавов серии 7ххх, как это видно на рисунке 5 для сплава 7075.
Рисунок 5
Источник: TALAT 1501
aluminium-guide.ru
Самые прочные алюминиевые сплавы
Самые прочные алюминиевые сплавы
Сплавы серии 7ххх являются самыми прочными среди всех алюминиевых сплавов (рисунок 1). Однако у них есть большой недостаток — они склонны к коррозии под напряжением. Основные легирующие элементы – от 1 до 9 % цинка (чаще всего от 4 до 6 %), от 1 до 3 % магния, а также, для некоторых сплавов — до 3,0 % меди . Эти сплавы упрочняются термической обработкой.
Важные области применения этих сплавов связаны с их высокой прочностью. Это – аэрокосмическая техника, военная техника и оборудование атомной энергетики. Кроме того, они имеют применение в строительстве, а также для изготовления спортивного инвентаря, например, лыжных палок и теннисных ракеток.
Рисунок 1 — Рейтинг прочности популярных алюминиевых сплавов
Алюминиевые сплавы серии 7ххх
Растворимость цинка в алюминии снижается от 31,6 % при 275 ºС до 5,6 % при 125 ºС (рисунок 2). Промышленные сплавы серии 7ххх содержат цинк, магний и медь с небольшими добавками марганца и хрома, а также циркония для контроля роста зерна и рекристаллизации.
Рисунок 2 — «Алюминиевый» участок фазовой диаграммы алюминий-цинк [2]
Алюминиевые сплавы серии 7ххх применяют для изготовления несущих элементов самолетов, таких как верхние оболочки крыльев, стрингеры, горизонтальные и вертикальные стабилизаторы. Горизонтальные и вертикальные стабилизаторы имеют такие же конструкционные критерии как и крылья. Верхняя и нижняя поверхности горизонтального стабилизатора испытывают изгиб и для них критическим является сжимающее нагружение. Поэтому модуль упругости на сжатие является наиболее важным свойством. Критическими конструкционными параметрами компонентов верхней части крыла являются прочность на сжатие и сопротивление усталости.
Самые прочные сплавы серии 7ххх
Все алюминиевые сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu проявляют самую высокую прочность. Добавление 2 % меди в комбинации с магнием и цинком значительно повышает прочностные свойства сплавов серии 7ххх.
Самые высокие величины прочности на растяжение, какие только могут быть у алюминиевых сплавов, имеют следующие сплавы:
- 7075: 5,5 % цинка – 2,5 % магния – 1,5 % меди;
- 7079: 4,3 % цинка – 3,3 % магния – 0,6 % меди;
- 7178: 6,8 % цинка – 2,7 % магния – 2,0 % меди.
Сплав 7075-Т6 имеет очень высокую отношение прочность-вес, низкую стоимость производства и хорошую механическую обрабатываемость. Поэтому он является предпочтительным при выборе материала для конструкционных элементов самолетов. Вместе с тем, сплав 7075 имеет довольно низкое сопротивление коррозии. Склонность этого сплава к коррозионному растрескиванию под напряжением может контролироваться должной термической обработкой и добавками некоторых материалов, таких как хром.
Рисунок 3 — Уровень прочности алюминиевого сплава 7075-Т6 среди других конструкционных материалов
Алюминиевый сплав 7075
Состояние Т6
Сплав 7075 – сплав Al-Zn-Mg-Cu-Cr – имеет наиболее широкое и длительное применение из всех сплавов серии 7ххх. Он был введен в Японии в 1943 году, был большим секретом и применялся для изготовления японских военных самолетов. Сплав 7075 первоначально применялся для деталей и компонентов с тонким поперечным сечением, в основном в виде листов и прессованных профилей. Для этих изделий скорость закалки обычно очень высокая и растягивающие напряжения не возникают в коротком поперечном направлении. Поэтому коррозионное растрескивание под напряжением не является проблемой для таких материалов с высокопрочном состоянии Т6.
Однако, когда сплав 7075 применяется в изделиях и деталях больших размеров и большой толщины, становится ясно, что такие изделия и детали, термически упрочненные до состояний Т6, часто не отвечают заданным требованиям. Изделия, которые получали путем большой механической обработки из крупных поковок, прессованных профилей или плит, затем подвергались длительным растягивающим напряжениям при неблагоприятной ориентации. В таких условиях в эксплуатации довольно часто возникало коррозионное растрескивание под напряжением (коррозия под напряжением).
Состояние Т73
Решением этой проблемы было введение состояния Т73 для толстых и массивных изделий из сплава 7075. термическая обработка, которая применяется для получения этого состояния, требует двухстадийного искусственного старения. Вторая стадия выполняется при более высокой температуре, чем та, которая применяется для достижения состояния Т6. Эта дополнительная термическая обработка снижает прочность до уровня ниже того, которого сплав 7075 достигает в состоянии Т6.
Состояния Т7 достигается перестариванием, что означает, что старение сплава продолжается после достижения пика значений его твердости и прочности, в отличие от состояний Т6.
Многочисленные эксперименты и длительный опыт эксплуатации подтвердили, что сплав 7075-Т73 имеет значительно более высокое сопротивление коррозии под напряжением, по сравнению со сплавом 7075-Т6.
