/
Автор: Шалина Р.Е. Альтман М.Б. Арбузов Ю.П. Бабичев Б.И. Бобовников Н.Д.
Теги: металлургия машиностроение сплавы металловедение алюминий
Год: 1985
Текст
ПРИМЕНЕНИЕ
АЛЮМИНИЕВЫХ
СПЛАВОВ
АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ
Редакционный совет:
А.Ф.Белов, В.И.Добаткин,
Ф.И.Квасов, М.А.Ковалевский,
В.А.Ливанов, Г.Б.Строганов,
Р.Е.Шалин, И.Н.Фридляндер
СПРАВОЧНИК
ПРИМЕНЕНИЕ
АЛЮМИНИЕВЫХ
СПЛАВОВ
2-е издание
переработанное и дополненное
Ответственные редакторы:
Р.Е.ШАЛИН, Н.Д.БОБОВНИКОВ
Плавка и литье алюминиевых сплавов
Металловедение алюминия и его сплавов
Структура и свойства полуфабрикатов
из алюминиевых сплавов
Промышленные алюминиевые сплавы
Производство полуфабрикатов из
алюминиевых сплавов
Применение алюминиевых сплавов
Редакционная
коллегия:
П.Н. Белянин
Н.Д.Бобовников,
И.В.Горынин,
И.Н.Фридляндер,
Р.Е.Шалин
МОСКВА
«МЕТАЛЛУРГИЯ»
1985
УДК 669.717
Авторы: АТЬТМАН М. Б., АНДРЕЕВ Г. Н., АРБУЗОВ Ю. П., БАБИН Ю. А.,
БА1ИЗ.АТ В. П., БЕЛОВ А. Ф._ БУСАРОВ В. М„ ВЛАДИМИРСКИЙ В. М.,
ВОЕВОДИНА Р. И., ВОЛЧКОВ А. И.. ГОЛЬТБУХТ Г. Е„ ГОРЫНИН И. В.,
ГРАЧЕВА М. П., ГРИШИН В. Л.. ГРОМОВ Б. А., ДЕНКЕР И. И., ЕФРЕ-
МОВ А. П. ЖИРНОВ А. Д.. ЖУРАВЛЕВ А Л. В.. 3 А ЛИ В А ЛОВ Ф. П„ ЗАРЕЦ-
КИЙ Е. М., ЗОЛОТОРЕВСКИЙ Ю. С., ИПАТОВ Н. С., ИСТРИНА 3. Ф.,
ИП1ЕНКО А. Я.. КВАСОВ Ф. И.. КОЛОБНЕВ И. Ф., КРИСТАЛЬ М М
КРЕЙС Ф. И., КРУЧЕР Г. 11 ЛАВРОВ А. И., ЛОКШИН М. В., ЛУКОМ-
СКИЙ Ю. Я-, МАКАРОВ Н. А., МАКАРОВ А. Г., МОЛЧАНОВ М. Д.. МУД-
РЕНКО Г. А . ПАВЛОВСКАЯ Т. Г.. ПАДЕЙСКИЙ В. Н.. ПАОКИНА Л. С.,
ПОНОМАРЕНКО А. В., РОМАНОВА О. А.. РУМЯНЦЕВА Ю. С., РЫКОВ-
СКИЙ Б. П., РЮЧИНА Г. В., СААКИЯН Л. С., СИНЯВСКИЙ В. С., СКОБ-
ЛОВ Л. С., СОКОЛОВА Л. В., СОКОЛОВА Н. И., СПИРОВ В. Н„ СТЕЛЬ-
МАХ Е. М„ ТУМАНОВ А. Т„ ФОМИЧЕВ В. А., ФРИДЛЯНДЕР И. Н.,
ЧУЛОШНИКОВ П. Л., ШЕЛАМОВ В. А., ШРЕЙДЕР А. В., ЭДЕЛЬМАН А. С.,
ЭРЛИХ И. П., ЯРКОВЕЦ А. И.
Рецензент: проф. докт. техн, наук Г. Б. Строганов
УДК 669.717
Применение алюминиевых сплавов: Справ. изд./Альтман М. Б., Андре-
е в Г. Н., А р б v з о в Ю. П. и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия,
1985. 344 с.
В справочнике обобщен опыт применения алюминия и его сплавов в различных
отраслях промышленности (строительстве, судостроении, авиации, электротех-
нике и др.), в сельском хозяйстве, для изделий широкого потребления. Даны реко-
мендации по выбор} ставов для различного назначения. Освещены вопросы тех-
нологии применения алюминиевых сплавов — методы соединения и защиты от кор-
розии, обработка резанием и размерное травление, особенности транспортировки
и хранения.
Книга предназначена для широкого круга специалистов проектных организа-
ций, научно-исследовательских институтов, заводов, связанных с применением,
производством и исследованием алюминиевых сплавов. Может быть полезна студен-
там и аспирантам вузов. Ил. 147. Табл. 97. Библиогр. список: 253 назв.
_ 2603000000—246 ог
П 040(01)—85 43~85
© Издательство «Металлургия», 1985
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие .5
Глава 1. Применение алюминиевых сплавов в строительстве................. 6
1. Общая характеристика алюминиевых строительных конструкций ... 6
2. Конструкции зданий... , . ........... 19
3. Конструкции сооружений ........... 48
Глава 2. Применение алюминиевых сплавов в судостроении ................ 59
1. Сплавы, применяемые в судостроении.................................. 60
2. Основные виды полуфабрикатов....................................... 68
3. Особенности сварных соединений и способы сварки.............. . . 70
4. Надстройки ........................................................ 82
5. Корпуса......................................... . .......... 86
6. Оборудование и трубопроводы ........................................ 91
Глава 3. Применение алюминиевых сплавов в железнодорожном и ав-
томобильном транспорте................................................ 93
1. Алюминиевые сплавы в железнодорожном транспорте..................... 93
2. Алюминиевые сплавы в автомобильном транспорте..................... 102
Глава 4. Применение алюминиевых сплавов в конструкциях летатель-
ных аппаратов ........................................................ 112
1. Постройка первых цельнометаллических самолетов из алюминиевых
сплавов................................................. . 112
2. Требования, предъявляемые к алюминиевым сплавам .................. 114
3. Технологические особенности изготовления полуфабрикатов и кон-
струкций ......................................'...................... 120
4. Сплавы для клепаных конструкций летательных аппаратов, не подвер-
гающихся аэродинамическим нагревам................................... 134
5. Сплавы для сверхзвуковой авиации . . ................. 145
6. Конструкционные свариваемые сплавы................................ 151
7. Сплавы для внутренней декоративной отделки кабин самолетов и вер-
толетов ............................................................ 153
8. Сплавы для лопастей вертолетов.................................. 154
9. Заклепочные сплавы . .............. ......................... 157
10. Литейные сплавы................................................. 158
Глава 5. Применения алюминиевых сплавов в двигателях. .... 162
1. Сплавы для поршневых двигателей ................................... 163
2. Сплавы для турбореактивных двигателей с центробежными и осевыми
компрессорами......................................................... 167
Глава 6. Применение алюминиевых сплавов в нефтяной и химической
промышленности.................................................. 178
1. Сплавы для изготовления деталей нефтегазопромыслового оборудования 178
2. Алюминий и его сплавы в нефтегазоперерабатывающей промышленности 183
3. Алюминий и его сплавы в химической промышленности............ 189
Глава 7. Применение алюминия и его сплавов в электротехнике. . 194
1. Проводниковые сплавы......................................... . 194
2. Сплавы с высоким удельным электросопротивлением................... 199
3. Особенности технологии изготовления электротехнических изделий ... 199
4. Типичные физико-механические и коррозионные свэлсгвз пэту{н5эи-
катов ..........................................................‘. . 201
1* 3
Глава 8. Применение алюминия и его сплавов в атомной технике . 206
Глава 9. Применение алюминия и его сплавов для товаров народного
потребления . .210
1. Посуда и домашняя утварь 211
2. Бытовые электроприборы . 217
3. Мебель и спортивный инвентарь ..................... • • 21Q
4. Тара для хранения и транспортировки пищевых и химических продуктов 221
5. Медицинские инструменты и приспособления . 227
6. Сувениры и памятные медали....................................... 227
Глава 10. Применение алюминия и его сплавов в сельском хозяйстве 227
I. Зернохранилищу.................................................... 228
2. Производственные здания и сооружения для хранения сельскохозяй-
ственной продукции . 230
3. Теплицы ... 234
4. Специализированный транспорт . . 236
5. Оросительная техника ............................................ 238
6. Сельскохозяйственное машиностроение ... . 240
Глава 11. Методы соединения деталей из алюминиевых сплавов. 243
1. Клепаные соединения 243
2. Болтовые соединения 253
3. Контактная сварка 256
4. Сварка плавлением 261
5. Пайка ... 269
6. Склеивание ....... . 275
Глава 12. Обработка резанием и размерное травление алюминиевых
сплавов.............................................. - 280
1. Обработка резанием.............................................. 280
2. Упрочняющая поверхностная обработка . 294
3. Размерное травление.......... ... . ........ 298
Глава 13. Защита от коррозии и декоративные покрытия алюминия
и его сплавов........................................................ 301
1. Анодное окисление и химическое оксидирование . . 301
2. Гальванические покрытия . . . . 307
3. Лакокрасочные покрытия 312
4. Эмалирование ................................... • 319
5. Эматалирование . .................. ................... • 320
Глава 14. Защита полуфабрикатов и деталей из алюминия и его сплавов
при транспортировании и хранении .................................... 322
1. Временная защита полуфабрикатов .................................. 322
2. Временная защита деталей ... 327
Библиографический список ................................... .... 330
Предметный указатель................................................. 338
ПРЕДИСЛОВИЕ
Советский Союз — одна из стран с крупнейшей алюминиевой про-
мышленностью. Основными направлениями экономического и со-
циального развития СССР на 1981- 1985 годы и на период до 1990 года
предусмотрено увеличить производство алюминия на 15—20 %.
По производству и потреблению алюминий и алюминиевые сплавы
прочно утвердились на втором месте в мире после стали. Только
в капиталистических и развивающихся странах их производство
в 1983 г. достигло 12 млн. т (в 1973 г. 9 млн. т).
Со времени первого издания книги (1973 г.) значение алюминия
и его сплавов в повышении эффективное! и народного хозяйства
СССР существенно возросло. Благодаря ценному комплексу механи-
ческих, физических, коррозионных свойств, высокой технологичности,
большим природным ресурсам «крылатый» металл наряду с тради-
ционным применением в конструкциях летательных аппаратов ус-
пешно внедряется в другие отрасли промышленности (наземный и
водный транспорт, строительство, электротехнику" и др.), в сельское
хозяйство, быт. Он имеет потенциальные возможности дальнейшего
расширения объема и сфер использования.
По сравнению с первым изданием настоящая книга существенно
переработана, особенно гл 1, 3, 8, 10—12, 14. Остальные главы
дополнены новыми материалами о последних достижениях в области
применения, защиты от коррозии и декоративной отделки.
Несколько изменено соотношение материала по главам и разделам.
В соответствии с задачей интенсификации сельского хозяйства практи-
чески заново написана и расширена гл. 10. В ней не только обобщен
опыт использования алюминия и его сплавов в сельскохозяйствен-
ном машиностроении, по и показаны перспективы их применения
в сельском хозяйстве в целом —- птицеводстве, животноводстве,
зернохранении и т. д.
В гл. 14, помимо вопросов защиты от коррозии полуфабрикатов,
рассмотрены способы защиты деталей и изделий на этапах производ-
ства, транспортировки и хранения.
Авторы благодарны ироф.. докт. техн, наук Г. Б. Строганову
за ценные замечания, сделанные им при рецензировании рукописи,
а также канд. техн, наук О. Г. Сенаторовой и инж. С. Г. Алиевой
за большую помощь, оказанную при подготовке рукописи к изданию.
Глава 1
ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ1 2
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АЛЮМИНИЕВЫХ
СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ3
Строительные алюминиевые конструкции начали применять в конце:
прошлого столетия, примерно через 10 лет после разработки
электрохимического способа производства алюминия. Сначала алю*
миний использовали в единичных случаях в составе декоративных эле-
ментов и ограждающих конструкций. По мере развития производства
алюминия и снижения его стоимости строительные алюминиевые
конструкции получали все более широкое распространение, а после
окончания второй мировой войны нашли массовое применение..
Мировое потребление алюминия в строительстве в начале 70-х
годов достигло 1,6 млн. т в год, а объем производства отдельных кон-
струкций из алюминия превзошел в натуральном выражении объем
производства аналогичных конструкций из стали и других традицион-
ных материалов. В 80-е годы мировое применение алюминия в строи-
тельстве превысило 2,0 млн. т в год.
В СССР организация промышленного производства алюминиевых
конструкций начата в соответствии с постановлением' ЦК КПСС
и Совета Министров СССР от 28 мая 1969 г. «О мерах по улучшению
качества жилищно-гражданского строительства», для выполнения
которого в стране создана по существу новая подотрасль строитель-
ной индустрии — промышленность строительных алюминиевых кон-
струкций. Основной объем алюминиевых конструкций изготавливают
на крупных специализированных заводах, работающих по полному
технологическому циклу, а некоторую часть конструкций выпускают
более мелкие заводы или цеха алюминиевых конструкций, коопери-
рующиеся со специализированными заводами алюминиевых конструк-
ций или металлургическими заводами.
Особенности алюминиевых строительных конструкций
Ценность алюминия как строительного материала определяется
совокупностью физико-механических и технологических качеств,
основные из которых следующие: а) технологичность на всех стадиях
передела — при изготовлении полуфабрикатов и на заготовитель-
ных операциях, при нанесении защитно-декоративных покрытий и
при сборке, при монтаже и эксплуатации; б) высокая коррозионная
стойкость, в том числе в промышленной и приморской атмосферах;
в) архитектурная выразительнось (достигается в основном благо-
даря использованию возможностей формообразования и (или) при-
1 Авторы: А. Ф. Белов, В. Н. Спиров.
2 Здесь и далее конструкции из алюминиевых сплавов и технического алю-
миния условно названы алюминиевыми конструкциями, а алюминиевые сплавы
и технический алюминий — марками алюминия.
6
Дания поверхности алюминиевых элементов и конструкций соответ-
ствующих декоративных качеств полированием, анодированием,
тиснением и другими способами); г) малая плотность при удовлетво-
рительной прочности; д) широки пределы изменения прочностных
характеристик в зависимости от системы, марки и состояния поставки
сплава, от формы и размеров полуфабрикатов; е) пониженное (при-
мерно в 3 раза) по сравнению со сталью значение модуля предотыюй
упругости — в среднем 7,1 -104 МПа; ж) пониженное по сравнению
со сталью значение предела выносливости (усталости), особенно при
большом количестве циклов действия подвижных, вибрационных и
другого вида нагрузок, которые могут привести к усталостному раз-
рушению; з) сохранение прочностных характеристик при низких
температурах; и) высокая отражательная способность; к) отсутствие
искрообразования; л) немагнитность; м) гигиеничность.
Общий прогресс алюминиевых конструкций в решающей мере
определяется технологичностью, высокой коррозионной стойкостью,
архитектурной выразительностью. Для конструкций многократ-
ного применения (например, сборно-разборных) и подвижных,
а также для стационарных несущих конструкций, собственная масса
которых составляет основную часть нагрузки, не меньшее значение
имеет малая плотность при удовлетворительной прочности. Влия-
ние других качеств алюминия не столь явно, однако в некоторых
случаях они могут стать важными и даже решающими при выборе
материала для той или иной конструкции.
В наибольшей мере преимущества алюминия как строительного
материала проявляются:
в конструкциях, изготавливаемых из большой номенклату ры про-
филей сложной формы (реализация высокой технологичности полу-
чения алюминиевых профилей);
в конструкциях, состоящих из большого количества сравни-
тельно мелких деталей, требующих значительного объема механиче-
ской обработки и сборочных операций (реализация технологичности
алюминия, допускающего неограниченно высокие скорости резания,
что повышает чистоту обработки, а также позволяющего применять
специфические способы соединений, резко снижающие трудоемкость
сборки);
в конструкциях с большой удельной поверхностью, т. е. с боль-
шим абсолютным значением отношения площади поверхности кон-
струкции к объему образующего ее материала (реализация высокой
коррозионной стойкости алюминия);
в конструкциях, эксплуатируемых в условиях агрессивной внеш-
ней или внутренней среды, особенно если по условиям эксплуатации
восстановление нарушенных защитных покрытий сопряжено с боль
шими трудностями или невозможно;
в конструкциях зданий и сооружений, к которым предъявляются
повышенные архитектурные требования;
в конструкциях, существенную часть стоимости которых состав-
ляют затраты на перевозку, монтаж и демонтаж, особенно в конструк-
циях многократного применения;
7
в конструкциях, собственная масса которых составляет основную
или значительную долю интрузии (реализация технологических воз-
можностей путем применения полуфабрикатов оптимальной формы и
наиболее совершенных соединений и прямой эффект от применения
материала с малой плотностью).
Классификация алюминиевых конструкции
По объектам применения алюминиевые конструкции делятся на два
класса — конструкции зданий и конструкции сооружений.
Алюмиш евые конструкции зданий включают ограждающие кон-
струкции, несущие конструкции и прочие изделия. Ограждающие
конструкции делятся на две основные группы, различающиеся ви-
дом применяемых для их изготовления полуфабрикатов и определяе-
мые этим видом конструктивных форм. 1) каркасно-филенчатые
конструкции, имеющие в основе каркас из профилей в виде решетки
или отдельных рамок, ячейки которого заполнены открывающимися
или глухими элементами остекления пли непрозрачными вставками,
и 2) листовые конструкции.
Несущие конструкции включают крупные глухие стеновые и кро-
вельные панели, фермы, рамные конструкции, арки и своды, купола,
структурные конструкции и др.
К прочим изделиям относятся конструкции, отдельные элементы
и детали, которые не могут быть отнесены к первым двум группам.
В эту последнюю группу входят солнцезащитные устройства (жа-
люзи и пр.), отдельные декоративные изделия (штампованные ме-
дальоны, декоративные решетки и др.), погонажные изделия в составе
конструкций из других материалов (например, алюминиевые рас-
кладки и нащельники), некоторые элементы инженерного оборудо-
вания.
Алюминиевые конструкции сооружений по назначению делятся
на конструкции емкостей для хранения и раздачи жидких и сыпучих
материалов (резервуары, бункеры, силосы); мостовые конструкции;
конструкции мачт и башен и др.
Материалы для алюминиевых конструкций и соединений
Для изготовления алюминиевых конструкций применяют широкую
номенклатуру металлов и неметаллических материалов. Группа
металлов включает алюминий различных марок, сталь (углероди-
стую и легированную, в том числе нержавеющую) и цинк (почти ис-
ключительно в виде защитного покрытия углеродистой стали).
Группа неметаллических материалов значительно многочисленнее
и может быть разделена на три основные подгрг ппы: теплоизоляцион-
ные, герметизирующие и уплотняющие; отделочные материалы и из-
делия.
Алюминий. Как отмечено в разд. 1 настоящей главы, наиболее
ценными для строительных конструкций качествами алюминия яв-
ляются технологичность, коррозионная стойкость и архитектурная
выразительность. В соответствии с этой шкалой приоритетов для стро-
ительных конструкций применяют преимущественно отвечающий
8
одновременно всем трем этим требованиям атюминий систем А1 -Мп,
А1—Mg, Al Mg—Si, технический алюминий, ограниченно — алю-
миний системы А1—Zn—Mg. За исключением более прочного алюми-
ния системы Al —Zn —Mg, это марки невысокой и средней прочности,
отличающиеся наиболее высокими технологичностью, коррозионной
стойкостью и архитектурной выразительностью.
Нормами проектирования алюминиевых конструкций предусмо-
трено применение ограниченного количества марок алюминия, в том
числе в качестве основного металла - шести марок деформируемого
и одной марки литейного, для соединений — семи марок (в том
числе двух входящих в перечень марок для основного металла),
т. е. всего двенадцати марок. Алюминий систем А1 -Мп, А1—Mg
и технический атюминий относятся к термически неупрочняемому
и применяются в состояниях М (отожженный), Н2 (полунагарто-
ванный) Н (нагартованный применяется только для заклепок из алю-
миния марок АД1 и АМг2). Алюминий систем А1—Mg Si и
Al- -Zn Mg относится к термически упрочняемому и применяется
в состояниях Т (закаленный и естественно состаренный), Т5 (непол-
ностью закаленный и искусственно состаренный), Т1 (закаленный и
искусственно состаренный), а также без термической обработки.
В качестве основного металла нормы предписывают применение сле-
дующих марок и состояний алюминия: деформируемый алюминий —
АД1М, АЛ1цМ, АМг2М, АМг2Н2 (термически неупрочняемый);
АД31Т, АД31Т5, АД31Т1, 1915, 1915Т, 1925, 1925Т (термически
упрочняемый) и литейный атюминий Ал8.
В отдельных, технически обоснованных случаях возможно при-
менение алюминия других марок или состояний, поставка которых
должна быть согласована с заводом-изготовителем (например, для
силосных емкостей спирально-навивного типа применяют четверть-
нагартованный алюминий АМг2Н1).
Для заклепок, поставленных в холодном состоянии, применяют
алюминий марок АД1Н, АМг2Н, АМг5пМ, АВТ, для болтов 1 —
марок АМг5п, АВТ1, для сварных соединений — проволоку СвА1,
СвАМгЗ, 1557.
Расчетные сопротивления алюминия для расчетных температур
воздуха от 50 °C до —65 С приведены в таблице. Для конструкций,
эксплуатируемых при температурах воздуха от более Д—50 °C до
100 С, расчетные сопротивления снижают путем умножения их
на понижающий коэффициент, равный для алюминия марок АД1
и АМц — 0,85, марок АМг2, АД31, 1915 и 1925—0,90. При совпа-
дении с указанными температурами нормативной нагрузки, дейст-
вующий непрерывно в течение года и дольше, значение понижаю-
щего коэффициента дополнительно снижается па 10 %.
Деформируемый алюминий применяют в следующих строитель-
ных конструкциях: АД1 — в ограждающих и декоративных кон-
струкциях, при изготовлении которых металл необходимо подвергать
1 В алюминиевых конструкциях обычно применяют болты и винты из нержа-
веющей или углеродистой стали, алюминиевые болты применяют редко.
9
Расчетные сопротивления алюминия
Расчетные сопротивления. МПа
Напряжен ное
состояние
Условное
обозначе-
ние
Растяжение, сжа-
тие и изгиб . . Р
Срез............. Рср
Смятие торцовой
поверхности при
наличии пригонки Рем. т
Смятие местное
25 40
15 25
70 125
40 75
55 100
35 60
при плотном ка-
сании ...........
40
20
60 105 185
30 50 90
80 150
40 75
125
75
185
90
180 200
105 120
270 300
135 150
180
105
270
135
180
105
270
135
140
80
210
106
Примечание. Расчетное сопротивление Ru на растяжение в направлении тол-
1цпны прессованных полуфабрикатов из алюминия марок 1915, 1915Т, 1925 и 1925Т при-
нимается 50 ЛГПа, для остальных марок алюминия Rn = R.
значительным деформациям (например, объемно-штампованные об-
лицовочные панели); АМц, АМг2 и АД31 — в ограждающих конструк-
циях всех видов и в умеренно нагруженных элементах несущих
конструкций; 1915 и 1925 — в сварных и клепаных несущих кон-
струкциях соответственно.
Алюминиевые полуфабрикаты. Сортамент. В строительстве при-
меняют профильные и листовые полуфабрикаты. Профильные полу-
фабрикаты включают прессованные и холодногнутые профили, ли-
стовые—гладкие 1 листы и ленты (рулонированные листы), профили-
рованные листы (в основном гофрированные), тисненые листы.
От 60 до 80 % алюминия, применяемого в строительстве, состав-
ляют профильные полуфабрикаты. При этом подавляющее большин-
ство их составляют прессованные профили, остальное — гнутые.
Катаные профили в отличие от стальных конструкций в алюминиевых
конструкциях практически не применяют. Характерная особенность
алюминиевых конструкций — преобладание специализированных
профилей, учитывающих специфику конкретных конструкций, ко-
торые обеспечивают наиболее благоприятное распределение металла
в поперечном сечении профиля и минимальную трудоемкость после-
дующего изготовления конструкций (в отличие от стальных конструк-
ций, для изготовления которых применяют ограниченное число ти-
пов профилей общего назначения). В алюминиевых конструкциях
профили разрабатывают для конкретной конструкции, в то время
как в стальных проектируют конструкции только из существующих
профилей. Поэтому совокупность марок прессованных алюминиевых
профилей образует не сортамент в том понимании, какое придается
сортаменту стальных профилей, а номенклатуру, базирующуюся на
1 Обозначение «гладкие» введено условно и относится к листам непрофилиро-
ванным и нетисненым.
10
комплектах созданных для конкретных конструкций узкоспециали-
зированных профилей.
Такое положение обусловлено, помимо технической целесообраз-
ности, высокой стоимостью алюминия и изделий из него, заставляю-
щей изыскивать все возможные пути снижения металлоемкости кон-
струкций. В значительной мере помогает решить эту задачу высокая
технологичность алюминия. Например, из алюминия легко получить
монолитные сечения сложной формы, достаточно просто изготовить
профили полые, с пазами, ребрами, приливами, необходимыми для
создания рациональной конструкции. Это ведет к более узкой спе-
циализации профилей и к увеличению общего чис ла марок профилей,
но позволяет не только снизить металлоемкость и заменить состав-
ные сечения элементов конструкций монолитными, но и упростить
осуществление соединений, уменьшить объем механической обра-
ботки и, следовательно, существенно уменьшить трудоемкость изго-
товления конструкций на всех стадиях передела. В качестве примера
на рис. 1.1 приведено несколько типов прессованных алюминиевых
профилей для ограждающих конструкций. Особенность номенкла-
туры алюминиевых профилей — ее нестабильность, вызываемая
Рис. 1.1. Типы прессованных алюминиевых профилей для ограждающих конструкций:
а — ребро (направляющая для люльки) навесной стены; б — стойка навесной стены (комби-
нированный профиль); в — обвязка оконного переплета (комбинированный профиль); г —
обвязка дверной коробки; д — лежень витража; е — съемная защелка для крепления филе-
нок; ж — неизвлекаемая защелка для разделки стыков панелей; 1 — паз для установки
герметизирующих прокладок; 2 — лапка для установки декоративной вставки; 3 — облицо-
вочный профиль; 4, 11 — ус для установки филенки; 5, 8 — термовкладыш; 6 — несущий
профиль; 7 — паз для установки уплотняющей прокладки; 9, 12 — лапка для установки
защелки; 10 — винтовой канал; 13, 14 — зубцы защелок
11
быстрым развитием алюминиевых конструкций: разработка новых
типов конструкций неизбежно ведет к созданию новых марок профи-
лей .
Гладкие листы являются полуфабрикатом для изготовления кон-
струкций или заготовками для изготовления профилированных ли-
стов. Металлургические заводы поставляют их в виде отдельных плос-
ких листов длиной до 7000 мм или лент (листов в рулонах), длина ко-
торых определяется массой рулона, толщиной и шириной ленты и
может измеряться сотнями метров. Ширина поставляемых листов и
лент — до 2000 мм, толщина листов — до 10 мм (однако в строитель-
стве применяют преимущественно — более 80 % объема — тонкие,
толщиной до 2 мм, листы). Толщина поставляемых лент — до 2 мм.
Из трех видов профилированных листов — гофрированных, гну-
тых и штампованных —- сеоийно изготавливают только гофрирован-
ные листы — профилированные листы, поперечное сечение которых
не изменяется по длине и состоит из ряда гофров в виде волн, скла-
док или ребер. Гнутые листы, обычно применяемые в качестве различ-
ных фасонных деталей (сливов, фартуков и др.), как правило, из-
готавливают малыми партиями для каждого объекта отдельно. Штам-
пованные листы также обычно выпускают небольшими партиями по
отдельным заказам (в данном случае речь идет об объемно-штампо-
ванных листах с рельефным полем панели. Квадратные и прямо-
угольные панели акустических и декоративных потолков с отогну-
тыми кромками рассматриваются как изделия, а не полуфабрикаты).
Обычно длина гофрированных листов не превышает 6000—7000 мм,
но некоторые зарубежные фирмы серийно поставляют гофрированные
листы длиной до 10 500 мм, а по спецзаказам выпускают и более
длинные листы — до 27 000 30 000 мм. Толщина гофрированных
листов 0,6- 1,2 мм. Некоторые типы профилированных листов при-
ведены на рис. 1.2.
В последние годы определенное развитие получили тисненые листы
(листы, лицевой стороне которых придан рельеф, а обратная сторона
оставлена гладкой).
В некоторых случаях гладкие листы и ленты поставляют с зара-
нее нанесенными лакокрасочными покрытиями или пленками, в том
числе офактуренными. Такие листы могут быть применены гладкими
или соответствующим образом профилированными, при этом во время
гибки или штамповки покрытия не повреждаются и не утрачивают
декоративных качеств.
Неметаллические материалы. Применяемые в алюминиевых кон-
струкциях неметаллические материалы, помимо соответствия их
функциональному назначению, должны быть совместимы с алюми-
нием и сочетаемы с алюминиевыми конструкциями. Под совмести-
мостью понимается отсутствие отрицатетьных взаимных воздействий,
применяемых в непосредственном контакте материалов (если такое
воздействие в связи с природой применяемых материалов возможно,
меры по предотвращению вредных воздействий должны быть доста-
точно простыми и недорогими). Пример совместимых с алюминием
материалов — тиоколовые герметики, резина (нейтральны по отно-
12
i
Рис. L2. Типы профилированных листов для конструкций кровель, стен и подвесных по-
толков:
а, б — листы АБО-1000-0,8 (1,0) и А35-1000-0,8 (1,0) для стен и кровель; в — рейка Для холод-
ных и теплых стен; е, д, ж — листы А28-1200-0,8 (1,0). А14-1000-0,8 (1,0) и ПАЮ-1000-1,0
для стен; е— рейка CAI1-210-0.8 (1,0) для облицовки стен; 3— рейки СА20-280-08г и
СА20-280-0.8 перфорированная и неперфорированная
шению к алюминию), углеродистая сталь (при контакте с алюминием
во влажной среде может вызвать коррозию алюминия, но меры за-
щиты его несложны).
Под сочетаемостью понимается техническая целесообразность
применения различных материалов в одной конструкции, примерно
одинаковый \ ровень технического совершенства материалов. Приме-
нение сочетаемых материалов позволяет создать конструкцию вы-
сокого класса, введение же несочетаемого материала снижает ее
технический уровень. Пример сочетаемости с алюминием — тепло-
изоляция из приформованных пенопластов.
Теплоизоляционные материалы, применяемые в алюминиевых
конструкциях, должны обладать низким коэффициентом теплопро-
водности [не болееО,! 16 Вт/(м-К) 1, иметь плотность не более 150 кг/м3
(желательно 60—80 кг/м3), минимальную гигроскопичность, доста-
точную прочность, биостойкость. Материалы должны хорошо вписы-
ваться в общий технологический процесс изготовления алюминие-
вых конструкций. Наибольшее распространение получили: магм и
плиты из неорганических волокнистых материалов (стекловолокни-
стые, стекловатные, минераловатные); пенопласты, вспениваемые
или вспучиваемые в полости конструкции (заливочные или засып-
ные) — изоцианатные, изоциануратные, полистирольные и др.;
плитные пенопласты той же природы.
Герметизирующие и уплотняющие материалы и изделия предназ-
начены для обеспечения водо- и воздухонепроницаемости стыков и
швов ограждающих алюминиевых конструкций. Для герметизации
13
неразъемных стыков и швов применяют вулканизирующиеся тио*
коловые герметики, нетвердеющие мастики, прокладки из упругих
материалов. Уплотнение разъемных стыков, в том числе притво-
ров окон и дверей, осуществляют при помощи упругих прокладок
из профилированной свето-, морозо- и озоностойких резины и пласт-
масс или прокладок из пористой резины, упругих пенопластов в про-
текторе из тонкой резины.
Отдеточные материалы, наносимые непосредственно на алюминие-
вые полуфабрикаты и детали, включают синтетические пленки, на-
клеиваемые на листовые полуфабрикаты, лакокрасочные материалы,
применяемые также преимущественно для отделки листовых полу-
фабрикатов и деталей, легкоплавкие стеклоэмали.
Соединения алюминиевых конструкций. На виды применяемых
в алюминиевых конструкциях соединений и на удельный вес отдель-
ных видов соединений в общем объеме производства оказывают влия-
ние следующие особенности алюминия как конструкционного ма-
териала: а) подавляющее преобладание в общем объеме алюминиевых
конструкций тонкостенных конструкций; б) применение алюминие-
вых полуфабрикатов преимущественно в закаленном и полунагар-
тованном состоянии; в) возможность получения прессованных про-
филей с местными изменениями толщины стенок, в том числе с при-
ливами, винтовыми каналами, пазами, лапками и пр.; г) упругость
закаленного и полунагартованного алюминия; д) сравнительно не-
высокая твердость алюминия; е) хорошая свариваемость большин-
ства применяемых в строительных конструкциях марок алюминия;
ж) широкое распространение анодированных конструкций.
Перечисленные особенности обусловливают преобладающее рас-
пространение механических соединений по сравнению со сварными.
Определенное место занимают клеевые соединения, применяемые
в основном для соединения алюминия с неметаллическими материа-
лами, и комбинированные соединения, в которых сочетаются одновре-
менно два или больше видов соединений, например клеезаклепочные,
в шпунт с винтами и др. Ниже перечислены основные виды соедине-
ний алюминиевых конструкций.
1. Механические соединения: а) резьбовые (на винтах, на бол-
тах, крюк-болтах, шпильках); б) заклепочные (на двух- и односто-
ронних заклепках); в) соединения с использованием упругих дефор-
маций алюминия (защелкиванием, враспор); г) соединения с исполь-
зованием пластических деформаций алюминия (в фальц, запрессов-
кой, расклиниванием и др.); д) соединения с использованием про-
филей специальной формы (в замок, в шпунт, в паз и др.); е) фрикцион-
ные соединения.
2. Сварные соединения: а) дуговой электросваркой в среде инерт-
ного газа; б) сваркой сопротивлением (точечной и шовной); в) сты-
ковой сваркой оплавлением; г) ударно-конденсаторной сваркой.
3. Клеевые соединения.
Резьбовые соединения осуществляют на болтах нормальной и по-
вышенной точности, винтах, крюк-болтах, шпильках, штифтах пере-
менного сечения, самонарезающих винтах (в том числе винтах-
14
Рис. 1.3. Резьбовые соединения:
/ — крюк-болт; 2 — комбинированная шайба для кровель; 3 — комбинированная шайба
для стен; 4 — штифт переменного сечення: 5 — прогон; 6 — свинцовая шайба; 7 — гофриро-
ванный лист; 8 — комбинированная шайба; 9 — алюминиевый колпачок; 10 — законцовка
штифта; 11 — болт; 12 — обжимное кольцо; 13 — соединяемые детали: 14 — губки ин-
струмента
самодырах), на болтах с обжимными кольцами. Для ограждающих
алюминиевых конструкций характерно применение мелких калиб-
ров крепежа, как правило, диаметром 4—6 мм. Соединения на бол-
тах, винтах, шпильках аналогичны применяемым в стальных кон-
струкциях. Крюк-болты предназначены (рис. 1.3, а) для крепления
гофрированных кровельных настилов и стеновых обшивок к прого-
нам и фахверку и позволяют осуществлять крепление листов без
сверления и нарезки отверстий в прогонах. Штифты переменного
сечения (рис. 1.3, б) служат для той же цели, при монтаже гофриро-
ванных листов позволяют работать с одной стороны.
Самонарезающие винты (рис. 1.3, в) — один из наиболее распро-
страненных в конструкциях из профилей видов крепежа. Невысо-
кая твердость алюминия облегчает их установку, а возможность соз-
дания в прессованных профилях винтовых пазов и каналов значи-
тельно снижает трудоемкость соединений. Вариантом самонарезаю-
щих винтов являются винты-самодыры (рис. 1.3, г) с наконечником,
заточенным в виде сверла. Такой винт сначала просверливает отвер-
стие, а затем нарезает в нем резьбе. Болты с обжимными кольцами
(рис. 1.3, д) обеспечивают стягивание соединяемых элементов с оп-
ределенным усилием.
15
Заклепки применяют в основном для соединения листовых дета-
лей или для крепления листов к профилям. Наиболее ходовые диа-
метры заклепок 4—6 мм. Заклепочные соединения в алюминиевых
конструкциях осуществляют только холодным способом, при этом
наблюдается хорошее заполнение отверстия стержнем заклепки.
По ус товиям установки заклепки можно отнести к одной из двух
групп: двусторонние заклепки, клепку которыми ведут всегда, когда
доступны обе стороны соединения, и односторонние или слепые,
когда достх п к одной из сторон соединения невозможен или сильно
затруднен. Односторонние заклепки применяют также в тех случаях,
когда в соединяемых тонкостенных элементах необходимо образо-
вать гнездо для установки винтов.
Существуют различные типы односторонних заклепок: взрывные;
с выпадающим (рис. 1.4, а) и с остающимся сердечником; пустотелые
(рис. 1.4, б); заклепки ЦАГИ и др. Для соединения тонкостенных
элементов с образованием гнезда под винт применяют односторонние
заклепки типа гаек-пистонов (рис. 1.4, в) и гаек-заклепок с надре-
занным стержнем (рис. 1.4, г). Тело двусторонних и пистоны одно-
сторонних заклепок изготавливают из различных марок алюминия,
сердечники и установочные винты — стальные.
Соединения с использованием упругих деформаций алюминия
включают соединения защелкиванием и враспор. Соединение защел-
киванием основано на принципе пружинения свободных полок
(«ножек») одного из соединяемых профилей (защелки), имеющего осо-
бым образом оформленные концы, которые заводят за отвечающие
им выступы, зубцы или пазы второго соединяемого профиля
(рис. 1.5). В зависимости от формы ножек защелки и взаимного рас-
положения защелки, основного профиля и закрепляемого на нем эле-
мента соединение может быть разъемным и неразъемным. Разъемные
соединения на защелках — наиболее распространенный в алюминие-
вых конструкциях способ крепления в ячейках профильного каркаса
остекления и других малонагруженных вставок. Соединения врас-
пор применяют для крепления элементов листовых облицовок стен
между направляющими из прессованных профилей (рис. 1.5, в).
С использованием пластических деформаций алюминия осуществ-
ляют соединения в фальц, запрессовкой, обжатием, расклиниванием
(рис. 1.6). Соединения в фальц применяют в выполняемых из отож-
женного алюминия элементах фасонных кровель и стен (сливы, на-
щельники, фартуки) и в выполняемых из четвертьнагартованного
алюминия силосных емкостях и воздуховодах спирально-навивной
конструкции.
Соединение запрессовкой состоит во введении со значительным
зазором гребня одного из соединяемых профилей в паз другого и
в последующем деформировании этого гребня таким образом, чтобы
он заполнил пустоты в пазе, обычно имеющем форму ласточкина
хвоста. В соединении обжатием деформируют не гребень профиля,
а охватывающие его стенки паза. Оба соединения применяют для спла-
чивания алюминиевых профилей, а второе и для закрепления в алю-
•миниевых профилях полос или профилей из другого материала
16
Рис. 1.4. Соединения на односторонних заклепках:
— пистон: 2 — сердечник; 3 — соединяемые детали; 4 — губки инструмента; 5 — инвен-
тарный сердечник
Рнс. 1.5. Соединения с использованием упругих свойств алюминия:
а, б — защелкиванием с различным направлением установки защелок; б — в распор; 1 —
основной профиль; 2 — защелка; 3 — стена; 4 — направляющая; 5 — лист, упруго изогну-
тый при установке
17
Рис. 1.6. Соединения за счет пластического деформирования н с помощью специальной
формы профиля:
а — в фальц; б — запрессовкой; в — в шпунт; г — в паз (соединение алюминиевых про-
филей); д — в паз (закрепление резиновой прокладки); е — в замок:
1 — одинарный стоячий фальц; 2 — двойной стоячий фальц; 3 — лежачий фальц; 4 — ле-
жачий угловой фальц; 5 — основной профиль; 6 — присоединяемый профиль; 7 — штем-
пель пресса; 8 — обрешетка; 9 — соединяемые профили; 10 — основной профиль; 11 —
соединяемый алюминиевый профиль; 12 — резиновый профиль
(например, термовкладышей в комбинированных профилях). Соеди-
нения расклиниванием применяют либо для стягивания соединяемых
элементов, либо для создания фрикционных соединений полых про-
филей .
Соединения с использованием профилей специальной формы
обычно применяют для сплачивания облицовок, обшивок и др.,
изготавливаемых в основном из прессованных профилей. Различают
соединения в замок, в шпунт, в паз и др. (рис. 1.6). Соединением в за-
мок называют соединение двух профилей заведением выступа одного
профиля в паз другого с последующим поворотом его на определен-
ный угол. Соединения в шпунт аналогичны таковым, распростра-
ненным в деревянных и других конструкциях. Обычно одну из по-
лок шпунта делают более широкой и через нее крепят профиль
к облицовываемой стене (винтами, заклепками). Следующий профиль,
гребень которого вводят в паз закрепленного профиля, закрывает
головки винтов. Соединения в замок и в шпунт осуществляют движе-
нием соединяемых профилей перпендикулярно их продольной оси.
Соединение в паз основано на соосном введении ребра в паз, при этом
устье паза всегда уже полки введенного в паз ребра.
Фрикционные соединения (за счет создания трения между вну-
треннимиУповерхностями стенок соединяемых профилей и вклады-
шем) чаще всего находят применение в угловых соединениях полых
профилей.
18
Прижатие вкладыша к стенкам профиля осуществляют путем рас*
пора надрезанного вкладыша винтами или расклиниванием вкладыша
в полости профиля дополнительным клиновидным элементом.
Сварные соединения строительных алюминиевых конструкций
можно осуществлять на всех рекомендованных марках алюминия,
кроме марки 1925, но применяют сварку, особенно в ограждающих
конструкциях, ограниченно. Сварка алюминия имеет ряд особенно-
стей по сравнению со сваркой стали, а именно:
из-за большой теплопроводности алюминия тепло из зоны сварки
отводится значительно быстрее, чем при сварке стальных конструк-
ций, поэтому для поддержания необходимой температуры ванны тре-
буется использование тока большой силы;
при сварке в зоне шва происходит отжиг основного металла
с потерей закаленным и нагартованным алюминием механических
свойств (исключение — алюминий марки 1915, прочность которого
после сварки почти полностью восстанавливается в течение месяца);
свариваемые поверхности должны быть тщательно очищены от
окисной пленки, так как при сварке она не расплавляется, а попа-
дание частиц пленки в сварной шов резко ухудшает его качество;
сварной шов и околошовная зона при дуговой сварке ухудшают
внешний вид анодируемых конструкций;
вследствие высокой химической активности алюминия дуговую
сварку необходимо вести в среде защитного газа (аргона, гелия или
их смеси).
Различные виды сварки применяют для следующих целей: дуго-
вую сварку — для всех видов сварных соединений; сварку сопротив-
лением— для соединения внахлестку тонки'х листов или для при-
варки листов к профилям при отношении толщин свариваемых эле-
ментов не больше 1 : 4 (рекомендуемое отношение — не больше 1 : 3);
стыковую сварку оплавлением — почти исключительно для соеди-
нения полых и сплошных алюминиевых профилей под углом 90°
в створках окон, дверей и др.; ударно-конденсаторную сварку —
для приварки к листам (реже — к профилям) различного рода стерж-
ней, обычно шпилек для последующего осуществления резьбовых
соединений.
Клеевые соединения наиболее широко распространены при креп-
лении к алюминию различных неметаллических материалов (плит
теплоизоляции, отделочных пленок, уплотняющих прокладок и др.).
Склеивание алюминия с алюминием в строительных конструкциях
почти не применяют, так как технологически этот процесс сложен
и малопроизводителен.
2. КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ
Ограждающие конструкции зданий
Ограждающие алюминиевые конструкции находят широкое приме-
нение преимущественно при решении фасадов, кровель и интерье-
ров зданий различного назначения. По конструктивной форме ог-
19
раждающие конструкции могут быть разделены на две группы.
К группе каркасно-филенчатых конструкций, выполняемых в ос-
новном из линейных элементов, могут быть отнесены навесные стены
(в том числе многоэтажные витражи), конорукпии заполнения прое-
мов (одноэтажные Bin ражи, окна, зенитные фонари, двери), основ-
ная часть перегородок, некоторые конструкции подвесных потолков.
Линейные элементы выполняют преимущественно прессованными,
при этом их форма и размеры подчиняются не только требованиям
прочности и жесткости, но и требованиям присоединения примыкаю-
щих элементов заполнения ячеек каркаса, например, стекла.
К группе листовых конструкций относятся кровельные и глухие
стеновые конструкции, подвесные потолки, различного рода экраны
и другие конструкции с преобладанием тонких (толщиной 0,6—
1,5 мм) листов, причем под преобладанием подразумевается не коли-
чественное превосходство, а решающее влияние листов на кон-
структивную форму элемента Листовые конструкции, за исключе-
нием трехслойных панелей типа «сэндвич» и некоторых мембран, со-
держат определенное количество профильных элементов, причем
масса последних иногда превосходит массу листов.
Алюминиевые ограждающие конструкции имеют определяемый
физико-механическими свойствами алюминия ряд особенностей, ос-
новными из которых являются следующие:
подвижность стыков и других сочленений, вызываемая высоким
значением коэффициента линейного расширения, при необходи-
мости обеспечения достаточных водо- и воздухонепроницаемости;
широкое применение вставок и вкладышей из материалов с малой
теплопроводностью для ликвидации мостиков холода, которые в алю-
миниевых конструкциях более опасны, чем в конструкциях из дру-
гих материалов (стержневой мостик холода площадью примерно
О,СОЗ от площади утепленной стены увеличивает ее теплопотери почти
втрое);
наличие съемных и разборных элементов, цель которых — об-
легчить замену частей конструкции, выполненных из сравнительно
недолговечных материалов (герметиков, резины, минераловатных
плит и др.);
более широкое, чем в традиционных материалах, применение
в ряде зданий дополнительных мер для обеспечения противопожарной
защиты, что связано с недостаточной огнестойкостью большинства
алюминиевых конструкций.
Каркасно-филенчатые конструкции состоят из каркаса, образую-
щего конструктивную решетку, заполняющих ячейки каркаса фи-
ленок, а также элементов соединений профилей каркаса между собой
и крепления филенок. Основная часть каркасно-филепчагых кон-
струкций — каркас, вид которого в значительной мере определяет
характер всей конструкции, в том числе конструкции филенок, их
закрепления и др. Применяют следующие виды каркасов (рис. 1.7):
одинарные из монолитных профилей (или просто одинарные —
рис. 1.7, й); одинарные из комбинированных профилей (рис. 1.7, б);
спаренные (рис. 1.7, в) и раздельные (из монолитных профилей или
20
Рис. 1.7. Виды каркасов каркасно-филенчатых конструкций:
1 — алюминиевый профиль; 2 — штапик; 3 — филенка; 4 — термовкладыш; 5 — петля
комбинации монолитных и комбинированных профилей
рис. 1.7, г).
Тип применяемого каркаса обусловлен. как правило, теплотехни-
ческими требованиями к ограждениям.
Каркасы различных видов могут быть рекомендованы для приме-
нения в следующих конструктивных элементах:
Тип каркаса:
одинарный ...........
одинарный из комби-
нированных профи-
лей ...............
спаренный
раздельный
Перегородки
4-
1 В том числе окна и витражи в алюминиевых стенах.
2 Только в редко открываемых наружных дверях при отсутствии тамбуров.
Каркас ограждения состоит из основных элементов и прикрепляе-
мых к ним промежуточных элементов. Наиболее часто встречаются
следующие статические схемы ограждений:
а) одно- и многоэтажные каркасы с поэтажным закреплением
разрезных вертикальных элементов (стоек). Горизонтальные эле-
менты (ригели) воспринимают только местные нагрузки и передают
их на стойки. Стойки работают на вертикальную (.масса ограждения)
и горизонтальную (ветер) нагрузки на всем пролете между точками
крепления к каркасу здания:
б) многоэтажные каркасы ограждений с жестким или шарнирно
неподвижным закреплением неразрезных стоек в одной точке (вверху
или внизу) и скользящими креплениями на этажах. Ригели работают
только на местные нагрузки. Стойки передают вертикальную на-
грузку в точке жесткого (или шарнирного) закрепления, а горизон-
тальную — на промежуточные опоры (перекрытия);
в) одноэтажные каркасы ограждений значительной высоты ре-
шают таким образом, чтобы на стойки передавалась от всего ограж-
21
Дения только вертикальная нагрузка. Горизонтальная на1руЗКЗ
воспринимается ветровыми фермами, пояса которых часто образуются
ригелями ограждения.
Для изготовления основных элементов каркаса (стоек, ригелей
и импостов навесных стен, обвязок переплетов и др.) применяют
преимущественно полые профили, соединяемые один с другим на
«сухарях» (вкладышах, располагаемых в полости соединяемых про-
филей). Такой прием позволяет установить вкладыши скрыто, не
ухудшая внешнего вида конструкций. Несколько реже применяют
соединения на самонарезающих винтах в винтовые каналы или на
сварке.
Рнс. 1.8. Способы крепле-
ния филенок:
1 — ус профиля; 2 — за-
щелка; 3 — штапик; 4 —
пружина; 5 — кнопка; 6 —
пластинчатый 'штапик
22
От 50 до 100 % общей протяженности стыков в ограждающих
конструкциях занимают стыки филенок с элементами каркаса. Часть
филенок устанавливают на заводе (декоративные и утепленные
глухие вставки стеновых панелей), часть — после монтажа каркаса
на здании (крупноразмерные стекла витражей). Нередко филенки
устанавливают на строительной площадке перед монтажом. Основ-
ные способы крепления филенок, рекомендуемые к применению, сле-
дующие (рис. 1.8): на защелках (а—в)\ на штапиках и пластинча-
тых пружинах (г—е); в паз (ж); на штапиках враспор (з); на штапи-
ках и кнопках (и); на штапиках и винтах (к, л).
Наиболее распространено крепление филенок на защелках —
достаточно простое и надежное, не требующее дополнительных дета-
лей. Крепление филенок на штапиках и пластинках с пружинами и
на штапиках и кнопках позволяет применять филенки любой толщины,
не превышающей высоты сечения профилей каркаса, но требует до-
полнительных крепежных деталей и более трудоемко, чем крепление
на защелках. Крепление филенок на штапиках враспор применяют
редко. Крепление в паз несколько затрудняет установку филенки
(ее приходится задвигать в паз), но лучше других работает при много-
кратных толчках, ударах и других воздействиях, наиболее характер-
ных для дверей, где это соединение и применяют наиболее часто.
Навесные стены многоэтажных зданий монтируют из
плоскостных элементов полной заводской готовности (панелей),
из линейных элементов с последующим заполнением ячеек каркаса
филенками и смешанным или рамно-линейным способом (сначала
монтируют с разрывами панели или рамки из профилей, заполняют
зазор между панелями ригелями, а затем образованные таким об-
разом ячейки каркаса — филенками). Обычно применяют панели и
стойки стеновых ограждений высотой на один этаж, реже — на два.
На рис. 1.9 показана навесная стена здания конструкторского
бюро. Панели — высотой на один этаж. Обвязки панелей выполнены
раздельными, наружный и внутренний каркасы панели сварные, со-
единены один с другим на планках винтами. Все панели включают
окна с открывающимися и глухими створками. Глухне утепленные
вставки выполнены из штампованных алюминиевых листов, при-
клепанных к обвязкам, теплоизоляция — пакеты — из фенольно-
мочевинного пенопласта (мипоры) в полиэтиленовой пленке. Остек-
ленные филенки с раздельным остеклением, переплеты навешаны
непосредственно на обвязки панелей. Размер панелей 5,5 X 2,0 и
4,6 X 2,0 м. Стыки уплотнены пористой резиной, вертикальные стыки
закрыты защелкой, горизонтальные — капельником на горизон-
тальной обвязке верхней панели. Горизонтальный стык устроен на
уровне подоконника. Расход алюминия около 13 кг м2.
На рис. 1.10 показана навесная стена лабораторного корпуса.
Панели — высотой на один этаж. Обвязки панелей выполнены из
комбинированных профилей, соединенных на винтах. Глухие утеп-
ленные вставки изготовлены из внутренней утепленной филенки
с асбестоцементными обшивками и сердцевиной из перлитопласто-
бетона и из наружной холодной филенки из штампованного алюминие-
23
Рис. 1.9. Навесные панельные стены (панели с раздельным каркасом):
а — здание конструкторского бюро (ВИЛС); б — вертикальный стык панелей; в — горизон-
тальный стык панелей; 1 — панель 1-го этажа; 2 — панель 2-го этажа; 3 — обвязка панели;
4 — Декоративная неизвлекаемая защелка; 5 — уплотняющая прокладка
вого листа. Наличие двух глухих вставок, расположенных в верхней
и нижней частях, увеличило жесткость панели при перевозках и мон-
таже. Остекление —однокамерными стеклопакетами. Размеры ря-
довых панелей 4,2 z2,0 м. Стыки разделаны нащельниками и утеплены
поролоновыми жгутами. Вертикальные стыки снаружи оформлены
ребрами, которые служат направляющими для обслуживающих
24
Рис. 1.10. Навесные панельные стены (панели с каркасом нз комбинированных профилей):
а — лабораторное здание (ВИЛС); б — вертикальный стык панелей; в — горизонтальный
стык панелей; / — обвязка панели; 2 — ребро (направляющая для люльки); 3 — утеплен-
ная филенка; 4 — декоративная филенка (штампованный лист); 5 — нащельник; 6 — уплот-
няющая набивка; 7 — штапик
25
Рис. 1.11. Навесные стены, монтируемые из линейных элементов;— витраж здания кон-
структорского бюро (ВИЛС)
фасады люлек. Расход алюминия 18,9 (панели со створкой)
и 15,4 кг/м2.
На рис. 1.11 приведена конструкция навесных стен, монтируемых
из линейных элементов,—витраж лестничной клетки трехэтажного
здания с одинарным каркасом из комбинированных профилей, под-
вешенных к покрытию здания. Стойки витража снабжены проме-
жуточными скользящими опорами. Остекление —однокамерными
стеклопакетами. Высота витража 12,6 м, шаг стоек 2,0 м. Расход
алюминия 5,75 кг/м2.
В настоящее время витражи многоэтажных зданий с высотой
этажа 2,4, 2,7 3,0, 3,3 и 3,6 м в СССР стандартизованы и введены
в действие как решения, обязательные к применению. Та же кон-
струкция с незначительными изменениями отдельных узлов принята
в качестве типовой и для витражей первых этажей.
Конструкции заполнения проемов представ-
ляют собой светопрозрачные конструкции (исключение составляют
26
1-1
Рнс. 1.12. Типовые витражи с раздельными каркасами
(КиевЗНИИЭП, Гипроспецлегкоконструкция):
а — фасад глухого витража; б — горизонтальное сече-
ние 1 — 1:
1 — стойка или ригель наружного каркаса; 2 — стойка
или ригель внутреннего каркаса
двери, в которых часто применяют непрозрачные филенки) с одинар-
ным и двойным остеклением. Каркасы заполнения проемов монти-
руют готовыми блоками, отдельными линейными элементами и рамно-
линейным способом. Даже при монтаже готовыми блоками витражи
всегда, а окна, как правило, монтируют неостекленными. Эти кон-
струкции в отличие от навесных стен обычно невелики по высоте и
не требуют мощных сечений профилей каркаса. Сравнительная про-
стота унификации этих конструкций при массовом применении поз-
волила стандартизовать их. Госстроем СССР предписано применять
только типовые витражи первых этажей, окна, двери гражданских
зданий.
Стандартные решения витражей (рис. 1.12) —это конструкции
с одинарными и раздельными каркасами из монолитных профилей
и остеклением в одно и два стекла (стеклопакетами или листовым стек-
лом). Кроме того, иногда применяют нестандартные одинарные кар-
касы из комбинированных профилей с двойным остеклением стекло-
пакетами. Для одинарных каркасов и наружных каркасов раздель-
ных витражей применяют профили высотой сечения 120 мм, для вну-
тренних каркасов раздельных витражей — профили высотой се-
чения 80 мм. Ригели делают из профилей тех же марок, что и стойки.
В верхней части витража могут быть установлены нижнеподвесные
фрамуги. В витражах с раздельным каркасом во внутреннем каркасе
предусмотрены распашные створки, обеспечивающие доступ обслу-
живающего персонала в межстекольное пространство. Расход алю-
миния для типового витража с расчлененным каркасом 16,1 кг/м2.
27
Алюминиевые окна применяют в гражданских и промышленных
зданиях. Номенклатура окон по размерам, рисунку переплета, ха-
рактеру остекления, системе открывания створок многообразна.
Общей тенденцией является стремление к применению окон с про-
стым рисунком переплета (одна-две филенки) и остеклением стеклом
большего, чем в деревянных окнах, размера. Максимальные размеры
окон обычно определяются величиной открываемых створок и редко
превышают в высоту 2,0- 2,2 м, а в ширину 1,2 -1,5 м. Ширина глу-
хих окон может быть и больше. При необходимости застеклить проем
более крупного размера, чем указано, лучше устанавливать несколько
оконных блоков, но не усложнять рисунок переплета.
Окна являются самой массовой (в Японии, например, 97—98 “о
общего сбъез а выпуска окон в стране — алюминиевые) и в пределах
1-1
Рис. 1.13. Типовые окна с обвязкой из комбинированных профилей и двери:
о — глухие и поворотные ониа в ленточном проеме (Гнпрослецлегконструкция); б — вер-
тикальное сечение по блоку: в — двери (КиевЗНИИЭП), 1 — коробка; 2 — поворотная
створка; 3 — притвор; 4 — полотно; 5 — филенка (стекло); 6 — нащельник
28
каждой страны наиболее унифицированной продукцией заводов алю-
миниевых конструкций, что позволяет в ряде случаев изготовлять
их не по отдельным заказам на конкретные объекты, а на склад
с последующим распространением по мере спроса.
В СССР серийно выт екают окна: с одинарными обвязками из мо-
нолитны ; профилей (остекление одним стеклом или стеклопакетом);
с одинарными обвязками из комбинированных профилей (остекле-
ние двойное, стеклопакетами); с раздельными обвязками из моно-
литных профилей (остекление двойное, листовым стеклом); с раздель-
ными обвязками из монолитных (наружная) и комбинированных
(внутренняя) профилей (остекление
стеклопакетами во внутренней обвязке
и стеклом в наружной).
Типовыми являются окна для граж-
данских зданий глухие, с распашным
открыванием, поворотные на горизон-
тальной оси, нижнеподвесные с одной
или при наличии фрамуги с двумя фи-
ленками, а также окна для промышлен-
ных зданий, имеющие более сложный
переплет с двумя, тремя, четырьмя и
шестью филенками без открывающихся
створок или с одной открывающейся
створкой и остальными глухими филен-
ками. На рис. 1.13 показано остекление
ленточного проема двумя типами окон —
глухими и с поворотными относительно
горизонтальной оси створками. Расход
алюминия на окно среднего размера с
обвязкой из комбинированных профилей
и открывающейся створкой 10—12 кг/м2.
Алюминиевые двери —широко рас-
пространенный конструктивный элемент
гражданских зданий, причем входные
двери — внутренние и особенно наруж-
ные — являются одной из конструкций,
эксплуатируемых в тяжелых условиях.
Во входных дверях применяют только
одинарные обвязки из монолитных про-
филей и холодные филенки.
В СССР номенклатура стандартизо-
ванных дверей включает наружные и
внутренние двери распашные с притво-
ром в четвертях и качающиеся. Распаш-
ные двери с притвором выпускают остек-
ленными полностью с одной и двумя фи-
ленками в створке, остекленными ча-
стично с нижней глухой филенкой.
Качающиеся двери остеклены пол-
29
ностыо, имеют одну или две филенки. Распашные двери с притво-
ром делают однопольными, полуторапольными и двупольными, ка-
чающиеся— однопольными. На рис. 1.13 показана однопольная
дверь с филенкой.
Алюминиевые перегородки применяют в общественных и админи-
стративных зданиях и в производственных зданиях специальных
отраслей промышленности. Системы сборно-разборных перегородок,
позволяющие осуществить быструю перепланировку помещений в со-
ответствии с изменением технологии производства, применяют в про-
изводственных зданиях электронной, полупроводниковой, радиотех-
нической, микробиологической и других отраслей промышленности.
Такие перегородки позволяют поддерживать в помещениях требуе-
мую чистоту, контролируемую атмосферу. Все силовые и слаботоч-
ные разводки размещены скрыто, в каналах, образованных цоколями
перегородки.
Новым перспективным направлением в развитии ограждающих
алюминиевых конструкций являются конструкции, совмещенные
с устройствами, предназначенными для улавливания, отбора, пре-
образования и использования рассеянной во внешней среде или вну-
три зданий энергии (так называемые полуфункциональные конструк-
ции). Наибольшее распространение получают полифункциональные
конструкции, в которых ограждения совмещены с коллекторами сол-
нечной энергии, отчего эти конструкции часто называют гелио-
конструкциями.
Наиболее распространенные коллекторы солнечной энергии типа
«горячий ящик» по конструктивной схеме близки каркасно-филенча-
тым ограждениям, поэтому совмещение их в единой конструкции не
вызывает особых трудностей и дает существенный технико-экономи-
ческий эффект: обеспечивает более компактное решение зданий, ис-
ключает необходимость в специальных площадках и опорах для уста-
новки коллекторов, снижает суммарную материалоемкость, умень-
шает теплопотери за счет уменьшения площади поверхностей, со-
прикасающихся с наружным воздухом, и увеличивает термическое
сопротивление ограждений.
Листовые конструкции состоят из тонких (0,6—1,5 мм) листов
и линейных элементов, утепленные листовые конструкции включают,
кроме того, теплоизоляцию, а акустические подвесные потолки —
звукопоглощающие материалы. Линейные элементы в некоторых слу-
чаях непосредственно не входят в состав листовых конструкций и
их условно относят к каркасу стены пли кровли (например, рассма-
тривают как часть каркаса прогоны и фахверк холодной кровли
или стены), в других случаях эти элементы являются неотъемлемой
частью листовых конструкций, их соединяют с листами на заводе и
перевозят и монтируют в виде единой конструкции (например, кар-
касы и другие подкрепления листовых панелей).
К листовым конструкциям могут быть отнесены стеновые об-
шивки, кровельные настилы, глухие стеновые'и кровельные панели,
подвесные акустические, технологические и декоративные потолки,
экраны. К стеновым и кровельным листовым панелям примыкают
30
трехслойные панели типа «сэндвич», но эти конструкции правиль-
нее относить к конструкциям с применением пластмасс, так как
сердцевина сэндвич-панелей является не только теплоизоляцией,
но и средним слоем, участвующим в работе панели под нагрузкой.
Поэтому трехслойные панели здесь не рассматриваются.
Стеновые обшивки входят в состав неутепленных
(холодных) и утепленных (теплых) навесных стен и представляют
Рис. 1.14. Навесные стены полистовой сборки из профилированных листов:
а — схема одно-, двух-, трехслойной стены н трехслойной стены с продухом; б — крепление
к фахверку: крюк-болтами, самонарезающими винтами, клямерамн, специальными анкерами:
в — трехслойные стены полистовой сборки с теплоизоляцией из прочных плит, из матов и
других непрочных материалов; 1 — профилированный лист; 2 — прогон фахверка; 3 —
теплоизоляция из пенопласта; 4 — внутренний профилированный лист; 5 — теплоизоляция
из мннераловатной плиты; 6 — крюк-болт; 7 — самонарезающий винт; 8 — клямера; 9 —
анкер; 10 — штифт переменного сечения; 11 — колпачок; 12 — клипса; 13 — прожилина
31
Рис. 1.15. Облицовка стен
а выставочный павильон — облицовка стен штампованными эмалированными листами; об
струкции покрытия — блоки с Предварительно напряженными обшивками пролетом 66 м;
стами, анодированными «под бронзу»;
32
собой глухие поверхности из профилированных или гладких листов,
закрепленных на фахверке здания. Гладкие листы для обеспечения
необходимой жесткости, как правило, подвергают предваритель-
ному напряжению. Устройство в листовых стенах окон, витражей,
дверей и других включений такого рода требует образования спе-
циальных проемов, заполнение которых производят конструкциями
каркасно-филенчатого типа. Навесные стены с применением профи-
лированных и гладких листов, собираемые на строительной площадке,
обычно называют конструкциями полистовой или послойной сборки —
как при монтаже стены на вертикальном фахверке из отдельных ли-
стов, так и при монтаже крупноразмерными элементами (в том числе
включающими в монтажную марку и фахверк), прошедшими укруп-
нительную сборку на земле. Практика знает случаи монтажа таких
карт площадью до 240 м2.
В отечественном и мировом строительстве применяют одно-,
двух- и трехслойные стены из профилированных листов (рис. 1.14),
через обшивки прикрепляемые к фахверку стены при помощи крюк-
болтов, самонарезающих винтов, клямер, штифтов переменного
сечения. Крепежные детали с внешней стороны стены располагают
всегда во впадинах гофров. В стенах высотой до 10—12 м обшивки
делают, как правило, из одного гофрированного листа на всю высоту
стены, избегая, таким образом, горизонтальных стыков. При уве-
личении высоты листы стыкуют простой нахлесткой на 50 мм.
Профилированные обшивки стен делают почти исключительно
из гофрированных листов (см. разд. 3), часть которых применяют
также в конструкциях кровель. Штампованные листы обычно при-
меняют (рис. 1.15) в облицовках стен уникальных зданий и малых
архитектурных форм.
Штампованные листы наиболее распространенной толщины 1,2 —
2,0 мм крепят дюбелями, винтами или гвоздями непосредственно
к полю стены или устраивают легкую решетку типа фахверка. В этом
случае появляется возможность закреплять листы на специальных
клямерах, что значительно снижает трудоемкость монтажа. Штам-
листами:
® ^Е Е
нвка фризов из прессованных 'профилей; консольные витражи высотой 10 м. Несущие кон-
— универсальный спортивный зал «Крылья Советов» — облицовка стен штампованными ли-
— рисунки некоторых штампованных листов
2 Альтман Т. Б.
Н Др.
33
пованные листы обычно применяют как средство, позволяющее зна-
чительно обогатить пластику фасадов, конструктивно же и функцио-
нально они почти всегда значительно уступают гофрированным ли-
стам. И гофрированные, и штампованные листы применяют при ре-
конструкции старых здании.
В стенах промышленных зданий иногда применяют обшивки из
предварительно напряженных гладких лент. Ленты раскатывают
по фахверку в вертикальном или горизонтальном направлении, на-
тягивают и крепят к фахверку. Длину ленты обычно назначают рав-
ной высоте или длине здания. Расход алюминия на 1 м2 одной об-
шивки составляет в стенах из гофрированных листов 2,5—4,0 кг
(в зависимости от профиля и толщины листа), в стенах из гладких
листов 2,3—2,5 кг, в штампованных облицовках 3,5—5,0 кг.
Кровельные настилы применяют для устройства
неутепленных и утепленных кровель по обрешетке или прогонам.
Применяют преимущественно одно- и трехслойные кровли, двух-
слойные кровли распространены значительно меньше. Кровли из
профилированных настилов, относящиеся к конструкциям полисто-
вой сборки, монтируют из отдельных листов на конструкции покры-
тия, находящегося в проектном положении, или на укрупненных
блоках покрытия, полностью собираемых на земле.
Требования к кровельным настилам аналогичны требованиям
к обшивкам, но условия их работы более жестки. Малые уклоны кро-
вель промышленных зданий не препятствуют скоплению снега, что
при его неравномерном таянии может привести в отдельных местах
к подпору воды. Наиболее подвержены протеканию даже при значи-
тельных нахлестках стыки, параллельные карнизу здания, поэтому
в строительной практике прослеживается четкая тенденция к увели-
чению применения листов большой длины, перекрывающих скат от
конька до карниза. Кровельные настилы крепят к прогонам крюк-
болтами. штифтами и пр. через верх гофра и для повышения водо-
непроницаемости применяют комбинированные металлорезиновые
шайбы. Есть конструкции, позволяющие крепить настил без обра-
зования отверстий. При малых уклонах обязательно применяют
герметики или упругие прокладки.
Стеновые и кровельные панели (рис. 1.16)
имеют значительное разнообразие конструктивных исполнений.
В зависимости от рабочих параметров различают бескаркасные и кар-
касные панели. Бескаркасные панели могут быть двух- и трехслой-
ные. Первые состоят из гофрированного листа, к которому с внутрен-
ней стороны прикреплена жесткая изоляционная плита с нанесен-
ным на нее отделочным слоем. Трехслойные листовые бескаркасные
панели состоят из двух металлических обшивок и теплоизоляции.
Обшивки соединяют путем завальцовки, склепывания или соедине-
ния выдавками отогнутых кромок (панели «ящичного» типа) или по-
средством крепления по контуру к обрамляющим рейкам из мате-
риала с малой теплопроводностью (водостойкая фанера, дерево,
пластмасса). Панели «ящичного» типа технологичнее прочих, но
склонны к промерзанию по контуру.
34
J 2
Рис. 1.16. Листовые панели стен и кровель:
а — сечение и стык двухслойных стеновых панелей; б, в — стеновая и кровельная панели
«ящичного» типа; г, д — стеновые панели с обрамляющими рейками из дерева и пластмассы;
е — кровельная панель с двумя гофрированными обшивками на прожилинах; 1 — несущая
обшивка; 2 — жесткая теплоизоляция; 3 — отделка; 4 — нащельник; 5 — защелка; 6 —
деревянная рейка; 7 — пластмассовая рейка; 8 — прожилнпа; 9 — минераловатная плита
Каркасные панели обычно имеют рабочие ребра, к которым крепят
обшивки, и поперечные распределительные ребра. Обшивки могут
быть включены или не включены в работу панели. Например,
ЦНИИпроектстальконструкция разработал трехслойную утепленную
панель из двух прогонов и нижней обшивки, участвующей в работе
панели на изгиб. Верхняя обшивка панели ориентирована гофрами
перпендикулярно нижней.
Подвесные потолки в гражданских и промышленных
зданиях несут одновременно несколько функций: улучшают аку-
стику помещений, создают герметичное ограждение между помеще-
нием и техническим этажом, решают эстетические задачи. В отече-
ственном и мировом строительстве наиболее распространены аку-
стические потолки, которые состоят из перфорированных алюминие-
вых панелей или реек \ линейных элементов из прессованных или
гнутых профилей, звукопоглощающих пакетов (волокнистые плиты
в тонкой пленке). Потолки располагают на регулируемых по высоте
подвесках.
Панельные потолки (рис. 1.17) монтируют из квадратных или
прямоугольных перфорированных панелей с отогнутыми кромками,
на которых- обычно имеются выдавки («пуклевки»). Панели закреп-
ляют путем задвигания их кромок снизу вверх между лапками сталь-
ных пружинок или в паз прессованного алюминиевого профиля,
где они заклиниваются. Демонтаж панелей производят в обратном
порядке. Поле панелей акустических потолков обычно плоское,
1 Рейками условно называют профилированные листы шириной до 300 мм
и с отношением длины к ширине 4 : 1 и более.
2*
35
с перфорацией различного характера площадью 10—25 % площади
панели. Панели декоративных подвесных потолков часто оставляют
неперфорированными и придают полю панели тот или иной рельеф,
иногда достаточно глубокий. Наиболее распространенные размеры
панелей 600X600, 500x500, 1200X600 и 300x300 мм. Толщина ли*
стов 0,6 и 0,8 мм.
Рис. 1.17. Панельные подвесные потолки:
а — лицевая панель; б, в — крепление лицевых панелей на стальных пружинках и на прес-
сованных алюминиевых профилях; 1 — лицевая панель; 2 — отбортовка; 3 — пуклевка;
4 — перфорация; 5 — каркас потолка (стальная труба); 6 — пружинка; 7 — каркас потолка
(алюминиевый профиль); 8 — подвеска
Рис. 1.18. Подвесные потолки реечные и из гладких лент:
а — реечный потолок; б — потолок из гладких предварительно напряженных леит
(ЦНИИСК); / — тетива; 2 — рейка; 3 — лапки, отогнутые из просечек на тетиве; 4 — зву-
копоглощающий пакет; 5 — гладкая лента; 6 — стальной пояс прогона; 7 — алюминиевый
пояс прогона
Реечные потолки (рис. 1.18) монтируют из профилированных реек
шириной 100—300 мм и длиной до 6000 мм, толщина листа 0,6 и
0,8 мм. Рейки крепят на тетивах из гнутых или прессованных про?
филей, располагаемых с шагом около 1000— 1200 мм. Нижнюю часть
тетивы обрабатывают с целью создания мест крепления реек. Рейки
крепят по типу защелок или в шпунт. Защелкивающиеся рейки
обычно устанавливают с зазором, который заполняют узкими рас-
кладками, крепящимися также по принципу защелкивания, или ос-
тавляют открытыми. Процент перфорации реек — до 25. Панель-
ные н реечные потолки обычно окрашивают эмалевыми крааками
горячей сушки, а в отдельных случаях анодируют.
Определенное применение находят декоративные потолки из прес-
сованных профилей, выполняемых обычно в виде прямоугольных
защелок размерами 30x30 или 60x60 мм. Профили устанавливают
с зазором, равным ширине профиля. Профили применяют аноди-
рованными.
В цехах особо точных производств, в помещениях с контроли-
руемой атмосферой и влажностью применяют герметичные про-
ходные потолки из каркасных листовых панелей с гладкой нижней
обшивкой, отделяющие чистые помещения цехов от технического
этажа, с которого обслуживают все инженерные коммуникации,
светильники, анемостаты и др.
Подвесные потолки из гладких предварительно напряженных
лент (рис. 1.18) позволяют вести монтаж на строительной площадке
из полуфабрикатов, получаемых непосредственно с металлурги-
ческих заводов и не требующих обработки на заводах алюминие-
вых конструкций. Ленты длиной до 500 м, шириной до 2 м постав-
ляют на строительную площадку' в рулонах и разматывают в про-
цессе монтажа, протаскивая по нижним поясам биметаллических
прогонов (нижний пояс которых — алюминиевый, а верхний пояс
и решетка — стальные). Затем ленту натягивают и приваривают
к прогонам. Такой потолок размером 186x30 м смонтирован, напри-
мер, на Сегежском целлюлозно-бумажном комбинате.
Несущие конструкции зданий
Применение алюминиевых несущих конструкций при существующем
соотношении цен на алюминиевые и стальные конструкции может
быть экономически оправдано только при наиболее эффективном и
одновременном использовании нескольких положительных качеств
алюминия, перечисленных в разд. 2. Во всех остальных случаях
основным материалом для несущих конструкций должна быть сталь.
Для повышения экономической целесообразности применения алю-
миния в несущих конструкциях применяют комбинированные кон-
струкции, в том числе сталеалюминиевые, обеспечивающие в ряде
случаев рациональное решение. К благоприятным условиям для
применения алюминия в несущих конструкциях можно отнести
следующие: значительное влияние собственной массы металли-
ческих конструкций на суммарную нагрузку и относительно не-
большое влияние временной нагрузки (например, крановой, пере-
37
даваемой на алюминиевые конструкции); строительство в отдален-
ных и труднодоступных районах; наличие слабых грунтов; наличие
агрессивных сред, благоприятных для применения алюминия; вы-
сокая сейсмичность района; обеспечение сборно-разборности; обе-
спечение высоких архитектурных качеств конструкции; повышение
надежности эксплуатации при низких температурах.
Несущие алюминиевые конструкции применяют преимущест-
венно при решении покрытий зданий различного назначения. По
виду используемых полуфабрикатов различают листовые и стерж-
невые конструкции, при этом листовые несущие конструкции, как
правило, выполняют в здании также и ограждающие функции.
Общий объем применяемых несущих конструкций значительно
уступает объему ограждающих, причем листовые конструкции
распространены относительно более широко (иногда листовые кон-
струкции, основные элементы которых совмещают несущие и огра-
ждающие функции, выделяют в отдельную группу).
Для изготовления несущих конструкций применяют профили из
алюминия марок АД31, 1915 и 1925 и листы из алюминия марок АМц
и АМг2. Марки 1915 и 1925 разработаны специально для несущих
строительных конструкций — первая для сварных, вторая для
соединяемых на заклепках и болтах. Номенклатура профилей для
несущих конструкций отличается преобладанием сплошных про-
филей сравнительно простой формы с бульбами, ребрами и другими
утолщениями, предназначенными для повышения местной устой-
чивости стенок и свесов полок профилей. Для несущих конструкций
в целом характерно преобладание форм, призванных преодолеть
отрицательное влияние низкого модуля упругости алюминия: про-
странственные конструкции, неразрезные системы, конструкции,
в которых основные несущие элементы работают на растяжение, и др.
Несущие алюминиевые конструкции можно условно разделить
на следующие группы: крупноразмерные (пролетом более 6 м) кро-
вельные и глухие стеновые панели и блоки; покрытия из растяну-
тых поверхностей, в том числе мембранные покрытия; фермы, рамы;
арки и своды; купола; структурные конструкции.
Крупноразмерные кровельные и глухие стеновые панели могут быть
различных систем: балочной, комбинированной, арочной, висячей,
в форме оболочки и пр. На рис. 1.19 изображены комбинированные
панели, сочетающие гофрированные алюминиевые ленты со стерж-
невыми элементами: панель с каркасом в виде продольных ребер,
подкрепленных шпренгелем (рис. 1.19, а), и панель в виде трех-
гранной фермы, верхний пояс которой выполнен из гофрированных
алюминиевых листов, а нижний пояс и решетка — из алюминиевых
или стальных профилей (рис. 1.19, б). Стержневая часть последней
панели сделана в виде двух плоских элементов, которые для пере-
возки могут быть сняты и сложены, так что в транспортном поло-
жении панель представляет собой плоский пакет, позволяющий
эффективно использовать объем транспортного средства.
В целях наиболее рационального использования тонких гладких
листов применяют панели и блоки со стержневыми каркасом и пред-
38
Рис. 1.20. Объемный блок с предварительно напряженными обшивками - - покрытие дворца
спорта в Тюмени (ВИЛС)
варительно напряженными обшивками. В стеновых панелях Якут-
ской ГРЭС, например, применены панели размером 12 000x 1500 мм
с каркасом из сплошностенчатых комбинированных ребер и алю-
миниевых обшивок. Объемные блоки покрытий пролетом 30—66 м
осуществлены в ряде спортивных и выставочных зданий (рис. 1.20).
Панели пролетом 12 м изготовляют на заводе и доставляют на место
монтажа в собранном виде, блоки покрытий собирают на строитель-
ной площадке из плоских решетчатых несущих ферм и элементов
жесткости, поставляемых на площадку марками длиной 6—12 м,
и лент в рулонах, прибывающих непосредственно с металлурги-
ческих заводов, минуя заводы алюминиевых конструкций. Расход
люминия зависит от пролета блока и нагрузки и составляет 17—
кг/м2.
39
Покрытия из растянутых поверхностей. Конструктивные формы
на основе растянутых поверхностей позволяют наиболее рационально
использовать алюминий в несущих конструкциях. При этом воз-
никают две проблемы — восприятие распора и стабилизация тонко-
стенных растянутых листов при воздействии ветровой нагрузки,
создающей напряжения обратного знака. Распор воспринимают
либо замкнутым жестким контуром, либо примыкающими к по-
крытию жесткими частями здания (наример, трибунами крытого
стадиона). Стабилизацию тонколистовых покрытий осуществляют
путем дополнительной пригрузки покрытия, введением дополни-
тельных жестких элементов, созданием двухслойных седловидных
покрытий, в которых нижний слой алюминиевых листов или лент
работает на основные расчетные нагрузки, а верхний обеспечивает
стабилизацию нижнего при отрицательных нагрузках. Известны
следующие формы покрытий: цилиндрические мембранные оболочки,
мембранные покрытия на замкнутом контуре, из сплошных полот-
нищ или переплетенных лент, седловидные двухслойные покрытия
из взаимно перпендикулярных лент, воздухоопорные и пневмо-
каркасные покрытия, стабилизация которых обеспечивается повы-
шенным давлением или разрежением воздуха в здании или в поло-
сти конструкции.
Здание плавательного бассейна в Харькове (Харьковский Пром-
стройНИИпроект, ЦНИИСК) перекрыто цилиндрической мембран-
ной оболочкой пролетом 62,8 м, шириной 30,0 м. Оболочка изго-
товлена из алюминиевых лент толщиной 1,5 мм, по которым уло-
жены теплоизоляция и рулонная кровля. Расход алюминия 4,5кг/м2,
стали 55,0 кг/м2. Покрытие из переплетенных алюминиевых лент
на круглом плане диаметром 24 м выполнено по проекту ЦНИИСК
и ГПЙ Минздрава РСФСР (пос. Красково, Московская обл.). По
настилу уложены теплоизоляция и кровля. Расход алюминия
4,5 кг/м2.
Воздухоопорные покрытия могут быть выполнены однослойными
и поддерживаться в проектном положении за счет повышенного
давления воздуха в помещении или двухслойными с повышенным
или пониженным давлением воздуха в полости конструкции (лин-
зовые покрытия).
Фермы, рамы. Алюминиевые конструкции в виде стропильных
ферм и решетчатых рам применены в ряде объектов, преимущест-
венно эксплуатируемых в агрессивных средах. В некоторых слу-
чаях алюминиевые фермы были применены при реконструкции
зданий (главным образом в целях замены стальных ферм, сильно
пострадавших от коррозии при эксплуатации в агрессивной среде).
Большинство крупных решетчатых конструкций выполнено в 50—
60-е годы, в том числе: стропильные фермы железнодорожного
склада в Лондоне пролетом 63,3 м и вокзала пассажирской стан-
ции Лондон-Бридж пролетом 66,0 м; фермы покрытия главного
зала аэровокзала в Брюсселе; каркас выставочного павильона СССР
на международной выставке в Брюсселе; несущие конструкции
аэропорта Хэтфилд (Англия) из двухшарнирных рам пролетом
40
66,1 м и высотой (в свету) 13,5 м;
каркас склада в порту Антверпена
размером 250 x80 мм из сталеалю-
миниевых двухшарнирных рам
пролетом 80 м. установленных с
шагом 20 м и развязанных решет-
чатыми прогонами и связями
(рис. 1.21). Расход алюминия
около 17 кг/м2.
___________800GI
Рис. 1.21. Покрытие склада в доках
Антверпена
Арки, своды. Арочные алюминиевые покрытия криволинейной
или полигональной формы распространены в зданиях различного
назначения. Применяют системы двух видов: с несущими арками
или сетчатыми сводами из линейных элементов и алюминиевой
кровлей по ним и изготовленные из листов своды, совмещающие
несущие и ограждающие функции. Примерами арочных и сводчатых
конструкций с несущими решетчатыми элементами могут служить:
а) покрытие лабораторного зала в Серпухове (рис. 1.22) из бес-
шарнирных трехгранных решетчатых арок пролетом 90 м, распо-
ложенных с шагом 12 м. Кровля выполнена из утепленных алюми-
ниевых каркасных панелей шарнирно-консольной системы. Расход
алюминия — около 27 кг/м2;
б) сборно-разборные здания различного назначения (см. ниже);
в) покрытие спортзала в Аргентине в виде цилиндрического ре-
шетчатого свода, образованного двумя системами диагональных
перекрещивающихся ребер, собранных из унифицированных ре-
шетчатых элементов. Пролет свода 70 м, габариты покрытия в плане
90X70 м. По ребрам каркаса уложена кровля из гофрированных
алюминиевых листов.
Своды листовой конструкции выполняют из профилированных
листов с отдельными линейными деталями. К таким конструкциям
относятся:
полигональные своды пролетом 12—24 м из двухгранных складок,
соединенных на болтах. Расход алюминия 9,3—14,0 кг/м2. Своды
применяют в зданиях складов, мастерских и пр. в неутепленном и
утепленном вариантах. В эксплуатации находится несколько тысяч
таких сводов (СССР);
криволинейные своды пролетом до 40 м из арок переменного
сечения. Арка состоит из двух слоев гофрированных в форме пря-
Рис. 1.22. Арка свода лабораторного зала (ЦНИИпроектстальконструкция)
4?
моугольных складок листов, соединенных по продольным кромкам
планками разной высоты. По нижнему листу уложена теплоизо-
ляция. Своды находят применение в общественных, промышленных
и сельскохозяйственных зданиях (ВНР);
своды из профилированных в форме лотков листов, по продоль-
ным сторонам соединяемых внахлестку. Свод на весь пролет состоит
из одного элемента. Пролет свода до 20 м, ширина лотка 610 мм,
толщина листа 1,5—2,25 мм. Расход алюминия около 8 кг/м2
(ФРГ).
Купола могут быть разделены на две основные группы: 1) с несу-
щим каркасом из линейных элементов и листовой кровлей или свето-
прозрачным заполнением; 2) из профилированных тонколистовых
панелей, совмещающих несущие и ограждающие функции (листовые
панели могут быть усилены дополнительными линейными эле-
ментами).
Односетчатые купола с каркасом из полых профилей и кровлей
из плоских алюминиевых листов внахлестку диаметром 20 и 40 м
возведены в Москве. Расход алюминия на купол диаметром 20 м —
16 кг/м2, на купол диаметром 40 м —20 кг/м2. Купола сетчатой кон-
струкции со светопрозрачным заполнением возведены над плаватель-
ными бассейнами в гг. Сочи и Ялте. Купол с сетчатым каркасом и
светопрозрачным заполнением в каркасно-филенчатой конструкции,
расположенной на относе от каркаса, возведен в США для оранже-
реи. Пролет купола 53,2 м.
В листовых куполах применяют широтную раскладку панелей,
при которой к'пол собирают горизонтальными полосами из панелей
одного размера в пределах пояса, и геодезическую раскладку без
выраженных горизонтальных поясов. При широтной раскладке па-
нели в пределах пояса одинаковы и могут быть штампованными или
гнутыми ромбическими. Примерами листовых куполов могут служить:
купол из штампованных панелей широтной раскладки (США).
Диаметр купола 90 м. Панели трапецеидальной формы имеют ото-
гнутые кромки для соединения со смежными панелями на болтах.
Поле панели в средней части профилировано трапецеидальными гоф-
рами, кромки оставлены гладкими. Толщина листа 3,18 мм;
купола с ромбическими панелями широтной раскладки диамет-
рами 60 м (расход алюминия 16 кг/м2) и 72 м (расход алюминия
18,6 кг/м2), имеющие местные стержневые усиления (СССР);
геодезические купола (так называемые купола Фуллера) из
гнутых ромбических листов с поперечными распорками из труб, со-
единяемых в углах болтами на фасонках специальной формы. За
последние 25 лет в разных странах возведено значительное количе-
ство таких куполов. Наиболее распространены купола диаметрами
30—60 м (США).
Структурные конструкции, представляющие собой пространст-
венные решетчатые плиты из набора однотипных линейных элемен-
тов, применяют в покрытиях общественных зданий. Структурные
конструкции удобны для строительства зданий с нерегулярным пла-
ном и в определенной степени допускают свободное расположение
42
Рис. 1.23. Структурное покрытие концертного зала в Сочи (Гипротеатр, ЦНИИСК)
опор, что может быть с успехом использовано в зданиях выставоч-
ных залов свободной планировки и др.
Наиболее распространенным решением каркаса структурных кон-
струкций является решетчатая схема —верхние и нижние пояса
структуры и пространственную решетку изготавливают из линейных
(обычно трубчатых) элементов, а кровлю укладывают поверху,
причем имеются примеры применения предварительно напряженных
кровель. Самое крупное из известных зданий с применением алюми-
ниевых структурных покрытий —выставочный комплекс в Сан-
Пауло (Бразилия) площадью около 90000 м2.
Примером покрытия сложного в плане здания может служить
структурная конструкция над концертным залом в г. Сочи
(рис. 1.23), имеющая в плане очертания неправильного шести-
угольника с диаметром описанной окружности 81 м (площадь по-
крытия 4370 м2), и над прилегающим к нему фойе (площадь покрытия
1300 м2). Отдельные части покрытия зала выступают за опоры кон-
сольно до 15 м. Высота конструкции 2,45 м. Структура состоит из
труб, соединенных сваркой на специальной формы фасонках в трех-
гранные пирамиды, которые при монтаже соединяли высокопроч-
ными болтами.
Другой вид структурной конструкции — покрытия из листовых
пирамид, основаниями соединенных друг с другом на болтах, а по
вершинам пирамид развязанных стержневыми элементами (система
Пирадек). Каждая пирамида имеет квадратное основание со сторо-
ной 2,43 м и высоту 2,12 м, толщина листов 0,9 мм. >Кесткость гра-
ней и рамки основания пирамид обеспечивается соответствующими
отбортовками образующих их листов Расход алюминия состав-
ляет около 6 кг/м2.
43
Рис. 1-24. Сборно-
а — поперечные сечения некоторых зданий; б — промышленное здание (/II); торцы здания
монтаж первой рамы; д — сборно-
44
Сборно-разборные здания
Сборно-разборные здания предназначены для обеспечения достаточно
комфортабельных условий обитания и работы в местах временного
пребывания людей —в пионерных поселках при развертывании
строительства в неосвоенных районах, при работе изыскательских
партий и др. со временем службы на одной площадке от 2—3 недель
до 1—2 лет. Конструкции сборно-разборных знаний должны учиты-
вать особые условия строительства и эксплуатации, для которых
характерно следующее: многократная передислокация зданий; от-
разборные здания (ВИЛС):
не смонтированы; в — производственное здание (Vm. ж
разборный выставочный павильон г промышленное здание (V) —
45
сутствие достаточно квалифицированной рабочей силы; необходи-
мость возведения зданий в кратчайшие сроки (1—2 дня) при мини-
мальном количестве рабочих; неблагоприятные климатические ус-
ловия (монтаж может производиться зимой, в непогоду, во время
пыльных бурь и пр.); отсутствие удовлетворительных дорог; отсут-
ствие специального монтажного, а иногда грузоподъемного обору-
дования вообще.
Сборно-разборные здания подразделяются по конструктивной
схеме на здания с внутренним каркасом; здания с наружным карка-
сом; бескаркасные здания. По конструкции пола — на здания с по-
лом над грунтом (с вентилируемым подпольем) и полом по грунту.