Интересно, что колеса знаменитого марсохода Curiosity сделаны из сплава 7075-Т7351 с помощью механической обработкой из цельного кованого кольца (рисунок 8).
(а)
Рисунок 8 – Колесо марсохода Curiosity из алюминиевого сплава 7075-Т7351:
а — на Земле; б – в условиях эксплуатации на Марсе
Магний в алюминиевых сплавах 7ххх
Большая часть сплавов серии 7ххх включает магний для повышения эффективности механизма упрочнения за счет старения. Главной упрочняющей фазой выступают частицы MgZn2. Такие сплавы имеют среднюю прочность, но относительно легко свариваются, например, сплав 7005 (аналог 1915). Сплавы Al-Zn-Mg имеют более высокую восприимчивость к термической обработке, чем бинарные сплавы Al-Zn, что обеспечивает им более высокую прочность.
Медь в алюминиевых сплавах 7ххх
Добавление меди сплавам Al-Zn-Mg вместе с небольшими количествами хрома и марганца дает этим сплавам самую высокую прочность из всех известных алюминиевых сплавов. Сплавы четверной системы Al-Zn-Mg-Cu имеют самый высокий потенциал упрочнения старением из всех алюминиевых сплавов: у некоторых сплавов предел прочности достигает 600 МПа, как, например, у сплава В95, и даже 700 МПа, как у сплава В96. Однако чрезмерное повышение содержания цинка и магния снижает вязкие свойства и сопротивление коррозии под напряжением. В этих сплавах цинк и магний управляют процессом старения, тогда как роль меди заключается в увеличении скорости старения и повышении чувствительности к закалке. Хотя медь снижает общую стойкость к коррозии, она повышает сопротивление коррозии под напряжением.
Источники:
- Aluminum and Aluminum Alloys /J. R. Davis, ASM, 1993
- Trends in aluminium alloy development /R. Rajan at al — Rev. Adv. Mater. Sci. 44 (2016) 383-397
aluminium-guide.ru
Как отличить алюминий от других металлов
Один из самых «бородатых» анекдотов студентов – химиков: «Алюминий – это такое железо, только легкое». Ну а если серьезно, элемент периодический системы №13 – самый легкий металл, который может существовать в чистом виде в воздушной атмосфере. Относительную химическую инертность обеспечивает тончайшая пленка, состоящая из оксида и гидроксида, которая пассивирует поверхность и предотвращает дальнейшую реакцию с атмосферным кислородом или слабыми растворами щелочей и кислот.
Где можно найти алюминиевый лом?
Знакомые с детства алюминиевые кастрюли столовые приборы, и даже фольга от шоколадки – далеко не полный перечень изделий, которые изготавливаются из алюминия. Во времена СССР цена алюминиевых изделий никак не соответствовала его реальной стоимости, что формировало ошибочное мнение о дешевизне этого материала. В любом гараже или сарае найдутся десятки алюминиевых предметов: оконная фурнитура, старые алюминиевые радиаторы, детали велосипедов, походные чайники и котелки, остатки кабеля – перечислять можно долго. Из-за бесхозяйственности 80-90-х годов на промышленных свалках можно найти даже целые чушки товарного алюминия.
Для народного хозяйства этот металл имеет стратегическое значение. Промышленное получение осуществляется методом электролиза расплава, что связано с огромными энергозатратами. Переработка вторичного сырья гораздо дешевле (экономия электроэнергии до 75%, сокращение вредных выбросов в атмосферу – до 90%), кроме того, этот металл можно переплавлять многократно без ухудшения физических свойств. Алюминиевый лом без ограничений покупается почти во всех пунктах приема металлолома и стоит намного дороже, чем лом черных металлов. После приема производится дальнейшая сортировка, после которой вторичное сырье подвергается классификации с присвоением класса, группы и сорта. Общее количество разновидностей алюминиевого вторичного сырья превышает 20 наименований.
Физика и химия вещества
Из школьного курса химии известно, то алюминий – металл серебристо-белого цвета, обладающий низкой плотностью, высокой тепло- и электропроводностью. На воздухе покрывается защитной пленкой, которая легко растворяется в горячих растворах щелочей и кислот, некоторые его соединения обладают амфотерными свойствами. Даже на основе таких поверхностных сведений можно предложить несколько способов, как отличить алюминий от других металлов.
Главное отличие от нержавейки, железа, олова, свинца и других металлов, наиболее часто сдаваемых в металлолом, – низкая плотность, определить которую можно и в домашних условиях. Для этого понадобится мерный цилиндр и кухонные весы с точностью взвешивания до 1 грамма. Методика проста и не требует специальных знаний: предварительно взвешенную деталь из исследуемого материала опускаем в мерный цилинр, заполненный водой, и отмечаем изменение положения мениска жидкости. Далее делим массу детали на ее объем, равный разности уровня воды в цилиндре, и получаем плотность. Если получилось значение, близкое к 2,7 г/мл, то с высокой долей вероятности деталь сделана из алюминия.
В классической химии качественной реакцией на алюминий является проба с соляной кислотой и гидроксидом аммония. Если растворить алюминиевый образец в 10%-ом растворе соляной кислоты, а затем добавить обычный нашатырный спирт, то выпадет осадок Al(OH)3↓.
Внимание: реакция сопровождается бурным газообразованием (выделение водорода), поэтому необходимо соблюдать технику безопасности (защитные очки, перчатки, фартук).
Простейший способ, как отличить алюминий от железа – магнитная проба: алюминиевые детали не будут притягиваться к магниту. Однако, этот эффект является необходимым, но не достаточным подтверждением того, что исследуемый образец изготовлен из алюминия, поскольку парамагнитными свойствами обладают как алюминиевые сплавы, так и некоторые цветные металлы. Далее показан опыт с магнитом на маятнике и листом алюминия (в случае отсутствия магнетизма маятник бы не остановился по-середине и, по энерции, продолжил колебаться).
Отличие от дюраля
Несведущему человеку с первого взгляда достаточно сложно идентифицировать эти материалы, максимально точный результат можно получить лишь в химлаборатории. Предварительное заключение можно сделать, воспользовавшись советами, которыми делятся специалисты на профессиональных форумах. В паре алюминий/дюраль первый будет издавать высокий звон при ударе, не ломается при сгибании, а после снятия стружки поверхность блестит, как у серебра (кстати, спутать эти металлы практически невозможно, так как серебро отличается гораздо большим удельным весом). На изломе алюминий дает мелкозернистую структуру; при сверлении стружка отходит легко, не липнет на сверло.
Определить различия можно и химическими методами. Если исследуемый образец поместить в раствор азотной кислоты, а через некоторое время (2-3 часа) нейтрализовать его раствором щелочи (подойдет и обычная питьевая сода), то в случае чистого алюминия выпадет полупрозрачный белый осадок, а медь в дюрале придаст осадку голубоватый оттенок.
Отличие от ЦАМ
Сложности при идентификации этих материалов возникают довольно часто, так как ЦАМ – сплавы из трех металлов (цинк, алюминий, медь) внешне очень похожи на чистый металл. Достоверный способ определения — с помощью перекиси водорода, 20%-ого раствора сульфида натрия или 10%-го раствора медного купороса: при нанесении нескольких капель любого их вышеперечисленных реагентов на заточенную поверхность (свежий срез) алюминий останется серебристо-белым, а ЦАМ потемнеет.
Отличие от нержавейки
Отличить эти материалы можно в домашних условиях всего за несколько минут. В первую очередь стоит обратить внимание на внешние различия: алюминиевая поверхность на ощупь более шершавая и матовая, нержавейка всегда хорошо блестит, даже если образец не отполирован. Нержавеющая сталь тоже не притягивается магнитом, но изделия из нее существенно тяжелее алюминиевых (плотность выше минимум в три раза). Далее делаем пробу «на нож» — на поверхности алюминия останется след, а нержавейка из-за высокой твердости останется неповрежденной. Можно также провести деталью по белой бумаге: алюминиевый образец оставит серый след, в то время как след от нержавеющей стали останется бесцветным. Специалисты по металлообработке предлагают еще один простой способ – распилить образец болгаркой. Нержавеющая сталь даст много искр, от алюминия искры не летят.
Отличие от других цветных металлов
Несмотря на то, что свойства металлов в основном идентичны, у каждого элемента есть свои отличительные особенности, по которым можно легко отличить металл от алюминия. Так, медь обладает ярким красноватым оттенком, золото – желтым цветом, свинец – очень высокой плотностью и хрупкостью, олово – высокой пластичностью, серебро – ярким блеском, железо и его сплавы – магнитными свойствами. При необходимости достоверную информацию можно найти в специальной справочной литературе или на профессиональных тематических форумах.
Стоит отметить, что все вышеперечисленные методы являются лишь оценочными и приблизительными: точный химический состав металлолома определят специалисты аккредитованной лаборатории. На все вопросы по теме алюминиевого лома ответят специалисты пунктов приема металлов.
blizkolom.ru
Алюминий пищевой и его сплав
Алюминий — цветной металл, имеющий низкую плотность. Поверхность сплава серебристо-белая, матовая. Весьма легок и мягок, за счет чего имеет низкую температуру плавления — примерно 650 градусов. Свое применение нашел во всех сферах человеческой жизни. Активно используется в пищевой промышленности, в том числе для изготовления различной посуды. По производству среди всех металлов занимает второе место в мире, после железа.
Алюминий восприимчив к агрессивному воздействию кислот. Способен раствориться в концентрированных растворах щелочей. Во избежание таких явлений, вся алюминиевая продукция покрывается защитными пленками. В измельченном пылеватом состоянии, находясь в кислородной среде, поддерживает активное горение.
Немного о свойствах и сплавах алюминия
Теплопроводные и электропроводные свойства этого металла сопоставимы с золотом, серебром и медью. Очень распространен в электротехнике. Из него делают многожильные провода и кабели, создают обмотки для электродвигателей и трансформаторов. Алюминий очень пластичен, но весьма хрупок. Его можно раскатать до достояния полупрозрачной фольги. Алюминиевые слитки можно без труда строгать и разрубать. При введении соответствующих добавок можно значительно повысить прочность сплава, тем самым расширив спектр его применения.