По типу ограждающих конструкций —панельные (ограждения из
плоских или гибких только в одном направлении, например рулон-
ных, панелей) и палаточного типа (ограждения из однослойных
или многослойных гибких полотнищ — из брезента, войлока, тка-
ней с подбоем и др.). Здания палаточного типа здесь не рассматри-
ваются.
Сборно-разборные здания с каркасом применяют чаще, чем бес-
каркасные. по следующим причинам: каркас здания —своего рода
шаблон, облегчающий последующий монтаж ограждающих конструк-
ций: стыки ограждающих панелей расположены на жестком осно-
вании — элементах каркаса, что исключает смещение кромок смеж-
ных панелей в тонкости, перпендикулярной ограждению, облег-
чает производство герметизации стыков и повышает их надежность;
каркасные здания требуют менее тщательной выверки основания и
не так чувствительны к его просадкам во время эксплуатации, как
бескаркасные; отдельные монтажные элементы каркасных зданий
легче, чем бескаркасных, что особенно важно при монтаже зданий
вручную.
Примерами сборно-разборных зданий каркасного типа являются
следующие:
а) многоцелевое здание размерами 4,5X12,0 м в плане
(рис. 1.24, II) используется в качестве жилого, конторского, про-
изводственного или склада (в последних двух слу чаях может быть
оборудовано монорельсом для тельфера грузоподъемностью 500 кг).
Здание не нуждается в фу ндаменте и Устанавливается непосредственно
на спланированный двумя полосами грунт при помощи лежней из
металлических профилей. Каркас включает поперечные замкнутые
рамы из алюминиевых клепаных двутавров с полкой специальной
формы (рис. 1.25) и продольные связи. Ригель покрытия выполнен
переменной высоты для обеспечения необходимого для кровли ук-
лона. Панели ограждений —трехслойные, с обшивками из алюми-
ниевого листа и сердцевиной из приформованного пенополисти-
рола. Панели пола уложены на нижний ригель рам с образова-
нием под ними продуха. Таким образом, нижний ригель рамы оказы-
вается расположенным в зоне отрицательных температур. В местах
прохождения стоек каркаса через панели пола устроены гермо-
вкладыши, разрывающие мостики холода. Конструкции здания мо-
гут быть перевезены любым видом транспорта, причем специальная
46
Рис. 1.25. Узлы примыкания панелей сборно-разборных зданий к каркасу (слева направо—
здания II, III. 1 на рис. 1.24):
1 — элемент каркаса; 2 — панель; 3 — нащельник
тара для транспортирования не требуется. Бригада из десяти мон-
тажников собирает здание вручную за 9—10 ч;
б) промышленное здание размерами в плане 14x42 м предназна-
чено для размещения производственных и ремонтных мастерских,
складов и др. (рис. 1.24. III). Несущий каркас —циркульные
арки из прессованных алюминиевых труб специального сечения;
при монтаже каждую арку собирают на сухарях из трех элементов.
Арки опирают на грунт и закрепляют штопорными анкерами или
пригружают. Ограждающие панели —трехслойные, рулонные, дли-
ной 22 м и шириной 2 м (длина панели достаточна дтя перекрытия
здания на всю ширину одной панелью). Панель состоит из нижней
обшивки — профилированного в поперечном направлении листа,
который является несущей частью панели, теплоизоляции из поро-
лона и верхней обшивки —кровли из гладкого или мелкогофриро-
ванного листа. Зазоры между панелями закрывают нательниками,
которые крепят к выступающему из арок ребру (рис. 1.25). Пол
здания — по грунту. Аналогично по конструкции описанному зда-
ние размерами 8,4X42,0 м, отличающееся тем, что для обеспечения
необходимой высоты помещения круговая арка выполнена с центром,
расположенным выше опор (рис. 1.24, IV)',
в) производственное здание размерами 10,75 <42,00 м
(рис. 1.24, VI) смешанного типа —стены каркасной конструкции,
в покрытии ригелем каркаса являются предварительно напряженные
кровельные панели;
г) жилое здание размерами 5,0‘Х5.О м (рис. 1.24, 1). Несущий
каркас — замкнутые поперечные рамы из двутаврового профиля
специальной формы и продольные связи. Каркас расположен с на-
ружной стороны здания, нижний ригель каркаса может служить
лежнем при установке здания непосредственно на грунт иди несу-
щетфбалкой, если под здание устанавливают точечные опоры. Ограж-
дающие трехслойные панели монтируют изнутри здания и притя-
гивают болтами к элементам каркаса (рис. 1.25). Поверх каркаса
47
устанавливают холодную кровлю из гофрированных алюминиевых
листов. При перевозке здание не требует специальной тары. Все
перечисленные здания, за исключением здания с покрытием из
предварительно напряженных панелей, можно монтировать без при-
менения грузоподъемных механизмов, вручную.
К сборно-разборным зданиям бескаркасного типа относится про-
мышленное здание размерами в плане 10,8x42,8 м (рис. 1.24, V)
для размещения производственных и ремонтных мастерских, скла-
дов и пр. Несущими конструкциями являются поперечные рамы,
образованные трехслойными панелями с профилированными обшив-
ками, жесткость узлов обеспечивается трубчатыми стальными под-
косами с фаркопфами.
Определенное развитие сборно-разборные конструкции получили
во временных выставочных павильонах сезонного типа. Такие па-
вильоны обычно выполняют в холодном варианте, что предельно
упрощает конструкции ограждений. Примерами таких зданий могут
служить:
павильон ПНР. в течение ряда лет служивший для размещения
выставок в странах с тропическим климатом. Размеры в плане
24,74 17,35 м, высота 5,25 м. Павильон перекрыт длинными цилин-
дрическими оболочками пролетом 24,74 м и высотой 0,8 м. Л1асса
конструкции покрытия 7 кг м2. Стены павильона сделаны из алюми-
ниевых листов;
серия советских павильонов на .еждународных авиасалонах
в Бурже (1965—1979 гг.). Павильон салона 1979 г. (рис. 1.24, <?)
размерами 15x33 м имел несущий каркас из двухпролетных замкну-
тых алюминиевых рам и связей. Пролет рамы 7,5 м. Кровля выпол-
нена из гофрированных листов, предварительно напряженных путем
придания им изгиба. Л1онтаж павильона произведен вручную за
3 дня.
3. конструкции сооружений
Применение алюминиевых конструкций в различных сооружениях
обусловлено прежде всего высокой стойкостью алюминия во многих
средах, агрессивных по отношению к стали и бетону; сохранением
механических свойств при низких, в том числе криогенных, темпера-
турах; малой массой алюминиевых конструкций, облегчающей их
доставку в труднодоступные районы, и монтаж. С применением алю-
миния изготавливают следующие сооружения: емкости для хранения
жидких и сыпучих материалов; мостовые конструкции; мачты и
башни; защитные ограждения; затворы гидротехнических сооруже-
ний.
Емкости
Алюминиевые емкости условно можно разделить на резервуары для
хранения жидких материалов, силосные башни для хранения сыпу-
чих материалов, плавательные бассейны.
Резервуары. Применение алюминиевых и алюминиево-стальных
резервуаров для хранения веществ, агрессивных по отношению к кон-
48
струкционнои стали, предусматривает значительное повышение
долговечности этих конструкций. К числу агрессивных сред отно-
сятся сернистая нефть, жидкий кислород, жидкий азот, концентри-
рованная уксусная кислота, концентрированная азотная кислота,
жидкий метан и пр. Так, значительно повышается долговечность
цилиндрических резервуаров для хранения сернистой нефти, в ко-
торых стальные верхние пояса и кровля заменены алюминиевыми.
В ряде случаев долговечность алюминиевых конструкций особенно
удачно сочетается с сохранением механических характеристик при
низких температурах. Примером может служить сооруженный
в Алжире резервуар объемом И тыс. м3 для хранения жидкого ме-
тана. Благодаря нетоксичности алюминий широко применяют для
хранения жидких продуктов пищевой промышленности, в том числе
соков, экстрактов, вина и др.
Силосные башни. Применение алюминия в силосных башнях
объясняется его высокой коррозионной стойкостью, нетоксичностью
и высокой отражательной способностью. Последнее вкупе с высокой
теплопроводностью алюминия обеспечивает уменьшение разности
температуры между освещенной солнцем и находящейся в тени
частями башен, благодаря чему устраняется внутренняя миграция
влаги от нагретых частей башни к более холодным и исключается
местное повышение влажности и выпадение конденсата на внутрен-
ней стороне стенок башен.
Силосные башни используют для хранения неабразивных сыпу-
чих материалов, в том числе зерна, различных химических продук-
тов в гранулах и порошках, удобрений и др. Силосные башни вы-
полняют в форме прямоугольных и шестиугольных в плане призма-
тических и цилиндрических емкостей. Башни призматической формы
применяют в основном в хранилищах, состоящих из нескольких
смежных отсеков с общими стенками. Цилиндрические башни уста-
навливают поодиночке или группами, между отдельными башнями
оставляют зазоры. Стенки силосных башен делают из гладких ли-
стов и лепт, обычно подкрепляемых фальцами и in накладными реб-
рами, и из гофрированных листов с гофрами складчатой или волни-
стой формы, располагаемыми горизонтально. Соединение элементов
на монтаже осуществтяют на болтах, на заклепках, в фальц.
Силосные башни в виде прямоугольных призм применяют для
хранилищ небольшой единичной емкости, например для хранения
семенного зерна различных сортов в отдельных хозяйствах. На
рис. 1.26 показано сборно-разборное хранилище для семенного зерна
емкостью 1000 т из десяти закромов размерами в плане 3,6}<3,6 м
каждый и высотой 7,2 м (СССР). Стенки закромов выполнены из тон-
колистовых мембран (толщина листа 1,5 мм) в виде панелей, подкреп-
ленных металлическими ребрами. Приведенная масса алюминия со-
ставляет около 20 кг/т зерна, из которых примерно половина отно-
сится к кровле и конусному днищу. Разгрузка произвотится само-
теком
Цилиндрические силосные башни из гофрированных листов мон-
тируют из заранее изогнутых по заданной кривой отдельных листов,
49
Рис. 1.26. Силосные башни для хранения зерна:
а — слева — из прямоугольных закромов (ЦНИИСК, ВИМ), справа - из панелей в виде
тюбингов (ЦНИИСК); б — нз гофрированных листов Д
Рис. 1.27. Силосные башни спирально-навивного типа для хранения зерна (ВИЛС)
соединяемых на болтах или заклепках. Силосные башни из гофриро-
ванных листов широко распространены в мировой практике, их вы-
пускают и монтируют отдельностоящими или в составе комплект-
ных зернохранилищ. Например, в ГДР выпускают комплектные
зернохранилища емкостью 4488 м3 из 24 силосов с конусными дни-
щами (рис. 1.26). Емкость каждого силоса 182 м3, диаметр 5700 мм,
общая высота со стойками 10 850 мм. Расход алюминия 21,5 кг/м3.
Силосные башни спирально-навивной конструкции (система
Липпа) изготавливают в процессе монтажа путем спиральной навивки
алюминиевой ленты с соединением кромок смежных поясов ее
в фальц. Гибка ленты и закатка фальца осуществляются автомати-
чески в специальной установке. Монтаж представляет собой разно-
видность способа подращивания и заключается в подъеме с поворо-
том готовой части ствола башни по мере формования очередного
пояса ленты. Покрытие устанавливают на верхний срез ствола в на-
чале навивки и поднимают вместе со стволом. Наиболее широко
распространены алюминиевые силосы диаметром 4—8 м (рис. 1.27),
но применяют и другие — диаметром 3—12 м. Толщина стенок силоса
для хранения зерна диаметром 6 м и высотой 11,5 м равна 3 мм.
Емкость одной башни 250 т. Расход алюминия 12 кг/т зерна. Монтаж
одной башни производят за 20 ч. Первое в СССР зернохранилище
из шести силосных башен емкостью 250 т каждая выстроено в кол-
хозе «Адажи» ЛатвССР.
Массовое строительство сравнительно небольших зернохранилищ
на базе силосных башен спирально-навивного типа непосредственно
в совхозах и колхозах принесет значительный народнохозяйственный
51
эффект, уменьшив потери зерна, снизив пиковую напряженность
в работе транспорта и приемных пунктов в период уборочной кам-
пании.
Бассейны. В мировом строительстве алюминий находит широкое
применение при изготовлении ванн небольших плавательных бассей-
нов, в том числе бассейнов индивидуального пользования. Выпускают
обширную номенклатуру бассейнов различной глубины (начиная
от детских «ля, ушатников»), формы (преимущественно прямоуголь-
ные и круглые в плане), постоянной и переменной глубины. Бас-
сейны изготавливают в заводских условиях и поставляют заказ-
чику в собранном виде или крупными блоками (обычно не больше
двух блоков), которые сваривают на площадке.
Мостовые конструкции
Замена стали алюминием в мостовых конструкциях обеспечивает
уменьшение их массы и повышение долговечности, однако высокая
стоимость алюминиевых конструкций делает их применение в общем
случае экономически неоправданным. Применение алюминия при
реконструкции, например замена стальной проезжей части алюми-
ниевой, позволяет увеличить полезную нагрузку на мост без усиле-
ния опор и основных несу щих пролетных конструкций, что в ряде
случаев делает применение алюминия экономически целесообразным.
Алюминиевые конструкции используют при создании новых и ре-
конструкции существующих неподвижных и подвижных пеше-
ходных, автодорожных и железнодорожных мостов. Наибольшее
количество существующих мостов построено в конце сороковых —
шестидесятые годы. В настоящее время алюминий применяют в от-
дельных пешеходных мостах скорее из архитектурных соображений,
чем из конструктивных. Изготавливают пролетные строения стандарт-
ных размеров для восстановления мостов в аварийных ситуациях
(стихийные бедствия, катастрофы и пр.), однако объем производства
таких мостов незначителен.
Ниже приведены примеры сооруженных в разные годы железно-
дорожных, автодорожных и пешеходных мостов:
железнодорожный мост через р. Грасс (США). Из алюминия смон-
тирован один пролег 29,7 м. Пролетное строение в виде клепаной ко-
робчатой балки со сплошными стенками высотой 3050 мм доставили
с завода в собранном виде Масса строения 24 т (составляет 41,4 %
массы аналогичного стального пролета);
железнодорожный мосг через реку Сегени (Канада) длиной
153,7 м средний пролет перекрыт аркой 88,5 м. Мост цельноалюми-
ниевый (рис. 1.28, а). Настил проезжей части и тротуара — из
железобетонных плит с асфальтовым покрытием. Расход алюминия
181 т (не более 50 % массы аналогичного стального моста);
автодорожный мост через канал около г. Сабадсаллаш (ВНР)
пролетом 12,6 м,
автодорожный мост через канал около г. Люнена (ФРГ). Пролет
моста 44,2 м (рис. 1.28, б). В конструкции применены специальные
прессованные алюминиевые профили большого сечения для элемеи-
52
Рис. 1.28. Автодорожные мосты
тов ферм и настила. Расход алюминия 25 т (29,4 % массы стального
моста такого же пролета);
автодорожный мост около г. Рузы (СССР) пролетом 32,4 м. Про-
летное строение —клепаные фермы с треугольной решеткой, пол-
ностью изготовленные на заводе;
автодорожные мосты системы «Фэйрчайлд» (США) пролетами от
18,3 до 36,6 м состоят из трехгранных балок-оболочек нз алюминие-
вого листа толщиной 2 мм. укрепленного ребрами жесткости через
170 мм, связывающего балки нижнего настила и монолитной железо-
бетонной плиты, включенной в работу пролетного строения
(рис. 1.28, в). Расход алюминия около 46 кг м2;
автодорожные мосты системы «Барони» (США) пролето л 33.5 м
состоят из балок-оболочек параболического сечения, снабженных
поперечными дифрагмами. При монтаже между балками также уста-
навливают диафрагмы, связывающие балки воедино. На балки ук-
ладывают алюминиевый гофрированный настил, на настил —моно-
литную железобетонную плиту, которая работает совместно с не-
сущими конструкциями. Расход алюминия 46,2 кг/м2. По имею-
щимся данным, стоимость мостов систем «Фэйрчайлд» и «Барони»
приближается к стоимости стальных мостов, но первые долговеч-
нее и не требуют периодической окраски.
Примерами пешеходных мостов (рис. 1.29) являются:
мост арочной конструкции в Ленинграде;
мост пролетом 20,5 м (ФРГ), рассчитанный на нагрузку
5000 Н м2. Масса алюминия 6,3 т;
крытая балочная галерея (ФРГ) пролетом 15,8 м, рассчитанная на
нагрузку 2000 Н м2. Несущая часть галереи —сварной мост швел-
лерного сечения, сваренный из полых прессованных профилей, при-
мененных для устройства пешеходной части описанного выше моста.
Рис. 1.29. Пешеходные мосты:
а агочный мост в Ленинграде; б — балочный мост (ФРГ); в — крытая балочная галерея
F (ФРГ)
53
Применение алюминия в подвижных (разводных, Подъемных и
др.) мостах экономически целесообразнее, чем в неподвижных.
К подобным мостам относятся:
разводной железнодорожный и автодорожный мост с совмещен-
ной ездой в одном уровне через р. Вир (Англия) пролетом 27,43 м;
разводной железнодорожный и автодорожный мост с совмещенной
ездой в одном уровне около г. Абердина (Англия). Пролет моста
в свету 21,3 м, расстояние между осями вращения 30.5 м. полная
ширина моста 11,3 м;
телескопический выдвижной пешеходный мост в гавани г. Саут-
гемптона (Англия). Пролетное строение выдвигается на 23 м и мо-
жет поворачиваться вокруг горизонтальной и вертикальной осей.
Л1ост рассчитан на нагрузку 3000 Н7м2 от пешеходов и ветровую на-
грузку при скорости ветра 75 км,ч. Расход алюминия 380 кг м2,
в том числе на несущие конструкции 195 кг/м2;
разводной мост в порту Гавра (Франция) пролетом 35 м. Из алю-
миния выполнена проезжая часть, для которой применены П-образ-
ные профили высотой 100 мм и шириной 324 мм. Это позволило умень-
шить массу моста на 44 %, доведя расход алюминия до 44,6 кг/м2.
Помимо использования алюминия для основных несущих кон-
струкций и настилов проезжей части, алюминий в мостовых кон-
струкциях применяют для устройства порталов над проезжей частью
моста для размещения дорожных знаков, указателей, светофоров и
пр., колесоотбойных балок, парапетов и др.
Мачты и башни
Л1ачты и башни служат в качестве опор линий электропередач,
буровых вышек, радиомачт, антенно-мачтовых устройств с рефлекто-
рами и пр. Применение алюминия в этих конструкциях обеспечивает
уменьшение их массы, повышение долговечности при снижении
эксплуатационных расходов, снижение расходов по транспортиро-
ванию, упрощение монтажа, сокращение объемов фундаментов.
В мировой практике накоплен значительный опыт применения
алюминия в опорах ЛЭП напряжением до 750 кВ. Характерная осо-
бенность алюминиевых опор — малая масса. Алюминиевые опоры,
выполненные по стандартным схемам, в 2,0—2,3 раза легче сталь-
ных. Использование специальных прессованных профилей позво
ляет уменьшить массу опор дополнительно на 10—12 %. Алюминие-
вые опоры ЛЭП обычно применяют в горных, отдаленных и трудно-
доступных районах, где имеются значительные трудности с их до-
ставкой, монтажом и эксплуатацией (главным образом окраской
стальных опор).
В СССР смонтирована линия электропередачи напряжением
330 кВ Машук—Орджоникидзе. Трубчатые опоры ЛЭП высотой
22,5—41,5 м применены в Канаде. Алюминиевые опоры открытых
электроподстанций применены в США, Новой Зеландии и других
странах.
Достаточно широко применяют алюминий в конструкциях опор
и каркасов антенн радиотехнических устройств, в том числе в сборно-
54
разборных радиомачтах. Например, в ФРГ имеются мачты из стан-
дартных секций общей высотой 60,2 м, в Англии построены сборно-
разборные радиомачты высотой 36,6 и 62,5 м, массой менее 2 т,
мачта высотой 98 м и две решетчатые радиобашни высотой 105 м.
Некоторое, правда, пока незначительное применение алюминий
находит в конструкциях буровых вышек. Благодаря снижению массы
конструкций вышки можно передвигать на значительные расстоя-
ния, не разбирая их, что позволяет полностью исключить многократ-
ные монтаж и демонтаж при разведочном бурении, особенно неблаго-
приятно сказывающиеся при бурении большого количества скважин
сравнительно небольшой глубины. Дополнительное преимущество
алюминиевых конструкций нефтяных буровых вышек — пожарная
безопасность, так как алюминий не дает при случайных ударах
искр, являющихся одной из основных причин возгораний на нефтя-
ных промыслах.
Затворы гидротехнических сооружений. Защитные ограждения
Алюминий применяют в тех видах затворов гидротехнических соору-
жений, уменьшение массы которых не снижает надежности пере-
крытия отверстия: в сегментных рабочих затворах, шандорных,
ремонтных и др. Алюминиевые затворы долговечнее и уменьшают
мощность обслуживающих механизмов. Так, алюминиевый затвор
размером 6x3 м установлен на канале им. Москвы, алюминиевые
рабочие затворы секторного типа — в плотине на р. Темзе (31
затвор размером до 2,13x1,06 м), в Швейцарии построен затвор
пролетом 7,2 м, воспринимающий напор 4 м. В Бельгии из алюми-
ния построены двухстворные ворота сварной конструкции для судо-
ходного шлюза. Ширина шлюзовой камеры 6,5 м, ширина каждой
створки 3,88 м. Напор от 5,5 до 4,5 м.
Алюминий применяют в конструкциях различного рода огражде-
ний, например ограждений лестниц и перил балконов зданий. Ана-
логичные по цели и конструкции ограждения часто применяют в
парапетах мостов, набережных и др., в том числе в зоне непосредст-
венного воздействия воды (например, брызг от прибоя). Алюминиевые
ограждения значительно долговечнее стальных, особенно в условиях
морского климата.
Известны случаи применения алюминия в ограждениях авто-
страд, где использованы отбойные брусья из толстостенных профили-
рованных листов. В горных районах Швейцарии применяют снего-
задерживающие щиты и другие подобные устройства на лавиноопас-
ных склонах для задержки снега или смягчения его напора и для
защиты от лавин отдельных участков дорог. Устройства представ-
ляют собой сквозную конструкцию из мощных алюминиевых балок,
преимущественно гнутых, на соответствующих опорах.
Особенности проектирования, изготовления,
транспортирования, монтажа и эксплуатации конструкций
На всех стадиях применения алюминиевых конструкций необходимо
тщательно учитывать физико-механические и технологические осо-
55
бенности алюминия. Ниже рассматриваются эти особенности алю-
миния в основном по сравнению со сталью.
Проектирование конструкций. Относительно высокая цена на
алюминиевые полуфабрикаты и конструкции предопределяет необ-
ходимость строгого выбора тех строительных объектов, в которых
применение алюминия обеспечивает наибольший технико-экономиче-
ский и архитектурно-эстетический эффекты. При определении эко-
номического эффекта алюминиевых конструкций обязательно сле-
дует учитывать такие факторы, как снижение эксплуатационных
расходов благодаря исключению периодической окраски, уменьше-
ние инфильтрации воздуха в притворах открывающихся элементов,
снижение теплопотерь и улучшение освещенности помещений вслед-
ствие высокой отражательной способности алюминия и пр.
Для алюминиевых конструкций характерно отсутствие сорта-
мента профилей в том виде, как это понимается для стальных кон-
струкций. Номенклатура прессованных алюминиевых профилей
состоит из комплектов профилей для конструкций тех или иных типов
и из некоторого количества профилей, не привязанных жестко
к определенному комплекту и применяемых самостоятельно или
с различными комплектами. Технология изготовления алюминиевых
профилей позволяет получить наиболее экономичное по расходу
металла и по трудоемкости последующей обработки сечение, в том
числе полое, с местными выступами, пазами и каналами для креп-
ления примыкающих элементов.
Основной вид соединений алюминиевых конструкций — механи-
ческие различных видов: резьбовые, заклепочные, а также специфи-
ческие соединения, использующие упругие и пластические дефор-
мации алюминия, соединения с помощью профилей специальной
формы и др.
Все ограждающие алюминиевые конструкции, кроме кровельных,
являются средством выражения определенного архитектурного за-
мысла, и к ним предъявляются повышенные эстетические требования.
В соответствии с этим при проектировании следует руководствоваться
требованиями, обеспечивающими необходимую выразительность алю-
миниевых конструкций, например не применять гладких листов на
больших плоскостях, особенно освещенных косым светом.
Изготовление конструкций Ниже перечислены основные особен-
ности изготовления строительных алюминиевых конструкций по
сравнению со стальными конструкциями.
Специализированные заводы алюминиевых конструкций, рабо-
тающие по полному технологическому циклу, содержат ряд произ-
водств, не свойственных заводам стройиндустрии вообще, причем
производства эти разнообразны, сложны и требуют высокого техни-
ческого уровня обслуживания. Основными из них являются: метал-
лургическое производство (прессование профилей, литье слитков для
прессования, отливка фасонных деталей); металлообрабатывающее
производство, оснащенное специализированным оборудованием (ме-
ханическая обработка профилей на агрегатных станках, профилиро-
вание и механическая обработка листа); электрохимические процессы
56
(анодирование разными методами, а также цинкование, кадмирова-
ние, никелирование стальных деталей); процессы, свойственные неф-
техимическому производству (производство резиновых профилей) и др.
В связи с унификацией основных видов алюминиевых конструк-
ций, малой массой отдельных деталей и узов и большим котичеством
одинаковых деталей на заготовительных и частично сборочных опе-
рациях применяется поточное производство на конвейерных и авто-
матических линиях.
Резку алюминиевых полуфабрикатов ведут на дисковых и гильо-
тинных ножницах, на фрезерно-отрезных станках и циркульных
пилах. Огневую резку алюминия не применяют.
В алюминиевых конструкциях применяют большое количество
видов заводских и монтажных соединений.
Имеется возможность сокращения трудоемкости изготовления
алюминиевых конструкций благодаря применению специальных по-
луфабрикатов (профилей, лент).
В связи с широким использованием тонкостенных полуфабрика-
тов, малой твердостью и низким значением модуля упругости алю-
миниевые конструкции требуют особо бережного отношения в про-
цессе производства, иначе может быть повреждена поверхность
деталей.
Транспортирование конструкций. Небольшая масса алюминие-
вых конструкций позволяет сократить расходы на их транспортиро-
вание. Особое внимание должно быть уделено обеспечению компакт-
ной укладки конструкций в транспортные средства, чтобы макси-
мально использовать не только их объем, но и грузоподъемность.
Алюминиевые конструкции требуют соблюдения специальных
мер предосторожности для предупреждения повреждения их при
транспортировании — тщательного раскрепления отдельных эле-
ментов, исключения взаимного смещения соприкасающихся элемен-
тов конструкций при перевозке, применения мягких прокладок,
расчалки конструкций пеньковыми веревками, но не тросами или
проволокой, применения ремней при перемещении конструкций
кранами и др.
Монтаж конструкций. Л1онтаж строительных алюминиевых
конструкций можно производить с помощью обычных монтажных
средств и способами, наиболее благоприятными для монтажа легких
конструкций. К числу последних относятся вертолеты, надувные
конструкции, используемые для монтажа конструкций покрытий,
а также другие средства и приспособления.
Небольшая масса алюминиевых конструкций позволяет произво-
дить монтаж укрупненными элементами (например, навесных степ —
монтажными единицами площадью 100—240 м2) легкими кранами.
Необходимо неукоснительно соблюдать очередность производства
работ. Так, монтаж ограждающих алюминиевых конструкций раз-
решается вести только после окончания работ, связанных с мокрыми
процессами.
Алюминиевые конструкции можно монтировать и крупными, и
мелкими марками. Дело не в том, сколько монтажных стыков имеет
57
конструкция, а какова суммарная трудоёмкость их разделки и на-
дежность в эксплуатации.
Эксплуатация конструкций. Состояние алюминиевых конструк-
ций зависит не только от характера производства или атмосферы,
в которой они эксплуатируются, но и от культуры эксплуатации.
Для длительного сохранения первоначального вида алюминиевые
конструкции следует один-два раза в год промывать специальными
моющими средствами пли мыльной водой, применяя нещелочное
мыло и мягкие щетки или тряпки. Смачивание поверхности конструк-
ций водой должно быть обильным. Применение щелочных моющих
веществ и металлических щеток не допускается.
Изношенные уплотняющие и герметизирующие прокладки необ-
ходимо своевременно заменять новыми. Заклеивание притворов
окон на зиму с использованием несмываемых или щелочных клеев
(например, силикатного канцелярского клея) запрещается катего-
рически.
* * *
Условиям, при которых наиболее полно реализуются преимуще-
ства алюминия (см. гл. 1, разд. 2), ограждающие конструкции зда-
ний отвечают в большей мере, чем другие алюминиевые констру кции.
Применение алюминия в несущих конструкциях носит ограни-
ченный характер и допускается строительными нормами и прави-
лами только при специальном обосновании. Применение алюминия
в несущих конструкциях производственных зданий и сооружений
обосновывается дополнительно: наличием агрессивной среды; много-
кратностью применения зданий в условиях Северной строительно-
климатической зоны и в отдаленных районах; применением в трудно-
доступных районах пространственных стержневых конструкций типа
опор ЛЭП и перемещаемых вышек.
Недостаточное развитие получило в настоящее время применение
алюминия в сборно-разборных зданиях (в том числе для малоосвоен-
ных районов Севера и Востока) и в сельскохозяйственном строи-
тельстве. Требуется форсированное развитие нового перспективного
направления — полифункциональных ограждающих конструкций
зданий, включающих коллекторы солнечной и других возобновляе-
мых видов энергии.
Быстрое развитие алюминиевых конструкций может быть обеспе-
чено только при проведении единой технической политики, что тре-
бует сосредоточения разработки конструкций, создания новых тех-
нологических процессов, подготовки технических заданий на новые
виды специализированного оборудования в специализированной
организации, входящей в состав промышленности алюминиевых кон-
струкций.
Производство алюминиевых конструкций должно быть сосредо-
точено на специализированных заводах, работающих, как правило,
по полному технологическому циклу.
Все крупные специализированные заводы алюминиевых кон-
струкций должны подчиняться одному министерству или ведомству.
58
Глава 2
ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В СУДОСТРОЕНИИ1
Алюминиевые сплавы начали применять в судостроении в двадцатых
годах. Вначале оно было ограниченным. Быстрый рост использования
алюминиевых сплавов в этой отрасли начался после второй мировой
войны и особенно в последние два десятилетия, чему способствовало
создание свариваемых коррозионностойких алюминиевых сплавов.
В настоящее время алюминиевые сплавы находят широкое при-
менение в судостроении для строительства корпусов судов и их
надстроек, а также для изготовления различного судового оборудо-
вания, трубопроводов, мебели и других устройств [1 ].
Главная цель применения алюминиевых сплавов при строи-
тельстве судна — максимально возможное его облегчение с исполь-
зованием освободившейся массы для повышения грузоподъемности
или улучшения технических характеристик судна (повышение ско-
рости, совершенствование оборудования, улучшение устойчивости,
увеличение дальности перевозок и пр.).
Алюминиевые сплавы используют при строительстве судов и в тех
случаях, когда нужно применить немагнитный материал, а также
для декоративных целей.
Наиболее значительная часть массы судна относится к его корпусу
(25—40 % от водоизмещения). В связи с этим в целях максимального
снижения массы судна целесообразно для изготовления корпусных
конструкций шире использовать алюминиевые сплавы. Можно изго-
товлять из алюминиевых сплавов основной корпус с надстройками
и внутренними переборками, а также одни надстройки и внутрен-
ние переборки, оставив основной корпус стальным. В зависимости
от назначения суда имеют различное специфическое оборудование
[1]: траулеры — зашивки и разделительные (заборочные) доски
рыбных трюмов, палубные грузовые стрелы; танкеры — танки
и крышки к ним; рефрижераторные суда — зашивки трюмов; сухо-
грузные суда — люковые закрытия трюмов, контейнеры, крановое
оборудование и пр. Для изготовления подобного оборудования
можно использовать алюминиевые сплавы.
Каждое судно оборудуется спасательными шлюпками, шлюп-
балками для них и плотиками, которые часто изготовляют сварными
из алюминиевых сплавов.
Широко используют алюминиевые сплавы для изготовления вен-
тиляционных шахт и другого вентиляционного оборудования судов.
Они также находят применение при изготовлении судовых мачт,
радиолокационных антенн, нефтяных, масляных и водяных трубо-
проводов, некоторых теплообменных аппаратов, кожухов дымовых
труб, судовых подъемников, мерных ограждений, тентовых устройств
и другого подобного оборудования.
1 Авторы: И. В. Горынин. Ю. С. Золоторевский, А. Г. Макаров, Г. Н. Андреев.
59
Ручки, окна, иллюминаторы, трапы и дугие изделия из алюми-
ниевых сплавов применяют в тех случаях, когда соответствующие
основные конструкции изготовлены из этих сплавов.
Широко применяют алюминиевые сплавы для внутреннего обо-
рудования, изготовлявшегося ранее из дерева, а также для отделки
парадных входов и помещений пассажирских судов.
При использовании алюминиевых сплавов для указанных выше
конструкций, оборудования, устройств и др. необходимо учитывать
конкретные условия службы соответствующего изделия, сопостав-
лять их с соответствующими физическими, механическими, корро-
зионными и технологическими свойствами алюминиевых сплавов и
правильно выбирать марку сплава.
1. СПЛАВЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СУДОСТРОЕНИИ
Основные требования, предъявляемые к алюминиевым сплавам для
судостроения, следующие:
1. Обеспечение предела текучести, временного сопротивления
и пластических свойств, необходимых для создания прочных и на-
дежных судостроительных конструкций.
2. Удовлетворительная свариваемость, высокие прочностные
свойства, надежность сварных соединений из сплавов, предназна-
ченных для изготовления сварных конструкций.
3. Удовлетворительные технологические свойства, обеспечива-
ющие возможность получения листов и профилей на металлургиче-
ских заводах и изготовление конструкций на судостроительных за-
водах с осуществлением операций гибки, правки, резки на гильо-
тинных ножницах и другим холодным инструментом, обработки на
станках и пр.
4. Хорошая коррозионная стойкость в морской и речной воде
или других средах, в которых будет работать конструкция, при
заданных скоростях движения в них. Сплав также должен обладать
удовлетворительной коррозионной стойкостью под напряжением
в соответствующих средах.
5. Удовлетворительная сопротивляемость ударным нагрузкам.
Для сваривающихся сплавов это относится и к сварным соединениям.
6. Отсутствие склонности к искрообразованию при ударах и тре-
нии деталей из алюминиевых сплавов одна о другую, что особенно
важно при наличии легко воспламеняющихся сред (танкеры и пр.).
К алюминиевым сплавам, из которых изготовляют трубопроводы,
теплообменные аппараты, судовые механизмы и др., кроме пере-
численных требований могут предъявляться дополнительные требо-
вания коррозионной стойкости в соответствующих средах при обус-
ловленных рабочих температурах, давлениях и скоростях движения
сре^ы.
Указанным выше требованиям лучше всего удовлетворяют сплавы
системы А1—Mg. Однако в судостроении применяют не все известные
марки этих сплавов. Прежде всего не рекомендуется применять
сплавы с содержанием магния выше 6 %, так как понижается кор-
60
розионная стойкость. В связи с этим некоторое время применяли
только сплав АМг5. Полуфабрикаты (листы и профили) из этого
сплава обладают сравнительно невысокими прочностными свой-
ствами (табл 2.1) [2],
В шестидесятых годах разработан новый сваривающийся алюми-
ниевомагниевый став АМг61 (см. табл. 2.1) — более прочный,
чем сплав АМг5, и не уступающий ему по коррозионной стойкости.
Таблица 2.1. Свойства полуфабрикатов из алюминия и его сплавов,
применяемых в отечественном судостроении
Полуфабри- кат Состояние Гарантируемые механиче- ские свойства Коррозион- ная стой- кость в мор- ской воде Сварочные свойства
°R, МПа с0.2, МПа 610. / 0
Листы Отожженное Спл 58,8 ав АД1 (1013) 20 Хорошая Хорошие
Профили » 58,8 —- 20 (/ = 5d) » »
Трубы » 58,8 — 20 » »
» Нагартованное 98,0 — 5 » »
Листы Отожженное Спл 88,2 ав AM Г (1400) 18 » »
» Горячекатаное 98 — 10 » »
» Полунагарто- 147 — 6 » »
Профили ванное Горячепрес- 98,0 — 16 (Z = 5d) » »
Листы тол- сованное Отожженное Сплс 196,0 в АМг 98,0 3 (1530) 15 Хорошая Хорошие
щи нои до 4,5 мм
Листы тол- Горячекатаное 98,0 — 10 » »
щиной бо- лее 5 мм
Профили Горячепрес- 176,4 78,4 13 (1 = 5d) » »
Трубы сованное Отожженное 186,2 (8,0) 68,6 15 » »
Листы тол- Отожженное Сплс 274,4 ie АМг 147,0 5 (1550) 15 Хорошая Хорошие
ЩИНОЙ до 4,5 мм
Листы тол- Горячекатаное 274,4 127,4 15 »
щиной бо- лее 5 мм
Плиты тол- » 274,4 107,8 12 » »
ЩИНОЙ ДО 50 мм
Профили Горячепрес- 254,8 127,4 15(/ = 5d) » »
Трубы сованное Отожженное 254,8 127,4 15 »
61
Продолжение табл. 2.1
Полуфабри- кат Состояние Гарантируемые механиче- ские свойства Коррозион- ная стой- кость в мор- ской воде Сварочные свойства
ов, МПа г0.2, МПа Со. %
Листы тол- Отожженное Сплав 333,2 АМгб 176,4 1 (1561) 15 (Z = 54) Хорошая Хорошие
щиной 4,0—4,5 мм Листы и Горячекатаное 333,2 176,4 12 » »
ПЛИТЫ тол- щиной до 25 мм Плиты тол- » 333,2 176,4 10 » »
щиной до 50 мм Профили Горячепрес- 333,2 205,8 11 (Z = 54) » »
Листы тол- совамное Закаленное и Сп/ 475,3 ав Д16 357,7 (1160) 10 Плохая Не свари-
ЩИНОЙ до 4 мм Листы тол- естественно состаренное То же 475,3 357,7 8 » ваются То же
щиной до 10 мм Плиты тол- » 421,4 274,4 7 » »
щиной до 25 мм Плиты тол- » 392,0 254,8 5 » »
щиной до 40 мм Плиты тол- » 343,0 245,0 3 » »
щиной до 80 мм Профили » 392,0 274,4 10 (Z = 54) » »
Введение до 0,8—1,1 % марганца при содержании до 5,5—6,5 %
магния значительно повышает прочностные свойства сплава АМг61,
по сравнению со сплавом АМг5, особенно в случае прессованных
полуфабрикатов — за счет пресс-эффекта. Сплав АМг61 нашел
широкое применение в отечественном судостроении.
Кроме алюминиевомагниевых сплавов, в судостроении приме-
няют алюминий марки АД1 и алюминиевый сплав АМц. Полуфабри-
каты из них обладают высокой коррозионной стойкостью и высокой
пластичностью, но, как следует из табл. 2.1, их прочностные свой-
ства низкие. Алюминий марки АД1 находит широкое применение
для изделий, изготавливаемых методом холодной штамповки.
Сплав АМгЗ содержит повышенное количество кремния по сравне-
нию с другими алюминиевомагниевыми сплавами. Этот сплав обла-
62
Дает большей теплопрочностыо, чем др\ гие коррозионностойкие
сплавы, поэтому его применяют преимущественно для деталей и
конструкций, работающих при повышенных температурах (до 150 ’С).
Для судов на подводных крыльях и других судив, плавающих
в пресных водах, используют несваривающийся алюминиевый сплав
Д16, а также более прочные сплавы А1—Zn—Mg—Си. Коррозионная
стойкость этих сплавов в морской воде неудовлетворительная. Для
морских судов на подводных крыльях, если это возможно по проч-
ностным характеристикам, применяют сваривающийся коррозион-
ностойкий сплав АМг61.
Следует отметить, что в других странах для судов на подводных
крыльях и воздушной подушке также применяют высокопрочные
алюминиевые сплавы, не обладающие высокой коррозионной стой-
костью в морской воде [3]. В настоящее время за рубежом и в Со-
ветском Союзе успешно ведутся работы по созданию коррозионно-
стойких алюминиевых сплавов, не уступающих по прочностным
свойствам сплаву Д16.
Кроме рассмотренных сплавов, имеются и другие алюминиево-
магниевые сплавы и сплавы типа авиаль, которые по коррозионным
свойствам в морской воде удовлетворяют требованиям судостроения.
Сравнительные расчеты конструкций из алюминиевых сплавов
показали, что существенный эффект снижения массы конструкций
имеет место при увеличении прочностных свойств алюминиевых
сплавов до определенного уровня. Дальнейшее увеличение прочност-
ных свойств не всегда приводит к эффекту снижения массы. В то же
время применение более прочного сплава, обладающего, как пра-
вило, худшими характеристиками пластичности, приводит к неко-
торому усложнению технологии изготов тения и, следовательно, к уве-
личению ее стоимости. В связи с этими обстоятельствами высокопроч-
ные, термически упрочняемые сплавы следует применять в судострое-
нии только в тех случаях, когда это дает с\ щественный технический
эффект.
Для того чтобы можно было проиллюстрировать величину эко-
номии в массе, достигаемую при использовании алюминиевых спла-
вов разной прочности для изготовления элементов конструкции,
провели соответствующие расчеты и построили графики.
На рис. 2.1 представлена диаграмма изменения отношений масс
листовых и профильных элементов конструкции, выполненных из
алюминиевых сплавов и стали, в зависимости от отношения пределов
текучести и характера напряженного состояния элементов [2 ].
Эта диаграмма построена на основе ряда формул.
Формула для растяжения и сжатия без продольного изгиба
^-Д1/^Гст — (Yai/Yct) (^ctMai),
(1)
где GA1 — масса элемента конструкции из алюминиевого сплава;
GCT — масса элемента конструкции из стали; ул) — плотность
алюминиевого сплава; уст'— плотность стали; оА1 — предел теку-
чести алюминиевого сплава; ост — предел текучести стали.
63
Рис. 2.1. Отношение массы листовых (п) и профильных (б) элементов конструкций, Сд1/бст,
выполненных из алюминиевых сплавов, к массе аналогичных элементов конструкций из
стали в зависимости от отношения их пределов текучести ^]:
1,4 — растяжение и сжатие без продольного изгиба [формула (1) J; 2, 5 — изгиб [формулы
(2) и (3)|; ь устойчивость и жесткость при изгибе [формулы (4) и (5)1
Формула для изгиба листов
Gai/Gci = (Yai/Tct) (пст/Оа1)1/2- (2)
Формула для изгиба подобных профилей
Gai/Gct = (Yai/Yct) (^ст/Фм)(3)
Формулы для проверки на жесткость листов при поперечном
изгибе (равенство прогибов при изгибе) и устойчивость при цен-
тральном сжатии
Gai/Gct = (tai/Yci) (Ect/F ai)1/3, (4)
где ЕЛ1 — модуль упругости алюминиевых сплавов; Ест — модуль
упругости стали.
Формула для проверки на жесткость профилей при поперечном
изгибе (равенство прогибов при изгибе) и устойчивость при цен-
тральном сжатии
GA)/Gcr = (tai/Тст) (ЕС7/Ем)х'°-. (5)
Формулы (1)—(3) выведены из условия равнопрочности элемен-
тов конструкций из алюминиевых сплавов и из стали, причем для
случая изгиба листов элементов (формула (2)] их ширины прини-
мали одинаковыми для алюминиевого сплава и для стали, а для
случая изгиба профилей [формула (3) 1 предполагали, что все раз-
меры профилей из алюминиевых сплавов увеличены в одинаковое
число раз по сравнению с размерами стальных профилей.
Формулу (4) выводили при условии равенства ширины листов из
алюминиевых сплавов и листов из стали, а формулу (5) — при усло-
вии подобия профилей из алюминиевых сплавов профилям из стали.
Подобные формулы, выражающие изменение соотношения масс
листовых и профильных элементов конструкций, могут быть даны
и для случая их изготовления из более прочного алюминиевого
сплава в сравнении с менее прочным. Ниже приведены формулы (6)—
64
(8) для этого случая. При выводе данных формул принимали, что
плотность и модуль упругости обоих алюминиевых сплавов одина-
ковы.
Формула для растяжения и сжатия без продольного изгиба
Gai Gai, = оац/оаь (6)
где Ga] — масса элемента конструкции из более прочного сплава;
Gai, — масса элемента конструкции из менее прочного сплава;
оА) — предел текучести более прочного сплава; Qai, — предел те-
кучести менее прочного сплава.
Формула для изгиба листов
Gai Gai, = (oai./Oai)1 ' (7)
Формула для изгиба подобных профилей
Gai/Gaj, = (oai/oai)2'3. (8)
На рис. 2.2 приведена диаграмма изменения отношения масс
листовых и профильных элементов конструкций в зависимости от
изменения отношения пределов текучести алюминиевых сплавов,
из которых они выполняются.
Из рис. 2.1 следует, что уже при отношении предела текучести
алюминиевого сплава к пределу текучести стали, близком к 0,4,
может быть достигнуто существенное снижение массы конструкции
при замене стали алюминиевым сплавом. Для элементов, рассчиты-
ваемых на продольный изгиб и на жесткость при изгибе, снижение
массы не зависит от отношения их прочностных свойств и достигает
50 % для листов и 40 "о для профилей.
Из рис. 2.2 следует, что существенное снижение массы в случае
применения более прочных сплавов может иметь место для элемен-
тов, рассчитываемых на прочность (растяжение, сжатие и изгиб).
Однако получить точные данные по снижению массы конструкций
разных судов и кораблей в рассматриваемых случаях, применяя алю-
миниевые сплавы, можно лишь при разработке достаточно подробного
проекта и подсчете массы всех входящих в конструкцию элементов.
Рис. 2.2. Отношение массы листовых (а) и профильных (6) элементов конструкций G^\/Gд] ,
выполненных из более прочного алюминиевого сплава, к массе аналогичных элементов из
менее прочного алюминиевого сплава, в зависимости от отношения их пределов текучести
°А1/°А11:
1, 4 — растяжение н сжатие без продольного изгиба [формула (6)]; 2, 5 — изгиб формулы
[(7) и (8)]; 3, 6 — устойчивость и жесткость при изгибе
3 Альтман Т. Б- и др.
65
Для изучения конструкций из алюминиевых сплавов на одном
из заводов построили и испытали опытный отсек из алюминиево-
магниевых сплавав (АМг5, АМгб, АМгЗ и др.) с тремя горизонталь-
ными площадками и четырьмя вертикальными наружными стенками.
Внутри отсека установили водонепроницаемые переборки, двери,
крышки люков, иллюминаторы, горловины, шахты, газонепрони-
цаемые выгородки и т. д., на наружных стенках и третьей пло-
щадке отсека—двери, площадки схода, трапы, фальшборт и пр.
Отсек установили на фундаментной раме высотой 700 мм.
Сталь при изготовлении отсека применяли в незначительном ко-
личестве — для части настила первой площадки, для нескольких
вентиляционных каналов, а также для некоторых других мелких
деталей.
Отсек сваривали аргоно-дуговой сваркой. Соединение деталей
из алюминиевых сплавов со стальными производили путем клепки
с применением заклепок из сплава АМгб. Для предупреждения кон-
тактной коррозии детали из алюминиевых сплавов изолировали от
стальных с помощью прокладок из тиоколовой ленты, а стальные
болты оцинковывали и фосфатировали.
В отсеке были установлены вибрационная машина, две венти-
ляционные установки, пожарные насосы с трубопроводами и арма-
турой. Фундамент для насосов выполнили из алюминиевых сплавов.
Для заполнения и осушения помещения при его испытаниях в отсеке
были смонтированы трубопроводы. Было также установлено электри-
ческое и другое оборудование.
Расчет конструкций отсека производили на давление 147 и
245 кПа. Допускаемые нормальные напряжения приняли равными
0,8, касательные — 0,45 от предела текучести. Одновременно
с отсеком из алюминиевых сплавов на те же давления рассчитали
аналогичный отсек из стали с пределом текучести 400 МПа.
Ниже приведены массы отсеков из алюминиевых сплавов и
стали, т:
Алюмииие
вые сплавы
Корпус отсека .......... 6,5
Площадка, трапы, фундаменты и
съемные переборки ............ 0,4
Прочее оборудование........... 1,67
Сталь
13,4
1,1
3,59
Результаты испытаний отсека показали следующее:
а) сварные конструкции отсека из алюминиевых сплавов на-
дежно работали на гидравлический напор и вибрационные на-
грузки;
б) разрушение съемных переборок и конструкций отсека про-
исходило не в результате достижения предельных деформаций,
а в местах нарушения плавности формы;
в) результаты испытаний соответствовали расчетным данным;
г) оборудование (насосы, трубопроводы и пр.) работало нор-
мально;
66
д) испытание на прочность и износоустойчивость деталей меха-
низмов из алюминиевых сплавов дало хорошие результаты;
е) вентиляционные трубы были газонепроницаемы.
Международная конвенция по охране человеческой жизни на
море предъявляет определенные требования к обеспечению пожаро-
стойкости судовых конструкций. Согласно этой конвенции огне-
стойкие и огнезадерживающие перекрытия корпусных конструкций
должны препятствовать проникновению сквозь них пламени и дыма
в течение часа (огнестойкие) или получаса (огнезадерживающие)
в соответствии со стандартным испытанием огнестойкости Ч
При этом в случае наличия в соседнем помещении горючего ма-
териала средняя температура на другой (нагреваемой) стороне огне-
стойкого перекрытия не должна превышать начальную температуру
более чем на 139 °C и в любой точке на 180 С. В случае огнезащит-
ного перекрытия средняя температура ненагреваемой стороны в те-
чение первых 15 мин не должна превышать начальную температуру.
Чтобы удовлетворить эти требования, перекрытия покрывают термо-
изоляцией.
Испытания на огнестойкость отсека, изготовленного из алюми-
ниевого сплава, показали, что стенки и перекрытия отсека, защи-
щенные термоизоляцией, не оплавились [4]. Оплавление произошло
лишь в местах, не защищенных термоизоляцией, где алюминиевый
сплав подвергся непосредственному воздействию пламени.
Установлено также, что даже у пассажирских судов масса над-
строек, изготовленных из алюминиевых сплавов с соответствующей
термоизоляцией, получается существенно ниже массы стальных
надстроек.
Пожар на судне может возникнуть из-за возгорания от искр.
В связи с этим образцы из алюминиевых сплавов проверяли также
на искрообразование при ударах и трении их друг о друга и о дру-
гие металлы. Определяли также зажигательную способность обра-
зующихся искр. Исследования [51 показали, что алюминиевые
сплавы дают искры только при соударении и трении о ржавую
сталь. Эти искры, а также искры, образующиеся при ударах и тре-
нии других металлов друг с другом (например, сталь со сталью)
и с другими металлами (например, титан со сталью), могут вызы-
вать воспламенение взрывоопасной смеси метана (или другого горю-
чего газа) с воздухом.
Опыты сжигания на листе алюминиевого сплава значительного
количества термитной смеси привели только к частичному расплав-
лению поверхности листа и образованию на нем несквозных углуб-
лений.
Испытания показали, что алюминиевые сплавы не горят и не под-
держивают горения в условиях пожара на судах и подтвердили воз-
1 Стандартное испытание огнестойкости по решению Международной конвен-
ции по охране человеческой жизни на море заключается в нагреве образца пере-
крытия, имеющего поверхность 4,65 м2 при высоте 2,44 м, в камере, в которой тем-
пература возрастает к концу первых 5 мин до 538 °C, к концу первых 10 мин до
704 °C, к концу первых 30 мин до 843 °C, к концу первых 60 мин до 927 °C.
а* ₽?
можность изготовления надежных для работы в морских условиях
корпусных конструкций судов, отвечающих правилам Международ-
ной конвенции по охране человеческой жизни на море.
2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПОЛУФАБРИКАТОВ
В судостроении находят применение следующие виды полуфабри-
катов из алюминиевых сплавов: листы, плиты, профили, цельно-
прессованные панели и трубы.
Листы и плиты применяют, как правило, толщиной от 0,8 до
50 мм. Плиты большей толщины требуются редко и поставляются
судостроительным предприятиям по специальной договоренности.
Применяют плакированные и неплакированные листы и плиты.
Плакировку обычно делают с целью облегчения прокатки листов
и плит. Для сплавов, обладающих удовлетворительной коррозион-
ной стойкостью в воде (АМг5, АМг61 и др.), применение алюминие-
вой плакировки не повышает коррозионной стойкости. Алюминиевая
плакировка сплавов менее коррозионностойких (например, Д16
и др.) может частично защищать их от коррозии, если она имеет
достаточную толщину и является сплошной.
Часто конструкторы в целях максимального уменьшения массы
судна применяют очень тонкие листы для изготовления конструкций,
постоянно соприкасающихся с морской водой. Следует отметить, что
это не всегда оправдано, так как на поверхности листов некоторых
алюминиевых сплавов с течением времени могут образовываться от-
дельные коррозионные язвы. Экспериментально установлено [6],
что скорость роста этих язв по глубине с течением времени замед-
ляется по закону, характеризуемому следующей формулой:
d = (9)
где d — глубина язвы; t — время; А — константа, зависящая от
состава алюминиевого сплава, состава воды, скорости движения и пр.
В связи с этим можно рассчитать толщину листов из алюминие-
вых сплавов на коррозию в соответствии с формулой
d2 = 2dx (/2Д1)1/3, (Ю)
где d2 — ожидаемая максимальная глубина язв через заданное
время t2, dx — максимальная глубина язв, определенная экспери-
ментально за время А в заданном составе воды, при заданной скорости
ее движения и пр.; 2 — коэффициент запаса, учитывающий возмож-
ность неточных измерений глубины язв, полученных за время t,
при нахождении наиболее глубокой из них.
Если, например, в результате испытания сварных дисков из
алюминиевого сплава, вращаемых в морской воде с заданной ско-
ростью, на какой-либо части их поверхности после 1000 ч испытания
появилась точечная коррозия глубиной до 0,1 мм, то, согласно фор-
муле (10), через 15 лет ожидаемая максимальная глубина язв в по-
добных местах не будет превышать 0,9 мм.
Для плит, обладающих заведомо достаточным запасом толщины,
расчеты по формуле (10) можно не производить.
68
Ширина листов и плит обычно составляет до 2000 мм. Однако по
специальной договоренности судостроительным предприятиям могут
поставляться и более широкие листы.
Длина листов и плит, как правило, составляет до 6000 мм. По
договоренности поставляют и более длинные листы и плиты.
Основными типами профилей, применяемых в судостроении, яв-
ляются:
а) полособульбы симметричные высотой от 40 до 3000 мм:
б) полособульбы несимметричные высотой от 40 до 200 мм;
в) углобульбы высотой 35—120 мм с пояском, направленным
в сторону, противоположную бульбу;
г) углобутьбы высотой 70—400 мм с пояском, направленным
в сторону бульба;
д) угольники равнобокие размерами от 15x5 до 200x200 мм;
е) угольники неравнобокие размерами от 20X15 до 200x120 мм.
Цельнопрессованные панели с продольным оребрением, применяе-
мые в судостроении, характеризуются большей высотой ребер и
большим расстоянием между ними, чем панели, применяемые в са-
молетостроении. На рис. 2.3 показаны сечения некоторых типов
цельнопрессованных панелей, изготавливаемых для судостроения.
Рис. 2.3. Сечения цельнопрессоваиных панелей некоторых типов, применяемых в судо-
строении
69
Длина панелей до 6 м, а по договоренности может быть и
большей.
Применение таких панелей для сварных конструкций, особенно
при толщине полотна 3—4 мм, предпочтительно, так как значи-
тельно уменьшается объем сварки, а следовательно, и коробление
сварных конструкций. Вид конструкций из панелей значительно
лучше.
Трубы небольших диаметров применяют в судостроении для
трубопроводов различного назначения, трубы больших диаметров —
для различных конструктивных элементов корпуса, надстроек, мачт
и пр.
Для изготовления трубопроводов обычно применяют трубы диа-
метром от 14 до 75 мм. Внутренняя поверхность труб не должна иметь
надиров, царапин, плен и других подобных дефектов. Во многих
случаях желательно применение труб с внутренней плакировкой.
Хорошую внутреннюю поверхность имеют прессованные трубы
с внутренней плакировкой.
При выборе толщины труб для трубопроводов необходимо, кроме
требований прочности, руководствоваться требованиями корро-
зионной стойкости, т. е. толщина труб, определенная из условий
прочности, должна быть меньше величины, рассчитанной по фор-
муле (10).
3. ОСОБЕННОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И СПОСОБЫ СВАРКИ
Технические и экономические преимущества сварных конструкций
из алюминиевых сплавов обеспечили им широкое распространение
в судостроении.
Принципиально нет препятствий для изготовления всевозможных
сварных корпусных конструкций из алюминиевых сплавов, в том
числе цельносварных корпусов судов. В практике отечественного
и зарубежного судостроения из алюминиевых сплавов, в основном
алюминиевомагниевых с содержанием магния 4,5—6,5 %, с при-
менением сварки изготавливают: корпуса надводных кораблей
сравнительно небольшого тоннажа, катера различного назначения,
быстроходные суда на подводных крыльях и на воздушной подушке,
надстройки различного типа судов, включая крупнотоннажные,
внутренние переборки и легкие выгородки, вентиляционные шахты,
трубопроводы и пр.
Из алюминиевых сплавов можно сваривать детали толщиной
от 0,8 до 50 мм. Наиболее рациональными сварными соединениями
в листовых судостроительных конструкциях являются стыковые
как с точки зрения работоспособности, так и технологии выполнения.
Поэтому все основные соединения листов секций, блоков, а также
монтажные соединения выполняют стыковыми.
Достаточно широкое применение находят и тавровые соединения,
например, при изготовлении сварных балок, при приварке фунда-
ментов и набора и т. д. Относительно меньший объем занимают
соединения угловые и внахлестку.
7Q
При проектировании сварных конструкций из алюминиевых
сплавов расчеты на прочность, устойчивость и т-. д. производят так
же, как и для стальных конструкций.
Прочность сварных соединений для сплавов марок АМг5, АМгб
и АМг61 при способах сварки, применяемых в судостроении, состав-
ляет 90—100 % от прочности основного металла, поэтому при рас-
чете соединений в расчетные формулы вводят поправочный коэф-
фициент 0,9.
Допускаемое напряжение на сварное соединение должно быть
равно допускаемому напряжению для рассматриваемого алюминие-
вого сплава, умноженному на коэффициент 0,9, учитывающий мень-
шую прочность сварного соединения, а допускаемое напряжение
для основного металла, как правило, несколько меньше предела те-
кучести сплава данной марки, т. е. с коэффициентом запаса. Коэф-
фициент запаса выбирают в зависимости от типа конструкций, усло-
вий ее эксплуатации и пр.
Опыт применения алюминиевомагниевых сплавов в качестве кор-
пусных материалов судов показал, что они не склонны к хрупким
разрушениям. Однако при испытании простейших конструкций
отдельных перекрытий и опытных отсеков установлено, что алюми-
ниевые сплавы обладают известной чувствительностью к образова-
нью трещин при растяжении или изгибе в местах концентраторов
напряжений. Поэтому при проектировании и изготовлении сварных
корпусов необходимо стремиться к уменьшению количества преры-
вистых связей и плавному оформлению узлов и соединений, а также
принимать другие меры к уменьшению концентрации напряжений.
Для обеспечения устойчивости наружной обшивки корпуса и
листов настила при применении алюминиевых сплавов рекомен-
дуется конструировать корпус судна по продольной системе набора
[7]. Эта система вносит определенные трудности в соединение балок
поперечного и продольного наборов. Конструирование услож-
няется и тем, что прочностные характеристики алюминиевых сплавов
ниже, чем сталей, поэтому при выборе размеров прочных связей
приходится увеличивать толщину, использовать -высокие профили,
большое количество поясков и пр.
Правильное конструирование узлов пересечения связей имеет важ-
ное значение для обеспечения эксплуатационной прочности конструк-
ций. Некоторые примеры оформления узлов корпусных конструкций,
применяемых в практике судостроения, показаны на рис. 2.4.
Испытания на изгиб перекрытий, состоящих из взаимопересека-
ющихся балок, если в них нет значительных конструктивных не-
достатков, а также многочисленный опыт эксплуатации судов пока-
зывают, что даже при нагрузках, значительно превышающих так
называемые «рабочие», сварные конструкции из термически неупроч-
няемых алюминиевомагниевых сплавов не обнаруживают склон-
ности к хрупким разрушениям.
В результате высоких теплопроводности и коэффициента линей-
ного расширения алюминиевых сплавов, который в 2,5 раза выше,
чем у стали, в процессе сварки имеют место значительные сварочные
71
Рис. 2.4. Типовые узлы корпусных конструк-
ций:
а — подкрепление стыков ребер панелей: б —
соединение полок прессованного набора; в —
узел соединения ребер панелей по днищу
в районе монтажного стыка: г — узел соеди-
нения борта с днищем; 1 — 7 — последователь-
ность выполнения сварки
деформации. В случае тонколистовых конструкций это может при-
вести к выпучиванию (бухтиноватости). свариваемых элементов.
Поэтому при проектировании для снижения сварочных деформаций
стремятся максимально уменьшить число сварных соединений в кон-
струкции. Катеты угловых швов принимают минимальными.
Форма разделки кромок должна быть такой, чтобы она обеспе-
чит ала наименьшую площадь сечения наплавленного металла (на-
пример, Х-образная разделка с двумя симметричными скосами кро-
мок рациональнее V-сбразной). Учитывая, что при полуавтомати-
ческой сварке плавящимся электродом деформации значительно
меньше, чем при ручной сварке неплавящимся электродом [8],
стремятся проектировать конструкции таким образом, чтобы было
возможно применить в значительно большем объеме полуавтомати-
ческую или автоматическую сварку плавящимся электродом, т. е.
способами, при применении которых достигаются минимальные
сварочные деформации.
72
При применении ручной сварки неплавящимся электродом, на-
пример для приварки набора, сварку стремятся производить пре-
рывистыми швами, поскольку при этом получается значительно
меньше наплавленного металла и, следовательно, меньше величина
деформации.
Прерывистые швы получили довольно широкое распространение
в судовых конструкциях. Опыт эксплуатации судоЪ показывает, что
применение этих соединений в надстройках для приварки набора
допустимо. Однако в процессе изготовления таких конструкций на-
блюдаются случаи образования трещин (особенно у недостаточно
квалифицированных сварщиков) в начале прерывистого шва и при
его окончании (в месте кратера). Трещины устраняют путем под
рубки и последующей подварки. Применение для приварки набора
полуавтоматической сварки плавящимся электродом позволяет из-
бежать указанных дефектов.
Технологические мероприятия по снижению деформаций легче
проводить при изготовлении плоских конструкций, поэтому стре-
мятся проектировать конструкции плоскими с набором одного на-
правления на всю длину секций, а стыки полотнищ — параллельно
набору.
В настоящее время при проектировании сварных конструкций
все большее предпочтение отдается конструкциям из прессованных
или гофрированных панелей, так как в этом случае вообще отсутст-
вуют швы приварки набора.
Применение прессованных деталей для судовых корпусов из алю-
миниевых сплавов открывает широкие возможности для создания
монолитной конструкции, обладающей оптимальными размерами.
С целью снижения деформаций при сварке алюминиевых сплавов
прибегают к мерам технологического характера. Сварку секций, как
правило, производят на стендах, облицованных алюминиевыми или
стальными листами и оборудованных прижимными балками. При
сварке на таких стендах продольные и поперечные деформации
снижаются на 40—60 ?о 191. Благодря прижимным балкам угловые
деформации находятся в допускаемых пределах.
При сборке и сварке конструкций из алюминиевых сплавов соб-
людают определенную последовательность. При изготовлении пло-
ских конструкций сначала сваривают полотнища на постелях после
установки соответствующих прижимных балок или груза. Прижим-
ные балки располагают по условиям сварки по возможности ближе
к сварному шву и закрепляют свариваемые кромки в процессе вы-
полнения сварки и охлаждения сварного соединения. На сваренные
полотнища устанавливают набор главного направления и привари-
вают его. Далее ставят и приваривают перекрестные связи.
Корпуса и надстройки современных судов, имеющих большие
размеры, выполняют часто в виде блоков, собираемых на специаль-
ных участках цеха. Блоки собирают из плоских секций. Сборку и
сварку блоков обычно производят на специальных постелях. Блоки
стыкуют (соединяют монтажными швами) на стапеле или на
судне.
73
В ряде случаев выполнение монтажных соединений осложняется
из-за необходимости проведения их на открытом воздухе (в условиях
стапеля или на плаву). При сварке на открытом воздухе принимают
меры к местному ограждению (в виде брезентовых навесов) участков
проведения работ.
Если величина сварочных деформаций превосходит допускаемые
величины, произбодят правку конструкций с применением, как
правило, местного нагрева.
Алюминиевые сплавы имеют высокую теплопроводность и тепло-
емкость; это необходимо учитывать при выборе источников нагрева
для сварки. Сварочные установки должны обеспечивать достаточно
интенсивный и высокой концентрации нагрев. При изготовлении
судовых конструкций это положение усиливается тем, что прихо-
дится выполнять сварку крупногабаритных конструкций и сравни-
тельно большой толщины.
Из известных в судостроительной промышленности способов
сварки плавлением наиболее широкое применение получила сварка
в среде защитных газов. В качестве защитных газов применяют аргон
газообразный высшего и первого сорта по ГОСТ 10157—79, реже
гелий высшей чистоты по ТУ 51-940—80 или смеси этих газов.
Сварку в среде защитных газов осуществляют неплавящимся
(вольфрамовым) или плавящимся электродом.
Аргоно-дуговую сварку неплавящимся (вольфрамовым) электро-
дом в судостроении производят в основном на переменном токе
с использованием установок УДГ-301, УДГ-501, ТИР-250, ТИР-630,
выпускаемых серийно заводами электросварочного оборудования.
Входящие в комплект установок сварочные горелки, как пра-
вило, снабжены керамическими соплами и имеют водяное ох-
лаждение.
Установки типа УДГ-300 и ТИР-250 позволяют производить руч-
ную аргоне дуговую сварку алюминиевых сплавов толщиной 0,8—
8 мм во всех пространственных положениях при силе тока 50—300 А.
Для ручной сварки алюминиевых сплавов толщиной более 8 мм ис-
пользуют установки типа УДГ-501 и ТИР-630, позволяющие при-
менять силу тока до 500 и 600 А соответственно.
Характерные для судостроительных конструкций формы и эле-
менты подготовки кромок стыковых соединений и режимы ручной
аргонно-дуговой сварки неплавящимся электродом алюминиевых
сплавов толщиной 2—20 мм приведены в табл. 2.2.
Наиболее широко ручную аргонно-дуговую сварку неплавя-
щимся электродом применяют при толщине свариваемых деталей
4—12 мм. При выполнении ручной аргонно-дуговой сварки конструк-
ций из алюминиевых сплавов толщиной менее 6 мм встречаются
известные трудности, связанные с возникновением значительных
деформаций. Поэтому для конструкций корпуса и надстроек, вы-
полненных ручной сваркой, применение алюминиевых сплавов тол-
щиной менее 4 мм ограничивается. В последние годы стали приме-
нять ручную аргоно-дуговую сварку неплавящимся электродом
алюминиевых сплавов толщиной более 12 мм. При этом сварочный
74
Таблица 2.2. Режим ручной ар гоно-дуговой сварки вольфрамовым электродом
алюминиевых сплавов
Форма под-
готовки кро-
мок и тип
соединения
Толщина
материа-
ла, мм
Элементы подго-
товки кромок
Режим сварки
2 0+i.o — — 2—3 2 80—100 2 5—6
4 0+1.0 1+0.5 70+5 4 3 150—200 2 7—8
10—12 1+1.о 1+1,0 70+5 5—6 4—5 350—400 5—6 10—12
16—20 1 + 1,0 1+1.0 70+5 7—8 5 450—520 6,12 14—16
ток достигает 450—600 А. Для такого режима используют вольфра-
мовые электроды диаметром 7—8 мм.
При выполнении ручной сварки неплавящимся электродом де-
талей толщиной более 12 мм допускается применение предвари-
тельного местного или общего подогрева до температуры не выше
120 С; контроль температуры осуществляется с помощью контакт-
ных термопар.
При выборе режимов ручной сварки обычно предпочтение от-
дают режимам, позволяющим работать на большой скорости и повы-
шенной силе тока, чтобы получать валики достаточного сечения
при минимальном количестве проходов.
При выполнении швов в вертикальном, горизонтальном и пото-
лочном положениях сила тока снижается по сравнению со сваркой
в нижнем положении на 10—15 %.
Автоматическую сварку неплавящимся (вольфрамовым) электро-
дом применяют при толщине деталей до 10 мм и выполняют в основ-
ном на автоматических установках типа АДСВ и АССП. Источники
питания и режимы сварки практически являются такими же, как
и для ручной аргоно-дуговой сварки неплавящимся электродом.
Установка для автоматической сварки неплавящимся электродом
типа АССП (рис. 2.5) позволяет выполнять сварку в сборочно-
сварочных стендах на формирующих подкладках, а также осуществ-
лять сварку панельных конструкций при перемещении автомата по
ребрам панелей.
75
Рис. 2.5. Установка для автоматической сварки иеплавящимся электродом типа
АССП
С целью получения более мощного источника нагрева для сварки
используют трехфазную дугу [101. В результате исследований
в этом направлении разработано оборудование и технология сварки
алюминиевых сплавов трехфазной дугой.
Конструктивные элементы подготовки кромок и режимы автома-
тической сварки трехфазной дугой алюминиевых сплавов, применяе-
мые в судостроении, приведены в табл 2.3.
Применение способа сварки трехфазной дугой позволяет расши-
рить область автоматической сварки иеплавящимся электродом,
а в ряде случаев - снизить погонную энергию, что особенно важно
при сварке термически упрочняемых или нагартованных сплавов.
Качество сварных соединений, выполняемых ручной и автомати-
ческой сваркой иеплавящимся электродом в среде защитных газов,
высокое.
Сварка плавящимся электродом алюминиевых сплавов выпол-
няется полуавтоматическим и автоматическими способами и про-
изводится в основном в среде аргона на постоянном токе обратной
полярности.
Полуавтоматическая сварка плавящимся электродом в судострое-
нии в отличие от других отраслей находит широкое применение.
Для этого способа сварки применяют полуавтоматы типов ПРМ,
ПДИ и ПДА. В качестве источников питания применяют обычные
сварочные выпрямители, имеющие жесткую или полого падающую
внешнюю характеристику. Особенно широкое применение полу-
76
Таблица 2.3. Режим автоматической сварки трехфазиой дугой
алюминиевых сплавов
Элементы подготов-
ки кромок
Режим сварки
Форма Подготов-
ки кромок и тип
соединения
автоматическая сварка плавящимся электродом находит при выпол-
нении тавровых соединений корпусных конструкций для приварки
набора и при изготовлении сварных профилей
При проектировании и постройке быстроходных судов на подвод-
ных крыльях и на воздушной подушке из алюминиевых сплавов,
где вопросы экономии массы корпуса судна имеют особо важное
значение, возникла острая необходимость изготовления конструкций
из листов толщиной 2—6 мм с применением сварки. При изготовле-
нии конструкций такой толщины, особенно менее 4 мм, с приме-
нением ручной сварки иеплавящимся электродом, как отмечено выше,
наблюдаются значитетьные коробления. Применение клепки в этом
случае приводит к утяжелению и снижению объема механизации.
В связи с этим была разработана 'технология полуавтоматической
сварки плавящимся электродом с использованием электродной
проволоки диаметром 0,8—1,0 мм.
Основная трудность при полуавтоматической сварке плавя-
щимся электродом конструкций толщиной 2—6 мм — получение
шва без прожогов и проплавлений. Это требует высокой натрени-
рованности сварщика, особенно при потолочном положении шва.
В связи с этим очень перспективным для судостроения является
способ полуавтоматической импульсно-дуговой сварки плавящимся
электродом [11 ]. При импульсном питании дуги происходящие в ней
электрические и тепловые процессы имеют специфические особен-
ности, оказывающие влияние на устойчивость ее горения.
Применение импульсного питания дуги позволяет повысить ста-
бильность процесса сварки, снизить максимальное значение свароч-
ного тока при процессе капельного переноса электродного металла
и тем самым снизить погонную энергию сварки, обеспечить хорошее
формирование сварного шва, уменьшить пористость в швах.
77
Таблица 24 Режимы полуавтоматической импульсио-дуговой сварки
плавящимся электродом угловых швов
Толщина металла, мм Катет шва, мм Режим сварки
диаметр элек- трода, Мм сила тока. А напряжение, В расход арго- на, Л/мии
2 3—4 1,2—1,4 90—130 18—19 8—10
4 4 1,6 130—150 19—20 10—12
6 6 1,6—2,0 180—220 20—22 10—12
8 8 1,6—2,0 220—260 22—24 12—14
Импульсно-дуговая сварка позволяет регулировать характер
переноса электродного металла в сварочную ванну. При этом перенос
металла становится направленным, процесс идет без разбрызгивания
и упрощается технология сварки во всех пространственных поло-
жениях. В судостроении для этого вида сварки используют указан-
ные выше полуавтоматы. В качестве импульсного источника питания
дуги применяют источники типа ВДГИ.
Режимы полуавтоматической сварки алюминиевых сплавов пла-
вящимся электродом в нижнем положении с импульсным питанием
дуги приведены в табл. 2.4.
Импульсно-дуговой сваркой можно выполнять соединения тонко-
листовых конструкций толщиной 3—4 мм с применением проволоки
диаметром 1,6 мм на значительно сниженной силе сварочного тока
и тем самым уменьшить зону термического влияния и коробления
изделий. Применение импульсного питания дуги позволяет облег-
чить процесс выполнения сварки, повысить скорость и снизить по-
гонную энергию сварки для других толщин.
Развитие способа импульсно-дуговой сварки является перспек-
тивным.
Качество сварных соединений, выполняемых полуавтоматической
сваркой плавящимся электродом, несколько ниже, чем при сварке
неплавящимся электродом. В металле швов сварных соединений,
выполненных полуавтоматической сваркой плавящимся электродом,
иногда наблюдается повышенная газовая пористость. Это, по-види-
мому, объясняется характером переноса металла в дуге и тем, что
для полуавтоматической сварки применяется более тонкая элек-
тродная проволока, имеющая повышенную удельную поверхность.
Однако при качественном выполнении сварки прочность сварных
соединений может составлять около 90 % от нижнего значения проч-
ности основного металла, гарантируемого техническими условиями.
Автоматическая сварка плавящимся электродом находит приме-
нение при выполнении прямолинейных швов в нижнем положении
в широком диапазоне толщин.
При использовании сварочной проволоки диаметром 1,5—2,5 мм
применяют автоматы типа АДГ-500 и АЛУ-2 (рис. 2.6) с независимой
от напряжения дуги подачей электродной проволоки, а при исполь-
зовании проволоки диаметром 3—5 мм — автоматы типа АДС и
78
Рис. 2.6. Установка для автоматической сварки плавящимся электродом типа
АЛУ—2
АДФ, модернизированные для сварки в защитных газах с зависимой
от напряжения дуги подачей электродной проволоки.
При использовании автоматов с постоянной скоростью подачи
электродной проволоки применяют источники питания с жесткой
характеристикой, а при использовании автоматов с зависящей от
напряжения дуги подачей электродной проволоки — источники
питания с падающей характеристикой.
Перспективна автоматическая сварка плавящимся электродом
диаметром 4—5 мм. Применение для автоматической сварки плавя-
щимся электродом проволоки большого диаметра (3—5 мм) наряду
с высокой производительностью труда дает возможность повысить ка-
чество сварных соединений путем снижения пористости в металле шва.
Конструктивные элементы подготовки кромок стыковых соеди-
нений и режимы автоматической сварки алюминиевых сплавов
плавящимся электродом диаметром 4 мм приведены в табл. 2.5.
С целью повышения прочностных характеристик сварных соеди-
нений толщиной 12 мм и более в местах перехода от шва к основному
металлу накладывают технологические валики. Их выполняют аргон-
но-дуговой сваркой неплавящимся электродом с подачей присадоч-
ного металла. Технологические валики снижают концентраторы
напряжений сварного соединения — резкий переход от шва к основ-
ному металлу и уменьшают газовые пустоты металла шва, располо-
женные вблизи поверхности.
Прочность сварных соединений при автоматической сварке пла-
вящимся электродом составляет 90 % от нижнего значения времен-
ного сопротивления сплава, гарантируемого техническими условиями.
79
Таблица 2.5. Режимы автоматической сварки плавящимся электродом
алюминиевых сплавов
Форма подготов- ки кромок и тип соединения Толщина мате- риала, мм Элементы подго- товки кромок Режим сварки
ь, мм мм (X, град диаметр проволо- ки, мм 1 сила то- ка, А напря- жение дуги, В скорость сварки, М/ ч расход аргона, л /мин число । проходов
10—12 0+ьо 5+1 70+5 3—4 360—420 22—25 20—25 25—28 2
20 О+1,о 8+1 70+5 4 500—540 26—30 11—18 28—35 2
50 0+2.0 10+2 70+5 4 500—540 26—30 11—18 28—35 10— 20
При сварке судостроительных конструкций из алюминиевых
сплавов в среде защитных газов в металле швов могут быть дефекты.
К наиболее распространенным дефектам следует отнести пористость
и включения (окисные, нитридные, включения вольфрама). Образо-
вание пор вызвано главным образом выделением водорода в процессе
охлаждения и кристаллизации сварочной ванны.
К дефектам сварных соединений алюминиевых сплавов, на кото-
рые в ряде случаев еще не обращают должного внимания, относятся
окисные включения и, по-видимому, включения нитридного харак-
тера, не имеющие округлой формы и поэтому являющиеся сущест-
венными концентраторами напряжений в швах. Такие включения
обычно сопровождаются газовыми порами и иногда приводят к об-
разованию трещин. Источниками таких включений могут быть окис-
ные пленки с поверхностей соединяемых деталей и проволоки,
образовавшиеся вследствие плохой подготовки их перед сваркой,
или плены, попадающие в основной металл и проволоку в процессе
металлургического производства. Образование окисных и нитрид-
ных включений возможно и в процессе сварки, когда нарушается
газовая защита.
Для ар гон но-дуговой сварки в среде защитных газов применяют
сварочную проволоку диаметром 0,8—5 мм, поставляемую по
ГОСТ 7871—75. Выбор марки сварочной проволоки производят
в зависимости от марки свариваемого сплава:
Марка сваривае- мого сплава . . . АД1 АМц АМгЗ АМг5 АМгб АМг61
.Марка сварочной проволоки и прут- ков СвАД1 СвАмЦ СвАМг5 СвАМгб, СвАМгб, АМг61
АМг61 АМг61
80
Диаметр сварочной проволоки или присадочных прутков выби-
рают в зависимости от толщины свариваемых материалов.
Применение рекомендованных марок присадочной проволоки
обеспечивает получение сварных соединений с прочностными свой-
ствами, близкими к свойствам основного металла до сварки.
Перед сваркой проволоку или прутки подвергают химической
обработке. Способ обработки поверхности сварочной проволоки и ее
состояние перед сваркой оказывают значительное влияние на со-
держание водорода, пористость и механические свойства мета1ла
шва и сварных соединений.
Перспективными способами очистки сварочной проволоки яв-
ляются электрохимическая и химическая полировка. В практике
работы судостроительных заводов наиболее широко распространен
способ обработки поверхности сварочной проволоки травлением
в растворе щелочи с последующим осветлением в растворе азотной
кислоты.
Разработан следующий рациональный режим обработки свароч-
ной проволоки обезжиривание; травление в 15 %-ном растворе
,\аОП в течение 5—10 мин при 60—70 °C; промывка в холодной воде;
осветление в 15—40 %-ном растворе азотной кислоты, промывка
в теплой воде; сушка; дегазация при 350 °C в течение 5—10 ч под
вакуумом 10-1 Па.
Операция вакуумирования может быть заменена прокалкой
в атмосфере воздуха при температуре порядка 300°С в течение 10—
30 мин. Во избежание образования толстого слоя окисной пленки на
поверхности и адсорбирования влаги пленкой сварочную проволоку
или прутки используют для сварки непосредственно после химиче-
ской обработки. С увеличением времени хранения проволоки после
обработки содержание водорода возрастает. В связи с этим в судо-
строении срок хранения сварочной проволоки, используемой для
аргонно-дуговой сварки неплавящимся электродом, ограничивают
тремя сутками, а для сварки плавящимся электродом, особенно про-
волокой диаметром 1,2—2,0 мм, одними сутками. При более дли-
тельном хранении химически очищенную сварочную проволоку со-
держат в герметизированной упаковке.
При изготовлении конструкций из алюминиевых сплавов приме-
няют и контактную электрическую сварку (шовную и точечную).
Контактная электрическая сварка — высокопроизводительный про-
цесс и позволяет осуществлять соединение самых разнообразных
деформируемых алюминиевых сплавов, в том числе сплавов марок
АМг5 и АМг61. Высокая теплопроводность и низкое электросопро-
тивление алюминиевых сплавов требуют применения для осуществ-
ления требуемого цикла сварки контактных машин большой мощ-
ности с автоматическим управлением.
В судостроении применяют контактную сварку при изготовлении
тонколистовых конструкций (толщиной менее 6 мм). Допустимая
толщина свариваемых элементов и размеры конструкций опреде-
ляются, как правило, типом и мощностью используемых машин.
В качестве оборудования для точечной сварки применяют машины
типа МТП-200, МТИП-300-2, МТПТ-1000, для шовной сварки —
типа МШП-200, МШШИ-400, МШШТ-1000 и др.
Контактной сваркой изготавливают отдельные элементы над-
строек, узлы легких выгородок и вентиляции, мебель и пр. Кон-
тактная сварка позволяет получать тонколистовые конструкции
с минимальными деформациями. Качество сварных соединений,
выполненных контактной сваркой, достаточно стабильное и высокое.
4. НАДСТРОЙКИ
Для судна имеет большое значение облегчение его верхних частей.
Изготовление из алюминиевых сплавов конструкций, расположен-
ных в верхней части корабля, позволяет не только уменьшить его
общую массу, но и дает конструктору дополнительные возможности
для создания более рационального судна (позволяет выбрать основ-
ные измерения судна оптимального водоизмещения с увеличенной
скоростью или увеличенной грузоподъемностью, улучшенной остой-
чивостью и пр.).
В Советском Союзе и за рубежом проводили исследования по
отработке оптимальных типов конструкций надстроек из алюми-
ниевых сплавов. При выполнении этих работ руководствовались
правилами Международной конвенции по охране человеческой
жизни на море. В соответствии с этими правилами требуется обеспе-
чение поперечной отстойчивости судна (при наиболее наблагоприят-
ном случае — затоплении двух смежных отсеков); это может быть
выполнено, если до аварии судно обладало необходимой метацен-
трической высотой. Для ее получения судно должно иметь достаточ-
ную ширину. Чтобы не увеличивать чрезмерно ширину судна,
можно снизить массу конструкций, расположенных в его верхней
части, что достигается изготовлением их из алюминиевых сплавов.
Изложенное хорошо иллюстрируется графиками, приведенными
на рис. 2.7 и 2.8 11 ].
На основе отношения ширины стального судна В к его глубине
погружения Т и отношения экономии в массе g к водоизмещению
судна D и зная возвышение центра тяжести конструкций из алюми-
ниевых сплавов над центром тяжести судна, построенного полностью
из стали AZ, можно определить АВ (см. стрелки на рис. 2.8).
В настоящее время накопился значительный опыт по примене-
нию алюминиевых сплавов для изготовления надстроек и других
верхних частей судов (мачт, дымовых труб, шлюп-балок и др.).
В связи с этим многие конструкторские организации широко исполь-
зуют возможности облегчения судов и улучшения их технических
характеристик, изготовляя верхние части судов из алюминиевых
сплавов.
Если до середины пятидесятых годов подобные конструкции из-
готовляли из алюминиевых сплавов клепаными, то в последующий
период и в настоящее время их чаще всего делают сварными. Над-
стройки, изготовленные из листов небольшой толщины (до 4—5 мм),
при сварке получают сильные деформации. Поэтому после сварки их
82
Рис. 2.7. Зависимость понижения центра
тяжести судна по высоте g при замене
стальных конструкций верхней части судна
алюминиевыми от возвышения центра тя-
жести конструкций из алюминиевых спла-
вов над центром тяжести судна, полностью
построенного из стали AZ, для разных отно-
шений экономии в массе к водоизмеще-
нию glD [1]
Рис. 2.8. Зависимость уменьшения пин
рины судна \В от отношения эконо-
мии в массе к водоизмещению g D при
замене стальных конструкций верх-
ней части судна алюминиевыми. Для
разных величин возвышения центра
тяжести конструкций из алюминиевых
сплавов над центром тяжести судна
AZ, и разных отношений ширины
стального судна к его глубине по-
гружения В/Т И]
приходится подвергать правке путем наплавки на внутреннюю
поверхность листов холостых валиков. После такой правки конструк-
ции все же имеют видимые остаточные деформации. Значительно
лучший вид имеют сварные конструкции, изготовленные из цельно-
спрессованных панелей. В связи со значительным сокращением
объема сварки деформации при сварке этих конструкций получаются
незначительными
В Советском Союзе построена серия пассажирских морских су-
дов типа «Киргизстан». Все надстройки и рубка с внутренними по-
перечными и продольными переборками и выгородками, а также
мачты, кожух дымовой трубы, леерные и тентовые устройства, вну-
тренние, наружные и забортные трапы, легкие и водонепроницае-
мые двери, окна и пр. этих судов изготовлены из алюминиевых
сплавов. Для изготовления надстроек применяли листы толщиной
5, 6, 8 и 10 мм, а также плиты толщиной до 14 мм из сплавов АМгб
и АМгб. Тип профилей — полособульбы из сплава АМгб. Внутрен-
ние и продольные переборки из алюминиевых сплавов в значитель-
ном объеме делали гофрированными, что в сильной степени упростило
их изготовление и повысило качество.
Надстройка приклепана к стальной палубе заклепками из сплава
АМгб. При этом проведены соответствующие мероприятия по пре-
дотвращению контактной коррозии в заклепочных соединениях.
При постройке уделяли большое внимание увеличению радиусов
скругления углов в больших прямоугольных вырезах (по сравнению
со стальными конструкциями), а также более тщательной заделке
кратеров сварных швов в целях предотвращения возникновения тре-
щин в конструкциях надстройки.
В связи с тем, что алюминиевые надстройки на 50 % легче сталь-
ных, выигрыш в массе судна «Киргизстан» составил 140 т, что на-
ряду с другими техническими мероприятиями (сокращение длины
83
Ралопровода и др.) позволило существенно уменьшить осадку и
снизить центр тяжести судна [12]. Имея небольшую осадку, это
морское судно может заходить в устья рек.
На судно типа «Киргизстан» расходуется 175 т алюминиевых
сплавов (из них на надстройки 100 т). В результате изготовления
надстроек и других конструкций из алюминиевых сплавов масса
судна уменьшена на 12 % (без груза), а метацентрическая высота
увеличена на 15 см, что существенно улучшило его остойчивость.
Алюминиевые сплавы применяют также для надстроек судов
меньшего водоизмещения. Например, большая часть надстройки,
рубки и дымовая труба морского пожарного судна «Дибрар-1»
выполнены из алюминиевомагниевого сплава [13]. Судно пред-
назначено для борьбы с огнем на морских нефтепромысловых и при-
брежных сооружениях, для оказания помощи судам в море, портах
и на рейдах.
Широко используют алюминиевые сплавы для изготовления
надстроек на пассажирских и грузовых судах и за рубежом. Наиболее
крупными в мире судами с многоярусными сварными надстройками
из алюминиевых сплавов являются английские пассажирские лай-
неры «Canberra» водоизмещением 45 000 т (использовано алюминие-
вых сплавов 1000 т) [14] и «Oriana» водоизмещением 40 000 т (ис-
пользовано алюминиевых сплавов 1040 т) [151, построенные в 1960 г.,
а также построенный в то же время французский лайнер «France».
Этот лайнер также имеет многоярусные сварные надстройки из алю-
миниевых сплавов.
В работе [16] приведены для сравнения основные характери-
стики лайнеров «France» и «Normandie» (последний построен пол-
ностью из стали).
Если бы «France» был построен полностью из стали, его масса
была бы на 15 % больше.
Нижняя часть основного корпуса «France» выполнена из более
толстых листов обычной судостроительной стали, верхняя часть бор-
тов — из более тонкой и более прочной стали, а многоярусные над-
стройки, мачты, дымовые трубы и пр. — из алюминиевых сплавов,
которых использовано ~750 т. В результате значительного облегче-
ния верхней части судна удалось без ущерба для его остойчивости
уменьшить ширину, не сокращая длины. Это позволило уменьшить
водоизмещение лайнера «France» на 15 000 т (более чем на 20 %)
по сравнению с «Normandie». Уменьшению водоизмещения «France»
содействовала и установка на нем менее габаритной и более легкой
паросиловой установки с котлами высокого давления.
Для грузовых судов также целесообразно изготовление над-
стройки из алюминиевых сплавов, несмотря на более высокие перво-
начальные затраты при их изготовлении по сравнению с надстрой-
ками из стали. При замене стальных надстроек алюминиевыми гру-
зовое судно получает дополнительную грузоподъемность без увели-
чения его водоизмещения. При этом в случае тяжелых грузов допол-
нительное количество их может быть погружено на судно без какого-
либо увеличения объема трюмов. Для более легких грузов может
84
оказаться необходимым несколько повысить высоту бортов для
увеличения вместимости трюмов,
Сухогрузное судно «Sunrip» (Канада) имеет сварные надстройки
.массой 67,1 т и различное оборудование массой 53,8 т из алюминие-
вых сплавов; водоизмещение судна 15 050 т [17]. Судно подвер-
гали осмотру после 10 лет эксплуатации. Все детали из алюминиевых
сплавов оказались в хорошем состоянии. Пришлось заменить лишь
изоляцию в местах соприкосновения разнородных металлов. За
указанное время эксплуатации судна получено экономии
165 тыс. долл., хотя изготовление надстройки из алюминиевых
сплавов обходится дороже по сравнению со стальной.