Подобный сплав был разработан в 1911 году немецкими мастерами в городке Дюрен. Отсюда пошло и название сплава, состоящего из алюминия, меди, магния и марганца — дюраль, или дюралюминий. Подобное сочетание и длительная закалка, позволили повысить прочностные характеристики и сохранить прежнюю легкость (алюминий легче стали в 3 раза). Большое применение дюралюминиевый сплав нашел в авиастроении, за счет чего был прозван «крылатым металлом». Для поддержания антикоррозионных характеристик, его покрывали напылением чистого алюминия.
Чтобы исключить подобное напыление, был разработан иной алюминиевый сплав с включениями кремния — силумин. Благодаря своей блескости и серебристому цвету, алюминий используется в производстве зеркал, как промышленных и технических (например, для телескопов), так и бытовых.
Использование сплавов алюминия в пищевой отрасли
Алюминий в пищевой промышленности, а также в быту, используется достаточно активно. Из него делают посуду, всевозможную тару для жидкостей и смесей, изготавливают станки и оборудование для пищевого производства. Для этого обычно применяется пищевой листовой алюминий. Это обусловлено тем, что сплавы алюминия никак не влияют на состав продуктов или компонентов косметики. Полностью сохраняются все витамины, полезные вещества, изначальные свойства и микроэлементы. Кроме того, они не способны нанести вреда человеческому здоровью. Тем более что в пищевой промышленности разрешается применять лишь алюминий пищевой и его сплавы определенных марок.
Могут также использоваться металлические сплавы, содержащие в своем составе алюминий. Все марки этого металла, которые разрешено использоваться в пищевой промышленности должны полностью соответствовать ГОСТу.
Использование в качестве упаковки
В каждом доме были или даже есть предметы кухонного обихода из алюминия — это ложки, чашки, поварешки, кастрюли, соковыжималки, мясорубки и многое другое. Очень популярна в кулинарном мире алюминиевая фольга, которую используют при запекании мяса и овощей или просто хранения и транспортировки пищи. Такая фольга отлично подходит для упаковки конфет, шоколада, мороженого, масла, сыра и творога.
Многие кремы и косметические средства, художественная краска (масляная, темпера, гуашь и даже акварель) упаковываются в емкость из пищевого алюминия. В них же, упаковывается и еда для космонавтов. Можно с уверенностью сказать, что алюминий, в том числе пищевой, и сплавы на его основе прочно вошли в нашу повседневную жизнь.
Алюминий пищевой широко применяется при производстве емкостей под консервы. Из-за такого распространения, ежегодно возрастает и количество алюминиевого мусора, без дела, разлагающегося на свалках.
Достоинства пищевого алюминия
Алюминий пищевой имеет множество достоинств, среди которых можно выделить следующие:
- Не подвержен воздействию коррозии. Благодаря этому кухонное оборудование и инструменты способны длительное время находиться в воде без вреда для себя.
- Пищевой алюминий не деформируется под воздействием высокой температуры.
- Несмотря на его вступление в контакт с материалами, обладающими органолептическими свойствами, не происходит изменение свойств продуктов. Также сохраняются все имеющиеся в них витамины.
- Благодаря достаточной жесткости, материал во время приготовления пищи не деформируется.
- Пищевой алюминий абсолютно безвреден для человеческого организма и полностью гигиеничен.
- Посуда из этого материала способна использоваться при приготовлении пищи в духовых и микроволновых печах.
Производство посуды и оборудование для приготовления пищи из алюминия
Алюминий пищевой и его сплавы входят в состав многих видов оборудования для приготовления пищи. Так как этот металл отличается способностью образовывать всевозможные сплавы, он, как говорилось выше, активно применяется для изготовления разнообразной кухонной тары. Кроме того, он незаменим в производстве всевозможных термостойких изделий. Например, оборудования для кухонь и различных жарочных поверхностей электробытовых приборов.
Алюминий отличается прекрасной проводимости тепла при низкой теплоемкости. Кроме того, он практически не деформируется при высокой температуре или при ее перепадах. Благодаря низкой температуре плавления и своей пластичности, алюминий активно используется для литья различных изделий, применяемых на кухне. Он подходит для изготовления различных поверхностей, которые отличаются глубоким рельефом, всевозможными сложными формами и изделиями с обширной площадью. Например, он отлично подходит для всевозможных форм для выпечки кулинарных изделий.
Сплавы алюминия и ГОСТ
Пищевой алюминий, который применяется для производства посуды и других аналогичных изделий, может быть не только в чистом виде, но и в виде всевозможных сплавов, каждый из которых имеет международные и государственные стандарты качества, в которых указывается, как и для каких целей они могут применяться.
Марки пищевого алюминия
Каждая марка этого металла имеет свой уникальный химический состав. Согласно ГОСТа, не беря во внимание марки А5 в пищевой промышленности можно использовать такие сплавы, как Ак5М2, АК7, АК9, АК12. Все прочие марки пищевого алюминия разрешено использовать лишь при наличии специального разрешения.
Марки металлических сплавов, включающие в себя алюминий
Также можно применять металлические сплавы, в которых имеется алюминий. К ним относятся марки АВ, АВМ, А0, АД1, АД1М, АЛ22, АЛ23, АМг22. Все эти сплавы активно используются для изготовления ложек.
Достаточно часто, на изделия из пищевого алюминия или его сплавов, должно быть впоследствии нанесено особое покрытие. Но это можно делать с маркой АМц, так как его химический состав полностью соответствует ГОСТу.
Пищевой алюминий давно и прочно вошел в наш ежедневный обиход. Нельзя найти кухню, в которой нет посуды, изготовленной из этого металла. Отзывы о нем лишь положительные, и, судя по всему, его популярность не думает падать.
fb.ru
Алюминий и его сплавы 4
ВВЕДЕНИЕ
Среди металлов алюминий по распространенности в природе занимает первое место, по практическому использованию – второе (после железа). Алюминий – химический элемент, находящийся в третьей группе периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер алюминия 13, атомная масса 26,98, температура плавления 660 °С, плотность 2,7 г/см3 , полиморфных превращений не имеет, обладает решеткой гранецентрированного куба с периодом а = 0,4041 нм.
Алюминий отличается от других металлов малой плотностью, высокими пластическими и коррозионностойкими свойствами, высокими тепло- и электропроводимостью, а также отражательной способностью.
Благодаря таким свойствам алюминий находит применение почти во всех отраслях промышленности – авиационной, строительной, химической и т.д.
Алюминий — коррозионностойкий металл. Образующаяся на его поверхности плотная пленка оксида А12 О3 обладает очень хорошим сцеплением с металлом, малопроницаема для всех газов и предохраняет алюминий от дальнейшего окисления и коррозии в атмосферных условиях, воде и других средах. Алюминий стоек в концентрированной азотной кислоте и некоторых органических кислотах (лимонной, уксусной и др.). Минеральные кислоты (соляная, плавиковая) и щелочи разрушают оксидную пленку.
Постоянные примеси (Fe, Si, Ti, Mn, Cu Zn, Cr) понижают физико-химические характеристики и пластичность алюминия. В зависимости от содержания примесей различают марки первичного алюминия А999, А995, А99, А97, А95.
Железо и кремний являются основными неизбежными примесями, попадающими в алюминий при его производстве Их присутствие отрицательно сказывается на свойствах алюминия. Железо практически нерастворимо в алюминии, поэтому даже при самом малом его содержании образуется хрупкое химическое соединение FeAl3 . Кристаллизуясь в виде игл служащих надрезами в металле, оно снижает пластические свойства алюминия. Железо уменьшает коррозионную стойкость алюминия вследствие большой разницы электрохимических потенциалов фаз А1 и FeAlg, возникновения микрогальванических пар на границе этих фаз и развития межкристаллитной коррозии.
Кремний не образует с алюминием химических соединений и присутствует в сплавах алюминия в элементарном виде. Растворимость кремния в алюминии при комнатной температуре не превышает 0,05 %. Уже при незначительных количествах кремния в структуре алюминия образуются включения эвтектики Al -f Si. Кристаллики кремния по свойствам близки к химическим соединениям, обладают высокой твердостью (НВ 800) и хрупкостью. Основное отрицательное влияние примеси кремния выражается в ухудшении литейных свойств технического алюминия. Кремний резко снижает температуру солидуса, увеличивает интервал кристаллизации (At = tn — — t0 ), а значит, уменьшает жидкотекучесть и увеличивает склонность сплава к трещинообразованию.
В промышленном алюминии одновременно присутствуют железо и кремний, поэтому его можно рассматривать как тройной сплав системы Al—Fe—Si. При этом в алюминии могут образовываться два тройных химических соединения: а (А1—Fe—Si) и J (A1—Fe—Si), которые практически нерастворимы в А1. Появление в структуре технического алюминия скелетообразной, крабовидной фазы а (А1—Fe—Si) и грубой пластинчатой фазы (3 (А1— Fe—Si) резко изменяет его свойства.
В зависимости от содержания примесей алюминий разделяют на сорта: технический, высокой чистоты и особой чистоты.
В таблице 1 приведены некоторые марки, химический состав алюминия деформируемого (предназначенного для производства полуфабрикатов методом горячей или холодной деформации). На алюминий первичный, поставляемый в форме чушек, слитков распространяется стандарт ГОСТ 11069-74, примеры обозначения марок которого приведены в таблице 2. Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния. Увеличение содержания примесей и пластическая деформация повышают прочность и твердость алюминия (табл. 3).
Таблица 1
Алюминий деформируемый
Таблица 2
Алюминий первичный
Таблица 3
Механические свойства алюминия различной
чистоты в отожженном состоянии
Алюминий характеризуется высокими технологическими свойствами. Из него могут быть изготовлены любые полуфабрикаты различных габаритов. Благодаря высокой пластичности полуфабрикаты из алюминия легко можно подвергать деформации без существенных нагревов. Сварка может осуществляться практически всеми методами, включая сварку плавлением. Обрабатываемость резанием вследствие высокой вязкости у алюминия плохая.
Он используется в электротехнической промышленности и теплообменниках. Высокая отражательная способность алюминия используется для производства зеркал, мощных рефлекторов. Алюминий практически не взаимодействует с азотной кислотой, органическими кислотами и пищевыми продуктами. Из него изготавливается тара для транспортировки пищевых продуктов, домашняя утварь. Листовой алюминий широко применяется как упаковочный материал. Значительно выросло применение алюминия в строительстве и на транспорте.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1. Классификация алюминиевых сплавов
В зависимости от способа производства промышленные алюминиевые сплавы делятся на спеченные, литейные и деформируемые (рис. 1).