В военном судостроении надстройки из алюминиевых сплавов
также нашли широкое применение. Взлетная палуба атомного авиа-
носца «Enterpreis» (США) и его четыре самолетоподъемника разме-
ром 26x16 м изготовлены из алюминиевых сплавов [181. Для на-
стилов палуб использованы прессованные панели из алюминиевых
сплавов следующих размеров: высота ~80 мм, ширина ~457 мм и
длина 26,0—27,5 м. Алюминиевый сплав, из которого изготавливали
панели, имел предел текучести ~230 МПа. Укладывали панели на
стальной набор поперек корабля, причем в местах соприкосновения
панелей со стальными деталями применяли резиновые либо какие-
нибудь другие прокладки, препятствующие возникновению кон-
тактной коррозии. Панели из алюминиевого сплава сваривали
одну с другой по наружной поверхности. Постройка взлетных па-
луб из алюминиевых сплавов позволила значительно сократить
их массу.
Сварные надстройки из алюминиевых сплавов установлены на
фрегатах и крейсерах США и других стран (фрегаты УРО «Oliver
Н. Perry» водоизмещением 3660 т, крейсер УРО «Ticanderoga» и др.).
На универсальных десантных кораблях США типа «Tarawa» водо-
измещением 40 000 т используется 400 т алюминиевых сплавов на
пятиярусные надстройки длиной 54,9 м, шириной 15,3 м, высотой
16,5 м. Такое же количество алюминиевых сплавов расходуется
на надстройки эсминцев типа «Spruance» [4].
Алюминиевые сплавы применяют для надстроек и ограждений
подводных лодок. На подводной лодке «Artfue» (Англия) 12 попереч-
ных секций обтекателей надстройки изготовлены из алюминиевых
сплавов (листы толщиной 5—6 мм с профильным набором). Носовая
часть этой надстройки оставлена стальной [11. Алюминиевые над-
стройки соединены со стальным корпусом с помощью приваренных
к нему оцинкованных стальных полос. К полосам приклепана об-
шивка из алюминиевых сплавов. Шпангоуты из алюминиевых спла-
вов приклепаны к оцинкованным стальным кницам, которые также
приварены к стальному корпусу. Заклепки изготовлены из соответ-
ствующего алюминиевого сплава. Между деталями из стали и алю-
миниевых сплавов проложены изолирующие прокладки для предо-
твращения контактной коррозии. Опыт эксплуатации подводных
лодок «Nautilus» и «Seawolf» подтвердил целесообразность примене-
ния на них алюминиевых надстроек [1 ].
85
5. КОРПУСА
В настоящее время надводные суда подразделяются на три основных
типа: водоизмещающие суда, суда на подводных крыльях и суда на
воздушной подушке.
Если для водоизмещающих судов изготовление корпусов из алю-
миниевых сплавов не обязательно, а желательно, то для судов двух
других типов нельзя обойтись без алюминиевых сплавов, так как
применение для их изготовления стали приводит к такому большому
увеличению массы корпуса, что эти суда не способны ходить на под-
водных крыльях или на воздушной подушке и одновременно нести
необходимую нагрузку.
Ниже рассмотрены примеры строительства судов указанных типов
с корпусами, изготовленными полностью из алюминиевых сплавов.
Водоизмещающие надводные суда из алюминиевых, сплавов
Алюминиевые сплавы в 60-е годы применяли для танкеров и барж,
предназначенных для транспортировки химических продуктов.
В США эксплуатируются баржи из алюминиевых сплавов грузо-
подъемностью до 2300 т для перевозки различных жидких химика-
лиев. По сравнению с баржами из стали грузоподъемность этих
барж удалось увеличить на 14—20 % и одновременно удлинить
срок их службы [22].
Широкое распространение нашли суда с корпусами из алюминие-
вых сплавов сравнительно небольшого водоизмещения.
В Венгерской Народной Республике строят пассажирские речные
суда. Их водоизмещение около 40 т, скорость около 22 км/ч. Корпус
судна примерно в два раза легче стального. Суда имеют значительно
меньшую осадку [1 ].
Возрос интерес к применению алюминиевых сплавов в японском
промысловом судостроении. За последние годы на 40 японских
верфях построено более 100 рыболовных судов [231. Основанием
для этого послужил положительный опыт почти тридцатилетней
-службы алюминиевых катеров.
В Австралии построено судно прибрежного и внутреннего плава-
ния «Kanimbla» катамаранного типа [241. Корпус судна длиной
25,0 м изготовлен полностью из алюминиевого сплава. Это дало
возможность увеличить дедвейт его до 120 т, т. е. на 20 % по сравне-
нию с однотипным стальным судном.
Алюминиевые сплавы позволяют создавать легкие малые катера,
которые могут развивать скорость до 50 км/ч. Это особенно важно,
например, для спасательных судов. В нашей стране разработан и
выпускается серийно спасательный катер «Чибис» [25 I, при проек-
тировании которого была учтена специфика работы спасательной
службы и опыт эксплуатации существующих катеров других типов:
примерно в 2 раза увеличена скорость, за счет снижения массы
корпуса появилась возможность поместить на катер оборудование,
позволяющее оказывать пострадавшим не только первую помощь,
но и проводить реанимацию.
86
Строительство катеров из алюминиевых сплавов развивается
и в других странах. В Англии построен полицейский катер «WSP-14»
с корпусом из стойких в морской воде алюминиевых сплавов в цель-
носварном исполнении [261. Итальянские катера длиной от 6,2
до 22 м изготовляют из алюминиевомагниевых сплавов. Самый
большой из катеров можно использовать как десантно-высадочное
судно [27 I. В Канаде строят жесткие шлюпки длиной от 4,5 до 8 м
со сварным корпусом из алюминиевых ставов серии 5000 |28 ].
Большое количество высокоскоростных судов строит Япония. Так,
например, верфь «Shimonoscki» фирмы «Mitzubishi», которая в те-
чение 25 лет занимает в Японии первое место по строительству
алюминиевых судов, построила более 70 высокоскоростных судов
со сварными корпусами и надстройками из алюминиевых сплавов
мэрских марок (серия 5000) [29].
Алюминиевые сплавы успешно применяют при изготовлении
прогулочных судов. В нашей стране насчитывается около 20 типов
прогулочных лодок, которые изготавливают в сварном и клепаном
исполнении.
Мотолодки «Крым», «Неман», «Сарепта», «Малютка» выполнены
в сварном варианте из алюминиевомагниевых сплавов; «Ока-4»,
(Прогресс» и др. —в клепаном исполнении из сплавов Д16 и Д1;
мэтолодка «Днепр» — в клепано-сварном варианте.
Основной конструкционный материал для строительства прогу-
лочных тодок — сплавы АМг5 и Д16. Применение сплава АМг5
при строительстве корпусов мотолодок позволяет эксплуатировать
пх и в соленой воде. Сварная мотолодка «Сарепта» из сплава
АМг5 производится сеоийно, имеет тримаранные образования кор-
пуса, благодаря чему в ее просторном кокпите могут разместиться
шесть человек. Мотолодка «Крым-3» со сварным корпусом из сплава
АМг5 —одна из наиболее комфортабельных мотолодок [30]. В на-
стоящее время алюминиевые сплавы стали применять также в кор-
пусах яхт и парусников.
Суда на подводных крыльях
В последние годы обнаруживается тенденция к повышению скоро-
стей водного транспорта. Это привело к бурному развитию судов
с динамическими принципами поддержания, в частности судов на
подводных крыльях (СПК) [32]. Применение подводных крыльев
позволяет поднять корпус СПК над поверхностью воды, при этом
уменьшается сопротивление воды движению судна, благодаря чему
увеличивается его скорость и обеспечиваются более высокие море-
ходные качества по сравнению с другими судами аналогичного водо-
измещения.
К весовым характеристикам судов на подводных крыльях предъ-
являются особо повышенные требования. Этим требованиям могут
удовлетворять практически только алюминиевые сплавы с достаточно
высокой удельной прочностью.
Механические характеристики алюминиевых сплавов, применяе-
мых для СПК, приведены в табл. 2.6.
87
Таблица 2.6. Механические характеристики алюминиевых сплавов для СПК
Марка сплава Ов, МПа Oq 2» МПа °0,2 - 1 О’3, м V
АМг5 (СССР) >274 >127 4,8
N6 (Англия) 274—333 127—157 4,8—5,9
5086 (США) 268—323 132—255 5.0—9,6
5086 (США) 296—359 159—282 6,0—10,7
АМг61 (СССР) >333 >176 6,7
N5/6 (Англия) 294 216 8,2
5456 (США) 353 —387 255—296 9.6—11,2
Д16 (СССР) >412 >274 10,1
6061 (США) 310 27,5 10,4
Примечание. Диапазон механических характеристик для иностранных сплавов
соответствует различным видам обработки (нагартовка, закалка, естественное и искусствен-
ное старение).
Указанные сплавы и их сварные соединения обладают высокой
коррозионной стойкостью. Наиболее широко используют в отече-
ственной практике свариваемый алюминиевый сплав марки АМг61.
Самым распространенным основным типом соединений корпусных
конструкций СПК являются сварные. Сварные соединения алюми-
ниевых сплавов при толщинах, равных или больших 4 мм, имеют
значительные преимущества по сравнению с клепаными. Масса свар-
ных конструкций на 10—15 % меньше, а их статическая прочность
выше прочности клепаных конструкций. Наиболее важным факто-
ром является высокая герметичность сварных соединений по сравне-
нию с клепаными. В нашей стране СПК используют для пассажир-
ских перевозок уже более двадцати лет.
К судам этого типа относятся речные пассажирские теплоходы
«Ракета», «Метеор», «Буревестник», «Восход», «Спутник», «Чайка»
и др., а также мэрские пассажирские теплоходы «Комета» (рис. 2.9),
«Стрела», «Вихрь», «Колхида».
Рис. 2.9. Морской пассажирский Теплоход на подводных крыльях типа «Комета-М»
(вместимость 106 человек; корпус сварной из сплава АМгб!)
88
Корпуса речных СПК строят клепаными с использованием сплаба
Д16 и сварными с использованием сплавов АМг61 и АМг5 [33].
Корпуса морских судов на подводных крыльях строят только
сварными с использованием алюминиевомагниевых сплавов АМг61
и АМг5.
Отечественные морские пассажирские теплоходы на подводных
крыльях типа «Комета» начали эксплуатировать в шестидесятых
годах. В настоящее время строят серию морских пассажирских тепло-
ходов на подводных крыльях второго поколения типа «Колхида».
Новые СПК, идущие на смену хорошо зарекомендовавшим себя
в нашей стране и за рубежом теплоходам типа «Комета», отличаются
повышенными комфортом, экономической эффективностью эксплуа-
тации, безопасностью плавания, они значительно меньше загрязняют
окружающую среду.
В других странах также развивается строительство судов на
подводных крыльях. Так, в США строят серию катеров на подвод-
ных крыльях с массой сварного корпуса 43 т. В качестве мате-
риала корпусных конструкций для этих катеров использован
алюминиевомагниевый сплав 5456 [351.
Суда на воздушной подушке
Суда на воздушной подушке (СВП) представляют собой новый пер-
спективный скоростной вид транспорта. В настоящее время во мно-
гих странах эксплуатируются СВП амфибийного и снегового типа,
скорость которых превышает 50—70 км ч. СВП снегового типа по
сравнению с амфибийными более экономичны и не имеют ограниче-
ний в водоизмещении. Амфибийные же суда благодаря высокой про-
ходимости можно использовать в заболоченной местности, в усло-
виях частичного ледового покрытия, на Севере, в труднопроходимых
для другого транспорта местах.
Требования к материалам корпуса СВП аналогичны требованиям
к материалам, применяемым для судов на подводных крыльях. Для
строительства СВП используют только алюминиевые сплавы повы-
шенной прочности.
В Советском Союзе успешно эксплуатируются СВП типа «Барс»
(рис. 2.10), «Зарница», «Орион», «Чайка» [36]. Модификацией СВП
Рис. 2.10. Катер на воздушной подушке типа «Барс»
89
Таблица 2.7. Характеристики отечественных СВП
СВП ^-габ* м ^габ» м ^габ« м Водоиз- мещение. Материал корпуса Соедипе- Литера- турный источник
«Зарница» 22.3 4,05 3,11 9,81 Д16Т Клепка (381
Опытное Орион» 26 6,5 5,2 23,4 АМг61 Д16 Сварка Клепка [38]
Серийное «Орион» 26 6,5 5,2 24,4 АМг61 Д16АТ Д16Т Сварка Клепка » [38]
Серийное «Чайка» 26,7 7,1 56 47,5 А.Мг61 АМг5 Сварка Клепка [39]
Сер ийпое «Пламя» 26,1 6,5 5,5 34,5 АМг61 Д16 Сварка Клепка [371 *
«Орион» является речное лесопожарное судно на воздушной подушке
со скегами «Пламя» [37 ]. Основные характеристики отечественных
СВП приведены в табл. 2.7.
В качестве основного материала корпуса СВП применяют алю-
миниевый сплав АМг61; морские СВП типа «Орион». «Чайка» имеют
цельносварную конструкцию корпуса. Палуба надстройки, рубка
и выгородки на речном СВП типа «Орион» изготовлены из сплава
Д16, а на СВП типа «Чайка» — из сплава АМгб. При строительстве
СВП применяют прогрессивные полуфабрикаты из алюминиевых
сплавов: нижняя часть обшивки скегов на СВП «Чайка» изготовлена
из цельнопрессованных панелей, обшивка днища корпуса выпол-
нена из гофрированных листов [391, что уменьшает количество свар-
ных швов и, соответственно, снижает сварочные деформации.
Строительство судов на воздушной подушке развивается и в дру-
гих странах. Так, специально для переправы через Ла-Манш фран-
цузской фирмой SEDAM построены амфибийные СВП N300 и \500.
Первые два 30-т СВП N300 были построены в 1967 г., а с 1978 г.
после многочисленных испытаний одно из них было введено в экс-
плуатацию и использовалось в качестве парома. Корпус СВП ХЗОО
изготовлен из алюминиевых сплавов, стойких к коррозии в морской
воде, и разделен на водонепроницаемые отсеки [40].
С 1978 г. наряду с английскими СВП типа SR N4 для автомо-
бильно-пассажирских перевозок через Ла-Манш начало эксплуати-
роваться амфибийное СВП N500, спроектированное фирмой
SEDAM.
При выборе материала корпуса учитывали такие факторы, как
стоимость материала, стойкость к коррозии в морской воде, свари-
ваемость и усталостная прочность. Для плоскостных секций корпуса
использовали сплав 5083 в состоянии Н116 или Н323 (<тв = 3084-
4-382 МПа; о0>2 = 214ч-232 МПа), а для объемных секций и штам-
пованных изделий — сплав 6082Т66(ов « 294МПа; <т012 255МПа).
По сравнению с конструкциями из дуралюмина, которые плохо
свариваются и сильно корродируют в морской воде, требуют дорогих
защитных покрытий, выбранные сплавы позволяют снизить стои-
90
мость постройки и обслуживания корпуса. Кроме этого, удалось
снизить массу корпуса, она стала равной 80 т, что составило 30 %
от полной массы судна и считается для судна со скоростью движения
около 90 км ч при высоте волны 2,5 м вполне приемлемой величиной.
Наряду с паромными перевозками через Ла-Манш СВП N500
намечается использовать для более длительных рейсов и, в част-
ности, как круизное судно (КВП) [40]. Высокие скоростные и амфи-
бийные качества КВП позволяют применять их в качестве десант-
ных и пограничных катеров [41 ].
Круизные суда на воздушной подушке являются эффектив-
ным средством для патрулирования в северных районах, трудно-
доступных для других кораблей, а также для спасательных
операций. В Арктике и на севере Канады эксплуатировались КВП
типа «SK-5»; катера подобного типа на крейсерских ходах преодоле-
вали торосы льда высотой, приблизительно равной высоте их гиб-
кого ограждения, т. е. около 1,2 м [41 ]. Во Франции разработаны
проекты четырех разновидностей КВП — вертолетоносцев на 200—
400 т для военных и гражданских целей [42, 43]. В Англии проекти-
руется крупный скеговый КВП водоизмещением до 500—700 т [44].
В США разрабатывается проект КВП водоизмещением 1000—1500 т
универсального назначения с корпусом из алюминиевого сплава [45 ].
Одной из наиболее перспективных областей применения алюми-
ниевых сплавов для новых типов кораблей ВМС считается создание
кораблей катамаранного типа с малой площадью поверхности, огра
ничиваемой ватерлинией для уменьшения влияния волнения моря,
типа SWATH [42, 45, 46]. 190-т американское опытное судно этого
типа «Carnal ino» можно использовать как противолодочный корабль
типа SWATH. При волнении моря шесть баллов он действовал
аналогично эсминцу при волнении четыре балла, при этом скорость
составляла 45,5 км/ч [45].
6. ОБОРУДОВАНИЕ И ТРУБОПРОВОДЫ
Как уже отмечалось, различные типы судового оборудования в не-
обходимых случаях изготовляют из алюминиевых сплавов. Ниже
приведены отдельные конкретные примеры использования и эксплуа-
тации некоторых типов судового оборудования из алюминиевых
сплавов.
В мировой практике (Норвегия, США, Япония, ФРГ) при строи-
тельстве судов-газовозов в качестве конструкционного материала
сферических танков для транспортировки сжиженного природного
газа применяют плиты алюминиевомагниевого сплава 5083 (типа
АМг4) [47—49].
В настоящее время суда-газовозы со сферическими танками строят
в основном грузовместимостью 125 000 м3 с 6—7 танками на судне,
диаметр танка 36—40 м, масса танка 600—700 т.
Так как природный газ является одним из основных источников
энергетического сырья и мировые потенциальные запасы его больше,
чем нефти, грузовой флот судов-газовозов растет. При этом наблю-
дается тенденция к увеличению грузовместимости таких судов.
Алюминиевые сплавы успешно применяют в производстве плаву-
чих кранов. При изготовлении отечественных кранов, в частности
стрелы кранов ПК-60 «Астрахань», ПК-100 «Черноморец», ПК-300
«Богатырь» используется соответственно 17,6, 20,4 и 46,0 т алюминие-
вого сплава марки АМг61, что позволяет уменьшить грузовой мо-
мент на 36, 39 и 45 % по сравнению с кранами, стрелы которых
полностью изготовлены из стали [501.
В нашей стране н за рубежом при постройке рыбопромысловых
судов применяют алюминиевые сплавы типа АД35 для конструкций
рыбного трюма 151, 52 I. В этих трюмах в морской воде и в рассоле
поваренной соли хранится рыба при темпера гуре до —20 °C и ниже
в зависимости от продолжительности ее хранения. Опыт эксплуата-
ции рефрижераторного судна «Туркменистан» с настилами трюмов
из сплава АД31 и судов типа «Баренцево море» с танками для
рыбы из сплава АД35 показал экономическую целесообразность
и перспективность применения алюминиевых сплавов на судах ры-
бопромыслового флота.
Для изготовления судовых дизелей, а также подвесных моторов
используют большое количество алюминиевых сплавов. Из них
изготовляют баки, головки цилиндров, картеры, поршни, плиты,
болты для крепления и пр.
Применение алюминия и его сплавов для изготовления теплооб-
менных аппаратов позволяет значительно снизить их массу, повы-
сить производительность и уменьшить стоимость по сравнению с аппа-
ратами из медноникелевых сплавов. В США изготовлены теплообмен-
ные аппараты для дистилляции морской воды. Трубки аппаратов
изготовлены (плакированные со стороны морской воды) из сплава
типа АМц, а трубные доски (плакированные с обеих сторон) — из
сплава типа АВ. Надежная эксплуатация этих аппаратов достигается
при условии полного исключения применения деталей из медных
сплавов в насосах, арматуре и других узлах [53 1.
Алюминиевые сплавы можно рекомендовать для труб судовых
систем с арматурой из алюминиевых сплавов. В отдельных случаях
может быть допущено применение деталей из нержавеющих сталей.
Толщину труб следует определять для заданного состава воды по
формуле (10) с известным запасом. Использование заведомо тонких
труб (что иногда делают необоснованно с целью максимального по-
нижения массы трубопроводов), толщина которых выбрана из усло-
вия прочности, без учета возможности возникновения отдельных
язв, может привести к сравнительно скорому выходу их из строя.
Для повышения надежности работы трубопроводов из алюминие-
вых сплавов, кроме указанных выше мероприятий, следует приме-
нять трубы хорошей выделки с чистой внутренней поверхностью.
В необходимых случаях внутреннюю поверхность труб следует аноди-
ровать или гидратировать.
Глава 3
ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ
И АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ
1. АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ В ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ1
В последнее десятилетие расширилась область применения алюми-
ниевых сплавов в железнодорожном транспорте. В связи с все более
возрастающими требованиями к эксплуатации подвижного состава —
повышением скорости движения поездов и нагрузкой на ось, созда-
нием большегрузных составов, увеличением объема перевозок сы-
пучих и агрессивных минеральных удобрений — применение алю-
миниевых сплавов в качестве основного конструкционного материала
для несущих конструкций вагонов становится все более актуальным.
Замена стальной конструкции железнодорожного вагона кон-
струкцией из алюминиевых сплавов позволяет снизить массу тары
вагона (до 15 %), повысить грузоподъемность и скорость движения,
снизить износ рельсов и расход электроэнергии или топлива на тягу
поездов (в среднем на 10 %), сократить затраты на текущий и капи-
тальный ремонт вагонов (до 18 %).
За рубежом накоплен довольно широкий опыт строительства и
эксплуатации подвижного состава из алюминиевых сплавов.
Современный вагон должен быть оснащен новыми техническими
средствами, обеспечивающими безопасность движения и высокий
уровень комфорта для пассажиров, что увеличивает его общую массу.
Применение легких сплавов в пассажирском вагоностроении поз-
воляет решить проблему осевых нагрузок. Особенно выгодно при-
менение алюминиевого подвижного состава на железных дорогах,
проходящих по пересеченной местности, что позволяет снизить рас-
ход энергии или топлива. Снижение массы вагона позволяет полу-
чить более высокие характеристики ускорения и замедления.
Наиболее широкое применение алюминиевые сплавы получили
при строительстве новых пассажирских вагонов в ФРГ, Швейцарии,
Японии, Англии, Франции. Фирмой «Messerschmidt Bolkow Blow»
(ФРГ) спроектировано и изготовлено 11 прототипов новых пассажир-
ских вагонов «Bwnrzb 731» с алюминиевыми кузовами. Масса
вагонов этого типа 29,63 т, т. е. на 3,72 т меньше массы вагона типа
«Bwnrzb 726» с кузовом облегченной конструкции (из нержавеющей
стали). Для несущих элементов конструкции применен высокопроч-
ный сплав марки А1—Zn—Mg36, для наружной обшивки торцовых
стенок и крыши — сплав А1—Mg—Мп26, а для несущих элементов
каркаса—марки А1—Mg—Si0,5 [1, 2]. Кузов вагона собира-
ется из прессованных профилей и имеет замкнутую несущую свар-
ную конструкцию.
Для железных дорог ФРГ построен высокоскоростной моторва-
гонный электропоезд серии ЁТ 403 с максимальной скоростью дви-
1 Авторы: Л. В. Журавлева, А. П. Лавров,
93
жения 200 км/ч. Каркас его выполнен из высококачественных алю-
миниевых сплавов. Состав эксплуатируется на линии Бремен—
Ганновер—Вюнцбург—Мюнхен. При проектировании и изготовле-
нии новых вагонов электропоездов в ФРГ особое внимание уделялось
применению сварных конструкций и широкому использованию в ка-
честве несущих и отделочных элементов профилей из алюминиевых
сплавов А1—Zn—MgF36 и Al—Mg—Мп—F26. Масса кузова голов-
ного вагона 6,27 т, а прицепного 4,65 т.
На железных дорогах Швейцарии широко используются новые
четырехосные пассажирские вагоны типа Bt-4, кузова которых вы-
полнены из алюминиевых сплавов, методом сварки. Наиболее нагру-
женные узлы и детали кузова выполнены из сплава А1—Mg—S141.
Для настила пола использован гофрированный лист из сплава А1—
Мп толщиной 1,2 мм. Обшивка боковых стенок выполнена из лис-
тов сплава А1—Mg3—18 толщиной 2 мм, а обшивка торцевых сте-
нок — из листов сплава А1—Mg—Si61 толщиной 3 мм. Конструкция
крыши состоит из дуг замкнутого сечения, обшитых гофрированными
листами толщиной 1,5 мм из сплава А1—Mg3—18.
В Японии из-за сравнительно большой стоимости алюминиевых
сплавов вагоны из них применяют лишь тогда, когда уменьшение
массы имеет очень важное значение: для высокоскоростного под-
вижного состава (со скоростью движения 260 км/ч); при необходи-
мости уменьшения поперечных сил, воздействующих на путь с боль-
шим радиусом кривизны при движении с высокой скоростью, и для
вагонов междугородных электропоездов, когда необходимы частые
остановки и разгоны с высоким ускорением.
Во Франции применяют четырехвагонные секции типа MS79 с ку-
зовами из алюминиевых прессованных панелей для электропоездов
со скоростью 140 км/ч.
В Англии эксплуатируются моторвагонные высокоскоростные
электропоезда серии APT—Р из алюминиевых сплавов. Применение
этих сплавов позволяет снизить массу вагонов на 40 % по сравнению
со стальными. Масса кузова промежуточного прицепного вагона без
оборудования составляет 4,7 т. Скорости движения таких поездов
должны достигать 300 км/ч, а пассажирские скоростные поезда
серии APT—Е рассчитаны на максимальную скорость 250 км/ч.
Применение алюминиевых сплавов в грузовом вагоностроении
определяется возможностью снижения массы, повышения грузоподъ-
емности и резкого увеличения коррозионной стойкости вагонов.
Большой опыт по изготовлению и эксплуатации алюминиевых ва-
гонов имеет Швейцария. Более 3000 грузовых вагонов с раздвиж-
ными боковыми стенками и алюминиевыми кузовами эксплуатиру-
ются на дорогах страны. Обшивка их выполнена из гофрированных
листов. Из сплавов алюминия изготавливают управляемые вруч-
ную откидные, поворотные и раздвижные элементы конструкций
вагона.
В Швейцарии изготавливают вагоны для железных дорог Ма-
рокко для перевозки фосфатов. В этих вагонах алюминиевые сплавы
используют во всех конструктивных элементах, за исключением рам
94
тележек и колесных пар. Тара вагона 14,5 т. Для перевозки 3930 т
фосфатов требуется 60 алюминиевых вагонов, а стальных 66.
На железных дорогах США, Канады, Австралии алюминиевые
вагоны широко применяют для перевозки сыпучих грузов (уголь,
сера, поташ, соль, кварц, песок, железная руда, цемент, зерно и пр.).
Полезный объем вагона более 100 и3, грузоподъемность 100—200 т,
уменьшение собственной массы вследствие применения алюминиевых
сплавов составляет 5—10 т.
В Канаде используют специализированные вагоны для перевозки
зерна из сплавов 5083 (А1—Mg—4,5 Мп) и 7004 (А1—Zn Mg). Тол-
щина листового металла в зоне буферных брусьев 12,7 мм, в осталь-
ных местах 6,3 мм. Грузоподъемность вагона 80 т, собственная
масса 20 т.
В связи с развитием контейнерных перевозок на железных доро-
гах Японии эксплуатируется более 18000 двухосных крытых вагонов
модели «Вату — 80 000», изготовленных из алюминиевых сплавов,
предназначенных для транспортировки грузов на поддонах. Для
транспортировки агрессивных жидких грузов, таких, как концентри-
рованная азотная кислота, уксусная кислота, уксусный ангидрид
и др., а также продуктов, требующих сохранности кондиции, при-
меняют цистерны с котлами из алюминиевых сплавов. Основными
материалами для их постройки являются сплавы системы А1—Mg.
В 1975 г. для метрополитена Берлина (ГДР) начали выпускать
вагоны, сварные кузова которых выполнены из самоупрочняющегося
сплава А1—Zn5—Mgl. Листы обшивки выполнены из сплава А1 -
Mg—4,5 Мп.
Для метрополитена Брюсселя изготовляют вагоны из алюмини-
евых сплавов, которые примерно на 2 т легче стальных, а увеличение
их стоимости окупится через 3—4 года в результате экономии рас-
хода электроэнергии на тягу и сокращения работ по текущему со-
держанию пути и ремонту вагонов.
Лондонская транспортная служба на линиях метрополитенов
имеет более тысячи вагонов из алюминиевых сплавов.
Для метрополитена Токио изготавливают вагоны без окраски.
Масса таких вагонов на 4100 кг меньше массы стальных, экономия
электроэнергии составляет 12,4 %.
В последние годы алюминиевые сплавы стали широко применять
для вагонов французских метрополитенов. Каркас кузова таких ва-
гонов изготовлен из сплава Duralinox A:Z5GT6 (7020А), обшивка
боковых стенок и крыш — из сплава Duralinox А—G3 (5754Х).
Масса кузова составляет 2750 кг, что на 42 % меньше, чем у анало-
гичного стального кузова (4350 кг).
Для метрополитена Парижа изготовлено более 1000 вагонов типа
MF—77 из алюминиевых сплавов марок A-G3, A-G5 и A-Z5GT6.
Сравнение алюминиевых сплавов со сталью по массе, сопротив-
лению обычным эксплуатационным и ударным нагрузкам, устойчи-
вости против вибрации, сопротивлению огню и коротки и замыканиям,
коррозионной и абразивной стойкости, условиям серийного произ-
водства и пригодности к ремонту показало, что при правильном под-
95
Ходе к рассматриваемым показателям алюминиевые сплавы либо
находятся на уровне стали, либо превосходят ее [3].
В СССР в 70-е годы вагоностроительной промышленностью были
изготовлены партии пассажирских вагонов для .скоростных поездов
РТ-200 и ЭР-200, в которых алюминиевые сплавы систем Al^Mg
и А1—Zn—Mg использованы в качестве основного конструкционного
материала для кузовов.
На Калининском вагоностроительном заводе для скоростного
поезда «Русская тройка» типа РТ-200 построено несколько вагонов,
которые могут эксплуатироваться в поездах со скоростью движения
200 км/ч. Кузова этих вагонов изготовлены из алюминиевых спла-
вов 1915Т (каркас) и АМгбМ (обшивка) и включают раму, две боко-
вые стены, крышу, подвагонный кожух, тамбурные и концевые
стены. Для уменьшения аэродинамического сопротивления и улуч-
шения внешнего вида боковые стены кузова наклонены к вертикаль-
ной оси вагона под углом 4°, подвагонное пространство на длине
8,3 м в средней части вагона перекрыто кожухом-обтекателем, ко-
торый позволяет снизить ветровые боковые нагрузки на вагон,
а также его центр тяжести и увеличить поперечную устой-
чивость.
Рама кузова на участке между шкворневыми балками не имеет
хребтовой балки, но оснащена развитыми консолями, обеспечиваю-
щими передачу ударно-тяговых усилий на основные узлы кузова.
Боковые обвязки имеют специальный профиль из сплава 1915 с тол-
щиной стенки 8 мм. Пол в средней части вагона гофрированный с тра-
пециевидным профилем и толщиной листа 3 мм из сплава АМгб.
Обшивка боковых стен выполнена из гофрированного листа сплава
АМгб толщиной 3 мм, а оконные стойки и обвязочные элементы ку-
зова — из специальных штампованных профилей сплава 1915.
В конструкции кузова имеются элементы из углеродистой стали
(шкворневые и консольные балки). Для предотвращения возникнове-
ния контактной коррозии стальные поверхности, сопрягаемые с алю-
миниевыми, оцинкованы и покрыты грунтовками ВЛ-02 и ФЛ-ОЗк
в два слоя. Контактирующие алюминиевые поверхности оксидиро-
ваны и также покрыты этими грунтовками.
Внутренняя поверхность кузова неокрашена, для снижения шума
в вагоне использованы пакеты со стекловолокном, которые уложены
на пол кузова, а в боковые стены и крышу — блоки теплоизоляци-
онного материала ПСБ—С.
На Рижском вагоностроительном заводе изготовлена партия ва-
гонов, предназначенная для междугородних пассажирских перевозок
со скоростью до 200 км,ч. Из этих вагонов сформирован скоростной
состав, эксплуатируемый по маршруту Москва—Ленинград.
При разработке конструкции вагона необходимо было снизить
массу каждого моторного вагона до 60 т Применение алюминиевых
сплавов в конструкции кузова вагона ЭР—200 позволило уменьшить
его массу более чем на 30 % по сравнению со стальным кузовом тех
же размеров. Вагоны длиной 26 м изготовлены из алюминиевых спла-
вов 1915 и АМгб (рис. 3.1, 3.2).
96
Рис. 3.1. Электропоезд ЭР-200 из алюми-
ниевых сплавов
Рис. 3.2. Поперечное сечение кузова
электропоезда ЭР-200
Снижение массы вагонов было достигнуто и благодаря иснолвзо-
ванию алюминиевых сплавов в конструкции внутреннего обору-
дования поезда ЭР-200 (шкафы, диваны, окна, багажные полки и др.).
Рижским вагоностроительным заводом в последние годы изготов-
лен кузов электропоезда ЭР-23. Конструкция кузова ЭР-23 — цель-
нонесущая, толщина листов обшивки 3 мм из алюминиевого сплава
АМгб. Жесткость несущих элементов кузова в продольном направ-
лении обеспечивается гофрами и продольными элементами, а жест-
кость в поперечном направлении — благодаря использованию гну-
тых профилей дуг крыши, стоек боковых стен и поперечных балок
рамы. Кузов вагона легче аналогичного кузова из углеродистой стали
на 4,5 т.
В настоящее время продолжается работа по совершенствованию
конструкции пассажирских вагонов из алюминиевых сплавов. Опыт
эксплуатации таких вагонов, построенных в 1961—1963 гг., показал,
что они имеют ряд конструктивных недостатков; отсутствует необ-
ходимая жесткость кузова, существует повышенный температурный
режим в салоне в летний период времени, появляются трещины в ме-
стах сварки отдельных элементов и др.
В 1972 г. на Калининском вагоностроительном заводе построен
пассажирский вагон открытого типа длиной 23,6 м, несущий кузов
которого выполнен из алюминиевых сплавов по типу замкнутой обо-
лочки без хребтовой балки. Элементы кузова: пол, боковые стены,
крыша выполнены из гофрированных алюминиевых листов марки
АМгб, толщиной от 2 до 4 мм, а все элементы жесткости кузова
(продольные и поперечные балки рамы, стойки боковых и торцевых
стен, верхняя и нижняя продольные обвязки боковых стен) — из
профилей сплава 1915. Кузов собран при помощи аргоно-дуговой
сварки из отдельных узлов: рамы, боковых тамбурных и торцевых
стен и крыши.
По сравнению со стальным вагоном аналогичной конструкции
масса тары алюминиевого вагона снижена на 3 т и равна 47 т. Внут-
4 Альтман Т. Б. и др.
97
ренине поверхности кузова неокрашены; на пол, стены и крышу
уложены тепло- и шумоизоляционные материалы. После пяти лет
эксплуатации вагон находился в хорошем состоянии и не требовал
ремонта, в то время как аналогичные вагоны, изготовленные из угле-
родистой стали, за тот же период эксплуатации нуждались в ремонте
с частичным вскрытием кузова.
В настоящее время алюминиевые сплавы системы А1—Mg широко
используют в конструкции внутреннего оборудования пассажир-
ских вагонов (багажные полки, раскладки, облицовка труб отопле-
ния и др.). Это позволяет дополнительно снизить массу вагона на
1-3 %.
Применение алюминиевых сплавов в конструкции грузовых ваго-
hqb — наиболее перспективное направление в отрасли вагонострое-
ния. Это связано, во-первых, с возможностью значительного сниже-
ния массы грузовых вагонов и повышением их грузоподъемности и,
во-вторых, со снижением затрат на ремонт вагонов благодаря высо-
кой коррозионной и абразивной стойкости алюминиевых сплавов
отдельных марок.
Уральским вагоностроительным заводом накоплен определенный
опыт использования алюминиевых сплавов в конструкции пол} ваго-
нов. Изготовлено несколько вагонов с использованием алюминиевого
сплава АМгб для обшивки боковых стен и торцовых дверей, рамы и
каркаса кузова. В конструкции вагона последнего выписка приме-
нены прессованные, гнутые и сварные профили открытого и закры-
того сечения. Рациональное использование алюминиевых сплавов
позволило снизить тару7 шестиосного вагона с 32,4 т в стальном ис-
полнении до 29 т с алюминиевым кузовом (табл. 3.1) [4].
Опыт эксплуатации полувагонов из алюминиевых сплавов пока-
зал, что они в значительно меньшей степени, чем стальные, под-
вержены коррозионному поражению и абразивному износу.
В конструкции кузова полувагона наиболее эффективно исполь-
зовать алюминиевые сплавы для крышек люков. Крышка люка вос-
принимает основные ударные нагрузки при загрузке вагона сыпу-
чими и другими тяжелыми грузами. Крышки люков, изготовленные
из углеродистой стали, в процессе эксплуатации вагонов подверга-
Таблица 3.1. Характеристики грузовых вагонов с кузовом из алюминиевых
сплавов
Тип вагона Год постройки Масса тары, т Материал кузова
Полувагон:
шестиосный 1961 30,0 Сплав А1Мг6 (рама стальная)
» 1964 29,0 То же
четырехосный 1973 19,2 Сплав АМгб (без окраски, люки сталь- ные)
Крытый 1964 19,5 Сплав ЛМгб с частичным использова- нием сплава 1915
» 1966 19,4 То же
98
ются значительным деформациям, появляются трещины в местах
сопряжения отдельных элементов. Крышки люков из алюминиевых
сплавов благодаря их значительной энергоемкости и высокой стой-
кости к абразивному износу более надежны в эксплуатации и дол-
говечнее стальных в 2—3 раза, кроме того, требуется меньше физи-
ческих усилий на их закрывание.
Уральский вагоностроительный завод изготовит несколько вари-
антов крышек люков путем сварки, штамповки или механической об-
работки из плиты. Для этого использовали сплавы марок В95,
АМгб и АЛ9; наиболее перспективным оказался сплав марки АМгб.
Алтайским вагоностроительным заводом спректированы и изго-
товлены опытные образцы крытых четырехосных цельнометалличе-
ских вагонов из алюминиевых сплавов с объемом кузова 120 м3.
Для кузова вагона были применены прессованные профили различ-
ной конфигурации из сплава АМгб, обшивка боковых стен выпол-
нена из этого сплава толщиной листа 3 мм со штампованными гоф-
рами, а торцовые стены — из гофрированного листа толщиной 4 мм.
Крыша изготовлена из гофрированного листа толщиной 2 мм Ва-
гон легче аналогичного стального вагона на 4,6 т. Применение алю-
миниевых сплавов вместо стали позволяет снизить массу кузова на
30—35 % (Табл. 3.2) [41.
После пяти лет эксплуатации вагон не имел коррозионных пора-
жений. Особенно важно это для такого элемента кузова, как крыша.
У стальных крытых вагонов после 10 лет эксплуатации крышу
полностью меняют вследствие сильного коррозионного поражения
всей тонколистовой обшивки, при этом на каждом вагоне теряется
1,4 т металла, а за весь срок эксплуатации 4,2 т; простой вагона
в ремонте увеличивается более чем на 20 %.
На Днепродзержинском вагоностроительном заводе изготовлены
опытные образцы специализированных вагонов с грушевидными ем-
костями из алюминиевых сплавов для перевозки муки и полимерных
материалов. Применение легких сплавов в конструкции таких ваго-
нов позволяет решить проблему противокоррозионной защиты внут-
ренних поверхностей емкостей. При этом полностью отпала необ-
ходимость окраски емкостей специальными лакокрасочными матери-
Таблица 3.2. Весовые характеристики элементов кузова полувагонов стальной
и цельноалюминиевой конструкции
Наименование узлов Шести оспы и вагон Четырехосный вагон
масса узла, кг достигну- тое сни- жение массы, % масса узла, кг достигну- тое сни- жение ’массы, %
сталь- ПО! о алюми- и п евого сталь- ного алюми- ниевого
Стены боковые . . 4 952 2940 40,6 3710 2162 41,7
Рама 4 405 3203 27,3 3941 3248 17,6
Торцовые двери . . 772 605 21,6 859 531 38,2
Всего на кузов (без люков) 10 129 6748 33,4 5510 5941 30,2
4*
ее
алами; кроме того, грузоподъемность вагонов из алюминиевых спла-
вов повысилась на 5 т [2].
В большом количестве -алюминиевые сплавы используют при из-
готовлении различных элементов и узлов рефрижераторных пяти-
вагонных секций на Брянском машиностроительном заводе (рис. 3.3).
Это напольные решетки и приспособления для перевозки мяса и пр.
из сплава 1915; внутренняя обшивка грузовых помещений — из
сплава АМгб. В среднем на каждый вагон расходуется около 3 т
алюминиевых сплавов.
В последние годы алюминиевые сплавы системы А1—Mg стали
применять при изготовлении деталей буксового узла колесных пар
грузовых вагонов. Снижение массы неподрессоренных узлов вагона
имеет важное значение для уменьшения нагрузок на железнодорож-
ный путь. Из алюминиевого сплава АМгб изготовлено около 400 тыс.
крепительных крышек букс вагонов. Алюминиевая крышка имеет
массу 3,2 кг и легче стальной на 10 кг, процесс ее изготовления
более технологичен, не требуется сварочных работ по исправлению
литейных дефектов. На Уральском вагоностроительном заводе из-
готовлены корпуса букс для колесной пары из прессованной трубы
специального профиля из сплава АМгб; такая букса легче стальной
литой в среднем на 28 кг. В настоящее время ведутся работы по при-
менению сплава 1915 для корпусов букс грузовых вагонов.
Многолетний опыт эксплуатации различных сооружений и под-
вижного состава метрополитенов свидетельствует о том, что для
снижения массы отдельных конструкций (вагоны, облицовочные
материалы, двери и др.) широкое применение могут найти алюмини-
евые сплавы повышенной прочности и коррозионной стойкости.
Изготовление кузовов вагонов из алюминиевых сплавов позволит
снизить массу тары вагона примерно на 3 т и получить эффект около
600 руб. в год на каждом вагоне.
В 1975 г. Мытищинский машиностроительный завод приступил
к изготовлению опытной партии вагонов серии «И» для метрополите-
нов (рис. 3.4). В конструкции вагонов для нагруженных деталей при-
менен сплав 1915 в виде профилей различной конфигурации, а сплав
Рнс. 3.3. Грузовые помещения ре-
фрижераторного вагона
Рис. 3.4. Вагон серии «И» для метрополитена
100
Таблица 3.3. Технические данные вагонов метрополитена
Тип в агона Максималь- ная скорость, км ч Масса вагона с пассажи- рами, т Масса кузова вагона, т Тара вагона, т Вмести- мость, человек
Еж81-714 Промежу- точный 90 53,65 17,65 31,65 270
Головной 90 56,2 17,9 — 277
«И» Промежу- точный 100 52,3 14 26,8 300
Головной 100 51,3 15 27,8 270
АМгб — в виде листов для обшивки кузовов. Вагон серии «И»
предназначен для скоростей движения до 100 км/ч. По техническим
и эксплуатационным характеристикам вагон новой серии лучше всех
ранее изготовленных. Некоторые сравнительные характеристики
вагонов приведены в табл, 3.3.
Опытные вагоны из алюминиевых сплавов проходят эксплуата-
ционную проверку на одной из линий Московского метрополитена.
Алюминиевые сплавы системы А1—Mg широко используют для
отделки пассажирского салона вагонов (раскладки, оконные и двер-
ные рамы и т. п.). Эти материалы нашли применение и для оформле-
ния и отделки станций метрополитенов вместо облицовки стен и не-
сущих колонн мрамором и гранитом, при этом профильный листовой
прокат перед монтажом подвергают декоративному анодированию.
Отделка сводов наклонных эскалаторных тоннелей алюминиевыми
конструкциями из гнутого профиля позволила одновременно решить
проблему гидроизоляционной защиты этих сооружений.
Однако опыт эксплуатации алюминиевых конструкций в метропо-
литенах показал и неэффективность их применения. Так, наличие
на наружной поверхности кузова вагона декоративной полосы из
алюминиевого сплава приводит к развитию контактной коррозии на
на этой поверхности; через 3 года эксплуатации на большинстве ва-
гонов возникают сквозные коррозионные поражения в районе де-
коративных полос. Значительному коррозионному поражению под-
вержены и алюминиевые конструкции, использованные для декора-
тивной отделки стен, колонн и др. даже при наличии на алюминиевой
поверхности анодной или оксидной пленки. Наиболее характерный
вид коррозионного поражения — питтинги и язвы.
В связи с этим был проведен дополнительный комплекс исследо-
ваний по определению коррозионных свойств алюминиевых сплавов
в воздушной и водной средах. Испытывали образцы из алюминиевых
сплавов марок ЛМгЗ, АМгб, 1915 и 1935.
Результаты показали, что при полном погружении образцов
в грунтовые воды коррозионные потери их по сравнению с потерями
при испытаниях в атмосфере оказались более чем в 10 раз выше.
На поверхности образцов из сплавов АМгЗ и АМгб наблюдается
образование точечной коррозии; глубина питтингов 0,1—0,25 мм.
При этом происходит снижение прочностных характеристик образ-
цов, особенно пластичности (до 40 %).
101
На поверхности образцов из сплава 1915 наблюдается образование
глубокой местной коррозии с расслоением (до 1,5 мм), а на сплаве
1935 — послойная коррозия.
Результаты этих испытаний показали, что в условиях повышенной
влажности и высокой концентрации минеральных солей в грунтовых
волах алюминиевые конструкции могут подвергаться сильному кор-
розионному поражению, особенно на участках значительного скоп-
ления влаги. Алюминиевые конструкции (вагоны метрополитенов,
отделочные станционные конструкции, арматура и пр.) в условиях
высокой концентрации ионов Cl-, SO;~ и других агрессивных хи-
мических соединений необходимо эксплуатировать с дополнительной
защитой.
Опыт изготовления и эксплуатации вагонов и других транспорт-
ных конструкций из алюминиевых сплавов показал их высокую на-
дежность в отношении коррозионной и абразивной стойкости. Од-
нако накопленные данные свидетельствуют и о том, что при разра-
ботке конструкций новых алюминиевых вагонов и их узлов необ-
ходимо всесторонне учитывать свойства применяемых сплавов и
их сварных соединений в условиях нагружений, характерных для
разрабатываемого узла.
Освоенные металлургической промышленностью прогрессивные
алюминиевые сплавы, обладающие высокими технологическими свой-
ствами и позволяющие изготовлять профили и панели необходимой
конфигурации и размеров, дают возможность получить дополнитель-
ный технико-экономический эффект от снижения массы грузовых и
пассажирских вагонов.
2. АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ В АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ1
Расширение применения алюминиевых сплавов в конструкциях ав-
томобилей обусловлено стремлением повысить их технико-эксплу-
атационные характеристики путем реализации преимуществ алюми-
ния перед такими традиционными материалами, как сталь и чугун.
Применение алюминиевых сплавов для изготовления ненагру-
женных элементов позволяет снизить их массу в 3 раза, а для несу-
щих конструкций — в 1,5—2 раза. Уменьшение собственной массы
автомобиля приводит к увеличению грузоподъемности, снижению
расхода топлива, износа шин и эксплуатационных расходов.
Высокая коррозионная стойкость алюминиевых сплавов позво-
ляет применять их для производства узлов и деталей, работающих
в условиях воздействия агрессивных сред. Алюминиевый прокат по-
лучил широкое применение для изготовления кузовов, цистерн,
обшивки автобусов и фургонов, а также значительной номенклатуры
навесных деталей (панелей дверей, крышек багажников, бамперов
и пр.). В ряде случаев такие детали применяют без предварительной
окраски.
1 Авторы: М. Д. Молчанов, В. А. Щеламов, Л. С. Скоблов, И. П. Эрлих, В. М. Бу-
саров,
102
Алюминиевые сплавы обладают высокой теплопроводностью в (3—
4 раза выше стали), что позволяет применять их для изготовления
таких теплопагруженных деталей, как поршни, головки и блоки ци-
линдров, тормозные колодки и др.
К одним из важнейших преимуществ алюминиевых сплавов сле-
дует отнести их технологичность. При производстве алюминиевого
литья можно применять высокопроизводительное оборудование, обе-
спечивающее получение высокоточных отливок с минимальными
припусками на механическую обработку (литье под низким и повы-
шенным давлением, точное литье и литье в кокиль). Механическая
обработка отливок не представляет значительных затруднений.
Допускается транспортировка жидкого металла с металлургических
на литейные заводы, что обеспечивает существенную экономию
электроэнергии и топлива.
Автомобильная промышленность — один из основных потреби-
телей алюминия и его сплавов. Объем потребления возрастает не
только вследствие увеличения выпуска автомобилей, но и в резуль-
тате повышения расхода сплавов на единицу продукции. Вместе с тем
расширению применения алюминия в отечественном автомобилестро-
ении препятствуют высокая стоимость (по сравнению со сталью и
чугуном), конкурирующие отрасли промышленности и пр.
Расчеты показывают, что высокая стоимость алюминия и исполь-
зование высокопроизводительного, но дорогого оборудования для
литья полностью окупаются и дают значительный экономический
эффект при организации крупносерийного производства на заводах
автомобильной промышленности. Поэтому в настоящее время алю-
миниевые сплавы широко используют для изготовления деталей дви-
гателей и автомобилей.
Существующий дефицит первичного алюминия вызывает необ-
ходимость подробного изучения возможных путей более рациональ-
ного и экономного его использования. Наиболее эффективный путь
решения этой задачи — расширение применения при производстве
деталей из алюминиевых сплавов вторичного сырья. Прежде всего
это относится к замене ряда первичных сплавов вторичными и непо-
средственному их применению для изготовления деталей. Представ-
ляется также целесообразным проведение работ по унификации ли-
тейных алюминиевых сплавов, применяемых в различных отраслях
народного хозяйства, с целью установления оптимального легиру-
ющего комплекса, позволяющего снизить расход дефицитных цвет-
ных металлов.
Указанные направления, естественно, не исчерпывают весь пере-
чень мероприятий, который позволит обеспечить эффективное сни-
жение расхода первичного алюминия.
Выпускаемые заводами Вторцветмета серийные сплавы имеют
широкие интервалы содержания основных компонентов, практически
нерегламентированное содержание примесей, газов и неметалличе-
ских включений. Применение таких сплавов не может обеспечить
требуемое качество литья. Разработка технологических процессов,
позволяющих выплавлять вторичные сплавы в пределах первичных
103
аналогов по ГОСТ 2685—75, позволит организовать централизо-
ванное производство сплавов в чушках без разделения их на пер-
вичные и вторичные. Учитывая изложенное, в автомобильной промыш-
ленности проводят работы по созданию высококачественных литей-
ных сплавов с оптимизированным легирующим комплексом и рас-
ширенными пределами содержания примесей, позволяющими ис-
пользовать при выплавке сплавов сырьевые запасы заводов Втор-
цветмета, переплава стружки, низкосортных силуминов и алюминия.
Совместные работы предприятий Минавтопрома и Мпнцветмета
СССР позволили создать ряд марок литейных алюминиевых сплавов
(АРДС, АК12М2р, АК9М2а и переплавы алюминиевой стружки раз-
личных марок), которые по металлургическому качеству, уровню
физико-механических свойств и технологичности приближаются
к первичным аналогам. В структуре потребления литейных вторич-
ных алюминиевых сплавов объем применения новых высококачест-
венных сплавов достигает в настоящее время более 30 % (22 %
в 1976 г.).
Применение в автомобильной промышленности алюминиевых де-
формируемых вторичных сплавов типа ВД1, ДМГ, АКМ, В95-2
также представляется перспективным с точки зрения экономии пер-
вичного алюминия. Так, при приготовлении 1 т вторичного сплава
ВД1 экономится 460 кг чушкового первичного алюминия.
Вторичные алюминиевые деформируемые сплавы в основном
в виде листа можно успешно применять в качестве обшивочного ма-
териала фургонов, рефрижераторов, автобусов и пр., т. е. там, где
не применяют при изготовлении детали глубокую вытяжку. В то
же время повышение пластических характеристик полуфабрикатов
из этих сплавов позволило бы существенно увеличить объемы их
применения.
Рассмотрим основные области применения алюминиевых сплавов
в автомобильной технике.
Литейные сплавы
Применение алюминиевых сплавов тех или иных марок для блоков
цилиндров зависит от размеров двигателя и технологии литья.
По зарубежным данным, вполне работоспособны блоки, отлитые из
заэвтектических силуминов, однако в большинстве случаев приме-
няют блоки с чущ иными гильзами — сухими (залитыми или встав-
ными) и мокрыми. Дтя карбюраторных двигателей сравнительно
небольших размеров используют литье под давлением из сплавов
типа АЛ4. Для более тяжелых двигателей, в том числе дизельных,
алюминиевые сплавы в качестве материала блока не применяют, так
как использование тонкостенного литья из высокопрочного чугуна
обеспечивает требуемые весовые характеристики. Алюминиевые
блоки применяют без термообработки или подвергают низкотемпе-
ратурному отжигу.
Головки блоков цилиндров для двигателей с верхним расположе-
нием клапанов, получивших широкое распространение, отливают из
алюминиевых сплавов и чугуна. Головки блоков обычно изготавли-
104
вают отдельно на каждый цилиндр или блок цилиндров. При этом
обеспечивается проблема разного термического расширения чугун-
ного блока и алюминиевых головок, но в этом случае необходимы
скользящие соединения газовых и водяных патрубков. Алюминиевые
головки способствуют получению более низкой температуры камеры
сгорания и, следовательно, меньшей склонности к детонации, сни-
жению температуры клапанов и свечей. С целью уменьшения износа
седла клапанов направляющие втулки в алюминиевых головках
изготовляют стальными. Блоки цилиндров, головки блока и другие
детали двигателей рекомендуется анодировать для повышения кор-
розионной стойкости. Для отливки головок блоков применяют сплавы
типа АЛ5, АЛ4, АК4М2Ц6 и АК6М2 (ОСТ 48-178—80). Для голо-
вок цилиндров дизельных двигателей воздушного охлаждения реко-
мендуется новый сплав марки АМг4К1, 5М1 (ТУ 48-0108-28'0—83).
Режимы и виды термической обработки головок блоков чрезвычайно
разнообразны, в отдельных случаях допускается применение деталей
в литом состоянии. Головки блоков изготавливают литьем в кокиль.
Поршни автомобильных двигателей изготавливают главным об-
разом из алюминиевых сплавов, так как их малая масса приводит
к уменьшению инерционных сил, а высокая теплопроводность —
к уменьшению температуры камеры сгорания. Обычно поршни от-
ливают в кокиль, но применяют также кованые и штампованные пор-
шни. Последние имеют повышенную усталостную прочность, но они
более дорогие и при рабочих температурах более 280 °C имеют мень-
шую жаропрочность по сравнению с литыми.
Поршни карбюраторных двигателей отливают из сплавов типа
АЛЗО, АЛ25 и АКЮМ2Н (ОСТ 48-178—80), а дизельных — из
заэвтектических легированных силуминов типа АК21М2, 5Н2,5 и
АК18 (ТУ 48-26-43—77). Поршни подвергают термической обрабо-
тке — искусственному старению или стабилизирующему отжигу,
реже закалке и искусственному старению. Поршни, подвергнутые
закалке и искусственно состаренные, обладают высокими механи-
ческими свойствами, однако при длительном воздействии высоких
температур в процессе эксплуатации двигателей они разупрочняю-
тся в большей степени, чем незакаленные поршни. Для предотвра-
щения заклинивания поршня и уменьшения шума двигателя зазор
между поршнем и цилиндром должен на всех режимах поддержи-
ваться на одном уровне. Это обеспечивается прорезями в юбке по-
ршня и стальными вставками в зоне бобышек под поршневой палец,
препятствующими чрезмерному расширению поршня. Верхнее комп-
рессионное кольцо работает при высоких температурах, и для предот-
вращения износа его канавки применяют чугунные и стальные
вставки.
Из алюминиевых сплавов изготавливают и другие детали двига-
телей: трубы впускные, картеры рулевого управления, картеры
сцепления и др., отливаемые в кокиль из сплавов типа АЛ4 или
АК9 (ОСТ 48-178—80); термостаты, водяные насосы, отливаемые
под давлением из сплава АЛ4. Литьем под давлением изготавливают
также корпуса карбюратора, дросселя, распределителя, топлив-
105
ного и масляного насосов и др. Диапазон применяемых сплавов
также достаточно широк. Используют сплавы типа АК12М2
(ОСТ 48-178—80), АК9С и АК9М2а (ТУ 48-3606-8/0—82). Значи-
тельную номенклатуру деталей электроаппаратуры отливают под
давлением из сплавов типа АЛ2 и АК12М2р (ТУ 48.26.48—78).
Наиболее характерные примеры применения литейных алюмини-
евых сплавов в конструкциях двигателей приводятся ниже.
Блоки У-образных двигателей ГАЗ-53 и ГАЗ-66 изготавливают
из сплава АЛ4 литьем под давлением. Минимальная толщина стенки
составляет 4,5 мм, масса отливки 29 кг и полностью механически
обработанного блока 26 кг. Двигатель ГАЗ-24 имеет блок цилинд-
ров из сплава АЛ4 массой 17 кг.
Головки двигателей автомобилей ВАЗа отливают в кокиль из
сплава АК6М2, трубы впускные — из сплава АК9. Методом литья
под давлением изготавливают корпуса масляного насоса и ряд
других деталей.
Четырехцилиндровый блок двигателя английской фирмы «Hill-
man» получают литьем под низким давлением из сплава типа АЛ4.
Крышки коренных подшипников изготавливают литьем под давле-
нием из сплава, содержащего 9 % Si и 3 % Си. Головку блока ци-
линдров отливают из сплава типа АЛ6 в кокиль. Методом литья
под давлением отливают переднюю крышку с водяным насосом,
крышку клапанной коробки, секцию толкателей и выпускную трубу.
Восьмицилиндровый У-образный двигатель английского автомобиля
Rover целиком изготовлен из алюминиевых сплавов. Блок цилинд-
ров отливают из сплава М25 в землю, головку — под давлением.
Двигатель «Peugeot-204» (Франция) с алюминиевым блоком и го-
ловкой цилиндров поперечного расположения смонтирован в блоке
с коробкой передач. Масса силового агрегата составляет 125 кг.
Алюминиевый блок цилиндров двигателя «Renault-16» отливают под
давлением. Одновременно из алюминиевых сплавов изготавливают
головку и ряд других делалей. Масса двигателя 92 кг. Картер колен-
чатого вала У-образного двигателя воздушного охлаждения «Tat-
га-603» отливают из сплава типа АЛ4. Головки на каждый цилиндр
отливают в кокиль из сплава типа АЛ 13. Американский шестицилин-
дровый двигатель воздушного охлаждения «Chevrolet-Corvair» из-
готавливают из алюминиевых сплавов методом литья под низким дав-
лением. Алюминиевая головка выполнена общей на каждые три
цилиндра. Блок шестицилиндрового двигателя «Rumbier» (США),
отлитый под давлением из алюминиевого сплава, весит вместе с за-
литыми чугунными гильзами 30,5 кг.
Оценивая применение литейных алюминиевых сплавов в кон-
струкциях шасси и кузовов, следует прежде всего отметить изготов-
ление коробок передач, главным образом в легковых авто-
мобилях.
Неавтоматические коробки передач отливают в кокиль и под
давлением из сплава типа АЛ4. Картеры автоматических коробок
передач более приспособлены для литья под давлением, что обусло-
вливает более широкое применение алюминиевых сплавов для этих
106
Целей. При этом обеспечивается более высокая точность отливок и
значительное снижение механической обработки. Для уменьшения
теплового расширения картера практикуют применение стальных
вставок.
Картер сцепления для легковых автомобилей, как правило, отли-
вают под давлением как одно целое с картером коробки передач из
сплава типа ЛЛ4. Картер сцепления для грузовых автомобилей от-
ливают в комбинированные формы или в кокиль из сплавов типа
АЛ4 и АЛ9.
Из сплавов типа АК9С и АК9М2а изготавливают литьем под
давлением тормозные колодки,картер рулевого управления, корпус
фильтра очистки масла, картеры мостов легковых автомобилей.
В кокиль отливают кронштейны опор подвески и реактивные штанги.
В настоящее время осваивается производство колес легковых
автомобилей литьем в кокиль и с противодавлением из сплава типа
АЛ4. В ряде случаев для этих целей применяют ковку из сплава типа
АДЗЗ или литье в кокиль из сплава типа АЛ9. Для придания декора-
тивного вида колеса анодируют, хромируют или окрашивают. Кон-
струкция колес должна обеспечивать достаточную их прочность,
чтобы исключить повреждения при монтаже шин и при наезде на
бортовой камень.
Высокие теплопроводность и удельная теплоемкость алюминие-
вых сплавов способствуют применению их для отливки тормозных
барабанов. При этом значительно увеличивается долговечность
тормозных накладок. Тормозные барабаны отливаются в кокиль
из сплавов типа АЛ9 и АЛ1, а иногда — под давлением. На рабочих
поверхностях тормозных барабанов применяют чугунные вставки
для увеличения износостойкости. В частности, на ВАЗе применяют
литье под давлением из сплава АК12М2.
Тормозные цилиндры штампуют из сплава АД31 или отливают
в кокиль из сплавов типа АК6М2. Основное преимущество алюми-
ниевых сплавов в данном случае — стойкость к коррозионному воз-
действию тормозной жидкости. Алюминиевые поршни тормозных
цилиндров анодируют для увеличения износостойкости.
Ряд деталей двигателей, шасси и кузова отливают из вторичных
сплавов типа АК5М7, АК4М4, АК5М2, АК7, АК12М2р, АК4М2Ц6
и АК9М2а.
Вторичные сплавы АК9С, АК12М2р и в отдельных случаях АК7,
включая переплав алюминиевой стружки, применяют для подших-
товки при выплавке первичных сплавов.
Деформируемые сплавы
Собственно алюминиевый прокат, в основном прессованные профили
и лист, давно используют в автобусо- и троллейбусостроении, для ва-
гонов метрополитена и т. д. как обшивочный материал и для отделки
салонов. В развитых капиталистических странах и ряде социалисти-
ческих стран алюминиевый прокат получил широкое распростране-
ние в конструкциях других видов автотранспортных средств для
изготовления несущих и ограждающих элементов.
107
Наиболее перспективно внедрение алюминиевого проката вместо
стального для изготовления бортовых платформ грузовых автомоби-
лей, прицепов и полуприцепов. Эта замена позволяет существенно
снизить собственную массу платформы и тем самым повысить ее гру-
зоподъемность, дать существенную экономию горючесмазочных ма-
териалов при холостом пробеге автомобиля или неполной его за-
грузке, снизить трудоемкость сборки платформы на автомобильном
заводе, ликвидировать периодическую окраску стальных или дере-
вянных бортов, обеспечить сравнительно простую в условиях эк-
сплуатации замену поврежденных элементов кузова новыми. По-
мимо этого, эксплуатационная долговечность алюминиевой плат-
формы не менее чем в два раза выше, чем стальной, благодаря более
высокой коррозионной стойкости алюминия и способности его вы-
держивать повышенные изгибающие нагрузки без остаточных де-
формаций и поломок, что особенно важно при эксплуатации на пло-
хих дорогах.
Единственно правильным при изготовлении бортовых платформ
является применение прессованных профилей, сочлененных друг
с другом и соединенных болтовым или замковым элементом. Преи-
мущество составных бортов из прессованных профилей заключается
еще и в том, что набором одних и тех же профилей можно получать
различную высоту борта в зависимости от условий эксплуатации.
Для полуприцепа МАЗ-9397 используют всего четыре типа прес-
сованных профилей, из которых изготавливают борта и для других
моделей ПО «БелавтоМАЗ» (рис. 3.5). Применение этих профилей
позволило снизить массу бортов на ~20 % по сравнению со сталь-
ными. За счет меньшей, чем у стального, толщины борта рабочая ши-
рина платформы увеличена на 55 мм (рис. 3.6) и тем самым технико-
эксплуатационные характеристики ее доведены до требований миро-
вых стандартов, предписывающих установку стандартных грузовых
поддонов и контейнеров в два ряда. В результате обеспечивается
полная загрузка платформы. В настоящее время значительно сни-
Рис. 3.5. Автомобиль МАЗ с алюминиевыми бортами платформы
108
зился импорт полуприцепов «Сов-
трансавто».
Для решетки каркаса тента плат-
форм «Совтрансавто» используют еще
один тип прессованного или гнутого
алюминиевого профиля.
Для автопоезда КамАЗ-53212 с
прицепом СЗАП-8352 используют
16типоразмеров профилей. Здесь кон-
структоры по возможности отказа-
лись от болтовых соединений и ис-
пользуют замковые соединения с при-
менением закатки. Применение зна-
чительно большего количества
профилей, чем для моделей МАЗ,
объясняется тем, что это цельноалю-
миниевые бортовые платформы. Прес-
сованные профили используют также
Рис. 3.6. Сечения стального (слева) и
алюминиевого (сплава) бортов плат-
формы полуприцепа МАЗ-9397
для настила пола и каркаса тента. Грузоподъемность такого авто-
поезда больше на 1000 кг. Годовая эффективность от применения
автопоезда с алюминиевыми платформами благодаря повышению
грузоподъемности и экономии горючесмазочных материалов и резины
составляет 1650 руб.
Основными сплавами, применяемыми для изготовления прессо-
ванных профилей для бортовых платформ, являются сплавы АД31
в состоянии Т1 (закаленное и искусственно состаренное) системы
А1—Mg—Si и 1935 системы А1—Mg—Zn. Поставка профилей про-
изводится по ГОСТ 8617—81.
Аналогичными преимуществами обладают самосвальные плат-
формы, изготовленные из алюминиевых профилей. Профили в этом
случае отличаются большей массивностью, прежде всего вследствие
большей толщины стенок и полок. Для их изготовления применяют
сплавы 1935 или 1915, более прочные, чем сплав АД31Т1. Так,
в конструкции самосвального автопоезда ЗИЛ—1ММЗ-—554+
+ГКБ—819 для перевозки незатаренных минеральных удобрений
предусмотрено использование четырех типов профилей для бортов.
Дно платформы выполняется из листа сплава АМг5. Суммарное сни-
жение массы автопоезда составляет в сравнении со стальными плат-
формами 500 кг. Ранее предполагалось изготавливать такие плат-
формы сварными. Однако большая трудоемкость сварочных работ
(длина швов на одной платформе около 120 м) и невозможность ре-
монтных работ в условиях эксплуатации заставили разработать
сборную конструкцию, которая и принята к производству.
Перспективно применение алюминиевого проката в конструк-
циях полуприцепов и автомобилей-фургонов, рефрижераторов и ско-
товозов. Это касается снижения собственной массы автотранспорт-
ных средств, повышения культуры перевозки пищевых продуктов,
эстетического вида самих автотранспортных средств, повышения
их эксплуатационных характеристик и пр. Для этих моделей ха-
109
Рнс. 3.7. Полуприцеп-рефри-
жератор Од АЗ-9772 грузоподъ-
емностью 11,5 тс алюминиевым
кузовом
рактерно применение унифицированных профилей. Для примера
в конструкции полуприцепов-рефрижераторов ОдАЗ-9772 (рис. 3.7)
грузоподъемностью 11,5 т и ОдАЗ-9786 грузоподъемностью 22 т
для перевозки скоропортящихся продуктов предусмотрено при-
менение прессованных профилей для каркаса боковых и торцовых
стенок, крыши кузова и настила пола, грузонесущего устройства
из сплавов АД31 и 1915. Наружная обшивка выполняется из гоф-
рированного алюминиевого листа сплава ВД1, а внутренняя — из
листа сплава АМг2, допущенного Минздравом СССР к контакту с пи-
щевыми продуктами. В основном эти же профили и обшивочный
материал предусмотрены в конструкциях фургонов и скотовозов.
Наибольший экономический, технический и экологический эф-
фекты дает применение алюминиевого проката, в основном листа из
сплава АМг5, а также прессованных профилей из сплава 1915 для
изготовления полуприцепов-цистерн для перевозки нефтепродук-
тов и воды. Здесь к уже перечисленным достоинствам — снижение
массы и повышение грузоподъемности на 10—15 %, экономия горю-
чесмазочных материалов, снижение общей трудоемкости изготовле-
ния цистерны, повышение ее долговечности -— прибавляются такие
немаловажные преимущества, как отсутствие необходимости работы
в замкнутом пространстве при нанесении антикоррозионного цин-
кового покрытия на внутреннюю поверхность стальной цистерны,
большая безопасность эксплуатации вследствие отсутствия у алюми-
ния опасности искрообразования и его большего сопротивления ме-
ханическим воздействиям без разрушения, высокая солнцеотража-
тельная способность алюминия, что понижает температуру жид-
кости. Это особенно важно при перевозке нефтепродуктов, так как
уменьшает их потери от испарения и предотвращает загрязнение
окружающей среды. Расчет, проведенный для полуприцепа-цистерны
объемом более 10 тыс. л, показал, что, выполненная из алюминия,
она дает в год экономический эффект более 5000 руб.
Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о перспектив-
ности применения алюминиевого проката для изготовления навес-
ных деталей, бамперов, радиаторов охлаждения и отопителей лег-
ковых автомобилей. Применение 1 кг алюминиевого проката в лег-
ковом автомобилестроении позволяет заменить 2,2 кг стального
проката. Помимо этого, общее снижение массы кузова позволяет
уменьшить массу шасси, что дает косвенное снижение массы автоио-
по
биля еще на 0,5 кг на каждый 1 кг использованного проката. Таким
образом, наблюдается существенное снижение расхода высокока-
чественного топлива.
Наиболее целесообразна замена таких стальных деталей, как
крышки капота и багажника, кожух вентилятора, крышки лючков,
окантовка окон, бензобаки, декоративные элементы и пр. Основная
трудность заключается в том, что почти все эти детали получают
методом листовой штамповки зачастую с глубокой вытяжкой, и требу-
ется проведение значительных исследовательских работ по опреде-
лению геометрии штампового инструмента и выбору сплава, облада-
ющего удовлетворительными технологическими свойствами. В на-
стоящее время для изготовления некоторых деталей, например
кожуха вентилятора автомобиля УАЗ-452, применяют сплав АМгЗ
в отожженном состоянии.
Другими факторами, сдерживающими внедрение алюминиевого
проката для изготовления навеснь/Х деталей, является необходимость
переоборудования сварочных агрегатов для точечной сварки, так
как требуются машины втрое большей мощности, чем для сварки
стальных деталей (при этом стойкость электродов из-за заалюмини-
рования низкая), а также организация окраски алюминиевых деталей
в одном потоке со стальными, в то время как технология окраски
алюминиевых и стальных деталей различны.
Бамперы — одна из первых алюминиевых деталей автомобиля,
внедренных в СССР после начала широкой кампании по применению
алюминиевого проката в конструкции легкового автомобиля. В на-
стоящее время автомобили ВАЗа — «Нива», ВАЗ-2105, ВАЗ-21061
оснащены алюминиевыми бамперами из прессованного профиля.
Для них использован сплав средней прочности 1915. Объем внедре-
ния составляет сейчас около 3000 т профилей в год. Экономия массы
по сравнению со стальным бампером на автомобиле ВАЗ-2105 со-
ставляет около 14 %. Основными направлениями дальнейшего рас-
ширения внедрения алюминиевого проката для изготовления бам-
перов являются:
освоение новых марок алюминиевых сплавов, обладающих луч-
шей декоративностью, чем сплавы типа 1915. В стадии опробования
находятся бамперы из нового сплава 01320 системы А1—Mg'—Si,
который дает лучшее качество поверхности и после прессования,
и после анодирования. Коррозионная стойкость профилей из этого
сплава выше, чем из сплава 1915. Преимуществом этого сплава
является также то, что он не требует применения первичного алюми-
ния высокой чистоты. Все бамперные сплавы США и Западной Ев-
ропы изготавливают на основе высокочистого алюминия с низким
содержанием примесей железа и кремния (менее 0,1 %);
использование прессованного профиля из сплава 1915 в качестве
лонжерона пластмассового бампера. Такой бампер предполагается
установить на «Москвиче—2141»;
применение алюминиевого бампера для грузовых автомобилей.
Здесь может быть использован прессованный или гш тый из листа
профиль швеллерного сечения.
Ill
В последнее время широкое распространение получили алюминие-
вые радиаторы. Для охлаждения масла уже давно применяют ореб-
ренные алюминиевые радиаторы, получаемые накаткой алюминие-
вой трубы сплава АМц. Для охлаждения воды и отопителей имеются
две конструкции алюминиевых радиаторов. Первая конструкция —
сборные радиаторы. Охлаждающие пластины изготавливают из алю-
миниевой фольги толщиной 0,1 мм. Через пластины проходят
алюминиевые трубки диаметром 8 мм с толщиной стенки 0,5 мм из
сплава АМц. Механическая связь между пластинами и трубками
осуществляется с помощью дорнования трубок после сборки компле-
кта. Использование сборных алюминиевых радиаторов дает ощути-
мое снижение массы радиатора. Масса сборного радиатора 3,5 кг,
масса замененного им меднолатунного 6,5 кг. Сборные алюминиевые
радиаторы будут установлены на автомобиле ВАЗ-2108 с постепен-
ным переводом всех моделей ВАЗ на эти радиаторы.
Вторая конструкция — паяные алюминиевые радиаторы. Для
их изготовления используют алюминиевые трубки сплава АМц и пла-
кированную силумином ленту из сплава АМц (АМцПС) толщиной
0,3 мм. Собранный комплект помешают в печь, где при определенной
температуре начинается плавление силуминовой плакировки, кото-
рая и служит припоем. Применение паяных алю .шниевых радиато-
ров, помимо экономии тяжелых цветных металлов и стального про-
ката, обеспечивает в ряде случаев повышение эксплуатационных
характеристик, поскольку эти радиаторы могут работать при более
высоких температурах (температура плавления силумина около
570 °C, а оловянно-свинцового припоя — около 300 °C). Однако масса
паяного алюминиевого радиатора только немного (на 10—15 %)
легче аналогичного по теплофизическим характеристикам меднола-
тунного радиатора. Освоение производства сварных труб из плаки-
рованного силумином материала позволит применять для охлажда-
ющих пластин алюминиевую неплакированную фольгу толщиной
0,1—0,12 мм, благодаря чему существенно снизится масса паяных
алюминиевых радиаторов.
Глава 4
ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В КОНСТРУКЦИЯХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ1
1. ПОСТРОЙКА ПЕРВЫХ ЦЕЛЬНОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ САМОЛЕТОВ
ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
До начала 20-х годов основными конструкционными материалами
в авиастроении были древесина, авиационная фанера и полотно.
Материалами, которые начали конкурировать с древесиной, яви-
лись алюминиевые сплавы.
1 Авторы: И. Н. Фридляндер, | А. Т. Туманов. |
112
Рис. 4.1. Самолет АНТ-1:
а — общий вид; б - кар-
кас самолета из кольчуг-
алюминия
В 1922 г. на Кольчугинском заводе, впервые в Советском Союзе,
начали производство алюминиевого сплава, названного кольчугалю-
минием. Сплав выпускали в виде различных полуфабрикатов: лис-
тов, гофрированных листов, профилей, труб.
Сплав кольчугалюминий отличался от немецкого дуралюмина
содержанием никеля и несколько другим соотношением меди и мар-
ганца. По механическим свойствам он не уступал немецкому сплаву.
Листы кольчугалюминия толщиной более 0,3 мм имели предел проч-
ности 400 МПа (первый сорт) и 380—360 МПа (второй и третий сорта).
В 1923 г. алюминиевые сплавы были применены в легком спор-
тивном самолете АНТ-1, названном так в честь его конструктора
А. Н. Туполева (рис. 4.1). Конструкция самолета была смешанной:
из дерева и алюминиевых сплавов. Из алюминиевых сплавов были
изготовлены нервюры крыла, фюзеляж и оперенье [1—51.
Первым советским цельнометаллическим самолетом был самолет
АНТ-2 (рис. 4.2). Его крыло с толстым профилем имело два лонже-
рона, соединенных с 13-ферменными нервюрами, и было покрыто
гофрированными листами из кольчугалюминия: крепилось оно че-
тырьмя болтами к верхним лонжеронам сравнительно высокого
и узкого фюзеляжа, имевшего почти трехгранную форму. Панели
с гофрированной обшивкой, подкрепленные с внутренней стороны
алюминиевыми профилями, работали на сдвиг, обеспечивая высокую
жесткость крыла на кручение. Гофрированная обшивка при невы-
соких скоростях полета практически не влияла на аэродинамику
самолета.
По весовым характеристикам АНТ-2 превосходил аналогичный
немецкий самолет Юнкере Г-132.
В 1924 г. из кольчугалюминия был построен тяжелый цельноме-
таллический моноплан АНТ-4. На одном из самолетов этого типа,
названном «Страна Советов», был совершен в 1929 г. первый полет
из Москвы в Нью-Йорк. Главное новшество данного самолета —
свободнонесущее пятилонжеронное крыло с гофрированной обшив-
кой и толстым профилем [1—41.
113
Рнс. 4.2. Самолет АНТ-2:
а — обший вид; б — хвостовая часть фюзеляжа из
кольчугалюминия
В дальнейшем гофрированная наружная поверхность стала непри-
годной для скоростных самолетов, назрела необходимость заменить
ее гладкой. Гладкую обшивку надо было подкрепить шпангоутами,
нервюрами и стрингерами. Толщина обшивки требовалась большая,
поэтому масса 1 м2 крыла возросла и крыло стало иметь меньшие раз-
меры при той же массе самолета и соответственно большей скоро-
сти [4 j.
Гладкую обшивку крыльев и фюзеляжа самолетов стали приме-
нять с 1934 г. (самолет СБ конструкции А. Н. Туполева, самолет
ДБ-3 конструкции С. В. Ильюшина и др.) [5, 6].
Развитие алюминиевой промышленности создало предпосылки для
широкого внедрения высокопрочных и жаропрочных алюминиевых
сплавов в дозвуковых и сверхзвуковых самолетах, в ракетах и верто-
летах. Были разработаны новые алюминиевые сплавы с повышен-
ными характеристиками и освоены новые виды полуфабрикатов, что
позволило создать эффективные конструкции летательных аппара-
тов, стоящих на уровне современной техники [7—11].
Для самолетов и вертолетов, выполненных из алюминиевых спла-
вов, характерны в основном клепаные и болтовые соединения, неко-
торое применение находит точечная сварка. В самолете АН-24 фю-
зеляж выполнен с помощью клеесварных соединений. Ракеты, как
правило, изготавливают сваркой плавлением, что, естественно, вли-
яет на химический состав и характеристики применяемых сплавов.
2. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К АЛЮМИНИЕВЫМ СПЛАВАМ
В самолето- и вертолетостроении алюминиевые сплавы широко
применяют для планера, шасси, колес, лопастей воздушных винтов,
внутренней отделки, в приборах, в наземном и испытательном обо-
рудовании; больше всего (60—90 %) алюминиевые сплавы приме-
няют в планере вертолетов и самолетов, летающих со скоростью до
2500 км/ч.
114
При большей скорости полета самолетов и длительной эксплуата-
ции алюминиевые сплавы из-за сильного аэродинамического нагрева
раз} прочняются и их приходится заменять титановыми сплавами
и сталями.
Из алюминиевых сплавов изготовляют также жидкостные и твер-
дотопливные ракеты различных габаритов, спутники.
В зависимости от типа конструкции к алюминиевым сплавам,
применяемым в современных летательных аппаратах, предъявля-
ется тот или иной комплекс требований. Алюминиевые сплавы, при-
меняемые в негреющихся конструкциях, должны обладать высокими
статическими прочностными характеристиками (временным сопро-
тивлением пределом текучести, сопротивлением срезу) и удовлетво-
рительной пластичностью, малой плотностью.
Максимальную прочность (650—750 МПа) имеют полуфабрикаты
из сплавов типа В96 и минимальную плотность алюминиевые сплавы
с литием и сплавы с бериллием.
Высокий предел текучести сплавов дает особенно значительный
выигрыш при работе конструкции на сжатие. Однако излишняя бли-
зость величин предела текучести и временного сопротивления за-
трудняет изготовление деталей и полуфабрикатов, например их
правку, гибку ит. п., поэтому иногда такое сочетание прочностных
свойств в сплаве нежелательно.
Представление об удовлетворительной пластичности сплавов
(определяемой на практике в основном по относительному удлинению
и поперечному сужению) изменилось. Если ранее считалась обяза-
тельной средняя величина относительного удлинения продольных
образцов порядка 12—20 %, то позднее в связи с разработкой более
прочных и менее пластичных сплавов типа В95, В93, В96 эта вели-
чина снизилась до 8—12 %. Вместе с тем минимальное гарантируемое
относительное удлинение было снижено с 10 до 6 % для прессован-
ных полуфабрикатов и с 13—15 до 6—7 % для листов.
Опыт показал, что при такой пластичности сплавов конструкции
работают удовлетворительно в том случае, если устранены местные
значительные ослабления сечений и резкие концентрации напряже-
ний, а также приняты специальные меры предосторожности при из-
готовлении деталей и сборке конструкций.
Для последних лет характерно увеличение габаритов деталей,
усложнение их формы, изготовление монолитных узлов. В связи
с этим большое значение приобрели свойства, особенно пластич-
ность, определяемые в поперечном направлении, в том числе в на-
правлении по толщине полуфабрикатов.
Опыт массового применения высокопрочных алюминиевых спла-
вов показывает, что среднее относительное удлинение образцов, вы-
резанных по ширине и толщине детали, желательно поддерживать
на уровне 4 -6 %, минимальное гарантируемое относительное удли-
нение не должно быть ниже 3-—4 %. В отдельных случаях допуска-
ется относительное удлинение по высоте полуфабрикатов, равное
2 %, при условии, что поперечные нагрузки в этом направлении
115
составляют незначительную часть продольных нагрузок. Однако
большого опыта по применению деталей с относительным удлинением
в высотном направлении, равном 2 "и, еще не накоплено, поэтому
нельзя сделать окончательных выводов о том, насколько приемлема
такая величина.
Достаточно высокие свойства в поперечном направлении, сссбенно
пластичность, обеспечиваются не только изменением химического
состава сплавов, но и 'улучшением технологии прощводства полу-
фабрикатов, в частности применением подпрессованных или кованых
заготовок, а также регулированием содержания примесей (главным
образе»! железа и кремния). В сплаве очень важна правильная ориен-
тировка волокон относительно действующих нагрузок. Волокна
должны располагаться таким образом, чтобы исключить действие зна-
чительных нагрузок в перпендикулярном к волокнам направлении.
Для ряда деталей и узлов важна повышенная жесткость матери-
ала, т. е. высокий модуль упругости и модуль сдвига. Это в значи-
тельной степени относится к деталям оперения самолетов, межбако,-
вым и носовым частям ракет, а также к другим элементам конструк-
ций, работающим на продольную устойчивость. Однако повысить
модуль упругости алюминиевых сплавов без существенного изме-
нения их основы очень трудно.
Повышенный модуль упругости имеют алюминиевые сплавы сои-
тием, и особенно сплавы типа АБМ. Так, у сплавов АБМ1 и АБМЗ
модуль упругости соответственно равен 135000 и 220000 Л1Па. Вы-
сокий модуль упругости имеют металлические композиционные мате-
риалы типа алюминий — бор и алюминий — волокна С и SiC.
Большое значение приобретает поведение сплавов при длительней
эксплуатации. Важной характеристикой алюминиевых сплавов,
особенно высокопрочных, является их статическая выносливость —
стойкость при приложении нагрузок небольшой частоты и усталост-
ная прочность. Установлено, что медленные повторные нагрузки
в случае высокопрочных алюминиевых сплавов приводят к более
интенсивному разрушению материала, чем быстро меняющиеся [10,
12, 131. При изготовлении ответственных изделий, особенно изделий
из новых марок сплавов, все полуфабрикаты подвергают соответству-
ющей проверке.
Статическую выносливость сплава можно существенно повысить,
если правильно подобрать технологию производства полуфабрика-
тов. Чем прочнее сплав, тем в большей мере усложняется техноло-
гический процесс, обеспечивающий достаточно высокий уровень ста-
тической выносливости.
Сплавы, предназначенные для конструкций, испытывающих виб-
рационные нагрузки (лопасти воздушных винтов и винтов вертоле-
тов и другие детали вертолетов и самолетов), должны иметь высокий
предел выносливости при испытании гладких и надрезанных об-
разцов. Необходимо при этом иметь в виду, что при испытаниях на
статическую выносливость и вибрационную прочность на поведе-
ние сплава влияют масштабный фактор и различные факторы тех-
нологического характера.
116
Таблица 4.1. Характер и чисто повторных нагрузок, испытываемых
пассажирскими реактивными самолетами за 1000 ч налета
Вид нагрузки Число циклов нагрузки за 1000 ч налета Частота нагружения f, кол с Коэффициент нагрузки кон- струкции k
Маневры Порывы Неспокойного (1—5) 103 5—20 раз за полет 0,10—0,70
воздуха (1—1,5) 106 0,3—5,0 0,05—0,70
Неровности аэродрома Колебание частей кон- (1—5) 105 1—5 0,05—0,70
струкции (0,7—5) 107 20 0,01—0,05
Двигательные вибрации (0,7—3) 10® 20—100 0,005—0,02
Акустические вибрации (0,5—50) 109 100—10 000 0,001—0,01
Давление в кабине . . (2—10) 102 1 раз за полет 0,2—0,4
Окончательную оценку сплава и конструкции с точки зрения ста-
тической выносливости и вибрационной прочности могут дать только
натурные испытания (испытания узлов и целых конструкций). Кроме
того испытания отдельных полуфабрикатов должны быть достаточно
массовыми, чтобы можно было учесть разброс, результатов. При
определении вибрационной прочности сплава этот разброс может
быть больше, чем при проведении статических испытаний. Наиболее
эффективный метод повышения статической выносливости и предела
усталости — дополнительное упрочнение поверхности детали, на-
пример обкатка роликами, обдувка дробью, гидроабразивная об-
работка и пр.
На конструкцию при эксплуатации воздействуют переменные на-
грузки с различной частотой. Данные о характере и числе повтор-
ных нагрузок, испытываемых самолетами, приведены в табл. 4.1
[141.
Маневренные нагрузки действуют несколько раз за полет. Аку-
стические вибрации существенно превосходят по частоте маневрен-
ные нагрузки. Оценка усталостной прочности конструкции или ко-
эффициент нагрузки конструкции k обычно выражается отношением
уровня напряжений в конструк-
ции к разрушающему напряжению:
^тах^разр’ еде максималь-
ное напряжение, действующее на
конструкцию; <эразр — разрушающее
напряжение для конструкции.
Примерная зависимость коэффи-
циента нагрузки конструкции само-
тета k от частоты ее действия приве-
дена на рис. 4.3.
Важная характеристика сплавов—
чувствительность к трещине, к ее воз-
никновению и скорости развития,
величинам вязкости разрушения
Mie, (Мс)> уровню остаточной проч-
Рис. 4.3. Примерная зависимость ко-
эффициента нагрузки конструкции
самолета k от частоты ее действия I
117
ности при наличии трещин. Для некоторых летательных аппаратов
эти характеристики могут иметь определяющее значение при выборе
сплава.
В настоящее время летательные аппараты проектируют по прин-
ципу безопасной повреждаемости. В эксплуатации допускается по-
явление трещин, но скорость их развития должна быть небольшой,
а остаточная прочность материала с трещиной достаточно высокой,
чтобы конструкция надежно работала в присутствии трещин значи-
тельной величины, легко обнаруживаемых при осмотре. Характери-
стики вязкости разрушения /\1с и 1\с таких сплавов, так Д16 и
В95, надежно повышаются при увеличении чистоты металла по при-
месям железа и кремния.
Алюминиевые сплавы должны иметь удовлетворительнуто общую
коррозионную стойкость и стойкость к коррозии под напряжением
и расслаивающей коррозии. При выборе материала для лопастей
вертолетов важное значение имеет их коррозионная усталость.
Небольшие коррозионные поражения значительно снижают предел
выносливости, поэтому наряду с высоким сопротивлением усталости
сплавы должны иметь также высокое сопротивление коррозионной
усталости.
Коррозионная стойкость конструкций из алюминиевых сплавов
может быть существенно повышена в результате некоторого услож-
нения технологии производства полуфабрикатов (например, приме-
нения предварительно подпрессованной или кованой заготовки для
изготовления прессованных профилей) плакированием (покрытие
тонким слоем алюминия или алюминиевого сплава), созданием раз-
личных окисных пленок пли лакокрасочных покрытий, а также по-
верхностным наклепом.
При оценке коррозионной стойкости алюминиевых сплавов необ-
ходимо учитывать температурно-временной фактор. В процессе
длительного нахождения конструкций даже при сравнительно не-
высоких температурах солнечного нагрева или при более высоких
технологических нагревах в алюминиевых сплавах могут происхо-
дить процессы достаривания. При переходе от зонного старения
(когда упрочнение происходит за счет образования зон Гинье—Пре-
стона) к фазовому старению (упрочнение частицами метастабильных
фаз) коррозионная стойкость алюминиевых сплавов резко снижа-
ется, предел текучести повышается и пластичность уменьшается.
Для сплава АМгб длительный нагрев при 60—70 °C можно заменить
ускоренным нагревом в течение 10 ч при 150 °C. В этом слу чае у се-
рийного сплава АМгб, полученного с некоторыми отклонениями от
режимов заводских отжигов, резко ухудшается коррозионная стой-
кость. Поэтому подобного рода испытания для сплава АМгб обяза-
тельны. У свариваемых сплавов системы А1—Zn—Mg ухудшение кор-
розионной стойкости и охрупчивание наблюдаются после выдержки
при 59—70 °C в течение 1000 ч; охрупчивание наблюдается у сплава
Д16 и других алюминиевых сплавов.