Литейные сплавы претерпевают эвтектическое превращение, а деформируемые – нет. Последние в свою очередь бывают термически неупрочняемыми (сплавы в которых нет фазовых превращений в твердом состоянии) и деформируемые, термически упрочняемые (сплавы, упрочняемые закалкой и старением).
Алюминиевые сплавы обычно легируют Сu, Mg, Si, Мn, Zn, реже Li, Ni, Ti.
2. Деформируемые алюминиевые сплавы, неупрочняемые термической обработкой
К этой группе сплавов относятся технический алюминий и термически неупрочняемые свариваемые коррозионностойкие сплавы (сплавы алюминия с марганцем и магнием). Сплавы АМц относятся к системе Аl – Мn (рис. 2).
Рис. 1. Диаграмма состояний “алюминий – легирующий элемент”:
1–деформируемые, термически неупрочняемые сплавы;
2–деформируемые, термически упрочняемые сплавы.
Рис. 2. Диаграмма состояния “алюминий – марганец”:
Рис. 3. Микроструктура сплава АМц
Рис. 6. Микроструктура дюралюмина после:
а) закалки в воде с температуры Т2 ;
б) закалки и искусственного старения при Т3 (справа – схематическое изображение)
Структура сплава АМц состоит из a -твердого раствора марганца в алюминии и вторичных выделений фазы MnAl6 (рис. 3). В присутствии железа вместо MnAl6 образуется сложная фаза (MnFe)Al6 , практически нерастворимая в алюминии, поэтому сплав АМц и не упрочняется термической обработкой.
Состав данных сплавов имеет очень узкие пределы: 1 – 1,7 %Мп; 0,05 – 0,20 %Cu; медь добавляют в целях уменьшения питтинговой коррозии.
Допускается до 0,6 – 0,7 %Fe и 0,6 – 0,7 %Si, что приводит к некоторому упрочнению сплавов без существенной потери сопротивления коррозии.
При понижении температуры прочность быстро растет. Поэтому сплавы этой группы нашли широкое применение в криогенной технике.
Сплавы АМг (магналий) относятся к системе А1 – Mg (рис. 4). Магний образует с алюминием a -твердый раствор и в области концентраций от 1,4 до 17,4 %Mg происходит выделение вторичной b -фазы (MgAl), но сплавы содержащие до 7 %Mg, дают очень незначительное упрочнение при термической обработке, поэтому их упрочняют пластической деформацией – нагартовкой.
mirznanii.com
Как отличить алюминий от других металлов
Один из самых «бородатых» анекдотов студентов – химиков: «Алюминий – это такое железо, только легкое». Ну а если серьезно, элемент периодический системы №13 – самый легкий металл, который может существовать в чистом виде в воздушной атмосфере. Относительную химическую инертность обеспечивает тончайшая пленка, состоящая из оксида и гидроксида, которая пассивирует поверхность и предотвращает дальнейшую реакцию с атмосферным кислородом или слабыми растворами щелочей и кислот.
Где можно найти алюминиевый лом?
Знакомые с детства алюминиевые кастрюли столовые приборы, и даже фольга от шоколадки – далеко не полный перечень изделий, которые изготавливаются из алюминия. Во времена СССР цена алюминиевых изделий никак не соответствовала его реальной стоимости, что формировало ошибочное мнение о дешевизне этого материала. В любом гараже или сарае найдутся десятки алюминиевых предметов: оконная фурнитура, старые алюминиевые радиаторы, детали велосипедов, походные чайники и котелки, остатки кабеля – перечислять можно долго. Из-за бесхозяйственности 80-90-х годов на промышленных свалках можно найти даже целые чушки товарного алюминия.
Для народного хозяйства этот металл имеет стратегическое значение. Промышленное получение осуществляется методом электролиза расплава, что связано с огромными энергозатратами. Переработка вторичного сырья гораздо дешевле (экономия электроэнергии до 75%, сокращение вредных выбросов в атмосферу – до 90%), кроме того, этот металл можно переплавлять многократно без ухудшения физических свойств. Алюминиевый лом без ограничений покупается почти во всех пунктах приема металлолома и стоит намного дороже, чем лом черных металлов. После приема производится дальнейшая сортировка, после которой вторичное сырье подвергается классификации с присвоением класса, группы и сорта. Общее количество разновидностей алюминиевого вторичного сырья превышает 20 наименований.
Физика и химия вещества
Из школьного курса химии известно, то алюминий – металл серебристо-белого цвета, обладающий низкой плотностью, высокой тепло- и электропроводностью. На воздухе покрывается защитной пленкой, которая легко растворяется в горячих растворах щелочей и кислот, некоторые его соединения обладают амфотерными свойствами. Даже на основе таких поверхностных сведений можно предложить несколько способов, как отличить алюминий от других металлов.
Главное отличие от нержавейки, железа, олова, свинца и других металлов, наиболее часто сдаваемых в металлолом, – низкая плотность, определить которую можно и в домашних условиях. Для этого понадобится мерный цилиндр и кухонные весы с точностью взвешивания до 1 грамма. Методика проста и не требует специальных знаний: предварительно взвешенную деталь из исследуемого материала опускаем в мерный цилинр, заполненный водой, и отмечаем изменение положения мениска жидкости. Далее делим массу детали на ее объем, равный разности уровня воды в цилиндре, и получаем плотность. Если получилось значение, близкое к 2,7 г/мл, то с высокой долей вероятности деталь сделана из алюминия.
В классической химии качественной реакцией на алюминий является проба с соляной кислотой и гидроксидом аммония. Если растворить алюминиевый образец в 10%-ом растворе соляной кислоты, а затем добавить обычный нашатырный спирт, то выпадет осадок Al(OH)3↓.
Внимание: реакция сопровождается бурным газообразованием (выделение водорода), поэтому необходимо соблюдать технику безопасности (защитные очки, перчатки, фартук).
Простейший способ, как отличить алюминий от железа – магнитная проба: алюминиевые детали не будут притягиваться к магниту. Однако, этот эффект является необходимым, но не достаточным подтверждением того, что исследуемый образец изготовлен из алюминия, поскольку парамагнитными свойствами обладают как алюминиевые сплавы, так и некоторые цветные металлы. Далее показан опыт с магнитом на маятнике и листом алюминия (в случае отсутствия магнетизма маятник бы не остановился по-середине и, по энерции, продолжил колебаться).
Отличие от дюраля
Несведущему человеку с первого взгляда достаточно сложно идентифицировать эти материалы, максимально точный результат можно получить лишь в химлаборатории. Предварительное заключение можно сделать, воспользовавшись советами, которыми делятся специалисты на профессиональных форумах. В паре алюминий/дюраль первый будет издавать высокий звон при ударе, не ломается при сгибании, а после снятия стружки поверхность блестит, как у серебра (кстати, спутать эти металлы практически невозможно, так как серебро отличается гораздо большим удельным весом). На изломе алюминий дает мелкозернистую структуру; при сверлении стружка отходит легко, не липнет на сверло.
Определить различия можно и химическими методами. Если исследуемый образец поместить в раствор азотной кислоты, а через некоторое время (2-3 часа) нейтрализовать его раствором щелочи (подойдет и обычная питьевая сода), то в случае чистого алюминия выпадет полупрозрачный белый осадок, а медь в дюрале придаст осадку голубоватый оттенок.
Отличие от ЦАМ
Сложности при идентификации этих материалов возникают довольно часто, так как ЦАМ – сплавы из трех металлов (цинк, алюминий, медь) внешне очень похожи на чистый металл. Достоверный способ определения — с помощью перекиси водорода, 20%-ого раствора сульфида натрия или 10%-го раствора медного купороса: при нанесении нескольких капель любого их вышеперечисленных реагентов на заточенную поверхность (свежий срез) алюминий останется серебристо-белым, а ЦАМ потемнеет.
Отличие от нержавейки
Отличить эти материалы можно в домашних условиях всего за несколько минут. В первую очередь стоит обратить внимание на внешние различия: алюминиевая поверхность на ощупь более шершавая и матовая, нержавейка всегда хорошо блестит, даже если образец не отполирован. Нержавеющая сталь тоже не притягивается магнитом, но изделия из нее существенно тяжелее алюминиевых (плотность выше минимум в три раза). Далее делаем пробу «на нож» — на поверхности алюминия останется след, а нержавейка из-за высокой твердости останется неповрежденной. Можно также провести деталью по белой бумаге: алюминиевый образец оставит серый след, в то время как след от нержавеющей стали останется бесцветным. Специалисты по металлообработке предлагают еще один простой способ – распилить образец болгаркой. Нержавеющая сталь даст много искр, от алюминия искры не летят.
Отличие от других цветных металлов
Несмотря на то, что свойства металлов в основном идентичны, у каждого элемента есть свои отличительные особенности, по которым можно легко отличить металл от алюминия. Так, медь обладает ярким красноватым оттенком, золото – желтым цветом, свинец – очень высокой плотностью и хрупкостью, олово – высокой пластичностью, серебро – ярким блеском, железо и его сплавы – магнитными свойствами. При необходимости достоверную информацию можно найти в специальной справочной литературе или на профессиональных тематических форумах.
Стоит отметить, что все вышеперечисленные методы являются лишь оценочными и приблизительными: точный химический состав металлолома определят специалисты аккредитованной лаборатории. На все вопросы по теме алюминиевого лома ответят специалисты пунктов приема металлов.