В случае применения алюминиевых сплавов в конструкциях, под-
вергающихся аэродинамическому нагреву, проводят соответству-
116
ющие испытания при повышенных температурах. С учетом реаль-
ных условий работы алюминиевых сплавов температурный потолок
использования их может быть значительно повышен. Для многих
самолетных и ракетных конструкций лимитирующим фактором явля-
ется не длительная прочность или ползучесть материала, а кратко-
временная прочность, определенная при температуре эксплуатации и
при комнатной температуре после необходимой выдержки при соот-
ветствующей температуре под эксплуатационной нагрузкой. И на-
оборот, для некоторых конструкций, особенно для конструк-
ций, имеющих длительный ресурс (тысячи и десятки тысяч часов),
ползучесть, а в отдельных случаях и длительная прочность могут
приобрести не менее важное значение, чем кратковременная проч-
ность при комнатной и высоких температурах. В то же время необ-
ходимо обязательно учитывать влияние структурных изменений
сплавов в процессе эксплуатационных нагревов на их коррозион-
ную стойкость, пластичность, чувствительность к возникновению
и развитию трещины. Некоторые сплавы, имеющие удовлетвори-
тельные свойства в начале и конце эксплуатационного периода, в ка-
кой-то критический момент времени могут приобрести хрупкость
или другие нежелательные качества. Поэтому необходимо проверять
изменение свойств сплавов за время, охватывающее весь эксплуата-
ционный период.
При пониженных температурах (ниже О °C) алюминиевые сплавы,
как правило, не обнаруживают склонности к ухудшению пластич-
ности. Прочностные и пластические характеристики обычно растут
одновременно с понижением температуры. Однако при температуре,
равной температуре жидкого водорода и гелия, некоторые сплавы
охрупчиваются. Наилучшими в этих условиях являются сплавы
типа 1201 и Д20. Сплавы, предназначенные для работы при низ-
ких температурах, должны подвергаться соответствующим испы-
таниям.
В полуфабрикатах из алюминиевых сплавов часто встречаются
металлургические расслоения, ослабляющие металл. Поэтому для
всех ответственных конструкций обязателен ультразвуковой конт-
роль полуфабрикатов.
Значительное уменьшение металлургических дефектов характерно
для металла, подвергнутого вакуумной дегазации и выплавляемого
в электропечах.
Очень важно правильное расположение волокон в полуфабрика-
тах и деталях из алюминиевых сплавов относительно возникающих
нагрузок с тем, чтобы исключить действие максимальных нагрузок
перпендикулярно направлению волокон.
Алюминиевые сплавы, используемые в летательных аппаратах,
должны обладать определенным комплексом технологических свойств,
обеспечивающих массовое и дешевое производство полуфабрикатов
на металлургических заводах и достаточно легкую обработку де-
талей и сборку конструкций на машиностроительных заводах. По-
луфабрикаты из алюминиевых ставов по своей геометрии должны
приближаться к готовым деталям с тем, чтобы сократить объем
119
механической обработки и количество металла, переводимого
в стружку без увеличения массы готового изделия.
Особые требования предъявляются к алюминиевым сплавам,
подвергаемым сварке плавлением и клепке (см. ниже).
Выбор сплавов для каждого конкретного изделия осуществляют
с \ четом описанных выше факторов, при этом для ответственных кон-
струкций особо оговаривают виды и объем испытаний и основные
параметры технологии изготовления полуфабрикатов, деталей и
сборки узлов и констрл кций.
3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
полуфабрикатов и КОНСТРУКЦИЙ
Повышение эффективности применения алюминиевых славов в кон-
струкциях обеспечивается благодаря совершенствованию техноло-
гии изготовления полуфабрикатов на металлургических заводах
(плавка, прокатка, прессование, ковка, термическая обработка,
правка и пр.) и деталей на машиностроительных заводах (клепка,
сварка, листовая штамповка, обтяжка, механическая обработка, по-
верхностное упрочнение, и пр.), при этом свойства полуфабрика-
тов и деталей при массовом производстве должны быть стабильными.
С точки зрения повышения долговечности конструкции одним из
важнейших факторов является тщательный выбор конструктивных
форм деталей с минимальной концентрацией напряжений, а также
разработка оптимальной технологии изготовления и сборки, обеспе-
чивающей максимальное снижение монтажных и технологических
напряжений.
Все высокопрочные алюминиевые деформируемые сплавы в ис-
кусственно состаренном состоянии и высокопрочные литейные алю-
миниевые сплавы чувствительны к концентрации напряжений, осо-
бенно при переменных нагрузках. Поэтому при изготовлении де-
талей и конструкций из этих сплавов конструктивные формы тща-
тельно отрабатывают; форму деталей выбирают с минимальной кон-
центрацией напряжений, большой плавностью всех переходов при
изменении сечения детали. Величину внутренних радиусов перехо-
дов (сопряжений) обрабатываемых резанием поверхностей выбирают
в зависимости от размера сечений, но, как правило, для наиболее
прочных сплавов не менее 2 мм. Не допускаются перекосы при мон-
таже, эксцентриситет, особенно в местах соединений деталей.
Изготовление крупногабаритных полуфабрикатов
В самолетостроении в последние годы широко применяют цельные
крупногабаритные узлы, в частности крупногабаритные панели,
плиты, профили и штамповки для крыла и фюзеляжа (консоли крыла,
рамы передней и хвостовой частей фюзеляжа, центроплан). В табл.
4.2 и 4.3 приведены механические свойства плит и прессованных
панелей и других полуфабрикатов.
Впервые панели начали применять еще в 1941— 1945 гг. для са-
молета ТУ-2. Центроплан самолета ТУ-2 имел три панели вместо
многочисленных стрингеров.
120
Табл и Ц а 4,2. Гарантируемые механические свойства панелей из различных
алюминиевых сплавов
Марка сплава и состояние Направление вырезки образца ** ов. МПа °0,2- ‘"'la °0,2/св С %
Д16Т, Д16чТ д 460 335 0,72 10
п 430 315 0,73 8
В95пчТ2 *2, д 510—580 410—510 0,9 8
В95очТ2 *2
АМгбМ д 320 160 0,50 15
1420Т1 д 420 270 0,63 6
** Д — долевое; П — поперечное.
*2 Типичные значения Kjc в направлении ДП (Д — направление вырезки образца,
П — направление трещины) для сплава В95пчТ2 38, для сплава В95очТ2 42 МПа« mV2.
Таблица 4.3. Типичные механические свойства некоторых полуфабрикатов из
основных конструкционных алюминиевых деформируемых сплавов для конструкций,
не подвергающихся аэродинамическим нагревам
Система Сплав, состояние Вид полуфаб- риката Напра- вление вырезки образца (Ув, МПа "0,2, МПа б, % g/gW.nnw ;
Al—Си—Mg 1163T Плита Д 440 305 18
п 430 300 15 40
1163T1 » Д 470 410 8 37
п 470 410 6 28
в 430 390 3 —.
Д16чТ » Д 460 335 15 —_
п 440 305 13 34,4
Al—Zn—Mg—Си В95очТ2 » Д 540 470 12 43,4
п 530 460 11 31,2
в 500 430 4 —
В96ц1Т2 Профиль Д 640 590 8 25,6
В95очТЗ Штамповки Д 490 4ч0 13 45
п 480 420 10 36
в 460 380 7 28
ВЭЗпчТЗ » Д 440 360 12 38,4
п 440 360 10 35,2
в 440 360 6 32,0
1933T3 » д 470 410 13 48,0
п 460 400 10 42,6
в 450 390 4 32,0
Al—Mg—Li 1420Т1 Лист п 450 280 9 —
д 450 280 7 —
Крупногабаритные полуфабрикаты нашли широкое применение
в самолетных конструкциях. Так, например, в самолете АН-22 ис-
пользуются монолитные прессованные и штампованные полуфабри-
каты, ребристые панели. /Масса монолитных конструкций, изготовля-
емых из крупногабаритных прессованных и штампованных загото-
вок, составляет — 25 % от общей массы самолета АН-22.
121
Рис. 4.4. Вафельные панели длиной
3 м:
а — из сплава 1420; б — из сплава
АК4-1
В конструкции самолета ИЛ-62
масса прессованных панелей дости-
гает 17 т.
Применение крупногабаритной
штамповки вместо клепаной рамы на
самолете ТУ-104 позволило снизить
массу примерно на 34 %. Весь узел,
состоящий из одной рамы, заменил
22 основных детали и 1500 деталей
крепежа.
Широкое применение находят ва-
фельные панели. Их изготавливают
либо фрезерованием из плит, либо
прессованием на вертикальных прес-
сах (рис. 4.4).
В самолете АН-22 применяют
около 700 высоконагруж,енных круп-
ногабаритных прессованных и штам-
пованных деталей из сплава В93 мас-
сой более 12,5 т.
Внедрение монолитных конструк-
ций из прессованных и штампован-
ных полуфабрикатов, главным обра-
зом из сплава В93 вместо сплава АК6,
обеспечило снижение массы конст-
рукции самолета АН-22 более чем на
2 т. Количество деталей сократилось
примерно на 550 шт., крепежных нор-
малей— на 114000 шт., а в силовом от-
секе — с 400 до 20 шт. Уменьшилось
количество применяемой оснастки: снизилась трудоемкость изго-
товления примерно на 15 %; уменьшился цикл сборки самолетов;
повышена герметичность топливных кессонов.
Ниже приведены данные по снижению массы в результате приме-
нения монолитных конструкций из В93 в силовом отсеке АН-22:
Конструкция
Снижение
массы, %
Низ силового шпангоута . 21,6
Стойка силового шпангоута . 28,7
Узлы силового шпангоута.................. 22,2
Вертикальная наружная балка . . . . 20,7
Применение монолитных полуфабрикатов в конструкции центро-
плана самолета АН-24 позволило снизить массу конструкции на
9 %; повысить выносливость центроплана в два-три раза; сократить
количество деталей и нормалей в три раза; перейти на прессованную
клепку, что значительно снизило трудоемкость изготовления, а та-
кже цикл сборки; повысить надежность в эксплуатации.
Наибольшую чувствительность к концентрации напряжений и
пониженную коррозионную стойкость с наименьшей пластичностью
122
Таблица 4.4. Коррозио чная стойкость под напряжением образцов сплавов АК6,
695 и В93, вырезанных из штамповок подмоторных рам
Сплав Время до разрушения образца, сут Среднее время до разру- шения, сут
АК6 23, 28, 30, 38, 38 30
В95 16, 23, 23, 14, 25 22
В93 >120, >120, >120, >120, >120 >120
имеют массивные полуфабрикаты при испытании в высотном и по
перечном (по ширине) направлениях волокна. В связи с этим при
конструировании деталей и разработке технологии учитывают рас-
положение волокна относительно силового потока. Нагрузки в вы-
сотном направлении полуфабрикатов должны быть минимальными,
а направление волокна в штамповках — следовать конфигурации
детали. В технических условиях на массивные полуфабрикаты,
в том числе на поковки и штамповки, механические свойства огова-
ривают в трех взаимно перпендикулярных направлениях (см.
табл. 4.4), причем для режимов старения Т2 и ТЗ оговаривают ниж-
ний и верхний пределы прочностных характеристик.
Из сплава В93 отливают слитки диаметром до 1100 мм, максималь-
ная масса поковок достигает 5 т. Статистические данные свидетель-
ствуют о том, что временное сопротивление и предел текучести по-
ковок и штамповок не зависят от направления волокна и размеров
сечения.
Вязкость разрушения при плоской деформации /<1с достигает
следующих значений, МПа-м3'2, не менее: в состоянии Т2 31,0
для ДП, 24,8 для ПД и 20,2 для ВД; в состоянии ТЗ 34,1 для ДП,
27,9 для ПД и 24,8 для ВД.
Сплав В93 закаливают в горячей воде при 75—85 °C, поэтому
коробление после закалки и механической обработки резко уменьша-
ется по сравнению со сплавами В95, АК6, АК8. Испытания на корро-
зию под напряжением поперечных образцов из сплавоз АК6, В95
и В93 показали значительное преимущество сплава В93 по срав-
нению со сплавами АК6 и В95 (табл. 4.4).
Влияние технологических факторов литья на статическую вы-
носливость при повторных нагрузках и коррозионную стойкость
сплава В93 приведено на рис. 4.5.
Для конструкций, подвергающихся значительному аэродинами-
ческому нагреву, в ряде случаев применяют крупногабаритные полу-
фабрикаты из сплава АК4—1. Свойства крупногабаритных профилей,
плит и поковок из сплава АК4—1 во всех направлениях близки:
при увеличении размеров полуфабрикатов прочность снижается не-
значительно.
Сплав АК4—1 так же, как и сплав В93, отличается от других
ковочных сплавов тем, что не содержит марганца, хрома, циркония
и других элементов, вызывающих пресс эффект. Это обеспечивает
равномерность свойств в разных направлениях, а также малую
123
Рис. 4.5. Влияние технологических факторов литья сплава В93 на статическую прочность
при повторных нагрузках и коррозионную стойкость:
N — число циклов до разрушения при повторных нагрузках; t — время до разрушения
при испытаниях на коррозионную стойкость под напряжением (ч); незаштрихованиая об-
ласть — невакуумированный металл; заштрихованная область — вакуумированный металл
потерю прочности при пониженных скоростях охлаждения при за-
калке, например в кипящей воде.
В ряде случаев, когда полуфабрикаты нельзя подвергать после
закалки растяжке и надо избежать коробления при механической
обработке, закалка в кипящей воде может оказаться полезной.
Клепаные соединения
При изготовлении клепаных конструкций применяют, как правило,
заклепки из алюминиевых сплавов.
Применение крупногабаритных панелей позволило широко ис-
пользовать прессовую клепку конструкций, например в самолете
ИЛ-62.
Шероховатость поверхности отверстий под заклепки должна быть
не выше 4-го класса.
Клепку прессованных деталей из высокопрочных алюминиевых
сплавов стальными заклепками производят под прессом.
Резьбовые соединения
Резьбовые соединения в деталях из высокопрочных алюминиевых
сплавов, как правило, не рекомендуются. Если же нельзя избежать
их использования, применяют метрическую резьбу с закругленной
впадиной. При нарезке резьбы необходимо обращать внимание на
выполнение радиусов скругления и делать их как можно большими.
Напряжения от затяжки резьбы, как правило, не должны превышать
100 МПа. При выполнении этих условий резьбовые соединения
конструкции работают удовлетворительно.
Болтовые соединения
В самолетах тяжелого и среднего типа 40—80 % всех болтовых соеди-
нений приходится на однородные пакеты из сплава Д16 и до 30 % —
из сплава В95, в некоторых случаях болты ставят в пакеты из раз-
ных сплавов. Болты изготовляют главным образом из сплавов Д16,
В94, В95.
124
Рис. 4.6. Влияние вида посадки
болта в отверстие на поведение
образцов из сплава В95 при
многократных статических
нагружениях (по данным
И. Н. Фридляндера,
Н. М. Эдельман,
Ю. С. Данилова)
без Скользящая Тугая Глухая Легкопрессовая
йолта
Вид посадка
Конструкция и технология изготовления болтов и его элементов
существенно влияют на ресурс и надежность болтового соединения.
Микронеровности на поверхности стенок отверстий являются кон-
центраторами напряжений, которые могут привести к образованию
трещин при эксплуатации в условиях знакопеременных нагрузок
с последующим разрушением. Поэтому шероховатость поверхности
отверстий под втулки и болты должна быть, как правило, не выше
7-го класса.
В случае крепления болтами (в том числе втулками и болто-зак-
лепками) их устанавливают с различной посадкой: скользящей,
легкопрессованной, а также плотной с поставкой болтов и болто-за-
клепок на сырой грунт или на смазки.
При постановке болтов и втулок посадкой с натягом, а также
при монтаже усилие натяга в деталях из высокопрочных алюминие-
вых сплавов не должно превышать 100 МПа во избежание опасности
замедленного разрушения. Это относится прежде всего к высокопроч-
ным алюминиевым сплавам В93, В95, В96. Плотность посадки обе-
спечивают с помощью клеевого соединения. Уровень допустимого
напряжения взят с большим запасом из расчета, что при массовом
производстве точный замер напряжений не всегда осуществим.
Шероховатость поверхности отверстий под втулки и болты, а
также свободных (некрепежных) отверстий должна быть, как правило,
не выше 6-го к iacca. Кромки в окончательно обработанных отверстиях
притупляют, соблюдая нужную чистоту обработки поверхности Все
эти меры осуществляют в целях снижения концентрации напряжений.
На рис. 4.6 показано влияние посадки болта в отверстие на по-
ведение материала при многократных статических нагружениях.
Л истовая штамповка
Наряду с применением панелей в самолето- и ракетостроении ши-
роко применяют листы увеличенных габаритов и переменного се-
чения, что улучшает характеристики конструкции, сокращает объем
ручных работ при сборке за счет уменьшения числа стыков и су-
щественно снижает массу конструкции.
125
При получении точных обшивок одинарной и двойной кривизны
из листов разного сечения путем обтяжки они после химического
фрезерования сохраняют первоначальную форму с большей точ-
ностью по сравнению с обшивками, полученными выколоткой.
Из сложных листовых штамповок изготовляют, например, кры-
шки капотов, съемные люки мотоустановок, створки шасси, носки
крыльев, стабилизаторы и пр. Эти штамповки часто соединяют с ли-
стами обшивки. Технологические возможности изготовления раз-
личных деталей методом обтяжки зависят в основном от формы,
материала, способа обтяжки, требуемой точности изготовления
деталей, характеристик пресса (величины усилия и хода пресса,
ширины захвата зажимных губок и пр.). Главный фактор, определя-
ющий возможность применения метода обтяжки, — максимально
допустимая степень обтяжки материала. Для изготовления деталей
обтяжкой применяют листы различных алюминиевых сплавов в отож-
женном и свежезакаленном состояниях. Если для выполнения об-
тяжки необходим подогрев, то применяют сплав в отожженном
состоянии с последующей соответствующей термической обра-
боткой.
Листы из сплавов Д16, 1163 и В95 обладают хорошей штампу-
емостью в отожженном и свежезакаленном состояниях. У отожженных
и свежезакаленных листов отношение предела текучести к пределу
прочности сравнительно низке е (о(|,.,/с)в 0,47 и <т015/<тв = 0,37
соответственно). Однако усилия деформации при штамповке листов
из сплава В95 выше, чем из сплава Д16. В искусственно состаренном
состоянии листы из сплава В95 имеют низкую пластичность и поэтому
допускается лишь незначительная деформация. Штампуемость ли-
стов из сплава АК4—1 аналогична штампуемое.™ истов из сплава
Д16 в соответствующих состояниях. Детали сложной формы из
сплава АК4—1 изготовляют из листов в отожженном или свеже-
закаленном состоянии (при штамповке в един переход), при этом
разрыв между закалкой и деформацией должен быть не более 8 —
12 ч. При штамповке деталей из листов в отожженном состоянии
за несколько переходов в качестве промежуточн ш термической
обработки применяют нагрев при 275 °C.
Правка, гибка, круч’ние, подсечка
Правку, гибку, малковку, кручение и подсечку деталей производят
в различных состояниях: отожженном, свежезакаленном и соста-
ренном. Длительность перерыва между закалкой и пластической де-
формацией для разных сплавов различна. Так, для сплавов В '3,
В95 и В96 она составляет 6 ч. Незначительные деформации (под-
рихтовка прогиба до 2 мм на 1 м и кручение до 2° на 1 м) произ-
водятся без подогрева. При проведении технологических операций
с подогревом деталь и оснастку нагревают до температуры, не пре-
вышающей температуру искусственного старения сплавов.
Правку, гибку, малковку и подсечку, кат/ правило, производят
на различных прессах (гидравлических, эксцентриковых, кривошип-
ных) со скоростью до 0,3 м/с.
126
Клеевые и клеесварные согсинения
Взамен клепки в некоторых iонст-
рукциях применяют клеевые и кле-
есварные соединения, усталостная
прочность которых не снижается,
а повышается в 2,5—3 раза. Трудо-
емкость п себестоимость клеевых
и клеесварных соединений в
1,5—2 раза ниже, чем клепаных.
При этом пов. шается герметич-
ность п снижается масса конструк-
ции. Например, клеевые соедине-
ния значительно повышают ресурс
работы лопастей и уменьшают
массу всей конструкции.
Высокая прочность клеесварных
грузках обеспечивает широкое и;
Прочность клеесварного точечного
Рис. 4.7. Усталость сварных (/) и клее-
сварных (2) соединений из сплава Д16
толщиной 1,5 мм (по данным Е. Л. Апар-
цевой, Н. Ц. Золотаревой и др.)
соединений при циклических на-
< применение в конструкциях,
соединения во многом определя-
ется технологическим процессом его изготовления и свойствами ма-
териалов (свариваемого металла и клея).
Применение клеесварных соединений в конструкциях позволяет
снизить трудоемкость их изготовления, резко увеличить прочность
и эксплуатационную надежность при значительном снижении массы,
повысить культуру производства.
В связи с тем, что для вертолетных конструкций характерны высо-
кие циклические вибрационные нагрузки, большое внимание уделяли
исследованиям усталостных характеристик клеесварных соединений.
На рис. 4.7 приведены сравнительные данные по усталости
стрингерных клеесварных и сварных соединений из сплава Д16
с использованием различных клеев. Усталостная прочность клее-
сварных соединений на базе 107 цикл равна 100—ПО .МПа, сварные
соединения аналогичной конструкции имеют предел усталости
75 МПа.
В конструкции цельнометаллических лопастей вертолетов МИ-2
и МИ-8 широко применяют клеевые соединения и клеевые сотовые
заполнители из алюминиевой фольги. Благодаря сотовым заполни-
телям нагрузки на клеевые соединения обшивки с каркасом рассредо-
точены по всей ее площади. Уменьшение толщины обшивки хвостовой
части привело к значительному снижению нагрузок в клеевом соеди-
нении обшивки с лонжероном в наиболее нагруженных местах (по
краям отсеков) и к улучшению условий склейки.
Увеличение ресурса работы лопастей требует расширения приме-
нения склейки за счет исключения механических соединений.
Сварные соединения
Для соединения таких конструкций, как обтекатели, зализы, усили-
вающие накладки со шпангоутами и обшивкой, часто используют
контактную сварку: роликовую и точечную. В ряде случаев, напри-
мер для топливных баков, находит применение сварка плавлением.
127
Сварку плавлением сравнительно мало применяют для соедине-
ния самолетных конструкций, так как высокопрочные алюминиевые
сплавы, используемые в самолетостроении, обладают относительно
низкой свариваемостью и низким отношением временного сопротив-
ления сварного соединения к прочности основного металла.
Широко применяют сварку алюминиевых свариваемых сплавов
в ракетостроении.
Обработка резанием
Конструкционные алюминиевые сплавы удовлетворительно обраба-
тываются резанием. Л1еханическая обработка оказывает существен-
ное влияние на свойства деталей и их эксплуатационную надежность.
Качество поверхностного слоя обработанных деталей зависит от мно-
гих факторов и характеризуется геометрией, структурой, степенью
деформации поверхности, величиной остаточных напряжений и пр.
При механической обработке полуфабрикатов и деталей из высо-
копрочных алюминиевых сплавов не допускается нагрев поверхности
обрабатываемой детали от режущего инструмента выше температуры
искусственного старения.
Наибольшее влияние на снижение временного сопротивления алю-
миниевых сплавов оказывает затупление режущего инструмента.
Поскольку детали с необработанными поверхностями обладают
более высокими эксплуатационными характеристиками, рекомен-
дуется максимально уменьшать площадь обрабатываемых поверхно-
стей штамповок, профилей, панелей и плит.
После обработки резанием на поверхности деталей не допуска-
ются риски и следы механической обработки, ухудшающие состояние
поверхности. При их наличии производят местную зачистку с плав-
ным переходом, например шабером с закругленными углами либо
шлифовальными кругами или шлифовальными шкурками.
В табл. 4.5 приведены данные о влиянии глубины царапины на
поведение образцов из сплава В95 при многократных нагружениях
[15].
С увеличением глубины царапины значительно уменьшается коли-
чество циклов, выдерживаемое образцами до разрушения. Царапины
Таблица 4.5. Влияние глубины
царапины на поведение образцов
из сплава В95 при многократных
нагружениях
Глубин а царапи- ны, мм °min» МПа Частота нагруже- ний в 1 ч Агср» ЦИКЛ
Без ца- 44,4 4,44 115—120 3035
рапины 0,02 43,7 4,37 110—115 3350
0,05 43,7 4,37 106—115 1808
0,10 43,7 4,37 112—118 1653
0,20 43,7 4,37 110—115 1408
глубиной до 0,02 мм не оказывают
влияния на поведение материала,
при царапине глубиной 0,05 'мм
образцы выдерживают на 46 %
меньше нагружений.
Таким образом, допустимая
глубина царапин на изделиях, из-
готавливаемых из сплава В95,
должна ограничиваться 0,02 мм.
В изломе образца, разрушающе-
гося по клейму, имеются две зоны
усталостного разрушения. Одна
зона идет от клейма и занимает
75 % от общей площади, вторая
128
озна идет от ребра и площадь ее
вдвое больше первой.
При механической обработке де-
талей из алюминиевых сплавов возни-
кает напряженное поле в результате
деформации и разогрева поверхност-
ных слоев обрабатываемого металла,
что может вызвать его разупрочне-
ние, создать поверхностный наклеп
и большие остаточные напряжения.
Знак и интенсивность остаточных на-
пряжений зависят от свойств обраба-
тываемого сплава, геометрии и состоя-
ния инструмента, метода обработки.
Например, при точении высокопроч-
ного алюминиевого сплава системы
А1—Zn—Mg—Си на поверхности де-
тали возникают новые большие оста-
точные напряжения, достигающие
почти 400 МПа. В некоторых случаях
у самой поверхности на глубине
10—50 мкм наблюдается переход сжи-
мающих напряжений в растягиваю-
щие. Величина последних достигает 1
Рис. 4.8. Эпюры остаточных напря-
жений оост в заготовке из сплава А1 —
Zn—Mg—Си (а) и в детали, изгото-
вленной из нее механической обработ-
кой (б):
1 — тангенциальные напряжения; 2 —
осевые напряжения
3—120 МПа. В середине сече-
ния имеют место растягивающие напряжения. Остаточные напряже-
ния, возникающие при механической обработке, могут намного пре-
вышать термические напряжения в исходной заготовке. Поскольку
механическая обработка является окончательной операцией изготов-
ления деталей, их конструктивная надежность определяется не только
прочностными свойствами материала, но и действующими в деталях
остаточными напряжениями от механической обработки.
На рис. 4.8 приведены эпюры тангенциальных и осевых остаточ-
ных напряжений в заготовке из
Т а б л и ц*а 4.6. Влияние
остаточных напряжений, созданных
обработкой резанием, на механические
свойства сплава А1—Zn—Mg—Си
(по данным И. Н. Фридляндера,
О. Г. Сенаторовой, В. А. Козырева)
Износ резца по задней поверх- ности, мм сж °ост* МПа Глубина залега- сж НИЯ <?ост» мкм, не более С4’ о — ей S о о
0,05 50—60 100 575 650
0,15 150—160 200 560 645
0,30 180—220 250 530 640
0,40 200—240 300 510 635
5 Альтман T. Б.
и Др.
сплава А1—Zn—Mg—Си и в детали
после механической обработки в
различных условиях.
Затупление резца приводит к
возрастанию величины остаточных
напряжений, а в отдельных слу-
чаях и к появлению в поверхност-
ных слоях растягивающих напря-
жений, которые являются опас-
ными для высоконагруженных де-
талей. Величина остаточных на-
пряжений в основном определяется
размерами так называемого «пя-
тачка» на режущей кромке резца.
Когда этот «пятачок» увеличива-
ется выше некоторого критиче-
ского размера, остаточные напря-
129
Рис. 4.9. Ползучесть образцов из высокопрочного алюминиевого сплава при напря-
жении несколько ниже предела упругости и сравнительно низкой температуре:
1 — образец с 2 — образец с
жения резко возрастают, хотя поверхность обрабатываемой детали
остается еще достаточно хорошей.
В табл. 4.6 приведены данные о влиянии остаточных напряжений,
возникающих при обработке резанием, на свойства сплава А1—Zn—
Mg—Си.
Интересно, что остаточные напряжения от обработки резанием
сохраняются в материале длительное время. Например, при испыта-
нии на ползучесть они сохраняются практически в течение всего
периода испытания. Поскольку остаточные напряжения не релак-
сируют в процессе ползучести, они существенно (на порядок) уве-
личивают скорость ползучести. Чем неблагоприятнее характер рас-
пределения остаточных напряжений, тем выше скорость ползучести
(рис. 4.9). Поэтому снятие остаточных напряжений, создаваемых по-
верхностной обработкой деталей, является важным резервом повы-
шения сопротивления ползучести.
Стабильность размеров деталей при механической обработке
Одним из распространенных видов брака в процессе механической
обработки термически упрочненных массивных, сложных по конфи-
гурации заготовок из алюминиевых сплавов, которые не подверга-
ются растяжке, является коробление.
При обработке резанием точных деталей приборов также возни-
кают трудности, в получении заданной формы детали. Так, при изго-
товлении тонкостенных колец высокопрочного сплава В95 наблюдали
эллипсность, а при изготовлении деталей типа плоских линеек —
прогиб и пр. Такое коробление — следствие деформации в результате
действия перераспределения внутренних напряжений при удалении
части материала в процессе механической обработки или в резуль-
тате дополнительных напряжений, возникающих при этой обработке.
Кольца с минимальной эллипсностью (<0.05 мм) получали при
изготовлении их из отожженных заготовок. Удовлетворительные
результаты обеспечивались промежуточным старением при 120 и
170 °C (табл. 4.7). Термоциклическая обработка в данном случае
оказалась менее эффективной. При однократном старении резуль-
таты получались хуже, чем при двукратном с промежуточными съе-
мами материала.
130
Таблица 4.7. Влияние термической обработки заготовки на точность
изготовления тонкостенных колец диаметром 60 мм при толщине стенки 2 мм из
сплава В95
Режим термической обработки Средняя квадратич- ная величина эллипса, мм Количество колец, %, с величиной эллипса
<0,05 мм 0,05— 0,1 мм > 0,1 мм
Без обработки 0,0489 30 32 38
Старение при 120 °C, 6 ч 0,0450 21 47 32
То же, 170 °C, 6 ч Отжиг при 330 °C, 2 ч 0,0279 31 58 10
0,0150 100 0 0
Термоциклическая обработка: 110 °C, 2 ч + (—50 °C), 2 ч 0,0441 6 56 38
Двукратное старение при 120 °C, 6 ч с промежуточными съемами ма- териала 0,0259 37 63 0
Двукратная термоциклическая об- работка: + Н0 °C, 2 ч +50 °C, 2 ч с промежуточными съемами 0,2910 29 47 24
Длительность выдержки при старении существенно не влияет
на изменение размеров образцов с различной термической об-
работкой.
Влияние закалки на поводки и остаточные напряжения
Крупногабаритные прессованные полуфабрикаты или длинномерные
отливки нагревают перед закалкой, как правило, в вертикальных
печах или в горизонтальных печах с последующим спреерным охлаж-
дением. Детали сложной конфигурации, не подвергающиеся правке
растяжкой, при закалке охлаждают в воде с повышенной темпера-
турой (70—100 °C) только в том случае, если сплав не склонен к разу-
прочнению и коррозии. Охлаждение при закалке тонкостенных
деталей из некоторых алюминиевых сплавов для снижения коробле-
ния проводят в воде с органическими добавками либо в жидком азоте.
В результате закалки деталей и полуфабрикатов остаточные на-
пряжения достигают значительных величин. Однако после растяжки
полуфабрикатов напряжения практически снимаются (рис. 4.10)
и поэтому в готовых деталях действуют главным образом напряже-
ния, создаваемые механической обработкой.
Для уменьшения коробления деталей черновую механическую
обработку производят в отожженном состоянии, а затем подвергают
закалке, правке, старению и окончательной механической обработке.
После черновой механической обработки детали имеют припуски,
обеспечивающие равномерность сечений, с максимальными радиу-
сами в зоне сопряжений и шероховатостью обрабатываемой поверх-
ности в ряде случаев не выше 5-го класса, без острых кромок в ме-
стах перехода сечений.
Наиболее эффективный способ снижения остаточных напряжений
в деталях и полуфабрикатах сложной конфигурации — уменыпе-
5* 131
Толщина стенки
Рис. 4.10. Эпюры тангенциальных остаточных напряжений в заготовке по опера-
циям металлургического производства:
а — прессование; б — закалка; в — растяжка; г — старение
ние скорости охлаждения при закалке, особенно в интервале 535—
200 °C, так как при этих температурах происходят основные объем-
ные изменения. Снижение скорости охлаждения в допустимых преде-
лах обеспечивает малый температурный градиент по сечению и фик-
сацию пересыщенного твердого раствора, способного к упрочнению
при последующем старении, а также достаточно высокий уровень
механических свойств и резкое снижение остаточных напряжений.
Так, например, закалка штамповок из сплава Д1 ступенчатым ме-
тодом (сначала в расплаве солей при 150 °C, а затем в воде при
50 °C) резко уменьшила величину остаточных закалочных напряже-
ний по сравнению с закалкой в воде, нагретой до 30 СС. В процессе
механической обработки не наблюдались случаи разрушения штам-
повок, закаленных ступенчатым методом.
В целях снижения коробления сварных конструкций также целе-
сообразно применять при закалке пониженную скорость охлаждения.
Например, обечайки, сваренные из отожженных листов сплава Д20
встык ручной аргонно-дуговой сваркой, коробились при термической
обработке. Коробление проявлялось в виде эллипсности. Примене-
ние закалки в кипящей воде ступенчатым методом или изотермиче-
ской закалки снижало эллипсность примерно вдвое по сравнению
с закалкой в воде при 20 °C. При этом механические свойства свар-
ных и особенно гладких образцов сплава Д20 практически мало
изменялись.
Поверхностное упрочнение
Повышение статической выносливости и коррозионной стойкости
алюминиевых сплавов, особенно высокопрочных, достигается по-
верхностным наклепом дробью, роликами, гидроабразивной обработ-
кой и пр.
132
Ниже приведены сравнительные данные (по С. И. Кишкиной и
В. М. Белецкому) о влиянии вибронаклепа на долговечность гладких
неанодированных и анодированных образцов из сплава В93 и дан-
ные о влиянии вида упрочнения поверхности на долговечность:
Вид упрочняющей обработки и состояние
поверхности образца
Без упрочнения, неанодированная....................
Без упрочнения, анодированная 5—7 мкм .............
Наклеп, неанодированная............................
Наклеп, анодированная 5—7 мкм .....................
Наклеп, упрочнение раскаткой, неанодированная . . .
Наклеп, j прочнение раскаткой, анодированная 5—7 мкм
Долговечность, тыс.
циклов (до разрушения)
8,1
4,3
29.5
19.6
41,3
18,0
Состояние поверхности перед Долговечность* 1,
анодированием тыс. циклов
Исходная обработка (фрезерование, шероховатость 4—5-го
класса)..................................................... 5,9—9,5/7,5
Вибронаклеп с удельной нагрузкой, г/см2:
24 .... ........................................... 20,0—63,2/38.7
66 ..................................................... 19.6—53,1 31,0
150 ..................................................... 10,5—50,2 27,5
1 В числителе — минимальные и максимальные значения, в знаменателе — средние зна-
чения. Условия нагружения: отах = 0,7ов = 357 МПа, п = 8 4- 10 цикл, R = 0.
Поверхностное упрочнение, как показали фундаментальные ис-
следования С. И. Кишкиной [10, 16], в 2—4 раза повышает статиче-
скую выносливость алюминиевых сплавов, уменьшает шероховатость
поверхности, как правило, примерно на 2 класса при более благо-
приятном микрорельефе поверхности и заметно повышает сопротив-
ление коррозии под напряжением. Поверхностное упрочнение осо-
бенно эффективно, если применяется перед анодированием.
На рис. 4.11 приведены кривые распределения остаточных напря-
жений после различного вибронаклепа поверхности деталей из сплава
Рис. 4.11. Распределение
остаточных напряжений по-
сле вибронаклепа поверх-
ности деталей из сплава
В93:
1 — виброупрочнение по-
сле виброшлпфования и
виброполирования; 2 —
виброупрочнение после ви-
брошлифоваиия; 3 — ви-
брополирование после ви-
брошлифоваиия; 4 — ви-
брошлифоваиие; 5 — ис-
ходная обработка (грубое
фрезерование); 6 — ви-
брошлнфование до насыще-
ния
133
Таблица 4.8. < Остаточные В93, а в табл. 4.8 даны величины
напряжения после различной обработки поверхности деталей из сплава В93 (по данным С. И. Кишкиной и В. М. Белецкого) остаточных напряжений после гид- роабразивной обработки поверхно- сти детали. Напряжения опреде- ляли рентгенограф! шеским ме- тодом. Защита от коррозии
Вид обработки поверхности ° ост в поверх - костном слое, МПа
медиое излуче- ние железное излуче иие Основным методом защиты от кор- розии листовых деталей и полу- фабрикатов является плакировка, ' а штампованных, литых и других неплакированных деталей — анод- ное оксидирование с последующей окраской. В зависимости от усло- вий эксплуатации и назначения де- талей вместо анодирования приме-
Фрезерование и за- чистка абразивом Гидроабразивная Виброгидроабра- зивная 105 132 211 130—160 310—350 310—350
няют химическое оксидирование.
Повышение статической выносливости и коррозионной стойкости
деталей из высокопрочных сплавов В93, В95 и В96, в том числе де-
талей, подлежащих сернокислому анодированию или химическому
оксидированию, достигается в результате поверхностного упрочне-
ния.
Ниже приведены данные Е. М. Зарецкого о влиянии анодных и
химических пленок на долговечность сплава В93 в условиях периоди-
ческого погружения образцов в 3 %-ный раствор NaCI (закалка в
воде при 75 °C, искусственное старение при 140 °C в течение 10 ч).
Вид обработки поверхности
Среднее время до
растрескивания, сут
Исходное состояние........................... 27
Обдувка песком ............................. >83
Сернокислое анодирование...................... 7
Обдувка песком -f- сернокислое анодирова-
ние ....................................... >84
Хромовокислое анодирование . . >47
Щавелевокислое анодирование . 3
Химическое оксидирование . >48
4. СПЛАВЫ ДЛЯ КЛЕПАНЫХ конструкций
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ, НЕ ПОДВЕРГАЮЩИХСЯ
АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ НАГРЕВАМ
Алюминиевые деформируемые сплавы являются основным конструк-
ционным материалом планеров самолетов (рис. 4.12), не подвергаю-
щихся значительным аэродинамическим нагревам (табл. 4.4).
Ниже приведена доля деформируемых алюминиевых ставов и
стали в конструкциях дозвуковых самолетов:
ИЛ-18 ИЛ-62 ТУ-131
Алюминиевые сплавы, % 73 79 76
Сталь, % ........ 23 13 20
134
a
Рис. 4.12. Пассажирский самолет ТУ-134 для авиалиний малой протяженности (а), пасса-
жирский магистральный самолет ТУ-154 (фото Ю. Н. Чуприкова) для авиалиний средней
протяженности (б) и пассажирский самолет ЯК-40 для местных авиалиний (в)
Алюминиевые сплавы, используемые Для клепаных конструкций,
не подвергающихся нагреву, должны обладать определенным комп-
лексом свойств: высокими статическими прочностными характеристи-
ками (временным сопротивлением, пределом текучести, сопротивле-
нием срезу) и удовлетворительной пластичностью, хорошей статиче-
ской выносливостью при медленном повторном нагружении и высо-
кой вибрационной прочностью.
135
Таблица 4.9. Полуфабрикаты из алюминиевых сплавов для конструкций
летательных аппаратов, не подвергающихся аэродинамическим нагревам
Марка сплава Лис- ты Пли- ты Па- нели Тру- бы Про- фили Прут- ки Штам- повки, поковки Ло- пасти Болты, заклепки
Д1 + — + + -4- + + - -
Д16 — + + + + — —
Д19 — + + •— + — — — —
1163 — + + + + — — — —-
В65 — .— — — — — — — +
В93, 1933 — + — — + + + — —
В95, В95 с + + + -— + + + — —
Zr
В96Ц + — + + + + + — —
В94 — — — — — — — +
АД31 + — — + + — — —
АДЗЗ — — — — + — + — —
АВ + + — + + — + + —
А Кб — — — — + — + — —
АК8 — — — — + — + — —
АМгб + + — + + — + — +
АМгб + + + + + — + —
1420 + + + — + — + — —
САП-1 + + — + + + — —
Примечание. Знак -Т означает применение сплава для изготовления соответ-
ствующего полуфабриката.
Важная характеристика сплавов — их чувствительность к тре-
щине, к ее возникновению и развитию, а также удовлетворительная
общая коррозионная стойкость и стойкость к коррозии под напряже-
нием и расслаивающей коррозии.
Наиболее широко в конструкциях летательных аппаратов приме-
няют упрочняемые термической обработкой сплавы Д16ч, 1163,
высокопрочные сплавы В95пч, В95оч и В93пч, сплавы средней и по-
вышенной прочности АВ, АК6 и АК8. Для строительства гидроса-
молетов используют также неупрочняемые термической обработкой
коррозионностойкие сплавы АМгб и АМг5.
Некоторые сплавы универсальны в отношении выпускаемых из
них полуфабрикатов (табл. 4.9), другие имеют узкоспециализирован-
ное применение. Так, сплавы В65 и В94 используют только для изго-
товления заклепок и болтов.
Сплавы АК6 и АК8 — преимущественно ковочные сплавы.
Сплав Д16 в качестве ковочного не используют, но выпускают
в широком ассортименте в виде прессованных и катаных изделий.
Сплав Д1 применяют в основном для лопастей воздушных винтов,
а сплавы АВ и АД33 — для лонжеронов лопастей вертолетов.
Сплавы АД31 и АМг1 используют для декоративных деталей само-
летов — пепельниц, оправ зеркал, ручек и пр.
136
САП и порошковый сплав 1419 — теплопрочные и коррозионно-
стойкие материалы, их используют в зоне расположения двигателей,
а также в качестве противопожарных перегородок.
В практике самолетостроения сплавы АК6 и АК8 применяют до-
статочно широко для изготовления всякого рода фитингов, подмо-
торных рам, качалок, различных крепежных деталей.
Значительно большую прочность, чем сплавы Д16 и АК8, имеют
сплавы В95, В93 и В96. Однако для этих высокопрочных сплавов
характерны несколько пониженная пластичность, чувствительность
к концентраторам напряжений и повторным статическим нагрузкам.
Их используют в варианте повышенной чистоты по примесям железа
и кремния (пч и оч) и смягчающих режимов старения (Т2 и ТЗ),
что обеспечивает высокую вязкость разрушения и остаточную проч-
ность, хорошую малоцикловую усталость, малую скорость развития
трещины и хорошую коррозионную стойкость.
Эти сплавы, как и сплавы типа Д16, применяют также в том слу-
чае, когда вместо марганца и хрома используют добавки циркония.
Сплавы типа Д16ч, 1163, В95пч и В95оч, В93пч широко применяют
в самолетах ИЛ-62 и ИЛ-86 [17] (рис. 4.13).
Выбор сплавов для конструкций должен быть вполне конкретным
и связываться с условиями эксплуатации конструкции — ресурсом,
величиной разовых перегрузок, числом и уровнем повторных нагру-
зок, возможностью нагревов и пр.
В тех случаях, когда разовая перегрузка (при маневрах, посадке
и т. д.) является относительно высокой, преимущество надо отдать
Рис. 4.13. Пассажирские межконтинентальные реактивные лайнеры ИЛ-62 (а) и ИЛ-86 (б)
137
Рис. 4.14. Схема расположения’основных силовых деталей из сплава В93 на самолете АН-22
высокопрочным сплавам. Для машин последнего времени характер-
на тенденция ко все большему распространению конструкционных
алюминиевых сплавов Д16, АК6, АК8, В95, В93 в виде поковок,
штамповок, плит и массивных профилей. Крупногабаритные штам-
пованные узлы из сплава В93 широко использованы в самолете АН-22
(«Антей»), где они являются основными несущими элементами кон-
струкции (рис. 4.14).
Экспозиция полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, использо-
ванных в самолете АН-22, была представлена на авиавыставке в
Бурже (Франция) в 1967 г. Следует отметить, что в самолетах АН-22
велик удельный вес прессованных панелей из сплавов В95 и Д16
(табл. 4.10).
В некоторых самолетах из прессованных панелей сделаны крылья
и фюзеляж. Эти панели имеют не только повышенные прочностные
характеристики, они позволяют также механизировать клепку, со-
кратить число деталей и трудоемкость изготовления. В фюзеляж-
ных панелях в местах оконных проемов при прессовании оставляют
утолщения, позволяющие осуществить силовую окантовку окон.
Вместе с тем с точки зрения живучести конструкции, ее работоспо-
собности при наличии трещин более выго-
ден вариант длинномерной плиты на всю
длину размаха крыла с приклепанными
длинномерными стрингерами.
Учитывая чувствительность высоко-
Таблица 4.10.
Количество полуфабрикатов
из алюминиевых
деформируемых сплавов,
применяемых в изделиях, %
Типа
самолета
АН-22
ИЛ-18
ТУ-134
20
55
56
27
22
27
35
14
11
11
1
прочных сплавов к повторным нагрузкам,
из сплавов Д16 и 1163 изготавливают, как
правило, детали растянутой зоны крыльев
и обшивку фюзеляжей. К обшивке герме-
тических фюзеляжей предъявляют особо
высокие требования относительно их со-
противления повторным нагрузкам. Из-
вестно, что несколько первых английских
138
реактивных самолетов типа «Комета» потерпели катастрофу после
налета порядка 3000 ч [18].
Статические испытания этих самолетов, согласно зарубежным
данным [19], прошли удовлетворительно. В результате длительных
исследований установлено, что под влиянием изменения давления
в герметических кабинах (при взлете и посадке) в фюзеляже появ-
лялись и развивались трещины. Для «Кометы» среднее время полета
составляло 3 ч, следовательно, за 3000 ч суммарного полета давле-
ние в кабине менялось примерно 1000 раз (внутри кабины давле-
ние 10’ Па; наружное давление: на земле 105 Па, на высоте 9—11 км
давление составляло [0,5 -е-0,6] 105 Па). При каждом подъеме ка-
бина под влиянием внутреннего давления как бы раздавалась,
а при посадке вновь сжималась. По истечении какого-то числа
циклов в тех местах, где имелись концентраторы напряжений в виде
царапин, острых надрезов, резких перепадов жесткостей, появля-
лись, а затем развивались трещины (рис. 4.15).
Возможны также трещины технологического порядка, образую-
щиеся при клепке, гибке или подгонке полуфабрикатов в том слу-
чае, если технологический процесс не отработан, а контроль за нали-
чием трещин недостаточен. При значительном развитии трещин воз-
дух из фюзеляжа с силой вырывается наружу, трещины резко рас-
ширяются, давление в кабине быстро падает, разрушение носит
характер взрыва и люди гибнут от кровоизлияния в легкие.
У самолета «Комета» разрушилась обшивка средней части фюзе-
ляжа в месте концентратора напряжений — у выреза под антенну
радиопеленгатора (рис. 4.16).
Для выяснения причин аварий в английском авиационном центре
Фарнборо было произведено испытание целого самолета «Комета»,
помещенного в водный бассейн объемом 1000 м3 (рис. 4.17).
Периодическое изменение давления внутри кабины (воспроизво-
дящее изменение разности между давлением внутри кабины и внеш-
ним давлением при выборе самолетом вы-
соты и снижении его) создавалось водяным
насосом. Герметичная кабина разрушилась
после 3060 циклов, что соответствует при-
мерно 9000 ч эксплуатации. Сходимость
результатов испытаний в бассейне и реаль-
1,мм
Рис. 4.16. Показания тен-
зометров, установленных
на различном расстоянии I
от края люка под антенну
Рис. 4.15. Место разрушения фюзеляжа само-
лета «Комета» (показано стрелкой)
радиопеленгатора
139
РисЛ4.17. Испытания в Фарнборо крыла и фюзеляжа самолета «Комета» иа по-
вторные нагрузки
ных разрушений гермокабины в полете оказалась хорошей, учитывая,
что разброс при испытаниях на повторные нагрузки может быть десяти-
кратным. В настоящее время все самолеты с гермокабиной во всех
странах мира проходят испытания в водных бассейнах с целью вы-
явить их действительный ресурс.
Естественно состаренные сплавы Д16 и 1163 являются наиболее
подходящим материалом для обшивки гермокабин. Стрингеры гермо-
кабин можно выполнять из высокопрочного сплава В95, как это,
например, осуществлено в реактивном самолете ТУ-104.
В зоне двигательных установок, особенно в случае работы
самолета в жарком климате, детали самолета могут существенно
разогреваться.
На рис. 4.18 приведены схемы замера температур в 36 точках на
третьем и четвертом газотурбинных двигателях самолета ИЛ-18
Рис. 4.18. Схема замера тем-
пературы в зоне третьего (а)
и четвертого (б) двигателей (по
данным О. Г. Никитаевой,
Е. И. Шиловой и др.)
140
на аэродроме Ташкента. Замеры показали, что наиболее высокие
температуры возникают в зоне выхлопных труб при рулежках перед
взлетом и после посадки, а также в режиме набора высоты. В процес-
се испытаний наибольшая температура была зафиксирована в точ-
ках 1 и 2 третьего (внутреннего) двигателя и в точках 3 и 4 четвер-
того двигателя, где она достигла 142 и 155 °C. Установлено также,
что с повышением температуры окружающей среды повышается тем-
пература мотогондолы. Под влиянием нагревов сплав Д16 переходит
из стадии естественного старения (зонное старение) в стадию искус-
ственного старения (фазовое старение). В процессе этого перехода
очень резко ухудшается коррозионная стойкость сплава Д16, в том
числе коррозия под напряжением. При дальнейшем увеличении дли-
тельности выдержки или повышении температуры коррозионная
стойкость вновь улучшается. Предел текучести сплава растет, сбли-
жаясь с пределом прочности; удлинение снижается; чувствитель-
ность к трещине увеличивается. По механическим характеристикам
искусственно состаренный сплав Д16 приближается к сплаву В95
и требует тех же предосторожностей при изготовлении конструкций.
Однако применять естественно состаренный сплав Д16 в конструк-
циях, подвергающихся нагревам, не рекомендуется из-за возникаю-
щей пр1 этом неудовлетворительной коррозионной стойкости. Ис-
кусственно состаренный сплав Д16 в отношении коррозионных воз-
действий ведет себя достаточно устойчиво; эксплуатационные нагре-
вы, подобные отмеченным выше, практически не влияют на его свой-
ства. Исходя из этих соображений обшивку мотогондол самолетов
ИЛ-18, подвергающихся значительным эксплуатационным нагревам,
выполняли из искусственно состаренного сплава Д16. Многолетний
опыт эксплуатации подтвердил ее полную надежность.
В ряде случаев в конструкциях, подвергающихся нагревам, целе-
сообразнее применять сплав Д19 вместо сплава Д16. У сплава Д19
понижение коррозионной стойкости под влиянием температурных
нагревов происходит несколько медленнее. Высокопрочные сплавы
системы А1—Zn—Mg—Си требуют наиболее внимательного отноше-
ния. Известны катастрофы с американскими истребителями «Скор-
пион», а также самолетами «Мартин 202», у которых разрушались
выполненные из высокопрочного сплава 7075 (аналог сплава В95)
лонжероны и стыковые узлы, соединяющие крылья с центропланом.
Эти разрушения вызывались порывами ветра при полетах в не-
спокойном воздухе й маневрами самолетов, создававшими сравни-
тельно медленные повторные нагрузки.
Обстоятельные исследования С. И. Кишкиной [10, 16] показали,
что нагрузки небольшой частоты более опасны для возникновения
и дальнейшего развития трещин, чем быстрые частые нагрузки.
Согласно этим данным, рост усталостной трещины в начальный пе-
риод не зависит от частоты. Однако при малой частоте резкий рост
скорости наступает при достижении трещиной площади 3 мм2, тогда
как при частоте 2400 цикл/мин такое же ускорение наступает при
значительно больших размерах трещины. Число циклов до обнару-
жения усталостной трещины мало зависит от частоты циклов. Однако
141
Рис. 4.19. Силовые детали из сплава
В93 самолета АН-22:
а — коробка фюзеляжа с узлами; б —
кронштейн навески главного шасси;
е — рычаг главного шасси; г — фи-
тинг лонжерона центроплана
частота нагружения оказывает большое влияние на скорость разви-
тия трещины вплоть до разрушения образца.
В настоящее время все конструкции новых самолетов подвергают
натурным испытаниям на статические и повторные нагрузки.
Наиболее широко высокопрочные алюминиевые сплавы системы
Al—Zn—Mg—Си, особенно сплав В93, применены в самолете АН-22.
Из сплава В93 изготавливают штамповки массой до 200 кг и по-
ковки массой до 5 т. Во всем диапазоне масс и толщин (до 500 мм)
свойства сплава В93 сохраняются. В конструкции самолета АН-22
(«Антей») из сплава В93 изготовлено 700 высоконагр уженных дета-
лей из прессованных полуфабрикатов и штамповок (рис. 4.19), что
позволило снизить массу конструкции на несколько тонн. Полу-
фабрикаты из сплава В93 механически обрабатывают, как правило,
в сыром состоянии, за исключением стыковых мест. Закалка деталей
в горячей воде вызывает сравнительно небольшие поводки. Оконча-
тельную механическую обработку мест стыка производят после ис-
кусственного старения. Повторные закалки и старение, деталей из
сплава В93 приводят к некоторому изменению размеров, что необхо-
димо учитывать при разметке.
В случае применения при низких температурах сплавов В93 под-
вергают искусственному старению при повышенных температурах;
при этом уровень прочности при комнатной температуре несколько
снижается, пластичность повышается и остается достаточно высокой
вплоть до температуры жидкого гелия.
Накоплен очень большой опыт применения сплава В95 в узлах
конструкций, работающих на сжатие (обшивка крыльев и оперения
в виде листов, профилей и прессованных панелей). В ряде конструк-
142
ций его применяют и в растянутых зонах. Сплав В93 так же, как и
другие высокопрочные сплавы системы А1—Zn—Mg—Си, чувстви-
телен к царапинам, малым радиусам и перекосам. Поэтому требова-
ния к деталям, узлам, сборке изделий из сплавов В95 и В93 достаточ-
но высокие. Изготовление сплава В95 с пониженным содержанием
железа и кремния существенно улучшает его пластичность и трещино-
стойкость. Наиболее прочным является сплав В96Ц, его последняя
модификация — сплав В96ЦЗ обладаёт высокой пластичностью, что
открывает возможности к достаточно широкому применению его
в летательных аппаратах.
Оригинальный отечественный сплав 1420, разработанный в ре-
зультате открытия И. Н. Фридляндером с сотрудниками [20] эф-
фекта старения в системе Al- Mg—Li с цирконием, имеет малую
плотность, сравнительно высокую прочность, удовлетворительную
коррозионную стойкость и повышенный модуль упругости. Он са-
мый легкий из всех алюминиевых сплавов. Плотность его равна
2,47 г/см3, что на 10—15 % меньше по сравнению со стандартными
сплавами; модуль нормальной упругости равен 75 ГПа.
По прочности сплав 1420 находится на уровне сплава Д16, но
превосходит его по удельной прочности и модулю упругости и не-
сколько уступает по пластичности. Предельные показатели штампуе-
мости листов сплава 1420 при комнатной температуре в состоянии
после закалки в воде следующие: коэффициент вытяжки 1,67; коэф-
фициент отбортовки 1,29; коэффициент плоской выдавки 0,27; ми-
нимальный радиус гибки 1,55 (S—толщина материала).
При необходимости получения больших показателей штамповку
производят в несколько переходов.
Вафельные штамповки панелей из сплава 1420 позволяют осу-
ществлять гибку по контуру изделия (см. рис. 4.4). По статической
выносливости сплав 1420 близок к сплаву АК4-1.
Применение в конструкциях полуфабрикатов из сплава 1420 вза-
мен сплава Д16 обеспечивает снижение массы изделий на 10—12 %
в растянутой зоне только за счет уменьшенной плотности, а в сжа-
той зоне, где важен более высокий модуль упругости, — на 18 %.
Внедрение штампованных вафельных панелей позволило снизить
трудоемкость изготовления узла на 50 %, улучшить герметичность
и надежность конструкции. Вместе с тем используются и другие алю-
миниевые сплавы с литием (ВАД-23 и пр.).
Ценный комплекс свойств, которыми обладают алюминиевоберил-
лиевые сплавы, создает благоприятные условия для их эффективного
применения в конструкциях летательных аппаратов, в том числе
в самолетостроении. В этом сплаве наряду с легкостью (плотность
2,0—2,4 г/см3), высоким модулем упругости (140—220 ГПа) и
высокой прочностью (450—600 МПа) характерны повышенная по
сравнению с бериллием (в 10—15 раз) ударная вязкость, пониженная
чувствительность к надрезам (в 3—4 раза ниже, чем у бериллия)
и повторным нагрузкам. Важное значение имеет возможность соеди-
нения алюминиевобериллиевых сплавов между собой и с другими ма-
териалами всеми видами сварки, пайки и склеивания, получения
143
Рис. 4.20. Элерон крыла самолета конструкции П. В. Цыбина
методами объемной и листовой штамповки деталей практически лю-
бой формы, хорошая коррозионная стойкость.
Советскому Союзу принадлежит приоритет в разработке и освое-
нии технологии производства и применения сплавов типа АБМ си-
стемы А1—Be—Mg, работы по которым проводились под руковод-
ством И. Н. Фридляндера и К- П. Яценко [21]. В СССР в 1956—
1958 гг. был построен самолет конструкции П. В. Цыбина с широким
применением полуфабрикатов из сплава АБМ-1 (рис. 4.20). Одним
из важнейших показателей материала является удельная жесткость
Рис. 4.21. Испытания элерона крыла нз сплава АБМ-1
144
Ely. влияющая на величины перегрузок, флаттер и дивергенцию, и
в значительной степени определяющая величину реверса элеронов
для крыльев, имеющих малую относительную толщину профиля.
Минимальная масса элементов, работающих на сжатие, получает-
ся при максимальном удельном модуле упругости. Высокий модуль
упругости алюминиевобериллиевых сплавов позволяет полностью
использовать и высокую прочность материала. Все это очень важно
для создания эффективных тонкостенных конструкций. Следует так-
же отметить, что большой модуль упругости позволяет уменьшить
амплитуду вибраций. Это имеет важное значение для внешней об-
шивки, подверженной флаттеру и значительным акустическим дав-
лениям, вызываемым двигателями.
Опыт изготовления на двух заводах значительного количества
плоскостей с применением сплава АБМ-1 (горизонтальное оперение,
кили, элероны и др.) свидетельствует об отсутствии каких-либо
особых технологических трудностей.
На рис. 4.21 показано испытание элерона первого агрегата,
изготовленного из сплава АБМ-1. Наибольшая экономия в массе
достигается при правильном применении алюминиевобериллиевых
сплавов в специфических конструктивных схемах, разработанных
с учетом особенностей этих сплавов.
5. СПЛАВЫ ДЛЯ СВЕРХЗВУКОВОЙ АВИАЦИИ
При полете летательных аппаратов со сверхзвуковой скоростью по-
вышается температура потока вблизи поверхности конструкции и
аэродинамический нагрев приводит к повышению температуры об-
шивки и всей конструкции.
Схема тепловых потоков, действующих на летательный аппарат
в полете со сверхзвуковой скоростью, приведена на рис. 4.22.
Температура воздушного слоя у обшивки является функцией от
высоты и скорости полета самолета, выраженной числом Маха (число
Маха М выражается отношением скорости движения летательного
аппарата к скорости звука при одинаковой плотности воздуха; ско-
рость звука прямо пропорциональна плотности воздуха и изменяется
с изменением высоты, температуры и давления воздуха).
Температура заторможенного потока То может быть выражена
следующей формулой:
То = Тк [1 + (k — 1) А42/2 ],
где k — показатель адиабаты (для воздуха k =1,4); Тп — темпера-
тура невозмущенного воздуха на высоте полета Н.
Кривые равных установившихся температур обшивки в функции
числа М и высоты полета Н приведены на рис. 4.23. На рис. 4.24
показаны области режимов полета и тепловых потоков, преоблада-
ющих в общем тепловом балансе.
* Первыми сверхзвуковыми пассажирскими машинами являются
самолеты ТУ-144 и «Конкорд».
145
И
Рис. 4.23. График равных
установившихся темпера-
тур обшивки в функции
числа М и высоты полета Н:
А — тепловой поток от по-
граничного слоя минус
теплоизлучение плюс сол-
нечная радиация; Б —
тепловой поток от погра-
ничного слоя минус тепло-
излучение; В — тепловой
поток только от погранич-
ного слоя
Рис. 4.22. Схема тепловых потоков,
действующих на летательный аппарат
в полете со сверхзвуковой скоростью:
1 — тепловой поток от пограничного
слоя и излучения обтекающего газа;
2 — тепло от бортового оборудования;
3 — тепло, излучаемое с поверхности;
4 — атмосфера и солнечная радиация
Распределение температуры на верхней
поверхности самолета «Конкорд» при ско-
рости полета М = 2,2 на высоте 18,25 км
показано на рис. 4.25 [14]. Максимальная
температура в носовой части самолета до-
стигает 153 °C. Температура обшивки
уменьшается от носка к средней части и на
расстоянии 20—30 м от носка составляет
117 °C. На передней кромке крыла темпе-
ратура достигает 130 °C. Распределение
температуры на нижней поверхности крыла, как указывают
авторы, имеет более сложный характер вследствие непосредствен-
ной близости топлива к нижней поверхности, а также расходования
и перекачки топлива.
Для оценки способности материала к работе при повышенных тем-
пературах важна продолжительность каждого полета и суммарный
Рис. 4.24. Области режимов по-
лета н тепловых потоков, преоб-
ладающих в общем тепловом
балансе
Расстояние от носка фюзеляжа, /4
Рис. 4.25. Распределение температуры па верхней по-
верхности самолета «Конкорд» при скорости полета
Д1 =2,2 на высоте 18,25 км
146
Рис. 4.26. График трехча-
сового полета самолета
< Конкорд» (^обш — темпе-
ратура обшивки)
ресурс летного времени. Для современных пассажирских самолетов
общий ресурс принимается равным 20 000—30 000 летных часов.
На рис. 4.26 показан типичный график трехчасового полета само-
лета «Конкорд», характеризующий соотношение между скоростью,
высотой, временем и температурой обшивки.
Анализ маршрутов показывает, что фактическая средняя продол-
жительность полета составляет ~1,5 ч и на многих участках ско-
рость полета будет пониженной (менее 2,2 /И). Если учесть это об-
стоятельство, то окажется, что долговечность конструкции может
быть увеличена до 40 000 ч. Для каждого конкретного типа самолета
вероятные графики полета должны учитываться по возможности
полнее. Расчет конструкции производят, исходя из временного со-
противления материала при эксплуатационной температуре в конце
расчетного ресурса эксплуатации. Поскольку максимальные нагруз-
ки могут соответствовать началу и концу полета при небольшой ско-
рости полета в турбулентной атмосфере и при выполнении маневров,
важное значение имеет также так называемая восстановленная проч-
ность, т. е. прочность материала при комнатной температуре после
суммарного нагрева, отвечающего эксплуатационному ресурсу.
Помимо расчетных нагрузок при каждом полете сверхзвукового
самолета, возникают дополнительные напряжения и деформации
из-за неравномерного нагрева и охлаждения конструкции. Так, об-
шивка нагревается и охлаждается быстрее, чем внутренние элементы
конструкции; некоторые части конструкции охлаждаются топливом,
кроме того, в случае применения разнородных материалов, например
алюминиевых сплавов, титана и стали, дополнительные напряжения
и поводки возникают из-за различий в теплопроводности и коэф-
фициентах линейного расширения материалов. Для уменьшения не-
благоприятного воздействия этих факторов применяют различные
конструкторско-технологические приемы, например компенсацион-
ные соединения с помощью зигованного листа, ферменные конструк-
ции с шарнирными соединениями и т. д.
При полетах в неспокойном воздухе и под влиянием ряда виб-
раций материал испытывает усталостные нагружения. Их вызывают
также акустические нагрузки. В то время как у дозвуковых само-
летов акустическим нагрузкам подвергаются лишь элементы кон-
147
90
Рис. 4.27. Выносливость прессо-
ванных панелей из сплавов
В95Т1 (/) и Д16Т (2) при пуль-
сирующем растяжении (по дан-
ным Н. Н. Гуржий)
струкций, находящиеся вблизи струи реактивных двигателей, у сверх-
звуковых машин эти нагрузки испытывает почти вся конструкция.
Уровень усталостных нагружений в сверхзвуковых самолетах
не должен превышать 25 % от расчетной статической нагрузки.
Для противодействия акустическим нагрузкам создается высокая
местная жесткость.
Длительное воздействие высоких температур и напряжений вы-
зывает ползучесть материала. После каждого полета под влиянием
ползучести материала происходит некоторое необратимое изменение
размеров конструкции, которое продолжает нарастать в процессе
эксплуатации. Величину деформации ползучести для всего срока
службы конструкции желательно ограничить 0,1 или 0,001 % от
начальных размеров. Особенно подвержены ползучести участки сое-
динений, поэтому целесообразно использовать крупногабаритные
элементы конструкции. В частности, обшивку крыла обычно изго-
тавливают путем фрезеровки плит. Такая конструкция обеспечивает
при одной и той же массе большую жесткость при действии местных
Таблица 4.11. Типичные
механические свойства полуфабрикатов
из сплава Д21
Вид полуфабриката
Поковки и штампов-
ки ................
Листы плакирован-
ные ...............
Профили прессован-
ные с толщиной стен-
ки 4 мм ...........
Прутки прессованные
диаметром, мм:
20—50 ...........
150 .............
440
430
430
460
470
380 8
360 9
350 8
380 10
390 9,5
аэродинамических нагрузок, вызы-
ваемых температурными и акусти-
ческими факторами. Кроме того,
в этом случае легко создаются уси-
ления вырезов (люков и пр.), необ-
ходимых для доступа во внутренние
зоны крыла.
На рис. 4.27 представлены кри-
вые выносливости прессованных
панелей из конструкционных спла-
вов Д16 и В95Т1 при пульсирую-
щем растяжении.
В табл. 4.11 приведены типич-
ные механические свойства полу-
фабрикатов из сплава Д21, который
по свойствам при 20 °C не уступает
сплаву Д16, а по длительной проч-
ности за 200 ч значительно превос-
ходит сплав АК4-1 вплоть до 275°С.
148
Режимы термообработки сплавов Д21: температура нагрева перед
закалкой 525 + 5 С, старение при 180—190 СС с выдержкой 15—
20 ч.
Высокопрочный сплав В95 сохраняет преимущества по восстанов-
ленной прочности по сравнению со сплавами АК4-1 и Д16 при вы-
держках до 1000 ч при температуре до 125 °C. Соответственно с этим
его можно успешно применять в аппаратах разового действия до
температур ~125СС и в самолетах, рассчитанных на небольшой ре-
сурс до температуры порядка 100 СС. При длительных выдержках —
порядка 20 000—30 000 ч и температурах 125—150 °C более выгоден
сплав А1\4-1 и, возможно, сплав Д21.
Сплавы Д16Т1 и АК4-1Т1 имеют практически одинаковую чув-
ствительность к трещине, при этом сплав АК4-1Т1 имеет более вяз-
кий излом. При естественном старении сплав Д16 имеет явное преи-
мущество по вязкости разрушения и по критической длине трещин.
Выносливость сплава АК4—1 в искусственно состаренном состоя-
нии незначительно отличается от выносливости сплава Д16 на глад-
ких образцах и на образцах с надрезом (рис. 4.28).
Сплав Д16 по сопротивлению ползучести явно уступает сплаву
АК4—1. Следует также иметь в виду, что естественно состаренный
сплав Д16 в процессе нагрева проходит через стадию резко пони-
женной коррозионной стойкости и по этой причине также неприем-
лем для применения в конструкциях, подвергающихся длительному
нагреву.
Оценивая влияние предварительного нагрева на статическую
выносливость надрезанных образцов и заклепочных соединений из
листов сплавов Д16АТ и АК4-1Т1 (рис. 4.29—4.31), можно сделать
вывод, что предварительный нагрев до 100 ч при 150 СС заметно
Рис. 4.29. Статическая выносли-
вость после предварительных вы-
держек надрезанных образцов из
листов сплава Д16АТ при 150 °C
(по данным 5. Ф- Богданова и
3. Н. Калгановой):
1 — без выдержки; 2 — выдержка
20 000 ч
Рис. 4.28. Предел усталости (Li
гладких (/) и надрезанных (2) образ-
цов из различных алюминиевых
сплавов при консольном изгибе
на базе 2-10’ цикл:
I — ковано-катаная плита толщи-
ной 60 мм из сплава АК4-1Т1; II —
пруток диаметром 20 мм из сплава
Д16Т
149
Рис. 4.30. Зависимость относительной выносливости Л^/TV надрезанных образцов из листов
сплава Д16АТ от времени выдержки /:
а — при 150 °C; б — при различных температурах; N^. — число циклов до разрушения об-
разцов после предварительного нагрева; N — число циклов до разрушения исходных образ-
цов; (по данным Б. Ф. Богданова и 3. Н. Калгановой):
1, 2 — о = ПО МПа; 3 — о = 220 МПа
к существенному снижению статической выносливости не приводит.
Предварительный нагрев при 130 °C в течение 5 000—10 000 ч не
оказывает существенного влияния на статическую выносливость над-
резанных образцов и заклепочных соединений из сплава АК4-1Т1
при испытаниях при нормальной температуре и низких напряжениях
(о =110 МПа); более высокая температура предварительного нагрева
в течение 5 000—10 000 ч приводит к существенному снижению
статической выносливости надрезанных образцов и особенно закле-
почных соединений из сплава АК4-1Т1.
Следовательно, наиболее приемлемым сплавом для сверхзвуковых
пассажирских самолетов является алюминиевый жаропрочный сплав
АК4-1. Необходимо, однако, отметить, что опыт использования сверх-
звуковых пассажирских самолетов не подтвердил их целесообразности.
Рис. 4.31. Влияние предварительного нагрева различной длительности на статическую
выносливость образцов из листа сплава АК4-1 (повторные напряжения 6,34-0,7<jpa3) (по
данным Б. Ф. Богданова и 3. Н. Калгановой):
а — надрезанные образцы; б — образцы заклепочного соединения; 1 — без выдержки;
2 — выдержка 10 000 ч при 175 °C; 3 — выдержка 30 000 ч при 175 °C; 4 — выдержка 10 000 ч
прн 150 °C
150
6. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СВАРИВАЕМЫЕ СПЛАВЫ
Сварные конструкции из алюминиевых сплавов находят широкое
применение. Достоинства этих соединений — герметичность, что
очень важно при изготовлении емкостей и различного рода герметич-
ных отсеков, а также устранение вредных и трудоемких клепальных
работ.
До последнего времени основным конструкционным свариваемым
сплавом был неупрочняемый термической обработкой сплав АМгб
с временным сопротивлением порядка 340 -МПа и пределом текучести
~ 180 МПа, что существенно ниже свойств широко распространенных
алюминиевых сплавов Д16 и В95, применяемых в клепаных конструк-
циях.
Повышение прочностных характеристик свариваемых сплавов
осуществляется нагартовкой полуфабрикатов, использованием спла-
вов, упрочняемых термической обработкой и сочетанием методов
термической обработки и нагартовки (табл. 4.12). Однако в зоне свар-
ных швов упрочнение от нагартовки или термической обработки
может сниматься, вызывая необходимость в соответственном мест-
ном утолщении материала для получения равнопрочной конструкции.
Сварные конструкции из алюминиевых деформируемых, сплавов
широко используют, например, при создании сварного бака, по-
мещаемого в крыле самолета, сварных конструкций корпусов ракет,
емкостей для топлива и пр.
На транспортных самолетах 30—40-х годов горючее размещалось
в металлических клепано-сварных силовых баках. Реактивные и
Таблица 4.12. Механические свойства свариваемых алюминиевых сплавов
различных систем
Система Марка сплава <тв, МПа а0,2’ МПа (основной материал) Конструк- тивная проч- ность без усиления, МПа Склонность К коррозионному растрескиванию под напряжени- ем
основной материал сварной шов
Al—Mg АМгбМ 320 310 160 280 Не склонен
АМгбН (20 % на- гартовки) 380 340 290 — Мало склонен
АМгбН (40 % на- гартовки) 430 370 300 — Склонен
Al—Zn—Mg 1915 370 350 260 300 »
Al—Cu—Mn Д20, 1201 430 300 340 290—300 Мало склонен
Al—Cu—Mn—Cd 01205 460 320 370 Не склонен
Al—Cu—Mg—Si АК8 440 320 320 300 Мало склонен
Al—Cu—Mg ВАД1 410 370 300 320 Не склонен
Al—Be АБМ-1, АБМ-2, АБМ-3 400— 650 400 220— 550 370 То же
Al—AI2O3 САП-1 290 260 220 220 »
Al—Si—Ni САС-1 270 150 200 — 1 »
151
турбовинтовые самолеты потребовали увеличения запасов горючего
и, следовательно, полезного объема топливных баков. Общая ем-
кость топливных баков современных тяжелых самолетов возросла
примерно в 40 раз по сравнению с легкими самолетами типа ЛИ-2.
С увеличением габаритов вырастают масса и трудоемкость изготов-
ления клепано-сварных баков. Кроме того, клепано-сварные баки
имеют сравнительно низкий ресурс — 1000 летных часов.
Создание крыльев-баков с герметичными кессонными отсеками
резко снижает массу конструкции и повышает ресурс эксплуатации.
Изготовление такой конструкции связано с рядом трудностей, ос-
новная из которых — выбор свариваемого материала, удельная проч-
ность которого не уступала бы прочности применяемых в настоящее
время конструкционных алюминиевых сплавов типа Д16Т и В95Т1.
Свариваемые термически неупрочняемые сплавы типа магналий
В отечественной практике накоплен большой опыт применения сва-
риваемых алюминиевых сплавов, не упрочняемых термической об-
работкой, особенно сплавов типа магналий (АМг2, АМгЗ, АМг4,
АМг5, АМгб, АМг61).
Низколегированные сплавы АМг2 и АМгЗ применяют при изго-
товлении различных бензо- и маслотрубопроводов в самолетострое-
нии и в других летательных аппаратах. Пластичность и коррозион-
ная стойкость сварных соединений из этих сплавов такие же высокие,
как и у основного материала.
Полуфабрикаты из сплава АМгЗ сравнительно широко применяют
для изготовления сварных баков и деталей сварных конструкций
средней прочности. Сплавы АМг4, АМгб, АМгб и АМг61 как более
прочные используют в более нагруженных сварных конструкциях.
Для повышения прочности и особенно предела текучести листов
и плит из сплава АМгб толщиной до 15—20 мм их нагартовывают
(на 20—40 %), что обеспечивает временное сопротивление порядка
400—500 МПа, предел текучести — более 290 МПа, относительное
удлинение — более 6 %.
Нагартованный материал более чувствителен к перекосам и тре-
щинам. Конструкции, изготовленные из него, должны отличаться
большей плавностью форм и радиусов переходов, не должны иметь
острых подрезов и других концентраторов напряжений. Особенно
нежелательны в конструкциях резкие переходы сечений, что может
привести к появлению больших местных напряжений при изгибе.
В то же время сварные швы из нагартованного и ненагартованного
сплава АМгб мало отличаются друг от друга в результате отжига
материала в зоне сварки.
Свариваемые термически упрочняемые сплавы
Самозакаливающиеся сплавы 1915 и В92ц. Термически упрочняемые
свариваемые сплавы системы А1—Zn—Mg имеют более высокие
технологические и прочностные свойства по сравнению со сплавами
системы А1—Mg.
152
Таблица 4.13. Механические свойства основного материала и сварных
соединений плакированных листов из сплава 1201
Толщина листов, мм Основной материал Сварные соединения с усилением*
состояние материала сгв, МПа oq д» МПа 6, % о'в, МПа а, град
2,0 т 330 220 17 290 70—90
10,0 Т1 430 330 10 270 40—50
— Т1Н 440 350 8 — —
* Без термообработки после сварки, до сварки — состояние Т1.
Наиболее перспективными для применения являются низко- и
среднелегированные сплавы системы А1—Zn—Mg с суммарным со-
держанием цинка и магния в пределах 5—7 %, легированные до-
полнительно марганцем, хромом, цирконием. К ним относятся спла-
вы 1915 и В92ц.
Недостаток этих сплавов — склонность к замедленному разруше-
нию при наличии сравнительно невысоких сварочных или монтаж-
ных напряжений [9, 22].
Свариваемые сплавы для изделий, работающих при криогенных
и повышенных температурах. Для сварных конструкций, работаю-
щих при криогенных и повышенных температурах, применяют спла-
вы АК8, 1201, 01205, ВАД1.
В табл. 4.13 приведены механические свойства плакированных
листов всех толщин из сплава 1201 и его сварных соединений. От-
личие сплава 1201 состоит в пониженной прочности сварных швов
по сравнению с основным материалом, что особенно проявляется
в случае больших толщин. Поэтому зоны сварных швов необходимо
основательно усиливать; в процессе производства сварных изделий
следует принимать меры защиты сплава от коррозионных воздей-
ствий (деминерализация воды, применяемой для гидравлических ис-
пытаний, быстрая просушка горячим воздухом после испытаний и
пр.). Термически упрочняемые сплавы АК8 и 1201 практически не
склонны к замедленному разрушению, а кроме того, они имеют до-
статочно высокую пластичность основного металла при температуре
жидкого водорода и гелия, что позволяет успешно применять их
в качестве основного металла и в сварных соединениях.
7. СПЛАВЫ ДЛЯ ВНУТРЕННЕЙ ДЕКОРАТИВНОЙ ОТДЕЛКИ КАБИН
САМОЛЕТОВ И ВЕРТОЛЕТОВ
Для создания красивого внутреннего интерьера кабины самолета
или вертолета алюминиевые сплавы подвергают соответствующей
декоративной отделке. В зависимости от марки сплава и его назначе-
ния его можно анодировать, эматалировать или эмалировать. Ано-
дирование — самый распространенный способ декоративно-защитной
153
Отделки алюминия и его сплавов. При выборе марки сплавов для
той-ИЛИ иной детали художник-конструктор должен учитывать, что
чем чище этот сплав по примесям, тем выше его качество отделки.
Алюминиевые сплавы, содержащие большое количество примесей
кремния, меди, марганца, хрома, железа, полируются химическими
и электрохимическими методами хуже и анодная пленка на этих
сплавах имеет тусклый вид. Поэтому в качестве декоративной отделки
наиболее широкое применение нашли малолегированные высокотех-
нологичные алюминиевые сплавы АД1, АД31, АВ и АМц.
Для изготовления деталей, которые должны хорошо полироваться
и иметь зеркальный блеск, а прочность материала не лимитируется,
применяют сплав АД1.
Все декоративные профили для различных деталей, как правило,
изготавливают из сплавов АД31 и АВ, которые используют в этих
случаях и как конструкционные материалы, обладающие необходи-
мой прочностью (порядка 150—300 МПа в зависимости от режимов
термической обработки).
Для окантовки столиков, перегородок, дверных петель и т. д.
используют профили из сплавов АД31 и АВ. При этом в большинстве
случаев эти профили эматалируют (см. гл. 13.5).
Неокрашенная эматаль-пленка, полученная на сплавах АД31
и АВ, имеет теплый молочно-ссрый цвет. Изделия с таким покрытием
легко моются мылом или чистятся бензином от пыли, грязи и жиров.
Санитарно-технические изделия (унитазы, раковины) на некото-
рых самолетах, например на ИЛ-62, изготавливают из алюминиевого
сплава АМц. В этих случаях сплав покрывают белой эмалью. Эма-
лирование — хороший способ защиты от коррозии и придает изде-
лиям красивый вид.
8. СПЛАВЫ ДЛЯ ЛОПАСТЕЙ ВЕРТОЛЕТОВ
Вертолеты как летательные аппараты в течение последних лет на-
ходят все более широкое применение в Советском Союзе и за рубе-
жом (рис. 4.32).
Летные характеристики и надежность вертолета при эксплуатации
в значительной степени определяются совершенством конструкции
и качеством изготовления лопастей несущего винта. Это объясняется
тем, что несущий винт вертолета выполняет одновременно несколько
функций: создает подъемную силу, приводит в движение вертолет
и служит органом управления.
Лопасти несущего винта при эксплуатации подвергаются воздей-
ствию постоянных и переменных нагрузок, поэтому материал ло-
пасти должен обладать прежде всего высокой усталостной прочно-
стью.
В настоящее время в отечественном и зарубежном вертолетострое-
нии широко применяют цельнометаллические лопасти клеевой кон-
струкции, так как клеевые соединения в отличие от винтовых, закле-
почных, сварных и паяных позволяют избежать чрезмерной концен-
трации напряжений в лопасти и улучшить ее усталостные характери-
154
Рис. 4.32. Пассажирский вертолет В-8
стики. Основной силовой элемент такой лопасти — полый лонжерон
из алюминиевого сплава, прессованный через язычковую матрицу
(рис. 4.33.).
Эксплуатация вертолетов в различных климатических районах
требует от материала лопасти сохранения высокой усталостной проч-
ности и при воздействии агрессивной среды (промышленных газов,
влажного воздуха, дождя, морской влаги), т. е. высокой коррозион-
ной усталостной прочности.
В качестве материала лонжеронов лопастей вертолетов в Совет-
ском Союзе в течение длительного времени применяют сплав АВ
системы А1—Mg—Si, частичное применение получил сплав АДЗЗ
той же системы, несколько уступающий сплаву АВ по механическим
свойствам, но более коррозионностойкий. Применение сплавов си-
стемы А1—Mg—Si для лонжеронов лопастей вертолетов обусловлено
их хорошей прессуемостью, удовлетворительной коррозионной стой-
костью и низкой чувствительностью к концентрации напряжений.
Рис. 4,33. Полый лонжерон лопасти вертолета из алюминиевого сплава, прессо-
ванный через язычковую матрицу
155
Таблица 4.14. Механические В целях обеспечения надеж-
свойства профилен из сплавов АВТ1, АДЗЗТ1 (по данным Е. И. Кутайцевой, И. В. Бутусовой) ности и установленного эксплу- атационного ресурса лопастей очень жесткие требования предъ- являются не только к прочност- ным и коррозионным свойствам
Марка ов, МПа Од,2- МПа б. %
АВТ1 АДЗЗТ1 При личные свс ные сбойст 350—390 300 310—340 300—320 230 260—280 13—15 10 11—13 сплавов, но и к качеству металла в отношении неметаллических включений, макроструктуре, ка- честву поверхности лонжеронов.
270 м е ч а и и е йства, в 3hs ва. 230 В числи мспателе — 10 геле — ти- минималь- Наличие концентраторов напря- жений может привести к преж- девременному разрушению ло- пасти. Сравнительные механи-
ческие свойства профилей из
сплавов АВТ1 и АДЗЗТ1, применяемых для лопастей вертолетов,
приведены в табл. 4.14.
В табл. 4.15 приведены результаты усталостных испытаний образ-
цов из сплавов АВТ1 и АДЗЗТ1 на воздухе и под каплей 0,001 %-ного
раствора NaCl, имитирующего воздействие морской влаги.
Образцы испытывали в незащищенном состоянии с защитными
покрытиями, применяемыми в авиации.
Значительное повышение усталостной прочности сплавов для
лопастей вертолетов достигается поверхностным упрочнением лон-
жеронов с помощью виброударного метода. Срок службы лопастей
при этом удается увеличить в 2—2,5 раза.
В табл. 4.16 приведены результаты усталостных испытаний образ-
цов сплавов АВТ1 и АДЗЗТ1 в ненаклепанном и наклепанном состоя-
ниях, в исходном состоянии и с коррозионными поражениями (по
данным Е. И. Кутайцевой, В. С. Комиссаровой, II. В. Бутусовой).
Коррозионные поражения возникли при выдержке наклепанных и
ненаклепанных образцов в промышленной атмосфере в течение года;
Таблица 4.15. Предел выносливости прессованных профилей из сплавов АВТ1
(числитель) и АДЗЗТ1 (знаменатель) после испытания на воздухе и под каплей
0,001 %-ного раствора NaCl
Состояние поверхности и защитное покрытие од.! при переменном изгибе на базе 2* Ю7 никл, МПа Потерн сг_!, %
на воздухе под каплей 0,001 %-ного NaCl
Шлифованная без покрытия Анодированная в H2SO4 Анодированная в H2SO4 и лакокра- сочное покрытие 120/105 130/105 120/110 75/85 130/105 120/110 37,5/19,0
156
такие испытания олизки к усло-
виям эксплуатации лопастей в
климатических районах средней
полосы.
9. ЗАКЛЕПОЧНЫЕ СПЛАВЫ
Основным методом соединения
алюминиевых конструкций в
планере самолета является
клепка. Количество заклепок
различных наименований в кон-
струкциях планера доходит до
2 млн. шт. (в самолете ИЛ-62
около 1 800 000 шт.; в самолете
ИЛ-18 около 1 300 000 шт.).
Метод соединения клепкой
очень трудоемкий, но он хорошо
контролируется, не требует при-
менения тепла и в связи с этим
Таблица 4.16. Предел выносливости
сп laeoB АВТ1 (числитель) и АДЗЗТ1
(знаменатель) в наклепанном и
ненаклепанном состояниях, с
коррозионными поражениями и без них
Состояние поверхности (У_1 при пере- менном изгибе на базе 2-107 цикл, МПа Потери G-1. %
Шлифованная . . . 120/110
Шлифованная с кор- розионными пораже- ниями 66/56 45,0/49,5
Наклепанная .... 140/130 —-
Наклепанная с корро- зионными пораже- ниями 120/120 14,0/8,0
не наблюдается разупрочнения сплавов и изменения их корро-
зионной стойкости. Ограниченный нагрев, требуемый для выдавли-
вания лунок в некоторых листовых сплавах, не вызывает изменения
свойств.
В листах толщиной менее 2 мм под утапливаемыми го ловками кре-
пежных деталей обычно выдавливают лунки, а в более толстых ли-
стах делают зенковки. При клепке необходимо тщательно выполнять
все технологические операции во избежание появления трещин в зоне
заклепочного шва. Отверстия под заклепку' обычно высверливают,
это уменьшает опасность появления трещин. Нежелательно выдавли-
вать лунки под заклепки с потайными головками в холодном состоя-
нии, а также пробивать отверстия прн постановке любых заклепок.
При подготовке отверстий под заклепки необходимо снимать зау-
сенцы, которые могут вызвать появление трещин.
Алюминиевые сплавы, применяемые для заклепок, должны обла-
дать высокой пластичностью, достаточной для расклепываемости без
образования трещин.
Сплавы Д18 и В65 (табл. 4.17) являются наиболее употребляемыми
для клепки самолетных конструкций, особенно для автоматической
клепки, так как имеют высокую пластичность и хорошую расклепы-
ваемость в закаленном и состаренном состояниях.
Для высоконагруженных конструкций взамен сплава В65 ис-
пользуют заклепки из высокопрочного сплава В94, они имеют хо-
рошую расклепываемость и высокую прочность на срез. Заклепками
из сплава В94 можно клепать без ограничения времени после за-
калки. Однако при ударной клепке под основными головками могут
возникать небольшие трещины, поэтому7 необходим контроль мест
перехода от основных головок к стержню. Для заклепок из сплава
В94 рекомендуется главным образом прессовая клепка.
157
Таблица 4.17. Типичные механические свойства проволоки из алюминиевых
сплавов
Марка сплава тср «в °0,2 б. % Состояние постановки заклепок в
и состоя- ние МПа конструкцию
АМгбМ 190 270 150 23 Отожженное, без ограничения времени
Д18Т 210 300 170 24 Закаленное и естественно состаренное, без ограничения времени, но не ранее 4 сут после закалки
Д1ПТ 260 410 250 20 Свежезакаленное, не позднее 2 ч после за- калки
Д16ПТ 290 450 290 18 Свежезакаленное, не позднее 20 мин после закалки
Д19ПТ 290 460 280 20 Свежезакаленное, не позднее 2—6 ч (в зави- симости от диаметра заклепки) после закалки
В94Т1 320 520 440 15 Закаленное и искусственно состаренное, без ограничения времени
В65Т 260 400 250 20 Закаленное и естественно состаренное, без ограничения времени
В95ПТЗ 310 500 360 10 Закаленное и искусственно состаренное, без ограничения времени
В конструкциях, работающих при повышенных температурах
(от 125 до 250 °C), применяют заклепки из жаропрочного сплава Д19,
которые начинают разупрочняться при температуре ~250 °C.
Для повышения коррозионной стойкости заклепки перед рас-
клепкой подвергают анодированию; заклепки из сплавов Д1, Д16,
Д19 анодируют перед закалкой, поскольку их ставят в конструкцию
в свежезакаленном состоянии. Заклепки из сплавов Д18, В65 и
В94 следует анодировать после закалки и старения. Для повышения
пластичности заклепок из сплава Д19 после закалки рекомендуется
их сохранять при температуре ниже 15 °C.
10. ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ
Применяемые в конструкциях летательных аппаратов литейные
алюминиевые сплавы по особенностям механических и технологи-
ческих свойств делятся на три основные группы:
1. Сплавы, сочетающие высокие прочностные характеристики
(ств, Со,2. O'-О с высокими значениями пластичности (KCV, 6), при-
меняемые для изготовления нагруженных деталей, которые при экс-
плуатации испытывают ударные и знакопеременные нагрузки. Это —•
сплавы типа твердого раствора, например АЛЮ, ВАЛ10, ВАЛИ.
2. Высокопрочные сплавы с хорошими литейными свойствами,
применяемые для производства тонкостенных, крупногабаритных,
сложных по конструкции герметичных деталей, изготовляемых про-
грессивными методами литья (литье в кокиль, под давлением, по
выплавляемым моделям, центробежным методом и др.). К ним отно-
сятся сплавы типа силумина: АЛ9, АЛ9-1, АЛ34, ВАЛ8, В124.
158
Таблица 4.18 Типичные механические свойства при комнатной температуре
некоторых литейных алюминиевых сплавов
Сплав Способ литья Режим 1 термооб- работки МПа а0,2’ МПа 6, % Сплав Способ литья Режим термооб- работки °в> МПа с0,2’ МПа 6. %
АЛ9 3 Т4 190 140 5,0 В124 к Т6 420 380 3,0
Т5 220 160 3,0 АЛ ГО 3 Т4 320 200 10,0
АЛ34 3 Т5 320 280 2,5 Т5 370 280 6,0
к Т5 360 320 4,0 АЦР1У 3 Т1 200 180 1,0
3. Жаропрочные сплавы, применяемые для литья деталей, рабо-
тающих при 350—400 °C, например сплавы АЦР1У, АЛЗЗ.
В табл. 4.18 приведены типичные свойства некоторых литейных
алюминиевых сплавов при комнатной температуре, а в табл. 4.19 —
их технологические свойства.
Объем применения литейных алюминиевых сплавов в самолетных
конструкциях составляет по массе примерно 3—5 %. Сюда относятся
в основном сплавы АЛ9, АЛ9-1, АЛ34, АЛ19, ВАЛЮ.
Из сплавов АЛ9 и АЛ9-1 отливают всеми способами литья детали
малой и средней нагруженности типа кронштейнов, соединительных
фланцев, деталей внутреннего набора и т. д. Детали из этих сплавов
используют для конструкций, не подвергающихся нагреву.
Из сплава АЛ34 отливают (в песчаные формы и в кокиль) круп-
ные, сложные по конфигурации и нагруженные самолетные детали
типа каркасов, панелей, детали кабины штурмана самолета, детали,
работающие на герметичность, детали управления и пр.
Сплав АЛЮ в результате благоприятного сочетания высокой проч-
ности, пластичности, ударной вязкости и жаропрочности широко
применяют в конструкциях летательных аппаратов, не подвергаю-
щихся нагреву и нагревающихся, т. е. в дозвуковых и сверхзвуко-
вых самолетах. Детали из сплава АЛЮ применяют в силовых кон-
струкциях планера и в системах управления многих типов самолетов.
Из сплавов АЛЮ и ВАЛЮ отливают детали фюзеляжа, крыла,
кабины, системы управления и пр. Так, в одной из конструкций
самолетов А. Н. Туполева применяется около 2000 кг литья из сплава
Таблица 4.19. Технологические свойства и герметичность некоторых
алюминиевых сплавов
Сплав I Тптервал кри - сталлизацпи, °C Жидкотеку- честь (прутко- вая проба), мм Линейная усадка, % Г ерметичность, МПа
АЛ9 33 360 1,0 19
АЛ34 40 360 1,1 35
В124 70 340 1,1 25
АЛЮ 100 205 1,25 7
АЦР1У 30 360 1,2 20
159
АЛ 19. В отдельных конструкциях самолетов и других летательных
аппаратов используется от 100 до 300 и более наименований различ-
ных литых деталей: шпангоутов, рам, пилонов, качалок, кронштей-
нов, корпусов, фитингов, подвесок, диафрагм, стоек и пр.
Сплавы АЛЗЗ, ВАЛ10 и АЦР1У находят широкое применение
в агрегатных конструкциях. Их используют в аппаратуре и прибо-
рах обеспечения жизнедеятельностти, в системах кондиционирования
воздуха, турбохолодильниках, в системах антиобледенения, регу-
ляторах температуры и давления.
Сплав В124, обладающий хорошими технологическими свойствами
и высоким пределом текучести, применяют для литья различного
типа крыльчаток, дисков и других сложных по конфигурации дета-
лей, работающих при больших окружных скоростях вращения.
Детали из сплава В124 изготовляют всеми прогрессивными методами
литья: в песчаные формы, в кокиль, по выплавляемым моделям,
центробежным литьем и полужидкой штамповкой.
На рис. 4.34 показан корпус компрессора из сплава В124, отлитый
в кокиль, а на рис. 4.35 — комбинированный дисктурбины, отлитый
по выплавляемым моделям.
Отливки из сплава АЦР1У заменяют детали из стальных и дорого-
стоящих титановых сплавов, что позволяет снизить массу изделия
и трудоемкость изготовления деталей.
Сочетание высокой удельной прочности и хороших литейных свой-
ств все чаще позволяет применять литейные алюминиевые сплавы
для производства сложных по конфигурации деталей вместо полу-
фабрикатов из деформтамых сплавов АК4, АК6 и др.
Замена поковок и штамповок на отливки в ряде случаев позво-
ляет в несколько раз повысить коэффициент использования металла
и резко снизить трудоемкость изготовления деталей. Так, исполь-
зование сплава АЛ34 для литья силовых деталей кабины штурмана
тяжелого самолета (рис. 4.36) взамен поковок из сплава АК6 обеспе-
Рис. 4.34. Корпус компрессора из сплава В124» отлитый в кокиль
Рис- 4.35. Комбинированный диск турбины из сплава В124, отлитый по выплавляемым
моделям
160
Рис. 4.36. Детали из сплава АЛ34:
а — каркас; б — панель
чивает многократное повышение коэффициента использования метал
ла и снижение трудоемкости механической обработки.
Сплав АЛ34 применяют также для изготовления цельнолитых
узлов взамен клепаных. При этом повышается качество и техноло-
гичность конструкций.
Замена клепаной конструкции из сплавов Д16 и В95 (обтекатель
хвостового оперения, рама створки шасси) монолитной из сплава
АЛ 19 обеспечивает ее герметичность на весь период эксплуатации,
тогда как клепаная конструкция в процессе эксплуатации требует
частичного ремонта из-за потери герметичности по заклепочным и
Рис. 4.37. Крыльчатка из сплава В124, отлитая центроежным способом
Рис. 4.38. Крыльчатка с криволинейными лопастями из сплава В124, отлитая центробеж-
ным способом
6 Альтман Т. Б. и др-
161
Таб 1'нца 4 20. Трудоемкость изготовления крыльчатки из сплава В124 литьем
и механической обработкой
Наименование операции при механической обработке [ lop.MO- ч«сы 11 ан у снование операций при методе литья Нормо- часы
Резка заготовок 0.1 Отливка крыльчаток 1,7
Осадка штамповкой 0,3 Обрезка стояка и зачистка 0,3
Токарная обработ ка 0,8 Токарная "обработка 0,8
Фрезерование 60,0 Слесарная’работа 1,0
Слесарная работа 18,0 Виброгалтовка 2,0
Итого. 79,2 Итого. 5,8
болтовым соединениям. Замена клепаной конструкции монолитной
сокращает количество деформируемых деталей, цикл сборки, сни-
жает трудоемкость заготовительных работ и обеспечивает надеж-
ность (рис. 4.37, 4.38, табл. 4.20).
Из табл. 4 20 видно, что трудоемкость изготовления крыльчатки
методом литья сокращается в 13,7 раза по сравнению с изготовле-
нием методом штамповки.
Следует считать вполне доказанной возможность замены в ряде
случаев поковок и штамповок из деформируемых сплавов литыми
деталями из высокопрочных и герметичных литейных алюминиевых
сплавов. Весьма перспективен высокопрочный сплав ВАЛЮ.
Глава 5
ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В ДВИГАТЕЛЯХ1
Благодаря удачному сочетанию высоких механических и коррозион-
ных свойств с низкой плотностью алюминиевые сплавы с развитием
авиации нашли широкое применение в авиастроении и, в частности,
в двигателестроснии.
Несмотря на резкое за последние годы повышение мощности дви-
гателей, а следовательно, повышение рабочих температур, алюми-
ниевые сплавы не утратили своего значения и для большинства дви-
гателей продолжают оставаться важным конструкционным материа-
лом.
Следует отметить, что в поршневых двигателях основные детали
(картеры, головки цилиндров, поршни, детали топливной аппара-
туры) изготавливают только из алюминиевых сплавов.
В реактивных двигателях алюминиевые сплавы также находят
широкое применение. Так, например, в двигателях с центробеж-
ными компрессорами узел компрессора целиком изготовляют из
алюминиевых деформируемых сплавов (большая крыльчатка, крыль-
1 Авторы: А. Т. Туманов, О. А. Романова, М. Б. Альтман, И. Ф. Колобнев.
162
чатка вентилятора, воздухозаборник, кольцо диффузора). В двига-
телях с осевыми компрессорами из деформируемых алюминиевых
сплавов изготовляют диски компрессора, рабочие лопатки компрес-
сора и лопатки спрямляющего аппарата.
Алюминиевые литейные сплавы во всех реактивных двигателях
применяют для изготовления корпусных деталей, масляных насосов,
гидронасосов, суфлеров, приводов, различных кронштейнов, кры-
шек, фланцев и пр.
Основными свойствами материалов для деталей поршневых дви-
гателей должны быть следующие: 1) низкая плотность; высокая
теплопроводность, низкий температурный коэффициент линейного
расширения; 3) высокая жаростойкость (сопротивление газовой
коррозии при повышенных температурах); 4) высокая жаропроч-
ность; 5) । ысокая вибрационная прочность, хорошие антифрикцион-
ные свойства при повышенных температурах. Некоторые нз этих
свойств, например низкая плотность, высокая теплопроводность,
высокие жаропрочность и вибрационная прочность, являются по су-
ществу критерием, определяющим выбор материала для компрессо-
ров реактивных двигателей. Указанным требованиям вполне удовле-
творяет ряд алюминиевых сплавов.
Для изготовления деталей поршневых двигателей применяют де-
формируемые алюминиевые сплавы АК9, АК2, АК4, АК4-1 и ли-
тейные сплавы АЛЗ, АЛ5, АЛ25, АЛЗО. Для изготовления деталей
реактивных двигателей применяют деформируемые сплавы АК4,
АК4-1, ВД17 и литейные сплавы АЛ4, АЛ5, АЛ9, А Л19, АЛЗЗ и т. д.
1. СПЛАВЫ ДЛЯ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
К основным поршневым сплавам
АК2, АК4 и АК4-1, а также сплав
ный силумин, который благо-
даря высокому сопротивлению
износу и низкому коэффициенту
линейного расширения долгое
время применяли для изготовле-
ния поршней на авиационных
двигателях. Однако из-за низ-
кой прочности при комнатной и
повышенных температурах он
уступил место сплаву АК2, ко-
торый в свою очередь был заме-
нен более жаропрочным сплавом
АК4. Для поршней автомобиль-
ных и тракторных двигателей
сплав АК9 продолжает оста-
ваться основным. Сравнитель-
ные жаропрочные свойства спла-
вов АК9, АК2 и АК4 приведены
в табл. 5.1.
относятся деформируемые ставы
АК9 — так называемый жаропроч-
Таблица 5.1. Жаропрочные
свойства сплавов
t, сс °0,1/300• МПа а0,2/100- МПа Оюо. МПа
Сплав АК9
200 90 —- —
250 35 — —
270 20 — —
300 13 — —
Сплав АК2.
200 115 — —
250 50 60 —
270 25 — —
300 13 25 30
Сплав АК4
200 140 150 20
250 60 65 75
270 40 45 60
300 20 35 40
163
в*
Таблица 5.2. Механические свойства штамповок поршней из сплава АК4
при 20 *С
Место вы - резки образ- ца оЕ, МПа о0,2. МПа б. % Место вы- резки образ- ца ов. МПа °0,2‘ МПа б. %
Бобышка 435 392 11,6 Юбка 433 351 12,4
437 333 9,0 428 350 10,6
440 352 10,2 440 347 11,6
420 335 10,0 430 384 12,0
За рубежом для поршней двигателей применяют силумины эвтек-
тического и заэвтектического типа, легированные медью, магнием,
никелем, марганцем и другими элементами. Для авиационных порш-
невых двигателей применяют деформируемый сплав RR59, аналогич-
ный отечественному сплаву АК4. Сплав АК4 относится к сложной
системе А1—Си—Mg—Fe—Ni—Si.
По основным растворимым легирующим элементам (меди и магнию)
сплав АК4 считается малолегированным. Сумма этих элементов не
превышает в среднем 4—4,5 %.
В сплаве АК4 в качестве малорастворимых и практически не-
растворимых легирующих элементов в значительных количествах
содержится железо, никель и кремний.
Сочетание сравнительно малолегированного твердого раствора
как мягкой основы и большого количества твердых частиц вторых
фаз определяет хорошую сопротивляемость сплава износу. Сплав
АК4 и его модификация — сплав АК4-1 вследствие этого обладают
низким коэффициентом трения и вполне отвечают одному из основ-
ных требований, предъявляемых к деталям двигателя, и, в частно-
сти, к поршням.
Поршни из деформируемых сплавов изготовляют путем горячей
деформации — ковки и штамповки.
Термическая обработка поршней из сплава АК4 состоит из на-
грева под закалку при 530—535 °C и искусственного старения при
170 °C в течение 16 ч. Для стабилизации свойств сплава, а также
уменьшения склонности к «росту» производят дополнительный ста-
билизирующий нагрев при 220—230 °C в течение 3—4 ч. Этот нагрев
Таблица 5.3. Механические свойства поршневых сплавов при нормальной и
Марка сплава оп. МПа | б, % Твердость по Бринеллю
20 °C до стабили- зации после
20 °C 250 СС 20 °C 300 °C
АЛ 10В АЛ25 АЛЗО 200—240 200—240 200—240 0,2—0,3 0,2—0,6 0,3—0,6 : юоо—1200 1000—1100 850—900 750—850 750—850 650—750 270—320 270—330 220—270 600—720 700—800 650—700 170—200 170—230 140—160
Примечание. Стабилизацию проводили в течение 100 ч при температуре испытания.
164
повышенных температурах
НВ, МПа Озоо 100’ МПа
стабилизации
20 °C 350 °C
600—720 680—770 600—650 100—120 110—150 80—100 47,5 50 45
оказывает также благоприятное влияние на снижение в штамповке
внутренних остаточных напряжений, которые возникают главным
образом в процессе закалки из-за сложной конфигурации изделия,
Указанная технология позволяет получать поршни с удовлетвори’
тельной структурой и высокими механическими свойствами.
Механические свойства штамповок поршней в различных зонах
примерно одинаковые (табл. 5.2).
Другой деформируемый алюминиевый сплав, нашедший примене-
ние в двигателестроении, —АК6 [1]. Из этого сплава изготовляют
шта.мпованые и кованые детали сложной формы, работающие при
комнатной температуре: крыльчатки, картеры двигателей воздуш-
ного охлаждения, рычаги, тяги, штуцеры и пр.
Поршни автотракторных двигателей изготовляют из литейных
алюминиевых сплавов — преимущественно из эвтектических и за-
эвтектических силуминов, характеризующихся пониженным коэф-
фициентом линейного расширения по сравнению с другими литей-
ными сплавами на основе алюминия. Жаропрочность этих сплавов
обеспечивается главным образом за счет присутствия меди, никеля,
марганца, титана.
За рубежом разработано большое количество поршневых сплавов.
Это SAE328 и SAE332 (США), LM13 (Англия), AS8A и AS8B (Япония),
KS280 (ФРГ) и др.
К отечественным поршневым литейным алюминиевым сплавам от-
носятся АК5М7 (АЛ10В), АЛ25, ВКЖЛС-2, АЛЗО [21. Сплав АЛ25
имеет преимущества перед сплавом АЛ10В по физическим, техноло-
гическим свойствам и по жаропрочности при 300 °C (табл. 5.3).
Так, по данным Л. В. Швыревой и Г. Б. Гершмана, использование
сплава АЛ25 вместо сплава АЛ10В позволяет существенно умень-
шить зазор в сопряжении поршень—гильза, снизив за счет этого
вибрацию гильз цилиндров и общую вибрацию двигателя. Умень-
шаются инерционные нагрузки в шатунно-кривошипном механизме,
на 30—40 % повышается долговечность поршней.
По механическим, физическим и технологическим свойствам
сплав АЛ25 идентичен сплаву АЛЗО, но превосходит его по жаро-
прочности при 300 °C.
Головки цилиндров двигателей изготовляют преимущественно
из сплава АЛ5. Выбор этого сплава обусловлен сочетанием сравни-
тельно высокой жаропрочности (табл. 5.4)
и хороших литейных свойств [3].
Сплав АЛ5 имеет максимальную жаро-
прочность в литом состоянии и минималь-
ную после стабилизирующего нагрева
(табл. 5.5). Это объясняется тем, что гра-
ницы зерен твердого раствора сплава в ли-
том состоянии более упрочнены, чем в тер-
мически обработанном и особенно в стаби-
лизированном состояниях. В процессе
стабилизации микрогетерогенность вну-
три зерен a-твердого раствора в зна-
165
Таблица 5.4. Свойства сплава АЛ5 при высоких температурах (отдельно
отлитые образцы, кратковременные испытания)
Состояние сплава t, °C сгв, МПа °о,2' МПа Состояние сплава сс <ТВ, МПа °0.2- МПа
Т5 20 260 180 Т7 20 240 180
100 250 — 100 240 180
150 250 — 200 180 140
200 220 — 250 140 120
250 180 — 300 100 80
300 130 —
чительной мере исчезает. Это также является причиной понижения
прочности материала при повышенных температурах. Поэтому свой-
ства отливок из сплава АЛ5 регулируют с помощью термической
обработки. Для обеспечения наибольшей твердости применяют об-
работку по режиму Т5: нагрев под закалку при 525 ± 5 °C, вы-
держка 3—5 ч, охлаждение в воде, старение при 175 ± 5 °C в тече-
ние 5—10 ч, охлаждение на воздухе.
Повышенная жаропрочность обеспечивается применением тер-
мической обработки по режиму Т1: нагрев при 180 ± 5 °C в течение
5—10 ч, охлаждение на воздухе [3].
Иногда для изготовления головок цилиндров используют также
сплав АЛЗ.
Путем дополнительного легирования церием и цирконием предел
длительной прочности сплавов за 100 ч при 300 °C может быть повы-
шен до 50 МПа.
Сильно оребренные головки цилиндров поршневых двигателей
воздушного охлаждения отливают в кокиль. Это возможно прежде
всего благодаря удовлетворительной жидкотекучести сплавов, обес-
печивающей хорошее заполнение формы, а также их малой горяче-
ломкости.
Таблица 5.5. Длительная прочность сплава АЛ5 при 300 СС (в зависимости
от состояния, отдельно отлитые образцы)
Состояние сплава о, МПа Время до разрушения, ч
Литое 60 0,5—5
50 30—60
40 80—100
30 200—300
Тб 60 Разрушается при нагружении
50 15—30
40 40—60
30 150—200
Т6+ 10 ч стабилизации при 50 10—20
300 °C 40 20—30
30 100—140
166
Кроме того, из литейных алюминиевых сплавов А.Л4, АЛ5, АЛУ
и т. д. отливают такие крупные нагруженные детали, как блоки ци-
линдров, картеры моторов водяного охлаждения и пр. При изготов-
лении подобных деталей двигателей автомобилей, тракторов и др.
ьместо первичных сплавов используют вторичные: АК9, АК5А17
и др-
2. СПЛАВЫ ДЛЯ ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
С ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ И ОСЕВЫМИ КОМПРЕССОРАМИ
Деформируемые сплавы
Основные требования, предъявляемые к деталям реактивных дви-
гателей, по существу те же, что и для деталей поршневых двигате-
лей. Однако такие характеристики, как усталостная прочность и
жаропрочность, приобретают основное значение.
Первые реактивные двигатели имели центробежные компрессоры.
Сложный узел компрессора, состоящий из колеса компрессора
(большая крыльчатка), крыльчатки вентилятора, воздухозаборника,
кольца диффузора, изготовляли из штамповок атюминиевых спла-
вов АК4, АК4-1, АК6 и АК6-1.
За рубежом все детали центробежных компрессоров реактивных
двигателей изготовляют из сплава RR58, аналогичного сплаву АК4-1.
Оригинальные отечественные сплавы АК6 и АК6-1 применяют
для крыльчаток исключительно благодаря их высокой пластичности
в горячем состоянии.
Сплавы АК4 и АК4-1 нашли применение для деталей реактивных
двигателей благодаря высоким жаропрочности, длительной прочно-
сти и сопротивлению ползучести. Кроме того, эти сплавы очень тех-
нологичны, что важно при изготовлении таких сложных штамповок,
как крыльчатки.
В начале освоения технологии изготовления крыльчаток приме-
няли сплав АК4, а затем — сплав АК4-1, который существенно пре-
восходит сплав АК4 по длительной прочности. Эти сплавы значитель-
но различаются технологическими свойствами. Для таких сложных
деталей, как крыльчатка, наиболее подходящим оказался сплав
АК4-1. Он также более приемлем при отливке слитков непрерывным
методом, менее склонен к образованию первично кристаллизующих-
ся фаз типа FeNiAl9, представляющих собой грубые иглы или пла-
стинки.
Дтя слитков, идущих на штамповку деталей из сплава АК4-1,
разработана технология литья, полностью исключившая образова-
ние грубых включений вторых фаз. В частности, применена более
высокая температура литья (720—730 'С) при хорошо подогретом
литейном инструменте [3].
Сплав АК4-1 в отличие от сплава АК4 имеет более высокую пла-
стичность в горячем состоянии, которая необходима для изготовле-
ния очень сложных штамповок крыльчаток. Применяют следующую
технологию изготовления штамповок крыльчаток из сплава АК4-1.
Отливают слитки диаметром 370 мм, штамповку колес компрессора
167
производят непосредственно из слитков или из прессованной заго-
товки, а штамповку других деталей (воздухозаборников и крыльчаток
вентилятор^) — только из прессованной заготовки (степень дефор-
мации 75—80 %)
Существенное улучшение структуры и механических свойств
штамповок достигается в результате ковки исходной заготовки по
сложной схеме.
Штамповку кованых заготовок производят в двух штампах:
предварительном и окончательном после нагрева при 470—420 С.
Термическую обработку штамповок колес компрессора (больших
крыльчаток) производят после предварительной механической обра-
ботки по режиму: закалка после нагрева при 530 ±5 С и искус-
ственное старение при 185 + 5 °C в течение 10 ч.
Режим термической обработки штамповок крыльчаток вентиля-
тора и воздухозаборников следующий: закалка после нагрева при
535 |± 5 °C и искусственное старение при 190 + 5 С в течение 10 ч.
Указанные режимы термической обработки обеспечивают вы-
сокие механические свойства при комнатной и повышенных темпера-
турах штамповок из сплава АК4И.
Структура сплава АК4-1 существенно отличается от структуры
сплавов типа дуралюмина. Из-за отсутствия марганца сплав АК4-1
легко рекристаллизуется при горячей деформации и последующей
термической обработке. Поэтому для штамповок из сплава АК4-1
характерна более однородная и менее волокнистая равноосная макро-
структура. Однако при применении малых степеней деформации воз-
можно образование разнозернистой структуры. Это связано с тем,
что область критических степеней деформации сптава очень мала и
определяется величинами порядка 2—3 °о- Например, при осадке
с малыми степенями деформации в зонах конусов скольжения на-
блюдается местное укрупнение зерен.
Л1икроструктура в зоне пера штамповки из сплава АК4-1 приве-
дена на рис. 5.1.
Механические свойства штам-
повок из сплава АК4-1, получен-
ные при испытании образцов, вы-
резанных по представленной на
рис. 5.2 схеме, приведены в табл.
5.6.
На рис. 5.3 приведены кривые
частоты повторяемости механиче-
ских свойств штамповок воздухо-
заборника. Сравнение механиче-
ских свойств штамповок в различ-
ных направлениях показывает, что
разница по пределу прочности в
продольном и поперечном направ-
лениях составляет всего лишь
20 МПа. Снижение относительного
удлинения в поперечном направ-
Рис. 5.1. Микроструктура крыльчатки
в зоне пера из сплава АК4-1; X 200
Рис. 5.2. Контрольные схе-
мы отбора образцов для
испытания штамповок ко
леса компрессора (а), воз-
духозаборника (б) и крыль-
чатки вентилятора (в):
1—9 места вырезки об-
разцов (см. табл. 5, 6)
•пенни очень существенно и составляет 30—40 %. Степень разброса
свойств в продольных и поперечных направлениях почти одинаковая.
Штамповки из сплава АК6 изготовляют по технологии, близкой
к штамповкам из сплава АК4-1.
Штамповки воздухозаборника и штамповки крыльчатки вентиля-
тора изготовляют из прессованной заготовки.
В период освоения технологии штамповки колеса компрессора из
сплава АК6 изготовляли из литой заготовки путем простой осадки,
затем из прессованной заготовки также путем осадки. Введение
в сплав АК6 небольших присадок хрома (0,01—0,2 %) и титана
(0,02—0,1 %) существенно повысило качество штамповок. Сплав
получил новую марку АК6-1.
Слиток из сплава АК6-1 имеет заметно лучшее качество благо-
даря устранению зоны столбчатой структуры. Механические свой-
Т а б л и ц а 5.6. Средние механические свойства штамповок
Место вырезки образцов (см. рис. 5.2) ов, МПа п0,2- МПа б. % Место вырезки образцов (см. рис. 5.2) ов, МПа °0,2- МПа б. %
/ Крыльчатка вентилятора
Колесо компрессора 1 440 333 11,0
1 2 3 437 433 418 309 306 294 14,2 11,1 10,5 2 3 4 426 438 439 324 335 343 7,0 9,7 12,5
4 5 428 433 305 309 12,9 14,4 Воздухозаборники
6 426 300 13,2
7 420 303 12,9 1 446 338 11,1
8 408 296 10,5 2 415 317 7,0
9 412 295 8,8 3 436 325 10,8
4 442 337 11,7
169
Рис. 5-3. Частота повторяе-
мости механических свойств
штамповок из сплава AK4-I:
1 — по волокну, число об-
разцов 740; 2 —- поперек во-
локна, число образцов 1535
ства штамповок повышаются в результате измельчения величины
зерна.
Термическую обработку штамповок из сплавов АК6 и АК6-1 про-
изводят по режиму: нагрев под закалку в селитровой ванне при
515 + 5 °C с выдержкой в течение 60 мин, искусственное старение
при 155 ± 5 °C в течение 8—12 ч.
Микроструктура диска и пера — мелкозернистая, хорошо де-
формированная. В середине и торце ступицы микроструктура менее
деформирована, однако зоны грубой литой структуры отсутствуют
(рис. 5.4).
В табл. 5.7 приведены механические свойства штамповок колеса
компрессора из сплава АК6-1. Образцы вырезаны согласно схеме,
представленной на рис. 5.5.
Основные детали осевых компрессоров, изготавливаемые из де-
формируемых сплавов, — диски, рабочие лопатки и лопатки спрям-
ляющего аппарата. Для дисков первых ступеней, нагревающихся
при работе до 200—250 °C, применяют сплав АК4-1. За рубежом для
дисков осевых компрессоров двигателей применяют сплав RR58.
Штамповки для дисков изготовляют по следующей схеме. Слиток
диаметром 390 мм, отливаемый полунепрерывным методом, подверга-
ют осадке, затем обкатке по образующей, вторичной осадке и, на-
конец, штамповке в закрытых штампах.
Термическую обработку дисков производят после предваритель-
ной механической обработки по следующему режиму: нагрев под
Рис. 5.4. Микроструктура колеса ком-
прессора из сплава АК6-1: X 200
Рис. 5.5. Схема вырезки образцов из штам-
повок крыльчатки компрессора из сплава
АК6-1:
1—8 —номера образцов
170
Таблица 5.7. Механические свойства штамповок колеса компрессор из сплава
АК6-1
Номер образца Направление вырезки ов, МПа Oq 2. МПа с. %
1 Продольное, из пера 440—485 460 325—425 366 12,0—19,5 15,5
2 Поперечное, из пера 410—480 435 — 8,0—15,0 13,1
3 Продольное, из диска 420—450 435 310—375 345 11,0—15,5 14,0
4 Поперечное, из ступицы 375—490 400 — 9,5—17,5 12,8
5 Продольное, из диска 400—485 455 325—430 372 10,0—19,0 15,3
6 Радиальное, из ступицы 385—475 428 — 9,0—22,0 14,2
7 По высоте, из ступицы 385—475 434 — 10,0—21,5 12,8
9 Радиальное, из пера 425—465 437 310—400 347 10,0—21,5 16,3
Примечание. В числителе— минимальные и максимальные значения, в знаме-
нателе — средние значения.
закалку в селитровой ванне при 525 ± 5 "С по два диска в одном
приспособлении. Выдержку при этой температуре производят в те-
чение 3 ч. Охлаждение — в воде при 80—90 С, искусственное ста-
рение — при 190 °C с выдержкой в течение 15 ч и охлаждением на
воздухе. Стабилизацию осуществляют после чистовой механической
обработки при 190 °C в течение 8 ч.
Применение закалки в горячую воду и дополнительной стабили-
зации снижает коробление дисков в виде выпучивания центра диа-
фрагмы.
Микроструктура дисков в различных зонах детали (рис. 5.6)
практически мало различается.
Максимальные значения временного сопротивления образцов,
вырезанных в радиальном направлении, на 15 МПа выше, чем обра-
зцов, вырезанных в тангенциальном направлении (рис. 5.7).
Относительное удлинение образцов сплава АК4-1 практически
мало различается в радиальном и тангенциальном направлениях.
Предел усталости o_L на базе 5 • 107 цикл дисков компрессора
следующий: у гладких образцов 145 МПа, у образцов с надрезом
(/?РЛ0,75 мм, сск = 1,65) 100-МПа.
На рис. 5.8 приведены кривые усталости гладких образцов и
образцов с надрезом (/? = 0,25 мм, сск =3), вырезанных из штампов-
ки диска из сплава АК4-1.
Более острый надрез вызывает большее снижение усталостной
прочности. Поэтому важным требованием к качеству дисков является
171
Рис. 5.6 Микроструктура диска из сплава
АК4-1 в тангенциальном направлении;
X 200
JSO 400 420 ЧЧ0Ч60 5 7 911П151119
6в ,11 Па б1, %
Рис. 5.7. Частота повторяемости механи-
ческих свойств дисков компрессора из
сплава АК4-1:
/ — 1963 г.; 2 — 1964 г.; 3 — 1965 г.
высокий класс чистоты при механической обработке поверхности:
отсутствие на ней каких-либо рисок, которые могут оказаться кон-
центраторами напряжений и привести к снижению эксплуатацион-
ной прочности.
В табл. 5.8, 5.9 приведены характеристики жаропрочности ди-
сков из сплава АК4-1.
Рабочие лопатки компрессора и лопатки спрямляющего аппарата
изготовляют из оригинального жаропрочного отечественного сплава
типа дуралюмина ВД17 [41. (Такие же лопатки за рубежом изго-
товляют из сплава RR58.)
Как показали исследования, проведенные Л. П. Лужниковым,
максимальной жаропрочностью при 200 и 300 С в системе А1—Си—
Mg обладают сплавы, лежащие за квазибинарным разрезом в области
а -г S. Поэтому сплав ВД17 по сравнению со сплавом Д16 имеет
более высокие длительную прочность и сопротивление ползучести
Применение сплава ВД17 для лопаток компрессора вызвано еще
и тем, что он обладает более высокой
вибрационной прочностью, чем сплав
АК4-1.
Повышенная жаропрочность сплава
ВД17 обусловлена выделением при рас-
паде дисперсных частичек жаропрочной
S-фазы преимущественно по границам
зерен.
На первых стадиях освоения лопатки
из сплава ВД17 изготовляли из прессо-
ванных полос путем механической обра-
ботки резанием. Оптимальный режим
термической обработки лопаток из спла-
ва ВД17, изготовленных из прессован-
N, цикл
Рис. 5.8. Кривые выносливости
при изгибе дисков из сплава АК4-1:
1 —- гладкие образцы; 2 — образцы
с надрезом (коэффициент концен-
Tpdunn напряжений а 3)
172
Таблица 5.9 Длительная
прочность дисков из сплава АК4-1,
МПа
Таблица 5.8. Механические
свойства при 200 СС при кратковремен-
ном растяжении
Направле- ние вырезки образцов Ов, МПа °C б. % п2Ь о100 ^5ОО
200 130 330 190 90 45 280 150
Радиальное Тангенци- альное 308—328 280—325 12,0-19,0 10,5-15,0
ных полос, следующий: нагрев под закалку при 505 ± 3 °C и
искусственное старение при 170 ± 5 °C с выдержкой в течение 16 ч.
А\еханические свойства прессованных полос из сплава ВД17
приведены в табл. 5.10.
Предел усталости прессованных полос, вырезанных в продоль-
ном направлении, равен 165 (гладкие образцы) и 95 МПа (образцы
с надрезом), вырезанных в поперечном направлении - 155 (глад-
кие образцы) и 55 МПа (образцы с надрезом).
Испытания проводили на машинах типа Шенк. Радиус надреза
составлял 0,75 мм при ак 2,2.
В табл. 5.11 и 5.12 приведены механические свойства сплава
ВД17 при кратковременном растяжении при повышенных темпера-
турах и при 20 °C после выдержек при этих температурах.
В табл. 5.13 и 5.14 приведены величины предела ползучести
и длительной прочности прессованных полос сплава ВД17 при по-
вышенных температурах.
Таблица 5.10. Механические свойства прессованных полос сечением 60> ПО мм
Направление вырезки образцов Ов. МПа °0 2’ мПа б. % 4>. "о
Продольное . 520 347 17,5 20,7
Поперечное 444 300 17,0 19,9
По толщине . . 440 300 11,8 13,2
Таблица 5.11. Механические свойства при кратковременном растяжении при
комнатной и при повышенных температурах сплава ВД17 (прессованная полоса)
t, °C Е, ГПа °Р °0,2 ов б
МПа fo
20 69,9 279 331 501 13,0 21,2
100 69,9 252 294 456 15,6 22,8
150 65,7 273 302 436 16,1 28,7
200 65,6 232 279 381 16,1 33,4
250 68,0 131 171 241 16,9 66,6
300 — 96 114 174 21,5 75,9
350 67,0 26 60 ПО 27,6 85,6
173
Таблица 5 12. Влияние длительных нагревов на временное сопротивление
сплава ВД17, испытанного при комнатной температуре (прессованный пруток)
Т, Ч сгв, МПа
150 °C 200 °C 230 °C 250 °C 300 °C 350 °C
1 520 520 520 480 440 340
5 520 515 510 460 380 300
15 530 490 400 400 350 280
30 530 460 390 380 325 265
50 525 440 385 375 300 265
100 520 400 380 360 285 260
300 510 390 360 325 —
Таблица 5.13. Пределы ползучести прессованных полос сплава ВД17, МПа
/, °C °0,2/50 °0.2/100 °0,2/300 t, °C °0.2/50 °0,2/100 °0.2/300
200 160 160 120 • 270 60 50 35
230 по 90 80 300 35 32 20
250 90 75 50 320 25 20 15
Таблица 5.14. Длительная прочность прессованных полос сплава ВД17, МПа
/, °C °2 6 •Jan 0.00 0J 50 0200 02 БО 0300
200 — 220 196 180 170 170 160
230 160 140 130 125 120 120 112
250 140 115 100 95 90 90 90
270 НО 100 80 70 65 65 55
300 70 65 55 45 45 42 42
320 50 45 35 30 30 25 20
Длч серийного изготовления лопаток компрессора из сплава ВД17
разработана более рациональная технология штамповки. В качестве
исходной заготовки применяют прессованные прутки.
Исследования режимов термической обработки штампованных
лопаток ВД17 показали, что механические свойства штамповок срав-
нительно мало изменяются при температуре нагрева под закалку от
500 до 520 С. Однако при 515 С наблюдается пережог, и механи-
ческие свойства несколько снижаются.
Для нагрева под закалку штамповок, так же как и для прессован-
ных полуфабрикатов, принята температура 505 + 3°С и время вы-
держки 1,5—2 ч.
Оптимальный режим искусственного старения штампованных ло-
паток из сплава ВД17 принят следующий: температура 190 ± 5 °C;
время выдержки 17 ч.
174
Микроструктура штамповки ло-
патки из сплава ВД17 представ-
лена на рис. 5.9.
Типичные механические свой-
ства штампованных лопаток сле-
дующие: <тв = 4004-430 МПа, <тОг =
== 2804-350 МПа, 6 = 10ч-17 %.
Гарантированная длительная
прочность лопаток при 270 °C за
100 ч по ТУ составляет 65 МПа.
Поскольку сплав ВД17 обла-
дает пресс-эффектом, механические
свойства штампованных полуфаб-
рикатов ниже по сравнению с прес-
сованными вследствие потери этого
эффекта при штамповке. Пресс-
эффект, как известно, «обязан» в
значительной степени содержанию
Рис. 5.9. Микроструктура лопатки из
сплава ВД17; Х200
марганца в сплаве.
Установлено, что, например, 0,7 % марганца вызывает увеличе-
ние прочности прессованного материала после закалки и старения
на 100—110 МПа. То же количество марганца, например, в холодно-
тянутом материале дает прирост прочности 40—50 МПа, т. е. пример-
но половина упрочнения прессованного материала при добавке
марганца связана с пресс-эффектом. Жаропрочность кованых заго-
товок такая же, как и прессованных полуфабрикатов.
Литейные сплавы
Из литейных сплавов изготовляют преимущественно средний корпус
двигателя, а также корпусные детали агрегатов. Многие детали
имеют сложную конструктивную форму и работают в условиях
высоких температур (рис. 5.10). К ряду деталей предъявляются тре-
бования повышенной герметичности. Литейные алюминиевые спла-
Рис. 5.10. Литая деталь из алю-
миниевого сплава
вы, применяемые в реактивных двигате-
лях, в зависимости от условий работы
деталей можно разделить на две группы.
В первую входят высокопрочные и жа-
ропрочные сплавы АЛЮ, АЛ21, АЛЗЗ
(ВАЛ1), а также сплав АЛ5. Из этих
сплавов отливают корпуса редукторов,
приводы детали топливной аппаратуры
и пр. Во вторую группу входят сплавы
АЛ4, АЛ9, АЛ9—1, АЛ34 (ВАЛ5), харак-
теризующиеся хорошими литейными
свойствами и повышенной герметич-
ностью. Их применяют для отливки
корпусов насосов, фланцев, крышек,
арматуры и пр. Высокая жаропрочность
сплавов АЛЮ, АЛ21, АЛЗЗ объясняется
175
комплексным легированием твердого раствора элементами с понижен-
ным коэффициентом диффузии, которые вводят в сплавы в соотноше-
ниях, обеспечивающих образование сложных, устойчивых фаз.
Сплав АЛ 19 применяют для деталей, работающих до 300 С.
Для деталей из этого сплава применяют два режима закалки:
а) одноступенчатый нагрев под закалку при 5451? 'С в течение
Ю—12 ч, охлаждение в воде при температуре 20—100 С;
б) двухступенчатый нагрев: 530 ± 5 °C в течение 5 9 ч 4-
4 5451? С в течение 5—9 ч, охлаждение в воде при температуре
20—100 С.
Двухступенчатый нагрев гарантирует от пережога любые массив-
ные детали. Режим старения для всех деталей обычно применяю!
один: 175 ч 5 С с выдержкой 3—6 ч, охлаждение на воздухе.
Детали из сплава АЛ21 термически обрабатывают по следующим
режимам:
а) нагрев при 300 ± 10 °C в течение 5—10 ч, охлаждение на воз-
духе. Такой режим применяют для деталей очень сложной конфигу-
рации, работающих при 300—350 С;
б) ступенчатый нагрев под закалку с 300 до 500 'С в течение
2 ч 4- выдержка при 500 СС в течение 2 ч 4- выдержка при 525 ±
+ 5СС в течение 2—5 ч, охлаждение в воде при температуре 80—
100 еС. Отпуск при 300 °C в течение 3—10 ч, охлаждение на воздухе.
Этот режим (Т7) применяют для деталей, работающих при более вы-
соких нагрузках.
Сплав АЛЗЗ имеет более высокий уровень жаропрочности, чем
сплавы АЛ 19 и АЛ21. Детали из сплава АЛЗЗ термически обраба-
тывают по следующему режиму: нагрев под закалку при 5451? С
в течение 10—12 ч, охлаждение в воде при температуре 20—100 С.
Старение при 175 ± 5 JC в течение 3—6 ч, охлаждение на воздухе.
В табл. 5.15 приведены механические свойства сплавов при раз-
личных температурах.
Все три сплава затвердевают в широком интервале температур,
однако сплав АЛЗЗ, содержащий большое количество эвтектики,
обладает большей жидкотекучестью и менее склонен к образованию
горячих трещин, чем сплав АЛ19 (табл. 5.16), что делает возможным
изготовление из него сложных крупногабаритных деталей, армиро-
ванных стальными трубчатыми вкладышами, оформляющими криво-
линейные каналы с большим количеством ответвлений.
Т абл и на 5.15. Механические свойства сплавов АЛ19, АЛ21 и АЛЗЗ при
различных температурах
Марка сплава Состоя- ние Ов. МПа Giooi МПа
20 СС зоосс 350 СС 300 сс 350 °C 400 °C
АЛ 19 Т5 340—430 150 75 65 35 15
АЛ21 Т7 210—230 160 120 70 35 20
АЛЗЗ Т5 260—300 160 100 90 45 25
176
Т а б л II II а 5.16. Сравнительные
технологические свойства
сплавов ХЛ19, АЛ21, АЛЗЗ
м спли- на Интервал крист&ллп- гцпи, 'С Жидкоте- кучесть ’!»'!! ’30 сс. ум Горяче- ломкостъ (до появ- ления трещины), М'.1
АЛ 19 650—518 205 32.5
АЛ21 638 —555 260 22,5
АЛЗЗ 638—560 240 30.0
Таблица 5.17. Некоторые
технологические свойства
сплавов АЛ4, АЛ9, АЛ34
Ма» к а сплава Интер- вал кристал- лизации, с С Жпдко- тек\ - честь, мм Герме- тич- ность, МПа
АЛ4 600—577 360 26
АЛ9 610—577 350 19
АЛ34 610—577 350 30
Применение сплава А.Л21 ограничено пониженной прочностью
при нормальной температуре.
При литье деталей из жаропрочных сплавов необходимо обеспе-
чивать усиленное питание, использовать податливые стержни, преду-
сматривать охлаждение массивных мест и плавные переходы в се-
чении стенок деталей.
Высокие литейные и технологические свойства сплавов АЛ4,
АЛ9, АЛ9—1, АЛ34 объясняются тем, что в них входит большое
количество эвтектики. Благодаря этим свойствам можно отливать
тонкостенные, сложные по конфигурации детали, а узкий интервал
кристаллизации обеспечивает плотную структуру без рассеянной
усадочной пористости, которая является одной из причин негерметич-
ности материала (табл. 5.17).
Способность сплавов выдерживать повышенное рабочее давление
позволяет уменьшить размеры отливок, снизить массу и повысить
экономичность в эксплуатации. Это особенно важно для таких де-
талей, как, например, насосы, арматура, отдельные агрегаты и пр.
Для повышения герметичности отливок могут быть применены сле-
дующие мероприятия:
а) увеличение скорости кристаллизации путем замены литья в
песчаные формы на литье в кокиль;
б) применение автоклавов при литье, вакуумировании и актив-
ной фильтрации для рафинирования;
в) герметизация деталей путем пропитки их смолами и лаками.
В целом качество литых деталей существенно зависит от методов
литья. Так, максимальные прочностные характеристики имеют де-
та ш, полученные литьем в кокиль, высокую точность размеров —
литьем по выплавляемым модашям и под давлением. Самым произво-
дительным и дешевым являются литье под давтением и способ полу-
жидкой штамповки. Во всех случаях следует стремиться использовать
указанные методы и заменять ими литье в земляные формы.
Глава 6
ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В НЕФТЯНОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ1
В нефтяной и тесно связанной с ней химической отрасли промышлен-
ности алюминий и его сплавы нашли широкое применение в качестве
конструкционных материалов для изготовления деталей нефтепро-
мыслового оборудования, а также аппаратуры для переработки неф-
ти, нефтехимического синтеза и химических процессов.
1. СПЛАВЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ [1—7]2
Непрерывное возрастание добычи нефти и газа в Советском Союзе
достигается освоением новых месторождений, увеличением глубин
скважин, интенсификацией методов добычи. Решение этих задач
облегчается применением для изготовления нефтепромыслового обо-
рудования алюминиевых сплавов, позволяющих благодаря высокой
удельной прочности существенно уменьшить его массу, увеличить
транспортабельность, допустимую длину бурильных и эксплуатаци-
онных труб, а также уменьшить грузоподъемность станков и пр.
Для нефтяной и газовой промышленности существенным является
отсутствие искрообразования при монтаже и ремонте оборудования
и сооружений из алюминиевых сплавов, а также высокая чистота
поверхности изделий, уменьшающая гидравлическое сопротивление.
На газонефтедобывающее оборудование действует агрессивная
среда, содержащая, помимо углеводородов, минерализованную пла-
стовую воду (с содержанием хлоридов, сульфатов, органических кис-
лот), до 10 % сероводорода и 10 % углекислого газа. Высокая кор-
розионная стойкость алюминиевых сплавов в этих условиях, значи-
тельно превосходящая коррозионную стойкость конструкционной
стали, в сочетании с хорошими технологическими свойствами делает
перспективным их применение в качестве конструкционного мате-
риала для изготовления^бурильных, насосно-компрессорных, нефте-
газопроводных труб, змеевиков для нагревательных систем нефте-
наливных барж, деталей и узлов буровых установок, а также емко-
стей для хранения нефти и нефтепродуктов и тары для их перевозки.
Бурильные и насосно-компрессорные трубы. Расчеты и сравни-
тельные исследования при статических, динамических и знакопере-
менных нагрузках в условиях воздействия коррозионных сред и по-
вышенных температур при концентрациях напряжений показали не-
сомненное преимущество сплава Д16Т по сравнению с трубной
сталью группы прочности Д (по химическому составу сходной со
сталью 45). Сравнение зависимости предела текучести и относитель-
ного удлинения от температуры стали Д и различных алюминиевых
1 Под ред. докт. техн, наук А. В. Шрейдера.
2 Авторы: Л. С. Саакиян, А. П. Ефремов, А. В. Шрейдер.
178
сплавов — авиаля марки АВ, дуралюмина марок Д16Т и ВД17,
сплавов В95, В96, АК4, АК4-1, ВАД23 показывает, что по прочност-
ным характеристикам при 150 СС сплав Д16Т уступает лишь высоко-
прочному сплаву ВАД23 и др., значительно превосходя их по
пластическим свойствам. По сравнению с трубной сталью Д предел
текучести сплава Д16Т при комнатной температуре ниже на 11 %,
а при 150 СС — лишь на 3 %; удлинение при нормачьной темпера-
туре — ниже на 30 %, а при 150 °C выше на 15 %. По удельной проч-
ности сплав Д16Т превосходит сталь марки Д; удельная прочность
этого сплава, оцененная по пределу текучести, в 2,14 раз выше, чем
стали Д. Сочетание прочностных и пластических свойств при динами-
ческом приложении нагрузки и при комнатной, и при повышенных
(до 150—200 °C) температурах оказалось также лучшим у сплава
Д16Т.
Высокопрочные алюминиевые сплавы (системы А1—Си—Alg и др.)
проявляют склонность к коррозионному растрескиванию. Перспек-
тивный метод повышения стойкости таких сплавов против корро-
зионного растрескивания — термомеханическая обработка.
Сочетание высоких характеристик механических свойств и корро-
зионной стойкости сплава В96 может быть достигнуто при следующих
режимах термомеханической обработки: деформация при температуре
465 °C на 25 %, охлаждение в воде, ступенчатое старение при темпе-
ратуре 100 СС, а затем 160 °C каждый раз в течение 3 ч [6].
В сравнительно широком интервале pH скорость коррозии алю-
миниевых сплавов незначительна и не зависит от концентрации ионов
водорода. Однако в кислых средах (pH < 4) и в щелочных средах
(pH > 8) значительное влияние на скорость коррозии алюминиевых
сплавов также оказывает присутствие других ионов.
Допустимая глубина спуска колонны бурильных и насосно-ком-
прессорных труб из сплава Д16Т значительно превосходит глубину
спуска стальных труб, а в среде глинистого раствора разница в глу-
бине спуска колонн бурильных труб из стали Д и сплава Д16Т еще
больше.
Сплав Д16Т по сравнению с высокопрочными алюминиевыми
сплавами обладает меньшей чувствительностью к надрезу, что
особенно важно при эксплуатации труб в глубоких и сверхглубоких
скважинах. Хорошая обрабатываемость резанием обеспечивает вы-
сокое качество резьбовых соединений, при котором сохраняется на-
дежная герметичность. Абсолютное значение предела выносливости
сплава В95 в глинистом растворе ниже (50 МПа/м2), чем сплава Д16Т
(67,5 МПа/м2). Абсолютные значения предела выносливости стали
группы прочности Д на воздухе и в среде глинистого раствора выше,
чем сплава Д16Т, однако различие в величине предела выносливости
в глинистом растворе меньше (2,25 %), чем на воздухе (40 %), что
также положительно характеризует сплав Д16Т.
Легкосплавные бурильные трубы (ЛБТ) изготавливают из сплава
Д16 методом прямого прессования на горизонтальном гидравличе-
ском прессе с поршневой системой усилием 35 МН с последующей за-
калкой с 500 °C в воду и естественным старением.
179
Рис. 6.1. Зависимость величины
максимального тока макропары /
от pH 3 %-ных растворов NaCl:
1 — сталь 45 — сплав 52; 2 —
сталь 45 — сплав АК8; 3 — сталь
45 — сплав Д16Т
При соединении бурильных труб из
алюминиевых сплавов стальными зам-
ками наблюдается незначительная кон-
тактная коррозия в среде глинистого
раствора. Из рис. 6.1 видно, что большие
контактные токи возникают в паре сплав
52 — сталь 45. Значительно меньший
ток генерируется в паре Д16Т — сталь,
причем в слабокислых, нейтральных и
щелочных средах в этой паре отмечается
практически несущественная величина
контактного тока коррозии. Фазовые
примеси нефти и нефтепродуктов умень-
шают силу тока контактной пары Ре-—А1
в электролитах, причем более значи-
тельно при одновременном смачивании
углеводородами катодов и анодов.
Применение бурильных труб из сплава Д16Т вместо стальных и
при роторном, и при турбинном бурении сопровождается уменьше-
нием затрат времени на спуско-подъемные работы в результате сни-
жения массы бурильной колонны, увеличением скорости проходки
более чем в 2,5 раза, повышением глубины бурения скважин на 30—
40 %, а также уменьшением коррозии труб. Повышенная коррозион-
ная стойкость обеспечивает снижение расхода труб и уменьшение на
7—9 % гидравлического сопротивления при прокачивании промы-
вочной жидкости. Из-за меньшей жесткости дуралюминиевых
труб снижается износ бурильных замков о стенки обсадной ко-
лонны.
Однако эффективность использования алюминиевых бурильных
труб снижается из-за их недостаточной коррозионной стойкости при
работе в отдельных районах страны. Особенно четко коррозионные
поражения в виде точек, язв, каверн проявляются во время хране-
ния поднятых из скважин бурильных труб; это связано с активацией
поверхности труб в процессе бурения. Защита алюминиевых буриль-
ных труб против атмосферной коррозии после подъема их из скважин
достигается путем химического оксидирования в растворе двухромо-
вокислого калия. Аварии в процессе бурения, связанные с прихва-
том колонны алюминиевых труб, могут быть ликвидированы обра-
боткой пласта ингибированной 30 %-ной уксусной кислотой.
Стальные насосно-компрессорные трубы в условиях эксплуатации
газоконденсатных месторождений с агрессивной продукцией выхо-
дят из строя вследствие коррозии через 5—6 мес, в то время как
проектный срок службы труб составляет 10 лет. С целью повышения
коррозионной стойкости труб из сплава Д16Т применяют плакиро-
вание внутренней поверхности насосно-компрессорных труб алюми-
нием марки АД1 с последующим анодированием. Плакирование
освоено ВИЛСом.
Плакированные трубы подвергали закалке с 500 °C (выдержка
1 ч) в воде с добавкой бихромата калия и последующему искусствен-
180
ному старению. Нарезку резьбы производили после термообработки
при смазывании скипидаром.
Исследования стойкости к коррозии и коррозионно-эрозионному
износу показали наибольшую надежность плакированных труб
с толстослойным (40 мкм) анодированием. Однако толстослойное ано-
дирование резко увеличивает стоимость труб и усложняет технологию
их изготовления. Тонкослойное (15 мкм) анодирование обеспечи-
вает несколько меньший, однако также достаточно надежный эффект
защиты.
Муфты труб могут быть изготовлены из неплакированного алюми-
ниевого сплава ДДТ, так как запас прочности труб в 2—2,5 раза
меньше запаса прочности муфт, что, естественно, снижает требова-
ния к износостойкости последних.
Определение прочности на растяжение резьбовых соединений ано-
дированных насосно-компрессорных труб, произведенное на образ-
цах-патрубках (диаметр 25 2", толщина стенки 6,5 мм, длина 0,6 м),
свинченных при помощи муфт из сплава Д16Т, показало, что усилие
разрыва образцов колебалось в пределах0,35—0,39МН.Так как масса
колонны труб из сплава ДДТ длиной 3000 м составляет 0,14 МН, то
можно считать прочность резьбовых соединений вполне удовлетво-
рительной. Допустимая длина /доп колонны насосно-компрессорных
труб из сплава ДДТ диаметром 25 2", вычисленная по формуле
/доп = QcT^m^ (где Фетр — страгивающая нагрузка; т — масса
1 пог. м трубы, равная 9,5 кг для стали и 3,4 кг для сплава ДДТ;
К — коэффициент запаса прочности, равный 1,5), составляет 4700 м,
а для колонны труб из стали Д — лишь 2000 м. Таким образом, допу-
стимая длина колонны насосно-компрессорных труб диаметром 25 2"
из сплава ДДТ в 2,5 раза больше, чем из стали Д.
Стойкость резьбовых соединений к износу была доказана много-
кратным (до 200 раз) свинчиванием и развинчиванием труб. Макси-
мальный момент свинчивания принимали равным 1900—2200 Н-м
для труб диаметром 3" и 1200—1800 Н-м — для труб диаметром 21 2".
Через каждые 25 свинчиваний производили опрессовку маслом при
давлении 20 МПа. Нарушений герметичности или заедания резьбы
не было.
Коррозионные испытания и электрохимические исследования про-
изводили в среде, содержащей 900 мил СО2, 100 мг/л NaCl и 160 мг л
алифатических кислот (НСООН, СН3СООН, С2Н5СООН), имитирую-
щей состав водного конденсата скважин газоконденсатных место-
рождений, содержащих углекислый газ. Установлено, что сплав
ДДТ характеризуется таким же линейным характером кинетики кор-
розионного разрушения в этой среде, что и сталь Д. Интенсивность
изменения скорости коррозии стали на два порядка выше, чем сплава
ДДТ при 20—76 °C, и на один порядок при 106—136 °C. Анодиро-
вание сплава ДД тормозит начало коррозионного разрушения, но
затухания коррозии не происходит. Плакирование сплава ДДТ соз-
дает условия для торможения коррозионного процесса, который
характеризуется (для ДДАТ) параболической кинетической кривой.
Плакирование сопровождается понижением тока саморастворения
181
Рис. 6.2. Влияние скорости ‘газо-
жидкостного потока ип на скорость
износа К иасосно-компрессорных
труб из сплавов Д16АТ (кривые
/, 4, 6} и Д16Т (кривые 2, 3, 5):
1,2 — анодирование толстослой-
ное; 3, 4 — то же, тонкослойное;
5,6 — без анодирования
(при 20 °C) с 0,44 (для Д16Т) до
2,98 мкА/см2 (для плакированного спла-
ва Д16АТ). Анодирование Д16АТ соз-
дает дополнительное торможение корро-
зии: кинетический график при 20 °C
становится логарифмическим.
Анодирование сплава Д16АТ расши-
ряет область и снижает токи анодной
пассивности, повышает анодную поля-
ризуемость, уменьшает токи самораст-
ворения. Скорость коррозии анодиро-
ванного сплава в 1,5—2 раза меньше,
чем неанодированного.
Испытания на коррозионно-эрозион-
ный износ трубчатых образцов, свинчен-
ных муфтами, были проведены на уста-
новке, моделирующей условия эксплу-
атации насосно-компрессорных труб в
газовых и газоконденсатных скважинах в трех средах: газовой со взве-
шенным абразивом (песок грануляции 0,5 мкм), газожидкостной и га-
зожидкостной с абразивом. Ускоренные испытания проводили в среде,
моделирующей водный конденсат, насыщенный углекислым газом.
В результате испытаний при различных скоростях потоков и
концентрациях абразивов установлено, что до определенной скоро-
сти потока скорость разрушения поверхности металла возрастает
медленно, а при более высокой скорости износ резко увеличивается
(рис. 6.2). С повышением концентрации абразива в потоке отмечено
линейное возрастание разрушения.
Опыт эксплуатации насосно-компрессорных труб диаметром 21/г"
и длиной 3000 м из плакированного сплава Д16АТ в скважинах
газоконденсатных месторождений, содержащих углекислый газ,
в которых долговечность стальных насосно-компрессорных труб со-
ставляла лишь 5—6 мес, показал их значительное технологическое
превосходство.
Трубопроводы из алюминиевомагниевых сплавов применяют для
транспортировки сернистых нефти и газов. Они обладают высокой
коррозионной стойкостью, малой удельной массой, не требуют за-
щитных покрытий и окраски с наружной стороны, соприкасающейся
с атмосферным воздухом или морской водой. При прокладке во влаж-
ных щелочных грунтах трубопроводы необходимо изолировать.
Однако изоляция такого трубопровода в 2—3 раза дешевле соответ-
ствующего защитного покрытия на стальных трубах. При сооруже-
нии нефтепроводов применяют бесшовные плоскосворачиваемые
(в рулон) трубы. На местности производят развертку труб, далее они
раздаются воздухом или водой под давлением 0,4—0,5 МПа. Эти
трубы с толщиной стенки 4 мм при наружном диаметре 150 мм выдер-
живают давление 2,9—3,1 МПа. При перекачивании вязкой нефти
в алюминиевые нефтепроводы подают пар. При катодной защите
потенциал алюминиевого трубопровода должен смещаться к более
182
отрицательным значениям, чем величина —0,53 В по нормальному
водородному электроду (НВЭ), соответствующая потенциалу репасси-
вации питтингов.
Максимально допустимый потенциал при катодной защите алюми-
ниевого сплава АД31 не должен быть отрицательнее 1,0 В, сплава
АМг2 —1,1 В, сплава АВ —1,2 В (НВЭ). Начальная плотность тока
для катодной защиты неизолированного алюминиевого трубопровода
составляет 5—10 мА/м2. Перевод алюминиевого сплава в область
устойчивого пассивного состояния позволяет снизить скорость кор-
розии до 0,003—0,005 мм/год.
Детали и узлы буровых установок. Алюминиевые сплавы приме-
няют для изготовления оснований, рам различных агрегатов, резер-
вуаров для бурового раствора, емкостей для топлива, ограждений,
перил площадок и других узлов буровых установок. Применение
сплава Д16Т для изготовления основания буровой установки позво-
лило на 60 % уменьшить его массу по сравнению со стальным.
Емкости и цистерны. Алюминий и алюминиевомагниевые сплавы
применяют для изготовления крыш и верхних поясов резервуаров
на промыслах благодаря их стойкости к воздействию паров сырой
нефти. Средний срок службы ежегодно окрашиваемых стальных
крыш составляет 8 лет, алюминиевые же крыши хорошо сохраняются
без окраски по истечении 15—20 лет. Разрушение днищ резервуаров
ускоряется из-за скопления сернистого железа, образующегося
в виде продуктов коррозии на стальных элементах, находящихся
в газовоздушном пространстве резервуара. Поэтому при изготовлении
крыш из алюминия увеличивается срок службы и днищ резервуаров.
Алюминиевую крышу резервуара монтируют из плоских щитов.
Щиты состоят из каркаса, выполненного из сварного двутавра,
прессованных швеллеров и уголков. Листы кровли приваривают
к каркасу щита. Заводские и монтажные сварные соединения кон-
струкции резервуара из алюминиевых сплавов выполняют аргонно-
дуговой сваркой. Соединение стального и алюминиевого поясов осу-
ществляют на бензостойкой полихлорвнниловой прокладке оцинко-
ванными болтами.
Благодаря высокой коррозионной стойкости алюминия горючее
при перевозках цистерн не загрязняется продуктами коррозии. При
надлежащем конструктивном оформлении алюминиевые цистерны
по прочности не уступают стальным. Это объясняется тем, что алю-
миний выдерживает высокую степень деформации.
Литейные алюминиевые сплавы применяют для изготовления
литой арматуры нефтяных резервуаров, фитингов, крышек и др.
i
2. АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ В НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ1 [8—11]
Нефтегазоперерабатывающая промышленность характеризуется
разнообразием сред и условий, в которых целесообразно применение
глюминия и его сплавов для изготовления аппаратуры.
1 Авторы А. В. Шрейдер, Л. С. Саакиян, А. П. Ефремов.
183
Основным агрессивным агентом в паровой фазе нефти является
хлористый водород, образующийся в результате термического раз-
ложения хлоридов магния и кальция при первичной перегонке нефти.
При растворении в водном конденсате образуется агрессивная соля-
ная кислота. Коррозию алюминия вызывают также некоторые реа-
генты, используемые при технологических процессах переработки
нефти (серная кислота, щелочь и др.), растворяющиеся в сопутст-
вующей нефти водной фазе.
Сероводород, образующийся при переработке нефти в результате
термического расщепления меркаптанов, сульфидов, тиофенов, а так-
же содержащийся в природном газе многих месторождений, в отли-
чие от черных металлов не разъедает алюминий даже в присутствии
воды. Сероводород является в некоторых случаях ингибитором
коррозии алюминия. Алюминиевые трубы успешно , применяют
в процессах обессеривания. В средах, содержащих КН:1 и NH3
+ H2S, алюминиевые сплавы применяют вместо латуни. Образцы из
алюминия и сплавов АМг2, АМгЗ, АМг5В, АМгб при погружении
в сырую нефть в резервуарах показали в 3—5 раз меныние потери
металла, чем образцы из стали СтЗ. Стойкость алюминиевых сплавов
в газовой фазе над нефтью и нефтепродуктами превышает стойкость
стали, если в парах отсутствуют заметные количества НС1.
Преимущества алюминиевых сплавов по сравнению с углероди-
стой сталью выявлены в алкилате орошения колонны вторичной пере-
гонки на алкилирующей установке, в зоне рефлюкса верхней части
ректификационной колонны этой установки, в зоне рефлюкса верх-
ней части ректификационной колонны на установке фенольной очи-
стки, в верхней части депропанизатора газофракционирующей уста-
новки, в загрузочной емкости дебутанизатора, в среде байпаса инерт-
ного газа установки каталитического риформинга и пр.
В среде бензина прямой гонки при 170—190 °C и давлении 0,3—
0,35 МПа сплав АМг2 подвергается глубокому питтингу (максималь-
ная глубина 1,3 мм за 4 мес), что делает магналий абсолютно непри-
годным для работы в такой среде.
В средах стабильного и нестабильного бензина вторичной гонки
в связи с практическим отсутствием в них примеси НС1 алюминиевые
сплавы характеризуются достаточно высокой коррозионной стой-
костью.
Сплав АМг2 показал высокую коррозионную стойкость в дебута-
низированном бензине при 45 °C и 0,03 МПа, а также в среде колонны
каталитического крекинга, содержащей жирный газ + H2S + пары
воды + пары бензина при 120° С и 0,045 МПа. Установлена также
высокая стойкость этого сплава в смеси паров ацетона и толуола
при 120 'С и 0,1 МПа на установке депарафинизации.
Оборудование из алюминиевых сплавов применяют на нефтепере-
рабатывающих предприятиях США. В некоторых ректификационных
колоннах успешно служат алюминиевые колпачковые тарелки. Кол
пачки служили 10—15 лет в колоннах дебутанизаторов при обработке
бензиновых погонов при 93—118 °C. Аналогичные рабочие характе-
ристики получены для колпачков фракционирующих колонн на уста-
184
новках крекинга в интервале 204—330 °C. Кольца Рашига из алюми-
ния успешно применяют в башнях для очистки углеводородных газов
от СО2 и H2S.
При переработке сероводородсодержащего природного газа кор-
розионным поражениям подвержены трубные пучки теплообменни-
ков и реакторы установок доочистки кислых газов. Результаты кор-
розионных испытаний образцов из алюминиевых сплавов АМг2М,
АМг2Н, АМгЗ, АМгб, В95, 1915, АД31, АМцН, АМцМ, Д16 и стали
45, установленных в поток поступающих в реактор газов,% (объемн.):
H2S 1,12, SO2 0,56, Н2О 30,8, N2 53, СО2 13,94 при 120-125 С пока-
зали, что скорость коррозии стали 45 составляет 0,68 мм, год. Следов
коррозионных поражений на поверхности алюминиевых сплавов не
обнаружено, отсутствовали изменения структуры и механических
свойств.
Наибольшую стойкость из испытанных алюминиевых сплавов
в этих условиях имеют сплавы АМгЗ, АМгб и Д16, скорости коррозии
которых соответственно равны 0,007, 0,006 и 0,008 мм, год.
Алюминиевые трубные пучки целесообразно применять в усло-
виях воздействия таких охлаждаемых сред, как водяной пар, газо-
образные и жидкие углеводороды с любым содержанием сероводорода
и водорода, стабилизированное и не содержащее примеси галогенов
и их соединений жидкое топливо (бензин, газойль, керосин, мазут,
соляровое масло и др.), газообразный аммиак, бензол, толуол, кси-
лолы и их производные (не имеющие сильнокислого и сильнооснов-
ного характера, а также не способные к отщеплению галогенов),
сырая нефть при температуре до 100 °C (выше которой начинается
гидролиз СаС12), обессоленная нефть с содержанием хлоридов до
100 мг/л, смазочные масла нещелочного характера.
Проблема коррозии конденсаторов и холодильников стала осо-
бенно острой в связи с переходом на рециркуляционную систему
охлаждения. Срок службы трубных пучков из углеродистых сталей
при коррозионном воздействии охлаждающей воды и неагрессивно-
сти нефтепродукта не превышает 2 лет. Сталь 15Х5М, содержание
хрома в которой не соответствует пределу пассивности, практически
не превосходит углеродистую сталь по коррозионной стойкости
в этих условиях.
Исследования коррозионной стойкости алюминиевых сплавов
(в сравнении со сталью) производили в искусственной пресной и мор-
ской охлаждающих водах. Состав искусственной пресной воды сле-
дующий, мг,л: NaCl 116; Na2S 49; Na2SO4-lC)H2O 2740; Fe2(SO4)3x
X9H2O 10; MgSO4-7H2O 260; CaSO4-2H2O 516; NaHCO3 336; pH
= 8 4-8,2.
Состав искусственной морской воды следующий, мг л: NaCl 26600;
MgCl2 2500; MgSO4-7H2O 6800; СаС12-2Н2О 2250; КС1 800; NaHCO3
200; NaBr 100; pH = 8,2-?8,4.
С увеличением скорости потока 3%-ного водного раствора NaCl,
содержащего сероводород, скорость коррозии алюминиевого сплава
Д16 возрастает значительно медленнее, чем стали 45 (рис. 6.3). Анало-
гично ведут себя другие алюминиевые сплавы, например АМгЗ, 1915.
185
Рис. 6.3. Зависимость плотности кор-
розионного тока iKOp от скорости
потока электролита:
1 — сталь 45; 2 — сплав Д16; 3 —
сплав АМгЗ
Рис. 6.4. Влияние температуры
синтетической пресной воды на
скорость коррозии иКОр материа-
лов:
/ — АМг2; 2 — АМц; 3 — АМгб;
4 — АМг5В; 5 — ЛО70 — 1: 6 —
сталь 10
Коррозионные потери в оборотной пресной охлаждающей воде
при работе труб (20—70 °C) из магналиев значительно ниже, чем из
углеродистой стали (рис. 6.4), что объясняется их анодной поляри-
зуемостью в этих условиях. Коррозия магналиев имеет близкий
к равномерному характер: со временем количество питтингов либо
быстро увеличивается (переход к «оспенной» коррозии), либо проис-
ходит их залечивание. Сплав АМц характеризуется более значи-
тельным питтингом. Склонность алюминиевых сплавов к питтинго-
образованию снижается в присутствии сероводорода.
Коррозионные потери магналиев в морской охлаждающей воде
также ниже, чем стали. Сплав АМц имеет тенденцию к глубокой пит-
тинговой коррозии, что препятствует его промышленному примене-
нию при воздействии морской воды.
ВНИИнефтемаш рекомендует в качестве основного материала
для труб сплав АМг2, который характеризуется (наряду с повышен-
ной коррозионной стойкостью в охлаждающих водах) более высо-
кими по сравнению с АМц прочностными характеристиками.
При работе в условиях воздействия охлаждающей воды с высоким
содержанием солей тяжелых металлов или воды неопределенного со-
186
става целесообразно применять трубы из сплава АМг2 с плакировкой
сплавом А1 -г 1 % Zn.
При изготовлении труб из сплава 3003 трубные решетки рекомен-
дуется выполнять из сплава 6061 Тб (сплав типа АДЗЗ). В некоторых
случаях решетки из этого сплава плакируют со стороны воды чистым
алюминием.
Исследование влияния отдельных ионов оборотной охлаждающей
воды (Cl", SO2-, S2-, НСО”, Cu2+, Fes+) на склонность сплава АЛ+2
к питтингу показало следующее:
а) хлориды (при концентрации 120 и 1200 мг/л NaCl) не влияют
на коррозионный ток в пассивном состоянии (tnac), но разблагора-
живают критический потенциал питтингообразования <(кр. пиб для
120 мг/л NaCl —259 мВ, для 1200 мг/л NaCl —375 мВ;
б) сульфаты (1200, 3500 и 35 000 мг/л Na2SO4) способствуют умень-
шению /пас и сдвигают в область более положительных значений
Фкр.пит'- для 1200 мг/л Na2SO4—155 мВ; для 3500 мг/л Na2SO4+5 мВ;
для 35000 мг/Л Na2SO4 +80 мВ;
в) сульфиды (49, 490 мг/л Na2S) увеличивают inac, но облагоражи-
вают q?Kp. пит* Для 49 мг/л Na2S —15 мВ, для 490 мг/л Na2S <ркр. Ппт
не достигается;
г) бикарбонаты (336, 3360 мг/л NaHCO3) также увеличивают inac,
но облагораживают qKp ПП1: для 336 мг/л NaHCO3 </кр. ПИт = 100 мВ;
для 3360 мг/л NaHCO3 <ркр.пит не достигается.
Наличие опасной питтинговой коррозии отмечено при содержа-
нии в растворе хлоридов также большого
(>100 мг, л) количества Fe2 (SO4)3. При введе-
нии в растворы хлоридов (120 и 1200 мг. л NaCl)
добавки сульфатов величина <ркр. пит не смеща-
ется, в то время как дополнительно вводимые
бикарбонаты и сульфиды значительно обла-
гораживают <ркр. пит в хлоридсодержащей
среде: в растворе 120 мг/л NaCl + 336 мг/л
NaHCO3 (ркр. пит =—240 мВ, а в растворе
120 мг/л NaCl + 3360 мг/л NaHCO3 q?Kp. пит =
= —98мВ (рис. 6.5). Именно этим можно объ-
яснить высокую анодную поляризуемость
сплава АМг2 и значительно более положитель-
ную величину <Ркр. пит (рис. 6.6) при 45 °C в
искусственной пресной воде среднего состава
по сравнению с таковыми в растворах хло-
ридов без бикарбонатов и сульфидов.
Магналии не подвергаются сколько-нибудь
опасному питтингу в охлаждающих водах при
увеличении содержания, мг/л: NaCl до 30 000,
Na2SO4 40 000, Na2S 500, NaHCO3 3500. Алю-
миний и магналий можно применять в охлаж-
дающих водах при 4,5 < pH < 8,5.
Изучение контактной коррозии сплава
АМг2 и стали 10 показало, что магналий
I»?
ЦЦнА/сн2)
Рис. 6.5. Потенциостатиче-
ские анодные кривые для
сплава АМг2 при 46 сС
в различных растворах*
/ — 120 мг/л NaCl 4-
+ 336 мг/л NaHCOs? 2 —
120 мг/л NaCl 4- 3360 МГ/Л
3-120 мг/л NaCl
Рис. 6.6. Потенциостатиче-
ская анодная кривая для
сплава АМг2 в среде син-
тетической пресной воды
при 45 °C
t, Ч
Рис. 6.7. Изменение во времени кон-
тактного коррозионного тока пары
сплав АМг2 — сталь 10 в синтетиче-
ской пресной воде при 45 °C:
а — АМг2 — анод, сталь 10 — катод;
б — АМг2 — катод, сталь 10 — анод
является анодом (рис. 6.7); это свидетельствует о недопустимости
такого контакта.
В результате исследования работы опытного конденсатора уста-
новлено, что в местах контакта трубок из сплава АМг2 и решеток из
углеродистой стали в охлаждающей воде уже через 2 года произошло
сквозное разъедание трубок.
Контакт магналиев со сталью опасен не только в охлаждающих
водах, но и в других электролитических средах. Так, на электро-
обессоливающей установке наблюдалась интенсивная коррозия труб
из сплава АМг2 в месте контакта со стальной трубной решеткой
в среде эмульсии сырая нефть — пластовая вода.
На основании исследований алюминиевые сплавы рекомендованы
ВНИИнефтемашем в качестве конструкционных материалов для кон-
денсаторов, холодильников и теплообменников. Во избежание кон-
тактной коррозии трубные решетки выполняют из алюминиевых
сплавов АМгбВ и АМгб. Остальные конструктивные элементы тепло-
обменников (кожухи, плавающие головки, желоба) могут быть сталь-
ными (при воздействии на них неагрессивной охлаждаемой корро-
зионной среды).
По нормам Госгортехнадзора СССР температурый предел при-
менения алюминиевомагниевых сплавов ограничен 150 °C.
При эксплуатации в условиях охлаждения и конденсации неаг-
рессивных по отношению к алюминиевым сплавам нефтепродуктов
выявлено, что трубки из алюминиевых сплавов не забиваются отло-
жениями, представляющими собой конгломерат из продуктов кор-
розии, накипи и др. Вследствие этого, в отличие от труб из углерод»-
88
стой стали при эксплуатации не происходит ухудшения теплопере-
дачи и возрастания гидравлических сопротивлений в трубках.
Стоимость трубного пучка из алюминиевых сплавов ниже стои-
мости латунного пучка. Однако срок службы трубных пучков из алю-
миниевых сплавов не уступает сроку латунных (~6 лет) и в 3—4 раза
выше, чем пучков из углеродистой стали (1,5—2 года).
Алюминий и его сплавы нашли широкое применение также в кон-
денсаторах-холодильниках воздушного охлаждения, теплообмен
в которых осуществляется вследствие обтекания воздухом секций,
собранных из труб с тепловыделяющим оребрением из алюминия.
Применение аппаратов этого типа исключает потребление большого
количества воды, сокращает сброс загрязненных сточных вод в реки
и водоемы, исключает опасность попадания воды в перерабатываемый
продукт, снижает расход электроэнергии (благодаря отсутствию
перекачки годы), трудоемкость и стоимость строительно-монтажных
и ремонтных работ, позволяет легко автоматизировать технологи-
ческий процесс.
С целью увеличения поверхности теплообмена делают оребрение
(АД1 и АМг2) на трубах-вкладышах, изготовленных из других метал-
лов (в зависимости от коррозионной агрессивности среды) — сталей
10, 20, 15Х5М, Х18Н10Т. Х17Н13М2Т, ОХ17Н16МЗТ или латуней
ЛОМш 70-1-0,05, ЛАМш 77-2-0,05.
При температуре среды от —40 до +150 С применяют оребренные
монометаллические трубки из сплава АМг2. Трубные решетки в та-
ких аппаратах выполняют из сплава АМг5В или АМгб. Имеются
также аппараты с решетками из углеродистой стали. Места контакта
изолируют при этом напылением алюминием или цинком.
3. АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ1
Наиболее широко в химическом аппаратостроении применяют тех-
нически чистый (99,5 %) алюминий, соответствующий марке АДО.
Алюминий высокой (99,90 % и выше) чистоты необходим лишь для
изготовления аппаратуры, соприкасающейся с растворами концен-
трированной азотной кислоты. Алюминий высокой чистоты обладает
несколько более высокой стойкостью по сравнению со стойкостью
технического алюминия в сухом броме, яблочной, борной, лимонной
кислотах и некоторых других средах, однако это различие практиче-
ски невелико. Так, например, в 10 %-ной борной кислоте при 20 °C
скорость коррозии алюминия марки АД000 составляет 0,01 мм, год,
а алюминия марки АДО 0,04 мм/год. Близкая коррозионная стойкость
алюминия марок АД000, АД00, АДО и АД1 (от 99,30 до 99,80 %)
наблюдается также в щавелевой, фосфорной, уксусной кислотах,
растворах азотнокислого аммония, хлористого кальция и других
средах. В то же время 99,99 %-ный алюминий обладает более высо-
кой коррозионной стойкостью в водных растворах аммиака при 20 С,
чем 99,5 %-ный алюминий.
1 Авторы: М, М. Кристаль, 3. Ф. Истрина, Е. М. Стельмах.
189
К достоинствам алюминия по сравнению со сплавами на основе
железа, меди, никеля относится образование продуктов коррозии,
не окрашивающих среду, неспособность к искрообразованию и от-
сутствие воздействия на жизнедеятельность микроорганизмов, что
необходимо при производстве дрожжей и аналогичных продуктов.
При использовании алюминия для изготовления аппаратуры
в производстве уксусной, абиетиновой, масляной, капроновой, капри-
ловой кислот, этиленбромида, амилового, метилового, этилового и
бутилового спиртов, анизола, циклогексанола, крезола, фенола и
других продуктов необходимо учитывать, что устойчивость пассив-
ного состояния может быть обеспечена только при наличии в среде
некоторого минимального количества (0,3 % для фенола и крезола)
воды. При недостаточном содержании влаги в крезоле заметная кор-
розия происходит уже при 120 °C, а при высушивании крезола кор-
розия алюминиевой тары может сопровождаться взрывом. В кипящем
феноле, содержащем 10 % воды, алюминий стоек; в горячих парах
фенола алюминий корродирует. В феноле очень велик инкубацион-
ный период до начала коррозии. Этот период уменьшается с повыше-
нием температуры и составляет при 80 СС 93, при 100 °C 51, а при
160 °C 7 сут. Алюминий иногда применяют для изготовления храни-
лищ влажного фенола. Однако из-за опасности взрыва ни хранить,
ни перерабатывать в алюминиевой аппаратуре фенол не рекомен-
дуется.
Алюминий нестоек в совершенно сухой уксусной кислоте, осо-
бенно в присутствии уксусного ангидрида. Однако достаточно 0,05—
0,10 % воды, чтобы коррозионная стойкость алюминия в уксусной
кислоте значительно повысилась. Из алюминия изготавливают хра-
нилища и цистерны для перевозки уксусной кислоты крепостью
90,0—99,9 % (при температурах до 30 °C). С повышением темпера-
туры скорость коррозии алюминия в уксусной кислоте растет.
Только в ледяной уксусной кислоте скорость коррозии даже при тем-
пературе кипения не превышает 0,13 мм/год.
Аппаратуру из алюминия (конденсаторы, емкости, колонны) при-
меняют за рубежом в производстве уксусной кислоты окислением
ацетальдегида воздухом или кислородом при 55 °C в присутствии
катализатора — уксуснокислого марганца; в производстве уксусной
кислоты из карбида кальция; при ацетилировании аминов с помощью
уксусной кислоты. Для этих целей применяют также стальные реак-
торы с алюминиевой обкладкой и с мешалками и змеевиками из алю-
миния.
Возрастание скорости коррозии алюминия в уксусной кислоте
даже при 20 °C вызывается присутствием примесей муравьиной кис-
лоты, ее солей, а также ионов тяжелых металлов (ртути, меди, же-
леза и др.). Скорость коррозии алюминия марки АДО при 50 °C
в уксусной кислоте следующая, мм/год: в ледяной 0,05, в 80 %-ной
0,25, в 0,8 %-ной 0,40. Добавление в ледяную уксусную кислоту 5
и 10 % муравьиной кислоты приводит к увеличению скорости кор-
розии соответственно до 0,08 и 0,25 мм/год. Недопустимо применение
сплавов алюминия, содержащих мель, Сплавы алюминия с кремнием
(силумины) можно применять для'изготовления литых деталей на-
сосов, работающих в уксусной кислоте.
Широко применяют алюминий также в производстве уксусного
ангидрида, при этом скорость коррозии алюминия и его сплавов,
не содержащих медь, при 20 ’С не превышает 0,01 мм/год. При повы-
шении температуры скорость коррозии увеличивается. Получение
уксусного ангидрида путем окисления ацетальдегида кислородом
или воздухом при 50 °C и 2,0 МПа осуществляют в охлаждаемых
реакторах из алюминия или из плакированной им стали. Из алюминия
и его сплавов или из стали, плакированной алюминием, изготавли-
вают за рубежом автоклавы для получения ацетилсалициловой кис-
лоты (аспирина) из уксусного ангидрида и салициловой кислоты.
Оксидирование и анодирование алюминия не повышает его кор-
розионную стойкость в уксусном ангидриде (как и в других уксусно-
кислых средах).
Алюминий и его сплавы, не содержащие меди, стойки в масляной
кислоте всех концентраций до 35 °C, а также при высоких темпера-
турах, если эта кислота не является совершенно сухой. Скорость
коррозии алюминия в масляной кислоте концентрации 99,0—99,9 %
при температуре кипения (150—164 °C) не превышает 0,15 мм год.
Алюминий применяют для изготовления хранилищ и дистилляцион-
ных аппаратов в производстве масляной кислоты. Скорость коррозии
в нагретой масляной кислоте возрастает при содержании в ней солей
тяжелых металлов и масляного ангидрида.
В отличие от жирных кислот в средах, гидролизующихся с обра-
зованием ионов хлора, брома, сульфата, присутствие воды даже в не-
больших количествах приводит к возрастанию скорости равномерной
коррозии алюминия и возникновения точечной коррозии. Алюминий
стоек в сухих броме, фторе, этил- и этиленхлориде, этиленхлорги-
дрине, хлористом алюминии, хлорсульфоновой кислоте, безводной
серной кислоте и олеуме; однако в перечисленных выше влажных
продуктах алюминий корродирует и применять его нельзя.
Алюминий и его сплавы, не содержащие медь, применяют для
изготовления реакторов, мешалок и др. при сульфировании жирных
спиртов. Скорость коррозии алюминия в сухой хлорсульфоновой кис-
лоте при 20 °C не превышает 0,5 мм/год, но в присутствии влаги воз-
растает из-за образования соляной кислоты.
Алюминий применяют также для изготовления аппаратов и хра-
нилищ безводного диалкилсульфата. Так, для процесса непрерыв-
ного получения диалкилсульфата из диметилового эфира и серного
ангидрида до 40 °C из алюминия изготавливают башни высотой 4 м.
В присутствии воды скорость коррозии алюминия при этом возрас-
тает из-за образования серной кислоты.
Коррозия алюминия в органических и минеральных кислых сре-
дах усиливается примесями хлоридов. Так, применяемые для изго-
товления хранилищ, трубопроводов и аппаратуры в производстве
глицерина алюминий, а для автоклавов — сплав А1—Mg—Si корро-
дируют вследствие присутствия в подкисленной среде примесей хло-
ристого натрия.
191
Алюминий применяют также для испарителей, сушилок и других
аппаратов в производстве хлората калия; в этом случае присутствие
хлоридов и солей тяжелых металлов вредно: уже 0,002 °о ХаС1 уси-
ливает коррозию. Нарушение пассивного состояния алюминия, воз-
растание скорости общей коррозии и возникновение точечной корро-
зии наблюдаются при наличии в жидких средах примесей солей
тяжелых металлов. Поэтому недопустимо применение для алюминие-
вой аппаратуры арматуры, крепежа и других деталей из медных и
никелевых сплавов, стали, а также применение деталей с покрытиями
из тяжелых металлов.
В нейтральных растворах солей аммония, а также в органических
средах, содержащих небольшое количество ионов хлора, сульфата
или тяжелых металлов, коррозионная стойкость алюминия может
быть повышена оксидированием без последующего наполнения или
с наполнением пленок жидким стеклом. Оксидирование повышает
коррозионную стойкость алюминия также в перекиси водорода, эти-
ловом и метиловом спиртах.
Так, например, интенсивная точечно-язвенная коррозия алюми-
ния в 26 "о-ной перекиси водорода при 20 С и в 36,5 °о-ном форма-
лине при 40 С предотвращается обычным сернокислотным анодиро-
ванием: после испытания неанодированных образцов в растворе пере-
киси водорода содержание алюминия составляло 0,090 °6, а после
испытания анодированных 0,003 %.
Коррозия алюминия в некоторых средах может быть снижена
ингибиторами: в водных средах — жидким стеклом, молочнокислым
натрием, нитросоединениями, гликолем; в спиртовых растворах инги-
биторами коррозии являются нитраты натрия и калия, бихромат
калия; в аминах — нитросоединения.
В водных растворах сульфида и полисульфидов аммония ингиби-
тором коррозии алюминия при повышенных температурах служит
жидкое стекло (0,5—1 °о). Агрессивность растворов сернистого на-
трия снижается при добавлении серы и полисульфидов.
Коррозия алюминия усиливается в результате контакта с медью
и ее сплавами и сталью. Даже при контакте алюминия со сплавами
алюминия наблюдается возрастание скорости коррозии одного из
них. При контакте с нержавеющей сталью скорость коррозии алюми-
ния в водных растворах хлористого натрия увеличивается значи-
тельно, а в спиртовых — немного.
Алюминий и его сплавы — лучшие материалы для изготовления
оборудования, соприкасающегося с роданистым аммонием, так как
стойки в его растворах (а также в растворах, содержащих примеси
сульфита и тиосульфата алюминия) всех концентраций даже при по-
вышенных температурах. Алюминий стоек в аммиаке и углекислом
газе. Из алюминия изготавливают аппаратуру в производстве кар-
боната аммония из аммиака и углекислого газа при 50—100 С
и других аналогичных продуктов. Не вызывают коррозии алю-
миния при 125 СС и средних давлениях также растворы карбоната
аммония.
192
Широко применяют алюминиевую аппаратуру в производстве
натриевой и аммиачной селитры для изготовления выпарных аппа-
ратов, хранилищ, трубопроводов.
Алюминий стоек в средах, содержащих жидкий аммиак. Его при-
меняют в производстве нитроанилина из нитрохлорбензола в среде,
содержащей до 60 % гидрата окиси аммония. Образующиеся нитро-
соединения ингибируют коррозию под действием возникающего при
реакции хлористого аммония.
Высокой стойкостью алюминий и его сплавы, не содержащие
меди, обладают в синильной кислоте. Их применяют для изготовле-
ния ректификационных колонн, емкостей, хранилищ, цистерн в про-
изводстве синильной кислоты.
Применяют также алюминий и сплав АМгЗ для производства и
перевозки пятисернистого фосфора; алюминий при этом не вызывает
окрашивания продукта и неопасен, так как не искрит при ударах.
В минеральных кислотах — соляной, серной, плавиковой -—
алюминий нестоек. В азотной кислоте алюминий стоек в очень раз-
бавленных растворах (до 3 % при 20 °C) и в концентрированной кис-
лоте (выше 70 % при 40 °C и выше 90 % при кипении). Высокая кор-
розионная стойкость алюминия в сильно окислительных средах поз-
воляет использовать его в производстве высококонцентрированной
азотной кислоты.
В то время как в уксусной, лимонной и других кислотах, спир-
тах, перекиси водорода и других средах стойкость сварных соедине-
ний из алюминия не отличается от стойкости основного металла,
в растворах азотной кислоты металл шва обладает более низкой кор-
розионной стойкостью, чем основной металл. Более стойки швы,
выполненные аргонно-дуговой сваркой. Однако металл этих швов,
так же как и швов, выполненных ручной или автоматической элек-
тродуговой сваркой, подвержен в концентрированной азотной кис-
лоте (при 78 °C) межкристаллитной коррозии.
Предельная температура эксплуатации алюминиевой аппаратуры
на химических предприятиях составляет от —196 до 4~150 °C.
Применяемая в настоящее время технология изготовления аппа-
ратуры из алюминия и его сплавов обеспечивает получение сварных
соединений высокого качества, обладающих достаточной конструк-
тивной прочностью и пластичностью в широком температурном
интервале при достаточно высокой коррозионной стойкости сварных
соединений в агрессивных средах.
Применение алюминия марок АД00, АДО, АД1, АМгЗ, АМгб,
АМгб, АМг2, АМцС в отожженном и нагартованном состояниях до-
пускается для изготовления сосудов, работающих при давлении
до 1,6 МПа и температурах от —196 до -ф150 °C; для горячекатаного
алюминия тех же марок — при давлении 1,6 МПа и толщине стенки
до 10 мм при температурах от —196 до 4-150 °C; при толщине стенки
от 10 до 80 мм температурный интервал составляет от —70 до 4-150 °C.
Химическая аппаратура из алюминия выпускается в соответствии
с правилами Госгортехнадзора СССР.
7 Альтмли T. Б. и др.
193
Глава 7
ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
В ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ1
Алюминий и ряд его сплавов широко применяют в электротехнике
благодаря высокой электропроводности, коррозионной стойкости,
небольшой плотности, хорошим обрабатываемости давлением и деко-
ративному виду, а также меньшей стоимости по сравнению с более
дефицитной медью и ее проводниковыми сплавами.
Электротехническая промышленность — крупнейший потреби-
тель алюминия в СССР и за рубежом. Доля ее потребления в различ-
ных странах колеблется от 10 до 30 %. Наиболее широко алюминий
используют в кабельной промышленности, на которую в настоящее
время приходится около 90 % всего алюминия, потребляемого
в электротехнике.
В зависимости от величины удельного электросопротивления
алюминиевые электротехнические сплавы подразделяются на провод-
никовые и сплавы с повышенным электротехническим сопротивле-
нием.
1. ПРОВОДНИКОВЫЕ СПЛАВЫ
Удельная электрическая проводимость электротехнического алюми-
ния (А7Е, А5Е) составляет 60—62 % от проводимости отожженной
меди по международному стандарту. Технический алюминий (АДО)
и электротехнический алюминий (преимущественно А5Е) широко
применяют для изготовления проводов, кабелей, шнуров, шин, про-
филей и труб различного электротехнического назначения.