ekb.blizkolom.ru
Алюминий и его сплавы широко применяются для изготовления оборудования для пищевой промышленности. Не на все изделия есть ГОСТы или другие определяющие документы. Возникают вопросы по возможности применения листоаого алюминия и его сплавов когда надо облицевать изнутри кузов автомобиля или склад для хранения пищевых продуктов, изготовить лоток, форму для хлеба, оббить столешницу в торговой точке. Что и где можно применять и какой алюминий можно называть пищевым, ведь такого термина как пищевой алюминий нет в регламентирующих документах и в сертификатах на алюминиевый прокат нет указаний по пищевому применению, в отличии от литейных сплавов? Для изделий из литейного алюминия или сплавов ситуация простая, — достаточно открыть ГОСТ 1583-93: .п.3.3 Для изготовления изделий пищевого назначения применяют сплавы АК7, АК5М2, АК9, АК12. Применение других марок сплавов для изготовления изделий и оборудования, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами и средами, в каждом отдельном случае должны быть разрешены органами здравоохранения.В алюминиевых сплавах, предназначенных для изготовления изделий пищевого назначения, массовая доля свинца должна быть не более 0,15 %, мышьяка — не белее 0,015 %, цинка — не более 0,3 %, бериллия — не более 0,0005 %. п.4.1.6.1 …Чушки, предназначенные для изготовления изделий и оборудования, контактирующих с пищевыми продуктами, маркируются при отсутствии цветной маркировки дополнительной буквой «П», которая ставится после обозначения марки сплава. Нет затруднений для изготовителей посуды хозяйственной из листового алюминия по ГОСТ 17151-81: п.2.3. Посуда должна изготовляться из листов и лент алюминия марок АД1. АД с химическим составом по ГОСТ 4784, алюминия марок А7. А6. А5, А0 с химическим составом по ГОСТ 11069 и биметаллических лент из алюминия марок АД1, АД с химическим составом по ГОСТ 4784 и стальной ленты марок 12X18h20T и 08Х18Н10Т с химическим составом по ГОСТ 5632. При наличии в посуде внутреннего покрытия допускается изготовлять ее из листов и лент из алюминиевого сплава марки АМц с химическим составом по ГОСТ 4784… Алюминиевые ложки и вилки в столовых были двух видов: одни хорошо гнулись, другие были твердые и хрупкие. Заглянув в ГОСТ 51016-97 «Приборы столовые из углеродистой стали и алюминиевых сплавов. Общие технические условия.» заметим, что хрупкие вилки изготавливали из литейных сплавов АК7, АК5М2, АЛ22(АМг11), АЛ23(АМг6л), а мягкие — из листового алюминия АД1М, АД1 А0, АВМ, АВ, и листов из алюминиевого сплава АМг2. п4.3.1 Столовые приборы должны изготовляться из материалов, указанных в таблице 2.
Можно сделать вывод, что допускается контакт с пищевыми продуктами алюминия первичного марок А или алюминия техническог деформируемого марок АД-АД0 (не путать с сплавы на основе системы Al—Mg—Si АД31, АД33, АД35, хотя сплав из этой категории АВ применяют для изготовления ложек и вилок). Кроме того, ГОСТ на вилки и ложки разрешает применять магниевые сплавы в листах АМг2 и в чушках АЛ22(АМг6л), АЛ23(АМг11), а также сплав алюминий-магний-кремний АВ. Можно ли использовать другие марки листового алюминия? ГОСТ 4784 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки» посвятил пищевому применению сплавов алюминия три строчки: п.3.8 В алюминии и алюминиевых сплавах, полуфабрикаты из которых применяют при изготовлении изделий пищевого назначения, массовая доля свинца должна быть не более 0,15%, массовая доля мышьяка не более — 0,015% Следовательно, имея на руках химсостав сплава, можно определить подходит ли он для «пищевого» применения, но не тут-то было. ГОСТ 4784 не регламентирует допустимую концентрацию бериллия и цинка, как это прямо указано в ГОСТ 1583 на литейные сплавы, но ГОСТ 1583 не указывае на допустимое содержание свица. Такая вот загадка. Можно предположить, заглянув в ГОСТ 4784 ,что в деформируемых сплавах не должно быть свинца и бериллия больше допустимых концентраций, кроме АМг5, АМг6, Д19, где бериллий — от 0,0002%(допустимо) до 0,005%(недопустимо) , а также некоторые марки сварочной проволоки: СвАМГ5, Св1557, СвАМг6, СвАМг61, СвАМг63, где бериллий — от 0,002% до 0,005%.Действующий в Украине СанПиН 42-123-4240-86 «Санитарные нормы. Допустимые количества миграции (ДКМ) химических веществ, выделяющихся из полимерных и других материалов, контактирующих с пищевыми продуктами и методы их определения» не определяет ДКМ для изделий из металлов, хотя в документе есть таблица ДКМ металлов, выделяемые полимерами. В российских Гигиенических нормативах ГН 2.3.3.972-00 «Предельно допустимые количества химических веществ, выделяющихся из материалов, контактирующих с пищевыми продуктами» есть прямые указания на применения алюминия и сплавов и методики испытаний:
Самым важным документом остается одобренный Минздравом СССР от 07-08-79 №123-12.328-7 с последущими дополнениями РТМ 27-72-15-82 «Порядок применения металлов, синтетических и других материалов, контактирующих с пищевыми продуктами и средами». На разрешенные Минздравом СССР материалы для отделки ссылаются действующие со времен СССР санитарные нормы и правила для предприятий многих отраслей пищевой промышленности. По установленым правилам надо получить гигиенический сертификат по применению того или иного сплава, если сплав соответствует РТМ 27-72-15-82. Что делать, если надо облицевать столик на даче или погреб в деревне? Тогда используйте листы алюминия марок А или АД, которые разрешены по ГОСТу для изготовления кастрюль или обращайтесь в санэпидемконтроль за сертификатом. | ||||
www.metmk.com.ua