Наибольшее применение в электротехнике получили малолеги-
рованные сплавы системы А1—Mg—Si: АД31, АД31Е и их аналоги
(АВЕ, 01327, АЕ1, АЕ2 и др.) (табл. 7.1). Известны также сплавы на
основе алюминия, опробованные в промышленных и полупромыш-
ленных условиях. В основном это сплавы систем А1—Fe—B(Ni),
Al—РЗМ, Al—Mg(Cu), Al—Zr, Al—Si (01017, 01417, 01527, 01117
и др.) [6--11].
При более низкой удельной проводимости (56—59 % от отожжен-
ной меди) алюминиевые проводниковые сплавы имеют преимущест-
венно то же назначение, что и электротехнический алюминий, и их
используют при необходимости обеспечения более высокой проч-
ности, теплопрочности, сопротивления ползучести и других спе-
циальных требований.
Из сплавов АД31, АД31Е изготавливают шины, профили и трубы,
применяемые для различных электротехнических изделий; сплав
АД31Е обеспечивает более высокую проводимость, чем сплав АД31
при примерно том же уровне механических свойств. Кроме того,
сплав АД31Е, как унифицированный для близких по составу спла-
1 Авторы: И. Н. Фридляндер, Г. Е. Гольдбухт, А. С. Эдельман, Г. А. Муд-
ренко.
194
Таблица 7.1. Химический состав электротехнического алюминия и проводниковых сплавов системы А1—Mg—Si,
% (по массе)
Марка сплава Содержание основных элементов Содержание примесей, не более Примечание Лите- ратур- ный источ- ник
Mg Si Fe Л1 Fe Si Си Zn Ti Мп В сум- ме
А7Е — — — 99,7 0,2 0,08 0,01 0,04 0,01 ** 0,01 3,1 0,3 — [11
А5Е — — — 99,5 0,35 *2 0,12 0,02 0,04 0,01 31 0,01 3,1 0,5 Ti+ V + 4- Мп + + Сг < 0,015; Si <0,15 [1]
АДО — — — 99,5 0,3 0,30 0,02 0,07 0,05 0,025 0,5 Mg< 0,03 [2]
АД31 0,4—0,9 0,3—0,7 — Основа 0,5 — 0,1 0,2 0.15 0,1 0,1 — [2]
АД31Е 0,45—0,9 0,45—0,9 0,1—0,6 *3 » — — 0,05 0,1 0,015 0,015 3,1 0,1 Ti-Ь V+ + Мп + Сг < <0,03 [4]
АВЕ 0,45—0,65 0,45—0,6 ) ,4—0,7 » — — 0,05 0,05 0,015 *! 0,015 *х 0,1 — [3]
01327 0,45—0,7 0,45—0,7 0,2—0,65 *3 » — — 0,05 0,05 0,015 м 0,015 *х 0,1 — [3, 4]
АЕ1 0,15—0,35 0,25—0,45 0,15—0,40 » — — 0,02 0,05 0,01 *Х 0,01 *1' 0,08 — [5]
АЕ2 0,35—0,55 0,45—0,65 0,15—0.40 » — — 0,2 0,05 0,01 31 [ 0,01 31 0,08 — [5]
Для Ti + V + Мп + Сг.
*! Fe > 0,18.
*3 В < 0,08.
bob ABE, 01327, AE2, служит для производства проводов линий элек-
тропередач, в том числе биметаллических стале- и медноалюминие-
вых гибких проводов с изоляцией различного типа.
Сплавы более ограниченного применения предназначены для
бортовых проводов, кабелей связи, мпкропроводов интегральных
схем и других специальных электротехнических целей. В основном
это малолегированные сплавы систем, указанных выше, а также
Al— Mg—Zn, Al—Си и др. с небольшими добавками одного или не-
скольких компонентов из группы, содержащей РЗМ, Be, Со, Ni, Fe,
Si, Zr, В и др. Содержание цинка в сплавах АД31Е (АВЕ, 01327, АЕ2)
может быть увеличено до 1,5 % [4], а также возможны добавки меди,
циркония, РЗМ, никеля при требованиях повышения прочности,
теплопрочности, усталостных характеристик, сопротивления ползу-
чести шин и проводов. Содержание железа в сплавах 01017, АД31Е
может достигать 0,6—0,7 % при необходимости повышения литейных
свойств при изготовлении проволочной заготовки. Однако при со-
держании железа более 0,5—0,6 % уменьшается усталостная проч-
ность проволоки. Аналогичные сплавы алюминия (ЕС) и системы
А1—Mg—Si с малыми добавками бора, цинка, меди, циркония, бе-
риллия и других элементов применяют в электротехнике США (ЕС2,
6101, 6201), Англии (Е91Е), Франции (алмелек), Германии (алдрей),
Швеции (SM6506, SM7506), ЧССР (ВУК 30 и ВУК 33, яреал), Ита-
лии (А1—Si 0,5Mg) и других стран [5, 12].
Все легирующие элементы и примеси, входящие в алюминиевые
проводниковые сплавы, по степени снижения электропроводности
отожженного алюминия могут быть разделены на две группы [13]:
1) элементы, незначительно снижающие проводимость при содержа-
нии 0,1—0,2 % (атомн.): Zn, Ni, Si, Си, Mo, Са, Fe, Mg, W (у > 35
МСм-м-1); 2) элементы, значительно уменьшающие проводимость:
Cr, Li, Мп, Ti, Be, Zr (у < 34 МСм-м-1). Микролегирование провод-
никовых сплавов поверхностно-активными добавками типа бора спо-
собствует понижению удельного электросопротивления алюминиевых
сплавов в определенных температурных интервалах и повышению
пластичности. Считают, что небольшие по размеру атомы бора
(0,09 нм) образуют нерастворимые бориды хрома, циркония и, вы-
водя их из твердого раствора и из сплава, подавляют вредное дейст-
вие титана, марганца и ванадия, повышают проводимость изготав-
ливаемых из них электротехнических изделий [14]. Кроме того,
атомы бора образуют устойчивые сегрегации в приграничных облас-
стях на различных дефектах кристаллической решетки, влияют на
кинетику старения и способность сплава к пластической деформации.
В последние годы алюминиевые проводниковые сплавы стали
более широко применять для воздушных проводов и кабелей связи
(главным образом сплавы АД31Е, АВЕ). Высокая прочность прово-
дов из алюминиевых сплавов позволяет увеличить размеры пролетов
линии электропередач, способствует уменьшению количества повре-
ждений при монтаже. По величине сопротивления действию дуги,
возникающей при коротком замыкании, провода из алюминиевых
сплавов занимают второе место после медных и значительно устой-
196
чивее проводов из алюминия. Более низкая, чем у меди, проводимость
алюминия и алюминиевых сплавов приводит к необходимости увели-
чения сечения проводов, а это уменьшает потери на корону и скин-эф-
фект. Стоимость алюминиевого провода в линиях электропередач
составляет от 1 2 до 1,3 стоимости медного провода равной проводи-
мости.
Сталеалюминиевые провода для напряжений до 750 кВ, предна-
значенные для передачи электрической энергии в воздушных электри-
ческих линиях и на линиях электрифицированного транспорта; си-
ловые кабели высокого (1—35 кВ) и сверхвысокого напряжения (до
500 кВ) с алюминиевыми жилами и оболочками; кабели связи все-
возможных видов и назначений; трансформаторы до 70 тыс. кВт;
электрические двигатели до 1000 кВт и более; реакторы; шинопро-
воды; провода для работы при повышенных температурах; биметал-
лические алюминиевомедные установочные провода и жилы для
контрольных и радиочастотных кабелей; разнообразная электриче-
ская и светотехническая арматура — таков неполный перечень ос-
новных видов применения алюминия и алюминиевых проводнико-
вых сплавов в электротехнических изделиях.
Сортамент полуфабрикатов, используемых в этих изделиях,
также разнообразен: прямоугольная (сечением 1,8ч-7Ж4,14-18 мм)
и круглая проволока диаметром от 0,08 мм до микронных размеров
в волокнистой, эмалиево-волокнистой и пластмассовой изоляции,
оксидированная или незащищенная; кабельные оболочки диаметром
10—100 мм неограниченной длины; однопроволочные секторные жилы
сечением 50—240 мм2, фасонные и прямоугольные шины шириной
до 380 мм; листы, фольга, биметаллы; литые детали, преимущест-
венно из различных сплавов алюминия.
Кроме специальных проводниковых сплавов, в электро- и свето-
технике находят применение мало- и среднелегированные алюминие-
вые деформируемые сплавы проводимостью ниже 30—32 МСм-м-1.
Наиболее употребляем сплав АД31, в ряде случаев используют
сплавы 1320, 1915, 1925 (1955) и др. [2]. Сплав 1320 системы А1—
Mg—Si наиболее близок по свойствам к сплаву АД31, превосходит
последний по пределам прочности и текучести, коррозионным свой-
ствам, качеству поверхности после прессования, уступая по электро-
проводности [15]. Большинство этих сплавов применяют для полу-
чения различных прессованных полуфабрикатов электротехниче-
ского назначения. Профили из этих сплавов максимально прибли-
жены по сечению к определенным деталям электротехнических из-
делий. Кроме того, прессованные профили применяют для изготов-
ления корпусов электродвигателей; разных приборов; стоек; ребер
жесткости; плат, к которым крепятся детали; для радиаторов и охла-
дителей полупроводниковых приборов непосредственно или взамен
стального и медного проката, алюминиевого и медного литья. Опыт
производства и эксплуатации светильников с алюминиевыми корпу-
сами свидетельствует о значительных преимуществах алюминиевых
сплавов перед стальным прокатом. В настоящее время изготавли-
вают алюминиевые корпуса светильников ЛСП-18 для общественных
197
Рис. 7.1. Внешний внД (а), корпус
из профиля сплава АД31, лампа и
пускорегулирующий аппарат (б)
светильника ЛСП18
и промышленных зданий, помещений агрессивной средой (рис. 7.1).
Внедрение прессованных тонкостенных профилей из сплавов АД31,
1320, 1915 и др. открывает перспективу создании принципиально
новых конструкций осветительных приборов, снижения трудоемко-
сти и экономии материалов [16]. Наибольшая эффективность может
быть достигнута при применении для арматуры электро- и светотех-
нических изделий катаных и прессованных полуфабрикатов из спла-
вов на основе вторичного сырья ВД1 и др. с плакированием
техническим или электротехническим алюминием или сплавами
АД35, АЦ2.
108
2. СПЛАВЫ С ВЫСОКИМ УДЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕМ
Наряду со сплавами высокой электрической проводимости в элек-
тротехнических изделиях нашли применение алюминиевые сплавы,
обладающие низкой электропроводностью (высоким удельным элек-
тросопротивлением). Это в основном литейные сплавы на основе алю-
миния, содержащие 1—2 % Мп и (или) от 0,8 до 13 % Si [5]. От-
дельные композиции этих сплавов допускают дополнительное леги-
рование медью или цинком или магнием. Примеси железа и меди
в сплавах системы А1—Si—Мп ограничивают 0,7 и 0,3 % соответст-
венно, так как увеличение содержания железа вызывает хрупкость
отливок, а медь повышает проводимость. Увеличение содержания
марганца до 3—10 % и общей суммы легирующих компонентов также
способствует повышению хрупкости сплава, снижению пластич-
ности.
Сплавы с высоким удельным электросопротивлением используют
в основном для заливки роторов двигателей, требующих более низ-
кой проводимости, чем у алюминия и его проводниковых сплавов:
менее 32 МСм-м-1 (например, 25, 19, 15, 12,8 МСм-м-1). Отклонение
от заданных значений проводимости в готовых обмотках ротора
жестко ограничивается (например, ±8 %). Для роторов с узкими
пазами применяют сплавы с 9—13 % Si, близкие к эвтектическим,
для обеспечения повышенной жидкотекучести. Роторы с широкими
пазами и толстыми кольцами требуют технологических мероприя-
тий, исключающих образование сосредоточенных усадочных рако-
вин и горячих трещин.
3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Полуфабрикаты для электротехнических изделий производят раз-
личными способами [17—19].
Исходную заготовку для проволоки — круглую катанку диа-
метром 25,0—9,0 мм [3, 19] — получают прокаткой слитков [20—22]
на проволочно-прокатных станах или непосредственно из расплав-
ленного алюминия методом непрерывного литья и прокатки (в виде
катанки различного профиля) [5].
Применяют следующие типы проволочно-прокатных станов:
а) двухниточный стан 250 — три группы двухвалковых клетей;
скорость в выходной клети 25 м/с;
б) модернизированный 17-клеточный стан с установкой для полу-
чения литой заготовки типа «Проперци»; производительность станов
4—5 т/ч и более, скорость прокатки в выходной клети 8—10 м/с;
масса бухты катанки 1—2 т.
Волочение алюминиевой катанки производят преимущественно
на машинах многократного волочения (ВН-6, ВН-8, ВН-10 и др.).
В качестве смазки применяют минеральные масла высокой вязкости
с различными присадками: синтетический жир, стеарат кальция и пр.
Волочильный инструмент изготавливают из твердых сплавов (типа
199
В1\), из естественных и искусственных алмазов. Ответственной опе-
рацией является сварка обрывов проволоки, происходящих по раз-
личным причинам (металлургические дефекты, нарушения техноло-
гии и др.). В промышленности применяют два типа стыковой сварки:
сопротивлением и холодную, причем последняя более экономична
и качественна. Применяют сварочные машины типа МС, ЛЮС, МСХС,
АСП-5, МТ и др.
Нагартовка при волочении снижает проводимость и относитель-
ное удлинение. Для их повышения производят отжиг проволоки
преимущественно при 350—450 С. .
Алюминиевомедную биметаллическую проволоку изготавливают
формованием медной ленты в трубку вокруг алюминиевого сердечника
и дуговой сваркой в среде аргона с последующим обжатием заготовки.
При этом происходит холодная сварка медной оболочки с алюминием.
Скорость сварки заготовки до 25 м/мин, а скорость волочения на
выходной волоке 5—7 м, с.
Алюминиевомедные биметаллические листы, ленты и плиты изго-
тавливают горячей и холодной прокаткой алюминиевых слитков не-
прерывного литья и проката медных ставов.
Высоковольтные шины сечением от 100x20 до 110x160 мм и
длиной 10 м отливают методом непрерывного литья в горизонтальный
кристаллизатор скольжения при скорости 200—500 мм/мин. Для
шин других видов используют полуфабрикаты различного профиля,
получаемые прессованием из слитков, преимущественно непрерыв-
ного литья [231.
Алюминиевые оболочки получают на прессах с двусторонним при-
ложением усилия 2x5000 т и 2х 1600 т из слитков сплава А7Е. Диа-
метр оболочки 10—100 мм. Прессы укомплектованы индукционными
печами промышленной частоты для градиентного нагрева слитков.
Сварку дуговым методом в среде инертного газа, без образования
грата, используют для изготовления оболочек диаметром 20—350 мм.
Методы соединения алюминиевых жил, оболочек и проводов осно-
ваны на химическом или механическом разрушении окисной пленки
с целью создания надежного электрического контакта [51. Известно
шесть основных способов соединения: сварка давлением, болтовые
соединения, мягкая и твердая пайка, заделка в наконечники, горя-
чая сварка.
Многопроволочные алюминиевые или сталеалюминиевые провода
получают путем скрутки по различным схемам проволоки из сплавов
А5Е или АД31Е в состояниях АТ, АТП или после термомеханиче-
ской обработки.
Полуфабрикаты и конечные изделия из электротехнического алю-
миния и проводниковых сплавов подвергают различным видам терми-
ческой обработки: а) отжиг: промежуточный, окончательный; б) за-
калка и искусственное старение; в) термомеханическая обработка
(ТМО) по схеме: закалка—волочение—старение.
Проволочную заготовку проводниковых сплавов алюминия в про-
цессе волочения отжигают при 300—450 СС для снятия нагартовки
и повышения пластичности (промежуточный отжиг). Окончательный
200
отжиг полуфабрикатов также устраняет наклеп и обеспечивает по-
вышение электропроводности.
Закалку сплавов АД31Е, АД31, 1320 можно осуществлять в ши-
роком диапазоне температур: от 490 до 565 °C, предпочтительно при
525 °C в холодную воду. Старение — искусственное по унифициро-
ванному режиму: 165 °C, выдержка 12 ч или при 140—180 °C, 12—2 ч
в зависимости от требований, предъявляемых к механическим свой-
ствам и электропроводности деталей.
Термомеханическая обработка позволяет получить проволоку из
сплава АД31Е и его аналогов с высокими значениями электропро-
водности и прочностных характеристик одновременно. Наиболее
распространена низкотемпературная термомеханическая обработка
(НТМО) по следующей технологической схеме: закалка бухт ка-
танки от 525—565 С в воду с температурой 20 С, волочение в про-
цессе естественного старения со степенью деформации более 80 %;
искусственное старение при 140—180 °C в течение 16—2 ч [12].
Перерыв между закалкой и искусственным старением не должен пре-
вышать 4 ч во избежание образования крупных выделений фазы
Mg2Si и снижения прочностных характеристик. Использование ТМО
возможно при производстве катанки из алюминиевых сплавов не-
прерывным методом. Для этого необходимо проводить волочение про-
волоки сразу после прокатки катанки с регулированием скоростей
прокатки и охлаждения заготовки. Возможны другие схемы ТМО.
Новая технология получения проволоки и полуфабрикатов из
гранул и в виде композиционных материалов позволяет получить
материалы, обладающие особыми физико-механическими и другими
свойствами, что открывает перспективу создания принципиально
новых конструкций и технологических решений в электротехнике.
Примером может служить биметаллическая проволока алюминий
(алюминиевый сплав) — медь, позволяющая изготавливать провода
вдвое более легкие, чем медные, и имеющие проводимость на уровне
электротехнической меди. Те же преимущества позволяют получить
алюминийуглеродные, алюминиевомедные слоистые ленты, листы,
плиты. Композиционные слоистые материалы получают горячей
прокаткой, диффузионным спеканием, штамповкой взрывом в за-
щитной атмосфере или на воздухе и другими методами. Необходима
специальная подготовка поверхности исходных листов, лент, фольг
перед операцией обработки давлением. Полуфабрикаты из гранул,
в том числе проволока, обеспечивают более высокую жаропрочность
при температурах до 250 °C (кратковременно до 350 СС) [24].
4. ТИПИЧНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ
И КОРРОЗИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУФАБРИКАТОВ
Гарантируемые механические свойства и удельное электросопро-
тивление проволоки, шин, профилей и труб из сплавов А5Е, А7Е,
АД31, АД31Е приведены в табл. 7.2 для различных состояний исполь-
зования. Проволоку из сплава АД31Е для проводов линий электро-
передач подвергают НТЛЮ. Получаемый при этом комплекс физико-
механических свойств проволоки представлен в табл. 7.3.
201
Таблица 7.2. Гарантируемые механические свойства и удельное
электросопротивление проволоки, шин, профилей и труб электротехнического
назначения
Вид изделия Диаметр, мм Сплав, состояние Механические свойства Число переги- бов п Р- 10—*, Ом- м, не бо- лее
сгв, МПа б. %
0,08—0,6 98—176 0,5—1 1—2 0,0283
Проволока для проводов и кабе- 0,6—10,0 А5Е А7Е 167—147 8—7
лей АТ (нагар- тованное)
0,6—10,0 АПТ (полу- 137—88 2—3 18—14 0,0283
0,5—10,0 нагарто- ванное)
AM (отож- женное) 98—73,5 10—25 — 0,0280
Проволока для 1,5—4,5 АТП (по- 191—167 1,5—2,0 8—7 0,0283
неизолир ованных вышенной
проводов линий электропередач твердости)
Шины, профили, s^lOO см2 АДО без 68,5 15 — 0,0290
трубы >100,1 см2 термооб- работки 59 15 — 0,0290
Все размеры АД31Т 127,5 13 °0,2’ МПа 59 0,0350
АД31Т1 196 8 147 0,0325
Примечание. Более подробно см. [17, 19, 20, 231.
Исходная заготовка для изготовления проволоки, полученная
совмещенным методом литья и прокатки (катанка) из сплава АД31Е,
отличается от горячепрессованной и отожженной заготовки нали-
чием нерекристаллизованной структуры, более высокими значениями
временного сопротивления и предела текучести, большим количе-
ством металлургических дефектов. Проволока диаметром 2—3 мм,
полученная из данных заготовок с применением НТМО для прово-
дов линий электропередач, обладает наиболее высоким соотноше-
нием временного сопротивления и удельного электросопротивления
из всех известных проводниковых сплавов алюминия. При повышен-
ных температурах (до 250 °C)—преимущества у проволоки из сплавов
01117 и 01417 (табл. 7.3). Однако способность к навиванию, корро-
зионная стойкость, особенно после термоциклических воздействий
в интервале —60ч—F250 СС или после длительной выдержки при
250 °C (10 тыс. ч) у проволоки диаметром 0,5—0,15 мм из этих спла-
вов ниже, чем у сплава АД31Е и его аналогов. Наиболее высокую
электропроводность и коррозионную стойкость имеют проволока и
провода из сплава 01017, работающие в диапазоне температур —604-
4—Н00 (150) °C. По этим характеристикам провода из сплава 01017
близки к электротехническому алюминию А7Е и превосходят А5Е.
Из сплава 01017 можно изготавливать провода сечением до 6 мм2
(рис. 7.2). Провисание провода линий электропередач и величина
ползучести меньше у сплава АД31Е, чем у электротехнического алю-
202
Таблица 7.3. Физико-механические и коррозионные свойства проволоки из проводниковых алюминиевых сплавов
Марка сплава Диаметр проволоки, Состоя- ние св, МПа с„ ,, МПа 6. % с_1, МПа 10-’, Ом« м Потери при кор- розионных испы- таниях, % Скорость коррозии.
при 20 (250) °C Дсв дс г/(м2- ч)
АД31Е 12—9 лп 120—160 80—110 9—20 50—70 29,6—31,7 5—10 2—27 0,001—0,007
(АВЕ, 10—8 ГП 150—160 80—100 15—20 60—70 30,4—32,5 3—8 3—30 0,001—0,007
01327) 10—8 м 70—120 33—50 26—43 — 27,8—28,9 3—13 0—35 0,001—0,007
3—2 АСЗ 300—370 250—300 3—7,5 100—120 30,7—33,6 1—9 2—35 0,001—0,018
3—2 ACT 240—300 (130—140) 200—270 1,3—2,7 (2-3) 60—80 28,5—29,5 (51—61) 5—11 6—35 0,001—0,018
3—2 АСМ 100—120 40—70 30—32 —- 28—28,3 10—15 11—46 0,001—0,018
3—2 Т1 260—280 170—210 5,5—9 80—100 32—33,5 6—15 24—57 0,001—0,066
0,5—0,15 АСЗ 290—340 240—280 0,75—1,25 100—120 30—32,2 0—5 0—10 0,002—0,007
0,5—0,15 АТ 220—290 160—250 1—2,5 110—120 28,8—29,8 2—13 3—20 0,002—0,007
0,5—0,15 АПТ 180—225 (120—137) 130—160 1—3,4 (1,5-2) 110—120 29—30,2 (54—63) 1—14 9—23 0,001—0,013
0,5—0,15 AM 90—110 30—60 17—21 .— 28,6—29,1 1—10 3—22 0,001—0,013
0,5—0,15 Т1 250—270 150—170 10—15 120—130 31,8—32,3 5—11 4—27 0,003—0,05
01017 0,5—0,3 АТ 200—270 150—190 0,7—1,5 100—120 27,8—28,3 0—2 5—16 0,001—0,02
0,5—0,3 АПТ 140—200 (90—95) — 1—3 (0,9—1,5) 100—110 27,2—28 (45,8—55) 0—15 4—25 0,0003—0,0018
01417 0,5—0,3 АПТ 160—200 (100—180) 120—150 1,0—4,0 (1-2) 110—120 29—31,2 (45,8—59) 6—19 21—34 0,003—0,03
Примечания: 1. Минимальные — максимальные данные испытаний 30—70 образцов: 14—16 — плавок.
2« ЛП —. после совмещенного литья, прокатки и естественного старения; ГП — горячепрессованное и естественно состаренное; АСЗ—НТМО;
ACT, АТ — нагартованное; ACM, AM — отожженное; АПТ —» полунагартоваиное; Т1 — закаленное и искусственно состаренное.
3. Число перегибов проволоки диаметром 2 мм из сплава АД31Е до (после) коррозионных испытаний равно: АСЗ 8—12 (6—9); ACT и TI—•
м 6—8 (3—4); АСМ — 20—34 (18—30); число скручиваний: АСЗ 7—8; ACT и Т1 5—7.
о
W ...' ... ... ---------
Рис. 7.2. Вид проводов сече-
нием 10 (с) и 6 мм2 (б) из сплавов
АД31Е и 01017
IgN(quM)
Рис. 7.3. Влияние содержания железа на
усталостные характеристики проволоки
диаметром 2 мм из сплава АД31Е:
1 — 0,09 % Fe; 2 — 0,23 % Fe; 3 —
0,63 % Fe
204
Рис. 7.4. Кривые выносливо-
сти при знакопеременном изгибе
проволоки диаметром 0,5 мм
из сплавов:
1 — АД31Е; 2 — 01117; 3 —
01527; 4 — 01017
миния А5Е. Так, время до начала резкого увеличения ползучести
при 120—130 °C у проволоки из сплава АД31Е составляет 4,5 ч при
нагрузке 750 МПа, а у проволоки того же сечения из сплава А5Е
4—20 мин при нагрузке 120 МПа. Предел выносливости при знако-
переменном изгибе проволоки диаметром 2 мм из сплава АД31Е
уменьшается с увеличением содержания железа от 0,09 до 0,63 %
(рис. 7.3). Усталостные кривые, полученные при изгибе с вращением
тонкой проволоки диаметром 0,5—0,15 мм, показаны на рис. 7.4.
Коррозионная стойкость значительной группы кабелей, прокла-
дываемых в грунте, обеспечивается покрытием битумом, различными
антисептическими составами. Сталеалюминиевые провода для умень-
шения коррозии между оцинкованными стальными и алюминиевыми
проволоками смазывают жирами, преимущественно на основе алю-
миниевых и кальциевых мыл. Для защиты от коррозии, а также для
повышения теплостойкости алюминиевых проводов применяют анод-
ное оксидирование с толщиной пленки 6—8 мкм, пропитку специаль-
ным лаком и др.
В табл. 7.4 приведено требуемое соотношение механических
свойств, электросопротивления и способности к гибу для ряда изде-
лий из проводниковых деформируемых алюминиевых сплавов.
Таблица 7.4. Соотношение механических свойств, электросопротивления и
способности к гибу для электротехнических изделий из проводниковых алюминиевых
сплавов
Наименование изделия <тв, МПа, не менее с, %, не менее Число пе- регибов п Р- 10-7, Ом« м, не более
Провода для воздушных линий электро- передач 320 5 32,5
Кабели для радиофикации 200 25 50 29,5
Контрольные кабели 200 10 16 29,5
Шланговые шнуры и кабели 160 16 20 30,0
Специальные кабельные изделия . . . 300 25—30 — 40,0
Примечание. Разброс параметров и
вышать по р 3 %, по ов 5 % и по б 10 %.
асимметрия между жилами не должны пре-
205
Глава 8
ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
В АТОМНОЙ ТЕХНИКЕ1
Алюминий и некоторые его сплавы нашли широкое применение
в атомном реакторостроенип ввиду их низкой стоимости и ценного
комплекса ядерно-физическпх, химических и механических свойств.
Алюминий и его сплавы применяют для изготовления защитных
оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) и регулирующих
стержней системы защиты управления (СУЗ), трубопроводов, баков
и различных вспомогательных конструкций в активной зоне атомных
реакторов.
Алюминий используют в качестве матрицы сердечника диспер-
сионных ТВЭЛов, в которых в качестве топлива используют двуокись
урана и плутония или соединения урана и плутония с алюминием [11.
Высокая теплопроводность алюминия в сочетании с рационально
выбранной геометрией позволяет эксплуатировать ТВЭЛы при зна-
чительных тепловых нагрузках. Значения плотности потока нейтро-
нов исследовательских реакторов, оснащенных ТВЭЛамн такого
типа, превышают Ю19 нейтр/(с-м2), а в тяжеловодном реакторе
СР-ЗЦ (США) нейтронный поток достигает 4,2-1018 нейтр/(с-м2) при
температуре на поверхности — 100сС и скорости потока воды
—20 м/с [21.
В американской практике для низкотемпературных водоохла-
ждаемых реакторов используют технический алюминий марки 1100
и сплав 6061 системы А1—Mg—Si.
Коррозионная стойкость алюминия в воде при повышенных тем-
пературах в значительной степени зависит от его чистоты. Алюминий
высокой чистоты (99,99 %) нестоек в воде при температурах выше
90 °C. Технические сорта алюминия (—99 %) длительно устойчивы
в дистиллированной воде при температурах до 130 °C и кратковре-
менно до 200 °C [3].
В динамических условиях скорость коррозии алюминия в не-
сколько раз выше, чем в статических, причем процесс коррозии при
больших скоростях потока воды (>3 м/с) протекает по линейному
закону и может иметь место эрозионное смывание защитного окис-
ного слоя (рис. 8.1).
1 Автор: Б. А. Громов.
Рнс. 8.1. Зависимость изменения массы А1
(1100) от скорости потока воды при 70 °C [3]:
1 — 0,07 м/с; 2 — 3 м/с; 3 — 6 м/с
206
Из анализа работ [1—3] следует, что технический алюминий
можно эксплуатировать в водоохлаждаемых атомных реакторах при
температурах не выше 130 °C.
Технический алюминий применяют в промышленных водоохлаж-
даемых реакторах по производству плутония в Хэнфорде и Саванна-
Ривер в США [4], а также во многих исследовательских реакторах
и реакторах по производству изотопов в США, Канаде, Англии,
ФРГ, Италии, Бельгии, Японии и др. [1].
В Советском Союзе в качестве конструкционного материала ак-
тивной зоны и защитных оболочек ТВЭЛ в исследовательских водо-
охлаждаемых реакторах типа МР, ИРТ, ВВР-С, ВВР-М, МИР и др.
при температурах до 130 °C применяют алюминиевый сплав САВ-1
системы А1—Mg—Si [12, с. 243—318]. Сплав САВ-1 отличается от
первоначальной марки АВ (авиаль) тем, что не содержит меди и мар-
ганца, а также малым содержанием примесей, заметно поглощающих
нейтроны, и имеет следующий состав, % (по массе): основные компо-
ненты— Mg 0,45—0,90, Si 0,7—1,2; примеси (не более)—Fe 0,2,
Си 0,012, Мп 0,012, Ni 0,03, Ti 0,012, Cd 0,0001, Zn 0,03, В 0,00012,
прочие примеси — каждой <0,03, сумма <0,07. Из этого сплава
освоена широкая номенклатура полуфабрикатов: трубы прессованные
и катаные, плиты горячекатаные, листы холоднокатаные, кованые
кольца, штамповки [5].
Сплав САВ-1 реакторной чистоты в искусственно состаренном
состоянии имеет пониженную пластичность. По этой причине кон-
структивные элементы ядерных реакторов из этого сплава применяют
в закаленном и естественно состаренном состояниях (табл. 8.1).
Для крупногабаритных изделий, эксплуатируемых при 80—130 °C
в течение более 50 000 ч, разработан стабилизирующий режим термо-
обработки: закалка после нагрева до 520 СС и старение при 222—
230 °C в течение 20—24 ч. Такая термообработка устраняет охрупчи-
вание изделий в процессе работы при повышенных температурах и
обеспечивает надежную длительную эксплуатацию конструкций [5].
Скорость коррозии сплава САВ-1 в дистиллированной воде при
120 СС равна 0,03 мм/год. Предел длительной прочности cji°°000 =
= 100 МПа (САВ-1Т).
Из сплава САВ-1 изготовлены основные элементы конструкций
активной зоны тяжеловодного реактора первой атомной станции
Таблица 8.1. Механические свойства полуфабрикатов из сплава САВ-1 [5]
Изделие Состояние <УВ, МПа °0,2- МПа б. %
Штамповка массой Естественно состаренное 198,9 117,6 15,5
15 т Стабилизированное 180,0 130,3 11,1 [5, с. 22]
Катаные плиты тол- щиной 65— 85 мм Естественно состаренное 215,6 122,5 25,0
Трубы холодноката- ные То же 239,1 154.8 23,6
207
Таблица 8.2. Влияние облучения на механические свойства алюминия и его
сплавов
Марка сплава Состояние Исходные свойства Флюенс, нейтр/м® Свойства пос- ле облучения Литер атур- ный источник
°0,2’ МПа °В’ МПа в, % °0,2’ МПа ав' МПа в, %
1100 Отожженное 47 95 38,2 1,26-1О23 ¥1 120 182 21,2 [6]
Нагартованное (Н14) 116 121 6,0 1,26-1025 41 168 182 5,5 [6]
6061 Отожженное 66 126 28,8 1,26-Ю26 179 261 22,4 [6]
Закаленное и ис- кусственно соста- ренное (Тб) 270 315 17,5 1,26-1025 ¥1 310 354 16,2 [6]
CAB—1 Закаленное и ес- тественно соста- ренное + нагрев при 100 °C 3000 ч 245 290 11,0 1,8- 102Б *2 (Е > 0,1 МэВ) 280 330 10,0 [7]
Стабилизирован- ное 90 150 17,5 1,6-1023 ’2 (Е >.0,1 МэВ) ПО 150 17,0 18]
Рассчитанная экспозиция по быстрым нейтронам 1- 1024 нейтр/м2, температура образ-
цов 66 °C.
*8 Температура облучения 75±25 °C.
А-1 в ЧССР: бак, технологические трубы, днище, крышка и др. Сплав
САВ-1 применяют в реакторах большой мощности РБМК в качестве
защитных оболочек стержней СУЗ.
Конструкционные материалы активной зоны реакторов подвер-
гаются воздействию ядерных излучений: нейтронному и у-излуче-
нию, а также вторичному электронному излучению, вызываемому
действием у-квантов на атомы материала. Наибольшее практическое
значение имеет облучение нейтронами. Установлено, что облучаемые
при низких температурах алюминиевые детали при флюенсе 1,264-
4-1,8-1025 нейтр/м2 (Ё >0,1 МэВ) значительно повышают проч-
ностные свойства, почти сохраняя исходную пластичность в нагарто-
ваином и термоупрочненном состояниях, (табл 8.2). Наибольшие
изменения изделия претерпевают в отожженном состоянии. Таким
образом, нейтронное облучение при флюенсе 1,264-1,8-1025 нейтр/м2
(Е >0,1 МэВ) и температуре до 100 °C приводит к улучшению меха-
нических свойств изделий из алюминиевых сплавов.
По данным [9], алюминиевые сплавы системы Al Mg—Si менее
всего подвержены радиационному повреждению при больших флюен-
сах. У сплавов 6061 (Тб) после облучения быстрыми нейтронами
9,2-1026 нейтр/м2 (Е >0,1 Л1эВ) и тепловыми нейтронами 1,38 X
X 1027 нейтр/м2 при 60 °C обнаружено увеличение временного сопро-
тивления в 1,5 раза и снижение пластической деформации примерно
вдвое.
Легирование аноминия позволяет резко снизить скорость корро-
зии в высокотемпературной воде. Наиболее распространенным и
208
эффективным легирующим элемен-
•гом, вводимым в алюминий для улуч-
шения стойкости в воде и паре при
повышенных температурах, является
никель.
В результате многочисленных ис-
следований разработан ряд сплавов,
устойчивых в воде при температурах
до ~300 СС. Высокой коррозионной
стойкостью в воде при такой темпера-
туре обладают сплавы системы
Al—Ni—Fe (1—5 % Ni, 0,3—1,5 Fe
сплава X8001 в воде при 315 °C и
скорости потока 5,5 м/с от pH рас-
твора [10 J:
1 — дистиллят, pH 7; 2 — Н3РОЛ,
pH 5,5; 3 — Н3РО4, pH 3,5
с различными малыми добавками дру-
гих элементов) и системы А1—Si—Ni
(9—12 % Si, 1—1,5 % Ni, 0,1 % Ti
и 11 % Si, 1 % Ni, 0,8 Mg, 0,1 % Ti).
Наиболее подробно в системе А1—Ni—Fe изучен сплав Х8001,
содержащий 0,9—1,3 % Ni и 0,45—0,7 % Fe, разработанный Аргонн-
ской национальной лабораторией (США) [10]. Коррозионные свой-
ства сплава Х8001 представлены на рис. 8.2.
Сплав Х8001 успешно успытан в экспериментальных кипящих
реакторах BORAX-1, BORAX-IV и EBWP в качестве оболочек стер-
жневых и пластинчатых ТВЭЛ при температуре пара 217—250 °C
и применен в кипящем энергетическом реакторе малой мощности
SL-1 (0,3 мВт-эл) при температуре на стенке ТВЭЛ 238 °C [11].
Сплав с 9 % Si, 1 % Ni, 0,1 % Ti (СССР) испытан в реакторе МР.
При тепловой нагрузке 0,8-106 Вт/м2, температуре на поверхности
ТВЭЛ 275 °C и скорости воды ~1 м/с сплав показал высокую корро-
зионную скорость в течение 6000 ч, скорость коррозии менее
0,03 г/(м2 • ч) [12].
Позже норвежскими учеными были предложены высококремни-
стые сплавы: IFA-2 (10 % Si, 1 % Ni, 0,5 % Fe) и IFV3 (И °о Si,
1 % Ni, 0,5 % Fe, 0 8 % Mg, 0,1 % Ti), которые по коррозионной
стойкости в потоках воды при 20 и 25 м/с и температурах 230—315 СС
значительно превосходят сплав Х8001 [13].
Один из путей улучшения жаропрочных и коррозионных свойств
алюминия и его сплавов — приготовление их методом порошковой
металлургии
Нелегнрованный спеченный алюминиевый порошок (САП) приме-
няют в атомных реакторах РБМК для опорных элементов трубопро-
водов, которые эксплуатируются на Ленинградской, Курской и Чер-
нобыльской АЭС. Выбор этого материала обусловлен тем, что его
свойства в большей степени по сравнению со свойствами других
сплавов соответствуют комплексу требований, предъявляемых к де-
талям реактора: а) длительная прочность при 300 СС под нагрузкой
от собственной массы трубопроводов; б) более низкая твердость по
сравнению с твердостью труб, что обеспечивает сохранность трубо-
провода при взаимных перемещениях в процессе работы; в) высокая
коррозионная стойкость в воздушной среде.
208
Эксплуатационная надежность деталей из САПа подтверждена
более чем 10-летним опытом эксплуатации действующих блоков, что
позволило использовать этот материал для аналогичных конструк-
ций реактора РБМК следующего поколения мощностью 1500 МВт
[141.
Алюминиевый сплав, легированный 0,9—1,2 % Xi, 0,3—0,6 %
Fe, 0,05- 0,1 °'6 Ti и приготовленный по технологии САП с содержа-
нием 5—7 % A12Os, обладает высокой жаропрочностью и коррозион-
ной стойкостью в воде и паре при 250—300 °C. В отличие от САП
этот материал получил название АПН [15]. Предел длительной проч-
ности АПН при о|“0 = 90 МПа, скорость коррозии в дистиллирован-
ной воде при 300 °C равна 0,023 г/(м2-ч).
Алюминий и его сплавы нашли применение в реакторах с органи-
ческим теплоносителем. В Советском Союзе на ядерной энергетиче-
ской установке блочного типа «Арбус» (0,75 МВт-эл) с органическим
теплоносителем в качестве покрытия ТВЭЛ использован алюминие-
вый сплав типа САВ-1. Максимальная температура па поверхности
ТВЭЛ составляет 335 °C [16].
В энергетическом атомном реакторе «Пикуа» (11,4 МВт-эл) при-
меняли ТВЭЛ с покрытием из алюминия. В качестве теплоносителя
был использован терфенил. Максимальная температура на поверх-
ности ТВЭЛ достигала 400 °C [И].
Д1атериалы типа САП считаются перспективными для изготовле-
ния оболочек ТВЭЛов и элементов конструкции активной зоны реак-
торов с органическими теплоносителями, так как они обладают вы-
сокой жаропрочностью, хорошей теплопроводностью, малым коэффи-
циентом поглощения тепловых нейтронов и хорошей совместимостью
с органическими теплоносителями.
Глава 9
ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
ДЛЯ ТОВАРОВ НАРОДНОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ1
После второй мировой войны алюминий начали широко применять
для изготовления различных изделий широкого потребления. Этому
способствовало значительное увеличение объемов производства алю-
миниевого проката, снижение цен на алюминий и благоприятное со-
четание его свойств — легкости, высокой коррозионной стойкости,
хорошей обрабатываемости и красивого внешнего вида.
Значительный рост производства алюминия СССР в результате
выполнения пятилетних планов экономического развития создал
условия для широкого применения алюминия в изделиях народного
потребления. Наиболее убедительный пример этого — увеличение
выпуска штампованной алюминиевой посуды. В 1910 г. было изго-
1 Авторы: Ф. И. Квасов, Г. Н. Кручер.
210
товлено лишь 1 тыс. т алюминиевой посуды, а в 1950 г. уже 10,9 тыс.т.
Среднегодовой выпуск посуды в 1966—1970 гг. составил 32 тыс. т.
В 1970 г. было изготовлено около 40 тыс. т штампованной алюминие-
вой посуды, в 1974 66,5 тыс. т, в 1983 56,4 лыс. т. Снижение производ-
ства посуды из алюминия начиная с 1975 г, объясняется удовлетво-
рением спроса населения в крупных видах ее, а также значительным
увеличением производства, стальной эмалированной посуды.
По проекту пятилетнего плана на 1986—1990 гг. среднегодовой
выпуск алюминиевой посуды и изделий народного потребления значи-
тельно увеличится. Общий расход различных видов алюминиевых
полуфабрикатов для изготовления изделий народного потребления
также возрастет.
Ниже приведен расход различных видов алюминиевых полуфа-
брикатов на потребительские товары длительного пользования, тару
и упаковку в США в 1978 г. [1]:
Потребление
тыс. т. %
Вид полуфабриката:
листы и плиты.......................... ... 1301 73,4
фольга...................................... 337 19,0
прессованные полуфабрикаты 73 4,1
трубы ..................................... 47 2,6
прутки и проволочные заготовки............... 14 0,8
поковки и штамповки........................... 1 0,1
Всего ..................................... 1773 100
1. ПОСУДА И ДОМАШНЯЯ УТВАРЬ
Высокая стоимость алюминия, производимого в 50—80-е годы XIX в.,
позволила применять его только как драгоценный металл для изго-
товления ювелирных изделий и других дорогостоящих предметов.
Разработка электролитического способа производства алюминия
в 1886 г. способствовала резкому увеличению масштабов производ-
ства и значительному сокращению его стоимости. Вскоре началось
производство алюминиевых листов.
Первой областью промышленного применения алюминиевого про-
ката в 80-е годы прошлого века стало изготовление кухонной носу ды.
В 1893 г. в США было организовано несколько фирм по выпуску алю-
миниевых кастрюль, сковородок, подносов и другой утвари. От 30
до 50 % общего выпуска алюминия шло на изготовление кухонной
посуды, что соответствовало годовому расходу в несколько сот
тонн [2].
После первой мировой войны производство алюминиевой кухон-
ной посуды и утвари в капиталистических странах получило значи-
тельное развитие. В США в 1929 г. на производство посуды было
израсходовано 28,3 тыс. т алюминия. После второй мировой войны
в связи со значительным возрастанием общего выпуска алюминия
продолжалось увеличение его применения для кухонной посуды и
утвари, тыс. т: 1957 г. 35,8; 1973 г. 70; 1978 г. 63 [1J. Около 10 тыс. т
в год алюминиевой кухонной посуды производят 43 специализиро-
ванных завода во Франции [3].
211
Таблица 9.1. Основные виды алюминиевой штампованной посуды, изготовляемой в СССР Царская Россия не имела собст- венного производства алюминия. В 1913 г. в страну было ввезено или
Наименование Выпуск в 1983 г. изготовлено из импортного металла 180 т алюминиевой посуды.
изделий т тыс. Шт. После Октябрьской социали- стической революции выпуск ку- хонной посуды из импортного алю- миния был возобновлен в 1923 г. и к 1926 г. достиг 1030 т. Организация производства оте- чественного алюминия на Волхов- ском алюминиевом заводе в годы первой пятилетки позволила на- чать в 1934 г. выпуск алюминиевых кастрюль, сковородок, кружек и чайников на Кольчугинском заводе по обработке цветных металлов им. С. Орджоникидзе и на ленинград- ском заводе «Красный Выборжец». После Великой Отечественной войны выпуск алюминиевой посуды был развернут в широких масшта- бах на заводах цветной металлур- гии и авиационной промышленно- сти, а также на ряде предприятий местной промышленности. В 1946 г. на одном из заводов алюминиевого проката было орга- низовано серийное производство
Кастрюли . Сковороды Скороварки Тазы Бидоны Миски Чайники Цедилки . . Тарелки . . . . Кружки .... Ложки разлива- тельные Кофейники . . . Судки Наплитные котлы Подносы . . Рукомойники Банки для сыпу- чих продуктов, хлебницы .... Ведра, подойники Национальная по- суда Прочая посуда 18 816 5 326 3 799 3 510 3 305 2 789 2 487 536 358 418 35 275 6 10 003 563 95 188 301 1 238 1 704 23 836 8 313 1 303 2 472 2 975 9 194 3 621 1 629 2 127 3 205 493 1 247 5 1 685 1 200 109 620 222 525 3 639
Всего . . . . 56 387 71 621
наплитных котлов для приготовле-
ния пищи в общественных столовых и ресторанах: емкостью 20 л —
120 тыс. шт/год и емкостью 40 л — 35 тыс. шт/год. В 1950 г. годовой
выпуск котлов достиг 250 тыс. шт.
В последующие годы в связи со значительным ростом в СССР
выпуска первичного алюминия и проката из него стало возможным
увеличить ассортимент изготовляемых изделий (табл. 9.1).
Прирост производства алюминиевой штампованной посуды в бли-
жайшие годы будет происходить только за счет выпуска посуды с со-
временными видами отделки: биметаллической (нержавеющая сталь
плюс алюминий), эмалированной, окрашенной, эматалированной
с толстой окрашенной пленкой, эмалированной с противопригораю-
щим покрытием.
К концу XII пятилетки при общем объеме выпуска алюминиевой
штампованной посуды 220 млн. руб. ее производство по видам соста-
вит, %: травленой и полированной 43,5; биметаллической 18,3;
эмалированной 18,2; окрашенной 14,3; эмалированной с противопри-
горающим покрытием 5,7. Выпуск алюминиевой посуды без покрытия
(матовая и полированная) в ближайшие годы будет сокращаться.
212
Рис. 9.1. Полированная каст-
рюля- скороварка
В ассортименте посуды все больший удельный вес занимают
новые сложные изделия, пользующиеся спросом населения:
а) кастрюля-сковородка с герметически закрывающейся крышкой
для варки под давлением до 0,2 МПа при температуре до 120 °C
(рис. 9.1);
б) кастрюля-молоковарка с двойными стенками, пространство
между которыми заполнено водой, что позволяет предохранять мо-
локо от сильного выкипания; о необходимости снятия с огня дает
знать свиток;
в) кастрюля-соковарка, служащая для приготовления соков из
ягод, фруктов и овощей и состоящая из трех вставленных друг в друга
емкостей; основания, в которое заливается вода, необходимая для
образования пара; решетки для ягод, фруктов или овощей; соко-
сборника, снабженного трубкой со шлангом и зажимом;
г) кофейник с гейзером для качественного приготовления кофе;
д) электрический чайник [4].
Основными свойствами алюминия, обусловливающими его широ-
кое применение для изготовления кухонной посуды и утвари, яв-
ляются следующие:
1. Высокая коррозионная стойкость в пресной и подсоленной
воде при температуре до 180 °C.
Воздействие водяного пара на алюминий и его сплавы также
незначительно. Из пищевых продуктов лишь органические кислоты,
кислые фруктовые соки и вино оказывают слабое коррозионное воз-
действие на алюминий.
Применение химического и электрохимического оксидирования
увеличивает толщину оксидной пленки на поверхности алюминия,
хорошо защищающей его поверхность от влияния пищевых агрес-
сивных сред.
Для изготовления посуды чаще всего применяют технически чи-
стый алюминий и коррозионностойкие нетермообрабатываемые
сплавы с 1—1,5 % Мп и с 0,5—1,1 % Mg (табл. 9.2).
213
Т а б л и ц а 9.2. Химический состав алюминия и его сплавов, применяемых для
производства штампованной посуды, %
Марка сплава Легирующие компоненты Примеси, ие более
А1 Мп Mg Fe Si Си Zn Ti Мп всего
А5 >99,5 .— 0,3 0,3 0,02 0,06 0,03 0,5
АО >99,00 — 0,5 0,5 0,02 0,08 0,03 — 1,0
АД1 >99,3 —. -— 0,3 0,3 0,05 0,1 0,15 0,025 0,7
АД >98,9 —- —. 0,5 0,5 0,1 0,1 0,15 0,1 1,2
ММ Основа 1.0—1,4 0,2—0,5 0,6 1.0 0,2 0,1 0,1 — 0,2
АМц 1,0—1,6 — 0,7 0,6 0,2 0,1 0,2 — 0,1
АМг1 » —. 0,5—1,8 0,05 0,05 0,01 — — —. 0,07
АМг2 х> 0,2—0,6а 1,8—2,8 0,4 0,4 0,1 0,2 0,1 — 0,1
Элементы декоративной отделки посуды иногда выполняют из
сплава, содержащего 0,15—0,45 % Мп и 0,8—1,2% Mg, обладающего
улучшенной способностью к цветному анодированию.
2. Полная нетоксичность алюминия и оксидного слоя чрезвы-
чайно важна для применения его в качестве материала кухонной и
столовой посуды. При приготовлении пищи в алюминиевой посуде
не изменяется ее цвет, запах и вкус, не разрушаются витамины [5].
3. Малая плотность алюминия является положительным качест-
вом при изготовлении посуды больших размеров.
4. Привлекательный внешний вид, значительно ’улучшаемый
применением различных методов отделки наружной поверхности по-
суды: цветного или белого эмалирования (под фарфор), покрытья
полиамидной эмалью или прочным слоем акрилика.
5. В случае надобности поверхность алюминиевой посуды поли-
руют с помощью шлифовально-полировальных кругов или матерча-
тых лент с наклеенным абразивом.
Особенно высокую отражательную способность имеет сверхчи-
стый алюминий двойного электролиза (99,99 %), обладающий, од-
нако, невысокой прочностью.
Для изготовления зеркально-полированной посуды в США раз-
работан комбинированный (листовой трехслойный) материал, со-
стоящий из листов прочного сплава системы А1—Mg—Zn, плакиро-
ванный с двух сторон сверхчистым алюминием с высокой отражатель-
ной способностью.
6. Хорошая обрабатываемость давлением — листовой штампов-
кой, токарно-давильной обработкой, вырубкой, а также резанием,
шлифованием и полированием — легкость получения кокильных
отливок.
7. Способность хорошо заполнять формы при изготовлении литой
посуды.
По назначению алюминиевая посуда делится на кухонную, сто-
ловую, чайную, кофейную и посуду прочих нужд. К кухонной посуде
относятся: кастрюли различной формы, судки, кашеварки, кастрюли-
скороварки, кастрюли для варки овощей на пару, комбинированные
214
Рис. 9.2. Непригораемая сковородка с тефлоновым покрытием
кастрюли пятипредметные (коническая кастрюля, сотейник, дурш-
лаг, крышка-сковородка и крышка), духовки «экономки», молоко-
вары, бидоны емкостью от 1 до 10 л, печи «чудо», сита для процежи-
вания бульонов, наплитные котлы, термосы, машинки для выпечки
изделий из теста и пр. (рис. 9.2, 9.3).
Столовая посуда — это миски, тарелки, вазы для фруктов, су-
харницы, хлебницы, блюда и др.; чайная и кофейная посуда — чай-
ники, кофейники, сахарницы, чайники для заварки чая, подносы и
и пр. (рис. 9.4); посуда для прочих хозяйственных нужд — тазы,
баки для воды, банки для хранения продуктов, мыльницы, ковши,
кружки, умывальники, фляги, а также детская игрушечная посуда,
В зависимости от назначения штампованную алюминиевую по-
суду выпускают различной массы: легкую — с толщиной дна 1,5 мм,
среднюю — с толщиной дна 2 мм и
2,5 мм и более.
В 60-е годы была разработана кон-
струкция непригорающей кухонной
посуды с внутренним покрытием из
фторопласта, обеспечивающим пол-
ную гарантию от прилипания или
пригорания пищи к внутренним стен-
кам или днищу" даже при сухом под-
жаривании мяса или рыбы без масла
или жира. Фторопластовое покрытие
внутренней стороны кухонной посуды
значительно облегчает ее мытье.
Фторопласт-4, или тефлон, — это
фторорганическое соединение, устой-
чивое к действию высокой темпера-
туры (до 260 °C) и самое стойкое из
всех известных материалов к дейст-
вию наиболее агрессивных неоргани-
ческих и органических растворите-
лей, щелочей и кислот, превосходящее
по химической стойкости многие
металлы и эмали (см. рис. 9.2).
тяжелую — с толщиной дна
Рис. 9.3. Машинка для выпечки изде-
лий из теста
215
Рис. 9.4. Кофейный сервиз
На первых образцах алюминиевых сковородок фторопластовое
покрытие наносили на дно с внутренней стороны без какой-либо
подготовки металла. Для устранения опасности повреждения этого
довольно мягкого слоя рекомендовалось перемешивать поджари-
ваемую пищу не металлическими ножами или вилками, а специаль-
ными лопатками из дерева или пластмассы.
В настоящее время перед нанесением фторопластового покрытия
внутреннюю поверхность посуды предварительно подвергают песко-
струйной обдувке и металлизации путем распыления капель расплав-
ленного металла, или расплавленной керамической смеси. Фторо-
пласт наносят уже на этот подслой с шероховатой поверхностью,
в результате чего становится возможным применение металлических
скребков, ножей или вилок для перемешивания пищи. В случае на-
несения царапины повреждаются лишь выступы рельефа, а в его
впадинах остается нетронутое фторопластовое покрытие, выполняю-
щее свои функции.
В 1982 г. в СССР введены в действие две высокопроизводитель-
ные комплексно-механизированные поточные линии по производству
посуды с внутренним противопригорающим покрытием и эмалиро-
ванной наружной поверхностью производительностью по 1,2 млн.
изделий в год каждая. В 1983 г. изготовлено 2,1 млн. шт. этой посуды
(1340 т).
В Швеции созданы триметаллические сковороды, состоящие из
медного внешнего слоя, самого толстого среднего слоя из алюминия
и внутреннего слоя из нержавеющей стали, соприкасающегося с пи-
щей. Медь быстро нагревается, алюминий равномерно распределяет
тепло по всей массе металла, нержавеющая сталь не образует оксидов
216
й легко очищается от остатков пищи. Срок службы таких сковород
превышает несколько десятков лет [6].
С 1981 г. в СССР было начато массовое производство биметал-
лических сковород и кастрюль с внутренней поверхностью из нержа-
веющей стали и наружной из алюминия. В 1983 г. было выпущено
843 тыс. шт. биметаллической посуды (772 т). Она обладает повышен-
ными потребительскими свойствами: в ней меньше пригорает пища,
она легче моется, чем алюминиевая посуда, имеет привлекательный
внешний вид, более долговечна.
Ряд отечественных предприятий выпускает литую толстостенную
алюминиевую посуду — утятнипы, гусятницы, сковороды, кастрюли
и казаны (котлы), предназначенную в основном для жарения, ту-
шения и варки вторых блюд [5]. Министерство местной промышлен-
ности РСФСР осваивает выпуск литой алюминиевой посуды, эмали-
рованной снаружи, с пластмассовыми съемными ручками.
Кроме использования для посуды, алюминий широко применяют
также для изготовления ложек, вилок и различных видов домашней
утвари (карнизы для штор, детские коляски, пепельницы, зажигалки,
косметические принадлежности, новогодние елки, ювелирные изде-
лия) и детских игрушек (конструкторы, автомашины, самолеты, ку-
кольная посуда, мебель и елочные украшения).
2. БЫТОВЫЕ ЭЛЕКТРОПРИБОРЫ
Крупным потребителем алюминиевого проката является промышлен-
ность по производству бытовых электроприборов: холодильников,
морозильников, стиральных машин, пылесосов, электрополотеров,
кондиционирующих установок, утюгов, фенов, тостеров, миксеров,
кухонных плит, швейных машин, кофейных автоматов, электро-
бритв, машин для мойки посуды и пр.
В США расход алюминиевых полуфабрикатов на производство
холодильников, морозильников и кондиционеров составил в 1973 г.
153 тыс. т, портативных бытовых электроприборов 41 тыс. т; в 1978 г.
из-за экономического спада он снизился до 145 и 30 тыс. т соответ-
ственно [1].
Крупным производителем электроприборов является Япония.
Ее потребности в алюминиевых полуфабрикатах для этих целей еще
в 1968 г. составили 56 тыс. т.
В современных домашних холодильниках используют больше
алюминиевых изделий, чем в других электроприборах (до 8 кг в не-
которых моделях). Из алюминия делают испарители, внутренние
дверки, подносы для льда, решетки, полки, коробки для фруктов,
овощей и мяса, карманы для продуктов, элементы отделки и даже
корпуса некоторых холодильников. Алюминиевая фольга толщиной
6—7 мкм используется для термоизоляции холодильников и конди-
ционеров (в США в 1974 г. на эти цели израсходовано 30 тыс.т
фольги).
Алюминиевые подносы для льда и решетки применяют в бытовых
холодильниках с 1927 г. Использование алюминия для внутренней
217
Рис. 9.5. Алюминиевый конденсатор
домашнею холодильника
обшивки бытового холодильника вза-
мен стали позволяет уменьшить его
массу на 12—15 кг.
В СССР в 1958 г. была освоена
технология производства испарите-
лей методом диффузионной сварки [7].
Метод заключается в следующем: на
одну сторону алюминиевого листа с
помощью трафарета противосвароч-
ной пастой наносят оттиск каналов.
Затем на, эту сторону накладывают
второй алюминиевый лист и пакет про-
катывают с большим обжатием. Места, где нет пасты, после прокатки и
отжига свариваются, а систему каналов раздувают водой под высо-
ким давлением. В результате получается испаритель с высокой теп-
лопроводностью, хорошим сопротивлением коррозии и неббльшой
стоимостью изготовления (рис. 9.5). Благодаря этому методу новые
испарители полностью вытеснили старые типы испарителей, изго-
Таблица 9.3. Бытовые электроприборы, в которых использованы алюминиевые
полуфабрикаты
Наименование электроприбора Полуфабрикаты
Осветительная арматура — бра, люст- ры, торшеры Телевизоры, радиоприемники, про- игрыватели и магнитофоны Установки для кондиционирования воздуха Электросчетчики Телевизионные антенны и радиоан- тенны Карманные фонарики Кинопроекторы, диапроекторы, фото- и киносъемочная аппаратура, штати- вы Швейные и вязальные машины Электробритвы н электромассажные приборы Комнатные электронагреватели Ручной электроинструмент — дрели, пилы, ножи, открыватели консервных банок Электронагревательные приборы — сковородки, вафельницы, кофеварки, тостеры Комнатные вентиляторы и сушилки для волос, миксеры Дорожные электроутюги Трубки Листы и фасонные отливки для шасси; перфорированные листы и мелкие профили для отделки Испарители из листов'с системой кана- лов, листы для корпуса, профили для отделки, фольга для охладителей Высокоточные лента: для дисков Трубки Листы для корпуса, листы из сверхчисто- го алюминия для рефлекторов Фасонные отливки, трубки для штативов Фасонные отливки То же Листы из сверхчистого алюминия для рефлекторов, листы для корпуса Фасонные отлчвки Фасонные отливки, листы для корпуса Фасонные отливки То же
218
товлявшиеся из нержавеющих листов и трубок путем пайки или
сварки. Это позволило сэкономить за 20 лет 360 тыс. т нержавеющей
стали [8].
Для массового выпуска сварных алюминиевых испарителей на
одном из отечественных заводов создана механизированная поточная
линия.
Выпуск бытовых холодильников и морозильников в СССР в 1980 г.
превысил 4 млн. шт., а в 1983 г. составил 4,83 млн. шт. Каждый хо-
лодильник снабжен алюминиевым испарителем, изготовленным про-
катно-сварным методом.
Многие из деталей современных домашних стиральных машин
также изготовляют из алюминия. В первых моделях стиральных
машин широко применяли ванны и вращающиеся корзинки для белья
из алюминиевых листов. Широкое распространение нержавеющей
стали в последующие годы привело к некоторому вытеснению алю-
миния из конструкции стиральных машин. В настоящее время из
алюминия изготовляют крыльчатки активатора, роторы центрифуги,
центробежные водяные помпы, трубки для воды и элементы отделки.
СССР по выпуску стиральных машин догнал США еще в 1967 г.
В 1983 г. было изготовлено более 3,8 млн. шт. стиральных машин.
Широко используют алюминий в современных пылесосах. Эле-
менты корпуса, удлинительные трубки, сопла, крыльчатки венти-
ляторов — все эти узлы изготовляют из алюминиевого проката,
труб и отливок. Применение алюминия позволяет значительно
снизить массу пылесосов.
В табл. 9.3 приведен перечень основных бытовых электропри-
боров, в которых используют алюминиевые полуфабрикаты.
3. МЕБЕЛЬ И СПОРТИВНЫЙ ИНВЕНТАРЬ
Легкость и красивый внешний вид алюминия, а также хорошая
технологичность и высокая коррозионная стойкость обусловливают
широкое применение его для изготовления дачной и туристской
мебели, а также спортивного инвентаря.
Мебель из алюминиевых труб начали изготовлять в США с 1926 г.
В конце 20-х и начале 30-х годов она получила широкое распростра-
нение. В настоящее время алюминий широко применяют для из-
готовления дачной и туристской мебели (так называемая мебель
для кэмпинга).
Общее потребление алюминиевого проката для изготовления
мебели в США в 1973 г. составило 16 тыс. т.
В СССР изготовление мебели и отдельных видов спортивного
инвентаря началось с 1946—1947 гг. Первыми изделиями из прес-
сованных труб диаметром 16—22 мм были складные кровати, кресла,
стулья, шезлонги и столы; материалом служили алюминиевые
сплавы Д1 и АК6 (рис. 9.6).
Алюминиевые трубы широко применяют также для изготовления
карнизов для штор, велосипедных и мотоциклетных насосов, ружей
для подводной охоты, каркасов и колышек для палаток, сборных
219
Рис. 9.6. Кресло раскладное из алюминиевых
сплавов
байдарок,складных удилищдля
ловли рыбы, детских колясок,
сервировочных столиков, кар-
каса для рюкзаков (станок),
спортивного инвентаря (лыжные
палки, обручи, копья, стрелы),
лестниц-стремянок.
Расширению использования
в народном хозяйстве труб из
алюминиевых сплавов способст-
вовала разработка метода радио-
частотной сварки труб, внедрен-
ного в серийное производство
и давшего большой экономиче-
ский эффект [7].
Для значительного увеличе-
ния выпуска труб на одном из
отечественных металлургиче-
ских заводов были построены
автоматизированные трубосва-
рочные станы.
Весь выпуск сварных труб в
СССР в 1969 г. использовали для
производства складной мебели
и лыжных палок.
Из прессованных профилей изготовляют карнизы для штор, ве-
шалки, детские санки, окантовку для чемоданов и атташе-кейзов,
детали подвесных лодочных моторов, спиннингов, переносных га-
зовых плиток, котелки с треногой и пр.
В последние годы в СССР и других странах начали изготовлять
деревометаллические горноспортивные лыжи, обладающие многими
преимуществами перед горными лыжами деревянной и деревопла-
стиковой конструкции. Основа таких лыж — пластины из алюми-
ниевого сплава В95.
Целесообразным оказалось применение прессованных алюминие-
вых профилей при изготовлении теннисных ракеток. Металлические
теннисные ракетки обладают меньшим аэродинамическим сопротив-
лением, что делает их более маневренными в игре, и более стабиль-
ными упругими свойствами.
Алюминиевые ленты используют для изготовления корпусов мо-
торных лодок и чемоданов, лыжных креплений, черных школьных
досок и многих других видов мебели и спортинвентаря.
В настоящее время в широких .масштабах организовано произ-
водство жалюзийных штор для регулирования светового потока
в оконных проемах жилых, административных и производственных
помещений. Выпускают шторы многих типоразмеров: шириной 600—
2000 мм и высотой 1200—2500 мм. Ламели для штор изготов-
ляют из алюминиевого сплава АМг2, каркасные детали — из
сплава АД31.
220
4. ТАРА ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ
ПИЩЕВЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ
Применение алюминия для упаковочных материалов и тары яв-
ляется одним из наиболее перспективных.
Высокая коррозионная стойкость, малая плотность, хорошая об-
рабатываемость давлением, химическая инертность к пищевым про-
дуктам и витаминам, влаго- и воздухонепроницаемость, красивый
внешний вид, высокая отражательная способность в сочетании со
стабильной ценой (в отличие от цен других упаковочных материалов)
привели к значительному увеличению применения алюминия для
упаковки и тары во всем мире.
В табл. 9.4 приведен расход алюминия для этих целей в основ-
ных капиталистических странах в 1970—1985 гг.
Основными изделиями из алюминия, служащими для тары и
упаковки, в настоящее время являются следующие:
1. Консервные банки для пива, прохладительных напитков, кон-
центрированных фруктовых соков, мясных и рыбных консервов,
консервированных супов, красок, смазочных масел и др., а также
легко открывающиеся алюминиевые крышки для консервных банок.
В 1960 г. в США для этих целей было израсходовано 18 тыс. т
алюминиевого проката, а в 1983 г. — 1450 тыс. т (57 млрд, банок).
В Западной Европе на консервную тару было использовано в 1982 г.
68 тыс. т алюминиевых лент, в Японии 106 тыс. т, в Австралии
53 тыс. т, в Латинской Америке 45 тыс. т. В Европе алюминиевые
консервные банки в массовых масштабах производит промышлен-
ность Англии, Франции, ФРГ, Норвегии, ГДР и Италии. Их вы-
пуск составил в 1982 г. в Западной Европе 2 млрд, шт., в Японии
2 млрд. шт. [9].
Считают, что к 1987 г. в США алюминий полностью вытеснит
сталь для изготовления консервных банок [10]. В 1986 г. расход
алюминия на производство банок в США составит 1865 тыс. т [11].
Одна из основных причин бурного роста применения алюминия
для изготовления консервных банок — нехватка олова, необходи-
мого для покрытия жести.
Незначительное содержание олова в земной коре, малая рас-
пространенность его месторождений и высокая стоимость извлече-
те б л и ц а 9.4. Применение алюминия для тары и упаковки в основных
капиталистических странах
Страны Потребление, тыс. т Доля от общего потре- бления в 1985 г., %
1970 г. 1985 г.
Франция .... 39,0 48 8 8,4
Великобритания . 35,1 41,6 12,7
ФРГ .... 69,2 102,4 10,3
Италия 35,0 70,6 16,8
США . 665,4 1616,4 44,3
Япония 20,3 148,6 9,1
221
Таблица 9.5. Типы консервных банок из алюминия
Конструкция Метод изготовления Назначение банки
Овальная, прямоуголь- ная или круглая малой высоты Глубокая вытяжка из лакированной ленты тол- щиной 0,2—0,35 мм Рыбные и мясные консервы
Круглая удлиненная из двух штампованных ча- стей, соединяемых без спайки То же Агрессивные продукты (то- матная паста, мясо, паште- ты, кислая капуста, мари- нованная рыба, соусы, фрукты в сиропе)
Круглая с высотой, рав- Ударная штамповка из Консервированные супы,
ной 1—2 диаметрам, с легкосъемной крышкой кружков толщиной 2— 4 мм фруктовые соки, пиво
Круглая с высотой, рав- ной 2 диаметрам, с гер- метическим клапаном То же Баллоны для аэрозолей: ле- карств, косметики, красок, препаратов против насеко- мых и т. д.
Свертная банка из ком- Свертка комбинирован- Фруктовые соки, смазочные
бинированного материа- ного материала и терми- масла, краски, напитки, ох-
ла — фольги, склеенной с бумагой ческая склейка по про- дольному шву и с ме- талл и чески м и до ныш к а ми лажденное тесто
Мягкий пакет из алюми- Склейка пакета из ком- Плодоовощные стерилизуе-
ниевой фольги, склеен- бинированного материа- мые консервы со сроком хра-
ной с полимерной плен- кой ла — фольги, склеенной с полимерной пленкой нения до 2 лет
ния из бедных руд привели к сокращению мирового производства
олова за последние 40 лет на 30 %, тогда как мировое производство
всех остальных цветных металлов за это время значительно уве-
личилось (в 2 раза — меди и цинка и в 20 раз — алюминия).
В табл. 9.5 перечислены основные типы консервных банок из
алюминия, применяемых за рубежом в настоящее время [12, 13].
Для производства алюминиевого проката для консервных банок
в 60-е и 70-е годы в США, Франции, ФРГ и некоторых других стра-
нах построены специальные заводы и цеха. В США только у фирмы
«Reynolds Metals» в настоящее время имеется 13 заводов по произ-
водству консервных банок из алюминия общей мощностью около
6 млрд, банок в год. Фирма «Kaiser Aluminium» построила 4 завода
консервных банок.
Самый крупный в мире завод по производству алюминиевых
лент для консервных банок принадлежит фирме «Alcoa» (США).
Мощность этого завода составляет 147 тыс. т/год. Завод имеет се-
миклетьевую линию горячей прокатки шириной 1680 мм, обраба-
тывающую слитки массой до 18 т, два пятиклетьевых стана холод-
ной прокатки тандем 1122 и 1520 мм со скоростью до 1600 м/мин и
шестиклетьевой стан тандем со скоростью 2516 м/мин для прокатки
тонких алюминиевых лент (до 0,15 мм), применяемых для изготов-
ления жестких контейнеров (подносиков) для упаковки пищевых
222
продуктов. Пятиклетьевые станы тандем установили для этих же
целей также фирмы «Kaiser» и «Reynolds».
Анодное оксидирование и окрашивание алюминиевых лент для
консервных банок производятся на непрерывных механизирован-
ных линиях.
Вследствие меньшей плотности алюминия консервная банка из
него примерно в 2,5 раза легче жестяной и дешевле ее на 35—45 %.
При изготовлении консервной тары не из чистого алюминия,
а из сплава с магнием типа АМг2 в нагартованном состоянии удается
еще больше снизить массу и стоимость банок. Расход алюминия
на 1 млрд, банок составляет от 22 до 15 тыс. т (последняя цифра —
для сплава АМг2).
В 1978 г. на Куйбышевском металлургическом заводе им. В. И. Ле-
нина введен в эксплуатацию комплекс по изготовлению лакирован-
ной алюминиевой ленты толщиной 0,15—0,2 мм для консервиро-
вания пищевых продуктов, оснащенный станом холодной прокатки
тандем и линией лакирования лент. Это позволило организовать
массовый выпуск алюминиевых консервных банок.
Еще одно крупное преимущество алюминиевых банок — воз-
можность возврата металла использованной тары, тогда как из-за
технических трудностей разделения олова и железа возврат олова
из использованных жестяных банок производится только в очень
ограниченных масштабах.
В США на заводы вторичной металлургии возвращается для
переплава более 50 % использованных алюминиевых банок, в Япо-
нии 40 %. При этом экономится до 95 % всех энергозатрат, требуе-
мых для производства первичного алюминия из бокситов.
При изготовлении алюминиевых банок методом глубокой вы-
тяжки из листа толщиной 0,20—0,3 мм потери металла в высечку
составляют 15—18 %. Производительность автомата по изготовлению
таких банок составляет до 400 шт/мин.
Банки, производимые ударной штамповой из листа толщиной
2—4 мм, имеют более высокое качество. Потери металла при их
изготовлении равны всего 4—5 %. Поэтому в основном алюминие-
вые банки делают этим методом. Производительность установок
составляет до 200 шт/мин.
В небольших масштабах за pj бежом изготовляют алюминиевые
банки из трех частей (2 крышки и обечайка) путем свертки и ультра-
звуковой сварки. Производительность установок равна 400—
500 шт/мин. Также изготовляют составные алюминиевые банки,
получаемые пайкой твердым припоем и склейкой.
Широкое применение в последние годы получили легкосъемные
алюминиевые крышки к жестяным банкам для прохладительных на-
питков, пива, фруктовых соков, минерального масла, кофе, конфет,
сухих супов и пр. Алюминиевые крышки стоят на 10 % дороже же-
стяных, но лучше их: они легко удаляются без применения кон-
сервных ножей и ключей.
В 1982 г. в США для крышек консервных банок было израсхо-
довано 185 тыс. т алюминиевых лент [10].
223
Очень перспективно применение комбинированных консервных
банок, сделанных из трехслойного материала. Внутренний, приле-
гающий к содержимому банки слой — фольга толщиной 12,7 мкм,
затем слой пластика или крафт-бумаги, наружный слой — фольга
толщиной 7,6 мкм. Наружнюю поверхность материала покрывают
виниловым слоем с рисунками, надписями и слоем клея.
Этот материал изготовляют рулонным способом, а затем разре-
зают на карты заданного размера. Свертку карточек в банки осу-
ществляют на оправке на станках-автоматах с термической склейкой
по продольному шву. После этого к банкам прикрепляют торцы из
алюминиевых или жестяных кружков. Производительность одной
линии по изготовлению таких банок достигает 1000 штймин.
Стоимость комбинированных банок примерно на 15 % меньше
стоимости жестяных банок такой же вместимости. Их применяют
для упаковки продуктов, хранящихся при нормальном давлении и
не требующих повышенной температуры при приготовлении. В такие
банки упаковывают все консервированные фруктовые соки, сма-
зочные мае па в мелкой расфасовке и пр.
С 1978 г. за рубежом организовано производство мягких кон-
сервных банок-пакетов из алюминиевой фольги с покрытием из по-
лимерной пленки, выдерживающей стерилизацию при температуре
до 130 °C. Для хранения пустых пакетов требуется в 160 раз меньше
площади, чем для жестяных банок той же емкости. Стоимость этих
банок на 30—50 % ниже, чем жестяных. Выпуск таких банок в США
в 1980 г. составлял 40 млн. шт., их основной потребитель — армия
(упаковка пищевых рационов) [13]. На них было израсходовано
12,7 тыс. т алюминия. По-видимому, к 1986 г. этот расход возрастет
до 20,4 тыс. т [11].
2. Гибкие тюбики, изготовляемые с помощью ударной штамповки
из алюминиевых кружков. В настоящее время до 90 % металли-
ческих тюбиков, выпускаемых за рубежом, делают из алюминия,
а остальные — из олова и свинца. В 1973 г. в США изготовлено
1,2 млрд, алюминиевых тюбиков, на что израсходовано до 10 тыс.т
проката. Структура их потребления следующая, %: для зубной
пасты 50; на фармацевтические цели 21; для упаковки промышленных
продуктов 15; для парфюмерии 10; для бритвенного крема 3 и для
пищевых продуктов 1.
В Западной Европе ежегодно изготовляются до 15 млрд, тю-
биков. Они потребляются следующим образом, %: для упаковки
лекарств 15; для зубной пасты 28; для продуктов питания 23; для
парфюмерии и косметики 16; для москательных и других товаров 19.
В ФРГ на тюбики израсходовано 5200 т алюминиевого проката,
в Италии 3300 т [9].
3. Широкое распространение получили аэрозольные баллоны,
изготовляемые из алюминиевого проката толщиной 2—4 мм мето-
дом ударной штамповки.
В 1982 г. общее производство таких баллонов достигло в США
2,1 млрд. шт. и в Западной Европе 2,2 млрд. шт. Каждый житель
ФРГ, Франции, Италии и Швейцарии в среднем ежегодно исполь-
224
зует 2,5—3,0 алюминиевых аэрозольных баллона, %: для лаков 125;
для дезодорантов 18, для косметики 15; для инсектицидов 11 и для
прочих целей 31.
Во Франции ударной штамповкой также ежегодно изготовляют
около 70 % млн. алюминиевых баллонов для упаковки сигар.
В СССР производство тюбиков и аэрозольных баллонов из алю-
миния организовано в широких масштабах.
4. Полужесткие контейнеры пли подносики с фланцами и выштам-
пованными ребрами жесткости из фольги толщиной 20- 150 мкм, ис-
пользуемые в качестве разовой тары для приготовления, замора-
живания, транспортировки, подогрева и подачи пищи в виде гото-
вых блюд (мясные, рыбные, салаты, печенья, торты, пироги
и пр.).
В США для этих целей используют до 20 % выпускаемой фольги,
тыс.т: в 1958 г. 18, в 1981 г. 76,6, в 1986 г. (прогноз) 82. При средней
массе подносика 10—15 г это соответствует общему количествх
6— 8 млрд. шт. год. Емкость самых крупных фольговых контейне-
ров достигает 4 5 кг [11]. Расход фольги для таких контейнеров
в 1977 г. во Франции составил 15 тыс. т, в Италии 10 тыс. т.
В СССР производство разовой тары из алюминиевой фольги ор-
ганизовано на ряде предприятий.
В 12-й пятилетке в Москве будет построен завод быстрозаморо-
женных продуктов, для упаковки которых используется такая
фольга производительностью 200 тыс. порций в смену, а также
предприятия и цехи в других городах страны.
5. Гибкая упаковка из тонкой фольги толщиной 9—20 мкм (па-
кеты, сумки, обертка, для изготовления которой обычно исполь-
зуют кэшированную или ламинированную фольгу, склеенную с бу-
магой или пластиками). В США расход фольги для этих целей со-
ставил в 1966 г. 53 тыс. т, в 1981 г. 114 тыс. т. Кроме того, 106 тыс. т
в год фольги выпускалось в виде рулончиков для домашнего потреб-
ления (упаковка продуктов перед укладкой в холодильник, завер-
тывание птицы, мяса или рыбы перед поджариванием в духовке,
упаковка хлеба для предохранения от черствения, декоративная
упаковка подарков и пр.). Для изготовления пробок и капсул к гор-
лышкам бутылок используют 28,5 тыс. т фольги 111].
Во Франции потребление фольги на гибкую упаковку в 1975—
1977 гг. составило 22—23 тыс. т в год.
В СССР производство алюминиевой фольги для целей упаковки
началось еще в начале 30-х годов на Л1осковском, а затем на Ро-
стовском заводах по обработке цветных металлов.
В настоящее время на нескольких современных фольгопрокат-
ных заводах в Ленинграде, Москве, Ереване и на Урале выпу-
скают различные виды упаковочной фольги.
Освоены различные методы отделки упаковочной фольги: кэши-
рование, тиснение, лакирование, печать анилиновыми красителями,
многоцветная глубокая печать с полутоновыми рисунками и пр.
Качество отечественной упаковочной фольги регламентировано
ГОСТ 745—79 и многочисленными техническими условиями.
8 Альтмаи Т. Б. и др. 225
Рис. 9.7. Канистры для бензина
Отечественная фольга идет в
основном на изготовление кол-
пачков для герметизации буты-
лок с молоком, кефиром, ацидо-
филином, упаковки чая, плав-
леных сыров и других молоч-
ных продуктов, шоколада, кон-
фет, мороженого, сухих супов,
пакетов для молока, сигарет
и лекарств.
Расфасовка в фольгу значи-
тельно сокращает потери пище-
вых продуктов. Так, при упа-
ковке сливочного масла в фольгу
потери его на окисление возду-
хом снижаются на 5—6 % по
сравнению с выпуском масла в больших блоках без упаковки,
разрезаемых продавцами магазинов на куски вручную.
Продовольственной программой поставлена важная задача зна-
чительно увеличить выпуск упакованной продукции к 1990 г.
Положительное решение этой задачи во многом зависит от
увеличения производства современных упаковочных материалов
на основе алюминиевой фольги. Все отечественные фольговые за-
воды производят фольгу для домашнего употребления в рулон-
чиках или пакетах.
6. Фляги, канистры, термосы и другие виды тары из алюминия
и его сплавов получили очень широкое распространение. Для этих
целей в развитых странах используют десятки тысяч тонн алюминие-
вого проката.
Основные изделия этой группы — молочные фляги, молочные
ушаты, термосы для хранения и транспортировки горячей пищи,
канистры для бензина (рис. 9.7), газовые баллоны для переносных
кухонь, несколько видов тары для пищевых и химических продук-
тов, ведра различной формы, бочки для пива, банки для сыпучих
продуктов и др.
В СССР благодаря резкому увеличению производства первич-
ного алюминия и соответственно алюминиевого проката в последние
годы выпуск изделий этой группы значительно вырос.
В процессе производства многих видов емкостей их конструк-
ции дорабатывали, а технологию изготовления постоянно совершен-
ствовали. Так, например, переданная на изготовление Каменск-
Уральскому металлургическому заводу сварная конструкция мо-
лочной фляги емкостью 38 л заменена на цельноштампованную. Это
мероприятие улучшило качество фляг и снизило их себестоимость.
На том же заводе усовершенствована конструкция термоса ем-
костью 36 л и повышена надежность работы выравнивающего
клапана.
Выпуск в СССР некоторых видов тарных емкостей в 1985 г.,
тыс. шт: молочные фляги 385, фляги для транспортировки хими-
226
ческих удобрений (всех размеров) 400, канистры для бензина ем-
костью 10 и 20 л 800, контейнеры для перевозки мяса, рыбы и других
продуктов 3200, банки для сыпучих продуктов 800.
5. МЕДИЦИНСКИЕ ИНСТРУМЕНТЫ И ПРИСПОСОБЛЕНИЯ
Для изготовления различных медицинских инструментов, прибо-
ров и приспособлений применяют многие виды проката из алюминия
и его сплавов. Набор инструментов и шин для лечения переломов
фаланг пальцев кисти и пястных костей изготовляют из прессован-
ных пластин, профилей и прутков. Из дюралюминиевых прутков
собирают каркас шины для лечения вывихов ключицы.
Панели приспособления для переразгибания (реклинации), пред-
назначенные для плавного изгиба позвоночника, изготовляют из
крупногабаритных алюминиевых листов.
Из проката алюминиевых сплавов изготовляют столы для нало-
жения гипсовых корсетов, различного рода кресла для процедур,
носилки и ряд других приспособлений.
6. СУВЕНИРЫ И ПАМЯТНЫЕ МЕДАЛИ
Ежегодно растет ассортимент и выпуск сувениров из алюминия и
его сплагов. В большинстве случаев сувениры изготовляют методом
холодной штамповки из листового проката. Сюда относятся, на-
пример, медали, на которых изображены виды Кремля и Красной
площади, революционные памятники, характерные здания и пло-
щади городов, всевозможные настольные предметы, сувенирные
самовары, подкладки под выключатели и пр.
Для изготовления более крупных сувениров иногда требуется
использовать сложные прессованные профили, например для ано-
дированных сигаретниц, шкатулок и др.
Памятные медали и значки, как правило, изготовляют из листо-
вых заготовок. Реже сувениры изготовляют методом литья по вы-
плавляемым моделям или в земляные формы.
Глава 10
ПРИМЕНЕНИЕ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ1
Успешное решение Продовольственной программы возможно лишь
при интейсивном развитии всех отраслей сельскохозяйственного
производства на качественно новом уровне. Опыт последних десяти-
летий показывает, что на этом пути алюминий может внести сущест-
венный вклад в развитие отраслей, связанных с производством,
хранением, переработкой и транспортировкой сельскохозяйствен-
ной продукции.
1 Авторы. И. П Эрлих, М. 3. Локшин, Г. В. Рютина, Ю А. Бабин, Ф. И. Крейс.
8* 237
Выбор алюминиевых сплавов для использования в сельском хо-
зяйстве осуществляется в соответствии с работой [1], где приво-
дятся данные по химическому составу, видам полуфабрикатов,
их свойствам и др.
В основе рационального подхода к выбору алюминиевых сплавов
для применения в сельском хозяйстве, как и в других областях
потребления, лежит необходимость сочетания минимальных затрат
в металлургическом производстве с возможностью наиболее полного
удовлетворения требований эксплуатации. Исходя из этого, для
применения в отраслях народного хозяйства рекомендуются в ос-
новном следующие сплавы: технический алюминий марок АДО,
АД1, низколегированные термически неупрочняемые сплавы АМц,
АМг2, АМгЗ, Д12 и термически упрочняемые мало- и среднелеги-
рованные сплавы АД31, 1915, 1925, 1935. Аналогичный принцип
положен в основу использования алюминиевых сплавов в области
сельского хозяйства за рубежом.
Алюминий как конструкционный материал еще недостаточно ис-
пользуют в сельском хозяйстве нашей страны. Ограниченное и осто-
рожное его применение в этом направлении в определенной мере
связано с недостаточным знанием свойств и возможностей алюми-
ниевых сплавов. Часто препятствием является относительно высокая
стоимость металла, особенно если учитывать только первоначаль-
ные затраты на создание тех или иных объектов и не учитывать
уменьшение эксплуатационных расходов и более, длительный срок
службы конструкций.
В последнее время наметился ряд наиболее эффективных обла-
стей использования алюминиевых сплавов для производства, транс-
портировки, хранения и переработки сельскохозяйственной про-
дукции.
1. ЗЕРНОХРАНИЛИЩА
Металлические зернохранилища наиболее полно отвечают совре-
менным требованиям централизованного производства зерна и га-
рантируют высокое качество хранения при минимальных затратах
ручного труда. По сравнению с традиционными железобетонными
хранилищами металлические обладают рядом преимуществ: быстрота
монтажа, существенное снижение объема строительных работ, вы-
сокая надежность в эксплуатации, малая собственная масса емко-
стей, низкие капитальные затраты. Применение металла позволяет
организовать массовое производство хранилищ максимальной завод-
ской готовности. Огромное преимущество таких конструкций в том,
что хозяйство может приобрести хранилище так же, как комбайн
или зернообрабатывающий комплекс. Металлические хранилища
позволяют максимально, приблизить пункты хранения к местам
сбора зерна.
Отмеченные достоинства металлических хранилищ обусловили
их повсеместное распространение в большинстве стран мира [2].
В настоящее время общепризнана целесообразность строительства
зернохранилищ общей вместимостью до 10 000 т исключительно из
228
Таблица 10.1. Зависимость коэффициента внешнего трения различных
материалов от влажности зерна
Материал стен силоса Вид куль- туры * Влажность зерна, %
13,5 19,0 25,0
Сплав АМг2 к 0,18 0,25
п 0,22 0,30 0,44
я 0,28 0,41 —
Сталь с пленкой смазки пос- к 0,29 0,41 0,49
ле расконсервации п 0,22 0,32
я 0,22 0,39
Сталь со следами коррозии к 0,39 0,62 —
п 0,42 0,55 0,58
я 0,35 0,62 —
Бетон п 0,52 0,80 —
я 0,55 — —
* К — кукуруза: П — пшеница: Я — ячмень.
металлических емкостей, хотя в мировой практике имеются примеры
использования металлических емкостей, именуемых наиболее часто
«силосы», и для создания хранилищ общей вместимостью до 30—
50 тыс. т. Основными материалами для производства металлических
силосов служат сталь с антикоррозийными покрытиями и алюминий.
Выбор этих материалов определен высокими’ требованиями к дли-
тельности эксплуатации, коррозионной стойкости, прочности и ус-
тойчивости конструкций. В частности, используемая для силосов
оцинкованная сталь должна иметь, как правило, цинковое покрытие
неимение 400 г/м2, что гарантирует работоспособность конструкции
в течение 10—15 лет.
Использование алюминиевых сплавов в зерновых силосах имеет
следующие преимущества: коррозионная стойкость без всяких по-
крытий не менее 30—40 лет; высокая отражательная способность,
что уменьшает опасность конденсации влаги и обеспечивает ста-
бильность температурного режима хранения; гигиеничность и лег-
кость конструкций; снижение расхода металла на единицу емкости.
Необходимо отметить повышенную гладкость стен силосов из алю-
миниевых сплавов, что важно для очистки и дезинфекции, а также
для устойчивости тонкостенных оболочек при вертикальных на-
грузках. В табл. 10.1 приведена зависимость коэффициента трения
различных материалов от влажности и вида хранимых культур.1
Отмеченные преимущества алюминиевых силосов в сочетании с ра-
стущим дефицитом пинка и оцинкованного стального проката дик-
туют целесообразность развития типов и конструкций зернохрани-
лищ с широким использованием алюминиевых сплавов.
В настоящее время накоплен определенный опыт создания алю-
миниевых силосов. Народное предприятие «Fortschritt» (ГДР) вы-
1 Испытания проведены ЦНИИпромзернопроектом и ВИЛСом.
229
пускает цилиндрические емкости с конусным днищем К 850/2 вме-
стимостью 150 т. Стенки сделаны из гофрированного алюминиевого
листа. Комплексы из указанных бункеров общей вместимостью
до 3600 т смонтированы в ряде хозяйств Прибалтики и Казахстана.
Фирма «Conair» (США) освоила производство силосов диаметром 3,5 и
4,5 м. высотой 9,75; 12,2; 14,6; 17 и 18,3 м из алюминиевого сплава
5052-Н22. Фирма «ВгаЬу» (Англия) выпускает алюминиевые силосы
вместимостью 15—100 т. Десятилетние испытания, проведенные
фирмой, подтвердили высокое качество хранения и отсутствие
коррозии листов.
ВИЛСо.м совместно с Всесоюзным институтом механизации сель-
ского хозяйства ВАСХНИЛ разработаны конструкции спирально-
навивных силосов диаметром 6,0 и 8,0 м с механизированной вы-
грузкой зерна с плоского днища [3, с. 14; 41. В основу конструкции
положена технология монтажа цилиндрических оболочек методом
спиральной навивки из рулонированных алюминиевых листов. В спи-
рально-навивных силосах применен сплав 1520 (АМг2), вполне от-
вечающий условиям монтажа и работы конструкций. Имеется воз-
можность использования для этих целей малолегированных сплавов
системы AI—Мц- -Мп.
Одно из первых алюминиевых зернохранилищ построено в кол-
хозе «Адажи» Латв. ССР (см. рис. 1.27). Оно состоит из шести си-
лосов диаметром 6 и высотой 11 м. Общая вместимость 1500 т зерна.
Все процессы загрузки, выгрузки и контроля режимов полностью
механизированы.
Алюминиевые силосы по сравнению с железобетонными позво-
ляют в 6—10 раз уменьшить трудоемкость сооружения зернохрани-
лища, сократить в 3—4 раза расход бетона и в 2—3 раза расход
металла. Силос вместимостью 250—500 т возводится бригадой из
пяти монтажников менее чем за 100 ч «под ключ». Конструкция си-
лосов ВИЛСа отличается также тем, что 80 % готовности емкости по-
ступает на строительную площадку в виде рулонов с металлурги-
ческого завода. Все металлоконструкции двух силосов вместимо-
стью 500 т могут быть доставлены рейсом одного КамАЗа. Для же-
лезобетонного храни чища такой же вместимостью потребуется при-
вести не менее 500 т железобетонных элементов.
Широкое развертывание строительства алюминиевых зернохра-
нилищ непосредственно в колхозах и совхозах позволит внести
быстрый и существенный вклад в решение задачи повышения произ-
водства зерна.
2. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ
ДЛЯ ХРАНЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ
В последние годы в мировой практике получает все большее рас-
пространение строительство полносборных сельскохозяйственных
зданий, конструктивное исполнение которых основывается на ши-
роком использовании легких конструкций с эффективной тепло4
изоляцией [3, с. 241-
230
Из большого количества факторов, обусловливающих широкое
использование алюминия в строительстве, особое значение для
строительства сельскохозяйственных зданий и сооружений имеют:
высокая коррозионная стойкость и гигиеничность, благодаря
чему значительно облегчается уход за различными сельскохозяй-
ственными постройками, их обслуживание, при этом обеспечивается
их высокая долговечность;
малая масса конструкций и низкая трудоемкость монтажа по-
зволяют возводить здания малыми силами, без специального грузо-
подъемного оборудования;
высокая отражательная способность при малой излучательной
способности позвотяет использовать алюминий в качестве эффек-
тивной теплоизоляции.
Сельскохозяйственные здания комплектной поставки по приме-
няемым материалам можно разделить на три группы: а) из стальных
конструкций; б) из алюминиевых и стальных конструкций одновре-
менно; в) из алюминиевых констрх кций. Объем применения алю-
миния неуклонно увеличивается. Например, в сельскохозяйствен-
ных зданиях Дании в 1965 г. использовано 150 т алюминия (глав-
ным образом в кровлях), а за 1965—1974 гг. — 30 000 т (примерно
15 млн. м2 кровель) [3, с. 241.
В сельскохозяйственных производственных зданиях атюминий
находит применение в основном для ограждающих конструкций
кровель и стен полистовой ц панельной сборки, утепленных потол-
ков, окон, элементов вентиляции, а также в отдельных случаях для
щелевых полов, ограждений стойл и загонов. Используют алюминий
также в конструкциях покрытий, совмещающих ограждающие и
несущие функции, и реже — в несущих конструкциях [3, с. 24 1.
Для изготовления конструкций используют в основном сплавы
систем А1—Mg—Si (типа АД31), Al—Mg—Мп (типа Д12), Al—.Mn
(типа АМц) средней механической прочности, отличающиеся высо-
кой коррозионной стойкостью.
Особый интерес во многих европейских странах вызывает приме-
нение алюминия для строительства животновод-еских помещений,
поскольку условия, которые он обеспечивает, в большей степени,
чем другие материалы, способствуют увеличению продуктивности
животноводства и сокращению расходов на эксплуатацию [3. с. 241.
В СССР с применением алюминиевых ограждающих конструкций
построено несколько объектов сельскохозяйственного производствен-
ного назначения, таких как животноводческий комплекс в совхозе
Щапово Московской области, несколько птичников, в том числе на
Белгородской и Богдановской птицефабриках (УССР) и др
В 1975 г. в ВНР при строительстве сельскохозяйственных и про-
мышленных зданий, а также различного рода хранилищ сельско-
хозяйственной продукции было использовано около 1,5 млн. м
легких ограждающих конструкций из алюминиевых листов. В ЧССР
более половины сельскохозяйственных производственных зданий
строят с применением алюминия в ограждающих конструкциях.
Так, в 1972 г. построен животноводческий комплекс на 500 коров,
231
в котором использованы алюминиевые ограждающие панели стен и
покрытия [3. с. 24 1. В ГДР здания с алюминиевыми ограждающими
конструкциями применяют для животноводческих комплексов на
5 тыс. голов племенного молодняка и комплексов на 80 тыс. голов
откормочного молодняка крупного рогатого скота. В ПНР в огражда-
ющих конструкциях сельскохозяйственных зданий и объектов пи-
щевой промышленности используется более 10 тыс. т алюминия.
Построен птицеводческий комплекс на 945 тыс. бройлеров. Все
птичники решены со стальным каркасом и алюминиевыми ограждаю-
щими конструкциями. Разрабатываются другие проекты сельско-
хозяйственных производственных зданий, овоще- и фруктохранитищ
с применением алюминиевых конструкций [3, с. 24].
Типичным решением является однопролетное здание со стальным
каркасом и алюминиевыми ограждающими конструкциями поли-
стовой сборки. Все материалы используются в конструкции раци-
онально: алюминиевые внутренние поверхности кровли и стен
обеспечивают гигиеничность помещений, служат хорошей парои-
золяцией, препятствуют теплопотерям излучением. Каркас надежно
защищен от воздействия влажного воздуха помещений и от атмо-
сферной влаги и хорошо проветривается, благодаря, чему увеличи-
вается его долговечность. Наружные алюминиевые поверхности
кровли и стен препятствуют перегреву помещений в летний период.
В некоторых случаях применяют алюминиевый каркас, который
со стороны помещений оставляют открытым.
В настоящее время птицеводческие здания и животноводческие
фермы строят из готовых конструкций, поставляемых с завода на
стройку комплектно. Этот метод позволяет экономить не только
материальные, но и трудовые ресурсы, что особенно важно для
сельского строительства, характеризующегося большой разбросан-
ностью объектов, слабым развитием местной строительной базы и
острым дефицитом квалифицированной рабочей силы. Например, при
строительстве птицефабрики на 6 млн. бройлеров в год сокращение
времени возведения каждого единичного птичника (а их в составе
фабрики может быть до 20) не только компенсирует удорожание
строительства алюминиевых птичников по сравнению с типовыми
железобетонными, но и дает дополнительный экономический эффект
за счет досрочного ввода объекта в строй.
В конструкциях хранилищ применение алюминия особенно эффек-
тивно благодаря его теплоизолирующей способности, гигиеничности,
паронепроницаемое™.
В ГДР имеется положительный опыт строительства фрукто- и
овощехранилищ с ограждающими конструкциями из алюминиевых
«сэндвич»-панелей с сердцевиной из пенополиуретана. В 1976 г.
построено фруктохранилище вместимостью 6,3 тыс. т с железобе-
тонным каркасом и покрытием по стальным фермам. Ограждающие
конструкции—алюминиевые «сэндвич»-панели с сердцевиной из пено-
полиуретана толщиной 100 мм. Снаружи на стенах установлены
на относе гофрированные алюминиевые листы, выполняющие роль
отражательной изоляции. Подвесной потолок из «сэндвич»-панелей
232
установлен в уровне нижнего пояса стальных ферм, а кровля вы-
полнена из гофрированных алюминиевых листов в уровне верхнего
пояса ферм [3, с. 24].
В ПНР разработаны проекты овощехранилищ с каркасом-из
легких стальных конструкций; покрытия и стены выполнены из
панелей, обшивки которых изготовлены из гофрированных алюми-
ниевых листов, а теплоизоляция — из пенополистирола и минераль-
ной ваты [3, с. 24].
В Англии разработан проект картофелехранилища на 6 тыс. т
со стальным каркасом и ограждением из «сэндвич»-панелей с алю-
миниевыми обшивками [3. с. 24].
В Голландии построено экспериментальное картофелехранилище
12,95X19,52 м в плане с каркасом из облегченных стальных про-
филей и стенами из алюминиевых «сэндвич»-панелей [3, с. 24].
Разработаны проекты картофелехранилищ вместимостью от 1,2
до 5,0 тыс. т с ограждениями из алюминиевых «сэндвич»-панелей
и каркасами двух типов — стального и деревянного из гнутоклее-
ных рам — пролетом до 30 м. Аналогичные здания построены в Шве-
ции (на 10 тыс. т картофеля) и в Швейцарии (на 5,7 и 10 тыс. т кар-
тофеля) [3, с. 24].
Характерным решением можно считать разработанные и выпу-
скаемые в ВНР овоще- и фруктохранилища со стальным каркасом
стоечно-балочного типа и ограждающими конструкциями из алюми-
ниевых «сэндвич»-панелей с сердцевиной из пенополиуретана. Ряд
таких фруктохранилищ сооружен в СССР.
В настоящее время проектируется первое в стране картофеле-
хранилище вместимостью 5000 т с широким использование.м алюми-
ниевых конструкций. Это резко снизит стоимость его сооружения,
в 2 раза уменьшит трудоемкость строительных работ, в 4 раза со-
кратит сроки строительства, улучшит сохранность продукции.
Широкое применение легковозводимых овоще- и фруктохранилищ
относительно небольшой емкости в совхозах и колхозах обеспечит
значительное снижение потерь продукции, и снизит пиковые нагрузки
на автотранспорт в осеннее время.
Перспективно использование в овоще- и фруктохранилищах спе-
цифических конструкций, существенно снижающих нагрузку на
холодильные установки и отопительные агрегаты, в том числе алю-
миниевых экранов, алюминиевых водоохлаждаемых стен и кровель,
совмещенных с ограждающими конструкциями коллекторов сол-
нечной энергии, включенных в системы термостатирования зданий.
Особенно предпочтительно применение системы гелиоохлажде-
ния, наиболее интенсивно работающей в момент максимального
теплового напора на ограждения [3, с. 24].
Алюминий — один из самых незаменимых материалов для приме-
нения в деталях, непосредственно контактирующих с пищевыми
продуктами (молокопроводы и цистерны, доильные установки, кон-
сервная тара, фольга для упаковки пищевых продуктов, мельничные
рассевы, емкости для длительного хранения продуктов и т. д., см.
также гл. 9, разд. 4).
233
3. ТЕПЛИЦЫ
В мировой практике наиболее распространенным типом зимних
теплиц с ограждающими конструкциями из алюминия являются
блочные (многопролетные) теплицы с шириной пролета 3,2—12 м,
позволяющие перекрывать большие площади с наименьшим рас-
ходом металла [3, с. 351. Имеется тенденция к некоторому увели-
чению пролетов блочных и ангарных теплиц, которые в отдельных
проектах достигают 36 м и более. В большепролетных теплицах и
несущие конструкции можно изготавливать из алюминиевых спла-
вов, что позволяет заметно уменьшить массу конструкций.
Многочисленные фирмы в европейских странах и США совместно
с металлургическими предприятиями разрабатывают и изготавли-
вают специальные профили для теплиц, существенно упрощающие
их строительство. Для этого применяют сплавы марок AlMgSiO,5,
AlMgSil и AlMg3 (типа АД31, АДЗЗ и АМгЗ соответственно). Их
свойства в соответствии со стандартом ФРГ (DIN1748, L1) приве-
дены в табл. 10.2 [5].
Применение алюминия в ограждающих конструкциях обеспе-
чивает более длительный срок их службы благодаря высокой кор-
розионной стойкости. Кроме того, алюминиевые профили специаль-
ного сечения позволяют герметично вставить стекло без промазки
мастикой и, таким образом, избежать трудоемких процессов герме-
тизации остекления при монтаже и ремонте. Важное для повышения
урожайности преимущество алюминия — лучшая освещенность теп-
лиц вследствие высокой отражательной способности алюминия
(80 %) по сравнению с оцинкованным железом (40 %) [5].
Серийное производство теплиц в СССР базируется на блочной
теплице пролетом 6,4 м с конструкциями из стальных гнутых про-
филей, оцинкованных горячим способом. Основное достоинство этой
конструкции — возможность ее серийного производства в заводских
условиях. Указанные теплицы, однако, не лишены недостатков,
которые выявились в течение ряда лет эксплуатации в сравнении
с теплицами, имеющими алюминиевое ограждение. К ним следует
отнести прежде всего более высокий расход тепла, а также значи-
тельную трудоемкость монтажа и ремонта.
Использование теплиц с алюминиевыми ограждениями в СССР
началось в 1970 г. постройкой в совхозе «Московский» голландских
теплиц фирмы «Voskamp». Это блочные двухконьковые теплицы
пролетом 6,4 м с подстропильной фермой. Подстропильные фермы и
Таблица 10 2. Механические свойства алюминиевых профилей для строительства
теплиц [5]
CujjaiB Состояние поставки ав, МПа °о,2- МПа 6. %
AlMgSil Искусственно состаренный 280 200 12
AlMgSiO.J? То же 220 160 12
\lMg3 Прессованный 180 80 14
234
стойки из оцинкованной стали установлены с шагом 3 м . На фермы
опираются два шатра ограждения в каждом пролете Коньковые
прогоны, шпросы (наклонные профили для опирания стекла), фор-
точки и стеновые ограждения выполнены из алюминия, а лотки,
установленные с шагом 3,2 м, — из оцинкованной стали. Расход
алюминия составляет 1,13 кг'м2, стали 7,0 кг/м2 по сравнению
с 9,85 кг/м2 стали в полностью стальной теплице такого же пролета,
т. е. расход стали снижен на 29 %, общая металлоемкость на 17,5 %.
Первый отечественный проект большепролетной, целиком алю-
миниевой теплицы разработан институтом ЦНИИ «Проектсталь-
конструкция» в 1972 г. Теплица с двумя пролетами по 36 м не имеет
аналогов в мировой практике. Расход алюминия на покрытие состав-
ляет 8 кг/м2. Теплица площадью 1 га построена в подмосковном
г. Истре.
В 1974 г. ВИЛСом совместно с Гипронисельпромом Минплодо-
овощхоза СССР разработан проект опытного образца ангарной теп-
лицы пролетом 36 м, в которой благодаря более совершенной конст-
рукции расход алюминия на покрытие снижен до 5 кг/м2. Материал
несущих конструкций теплицы пролетом 36 м — алюминиевый
сплав 1915Т.
Учитывая положительный зарубежный опыт строительства и
эксплуатации теплиц, ВИЛСом совместно с Гипронисельпромом
спроектированы ограждающие конструкции для двух типов теплиц
блочной теплицы пролетом 6,4 м на стальном каркасе и двухконь-
ковой блочной теплицы пролетом 6,4 м с подстропильной фермой
[6]. Применение алюминиевых полуфабрикатов (сплав АД31Т1)
в ограждающих конструкциях теплиц позволило более чем в 3 раза
снизить металлоемкость, существенно облегчить монтаж металло-
конструкций, упростить процесс остекления, улучшить герметиза-
цию стыков, что обеспечило снижение тепловых потерь на 20 % и
более стабильный температурный режим.
Рис. 10.1. Теплицы с алюминиевыми ограждениями в совх-зе Белая дач
235
На основе создания фрагментов теплиц в совхозе «Белая дача»
Московской области осуществлено строительство теплиц общей
площадью 24 га (рис. 10.1).
В результате критического анализа известных конструкций
блочных и ангарных теплиц в ВИЛСе в 1976 г. предложена новая
конструкция теплиц. В этой теплице покрытие выполнено много-
скатным, пролет может быть от 9 до 21 м, а элементы ограждающих
конструкций унифицированы. Теплицы можно строить и в ангар-
ном, и в блочном варианте, вследствие чего расширяется область их
применения. Большой пролет' позволяет улучшить использование
площади закрытого грунта и сельхозмашин, дает возможность при-
менять обычные тракторы и сельхозмашины.
4. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ ТРАНСПОРТ
Целесообразность применения алюминия в транспортных средствах
сельскохозяйственного назначения обусловлена двумя факторами:
необходимостью снижения массы и соответствующего увеличения
грузоподъемности;
требованиями высокой коррозионной стойкости и гигиеничности
конструкций, обеспечивающих длительный срок службы в специ-
фических условиях эксплуатации.
Алюминиевые сплавы и в этом направлении позволяют не только
с высокой эффективностью заменять традиционные материалы, но
являются в ряде случаев наиболее технически целесообразным ма-
териалом для создания некоторых образцов техники, таких как
самосвальные кузова для перевозки незатаренных минеральных
удобрений, полуприцепы-скотовозы, авторефрижераторы, авто-
цистерны, рефрижераторные контейнеры для перевозки скоро-
портящихся сельскохозяйственных продуктов и др.
Многие из указанных разработок получили в результате испыта-
ний положительную оценку и рекомендованы к серийному произ-
водству.
При выборе материала для изготовления самосвального кузова
Мытищинским машиностроительным заводом изготовлено и испы-
тано восемь .типов кузовов, в том числе с применением наряду со
сталью алюминия, пластмасс, различных покрытий и пр. Испытания
показали, что именно алюминий наиболее полно отвечает требова-
ниям эксплуатации и позволяет более чем вдвое увеличить срок
службы кузова. В конструкции кузова использованы прессованные
профили из сплава 1915 и листы сплава АМг5. Задача снижения
затрат на изготовление кузова за счет сокращения объема свароч-
ных работ привела к разработке более совершенной конструкции.
Основу ее составляют крупногабаритные алюминиевые профили из
сплава 1915. Назначение полуприцепов-скотовозов — перевозка
на расстояние 75—-100 км крупного рогатого скота, свиней, овец,
птицы с животноводческих и птицеводческих комплексов на перера-
батывающие предприятия. Полуприцепы-скотовозы с применением
алюминия рекомендуются взамен изготавливаемых из дерева, срок
эксплуатации которых не превышает 1—2 лет.
236
Рис. 10.2. Полуприцеп-скотовоз в алюминиевом исполнении
Разработано несколько модификаций полуприцепов-скотовозов,
различающихся грузоподъемностью (от 8 до 23 т) и типом седель-
ного тягача (ЗИЛ и КамАЗ). Кузов безрамный, несущей конструк-
ции, клепано-сварной из алюминиевых прессованных профилей,
соединенных с алюминиевой обшивкой при помощи заклепок
(рис. 10.2). В конструкции кузова использовано 19 наименований
прессованных профилей из сплавов АД31 и 1915, в том числе крупно-
габаритные, и рифленый лист толщиной 4 мм для настила пола из
сплава АМг2Н.
Применение алюминия позволяет существенно повысить эксплуа-
тационную надежность, более чем в 2 раза увеличить срок службы
полуприцепа по сравнению с традиционным, облегчает обслуживание,
обеспечивает лучшие гигиенические условия содержания и сохран-
Рис. 10.3. Алюминиевый кузов полуприцепа-рефрижератора
237
пости скота и птицы при перевозках. В конечном счете перечислен-
ные преимущества позволяют получить на каждом скотовозе 1 —
2 тыс. руб. экономии.
Значительный объем скоропортящихся продуктов в нашей стране
перевозится автомобильным холодильным транспортом. Растущие
требования к увеличению объемов перевозок сельскохозяйственной
продукции, ее сохранности, повышению долговечности техники
способствовали развитию работ по усовершенствованию конструкций
отечественных полуприцепов-рефрижераторов. Разработано не-
сколько моделей авторефрижераторов, различающихся грузоподъем
ностью (11,5 и 22,0 т) и конструкцией седельного тягача (КамАЗ
и ЗИЛ). Кузов безрамный, несущей конструкции, цельнометалли-
ческий, клепано-сварной (рис. 10.3). В конструкции кузова ис-
пользованы алюминиевые прессованные профили из сплавов АД31
и 1915, в том числе крупногабаритные, соединенные с алюминиевой
обшивкой (листы сплава АМг31/2Н) при помощи заклепок. При-
менение алюминиевых полуфабрикатов в конструкции авторефриже-
ратора увеличивает грузоподъемность кузова на 300 кг, позволяет
повысить долговечность полуприцепов, снизить более чем на 30 %
трудоемкость сборочных работ.
5. ОРОСИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
Значительная часть сельскохозяйственных угодий СССР, в том числе
около 80 % зерновых площадей, расположена в климатической
зоне с недостаточным естественным увлажнением земель. Орошае-
мое земледелие на этих площадях — единственная альтернатива
устойчивых высоких урожаев. Отсюда — причина постоянного вни-
мания к вопросам развития орошаемого земледелия. Ежегодно
в СССР вводится около 1 млн. га новых орошаемых земель. На
мелиоративные работы расходуется примерно четвертая часть го-
сударственных и колхозных капиталовложений, выделяемых сель-
скому хозяйству. Однако широкое развитие орошаемого земледелия
совершенно немыслимо без своевременного материально-техниче-
ского обеспечения, новых разработок и современных материалов.
Одна из ведущих тенденций в развитии оросительной техники второй
половины XX в. — широкое внедрение пластмасс и алюминиевых
сплавов.
В настоящее время в СССР за один сезон около 2 млн. га уже
обрабатывается оросительными системами, созданными на базе
алюминиевых трубопроводов. Аналогичное направление развития
наблюдается и за рубежом. Легкость и прочность алюминиевых труб
и конструкций из них, высокая коррозионная стойкость обеспе-
чивают подачу не только воды, но также животноводческих стоков
и химических растворов. Основной конструктивный элемент любой
оросительной системы — трубопровод, наземный или подземный,
стационарный или разборный. Важно добиться высокой прочности
трубопровода, снижения его массы, уменьшения трудоемкости
монтажа и транспортировки и увеличения срока службы. Все эти
238
Таблица 10.3. Техническая характеристика оросительной техники из алюминиевых трубопроводов
Модель оросительной техники Сезонная произво- дитель- ность, га Расход воды, л/с Ширина захвата при оро- шении, м Способ пози- ционного тран- спортирования Ди аметр трубо- прово- дов. мм Обслужива- ющий персо- нал Краткая характеристика, назначение
«Днепр» ДФ-120 170 120 460 Трактор ЮМЗ-6АЛ 180 1 оператор на 8 агре- гатов Многоопорный агрегат позицион- ного действия для полива дожде- ванием различных сельскохозяй- ственных культур, в том числе высокостебельных
«Волжанка» ДКШ-64 100 64 790 Двигатель внутреннего сгорания (3 кВт) 130 1 оператор на 3 уста- новки Многоопорный агрегат позицион- ного действия для полива дождева- нием зерновых и технических куль- тур высотой не более 1,5 м
«Радуга» КИ-50 50 47 — Переносной 105, 125, 150 2 поли- вальщика Переносной разборный ороситель- ный комплект для полива дождева- нием
ПАР-100 50 99 200 Трубовоз ТН-220 220 2 опера- тора Трубопровод поверхностного поли- ва в зоне хлопководства
ГО со со РТЯ-220 220 Магистральный разборный трубо- провод для подачи воды от насо- сной станции к дождевальным агре- гатам; 1000 м трубопровода обе- спечивают орошение участка 80 га
Г Рис. 10.4. Многоопорный дождевальный агрегат «Днепр^ДФ-120
задачи успешно решаются с использованием труб из алюминиевых
сплавов. Так, трудоемкость монтажа разборного алюминиевого
трубопровода примерно в 2—4 раза ниже, чем аналогичного сталь-
ного. При этом стоимость 1 м алюминиевого трубопровода сопоста-
вима со стоимостью 1 м оцинкованного трубопровода. Следует
обратить внимание на то, что повышенная гладкость алюминия
позволяет снизить мощность насосных станций примерно на 15—
20 % В СССР основную массу оросительных алюминиевых трубо-
проводов производят из сплавов 1520 (АМг2), 1530 (АМгЗ), 1915.
Трубы из сплавов 1520 и 1530 изготавливают диаметром 105—220 мм
в основном методом высокочастотной сварки, из сплава 1915 — го-
рячим прессованием. За рубежом для этих же целей используют
сплавы 5052 (57S), AG-2 (аналоги сплава АМг2); 5154, AG-3 (ана-
логи сплава АМгЗ); 3004 [аналог сплава 1521 (Д12) 1.
Широкое использование алюминия позволило создать высоко-
производительные современные установки и трубопроводы, успешно
решающие сложные задачи орошаемого земледелия в СССР. Техни-
ческие характеристики установок даны в табл. 10.3. На рис. 10.4
представлен дождевальный агрегат «Днепр» ДФ-120.
Следует отметить перспективность и экономичность создания
стационарных оросительных сетей подземного заложения с исполь-
зованием алюминиевых трубопроводов. Применение труб из сплавов
типа 1520 (АМг2) с внутренней и наружной плакировкой АЦпл или
АЦ2 [3, с. 431 позволяет успешно решать вопросы коррозионной
стойкости к воздействию почвы, а также растворов минеральных
удобрений.
6. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
В сельскохозяйственном машиностроении за последние 10 лет при-
менение алюминия увеличилось более чем в 3 раза. Еще больший
рост его потребления ожидается в будущем. Это вызвано главным
образом требованиями значительного повышения технического
уровня машин, снижения их материалоемкости, уменьшения дав-
ления на почву, повышения урожайности полей. Малая плотность,
высокие технологические свойства алюминиевых сплавов, возмож-
ность применения методов литья в кокиль и под давлением, практи-
ческий отказ от механической обработки или минимальные затраты
на нее позволяют с высокой эффективностью заменить 4 т чугуна од-
240
Рис. 10.5. Унифицированный кониче-
ский редуктор с корпусом из алюми-
ниевого сплава
ной тонной алюминиевого литья. Бла-
годаря высокой коррозионной стой-
кости алюминиевые сплавы находят
все более широкое применение в ма-
шинах, работающих в агрессивных
средах, по транспортировке и разбра-
сыванию органических и минераль-
ных удобрений, по борьбе с сельско-
хозяйственными вредителями и ряде
других.
В сельскохозяйственном машино-
строении находят применение и ли-
тейные, и деформируемые алюминие-
вые сплавы, однако предпочтение
пока отдается литейным. Основное
направление в применении литейных
сплавов — замена традиционных материалов (чугуна и стали).
Самой значительной группой применяемых и намечаемых
к применению являются корпусные детали (рис. 10.5). Применение
алюминиевых сплавов для корпусных деталей унифицированных
конических и цилиндрических редукторов позволит снизить удель-
ную материалоемкость редукторов с 0,066 до 0.033 кг/Н м,что под-
нимет редукторостроение на уровень мировых стандартов.
Применение алюминиевых сплавов для редукторов характерно и
для ряда зарубежных фирм. Так, например, в ВНР фирма «Rekard»
длительное время выпускает редукторы с алюминиевыми корпус-
ними деталями.
Значительно увеличилось применение литейных алюминиевых
сплавов взамен чугуна в отечественных и зарубежных сеялках.
Так, для сеялки ССТ-12Б изготавливается корпус высевающего ап-
парата и ячеистый высевающий диск, в кукурузной сеялке СУПП-8
и овощной СУПО-6 корпус высевающего аппарата и вакуумная
крышка. В зарубежных сеялках «Nobeks-ЗОО» фирмы «Nibe Verken»
(Швеция), овощной «Stanhay» фирмы «Herstaig» (Англия), «Аего-
matic» фирмы «Вескег» (ФРГ) и др. из алюминиевых сплавов изго-
тавливают корпуса и крышки высевающих аппаратов, корпуса
дозаторов и ряд других деталей. Использойание литейных алюми-
ниевых сплавов в сеялках позволяет получать детали с высокой
чистотой и точностью, что обеспечивает стабильность работы высе-
вающей системы, а следовательно, увеличение урожайности сельско-
хозяйственных культур. Детали сеялок отливают преимущественно
из сплава АК7.
Пример широкого применения корпусных деталей — унифициро-
ванный мост ведущих колес для зерноуборочных комбайнов, на ко-
тором установлено И наименований алюминиевых деталей общей
массой 30 кг. В конструкциях машин для механизации возделывания
хлопка с целью снижения металлоемкости применяют литые алюми-
ниевые детали на двигателе и мосту ведущих колес. Небольшое
количество литых деталей применяется в машинах по защите расте-
241
нии от сельскохозяйственных вредителей, в основном это корпусные
детали, соприкасающиеся с агрессивной средой.
В последнее время наметилась тенденция по применению алюми-
ниевых сплавов для шкивов клиноременных передач взамен чугуна.
Это обусловлено следующими соображениями: снижением металлоем-
кости, значительным уменьшением дисбаланса шкива, а следова-
тельно, снижением инерционных нагрузок при работе машин, что
увеличивает ее долговечность. Кроме того, получение шкивов из
алюминиевых сплавов литьем под давлением позволяет снизить
трудоемкость их изготовления в 3—5 раз. В настоящее время шкивы
из алюминиевых сплавов применяют на приводах вакуг мных уста-
новок УВУ 60/45 (одно- и двухручьевые шкивы), фуражире ФН-1,4,
измельчителе соломы ПУН-5, кукурузоуборочном комбайне «Херсо-
нец-200» КСКУ-6, хлопкоуборочных и ряде других машин. В пере-
численных машинах удельное давление на шкив составляет 0,05—
0,025 МПа.
Ведутся работы по применению шкивов из алюминиевых спла-
вов на таких тяжелонагруженных машинах, как зерноуборочные
комбайны «Нива» СК-5, «Дон-1500». Проведенные стендовые и по-
левые испытания показали недостаточную износостойкость алюминие-
вых сплавов, вследствие чего возникает вопрос о необходимости
разработки новых материалов повышенной износостойкости [71.
В настоящее время для обеспечения стабильности работы тяжелона-
груженных шкивов требуется упрочнение их рабочих поверхностей
путем нанесения износостойких покрытий.
Тенденция применения шкивов из алюминиевых сплавов харак-
терна и для зарубежных машин, причем, как правило, шкивы при-
меняют только на слабонагруженных контурах. На зерноуборочном
комбайне «Vait 9700» фирмы «Vait Farm eqinment» (США) установ-
лен одноручьевой шкив вентилятора; на селекционном комбайне
«Nerseri Master gidrostatic» фирмы «Valter und Vinterchtaiger» (Ав-
стрия), предназначенном для уборки зерновых и технических куль-
тур (двигатель мощностью 18,5 кВт), установлено 16 шкивов; рисо-
уборочный комбайн «3000КС» фирмы «Moscava Traiding» (Япония)
укомплектован шкивами из алюминиевых сплавов.
Для отливки корпусных деталей! и шкивов применяют в основ-
ном алюминиевые сплавы марок АЛ9, АЛ4 и АЛ11 и в незначитель-
ной степени сплав А1<7 (АЛ9В) на основе вторичного алюминия.
В связи со значительной потребностью сельскохозяйственного ма-
шиностроения в алюминиевых сплавах ставится задача максимально
использовать вторичные литейные алюминиевые сплавы марок АК7,
АК7МЦМг2 и других [8] взамен отливаемых на основе пер-
вичного алюминия. Это продиктовано не только необходимостью
снижения себестоимости изготовления изделий, но и возможностью
вовлечения в переработку большого количества вторичных отхо-
дов. Развитие производства полуфабрикатов на основе использования
вторичных алюминиевых сплавов, в том числе прессованных про-
филей, позволит значительно расширить их применение в сельско-
хозяйственном машиностроении.
242
Глава 11
МЕТОДЫ СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
При изготовлении конструктивных элементов и изделии из алюминиевых сплавов
используют все виды разъемных и неразъемных соединений. Широкое применение
в конструкциях нашли контактная и дуговая сварка, клепаные, болтовые и клее-
вые соединения. Каждый из указанных видов соединений имеет свои преимущества
и недостатки в отношении прочности, выносливости, герметичности, трудоемкости
выполнения и пр.
1. КЛЕПАНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ1
Клепаные соединения хорошо работают в условиях значительных статических,
повторно статических и вибрационных нагрузок. Соединения такого вида позволяют
получать изделия требуемой формы без коробления их в процессе изготовления
и по окончании клепки, независимо от сроков хранения.
Клепку в конструкциях из алюминиевых сплавов осуществляют заклепками
в холодном состоянии. Этот способ наиболее технологичен и не снижает механиче-
ских свойств, а также коррозионной стойкости соединяемых материалов (при пра-
вильном сочетании их как гальванических пар).
Типы заклепок
Для выполнения клепаных соединений в конструкциях из алюминиевых сплавов
применяют заклепки из алюминиевых, титановых сплавов, углеродистых и нержа-
веющих сталей с •различной формой закладных головок, отвечающих различным
требованиям работы конструкции (табл. 11.1).
По форме закладной головки заклепки делятся па две основные группы: с вы-
ступающей и потайной головками.
Заклепки с выступающими головками применяют при клепке внутренних кар-
касов швов конструкции, а также в тех случаях, если отсутствуют требования к глад-
кости внешней поверхности конструкции.
Заклепки с потайными головками применяют при соединении обшивок с кар-
касом и в других местах конструкций, к которым предъявляются требования по
обеспечению гладкости внешней поверхности.
Для выполнения клепаных соединений, к которым предъявляются повышенные
требования по выносливости и герметичности, применяют заклепки с компенсато-
ром, универсальные и стержневые.
Заклепки с компенсатором представляют собой обычные стержневые заклепки,
у которых на закладных головках имеется прилив металла — компенсатор, пред-
назначенный для увеличения радиальной раздачи стержня под закладной головкой.
Универсальные заклепки представляют собой заклепки с неоформленной в уста-
новленные стандартом размеры закладной головкой. Расклепывание такой за-
клепки представляет собой процесс одновременного деформирования стержня с двух
сторон и образования закладной и замыкающей головок.
Стержневые заклепки не имеют закладной головки. В этом случае образование
закладной и замыкающей головок заклепки происходит одновременно.
Универсальными и стержневыми заклепками при правильном подборе их длин
в зависимости от толщины пакета, соответствующей накладке клепального обору-
дования и инструмента, можно выполнять соединения с выступающей и потайной
головками.
Образование одновременно двух замыкающих головок при расклепывании
универсальных и стержневых заклепок позволяет получать плотные и прочные
соединения вследствие качественного заполнения зенкованного гнезда (в случае
образования потайных замыкающих головок); повышенной радиальной раздачи
стержня под обеими замыкающими головками; гарантированного натяга в соедине-
нии по всей толщине склепываемого пакета.
1 Автор: В. А. Фомичев.
243
Jg Таблица 11.1. Заклепки для выполнения соединений в конструкциях из алюминиевых сплавов
Характеристика заклепок Заклепки повышенного качества Заклепки высокоресурсные
с закладными головками универсальные стержневые
обычные с компенсатором
Эскиз
крепежных
деталей
выполнен-
ного соеди-
нения
Материал Алюминиевые сплавы (Д19П, В65, Д18, АМг5П), стали (10, 20Г2, 12Х18Н9Т), титановый сплав ВТ16 Алюминиевый сплав В65 Алюминиевый сплав В65 Алюминиевый сплав В65
Диа- метры закле- пок для прес- совой клепки 2,0; 2,6; 3,0; 3,5; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0 —. 3,0; 3,5; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0 3,0; 3,5; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0 — —
для авто- матической клепки 3,0; 3,5; 4,0; 5,0; 6,0 3,0; 3,5; 4,0; 5,0; 6,0 — — 3,0; 3,5; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0 4,0; 5,0; 6,0; 7,0
Заклепки изготавливают Из проволоки путем высадки на специальных автома-*
тах. Для удобства определения марки материала па закладные головки заклепок
в процессе высадки наносят условные знаки. После высадки заклепки подвергают
термической обработке и анодированию в целях антикоррозионной защиты.
Заклепки из алюминиевых сплавов В94. В65, Д18П термически обрабатывают
один раз и устанавливают в конструкцию после окончания процесса естественного
или искусственного старения. Заклепки из сплавов Д16 и Д19П устанавливают
в конструкцию в свежезакаленном состоянии.
Технология выполнения клепаных соединений
Процесс соединения деталей заклепками с закладными головками включает следу-
ющие типовые операции: сверление отверстий, зенкование гнезд под потайные го-
ловки заклепок, вставка заклепок в отверстия, сжатие склепываемого пакета и обра-
зование замыкающей головки, контроль качества соединения.
В зависимости от типа заклепки, применяемого клепального оборудования
и требований к качеству клепаного шва последовательность и качество операций
могут изменяться.
Отверстия под заклепки сверлят по предварительной разметке центров на
деталях, по кондуктору, шаблону, направляющим отверстиям в одной из склепы-
ваемых деталей, по программе, записанной на копир-шаблонах сверлильно-зенко-
вальных установок или магнитной ленте клепальных автоматов с ЧПУ.
Зенкование гнезд под потайные закладные головки заклепок производится
на том же оборудовании, что и сверление отверстий.
Операции сверления отверстий и зенкования гнезд на сверлильно-зенковальных
установках и клепальных автоматах выполняются за один ход комбинированного
инструмента.
Качество клепаных соединений зависит от качества подготовки отверстий и
гнезд.
Процесс клепки заключается в осаживании выступающей части стержня за-
клепки и образовании из него замыкающей головки. Качество замыкающей головки
зависит от правильного подбора длины заклепки по толщине склепываемого пакета.
Общую длину заклепки £, необходимую для качественного выполнения соеди-
нения в пакете толщиной s и образования замыкающей головки высотой h, ориенти-
ровочно определяют из соотношения (рис. 11.1) L = s + Z; 1= 1,3d, где d — диа-
метр заклепки.
Практически подбор заклепок по длине в зависимости от толщины пакета про-
изводят по таблицам стандартов.
Процесс клепки стержневыми заклепками заключается в образовании одно-
временно двух замыкающих головок и состоит из следующих операций (рис. 11.2):
сжатия пакета, сверления или сверления и зенкования отверстия, вставки стерж-
невой заклепки в отверстие, расклепывания, зачистки потайной головки.
Клепку стержнями выполняют на автоматическом оборудовании с применением
специального сменного инструмента.
Образование одновременно двух замыкающих головок на один рабочий цикл
позволяет получить высокоресурсное герметичное соединение благодаря гаранти-
рованному натягу по всей толщине склепываемого пакета.
Качество замыкающих головок и качество всего соединения в целом зависит
от правильного выбора длины стержневой заклепки, усилия клепки и сменного кле-
пального инструмента.
Соединения с заклепками для односторонней
клепки. В конструкциях узлов и агрегатов от-
дельные заклепочные швы располагаются таким
образом, что доступ к ним затруднен или воз-
можен только с одной стороны. Для выполне-
ния таких соединений разработаны детали кре-
пежа для односторонней клепки (табл. 11.2).
Детали крепежа представляют собой сборную
конструкцию, состоящую из двух или трех эле-
ментов. Конструкция деталей крепежа разрабо-
тана с таким расчетом, что одни элементы в про- рнс „ j Определение длины за-
цессе выполнения соединений деформируются, клепки
245
Рис. 11.2. Процесс выполнения соединений стержневыми заклепками:
а — с потайной и выступающей головками; б — с двумя выступающими головками
образуя замыкающую головку (кольца, корпусы заклепок), а другие элементы способ-
ствуют образованию замыкающих головок, не деформируясь (сердечники заклепок,
стержни болт-заклепок). Поэтому материалы элементов деталей крепежа, подлежа-
щих деформированию, должны обладать высокой пластичностью и прочностью,
а материалы недеформируемых элементов — высокой стабильной прочностью.
Процесс выполнения соединений заклепками с сердечником
заключается во втягивании сердечника в корпус заклепки, вставленный в отверстие
пакета. Сердечник своей утолщенной частью деформирует корпус заклепки, выби-
рая зазоры между заклепкой и стенкой отверстия и создавая натяг. Головка сердеч-
ника «раздает» корпус заклепки и образует замыкающую головку на недоступной
стороне пакета. Под нарастающим тянущим усилием инструмента сердечник обры-
вается по обрывной шейке. Выступающая часть сердечника удаляется, торец сердеч-
ника зачищается заподлицо с плоскостью закладной головки.
Качество выполнения соединений обеспечивается качеством подготовки отвер-
стия и правильным подбором заклепки по толщине склепываемого пакета.
Процесс выполнения соединений заклепками с запирающимся
сердечником в первой стадии аналогичен процессу выполнения соединений
заклепками с сердечником. Наличие в конструкции заклепки запорного кольца
изменяет заключительную стадию процесса, а следовательно, и конструкцию ин-
струмента. Протягивание сердечника происходит до упора, отрегулированного
по специальному калибру, после чего штоком инструмента запрессовывается запор-
ное кольцо. Под нарастающим усилием после запрессовки кольца сердечник обры-
вается по обрывной шейке на уровне плоскости закладной головки заклепки. Торец
сердечника зачищают только в том случае, если требуется гладкость поверхности.
Соединения, выполненные этими заклепками, обладают повышенной надеж-
ностью вследствие гарантированной фиксации сердечника в корпусе заклепки.
Процесс выполнения соединений высокого сопротивления срезу
заключается в образовании замыкающей головки вследствие натягивания кольца на
конусную часть корпуса заклепки до упора в пакет при удерживании от проворачи-
вания корпуса заклепки и вращения хвостовика винта до его обрыва.
Качество соединений обеспечивается правильным подбором заклепки по тол-
щине пакета в соответствии с ОСТ.
Процесс выполнения соединений пустотелыми заклепками за-
ключается в протягивании инструментальной оправки через канал корпуса заклепки
и образовании замыкающей головки вследствие раздачи его калиброванной голов-
кой оправки. Качество соединения обеспечивается правильным выполнением отвер-
стия и подбором заклепок по толщине пакета.
Клепка производится инструментом, который заряжается оправкой с наде-
тыми на нее заклепками таким образом, что устанавливаемая заклепка находится
перед насадкой инструмента, а торец следующей заклепки выступает из оправки.
После окончания клепки, когда головка оправки протянулась через канал
первой заклепки, следующая заклепка устанавливается в исходное для клепки
положение. II так происходит до использования всех заклепок, заряженных на
оправке в инструмент.
246
Таблица 11.2. Крепежные детали для вьп олнения соединений с односторонним подходом в алюминиевых конструкциях
Параметр ы Заклепки Крепежные детали для соединений резьбовых
с сердечником с запирающимся сердечником пустотелые высокого сои ро- ти влей ня срезу га iiK г.-пне lo- ii ы односторонние анкерные гайки ганки самокоп- трящиеся
247
Материал Алюмин не в ын сплав, корро- зи он истоикая сталь Алюмин новый сп л а в Алюминие- вый сплав Конструкционная сталь, коргозиоп- ii ©стойкая сталь, титановый сплав Алюмин новый сплав, углероди- стая сталь Коррозионно- стойкая сталь Коррозионио- стон кая сталь
Диаметр, мм 3,5; 4,0; 5,0 3,2; 4,0; 5,0; 6,0 2,6; 3,0; 3,5; 4,0; 5,0; 6,0 4,2; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0 5,0; 6,0 4,0; 5,0; 6,0 5,0; 6,0; 8,0; 10,0
Процесс выполнения соединений гайко-пистонами заключается
в деформировании пистона по ослабленному сечению и образовании кольцевого
буртика, сжимающего пакет и представляющего собой замыкающую головку. Каче-
ство соединения обеспечивается правильным подбором гайко-пистона по толщине
пакета. Соединение выполняется инструментом, осуществляющим последовательно
четыре рабочих движения.
Процесс постановки анкерных односторонних самокон-
трящихся гаек заключается в разрушении гайки по ослабленному сечению
и втягивании ее в корпус пистона до отключения рабочего цикла инструмента.
Качество установки гаек определяется соответствием параметров отверстий
требованиям ОСТ.
Оборудование и механизированные инструменты
Для выполнения соединений заклепками с закладными головками созданы и при-
меняются:
стационарные клепальные автоматы, выполняющие все операции процесса
в автоматическом цикле (рис. 11.3);
стационарные клепальные прессы, выполняющие только операцию расклепы-
вания заклепок групповым или одиночным методом (рис. 11.4);
стационарные универсальные сверлильные станки или специализированные
сверлильные и сверлильно-зенковальные установки для выполнения операций
сверления и сверления с зенкованием;
переносные клепальные прессы, выполняющие только операцию расклепыва-
ния заклепок одиночным методом;
переносные сверлильные агрегаты с механизированной подачей режущего ин-
струмента;
ручные механизированные инструменты (сверлильные машины, многоударные
или одноударные клепальные молотки) (рис. 11.5).
Выбор оборудования для выполнения процессов клепки зависит от конструктив-
но-технологических параметров клепаных узлов (габариты узлов, подходы к соеди
нениям и пр.), а также от наличия стационарного оборудования для выполнения
клепаных соединений. При выборе варианта механизации процесса клепки предпо-
чтение следует отдавать применению стационарного оборудования, в первую очередь
клепальным автоматам и в последнюю очередь применению ручных механизиро-
ванных инструментов, особенно многоударных клепальных молотков. Ручные ин-
струменты. генерируют вибрацию и шум, которые (и в большей степени вибрация)
оказывают вредное воздействие на организм работающих.
Некоторые, наиболее универсальные, модели стационарного клепального обо-
рудования представлены в табл. 11.3.
Клепальные прессы ПНП-5,5, КП-204М, КП-205К, КП-406М предназначены
для одиночной клепки, прессы КП-503М, КП-504П и КП-602М с применением спе-
циальных клепальных штампов обеспечивают групповую клепку за один рабочий
ход.
Количество одновременно расклепываемых заклепок зависит от усилия пресса,
материала и диаметра заклепок.
Клепальные прессы КП-504П и КП-602М имеют устройства для автоматиче-
ского выравнивания панелей. Рабочий цикл этих прессов включает следующие
операции:
выравнивание по сигналам от щупов поверхности панели перпендикулярно
к верхней и нижней клепальным головкам;
подвод верхней и нижней клепальных головок, сжатие пакета, образование
замыкающих головок заклепок;
отвод клепальных головок пресса в исходное положение, перемещение панели
(установленной на раму выравнивающего устройства) на групповой шаг клепки.
Клепальные автоматы АК-2,2-0,5, АК-5,5-2,4, АКЗ-5,5-1,2 выполняют все
операции процесса клепки заклепками с закладной головкой в автоматическом ци-
кле; сжатие пакета, сверление или сверление и зенкование, подача грунта в отвер-
стие, вставка заклепки в отверстие, расклепывание заклепки, зачистка закладной
потайной головки заклепки (только на автомате АКЗ-5,5-1,2), разжатие пакета.
Для удобства клепки автоматы оснащают простейшими подвесными поддержи-
вающими устройствами (автомат АК-2,2-0,5), простейшими напольными поддержи-
248
Рис. 11.3. Сверлильно-клепальный автомат АК-2,2-0,5
вающими устройствами, а также поддерживающими и выравнивающими устрой-
ствами с ЧПУ (автоматы АКЗ-5,5-1,2, АК-5,5 2,4). Клепка на этих автоматах про-
изводится по программе, которая, в частности, обеспечивает перемещение автомата
и ВУ в точку с заданными координатами и включение цикла автоматической клепки.
На автоматах, не оснащенных ЧПУ, клепка производится по разметке, нане-
сенной на узлах и панелях со стороны закладной головки. Для расклепывания за-
клепок в местах, не доступных для стационарного оборудования, применяют пере-
носные клепальные прессы, пневматические, работающие непосредственно от сети
сжатого воздуха, и гидравлические, работающие от пневмогидравлического агре-
гата (мультипликатора), включаемого в воздушную сеть, или многоударные пнев-
матические клепальные молотки, имеющие виброзащитное устройство и удовлетво-
ряющие по уровню вибрации требованиям ГОСТ 17770—72 (СТ СЭВ 715—77).
Прочность клепаного соединения определяют при расчетах, однако в производ-
стве возможны отклонения от расчетных норм. Они могут возникнуть в результате
249
Рис. 11.4. ilpecc для одиночной
клепки модели КП-406М
Таблица 11.3. Характеристики стационарного клепального оборудования
Обрабатываемые узлы Прессы Автоматы
модель максималь- ное усилие клепки, кН вылет, мм модель максималь- ное усилие клепки, кН вылет, мм
Плоские узлы, пло- ПНП-5,5 55 250 АК-2,2-0,5 22 500
ские панели, панели КП-204М 50 1100 АК-3,4-0,8 34 800
одинарной и двойной КП-205К 50 1500 АКЗ-5,5-1,2 55 1200
кривизны малых и средних габаритов Плоские, одинарной КП-406М КП-503М КП-503М 100 250 25 1000 1200 1200 АКЗ-5,5-1,2 55 1200
и двойной кривизны панели больших га- с ВУ КП-504П 250 3300 * АК-5,5-2,4 55 2400
баритов КП-602М 700 4300 * 4600 * АК-16,0-3,0 160 3000
* Ширина проема портала пресса.
250
Рис. 11.5. Ручные механизированные
инструменты:
а — машина для сверления и зен-
кования отверстий модели
СМ21-6-12000; б — клепальный мо-
лоток модели КМП-14
нарушения технологического процесса, скрытых дефектов материала листов, закле-
пок, износа оборудования и инструмента.
Требуемые размеры и допустимые величины отклонений параметров клепаного
шва устанавливаются техническими условиями на клепаные соединения.
Контроль клепаных соединений производится визуально или с применением
специальных контрольных инструментов.
Прочность клепаных соединений
Основными факторами, определяющими и подтверждающими прочность клепаных
соединений, являются: 1) теоретический расчет клепаных швов; 2) испытания образ-
цов клепаных соединений при действии статических и повторно-статических нагрузок.
Размеры шва определяют в со-
ответствии с передаваемой (воспри-
нимаемой) швом нагрузкой. Теорети-
ческие расчеты клепаных швов произ-
водят по статическим разрушающим
нагрузкам (табл. 11.4).
Испытания образцов клепаных
соединений на повторно-статические
нагрузки и усталостную прочность,
Рис. 11.6. Кривые усталости заклепочных
соединений:
1 — заклепка обычного Типа ЗУ; 2, 3 —
ааклзпки с компенсатором ЗУК (2) и
ЗУКС (31
35'
Таблица 11.4. Расчет клепаного шва. Условия работы соединения
Работа но срез Работа но отрыб
2 Q
Характер разрушения соединения, принятый при расчете Срез заклепок по сечению А — А Разрушение листа по се- чению 2—2 Превышение преде- ла прочности при смятии
Расчетная формула .... red2 Р разг — in т Pz = yF Р разр °см ~ ndd
Характер разрушения соединения, принятый при расчете Разрыв листа по сечениям 1 и 2 Разрыв заклепки по сечению А—А Кольцевой срез головки
Расчетная формула Ql,2 = fn°B Qs — 4 GB 38НЛ Qd = ndhr
Примечание. В формулах приняты следующие обозначения: Рразр — разрушаю-
щие нагрузки при срезе заклепок; п — число заклепок в шве на расчетную полосу; т — сопро-
тивление срезу материала заклепок; v — коэффициент, учитывающий влияние концентрации
напряжений в листе, у = 0,8 -т 0,9; Р% — разрушающая нагрузка при разрыве листа в сече-
нии z—z; Fz — площадь ослабленного сечения тонкого листа б*; ав — временное сопротивле-
ние материала листа; Q — разрушающая нагрузка на отрыв; i — число плоскостей среза
стержня заклепки; /л — площадь разрыва листа, fл = (1 4- 1,7) OR яак.п временное
сопротивление материала заклепки; осм — временное сопротивление при смятии.
252
выполненных обычными сплошными заклепками и высокоресурсными типами кре-
пежа (заклепки с компенсатором, универсальные и заклепки-стержни), показывают
значительное повышение прочности последних (рис. 11,6),
Повышенная прочность и герметичность соединений, выполненных заклепками
с компенсатором, универсальными и стержневыми заклепками, достигается за счет
получения повышенного натяга при их расклепывании (рис, 11,7),
Величину натяга определяют по формуле
N = [(dx — d0),!d0] 100%,
где dj — диаметр заклепки после расклепывания в измеряемом сечении, мм; dB —
диаметр отверстия до расклепывания заклепки, мм.
При расчетах соединений, предназначенных для работы при повышенных тем-
пературах, значения т, ов, оем принимают в соответствии с расчетной температурой.
Для определения качества расклепывания образцы соединений подвергают ста-
тическим испытаниям на срез стержня и отрыв головок заклепок.
В целях получения более полных данных по надежности образцы соединений
подвергают специальным видам испытаний (герметичность, выносливость).
2. БОЛТОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ 1
пакета. Трудоемкость
7
Рис. 11.8. Болт-зак-
лепочное соединение:
1 — хвостик; 2 — ка-
либрованная проточ-
ка; 3 — обжимное
кольцо; 4 — соединя-
емый пакет; 5 — глад-
кая часть: 6 — сред-
няя часть
Болтовые соединения (БС) используют в наиболее нагруженных местах конструкции
при толщине соединяемых элементов, превышающих 3,5—$,0 диаметра болта. Их
также применяют, если при изготовлении и эксплуатации требуется разбирать
конструкцию или обеспечить доступ к агрегатам бортовых систем оборудования [1 ].
Число болтов в конструкциях самолетов и вертолетов из алюминиевых сплавов
продолжает расти. Так, если в самолетах тяжелого класса в 50-е годы насчитывалось
10—60 тыс. болтов, в 60-е—70-е годы свыше 200 тыс. болтов, то в современных
самолетах этого класса число болтов достигает 400 тыс. шт.
Отечественные ГОСТы и ОСТы предусматривают использование большого раз-
нообразия болтоз, гаек, шайб. При этом в конструкциях самолетов используется
до 80 % болтов с потайными головками. На рис. 11.8 показано устройство болта-
заклепки и общий вид соединения, полученного с этим крепежом [1].
Стержни боттоз-заклепок имеют кольцевые рифления. После того, как болт
вставлен в отверстие, па его стержень надевают кольцо. С помощью устройства,
показанного па рис. 11.8 пунктиром, стягивают пакет и обжимают кольцо по стержню
болта. При расчетном усилии Р хвостовая часть стержня белта обрывается.
Достоинство болтов-заклепок заключается в том, что при их использовании
обеспечивается точное соблюдение заданного усилия сжатия
и себестоимость выполнения соединений с такими болтами
в 1,5—2 раза меньше, чем с обычными болтами.
Болты-заклепки изготовляют из сталей 30ХГСА, I6XCH
и алюминиевых сплавов В94, Д16Т, В95. Обжимные кольца
к этим болтам изготавливают из сплавов В65. АВ. Д18. При
сооружении зданий и различных промышленных объектов при-
меняют болты из сталей СтЗ, Ст5, 40Х и др. В конструкциях
самолетов и вертолетов наиболее часто применяют болты из
сталей 45, 30ХГСА и 30ХГСНА. Начали применять болты из
титанового сплава ВТ16. Сопротивление усталости таких бол-
тов на 40—50 % выше при 20 °C и на 25—35 % выше при
350 °C по сравнению с болтами, изготовленными из сталей
ЗОХГСА и ЗОХГСНА |2—4].
Стальные болты, устанавливаемые в конструкциях из
алюминиевых сплавов, оцинковывают или кадмируют с целью
предупреждения возникновения коррозии.
Конструкция и технология изготовления болтов и их
элементов существенно влияют на ресурс и надежность БС.
Так, увеличение радиуса резьбы с 0,15 до 0,31 мм повышает
усталостную прочность болтов из стали 45 на 30%. Увеличе-
ние радиуса закругления в резьбе повышает долговечность
болтов, работающих в условиях высоких температур [5].
1 Автор: А. И. Ярковец.
253
Таблица 11.5. Геометрические размеры швов болтовых соединений
Диаметр бол- та, мм Z..'rf6 C/rf6
5 0,8—4.8 4,0—7,0 . 1,8—2,2
6 1,0—6.0 4.2—6,7 2,7—3,1 1,8—2,7
8 1,2—4,7 3,7—5,6 2,5—2,8 1,4—2,2
Примечание. S — толщина соединяемого пакета, мм; t — шаг, расстояние между
болтами, стоящими в одном ряду, мм; — расстояние между двумя соседними рядами бол-
тов, мм; С — расстояние от края листа (профиля) до оси болта, мм; — диаметр болта, мм.
Применение накатки вместо различных способов нарезания резьбы повышает
сопротивление усталости болтов в 1,5 раза и более.
БС могут передавать усилия вдоль стержня болта и в плоскости стыка, т. е.
поперек стержня болта.
Для соединений, передающих нагрузку вдоль оси болта, условие- нераскрытая
стыка выразится формулой
Qo> IWo+^i)]/’,
где Qo — начальное осевое усилие от затяжки, Н; Р — внешняя нагрузка; Ло—
коэффициент податливости болта; — коэффициент податливости промежуточных
деталей.
Практически усилие затяжки для этого вида соединений выбирают таким обра-
зом, чтобы напряжение в стержне болта не превышало 0,5—0,6 от предела текуче-
сти материала болта. В некоторых случаях величину этих напряжений допускают
до 0,8 от предела текучести.
Геометрические размеры швов БС, передающих нагрузку в плоскости стыка,
приведены в табл. 11.5.
Схема технологического процесса выполнения БС показана на рис. 11.9. Осо-
бенно трудоемки операции г и е.
Чистовую обработку отверстий под болты развертками или протяжками приме-
няют при постановке болтов по 2-, 3- и 4-му классу точности. При выполнении со-
единений по 5-му классу точности отверстия под болты чистовой обработке не под-
вергают.
Болты с натягом устанавливают с помощью легких ударов молотком через
мягкую прокладку с использованием смазки.
Затягивают болты путем навинчивания гаек с помощью обычных или тарирован-
ных гаечных ключей. Обычный гаечный ключ не всегда обеспечивает заданное уси-
лие сжатия пакета, вместе с тем он может привести к перетягу болта и его прежде-
временному разрушению в процессе эксплуатации.
Тарированные ключи заранее настраивают на заданную величину крутящего
момента. Точность выполнения затягивания этими ключами лежит в пределах 5—
15 % от заданной величины 7ИКр.
Рис. 11.9. Схема технологического процесса выполнения болтового соединения:
а — сверление предварительного отверстия: б — рассверливание отверстия; в —
снятие фасок и заусенцев; г — чистовая обработка отверстия; д — установка болта:
е затягивание болта
254
Выполнение БС, особенно по 2—3-му классам точности, отличается большой тру-
доемкостью. Трудоемкость установки одного болта при выпчйнении отверстий по
2-му классу точности в 15 раз больше трудоемкости постановки одной заклепки.
В работе [2] предложены методы выбора оптимального варианта технологического
процесса выполнения болтового соединения с применением ЭВМ. Важнейшими по-
казателями качества БС, работающих в условиях переменных нагрузок и темпера-
тур, является их ресурс и надежность.
Практика показывает, что разрушение соединений, передающих нагрузку
в плоскости стыка, чаще всего происходит по соединяемым элементам (листу, про-
филю) и начинается по отверстию. Ресурс и надежность БС определяются главным
образом напряженно-деформированным состоянием в зоне отверстий под болты,
взаимодействием напряжений от внешних нагрузок с внутренними остаточными тех-
нологическими напряжениями. Остаточные напряжения создаются в конструкции
при образовании и обработке отверстий при установке болтов с натягом, затяжке
болтов.
Величина шероховатости стенок отверстий под болты не оказывает существен-
ного влияния на ресурс БС из сплава Д16Т. Увеличение шероховатости стенок
отверстий под болты в конструкциях из сплава В95Т1 снижает ресурсные характе-
ристики БС. Поэтому отверстия под болты в конструкциях из сплава В95Т1 необ-
ходимо тщательно обрабатывать [2—4].
Применяя оптимальные способы и режим обработки отверстий, проводя упроч-
няющую обработку дорновапием или раскаткой, получают благоприятные остаточ-
ные технологические напряжения в поверхностном слое отверстий, существенно
повышающие ресурс и надежность БС. Характер посадки болта оказывает суще-
ственное влияние на величину и распределение напряжений в материале соединяемых
деталей в зоне отверстия.
При большом зазоре между стенкой отверстия и поверхностью гладкой части
болта и неизменной величиной затяжки по стенкам отверстия создаются значитель-
ные напряжения смятия, что может привести к увеличению деформаций и даже
к преждевременному разрушению соединений (выколу).
При чрезмерно больших натягах поверхностный слой отверстий может разру-
шиться, что приведет к возникновению и развитию трещин в этом месте при нагру-
жении соединения внешними силами. При некотором оптимальном натяге в поверх-
ностном слое стенок отверстия возникают радиальные сжимающие и тангенциальные
растягивающие напряжения, которые способствуют повышению сопротивления
усталости соединения.
На рис. 11.10 показана зависимость изменения числа циклов до разрушения
от величины зазора и натяга, с которым поставлены болты в отверстие. Исследо-
вали и БС, выполненные из листов сплава Д16Т толщиной 3 мм, с болтами диаметром
Рис. 11.10.
циклов до
Зависимость изменения числа
разрушения N от величины
зазора и иатяга
Рис. 11.11. Изменение числа циклов
до разрушения Л' от величины за-
тяжки болтов:
1 — одиосрезные соединения; 2 —
двухсрезные соединения
255
6 мм'из стали ЗОХГСА ов = 1178 МПа, затянутых с величиной крутящего момента
МКр ~ 49-10-2 Н-м. Был рассмотрен весь диапазон посадок с зазором и натягом,
применяемых в настоящее время в соединениях такого вида. Из рис. 11.10 следует,
что изменение величины зазора в пределах свободных посадок и даже посадок с не-
большим гарантированным натягом не оказывает существенного влияния па изме-
нение выносливости БС.
Лишь при посадках с натягом свыше 0,4 % от диаметра болта, превышающим
натяг, создаваемый легкопрессовой посадкой, наблюдается существенное увеличе-
ние выносливости [2, 3]. При более высоких напряжениях цикла и увеличении за-
тяжки до 3,9210 Н-м положительное влияние посадок с большим натягом па вы-
носливость соединений сказывается в меньшей степени. Однако во всех случаях
применение посадок с натягом существенно увеличивает жесткость соединений.
На рис. 11.11 показано изменение числа циклов до разрушения в зависимости от
величины сжатия пакета, образующейся при затяжке, болта. При этом величина
затяжки показана в виде напряжений, образующихся в стержне болта при различных
значениях А1Кр в одно- и двухсрезных соединениях. На рис. 11.11 видно, что увели-
чение затяжки повышает ресурс БС в 3—5 раз. Предел увеличения затяжки —
разрушение резьбы, болта и гайки. Положительное влияние затяжки объясняется
тем, что с ее увеличением возрастают силы трения по контактным поверхностям
соединяемых элементов и уменьшается концентрация напряжений в зоне отвер-
стий под болты.
Для соединений, работающих в условиях высоких температур, увеличивать
затяжку следует очень осторожно. При различных значениях коэффициентов ли-
нейного расширения материалов пакета и болта в стержне последнего при нагреве
возникают значительные температурные напряжения, совпадающие по знаку с на-
пряжениями от затяжки. Если эти напряжения не учитывать при выборе величины
затяжки, болт может разрушиться.
Большое влияние оказывают различные конструктивные и технологические
факторы на ресурс соединений, работающих длительное время в условиях высоких
температур. Оптимальной в этих условиях является установка болтов по посадке
«скольжение». Применение этой посадки вместо посадок с большим зазором или на-
тягом позволяет в 3 раза повысить ресурс БС или при неизменном ресурсе сущест-
венно увеличить допустимую при эксплуатации температуру.
3. КОНТАКТНАЯ СВАРКА1
Точечную и шовную сварку алюминиевых сплавов целесообразно применять для
соединения деталей толщиной от 0,54 0,5 до 7,04~7,0 мм. Вследствие высокой тепло-
электропроводности сплавов и резкого снижения прочности при нагреве для сварки
используют кратковременные включения тока большой величины (30—150 кА).
При сжатии деталей начинается формирование контакта, которое заканчивается
в начале протекания тока. При дальнейшем прохождении тока там, где температура
металла становится равной или выше температуры плавления начинает образовы-
ваться зона расплавления. Расплавленный металл находится под большим давле-
нием (50—80 МПа) и удерживается от выплеска в зазор между свариваемыми дета-
лями пластическим пояском, окружающим жидкий металл. В процессе кристаллиза-
ции вследствие усадки металла возникают внутренние растягивающие напряжения,
в связи с чем могут образовываться раковины, поры и трещины. Эти дефекты осо-
бенно характерны для сварных соединений сплавов с широким температурным интер-
валом кристаллизации (Д16АТ, АМгб и др.). Для предотвращения указанных дефек-
тов во время кристаллизации увеличивают усилие сжатия электродов (приклады-
вают ковочное усилие), которое компенсирует растягивающие напряжения, вы-
званные усадкой, соответствующей деформацией металла, окружающего литое ядро.
Наиболее эффективно сочетать ковочное усилие с подогревом металла зоны сварки
плавно сжимающимся током.
Сплавы с малым интервалом кристаллизации (АМц) образуют преимущественно
столбчатую структуру, а сплавы с широким интервалом кристаллизации — пре-
имущественно равноосную (АМгб, Д16). Размеры зоны термического влияния зави-
сят от длительности нагрева. Однако в пределах практически используемых дли-
1 Автор: П. Л. Чулошников.
256
дельностей нагрева (0,02—0,5 с) существенных изменений свойств металла зоны
термического влияния нс наблюдается [6].
Процессы формирования сварного шва в значительной мере аналогичны форми-
рованию точечного. Однако движение ролика создает повышенную пластическую
деформацию поверхностных слоев металла шва в процессе непрерывного изменения
формы контакта ролик—деталь 17]. Близкое расположение точек способствует
расширению области разогрева, что вызывает увеличение площади контактов ро-
лик—деталь. Деформация поверхностных слоев металла, а также нагрев металла
под роликами при их непрерывном движении снижают стабильность процесса сварки
и вызывают интенсивное налипание металла на поверхность роликов. Это устраня-
ется при замене непрерывного вращения роликов прерывистым вращением, при кото-
ром сварочный ток протекает при неподвижных роликах, а перемещение деталей
происходит во время паузы. В этом случае отсутствует перегрев в контакте ролик—
деталь, снижается деформация нагретого металла шва, вследствие чего уменьшается
налипание металла на поверхность роликов и улучшается охлаждение зоны сварки.
Сварка и охлаждение металла при неподвижных роликах улучшают условия обжа-
тия кристаллизующегося металла шва усилием сжатия п тем самым способствуют
устранению дефектов усадочного характера. Однако при невысокой скорости пере-
мещения деталей качественная сварка возможна и при непрерывно вращающихся
роликах.
Точечной и шовной сваркой соединяют детали из легких сплавов, изготовленные
из листа, профиля и резанием с шероховатостью поверхности 5-го класса. Размеры
сварных точек и швов должны соответствовать ГОСТ 15878—79.
Шовную сварку применяют для герметичных соединений. Для повышения их
надежности иногда применяют двухрядные швы с перекрытием 30—50 %. Жела-
тельно, чтобы отношение толщин свариваемых деталей было не более 3 : 1 (для одно-
именных сплавов).
Наличие нахлестки в сварных соединениях алюминиевых сплавов усложняет
антикоррозионную защиту узлов. Под нахлесткой в процессе эксплуатации может
скапливаться влага, вызывающая местную коррозию металла. Для предохранения
от коррозии узлов под нахлестку перед точечной сваркой вводят специальные грунты
или пасты [8]. Шовную сварку алюминиевых сплавов по слою грунта пли клея не
производят из-за опасности прожогов.
Для точечной и шовной сварки алюминиевых сплавов применяют машины,
обеспечивающие получение кратковременных импульсов тока большой величины.
Привод усилия сжатия электродов машины должен быть малоинерционным, легко-
подвижным и перемещаться в направляющих с трением качения (ролики, шарики).
Шовные машины обычно имеют приводы прерывистого вращения роликов. В связи
с тем, что при сварке легких сплавов требуется большая электрическая мощность,
питание машин в большинстве случаев производится от трехфазной сети. Привод
усилия сжатия машин обеспечивает получение переменного графика усилия с пред-
варительным обжатием и ковочным усилием.
Все эти условия удовлетворяют машины постоянного тока типа МТБ-и МШВ,
точечные конденсаторные машины типа МТК и точечные низкочастотные машины
типа МТН. Конденсаторные машины отличаются особой стабильностью получаемых
соединений и имеют небольшую электрическую мощность (не более 100 кВ-А).
Для сварки деталей толщиной до 1,5 мм могут быть применены однофазные
машины переменного тока типа МТ-4019. Однако при сварке на этих машинах фор-
мирование соединений менее стабильно из-за внутренних выплесков и повышенного
загрязнения рабочей поверхности электродов.
Для изготовления электродов и роликов применяют сплавы I класса: бронзы
БрКд1, БрХЦрА и БрХ с твердостью НВ 110 [9, 10]. При сварке на жестких
режимах применять бронзу БрХ не рекомендуется. Для сварки деталей малой
толщины (0,5—0,8 мм) электроды могут быть изготовлены из холоднодсформирован-
ной меди Ml. Рабочая поверхность электродов и роликов обрабатывается по радиусу.
При точечной сварке электроды должны иметь интенсивное внутреннее охлаждение;
5 класс шероховатости поверхности. Шовную сварку выполняют с наружным охла-
ждением роликов. Зачистку рабочей поверхности производят абразивной шкуркой
№ 10—12, обернутой вокруг резиновой пластины толщиной 15—20 мм. После за-
чистки электроды протирают чистой тканью, а ролики промывают водой. Стойкость
электродов и роликов существенно зависит от качества подготовки поверхности
х/г 9 Альтман М. Б. и др. 257
деталей под сварку. При химическом способе подготовки поверхности стойкость
электродов составляет 60—100 точек до зачистки (при толщине деталей 1,2+
+ 1,2 мм). Ролики обычно зачищают после каждого оборота. При механической
зачистке поверхности деталей электроды зачищают через 10—20 точек.
Общей задачей подготовки поверхности алюминиевых сплавов под сварку яв-
ляется создание минимального электрического сопротивления контактов электрод—
деталь и достаточно низкого сопротивления контакта деталь—деталь, величины
которых должны быть стабильными в течение сварки всего узла [8].
Удаление краски и других случайных поверхностных загрязнений не вызывает
затруднений. Более сложная задача — удаление окисных пленок с поверхности
металла. Способ удаления их выбирают в зависимости отмарки*свариваемого сплава,
размеров деталей и объема производства. Подготовку поверхности алюминиевых
сплавов производят химическими способами или механической зачисткой.
В условиях серийного производства при достаточном объеме сварки, а также для
мелких деталей применяют химические способы [8]. Если объем сварки незначи-
телен, а также если детали имеют сильно загрязненную поверхность, например,
после штамповки, более рациональна механическая зачистка. Она производится
круглой проволочной щеткой. Диаметр щетки обычно составляет 120—150 мм,
диаметр стальной нагартованноп проволоки не более 0,1—2,0 мм. Свободная неза-
крепленная часть проволоки должна быть длиной 40—50 мм; число оборотов щетки
1000—2500 в минуту. После механической зачистки поверхность деталей обдувается
сухим сжатым воздухом. Качество подготовки поверхности проверяют измерением
контактного электрического сопротивления двух сжатых деталей или пластинок —
образцов-свидетелей [11J. При правильном режиме подготовки поверхности контакт-
ное сопротивление деталей должно быть не более 150 мкОм (нормально 40—
80 мкОм). После химической подготовки поверхности это сопротивление сох-
раняется в течение 5 сут. После механической зачистки контактное сопротивле-
ние быстро нарастает, в связи с этим детали должны свариваться в течение 4—6 ч.
Выбор режима сварки заключается в установлении для конкретных марок
сплава и сочетания толщин определенной программы тока и усилия, которая обес-
печила бы получение сварного соединения требуемых стабильных размеров без
дефектов. Режим сварки устанавливают на образцах технологической пробы,
которые по толщине, марке металла, подготовке поверхности, а иногда и по форме
аналогичны свариваемым деталям. Правильность выбранного режима проверяется
путем разрушения образцов и по макрошлифам сварных соединений. Наибольшее
влияние на режим сварки оказывают такие свойства сплавов, как теплоэлсктропро-
водность и предел текучести при повышенной температуре. Исходя из этого с точки
зрения режимов сварки сплавы можно разделить на две группы: 1) сплавы Д16Т,
Д19Т, 1420, АМгб и др.; 2) сплавы АМг, АМц и др. (табл. 11.6—11.8). Для сварки
первой группы сплавов, обладающих повышенной склонностью к образованию
выплесков и трещин, требуются относительно высокие значения усилий сжатия
(200—300 МПа) при плотности тока 800—1300 кА/мм2. Длительность протекания тока
составляет 0,04—0,06 с на 1 мм толщины металла. При шовной сварке применяют
более, мягкие режимы, чем при точечной сварке, без использования ковочного уси-
лия (табл. 11.9).
При сварке сплава АМгб усилие сжатия несколько повышают, а значение сва-
рочного тока снижают па 10—12 %. При сварке сплава 1420 ток снижают на 20—
25 % по сравнению со сваркой сплава Д16. Величину ковочного усилия и момент
его приложения устанавливают в зависимости от склонности сплава к трещино-
образованию. При сварке сплавов первой группы в пеупрочиенном состоянии (Д16АМ,
Д20АМ и др.) сварочное и ковочное усилия понижают па 15—20 % по сравнению
с упрочненными сплавами.
Величина ковочного усилия может быть снижена, если применять режимы
сварки с плавным снижением тока. При сварке сплавов второй группы усилия
сжатия должны быть снижены (100—150 МПа), при этом особое внимание следует
обратить на стабильность усилий, так как в связи с высокой пластичностью этих
сплавов повышение усилия увеличивает площадь контакта электрод—деталь, плот-
ность тока снижается и возможно уменьшение размеров литой зоны и даже
непровар.
При точечной и шовной сварке деталей неравной толщины следует применять
режимы сварки средней жесткости и соответствующим образом выбирать рабочие
258
Таблица 11.6. Режимы точечной сварки на машинах переменного тока
(МТ-3201, МТ-4019)
Марка сплава Толщина, мм Радиус сферы электро- дов, мм Усилие элек- тродов, даН Включение Гк, с Сварочный ток
основной дополни- тельный
сва- роч- ное ^св ко- воч- ное
^СВ. М’ кА Q ^доп. м» кА с о
Д16Т 0,5-1 -0,5 25 250 23 0,04 16 0,04
1-! -1 75 400 1100 0,08 31 0,06 22 0,04
1,5- -1,5 100 550 1500 0,1 35 0,08 25 0,06
АМгб 0,5-1 -0,5 25 300 — — 21 0,04 15 0,04
1- -1 75 450 1300 0,1 29,5 0,08 — —
1,5-1 -1,5 100 600 1600 0,12 33 0,1* —. —
АМцМ 0,5-! -0,5 25 130 .—. — 22 0,04 —. —
1-1 1-1 75 250 — •— 30 0,04 — —
1,5- -1,5 100 400 —. — 36 0,06 —.
1420 1- -1 75 400 1100 0,12 21 0,1 — —.
1,5- Н1,5 100 600 1600 0,14 27 0,12 — —
Таблица 11.7. Режимы точечной сварки на низкочастотных машинах и машинах
постоянного тока МТПТ, МТН, МТВ (сплавы Д16Т, Д19Т, АМгб и др.)
Толщина металла, мм Радиус сферы электро- дов, мм Усилие элек- тродов, даН Вклю- чение F , с к u Сварочный ток
основной дополнительный
сва- рочное /?св ковоч- ное FK ^СВ. М’ кА ^СВ» с ^ДОП. М’ кА *ДОП’ С
0,54-0,5 25 200 400 0,02 30 0,02 — .—
0,54-0,5 25 200 400 0,02 26 0,04 17 0,04
14-1 75 400 900 0,06 40 0,04 Г —
14-1 75 400 700 0,1 40 0,06 27 0,06
24-2 24-2 100 800 2000 0,1 56 0,08 — —
100 800 1700 0,15 52 0,1 38 0,1
34-3 150 1500 3200 0,18 70 0,14 50 0,14
44-4 200 2800 6000 0,24 85 0,12 55 0,16
Таблица 11.8. Режимы точечной сварки на конденсаторной машине МТК-75
(сплавы Д16Т, Д19Т, АМгб и др.)
Толщина металла, мм Радиус сферы электро- дов, мм Усилие элек- тродов, даН Включе- ние F , с Сварочный ток Настройка машины МТК-75
сва- роч- ное ^св ко- воч- ное ^св. м» кА 1.., с м напря- жение кои ден - саторов, В емкость конден- саторов, мкФ
0,34-0,3 25 150 300 0,03 17 0,01 260 19 600
0.54-0.5 25 200 400 0,03 21 0,02 280 39 200
14-1 75 450 800 0,05 28 0,025 310 78 400
24-2 100 800 2100 0,09 51 0,04 330 196 000
2,54-2,5 150 1100 3100 0,12 64 0,045 350 254 800
259
*/,9*
Таблица 11.9. Режимы шовной сварки на машинах постоянного тока МШВ
(сплавы Д16Т, Д19Т, АМгб и др.)
Толщина металла, мм Радиус сфе- ры роликов, мм Усилие ро- ликов FCB, ДаН Сварочный ток Шаг то- чек, мм Темп свар- ки, ТОЧКИ/ мин
^СВ. М’ кА /св, с
0,5+0,5 1+1 2+2 50 300 25 0,06 1,0 200
75 500 36 0,12 1.5 150
100 1000 48 0,18 3,5 100
з+з 150 1500 61 0,24 4,5 70
поверхности электродов. Наиболее хорошие результаты дает сварка деталей нерав-
ной толщины на конденсаторных машинах (типа Л1ТК).
При сварке деталей из разноименных сплавов, имеющих различный химиче-
ский состав и физические свойства, возникают трудности, связанные главным обра-
зом с различием в теплоэлектропроводности, а также разном изменении свойств
металла при нагреве.
При сравнительно большой разнице в физических свойствах зона расплавления
(если не принимать специальных мер) может находиться полностью в одной из сва-
риваемых деталей (например, при сварке деталей из сплавов Д16Т+1420). Пара-
метры режима сварки выбирают, ориентируясь на режим сварки сплава, облада-
ющего большей теплоэлектропроводностью, и корректируют до получения литой
зоны требуемых размеров. Со стороны сплава с большей теплоэлектропроводностью
рекомендуется устанавливать электрод, изготовленный из медного сплава с низкой
теплоэлектропроводностью, например из БрНБТ для случая сварки сплавов Д16Т+
+ 1420.
Особые трудности возникают при сварке деталей из разноименных сплавов
неравной толщины. Смещение литой зоны в толстую деталь увеличивается, если она
имеет меньшую теплоэлектропроводность. Для обеспечения взаимного расплавления
применяют приемы, используемые при сварке деталей неравной толщины.
В результате сварки может наблюдаться искажение размеров узла, коробление.
Основные причины коробления следующие: зазоры в местах сварки, усадка металла
в сварном шве, сдвиг деталей относительно друг друга при формировании соедине-
ния, неправильное положение деталей относительно электродов машины.
Благодаря применению относительно жестких режимов и интенсивного охла-
ждения при сварке общее коробление по сравнению с другими видами сварки не-
велико. Для устранения коробления узлы после сварки подвергают правке (ударом,
прессованием, местным подогревом).
Для обеспечения требуемого качества сварных соединений алюминиевых спла-
вов применяют следующие способы контроля: внешний осмотр, технологическая
проба; исследование макроструктуры сварных соединении на контрольных образ-
цах: рентгеновское просвечивание контрольных образцов и узлов, механические
испытания контрольных образцов, измерение параметров режима сварки, испыта-
ние на герметичность (в случае необходимости) [11].
Для соединения заготовок алюминиевых сплавов сечением до 20 000 мм2 при-
меняют стыковую сварку оплавлением [12], а для малых сечений — сварку сопро-
тивлением. При сварке оплавлением достигается равномерный нагрев сечения дета-
лей, а избыточное давление паров металла препятствует его окислению кислородом
воздуха. Высокая теплоэлектропроводность алюминиевых сплавов требует высоких
плотностей сварочного тока. Большая склонность к окислению с образованием
прочной тугоплавкой окисной пленки вызывает необходимость проводить сварку
с высокими скоростями оплавления и осадки при наличии значительных усилий
осадки. Благодаря большим усилиям осадки происходит разрешение окисной
пленки и выдавливание ее из стыка свариваемых Деталей. Существует оптимальная
зависимость между скоростью и усилием осадки. При высокой скорости осадки
260
могут быть применены меньшие усилия, так как процесс завершается при более
высокой температуре и при меньшем окислении.
При стыковой сварке алюминиевых сплавов наблюдается сильное искривление
волокон в месте стыка и большая высадка металла. Зона пластической деформации
различных сплавов отличается степенью и характером структурных изменении.
По линии стыка обычно наблюдается скопление легких частиц избыточных фаз.
Искривление волокон создает неблагоприятное расположение слоев металла отно-
сительно действия внешних сил сжатия. Это приводит в ряде случаев к понижению
пластичности сварного соединения. Пластические и прочностные свойства соедине-
ний могут быть улучшены применением стыковой сварки в условиях объемного
сжатия.
Прочность стыковых сварных соединений алюминиевых сплавов обычно не-
сколько ниже, чем основного материала. При сварке в условиях объемного сжатия
высокопрочных алюминиевых сплавов (Д16АТ, АМгб) соединения имеют прочность
на 10—15 % ниже прочности основного материала. Для стыковой сварки оплавле-
нием алюминиевых сплавов применяют специальные машины с программным изме-
нением основных параметров процесса. Технология сварки и оборудование разра-
ботаны ИЭС им. Е. О. Патона.
4. СВАРКА ПЛАВЛЕНИЕМ1
При изготовлении герметичных и высокопрочных конструкций из алюминиевых
сплавов особо важное значение приобретает сварка плавлением2 * * * *.
Виды сварки плавлением
В настоящее время применяют различные виды сварки плавлением.
Газовая сварка, т. е. ацетилено-кислородиая сварка [13] в основном находит
применение в ремонтном деле. Как исключение в отдельных случаях она реко-
мендуется при изготовлении неответственных деталей и узлов, а также при заварке
дефектов отливок из алюминиевых сплавов. Ограниченное применение этого вида
сварки в промышленности при изготовлении узлов из алюминиевых сплавов объ-
ясняется пониженной коррозионной стойкостью сварных соединений. Кроме того,
большое количество тепла, вводимое в металл, и широкая зона термического влия-
ния приводят к перегреву7 основного металла. При газовой сварке наблюдается зна-
чительное коробление свариваемых деталей.
Дуговая сварка в среде инертных газов. Высококачественные сварные соединения
из алюминиевых сплавов стало возможным получать благодаря внедрению в про-
мышленность аргоно-дуговой сварки неплавящимся (вольфрамовым) электродом.
Отсутствие флюса при аргоно-дуговой сварке позволяет повысить коррозионную
стойкость сварных соединений, а концентрированный источник нагрева уменьшает
остаточные деформации по сравнению с другими широко известными способами
сварки [14].
С разработкой нового вида сварки — неплавящимся электродом в импульсном
режиме была успешно решена проблема изготовления тонколистовых конструкций
[15, 16]. Сущность данного способа состоит в том, что дуга горит периодически
отдельными импульсами в определенном интервале во времени.
Стабильность горения дуги обеспечивается за счет постоянного горения «де-
журной» дуги, поддерживающей необходимую термоэлектронную эмиссию. Пре-
рывистое распространение тепла по основному металлу способствует снижению
коробления кромок в процессе сварки, уменьшая тем самым возможность прожо-
гов. При этом способе сварки снижаются остаточные деформации.
Расширяется область применения аргон о-дуговой сварки с разработкой сварки
неплавящимся (вольфрамовым) электродом трехфазной дугой [171. Ее особенность —
наличие сварочного факела, состоящего из трех отдельных дут. Электрическая
мощность трехфазной дуги определяется как суммарная мощность отдельно состав-
1 Авторы: Ю. П. Арбузов, А. Я- Ищенко.
2 Данный раздел не охватывает всего многообразия способов сварки (электро-
шлаковая сварка, сварка трением, диффузионная сварка и др.), применяемых в про-
мышленности. Объясняется это тем, что данные способы не являются универсаль-
ными и могут быть успешно реализованы при изготовлении конкретных узлов.
9 Альтман М. Б. и др.
261
Рис. 11.12. Зависимость зоны разупрочнения сварного соединения от способа
сварки (с) и толщиньцматериала S (6):
1 — газовая сварка; 2 — аргопо-дуговая сварка; 3 — гелиево-дуговая сварка;
4 — электронно-лучевая сварка
ляющих дуг. Одна из положительных сторон данного способа — возможность ре-
гулирования температурного поля и установления распределения тепла между
электродами и деталью. Значительная мощность сварочной дуги расширяет воз-
можности сварки материала толщиной до 30 мм за один проход.
Процесс аргоно-дуговой сварки становится более универсальным с разработкой
технологии сварки плавящимся электродом. Аргоно-дуговая сварка плавящимся
электродом позволяет вести процесс на повышенных скоростях, а тем самым увели-
чить его производительность. Основные трудности, которые возникают при сварке
плавящимся электродом, — получение качественных швов. Поры, раковины и дру-
гие дефекты в наплавленном металле снижают свойства сварных соединений.
Разновидностью данного способа сварки является сварка плавящимся элек-
тродом импульсной дугой [18]. Наложение мощных кратковременных импульсов
на дугу постоянного тока вызывает пульсацию давления дуги, оказывая тем самым
влияние на условия кристаллизации жидкого металла сварочной ванны. Устано-
влено, также, что при этом способе сварки периодический перенос жидкого металла
изменяет температурное поле.
Гелиево-дуговая сварка алюминиевых сплавов характеризуется высокой кон-
центрацией энергии, что приводит к увеличению глубины проплавления и скорости
сварки. Наряду с этим дуговая сварка иеплавящимся электродом в среде гелия
имеет некоторые особенности в отношении техники применения и требований к точ-
ности сборки заготовок под сварку. Выдвигаются повышенные требования к точ-
ности выдержки параметров режима сварки. Равномерность проплавления основ-
ного металла зависит от стабильности работы источника питания. Гелиево-дуговую
сварку выполняют при небольшом дуговом промежутке, постоянство которого обес-
Рис. 11.13. Зависимость коэффициента
разупрочнения основного металла
St/S2 от способа сварки и толщины
свариваемого материала S, (2—4 см.
на рис. 11.12)
J---I—Лу—1--------\--1_
12 10 20 30 № 90
S.HM
Рис. 11.14. Рекомендуемые
способы сварки в зависи-
мости от толщины свари-
ваемого материала S (1—4
см. па рис. 11.12)
262
печивается с помощью системы автоматического регулирования напряжения дуги
(АРНД).
Электронно-лучевая сварка в вакууме. В последнее время в ряде отраслей про-
мышленности стали применять сварку электронным лучом в вакууме [19]. Выпол-
нение сварного соединения осуществляется в вакууме (5-10“-—5-10~3 Па) за счет
энергии быстродвижущихся электронов.
Высокая концентрация тепловой мощности при электронно-лучевой сварке
позволяет вести процесс на больших скоростях с обеспечением узкой и глубокой
зоны проплавления. Зона термического влияния при этом получается очень малой
ширины (рис. 11.12,а, б). Уменьшается коэффициент разупрочнения свариваемых
сплавов (рис. 11.13).
Ограниченное применение сварки электронным лучом объясняется в основном
трудоемкостью изготовления вспомогательного оборудования (вакуумных камер),
которое зависит от конфигурации свариваемых узлов.
На рис. 11.14 .( приведены рекомендации по выбору рационального способа
сварки в зависимости от толщины свариваемого материала.
Технология сварки в среде инертных газов
Одним из наиболее прогрессивных способов сварки плавлением, широко применяе-
мым в машиностроении, является дуговая сварка в среде инертных газов.
Существующие способы сварки в среде инертных газов представлены на
рис. 11.15. Сварку иеплавящимся (вольфрамовым) электродом в среде аргона про-
изводят вручную и с помощью специальных автоматов. Присадочный материал
подается извне. Электрод, дуга и ванна расплавленного металла защищены струей
инертного газа. Гелиево-дуговая сварка иеплавящимся электродом выполняется
только в автоматическом режиме.
При сварке плавящимся электродом источником тепла является дуга, воз-
буждаемая между изделием и электродной проволокой, подаваемой в зону дуги
со скоростью, равной скорости ее плавления. Сварку плавящимся электродом в среде
аргона производят с помощью специальных автоматов (автоматическая сварка)
или вручную шланговыми полуавтоматами с автоматической подачей электродной
проволоки (полуавтоматическая сварка). При сварке иеплавящимся (вольфрамовым)
электродом в среде аргона, а также в смеси газов (гелий + аргон) рекомендуется
переменный ток. Гелиево-дуговая сварка выполняется на постоянном токе прямой
полярности.
Рис. 11.15.~Способы_сварки в среде инертных газов, нашедшие применение в промышленности
9* 263
Рис. 11.16. Области применения
различных способов дуговой сварки
в среде аргона:
/ - ручная дуговая сварка (одно-
фазная) иеплавящимся электродом;
2 — автоматическая дуговая свар-
ка (однофазная) иеплавящимся
электродом; 3 — автоматическая
дуговая сварка (трехфазная) непла-
вящнмся электродом; 4 — полуав-
томатическая (шланговая) дуговая
сварка плавящимся электродом;
5 — автоматическая дуговая сварка
(однодуговая) плавящимся электро-
дом; 6 — автоматическая дуговая
сварка (двухдуговая) плавящимся
электродом
электродуговая сварка, зачистка
На постоянном токе обратной полярности
выполняется аргоно-дуговая сварка плавя-
щимся электродом.
При выборе способа сварки следует отдать
предпочтение автоматической сварке неплавя-
щимся (вольфрамовым) электродом, обеспечива-
ющей наилучшее качество швов при высокой
производительности.
Выбор способа дуговой сварки в среде инерт-
ных газов осуществляется в зависимости не
только от толщины свариваемого материала
(рис. 11.16), но и от условий выполнения свар-
ного соединения. При выполнении сварных сое-
динений в нижнем и горизонтальном (на верти-
кальной плоскости) положениях рекомендуется
автоматическая сварка. Короткие криволинейные
и труднодоступные швы выполняют ручной ар-
гонно-дуговой сваркой иеплавящимся электродом
и полуавтоматической аргоно-дуговой сваркой
плавящимся электродом.
Швы на вертикальной плоскости рекомен-
дуется выполнять автоматической импульсной
сваркой иеплавящимся электродом.
Особенности сварки алюминиевых сплавов
предопределяют повышенные требования к ее
технологии. Первостепенное значение приобре-
тает культура производства.
В сборочно-сварочных цехах не допускается
выполнение работ, связанных с интенсивным
образованием пыли и дыма (газовая резка,
абразивными кругами и пр.). Сварку алюмини-
евых сплавов необходимо проводить в чистых помещенияхы
Как правило, изделия из алюминиевых сплавов изготавливают в цехах с отно-
сительной влажностью воздуха не более 70 %, в районах повышенной влажности —
не более 80 %. При этом цеховая температура поддерживается для холодного пери-
ода в пределах 18 ± 2 °C и теплого 20 ± 2 °C.
Все подгоночные и сварочные работы следует выполнять в чистой специальной
одежде и в сухих чистых хлопчатобумажных перчатках.
Серьезное внимание уделяется вопросу подготовки материала под сварку.
Существует несколько способов обработки материала: химическое травление, хими-
ческое полирование и электрополирование.
Как показывает многолетняя практика, наиболее целесообразным с точки зре-
ния качества сварных швов является химический способ обработки поверхности
основного металла и проволоки (травление в 4—6 %-ном водном растворе NaOH;
осветление в 20—25 %-ном водном растворе Н\О3). Рекомендуется после травления
непосредственно перед сваркой производить зачистку шабером не только торцов
кромок, но и свариваемых поверхностей. Желательно применение для этой цели
средств малой механизации. После обработки под сварку заготовки и сварочную
проволоку необходимо во избежание загрязнения хранить в сухом чистом помещении.
Время хранения заготовок после химического травления перед механической
зачисткой свариваемых поверхностей составляет не более 120 ч. Продолжитель-
ность хранения заготовок до начала сварки после последующей механической за-
чистки поверхностей (шабер, фреза и др.) не должна превышать 3—5 ч. Срок хра-
нения сварочной проволоки после химического травления не более 8 ч.
Освоение в промышленности специализированного фрезерно-сварочного обо-
рудования с числовым программным управлением позволяет осуществить фрезе-
ровку кромок и последующую сварку по заданной программе, снять шабрение кро-
мок и сократить интервал времени между механической обработкой кромок (фре-
зеровка) и началом сварки.
При отработке технологического процесса сварки конкретного узла необхо-
димо уделять внимание точности сборки заготовок под сварку и возможности при-
264
менения сборочно-сварочной оснастки. Сборочно-сварочные приспособления должны
обеспечивать надежное поджатие свариваемых кромок к подкладке.
При сварке конструкций особое значение приобретает точность ее изготовления
с обеспечением жестких требований к соблюдению допусков. Известно, что неравно-
мерный нагрев металла при сварке приводит к образованию собственных напряже-
ний, которые в конечном итоге изменяют геометрические размеры и форму
изделия.
Существуют различные методы снижения остаточных деформаций. Выбор ра-
ционального метода может быть решен при рассмотрении технологического процесса
изготовления конкретного узла.
К наиболее распространенным методам уменьшения остаточных деформаций
относятся следующие:
а) конструирование узла с учетом рационального расположения сварных швов
(уменьшение их протяженности, возможность автоматизации сварочного процесса,
использование жесткой оснастки и приспособлений);
б) применение способа сварки с минимальной погонной энергией;
в) сборка заготовок под сварку с учетом последующей усадки после сварки;
г) предварительная пластическая деформация элементов перед сваркой с об-
ратным знаком сварочных деформаций;
д) механическая обработка узла после сварки (прокатка, проковка, рихтовка
и др.);
е) термофиксация сварного узла.
Дефекты сварки
При аргоно-дуговой сварке алюминиевых сплавов встречаются различные дефекты:
газовая пористость, окисные пленки, вольфрамовые включения, трещины, несплавле-
ние и смещение кромок и пр. Основные из них — газовая пористость ('--48 %) и
окисные пленки (~34 %). Опасный дефект — кристаллизационные (горячие) тре-
щины.
Газовая пористость. Получение плотных швов при сварке алюминия и его
сплавов более сложно, чем при сварке других металлов. Образующаяся на поверх-
ности алюминия и его сплавов окисная пленка активно адсорбирует влагу. При
нагреве влага реагирует с металлом, в результате чего происходит диссоциация
пара с выделением водорода — основного источника пор в сварных швах.
Причинами пористости являются: газонасыщенность основного материала и
присадочной проволоки, присутствие влаги на поверхности материала и в защитной
среде, нестабильность протекания процесса сварки.
Исследования, выполненные в области газовой пористости, определили два
основных направления в разработке средств повышения плотности сварного со-
единения:
1) уменьшение водорода вследствие эффективной обработки поверхности ис-
ходного металла (химическое травление, шабрение, термообработка в вакууме или
в аргоне и пр.);
2) уменьшение водорода в результате эффективного воздействия на условия
кристаллизации сварочной ванны (погонная энергия, двухдуговая сварка, магнит-
ное перемешивание и др.).
Окисные пленки — опасный дефект в сварном соединении. Значительный брак
по окисным пленкам наблюдается при сварке тонколистовых деталей с расположе-
нием плен в корне шва. Несмотря на эффективное воздействие катодного распыле-
ния при аргоно-дуговой сварке разработка средств и методов по устранению окис-
ных пленок в сварном шве в настоящее время остается актуальной.
Разработка различных способов химической обработки поверхности металла
позволяет оперативно воздействовать па структуру окисной пленки и ее толщины.
Так, подтверждено эффективное воздействие на величину окисной пленки химиче-
. ской полировки и электрополировки.
Кристаллизационные (горячие) трещины. Одна из основных проблем при сварке
сплавов на алюминиевой основе — склонность материала к трещинообразованию.
А. А. Бочвар, Н. Н. Рыкалин, Н. Н. Прохоров, И. И. Новиков и Ъ. А. Мовчан
[20] обобщили основные положения исследований горячих трещин при сварке
и литье. Они отмечают, что сопротивляемость образования кристаллизационных
трещин при сварке и литье определяется тремя характеристиками; редичиной «эф-
265
фективного» интервала кристаллизации, пластичностью в этом интервале и тем-
пом деформации.
Таким образом, изменяя химический состав основного металла и сварочной
проволоки, представляется возможным оказывать влияние на эффективный интер-
вал кристаллизации и пластичность. Что касается темпа деформации, то он в основ-
ном предопределяется процессом сварки и условиями его выполнения.
Вольфрамовые включения. При стабильном горении дуги вольфрамовый электрод
практически не расплавляется. О тако незначительный расход его все же имеет
место. Зависит он от многих факторов: активирующих присадок, токовой нагрузки,
чистоты и расхода инертного газа, числа зажиганий пли коротких замыканий дуги.
Частицы вольфрама, попадая в сварочную ванну, загрязняют сварной шов.
Они являются инородным телом в наплавленном металле и ухудшают работоспособ-
ность сварного узла.
С введением активирующих добавок возрастает эрозионная стойкость вольфрама
при сварке в аргоне на переменном токе. Введение оксида лантана (~3 %) или ок-
сида иттрия (—3 %) снижает электродные потери в 1,5—2 раза по сравнению со
сваркой с электродом из чистого вольфрама. Эффективным средством повышения
стойкости вольфрама следует признать сварку в импульсном режиме.
Дефекты, допустимые без исправления. Кристаллизационные (горячие) трещины
и окисные пленки, обнаруженные в сварном соединении, подлежат обязательному
устранению. Поры, вольфрамовые включения, раковины и другие дефекты допу-
скаются без исправления в конструкции в определенном количестве и объеме.
Термически неупрочняемые алюминиевые сплавы
Применяемые в промышленности алюминиевые термически неупрочняемые сплавы
имеют относительно невысокие механические свойства в отожженном состоянии.
Нагартовка сплавов данной группы повышает их прочностные характеристики.
Однако при сварке в зоне термического влияния происходит разупрочнение. Вре-
менное сопротивление при растяжении сварного соединения приближается к вре-
менному сопротивлению отожженного материала. Для упрочнения зоны термиче-
ского влияния в настоящее время применяют достаточно эффективный метод холод-
ной и тепловой прокатки сварного соединения. Недостаток его — невозможность
использования для сварных изделий сложной конфигурации.
В последнее время в промышленности нашло применение химическое фрезеро-
вание листового нагартованного материала, позволяющее получать равнопрочными
сварное соединение и основной металл вследствие утолщения свариваемых кромок.
Толщину зоны утолщения устанавливают расчетным путем, исходя из условий
равнопрочности сварного соединения и основного металла. Ширину зоны утолще-
ния определяют экспериментально и она зависит от способа сварки и толщины сва-
риваемого материала.
Временное сопротивление при" растяжении стыкового сварного соединения
с усилением из алюминиевых деформируемых сплавов, не упрочняемых термической
обработкой, зависит от способа сварки, толщины свариваемого материала, дефектов,
допустимых без исправления, и определяется коэффициентом разупрочнения основ-
ного металла при сварке.
Ниже приведены значения коэффициента разупрочнения Оц/Од (°в — времен-
ное сопротивление основного металла в отожженном состоянии) в зависимости от
.толщины материала при ручной и автоматической дуговой сварке неплавящимся
электродом:
Толщина материала, мм .... <3 3—10 > 10
ег'/Ов пРи сварке:
ручной ...................... 0,7—0,9 0,6—0,85 0,5—0,8
автоматической............. 0,8—0,9 0,7—0,9 0,6—0,85
Временное сопротивление сварных соединений из нагартованного материала
определяется коэффициентом разупрочнения и временным сопротивлением мате-
риала в отожженном состоянии, так как в переходной зоне сварного соединения
происходит локальная термообработка — отжиг.
Алюминий. Алюминий марок АД1 и АД обладает хорошей свариваемостью при
аргоно-дуговой сварке и почти не склонен к образованию кристаллизационных
266
трещин. Коэффициент трещинообразовання при сварке крестовой пробы (проволока
Св. АВОО, Св. А1) на материале толщиной 2 мм составляет 5 %. При сварке кресто-
вой пробы оценку свариваемости проводят по коэффициенту трещинообразовання
К: при К Ю % — хорошая, при К — 10—20 % — удовлетворительная, при
/С > 20 % — неудовлетворительная.
Алюминий и его сварные соединения обладают повышенной пластичностью
и сравнительно низкой прочностью (ов = 60—70 МПа) в отожженном состоянии при
высокой коррозионной стойкости.
Сплавы системы А1—Мп. Введение марганца сохраняет высокие пластические
свойства, коррозионную стойкость и свариваемость алюминия. При сварке кресто-
вой пробы сплава АМц коэффициент трещинообразовання составляет ~7 %.
Для сварки изделий из сплава АМц неплавящимся (вольфрамовым) и плавя-
щимся электродами рекомендуется сварочная проволока марки Св.АМц.
Сварные соединения сплава АМц при высокой коррозионной стойкости и хоро-
шей технологической пластичности имеют низкую прочность (ов = 100—ПО МПа).
Сплавы системы А1—Mg. Временное сопротивление ов сварных соединений
сплавов данной системы в основном зависит от количества присутствующего в них
магния и марганца, а именно: АМг1 100 МПа; АМг2 170; АМгЗ 200; АМг4 230;
АМгб 250 и АМгб 300 МПа.
Сплавы АМгЗ, Амг4 и АМгб обладают хорошей свариваемостью при аргонно-
дуговой сварке. Удовлетворительную свариваемость имеют и сплавы АМг1, АМг2
п АМгб. Коэффициент трещинообразовання при сварке крестовой пробы сплавов
в отожженном состоянии составляет, %: для сплава AMrl ~12; АМг2 -~15; АМгЗ
—6; АМг4 ~10; АМгб ^12, АМгб —8. Во всех случаях при сварке использовали
проволоку основного металла, за исключением сплава АМг2 (проволока Св.АМгЗ).
Коррозионная стойкость сварных соединений сплавов AMrl, АМг2, АмгЗ и
АМг4 высокая, сплавов АМгб и АМгб — удовлетворительная.
Сплавы, упрочняемые термической обработкой
Высокие прочностные характеристики сварного соединения из этих сплавов, близ-
кие к свойствам основного металла, могут быть получены только после полной
термической обработки сварного узла. Осуществить термообработку изделия не
всегда возможно. По этой причине временное сопротивление сварного соединения
достигает лишь значения 0,6—0,7 от временного сопротивления основного металла.
Это объясняется тем, что в области термического влияния происходит разупрочнение
материала, который претерпевает ряд структурных изменений, отвечающих различ-
ным температурам и времени нагрева.
Временное сопротивление стыкового сварного соединения с усилением из алюми-
ниевых деформируемых сплавов, упрочняемых термической обработкой, зависит
от способа сварки, толщины свариваемого материала, состояния материала до и
после сварки, а также от дефектов, допустимых без исправления.
Ниже приведены значения коэффициента разупрочнения сваркой основного
металла ов/ов (ов — временное сопротивление основного металла в исходном со-
стоянии) в зависимости от толщины материала при ручной и автоматической дуговой
сварке неплавящимся электродом:
Толщина мате-
риала, мм . . <3 3—10 >10
Ов/Ов при
сварке-
ручной 0,5—0,6/0,6—0,7 0,45—0,55/0,50—0,65 0,4—0,5/0,45—0,60
автомати-
ческой . . 0,55—0,65/0,65—0,75 0,5—0,6/0,6—0,7 0,45—0,55/0,50—0,65
Примечание. В числителе — закалка -|- искусственное старение -ф- сварка,
в знаменателе — закалка -ф- сварка -ф- искусственное старение.
Независимо от марки свариваемого материала снятие усиления и проплава
заподлицо с основным металлом приводит к снижению временного сопротивления
сварного соединения на 15—20%.
267
Сплавы системы Al—Си—Мп. Представителем свариваемых сплавов А1—Си—
Мп являются сплавы Д20 и 1201. Основное достоинство сплавов этой системы —
высокая длительная прочность сварных соединений в интервале 250—300 °C и хоро-
шая работоспособность при низких температурах. Значительное упрочнение металла
шва достигается после искусственного старения. Естественное старение сварных
соединений практически не происходит.
Временное сопротивление пв стыкового сварного соединения, выполненного
автоматической аргонно-дуговой сваркой неплавящимся электродом, составляет для
Д20 300 МПа, для 1201 320 МПа. Состояние материала: закалка + искусственное
старение + сварка.
Сплавы Д20 и 1201 обладают удовлетворительной свариваемостью. Коэффициент
трещинообразования (крестовая проба) данных сплавов в закаленном и искус-
ственно состаренном состоянии составляет для Д20 —15 % и для 1201 —6—8 %
при сварке проволокой основного состава.
Коррозионная стойкость сварных соединений пониженная. Удовлетворитель-
ная защита сварного соединения достигается анодированием после сварки с после-
дующим лакокрасочным покрытием.
Сплавы системы А1—Mg—Si. Основное упрочнение сварных соединений из
сплавов этой системы достигается в результате закалки и последующего искус-
ственного старения.
Предел прочности сгв стыкового сварного соединения с усилением (при полной
термообработке материала перед сваркой) составляет, МПа: для сплава АД31 210,
АДЗЗ 240 и АВ 260.
Свариваемость сплавов АД31 и АДЗЗ удовлетворительная. Хорошая сваривае-
мость при аргонно-дуговой сварке у сплава АВ. Коэффициент трещинообразования
при сварке крестовой пробы сплавов АДЗЗ и АВ составляет —10 %, сплава АД31
—15 % . При сварке указанных сплавов рекомендуется проволока марки св. АК5.
Коррозионная стойкость сварных соединении высокая.
Сплавы системы А1—Си—Mg. Основной недостаток сплавов этой системы
(Д1, Д16, Д19 и др.)-—неудовлетворительная свариваемость при аргоно-дуговой
сварке, а именно; повышенная склонность сплавов к образованию кристаллизацион-
ных трещин.
В настоящее время проходят промышленное опробование новые высокопрочные
свариваемые алюминиевые сплавы ВАД1 и М40. Эти сплавы по сравнению с другими
сплавами данной системы обладают удовлетворительной свариваемостью.
Временное сопротивление стыкового сварного соединения сплавов ВАД1 и
М40 (искусственное старение перед сваркой) составляет св = 3204-330 МПа.
Значительная сопротивляемость образованию горячих трещин наблюдается
при сварке сплавов ВАД1 и М40 присадочной проволокой того же химического
состава, что и основной металл. Коэффициент трещинообразования при сварке
этого сплава в состаренном состоянии не более 12%.
Сплавы системы А1—Zn—Mg. Некоторые сплавы этой группы, несмотря на
высокую прочность после термообработки, до последнего времени не находили при-
менения в промышленности. Это объясняется тем, что высоколегированные свари-
ваемые сплавы оказались склонными к коррозии под напряжением, а низколегиро-
ванные не имели существенных преимуществ по прочности по сравнению с высоко-
легированными сплавами типа магналия.
Проведенные многочисленные исследования показали возможность разработки
некоторых свариваемых сплавов данной системы с хорошей коррозионной стой-
костью (1915, В92ц и др.). Свариваемые алюминиевые сплавы приобретают высо-
кие механические свойства после искусственного или длительного естественного
старения (<тв = 380—420 МПа).
При естественном старении основной прирост механических свойств сплавов
(ов = 400 МПа) и их сварных соединений (пв = 360 МПа) достигается по истечении
трех месяцев.
Сплавы В92ци 1915удовлстворительно свариваются при аргонно-дуговой сварке
с присадкой проволоки марок св. В92 и 1557, соответственно. Коэффициент трещино-
образования по крестовой пробе составляет 10—15%.
Коррозионная стойкость сварных соединений сплавов 1915 и В92 в агрессивных
средах пониженная. Удовлетворительная защита сварного соединения достигается
268
анодированием (после сварки) с последующим лакокрасочным покрытием. Искус-
ственное старение сварных узлов из сплава 1915 повышает сопротивление коррози-
онному растрескиванию под напряжением.
5. ПАЙКА1
Пайка алюминиевых сплавов имеет ряд особенностей, главными из которых яв-
ляются следующие:
1. Высокая степень и скорость окисления алюминия и образование устойчивой
окисной пленки сложного состава.
2. Высокая теплопроводность и теплоемкость сплавов, требующие приложе-
ния источников тепла значительной мощности.
3. Относительно большой коэффициент линейного расширения, низкий уровень
прочности (особенно при высокотемпературной пайке), приводящие к образованию
значительных деформаций при нагреве.
4. Низкая температура солидуса большинства промышленных сплавов, осо-
бенно титейных, и недопустимость нагрева выше температуры закалки, что затруд-
няет выбор припоев.
Наряду с этими особенностями папка алюминиевых сплавов имеет важные до-
стоинства:
1. Возможность одновременного выполнения большого количества паяемых
швов — групповое соединение деталей.
2. Изготовление разнотолщинных (~1 : 100) соединений (ребристые тепло-
обменники).
3. Обеспечение высоких механических характеристик швов при знакоперемен-
ных нагрузках в результате отсутствия концентраторов напряжений, возника-
ющих, например, при сварке.
4. Возможность получения разнородных металлических конструкций.
5. Получение соединений в конструкциях, в которых нет подходов для свароч-
ного инструмента.
6. Высокая работоспособность соединений, достигаемая повторной перепайкой.
Подготовка поверхности алюминиевых сплавов и припоев осуществляется
механической или химической обработкой. Механическая обработка — это зачистка
поверхности металлической щеткой или шкуркой. Химическая обработка включает
следующие операции: обезжиривание, промывку (в горячей и холодной воде), тра-
вление (обычно в 10%-ном растворе NaOH), промывку, осветление (в 15—25%-ном
растворе HNO3), промывку, сушку.
Перед пайкой детали из листов, плакированных силумином, промывают стан-
дартными растворителями, бензином или специальными моющими жидкостями,
далее обезжиривают 5—8%-ным раствором NaOH при 50—60 °C в течение 30 с.
Затем производят промывку в горячей и холодной воде с последующей нейтрализа-
цией в 10—15%-ном растворе HNO3 в течение 40—60 с. После промывки детали
сушат при 100—120 °C.
В случае готовых паяных узлов, а также элементов конструкций и припоя
перед пайкой хорошие результаты дает травление в растворе 5%-ной плавиковой
и 95% -пой азотной кислот.
Способы и технология пайки [21—25]
Пайка с абразивным лужением. Для этого способа бесфлюсовой пайки алюминие-
вых сплавов применяют припои с температурой плавления до 400 °C. Паяемое изде-
лие нагревают на 30—50 °C выше температуры плавления припоя; на поверхности
деталей наносят слой расплавленного припоя и под ним прутком припоя, шабером,
паяльником, стальной щеткой или другими инструментами удаляют окисную
пленку алюминия.
После облуживания детали совмещают и производят собственную пайку этим
или другим припоем с искусственным формированием i алтелей присадкой припоя.
В отдельных случаях используют абразивно-кристаллический метод лужения,
при котором припой в процессе нанесения на деталь находится в твердо-жидком
состоянии.
1 Авторы: А. Н. Волчков, В. Л. Гришин.
269
Процессы абразивного лужения, как правило, поддаются механизации, по-
скольку температурно-временные параметры могут варьироваться в широких пре-
делах.
Ультразвуковая пайка. При ультразвуковой пайке обычно применяют легко-
плавкие припои на оловянноцинковой и цинковой основе: П200А, П250А, ВПр23
н др. [25].
Для лужения применяют ультразвуковые паяльники или ультразвуковые
ванны. Более высокопроизводителен процесс облуживания и пайки в ультразвуко-
вых ваннах с расплавленным припоем; он также обеспечивает более высокое каче-
ство паяных соединений.
Облуживание деталей производят после нагрева их до температуры на 30—
50 °C выше ликвидуса припоя. Продолжительность лужения и пайки зависит от
формы и размеров деталей, мощности оборудования.
Широкое применение для пайки с ультразвуком нашли стационарная установка
УЛАП-2 и переносные УЛАП-5 и У ЛАП-6 для облуживания многожильных алю-
миниевых проводов.
Аналогично пайке с абразивным лужением детали, облуженные с помощью
ультразвукового паяльника (или ванны), нагревают выше температуры полного
расплавления припоя на 30—50 °C, а затем производят пайку с присадкой припоя
в виде прутка с помощью ультразвукового или обычного электропаяльника. При
этом также желательно перемещение деталей относительно друг друга до начала
кристаллизации припоя.
Газопламенная пайка. При пайке в пламени можно применять цинковые и алю-
миниевые припои и солевые неорганические флюсы.
; Процесс пайки проводят следующим образом. Соединяемые детали подогревают
до температуры плавления припоя. Нагревают пруток припоя до начала оплавле-
ния, затем погружают в сухой порошкообразный флюс и, непрерывно подогревая,
наносят на участок соединения припой и флюс одновременно.
Не рекомендуется разводить флюс водой и наносить его преждевременно на
паяемые поверхности, так как он реагирует с п таменем горелки и загряз-
няет шов.
Во избежание коробления крупные детали прогревают перед пайкой в электро-
печах.
р При соединении разнотолщинных деталей пламя следует направлять на более
массивную деталь для предотвращения пережога тонкостенной детали и хорошего
прогрева массивной.
‘ После пайки узлы охлаждают до 120—150 °C, погружают в сосуд с водой для
удаления основного количества остатков коррозионноактивного флюса, а затем
промывают в проточной холодной воде. Для качественного удаления остатков флюса
целесообразно проводить травление детали.
Пайка в соляной ванне. Способ пайки в расплавленных солях — флюсах нашел
широкое применение в промышленности ввиду ряда существенных преимуществ пе-
ред другими способами пайки, а именно: обеспечение высокой производительности
процесса групповой пайки, высокая стабильность и точность регулирования тем-
пературы, обеспечение высокого качества соединений, меньшая чувствительность
к качеству и зазорам сопрягаемых поверхностей деталей.
Однако внедрение процесса задерживается по следующим причинам: необхо-
димость и сложность немедленной отмывки остатков солей — флюсов после пайки,
недопустимость пайки конструкций с замкнутыми объемами (карманами) и жела-
тельность визуального осмотра паяных швов, высокая активность паров солей.
Сборку блоков из травленых и тщательно подготовленных деталей осуществ-
ляют с использованием герметичных полиэтиленовых или хлорвиниловых пакетов
с размещением в них силикагельосушителя, с обеспечением минимального разрыва
между сборкой и пайкой.
Припой закладывают при сборке в виде проволоки, фольги, пасты или исполь-
зуются полуфабрикаты — листы, плакированные припоями.
Соединяемые детали (или узлы) размещают в сборочном приспособлении и
подвергают предварительному подогреву в электрической печи при температуре на
10—20 °C ниже солидуса припоя в течение 20—40 мин в зависимости от массы из-
делия. Для лучшего формирования швов в отдельных случаях места соединений
предварительно промазывают раствором флюса.
270
Пайку осуществляют погружением собранного узла в ванну с расплавлением
солями с выдержкой до мин. Затем узел вынимают и охлаждают.
Особое значение имеет немедленное удаление следов солей флюса, вызывающих
коррозию. Существует множество различных способов промывки, например, обработ-
ка в воде в ультразвуковой ванне с последующим травлением в 10%-ном растворе
NaOH, промывкой в холодной воде, осветлением в азотной кислоте и повторной
промывкой в воде. Затем детали просушивают при 60—80 °C. Качество промывки
контролируется 2—3%-ным раствором азотнокислого серебра: в присутствии ионов
хлора в прозрачной капле раствора образуются белые хлопья.
Пайка в печах. Из механизированных способов пайки алюминиевых сплавов
нашли применение в промышленности пайка в печах в воздушной атмосфере и в ва-
кууме. По сравнению с газопламенной пайкой высокая производительность процесса
пайки в печах достигается благодаря более быстрому общему нагреву изделия до
температуры пайки.
Во избежание недопустимых перепадов температур по изделию необходимо
применять печи с принудительной циркуляцией атмосферы и устанавливать спе-
циальные экраны, защищающие изделие от местных перегревов. Применяют печи
камерные (ЭТА-2 и др.), шахтные, конвейерные. При пайке изделий из разнотол-
щинных и массивных элементов (теплообменники и др.) используют печи типа ПАП.
Что касается особенностей подготовки, сборки, использования припоев, то
они аналогичны таковым при пайке в соляных ваннах. Однако особое внимание
следует уделять флюсованию, так как от него в значительной мере зависит качество
формирования паяных швов. Флюсование можно проводить не только промазыва-
нием участков соединяемых конструкций спиртовым или ацетоновым раствором ак-
тивных флюсов, но и методом распыления (пульверизацией), погружением собран-
ной конструкции в раствор (при одновременном его перемешивании).
В последнее время в СССР и за рубежом осваивают и внедряют процесс пайки
алюминиевых конструкций в вакуумных печах.
В работе [26] показано, что при нагреве в вакууме сплошность окисной пленки
алюминия нарушается вследствие разницы коэффициентов линейного расширения
основного металла и оксида, в результате чего образуются чистые металлические
поверхности, хорошо смачиваемые припоем. Присутствие в зоне пайки магния
(паров) и редкоземельных металлов, а также активных газов (например, фторида
бора) облегчает пайку алюминиевых сплавов. Вместо стандартных припоев для
пайки в вакууме разработаны новые припои системы А1—Si с добавками Mg (7,5—
12 % Si, 1,5—2,5 % Mg) с температурой пайки 580—620 °C.
Пайку проводят в периодических и полунепрерывных печах в вакууме 13,3—
0,133 мПа. Пайку в вакууме широко применяют при изготовлении алюминиевых
теплообменников, например автомобильных радиаторов.
В работе [27] описан внедренный в последнее время способ вакуумной пайки
алюминиевых сплавов, главным образом в сравнении с пайкой с применением
флюсов. Показано, что хотя первоначальная стоимость печей для вакуумной пайки
выше, чем печей для флюсовой пайки, ненужность применения в первом случае
оборудования для промывок после пайки, оборудования для нейтрализации ис-
пользованных растворов и флюса снижает общую стоимость оборудования. Кроме
того, по сравнению с флюсовой пайкой отсутствует необходимость в применении
дорогостоящих приспособлений из инконеля; оборудование более компактно; тех-
нологическая линия занимает меньше места; условия работы (окружающая среда)
при пайке в вакууме лучше; возможно изготовление более сложных конструкций
и изделий с большой точностью.
Известна вакуумная пайка пластинчатых теплообменников в парах магния.
Пары магния, обладая большим сродством к кислороду, чем алюминий, срабаты-
вают как геттер, предотвращая окисление поверхности. В дальнейшем магний вы-
полняет роль флюса. Паяемые изделия размещают в специальное экранирующее
устройство (контейнер) из тонколистовой коррозионностойкой стали, по внутрен-
ней поверхности которого размещают испаряемый металл в виде навесок; в других
случаях используют пластины сплава типа АМгЗ.
В работах [28, 29] предлагается способ бесфлюсовой пайки алюминиевых спла-
вов в среде инертного газа, основанный на применении припоев системы Al—Si,
легированных небольшими добавками сурьмы, бария, стронция, висмута. Пайку
ведут в печи в стальном контейнере, заполняемом очищенным азотом или аргоном,
271
Несмотря на все перечисленные преимущества «чистых» процессов, бесфлюсо-
вая пайка имеет следующие существенные недостатки:
а) повышенную требовательность к чистоте и j меньшению зазора между соеди-
няемыми деталями;
б) сложности в формировании вертикальных и наклонных швов большой про-
тяженности;
в) сложности в обеспечении равномерного прогрева изделия и невысокую
производительность.
В последнее время разрабатываются комбинированные процессы, совмещающие
вакуумную пайку с использованием инертных газов1, применением специальных
составов негигроскопичных некоррозионных флюсов и др. Одновременно предла-
гается целый ряд слоистых алюминиевых материалов, обладающих специальными
свойствами и способными качественно формировать паяные соединения.
Припои
Припои, применяемые для пайки алюминиевых сплавов, можно разделить на три
основные группы [25]: 1) на основе алюминия с температурой плавления 450—
600 °C; 2) на основе цинка с температурой плавления 300—500 °C; 3) легкоплавкие
на основе олова, свинца, кадмия.
Припои на основе алюминия включают большую группу сплавов системы А1—Si—
силуминов, содержащих 4—13 % Si, в отдельных случаях легированных медью,
магнием, висмутом и другими металлами (табл. 11.10) [24, 25].
Практикой установлено, что при пайке деталей из алюминиевых сплавов наи-
более технологичным способом введения припоя является плакирование им паяе-
мого материала. Для плакирования широко используют сплав AJ12 (СилО). Полу-
чаемые паяные соединения близки по прочности к основному материалу для терми-
чески неупрочняемых сплавов и обладают высокими антикоррозионными свойствами.
Недостаток припоев, применяемых в виде плакировки, — высокая температура
их плавления и пайки (605—620 °C).
Введение в А1—Si-припои меди и цинка значительно снижает температуру
плавления, что позволяет применять их для ручного газопламенного процесса пайки.
Наибольшее распространение получил припой 34А, имеющий высокие техно-
логические свойства, но сравнительно низкие антикоррозионные характеристики.
При анодном оксидировании этот припой необходимо защищать лакокрасками,
иначе происходит его растравливание и разрушение соединения.
В последнее время разработан припой ВПр19; паяные им соединения можно
подвергать анодированию; коррозионная стойкость припоя удовлетворительная.
Таблица 11.10. Высокотемпературные припои на алюминиевой основе
Марка припоя Легирующие компоненты, % (по массе) <ПЛ, °C ^пайки» °C Марка паяе- мого сплава Свойства шва
Си Si Zn, Мп тср* МПа °в> МПа
Силумин 11,7±0,1 577 600—610 АМц, 110—120 130—140
АЛ2 или СилО 34А 28+0,5 6+0,1 525 540—570 АД1 АМц 100—110
ВПр19 — — — 515—555 570—580 АМц 110—115 —
В62 20±0,5 3,5+0,1 24±0,5 24 Zn+ +0,5 0,3 Мп 490—500 520—540 АМг2 АМц АМгб Д20 115—120 54—64 108—118 200—220
1 Заявка № 56—14392, МКИ В23к (Япония), 1981.
272
Таблица 11.11. Цинковые припои
Марка припоя Легирующие компоненты, % (по массе) ^ПЛ’ Марка паяемого сплава Тср’ МПа °в МПа
А1 Cd Си прочие
1 5 .. . 382—394 АМц 65—70 —
2 2,1— 4,8 — — 0.01—0.4 Mg 390—400 АМц 50—60 —
ПЗООА — 33—45 — — 266—330 АМц — 120
ПЦАМ-65 19,5 — 14,5 — 390- 410 АМг, АМц, Д16Т 69—97 —
П480А 20 — 15 0,6 Мп 420—490 АМц, Д16 — 95—125
П425А 20 — 15 — 415—500 АМц АМгб Д16Т 65 120 187-208
ВПр23 5±1 2,2+ +0,3 — 1 2+0,3 Mg 0,25+0,05 Со 315—365 АД1 65—76 —
Припои на основе цинка, применяемые в промышленности, легированы алю-
минием, кадмием, оловом, медью, магнием и другими элементами (табл. 11.11).
Большинство этих припоев отличается относительно низкой пластичностью, не-
высокой способностью к растеканию и затеканию в зазор, способностью к раство-
рению паяемого материала.
Алюминий вводят в припои с целью снижения температуры плавления, улучше-
ния смачиваемости и снижения эрозии паяемых материалов. Однако введение его
более 5% нецелесообразно (припой № 1 —табл. 11.11), так как это приводит
к повышению температуры плавления и ухудшению технологических свойств.
Кадмий вводят в припои с целью снижения температуры их плавления и умень-
шения растворения паяемого материала. Эти припои отличаются низкой пластич-
ностью даже при содержании 40 °,о кадмия (П300А).
Медь хорошо растворяется в цинке с образованием твердого раствора, ее вводят
с целью улучшения смачиваемости алюминиевых сплавов, повышения растекаемо-
сти припоев и увеличения прочности паяных соединений.
Одновременное легирование цинка алюминием, магнием, кадмием, кобальтом
позволило создать припои ВПр23, который применяют для бесфлюсовой пайки
(ультразвуковой или абразивной) соединений тонкостенных конструктивных эле-
ментов, работающих при (—70) — (+250) °C, например, многожильных алюминие-
вых проводов.
Коррозионная стойкость соединений, изготовленных с припоем ВПр23, в тро-
пической и промышленной атмосфере удовлетворительная.
Таблица 11.12. Легкоплавкие оловянные припои
Марка припоя Состав, % (по массе) / °C ГПЛ’ ТСр, МПа
Zn Cd
П150А 3,8 57,7 150—165 30—40
П170А — 19—21 170—175 50—60
П200А 10 — 199—210 40—45
П250А 20 — 200—250 30—35
273
Легкоплавкие припои. Состав этих припоев и свойства соединений приведены
в табл. 11.12. При пайке припоями данной группы применяют активные легкоплав-
кие флюсы с целью улучшения растекаемости по поверхности алюминиевых сплавов
и способности к затеканию в зазоры между паяемыми деталями.
Флюсы
При пайке алюминиевых сплавов припоями на цинковой и алюминиевой основах
применяют флюсы, состоящие из смеси галогенидов (табл. 11.13) [24, 25]. В каче-
стве основных флюсов используют КС1 и LiCl, образующие легкоплавкую эвтектику
с температурой плавления 352 °C. Добавлением некоторых легкоплавких галогени-
дов можно еще более снизить температуру плавления фтюсов системы КС1—LiCl.
Но активное действие галогенидных флюсов при пайке алюминиевых сплавов алю-
миниевыми припоями проявляется лишь при более 500 °C.
Для повышения активности эвтектики КС1—LiCl добавляют хлорид цинка,
а также фториды щелочных металлов (см., например, флюс 34А).
Наиболее вероятный механизм удаления окисной пленки алюминия при флю-
совой пайке алюминиевых сплавов — ее диспергирование в присутствии хлоридов
и фторидов (30]. Окруженные жидким флюсом частицы оксидов всплывают на
поверхность припоя и удаляются вместе с флюсом.
Основу многих флюсов для пайки алюминиевыми и цинковыми припоями соста-
вляют системы солей хлоридов и фторидов калия, лития и натрия. Все эти соедине-
ния изомс рфны (типа NaCl) и образуют попарно простые эвтектики, кроме систем
КС1—NaCl и NaCl—LiCl, дающих непрерывные ряды твердых растворов.
Легкоплавкость солей из хлоридов и фторидов калия, лития и натрия дости-
гается при введении в них хлоридов лития и калия в сочетании, близком к эвтек-
тическому.
Во флюсах для пайки алюминиевыми припоями важное значение имеют добавки
криолита, который в жидком состоянии может растворить некоторое количество
AljOg.
Фторид кальция эффективно действует во флюсах, имеющих высокую темпера-
туру плавления, увеличивая их жидкотекучесть.
Цинк, кадмий или олово, восстановленные из флюсов, образуют жидкий легко-
плавкий слой на поверхности паяемых деталей, что способствует лучшему растека-
нии припоев.
Для пайки алюминиевых сплавов цинковыми припоями активным является
флюс ФВЗ, применяемый при пайке с различными способами нагрева.
Флюс Ф370А предназначен для пайки погружением в расплавленную соль.
Солевые флюсы обладает значительной гигроскопичностью; менее гигроско-
пичны флюсы Ф370А и Ф5, не содержащие хлористого цинка, что обеспечивает полу-
чение светлых паяных швов.
Флюс 124 не снижает активности при растворении его в воде и используется
при пайке изделий сложной конструкции. Этот флюс, как и флюс Ф380А, применяе-
мый для пайки погружением, активен при относительно высоких температурах, что
позволяет применять его при пайке алюминиевых сплавов с температурой соли-
дуса выше 550—570 °C, т. е. для сплавов типа АД1, АМц, АМг.
Таблица 11.13. Флюсы для пайки алюминиевых сплавов цинковыми и
алюминиевыми припоями
Марка флюса Состав, % (по массе) Интервал активности, °C
NaF NaCl ZnCl2 LiCl KCl SnCl2 Cd Cl 2
ФВЗ 8 16 38 40 — 400—600
Ф5 10 — .—. 38 45 3 4 420—600
Ф370А 5 — — 38 47 — 10 500—600
Ф380А 5 — 10 38 47 — — 500—620
34А 10+1 — 8+2 32+3 50—45 — — 480—650
124 6,15 21,9 8 22,8 47 — — 550—620
274
6. СКЛЕИВАНИЕ1
Среди неразъемных соединений алюминиевых сплавов склеивание — важный и
эффективный метод сборки конструкций. Клеевые соединения имеют следующие
существенные преимущества перед другими видами соединений |31—33]:
1. При склеивании материал конструкции не подвергается внешним воздей-
ствиям. В частности, не происходит изменения его структуры, приводящего к раз-
упрочнению (сварка плавлением), не создаются концентраторы напряжений (отвер-
стия под болты, заклепки), при изменении толщины элемента в переходной зоне
отсутствует концентрация напряжений, имеющая место при использовании химиче-
ского или механического фрезерования.
3. Наряду с высокой прочностью в ряде случаев конструкционные клеи имеют
относительно высокую деформацию, благодаря чему по концам соединения элементы
конструкции включаются в работу постепенно и при этом в склеиваемом материале
в зоне перехода толщины практически полностью отсутствует концентрация напря-
жений в материале. Это позволяет создавать конструкции с высокой усталостной
прочностью, а при низком значении модуля сдвига (или упругости) клея — созда-
вать конструкции с исключительно высокой акустической прочностью (в 10 раз
большей, чем у клепаных конструкций).
3. Высокая усталостная прочность клеевых соединений в сочетании с указан-
ными выше преимуществами позволяет создавать из традиционных сплавов алюми-
ния качественно новые по эксплуатационным характеристикам конструкции.
4. Возможность использования в конструкции практически любых сочетаний
алюминиевых сплавов между собой и с другими металлами и неметаллическими
материалами, что позволяет создавать конструкции с высокой удельной прочностью,
жесткостью и устойчивостью. Например, в трехслойных панелях с сотовым заполни-
телем обшивка при сжатии без потери устойчивости может выдерживать напряже-
ния, достигающие предела текучести.
5. Благодаря малой усатке клеев, низкому уровню в них внутренних напря-
жений, высокой герметичности клеевых соединений склеивание позволяет осуще-
ствить соединение элементов конструкций особо точных приборов (например, гиро-
скопов). создавать герметичные (для газообразной и жидкой среды) конструкции.
6. Применение высокопрочных клеев в сочетании с низкой температурой отвер-
ждения позволяет использовать в конструкциях естественно состаренные сплавы
алюминия, которые по усталостной прочности, трещпностойкости существенно пре-
восходят искусственно состаренные сплавы.
7. Склеивание — менее трудоемкий и энергоемкий процесс.
Вместе с тем, клеевым соединениям характерны и недостатки;
а) относительно низкая прочность при расслаивании, неравномерном отрыве,
отдире;
б) повышение жесткости (в ряде случаев) клеев при отрицательных температурах
(—60 °C и ниже) и снижение прочности (и модуля упругости) с повышением тем-
пературы;
в) снижение прочности клеевых соединений алюминиевых сплавов в эксплуата-
ции при воздействии влаги, воды (особенно в сочетании с повышением температуры)
в результате диффузии влаги и последующего проявления процессов коррозии ме-
талла на границе раздела клей— металл или щелевой коррозии металла от торца
клеевого соединения, что вызывает необходимость усложнения процесса подготовки
поверхности металла перед склеиванием;
г) отсутствие методов расчета, надежных методов прогнозирования эксплуата-
ционной надежности клеевых соединений, в связи с чем их прочность и надежность
должны подтверждаться стендовыми испытаниями, имитирующими реальные усло-
вия эксплуатации конструкций.
Учитывая изложенное, конструктор в процессе проектирования должен принять
компромиссное решение с учетом следующих факторов:
выб рать такой материал конструкции, свойства которого не должны изменяться
при осуществлении процесса склеивания;
уче сть возможность осуществления такого метода подготовки склеиваемого
материала, который позволит реализовать в клеевых соединениях конструкции по-
тенциальную прочность выбранного клея;
1 Автор: В. П. Батизат.
275
осуществить членение конструкции на элементы (детали), которое позволит
реализовать одно из основных требований процесса склеивания — создание давле-
ния на клеевое соединение в процессе отверждения клея, а также исключить повтор-
ное склеивание конструкции из отдельных клееных подсборок;
правильно выбрать клей, обращая особое внимание на соответствие его свойств
условиям работы соединений в конструкции (типы и уровень нагрузок, рабочие
температуры клея и конструкции, оптимальный метод подготовки склеиваемой
поверхности для данного клея и возможность реализации его в конструкции и др.);
клееная конструкция должна быть пригодной для контроля и ремонта в про-
цессе эксплуатации;
выбирать такую площадь клеевых соединений, при которой их несущая способ-
ность будет существенно превышать несущую способность склеиваемых элементов
или деталей (руководствуясь при этом пределом текучести склеиваемого материала
или устойчивостью конструкции).
На рис. 11.17—11.19 показаны некоторые рекомендуемые клеевые соединения
различного назначения.
В табл. 11.14 приведены клеи, свойства которых в максимальной степени отве-
чают указанным выше требованиям и рекомендуются для склеивания алюминиевых
сплавов.
Технологический процесс склеивания алюминиевых сплавов состоит из следу-
ющих основных операций:
1. Подготовка поверхности. Осуществляется анодированием в серной кислоте
(при использовании клеев ВК-9, ВК-3, ВК-25, ВК-32-200), травлением под точеч-
ную сварку (при использовании клея ВК-39). При использовании высокопрочных
клеев (в том числе ВК-27) обязательно анодирование в хромовой кислоте с после-
дующим (не позже двух часов) нанесением адгезионного грунта СПМ-136, который
позволяет подготовленные к склеиванию детали хранить до 30 сут (при производ-
ственной необходимости).
2. Приготовление, нанесение и сушка клея. Готовящиеся на месте потребления
клеи получают смешением соответствующи.х компонентов непосредственно (как
правило) перед применением. Нанесение осуществляют вручную (жидкие пастооб-
Рис. 11.17. Клеевые соединения лист—лист:
/, 2 — с одинарной нахлесткой; 3 — с двойной накладкой встык; 4 — с одинарной наклад-
кой встык; 5, 8 — с усиливающей накладкой и клепаным стрингером; 6. 7, 9 — с усилива-
ющей накладкой и приклеенным стрингером; 10 — с усиливающими накладками в зоне от-
верстий; 11 — с образованием двутавровой балки
276
Рис. 11,18. Клееные слоис-
тые панели:
1 — с сотовым (металличе-
ским или полимерным) за-
полнителем; 2 — с заполни-
телем в виде трапецеидаль-
ного гофра или яйцеп ласта;
3 — с пенопластовым запол-
нителем, армированным ли-
стом из алюминиевого спла-
ва; 4 — с пенопластовым за-
полнителем, армированным
стеклотка нью
разные, пленочные) с помощью кисти, ролика и др. или специальных устройств (ма-
шин) при нанесении на торцы сотового заполнителя, при прикатке пленок к обшив-
кам трехслойных панелей и др. Сушка обязательна только для жидких клеев, со-
держащих органические растворители (ВК-3, ВК-25, ВК-32-200).
3. Сборка соединений (конструкций) и отверждение клея. При использовании
клея холодного отверждения важным является следующее условие: нанесение клея
и создание давления должны осуществляться только в течение срока жизнеспособ-
ности клея. В противном случае, по истечении жизнеспособности-нарастает вязкость
клея, в результате чего при рекомендованном давлении склеивания слой клея будет
недостаточно пластичным и в нем будет много дефектов (пузыри, непроклеи и др.).
Что касается клеев горячего отверждения, то в отдельных случаях допускается
хранение в цеховых условиях (15—35°C) подготовленных к склеиванию агрегатов
в течение 1—2 сут.
Отверждение клеев осуществляют в термостатах (печах), в стапелях (например,
при склеивании лопастей вертолетов) или в автоклавах при вакуумном или избыточ-
ном (в автоклаве) давлении (пли сочетании вакуумного и избыточного давления).
При склеивании сотовых конструкций с неперфорированным заполнителем
и герметичными обшивками категорически запрещается использовать вакуумный
метод создания давления, так как при больших размера.х панелей в результате
«захлопывания» ячеек в центре панелей образуются непроклеи. Кроме того, пони-
женное давление в герметичны?^ ячейках сотовых конструкций вызывает интенсивную
диффузию паров воды в ячейки, их конденсацию и последующее разрушение кон-
струкции при замерзании воды. Не допускается использовать приспособления,
в которы.х давление создается с помощью болта (струбцины) без компенсатора в виде
Рис. 11.19. Клеевые соединения
труба—труба (/—3) резьбовые сое-
динения (4, 5, 7) и соединение
ступица—вал (6)
277
Таблица 11.14. Свойства клеев для склеивания алюминиевых сплавов [31, 34]
Марка клея Интервал рабо- чих температур, °C Состояние перед приме- нением Способ пригото- вления (постав- ки) * Режим склеивания
t, °C давление, МПа выдерж- ка под давлени- ем, ч
В к-9 (_60)-(+125), Пастооб- гмп 18—23 0,01—0,1 24
В К-27 В К-9 с В К-25 в к-з до 250 крат- ковременно (_60)-Н+80) длительно, до 180—250 крат- ковременно —60++80 (—60)+(+200) разный То же В К-9 па- стообраз- ный В К-25, от- вержден- ная плен- ка (под- слой) на металле Жидкий смеше- нием компо- нентов То же ГМП ГМП 18—23 18—23 (В К-9) 120 (В К-25) 165±5 0,01—0,1 0,01—0,1 Не треб. 0,8—2,0 24 24 4 1
В К-25 (—60)+(+200) (—60)+(+200) Пленочный » гп гп 165±5 165+5 0,8—2.0 1.0—2 0 1 1
ВК-31 (—60Ж+200) (-60Ж+80) Жидкий Пленочный гмп гп 125+5 175+5 1,0—2,0 0,05 4 1,5
В К-36 (—130Ж+160) гп 175±5 0,05—0,15 3
В К-37 (—60Ж+200) Пастооб- гмп 125±5 0,05—0,1 3
ВК-39 (—60)+(+150) разный Жидкий гмп 125+5 Не треб. 3
В К-40 (-60Ж+80) Пленочный гп 125+5 0,3—0,5 2
В К-41 (-60Ж+80) » гп 125+5 0,05 3
В К-46 (-бо)+(Ч 80) Пленочный гп 125±5 0,08—0,2 4
В К-51 (-60Ж+80) » гп 125±5 0,17 3
278
Расход, г/м2 Жизнеспо- собность Прочностные характеристики клея
тв, МПа Пр, МПа ^>от» кН/м V, % °дл- МПа (f, ч) ттах ПРИ N = = I07 цикл, МПа
150—200 2 ч 17,5±2,5 20,4 о,1— 0,0 3—6 7,0 (500) 2,5
125—150 4 ч 25,0±2,5 38,0 2—2,5 50—125 15,0 (500) 6,5
14,5 (1000)
150—200 2 ч 24,0±2,5 18,0 4 98—215 13,5 (500) 6,0
175—250 (2 слоя) До 30 сут 12,5 (1000)
150—300 (2 слоя) 8 ч 20,0±2,5 17,5±2,5 7 — 8,0 (500) 3,7
— 3 мес 17,5±2,5 17,5±2,5 — — —
150—200 24 ч 1,5 мес 25,0 22,0 5—6 140—200 9,5 (500) 6,0
200—250 260—320 29,0 35,0±2,5 22,0 60,0 5—6 3—3,5 140—200 40—150 18,5 (500) 32,0 (500) 9,0 9,0
(18—25 °C) 3 мес 31,5 (1000)
300±50 (5 °C) 6 мес 37,0±2,5 50,0 2—3 80—100 34,0 (500) 8,0
(5 °C) 3 мес 33,0 (1000)
100—125 (18—23 °C) 4 ч 22,0±2,5 50,0 — 15—60 20,5 (500) 8,0
135 180—200 6 ч 3 мес 24,0±2,5 32,5±2,5 44,0 60,0 1 3—4 80—150 75—135 20,2 (1000) 16,5 (500) 16,0 (1000) 26,0 (500) 3,0 6,0
220—280 (20±5 °C) 1 мес (18—25 °C) 3 мес 32,5±2,5 65,5 2,5 70—110 25,0 (1000) 29,0 (500) 28,0 (1000) 9,0
240—300 (5 °C) 3 мес (18—25 °C) 6 мес 32,5±2,5 54,0 — 21,5 (500) 21,0 (1000) 6,0
265—325 (5 °C) 3 мес 40,0±2,5 — 3 70—120 32,4 (500) 9,0
(25 С) 6 мес (10 С) (разрыв по ме- таллу)
279
Марка клея Интервал рабо- чих температур, СС Состояние перед приме- нением Способ пригото- вления (постав- ки) * Режим склеивания
i, СС давление, МПа выдерж- ка под давлени- ем, ч
ВК-51 \ В К-32-200 Приме (~60)+( г80) (—60)+(+200) ч а н и е. т — п Пленочный Жидкий Пленочный точность при ГП ГМП ГП сдвиге по 125+5 175+5 175+5 гост 0.17 1,0—2,0 1,0—2.0 759 — 69; <7В — 3 1 1 прочность
ептельное удлинение при равномерном сдвиге. * ГМП — готовится на месте потребления; ГП — готовая пленка.
пружины (витой, точеной, тарельчатой), так как при уменьшении толщины слоя
клея при его вытекании из клеевого соединения или при заполнении неровностей
натяг, создаваемый болтом, падает до нуля.
4. Контроль клеевых соединений. Осуществляется визуально, простукиванием,
ультразвуком, рентгеном и другими приборными методами.
Так как практически все клеи в той или иной мере оказывают вредное влияние
на работающих с ними, необходимо строго соблюдать требования техники безопас-
ности.
В связи с тем, что жидкие клеи содержат органические растворители, а также
в связи с применением последних в технологическом процессе склеивания, участки
и оборудование цеха, где осуществляется обезжиривание деталей, нанесение и сушка
клеев, мытье посуды и пр., должны отвечать требованиям по взрывобезопасности,
иметь приточно-вытяжную вентиляцию.
Глава 12
ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ И РАЗМЕРНОЕ ТРАВЛЕНИЕ
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
1. обработка резанием1
Обрабатываемость резанием
Существенное различие алюминиевых сплавов и стали по прочности, твердости,
теплопроводности определяет высокие показатели обрабатываемости сплавов ре-
занием: высокие скорости и стойкость режущего инструмента, небольшие силы
резания, возможность обеспечения высокой точности размеров и минимальной вы-
соты микронеровностей обработанной поверхности.
На обрабатываемость резанием оказывают влияние химический состав сплава
и его состояние. Наличие в сплавах меди, магния, цинка благоприятно сказывается
на обрабатываемости, а с увеличением содержания кремния возрастает интенсивность
1 Авторы И. С. Ипатов, Л. С. Паокина.
280
Продолжение табл. 11.14
Расход, Г/ XIs Жизнеспо- собность Прочностные характеристики клея
ТВ' МПа <7В, МПа 5ОТ, кН/м М О’ t > /0 Одл. МПа (1, ч) ттах ПРН Л’ = = 100 никл, МПа
290—350 3 мес (25 С) 6 мес (10 “С) 37,5±2,5 — 3 40 22,4 (500) 9.0 (разрыв по ме- таллу)
150—200 24 ч 17,5+2,5 — 4,5 -—. 6,0 (500) 9 0
150—200 3 мес 20,0+2 20,0±2 6,8 — — —
при равномерном отрыве по ГОСТ 14/60—69; S0T — прочность при отслаивании; у — отно-
износа режущего инструмента и ухудшается шероховатость поверхности. Свинец
и висмут добавляют в алюминиевые сплавы для улучшения характеристик резания.
Термически упрочняемые сплавы обрабатываются легче, чем термически пеупроч-
няемые. Термообработка улучшает обрабатываемость резанием термически упроч-
няемых сплавов, а холодная деформация — термически неупрочпяемых [1]. Конфи-
гурация и габариты деталей, их жесткость, вид выполняемой операции, виброустой-
чивость системы СПИД также оказывают влияние на показатели обрабатываемости.
Высокая теплопроводность алюминиевых сплавов способствует быстрому от-
воду тепла из зоны резания со стружкой и в деталь, в результате чего температура
резания обычно не превышает 250—500°C. При таких температурах не происходит
разупрочнения режущей кромки инструмента, что в сочетании с низкой прочностью
сплавов предопределяет возможность их обработки на высоких скоростях резания.
Практически скорость резания ограничивается возможностями оборудования,
т. е. предельными значениями чиста оборотов, жесткостью и виброустойчивостыо.
На экспериментальном оборудовании проведены опыты по резанию алюминие-
вых сплавов со скоростью до 150 000 м, мин [2].
При выполнении финишных операций, формирующих окончательные размеры
деталей, необходимо учитывать некоторые специфические особенности физико-
механических свойств алюминиевых сплавов. В частности, высокий коэффициент
линейного расширения (в 2 раза больший, чем у стали) требует стабилизации тем-
пературы окружающей среды при обработке и контроле. С этой целью рекомендуется
применять обильное охлаждение, вращающиеся центры и пр. Модуль упругости
алюминиевых сплавов значительно меньше, чем многих других материалов, что
приводит к большей деформации детали при зажиме при той же толщине металла.
Поэтому во избежание коробления следует проектировать зажимные приспособле-
ния с минимальными усилиями зажима, тем более что силы резания невелики.
По обрабатываемости алюминиевые сплавы условно можно разделить на группы,
указанные в табт. 12.1 [1, 3—5]. Это деление позволяет выбрать оптимальные тех-
нологические параметры механической обработки любого сплава. При изготовлении
ответственных силовых деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов режимы
резания назначают с учетом обеспечения максимально возможных прочностных
свойств обработанной поверхности.
Оборудование для механической обработки алюминиевых сплавов
Алюминиевые сплавы обрабатывают на универсальных и специализированных
станках, в том числе на станках с числовым программным управлением (ЧПУ),
обрабатывающих центрах, а также в условиях гибких автоматизированных ком-
плексов.
10 Альтман М. Б. и др.
281
Таблица 12.1. Классификация алюминиевых сплавов по обрабатываемости
Характеристика группы сплавов Система сплава Типовые представители
1. Нестареющие де- формированные спла- вы^ 2. Стареющие дефор- мируемые сплавы в отожженном состоя- нии 1. Состаренные де- формируемые сплавы 2. Литейные сплавы с содержанием <10 % Si Литейные сплавы с содержанием >10 % Si I группа (НВ 90) Ч истый ’алюминий Алюминий повышенной чи- стоты Алюминий технической чи- стоты Алюминий технический де- формируемый Al—Mg’ Al—Мп Al—Mg—Si Al—Cu—Mg Al—Cu—Mn Al—Zn—Mg—Cu Al—Cu—Mg—Ni—Fe A1 —Cu—Si —Mg—Mn II группа (HB 45—140 См. группу I, 2 Al—Mg Al—Si—Cu Al—Si Al—Cu Сложные III группа Al—Si Al—Si—Cu A999 A995, A99, A97, A95 A85, A8, A7, A6, A5, АО, A, AE '« АД00, АДО, АД1, АД AMrl, АМг2, АМгЗ. АМг4 АМц, АМц1 АВ, АД31. АДЗЗ, АД35, Д1 Д16, Д19, ВД17 Д20, Д21 В93, В95, В96, В96ц АК4, АК4-1 А Кб, АК8 АЛ8, АЛ27, АЛ27-1 АЛ32, АЛ4М, В124, АЛ5, АЛ6 АЛ9, ВАЛ5 АЛ7, АЛЮ АЛ1, АЛ21, ВАЛ1 АЛ2, АЛ4 АЛ25, А Л 26
При разработке специализированного оборудования для обработки алюминие-
вых сплавов необходимо предусматривать: обеспечение достаточной жесткости
и виброустойчивости при частоте вращения шпинделя до 20 000 мин-1; надежную
систему сбора стружки; ограждение для защиты от стружки и СОЖ; возможность
применения крупногабаритных инструментов, для чего следует увеличить конус
и диаметр шпинделя — это позволит передавать большую мощность и увеличит
жесткость; обеспечение безопасной работы на высоких скоростях, надежный зажим
инструмента; бесступенчатое регулирование подачи; устройство для автоматиче-
ского выключения станка и торможения шпинделя.
При работе алмазным инструментом повышаются требования, предъявляемые
к оборудованию по нормам точности, жесткости и виброустойчивости.
Заготовительные работы
Наиболее распространенные заготовительные операции при обработке полуфабрика-
тов из алюминиевых сплавов — разрезка и раскрой.
Разрезка дисковыми и ленточными пилами производится для разделения на
мерные заготовки прутков, профилей, труб. В конструкциях пил для алюминиевых
сплавов применяют увеличенный шаг зубьев и увеличенные задние и передние углы
заточки для свободного размещения стружки и уменьшения трения между инстру-
ментом и заготовкой.
282
Рис. 12.1. Профили дисковых пил:
а, б, г — распределение припуска между двумя зубьями: е — то же, между тремя зубьями:
S — ширина зуба, мм; t — шаг между зубьями, мм; а — разность по высоте между 1-м и
2-м зубом, а и 0,14-0 9 мм
С целью снижения усилий резания, повышения стойкости инструмента, предот-
вращения защемления его из-за упругой деформации обрабатываемого материала,
улучшения дробления стружки используют различные схемы распределения сни-
маемого припуска между двумя (или более) соседними зубьями (рис. 12.1). Геоме-
трические параметры режущей части в зависимости от группы обрабатываемости
и материала режущей части приведены в табл. 12.2 [3].
Раскрой листового материала производится ленточными пилами или двухзу-
быми фрезами из быстрорежущей стали при обработке пакетом. Ленточные пилы
изготавливают толщиной 0,8—1,2 мм, зубья разведены по обе стороны полотна.
Инструментальные материалы
Для оснащения режущего инструмента при обработке алюминиевых сплавов ис-
пользуют быстрорежущие стали, твердые сплавы, синтетические сверхтвердые мате-
риалы, в единичных случаях — углеродистые стали, а также режущую керамику
на основе нитрида кремния. Наиболее распространенная и широко применяемая
марка быстрорежущей стали — Р6М5. Из нее изготавливают резцы, фрезы, сверла,
зенкеры, развертки, метчики. Протяжки, долбяки и концевые фрезы предпочтитель-
нее изготавливать из сталей повышенной производительности марок Р6М5К5 и
Таблица 12.2. Основные технологические параметры резки алюминиевых
сплавов дисковыми пилами
Параметры Режущий материал Группа обрабатываемости материала (см. табл- 12.1) Примечание
I II III
Задний угол а, град * Передний угол у, град Скорость резания v, м/мин Подача на зуб Sz, мм Быстрорежу- щая сталь Твердый сплав Быстрорежу- щая сталь Твердый сплав Быстрорежу- щая сталь Твердый сплав Быстрорежу- щая сталь Твердый сплав 8 9—7 25 10 800—2000 400—600 <2500 <0,02 <0,03 <0,03 8 9—7 25 8 300—500 200—300 <1500 0,02 0,03 0,03 8 9—7 15 6 120—200 8—150 <1000 <0,02 <0,03 <0,03 Средний шаг Крупный шаг Крупный шаг Средний шаг Крупный шаг То же
* Дисковые пилы для анодированных профилей часто имеют небольшие задние углы.
10*
283
Р9М4К8. Наибольший эффект достигается при использовании порошковых быстро-
режущих сталей, обеспечивающих в 1,2—2,0 раза большую стойкость инструмента
по сравнению с быстрорежущими сталями обычного производства. Инструмент из
быстрорежущих сталей, как правило, применяют при обработке алюминиевых спла-
вов с малым содержанием кремния и для сложнофасонного инструмента — если- не
представляется возможным изготовить его из твердого сплава или синтетического
алмаза.
, Твердые сплавы марок ВК8, ВК6М, ВК60М, ВКЗМ, Т15К6 и др. применяют при
работе на высоких скоростях резания — до 10 раз превышающих уровень скоростей
резания для быстрорежущего инструмента, и для обработки алюминиевых сплавов
с высоким содержанием кремния.
fe В настоящее время все шире применяют безвольфрамовые твердые сплавы на
основе карбидов и карбонитридов титана, которые в некоторых случаях обеспечи-
вают даже большую стойкость, чем вольфрамовые сплавы группы ВК. Кроме того,
при работе с указанными сплавами снижается коэффициент трения стружки по
передней поверхности инструмента, отсутствует налипание на режущую кромку
и улучшается качество обработанной поверхности.
При резании алюминиевых сплавов находят применение природные и синтети-
ческие алмазы, обладающие наибольшей износостойкостью. Инструмент, оснащенный
этими материалами, позволяет значительно увеличить скорость резания на опера-
циях чистового точения, растачивания и фрезерования, повысить стойкость в не-
сколько десятков раз, особенно при обработке сплавов с высоким содержанием крем-
ния, обеспечить наивысшую точность размеров и качество обрабатываемых деталей.
Эти уникальные свойства алмазного инструмента предопределяют наиболее эффек-
тивную область его применения на станках с ЧПУ, обрабатывающих центрах и
автоматических линиях. Особенно интенсивно расширяются область и объемы при-
менения синтетических алмазов типа АСПК (карбонадо). В некоторых случаях
хорошие результаты показывает инструмент, оснащенный сверхтвердыми материа-
лами на основе кубического нитрида бора: эльбор — РМ, гексанит — Р и др.
Применение режущей керамики на основе нитрида кремния типа силинит —
Р рекомендуется для сплавов, не содержащих кремния, при выполнении чистовых
и черновых операций.
Лезвийная обработка
Среди процессов механической обработки при изготовлении деталей из алюминиевых
сплавов основная доля трудоемкости приходится на лезвийную обработку. Для
успешного протекания процесса резания необходимо, чтобы инструмент имел боль-
шой передний угол у (до 45°) или (в случае фасонной обработки, когда большой перед-
ний угол вызывает значительные искажения обрабатываемого профиля) необходимо
обеспечить угол заострения не более 70° за счет увеличения заднего угла а. При
использовании всех типов инструментов следует обращать особое внимание на
обеспечение хорошего отвода стружки, ее завивания или дробления. Стружечные
канавки у многолезвийного инструмента должны быть как можно более глубокими,
обработанные тонким шлифованием или полированием.
Большая номенклатура алюминиевых сплавов, применяемых в промышлен-
ности, конструктивно-технологические особенности изготавливаемых деталей, раз-
личие требований к ним определяют и широкий диапазон изменения технологиче-
ских условий резания, оптимизация которых является основной задачей технологов.
Приводимые ниже рекомендации по видам механической обработки алюминиевых
сплавов должны в определенной степени оказать помощь в решении указанной
задачи.
Точение. Рекомендуемые режимы резания и геометрические параметры резцов
в зависимости от конкретных технологических условий и группы обрабатываемости
приведены в табл. 12.3.
Фрезерованием обрабатывают плоскости, фасонные поверхности, пазы. Для
выполнения этих операций применяют торцовые, цилиндрические, дисковые, фасон-
ные, концевые и специальные фрезы.
Конструкции фрез для обработки алюминиевых сплавов отличаются меньшим
количеством режущих зубьев, что позволяет увеличить объем стружечных канавок.
Применяют фрезы цельные (небольших диаметров), с напайными пластинами
и с механическим креплением режущих элементов. Выбор конструкции фрезы опре-
284
Таблица 12.3. Технологические параметры токарной обработки алюминиевых сплавов
Параметры Материал режущей стали Группа обрабатываемости (см. табл- 12.1) Примечание
I 11 III
1 2 3 4 5 6
Задний угол а, град; угол фаски по задней поверхности аф, град Передний угол у, град; угол фаски по передней поверхности Тф, град Скорость резания v, м/мин Подача S, мм/об кэ 00 Си Быстрорежущие стали Твердые сплавы [аф » (а — -2°)] Синтетические сверхтвердые материалы Быстрорежущие стали Твердые сплавы [уф ~ (у — —2°)] Синтетические сверхтвердые материалы Быстрорежущие стали Твердые сплавы Синтетические сверхтвердые материалы Быстрорежущие стали Твердые сплавы Синтетические сверхтвердые материалы 10—7 12—10 8—12 45—35 35—20 3 200—450 *х 400—1000 *2 600—1200 *х <2400 *2 <2500 *2 <1 0,1—0,3 *2 0,3—0,6 *х <0,15 *2 0,01—0,08 *2 10—7 10—8 5—7 40—30 24—10 Он—3 100—200 *х 200—500 *2 150—400 250—700 *2 400—1000 *2 0,2—0,5 *г 0,05—0,25 *2 0,3—0,6 *х 0,05—0,1 *2 0,02—0,1 *2 10—7 10—8 5—7 25—15 15—10 Он—3 <100 100—150 *2 100—200 150—250 *2 200—500 *2 0,2—0,4 *1 0,05—0,1 *2 0,3—0,6 <0,1 *2 0,02—0,1 *2 Меньшие значения сс — при черновом то- чении То же » Меньшие значения -у — при черновом то- чении То же » При содержании Si > > 10 % применять твердые сплавы и син- тетические сверхтвер- дые материалы То же » » » » » » » »
ьо g Продолжение табл. 12.3
1 2 3 4 5 6
Глубина резания Z, мм Смазочн о-охл аждаю- щие жидкости Быстрорежущие стали Твердые сплавы Синтетические сверхтвердые материалы Быстрорежущие стали, твердые сплавы, синтетические сверх- твердые материалы <6 *г 1 *2 <6 *Х <0,5 *2 0,03—0,2 *2 Без смазки *1, Укрннол-1М *2 <5 *х <0,5 *2 <5 *1 <0,5 *2 0,03—0,2 *2 Без смазки **, Укринол-1М, ОСМ-3 *2 <3 *х <0,4 *2 <3 *х <0,5 *2 0,03—0,2 *2 Укри- нол-1М *г; Укринол-1М, ОСМ-3 *2 При содержании Si> 10% применять твер- дые сплавы и синте- тические сверхтвердые материалы То же » » Вместо Укринола-1М можно использовать Аквол-11 и МР-6
*’ Черновое точение. *2 — Чистовое точение.
Т а б л иц а 12.4. Технологические параметры фрезерной обработки алюминиевых сплавов
Параметры Материал режущей части инструмента Группа обрабатываемости (см. табл. 12.1) Примечание
I II III
1 2 3 4 5 6
Задний угол а, град; Быстрорежущие стали 12—18 10—6 5—3 Меньшие значения а
угол фаски по задней при черновом фрезе-
поверхности осф, град Твердые сплавы [ал, яа 12—8 10—6 8—6 ровании То же
« (а—2°)] Синтетические сверхтвердые материалы 8—10 8—10 6—8 »
Продолжение табл. 12.4
ьо ОО 1 2 3 4 5
Передний угол у, град; угол фаски по передней поверхности "Уф, град Угол наклона режущей кромки X, град Скорость резания V, м/мин Подача на зуб фрезы Sz, мм/зуб Быстрорежущие стали Твердые сплавы [ул » (у— -2°)] Синтетические сверхтвердые материалы Быстрорежущие стали, твердые сплавы, синтетиче- ские сверхтвердые материа- лы Быстрорежущие стали Твердые сплавы Синтетические сверхтвердые материалы Быстрорежущие стали Твердые сплавы Синтетические сверхтвердые материалы 30—25 25—20 5—8 30—40 300—600 ** <1200 *2 <2500 <3000 *2 <3000 *2 0,1—0,5 41 0,03—0,1 *2 0,1—0,6 « 0,03—0,1 *2 0,01—0,04 *2 25—20 20—15 5—8 <30 150—300 ** 250—800 *2 300—800 41 500—1000 *2 <1500 *2 0,1—0,5 *1 0,03—0,1 *2 0,1—0,6 *х 0,03—0,1 *2 0,01—0,04 *2 <20 <15 0—5 <20 90—100 *1 100—150 *2 100—300 ** 150—400 *2 250—600 *2 0,1—0,5 « 0,03—0,1 *2 0,1—0,6 *1 0,03—0,1 *2 0,01—0,04 *2 Меньшие значения у при черновом фрезеро- вании То же » При содержании Si > >J10 % следует при- менять твердые сплавы и синтетические сверх- твердые материалы То же » » » » » » » »
to оо оо Продолжение табл. 12.4
1 2 3 4 5 6
Глубина резания t, мм Быстрорежущие стали Твердые сплавы Синтетические сверхтвердые материалы <6 « <0,5 *2 <7 <0,5 *2 0,05—0,3 *2 <6 *х <0,5 *2 <7 <0,5 *2 0,05—0,3 *2 <6 *х 0,5 *2 <7 <0,5 *2 0,05—0,3 *2 При содержании Si>10% следует при- менять твердые сплавы и синтетические сверх- твердые материалы
Число зубьев фрезы z: цилиндрической дисковой концевой Быстрорежущие стали, твердые сплавы, синтетиче- ские сверхтвердые материа- лы •I- -1- т СО 04 II II 11 N N N 10 при D = 404-160 мм 12 при D = 5004-200 мм 5 при D = 34-40 мм Резьбовые фрезы чаще имеют меньший шаг зубьев; фасонные фре- зы обычно выполняют с одним летучим ножом
Фрезерные головки Быстрорежущие стали Твердые сплавы •I- -1- со со II II N N 16 12 при D = 1004-500 мм при D = 1004-500 мм —
См азочн о-ох л аждающие жидкости Быстрорежущие стали, твердые сплавы, синтетиче- ские сверхтвердые материа- лы Без смазки **, Укринол-1М *2 Укри- нол-1М *х, Укри- нол-1М *2, ОСМ-3 Укри- нол-1М *х, Укринол-1М, ОСМ-3 *а —
Черновое фрезерование, *2 Чистовое фрезерование.
Рис. 12.2. Зависимость величины коробления:
а — от скорости резания и подачи, sz равно, мм/зуб:
1 — 0,01; 2 — 0,02; 3 — 0,025; 4 — 0,036; 5 — 0,054; 6 — 0,065; 7 — 0,1; 8 —0,14;
9 — 0,175; 10 — 0,2;
б — от подачи и способа охлаждения; в — от глубины резания и способа охлаждения;
1 — воздухом; 2 — 5%-ной эмульсией распылением; 3 — 5%-ной эмульсией поливом
деляется ее видом, условиями производства, применяемой маркой инструмента ль-
кого материала и другими факторами. Предпочтительная схема во всех случаях —
фрезерование по подаче.
Режимы фрезерования и геометрические параметры фрез приведены в табл. 12.4.
Особые трудности представляет обработка фрезерованием крупногабаритных
деталей из алюминиевых сплавов, которая часто сопровождается таким отрицатель-
ным явлением, как коробление.
Основными факторами, определяющими величину коробления, являются сле-
дующие: эпюры распределения остаточных напряжений в сечениях заготовок (коль-
цевых и длинномерных); порядок и пропорциональность съема металла (припусков),
режимы резания, способ и интенсивность охлаждения. Так, при асимметричном
одностороннем съеме происходит нарушение равновесной эпюры остаточных макро-
напряжений и, вследствие их перераспределения, — коробление.
На рис. 12.2 представлены зависимости величины коробления (прогиба) образ-
цов из сплава В95 от режимов резания и способа охлаждения. Как видно из рисунка,
охлаждение 5%-ной эмульсией поливом значительно уменьшает прогиб образцов.
В качестве мероприятий по уменьшению коробления используется также на-
правленное формирование эпюры остаточных напряжений в заготовках в процессе
пластического формообразования пли применение дробеструйной обработки окон-
чательно изготовленных деталей [6, 7].
Сверление. Диаметр получаемого отверстия, особенно при сверлении более
мягких сплавов, получается значительно больше диаметра сверла, поэтому сверла
выбирают с диаметром на 0,2—0,5 мм меньше диаметра обрабатываемого отверстия.
В табл. 12.5 приведены режимы и геометрические параметры сверл [3].
Зенкерование. Для увеличения диаметра отверстия и уменьшения отклонения
его геометрических параметров применяют зенкеры, которыми обрабатывают пред-
варительно просверленные пли полученные при литье отверстия.
Геометрия зенкеров и режимы резания приведены в табл. 12.6 [3].
Для обработки многоступенчатых отверстий на токарных, токарно-револьвер-
ных, агрегатных станках, автоматах и полуавтоматах применяют высокопроизво-
дительные зенкеры для одновременной обработки нескольких ступеней (до 4—5).
С целью увеличения пространства для размещения стружки такие зенкеры обычно
выполняются двухперыми. Рекомендуемая геометрия заточки зенкера в зависимо-
сти от диаметра обрабатываемой ступени показана в табл. 12.7 и на рис. 12.3.
Для развертывания отверстий в деталях из алюминиевых сплавов можно при-
менять развертки всех типов. На развертках можно использовать прямые канавки,
но при спиральных канавках снижаются вибрации и улучшается шероховатость
поверхности. Спиральные канавки применяют также для обработки отверстий с про-
289
g Таблица 12.5. Основные технологические параметры сверления алюминиевых сплавов спиральными сверлами
Параметры Режущий материал Группа обрабатываемости (см. табл. 12.1) Примечание
1 II Ш
Угол при вершине свер- ла ср, град Быстрорежущие стали Твердые сплавы —140 130 —120 120 —100 115 При сверлении листов ср увеличивается или приме- няют центровое сверло
Угол наклона винтовой канавки со, град Быстрорежущие стали Твердые сплавы 45—30 15—10 35—20 15—10 25—15 8—4 Меньшие значения со со- ответствуют меньшим диа- метрам сверл
Задний угол заточки а, град Быстрорежущие стали Твердые сплавы 17—15 12 15 12 12 12 —
Скорость резания V, м/мин Быстрорежущие стали Твердые сплавы 100—200 200—300 80—100 100—140 50—80 60—100 Меньшие значения v и S для сверл малого диа- метра
Подача S, мм/об Быстрорежущие стали Твердые сплавы 0,02—0,50 0,06—0,30 0,02—0,50 0,06—0,30 0,02—0,3 0,03—0,15 То же
Смазочно-охлаждающие жидкости Быстрорежущие стали Твердые сплавы У Без смазки кринол-1М, ОСА Без смазки, Укринол-1М, ОСМ-3. 1-3 Без смазки, Укринол-1М, ОСМ-3 Вместо Укринола-1М применяют Аквол-11 То же
Рис. 12.3. Геометрия за-
точки перовых зенкеров:
D — диаметр обрабатывае-
мого отверстия 1, 2 ... сту-
пени, мм; I — длина обра-
батываемого отверстия 1, 2...
ступени, мм; s — толщина
пера, мм: Н — толщина пе-
ремычки, мм; т — величина
смещения передней поверх-
ности зуба относительно осн
зенкера
дольными пазами. Угол подъема спиральной канавки о = 354-45° предпочтитель-
нее выбирать противоположным направлению резания. Геометрия режущей части
и режимы резания представлены в табл. 12.8 [3].
Развертыванием часто приходится также обрабатывать отверстия в узлах и
агрегатах, состоящих из алюминиевых сплавов, сталей или титановых сплавов, когда
за один проход одним инструментом необходимо обрабатывать отверстие в различ-
ных по физико-механическим и теплофпзическпм свойствам материалах.
Известно, что точность отверстий при развертывании определяется величиной
разбивки, которая существенно различается для алюминиевых сплавов и сталей.
Для уменьшения этой разности рекомендуется использовать развертки со спираль-
ными зубьями, имеющими переднюю и заднюю направляющие части. Угол спирали
для цельнотвердосплавных разверток со = 10°, для быстрорежущих — со — 154-25°.
Геометрические параметры назначают применительно к наиболее прочному мате-
риалу, входящему в пакет. Наилучшие результаты по точности обеспечивают раз-
Таблица 12.6. Основные технологические параметры зенкерования
алюминиевых сплавов (режущий материал: в числителе — быстрорежущие стали,
в знаменателе — твердые сплавы)
Параметры Зенкеры
цилиндрические конические
Передний угол у, град Задний угол а, град Скорость резания v, м/мин Подача S, мм/об Смазочно-охлаждающие жидкости 30—20/20—15 8/6 25—40/60—100 0,2—0,3/0,1—0,3 Укринол 8/6 20—30/50—70 0,3—0,6/0,2—0,5 1М, ОСМ-3
Таблица 12.7. Геометрия заточки задних углов и размеры спинки перовых
зенкеров (а = 10 4- 12°; eq = 154-18°)
Диаметр обраба- тываемого отвер- стия D, мм F, мм Fl,2. . ММ /1,2...’ ММ <Х2> град S, мм Н, мм т, мм
2—3 0,3 0,3 0,1 35 0,70 0,350 1 0,1
3—6 0,5 0,6 0,15 35 0,70 0,350 1 0,15
6—10 0,8 1,0 0,20 30 0,60 0,300 0,2
10—20 1,0 1,2 0,25 30 0,60 0,300 0,2
20—50 1,2 1,5 0,25 30 0,50 0,250 в 0,3
50 1,5 2,0 0,30 30 0,50 0,200 0,3
291
Таблица 12.8. Основные технологические параметры развертывания
алюминиевых сплавов
Параметры Режущий материал Ручные развертки Машинные развертки
D, мм D, мм
<10 10—25 25—40 >40
Углы заточки, град: Ч>1 Ч>2 Скорость резания v, м/мин Подача S (для ма- шинного развертыва- ния), мм/об Припуск на диаметр при сверлении, мм Смазочно-охлаждаю- щие жидкости Быстрорежущие стали Твердые сплавы Быстрорежущие стали Твердые сплавы Быстрорежущие стали Твердые сплавы 45 3-4-4 0,1—0,2 0,2—0,3 <0,2 0,06—0,1 45 3-4-4 0,2—0,4 0,3—0,5 0,1—0,3 0,1—0,2 У крине 30 0 10—20 20—30 0,3—0,5 0,4—0,7 0,1—0,3 0,1—0,3 эл-lM, ОС 30 0 10—20 20—30 0,4—0,8 0,5—1,0 0,2—0,5 0,2—0,3 М-3
вертки, режущие зубья которых выполнены по дуге окружности, а не прямолиней-
ными, как это делается у обычных разверток. Такое исполнение исключает увели-
чение диаметра отверстия в алюминиевом сплаве в месте стыка с другим материалом.
При развертывании пакетов из титановых и алюминиевых сплавов рекомендуется
применять развертки с режущими элементами из АСПК [8].
Растачивание. Инструмент для растачивания алюминиевых сплавов имеет
геометрические параметры режущей части, идентичные токарному инструменту
(см. табл. 12.3), но для предотвращения затирания иногда необходимо увеличить
задние углы по сравнению с рекомендуемыми. Расточные резцы обычно устанавли-
вают выше центра обрабатываемого отверстия, таким образом действительный перед-
ний угол уменьшается, а задний — увеличивается.
Протягивание — высокопроизводительный процесс получения точных наруж-
ных и внутренних профилей различной конфигурации, который нередко оказывается
экономически более выгодным, чем фрезерование. Инструмент для протягивания
обычно цельный, лишь при больших диаметрах и сложном профиле — составной.
В качестве режущего материала используют преимущественно быстрорежущую
сталь. Геометрия и режимы резания приведены в таблице 12.9 13].
Резьбообразование. Нарезание наружной резьбы производят плашками, резьбо-
нарезанными головками, которые отличаются от аналогичного инструмента для обра-
ботки стали несколько удлиненной заборной частью. Наружный диаметр детали
после обточки должен быть меньше номинального диаметра резьбы на 0,2—ОДР,
где Р — шаг резьбы. Для нарезания длинных резьб важно обеспечить хороший под-
вод смазывающе-охлаждающей жидкости.
Наружную резьбу также нарезают резьбовыми резцами и гребенками, для
которых режимы резания и основные геометрические параметры выбирают по
табл. 12.3. Резьбу небольшого диаметра можно нарезать метчиками для стали, но
начиная с А16 следует применять инструмент со шлифованными зубьями [3]. Для
глубоких отверстий с целью облегчения выхода стружки метчики выполняют с вин-
товыми канавками, в остальных случаях — канавки прямые, но при этом необхо-
димы большие передние углы. Ширина пера, как правило, в 1,5—3 раза превышает
шаг резьбы независимо от диаметра метчика [1].
Накатывание резьбы хорошо зарекомендовало себя при получении наружных
резьб на изделиях из алюминия. Накатывание обладает следующими преимуще-
292
Таблица 12.9. Основные параметры протягивания алюминиевых сплавов
Параметры Обработка Группа мости (с обрабатывае- и. табл. 12.1) При мечание
I, II III
Задний угол а, Черновая 3 3 Тонкая обработка, к ~ 1
град Чистовая 2 2
Глубина резания Черновая 0,1—0,2 0,1—0,2 Зубья черновой протяж-
па зуб а, мм К И выполняются со стружкоразделительны- ми канавками
Чистовая 0,02 0,02 У специального прогла- живающего инструмента (шабровочные протяж- ки) У а = 0,02-4-0,05
Скорость резания — 10—14 6—10 Начинать с малых ско-
V, м/мин ростей и устанавливать оптимальную v
Шаг зубьев t мм Черновая t « (1,7 4-1.8)]//. * Шаг неравномерный, во
t « 3,8 VcL избежание волнистости поверхности, AZ ~ 0,1-4-
-4-0,5
Чистовая t « 4.2/at Одновременно режут от
2 до 6 зубьев, возможно протягивание пакетом
Смазочно-охла- Черновая, Укринол-1М; ОСМ-3 —
ждающие жидко- сти чистовая
*£ — длина обрабатываемой поверхности.
ствами перед нарезанием: повышение прочности (до 20 %) из-за холодного наклепа;
повышение длительной прочности благодаря уменьшению поверхностных концен-
траторов напряжений; экономия материалов (безотходный процесс); высокая стой-
кость инструмента.
Недостатки накатывания — ограниченный шаг резьбы и больший крутящий
момент.
Накатывание наружной резьбы осуществляют плоскими накатными плаш-
ками, резьбонакатными головками, круглыми накатными роликами. Диаметр заго-
товки под накатывание резьбы определяют по формуле
4аг = Vd2— l,3df>+ 0.6PS (1)
где d — наружный диаметр резьбы, мм; Р — шаг резьбы, мм.
Размеры заготовок под накатку могут быть также взяты из работы 19].
Накатывание внутренней резьбы с шагом до 2 мм производят с помощью раскат-
ников (метчиков-накатников). Для получения внутренней резьбы с диаметром более
30 мм и с шагом более 2 мм применяют роликовые раскатки после предварительной
нарезки.
Диаметр отверстия под накатывание внутренних резьб в общем виде рассчиты-
вают по формуле [5]:
Л2 f 1 3dp dgp \ / 1 2di___________dcp \ .
V 0 \ 2 3P tg a + P tg a / ' \ 2 ^3Ptga P tg a / ’ ' '
где da — наружный диаметр раскатника; dcp — средний диаметр раскатника; d± —
номинальный внутренний диаметр резьбы: Р — шаг резьбы.
293
Шлифование
Алюминиевые сплавы шлифуют на том же оборудовании и теми же методами, которые
применяют к другим металлам, по скорости шлифования алюминиевых сплавов на-
много выше-
Ниже приведены рекомендации по выбору скорости шлифования [1]:
Впд шлифования Скорость, м/с
Круглое наружное ............................ . 28ч-33
Внутреннее ... . . ' 104-30
Обдирочное:
круги на керамической связке . . 25-е-30
круги на бакелитовой или в\ лканитовой связке . . 35—48
Плоское ............................................. 204-25
Отрезка (круги на вулканитовой, шеллаковой или баке-
литовой связке) ..................................... 464-81
Для шлифования алюминиевых сплавов применяют обычные шлифовальные круги
из карбида кремния и электрокорундовые на керамической или вулканитовой связке
средней зернистости, средней твердости и высокой пористости.
Наиболее целесообразно применять ленточное шлифование алюминиевых спла-
вов. Скорость ленты при мокром шлифовании составляет 23—25 м/с при слабом
прижиме детали к ленте. В качестве абразива используют карбид кремния. При
шлифовании с нажимными роликами скорость шлифования составляет 25—30 м/с;
при этом повышается точность размеров и качество обработанной поверхности.
2. УПРОЧНЯЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТНАЯ ОБРАБОТКА1
Эффективное применение алюминиевых сплавов в конструкциях возможно при
условии их упрочнения поверхностным пластическим деформированием (ППД).
Наиболее универсальное среди механических методов — упрочнение поверх-
ностным пластическим деформированием определяется как обработка давлением,
при которой пластически деформируется только поверхностный слой материала.
В зависимости от вида взаимодействия деформируемого материала с используемым
инструментом, рабочими телами или средой поверхностное пластическое деформиро-
вание может быть статическим или ударным. Под статическим взаимодействием
деформируемого материала с инструментом, рабочими телами или средой условно
понимается взаимодействие, при котором инерционные силы не оказывают суще-
ственного влияния на деформационные характеристики.
Инструментом при ППД может быть ролик, шарик-ролик со свободной осью
вращения, боек-чекан и др. Рабочими телами — дробь, шарики из стали, стекла,
пластмассы и других материалов, а рабочей средой — жидкость, газ и их суспензии
с рабочими телами.
Универсальность обработки с использованием ППД заключается в том, что ее
можно применять для деталей различной конфигурации и габаритов. Кроме того,
обработка ПИД эффективна в самых различных условиях эксплуатации деталей.
Применение поверхностного упрочнения позволяет существенно улучшить
характеристики усталостной прочности деталей и узтов (табл. 12.10), в том числе
в условиях коррозионной среды.
Поверхностное упрочнение приводит к значительному увеличению долговеч-
ности не только в условиях обычной усталости, но и в малоцпкловой области.
Чем выше исходная шероховатость поверхности, тем эффективнее процесс упроч-
нения. Упрочнение алюминиевых сплавов с исходной шероховатостью поверхности
4-го класса повышает предел усталости на 30—40 %, а с исходной шероховатостью
7-го класса — на 15—17%. Следовательно, поверхностное упрочнение может ча-
стично заменить процесс ручной зачистки деталей после их механической обработки.
Важное положительное свойство упрочняющей обработки ППД — возможность
снижения чувствительности к концентрации напряжений высокопрочных материа-
лов до уровня, соответствующего материалам более низкой прочности, а также
1 Авторы: Б. П. Рыковский, Ю. С. Румянцев.
294
Таблица 12.10. Эффективность различных методов поверхностного
упрочнения сплава 1201 (плита, гладкие образцы)
Вид поверхностного упрочнения Л', цикл, при (Ттах
300 МПа 250 МПа
Исходный вариант (точение) Дробеструйная обработка Вибрационное Удар но-барабаниое 10 435—14 705 29 950—53 630
12 300 45 340—106 000 39 700 190 913—300 000
64 200 48 311—60 050 56 100 37 267—85 865 64 700 288 400 146 260—200 000 183 500
Примечание. В числителе—наименьшее и наибольшее значения циклов при испы.
тании 5 образцов, в знаменателе — среднее значение.
доведение относительной выносливости высокопрочных материалов до постоянной
величины, независимо от их уровня прочности. Так, при фрезерованной поверхности
сплав В95Т1 уступает по выносливости сплаву Д16Т. Упрочняющая же обработка
позволяет примерно в 2,5 раза повысить долговечность более прочных сплавов.
Эффективность поверхностного упрочнения достигается получением благоприят-
ного состояния и качества поверхностных слоев материала детали, которое харак-
теризуется: остаточными напряжениями сжатия, микрорельефом поверхности со
скругленными радиусами выступов и впадин, повышением твердости.
Методы и средства упрочнения, основанные на пластическом деформировании
поверхностного слоя, многообразны. Область их применения во многом определя-
ется конструктивно-технологическими характеристиками деталей (табл. 12.11).
Вибрационная ударная обработка основана на использовании взаимного соуда-
рения рабочих тел обрабатывающей среды с деталью, помещенных в контейнер, па-
Таблица 12.11. Область применения методов упрочнения ППД
Типовые поверхности деталей Методы упрочнения
Плоские гладкие с продольными или по- перечными элементами жесткости Поверхности вращения цилиндрические, конические, фасонные наружные Резьбы, галтели, канавки Отверстия: цилиндрические конические Внутренние полости сложной формы Поверхности, не обработанные при об- щем упрочнении детали Ударно-барабанный, дробеметный, дро- беструйный Обкатывание роликами и шариками, алмазное выглаживание, виброупроч- неппе Обкатывание и раскатывание роли- ками, дробеструйный Раскатывание, дорнование, обжима- ние концентраторов напряжения Раскатывание, обжимание концентра- торов напряжения Виброупрочненпе, виброп лпфованпе, ударно-барабанный Дробеструйный, пневмодинамический, пескоструйный
295
ходящнйся в состоянии вибрации. Особенность метода заключается в том, что обра-
батывающая среда, рабочие тела которой не имеют жесткой взаимосвязи, легко
принимают форму обрабатываемой поверхности, что обеспечивает относительную
равномерность обработки и возможность упрочнять детали сложной формы.
В зависимости от состава рабочих сред при виброударнон обработке могут
выполняться: впброшлифование, впброполирование, виброупрочнение. Операции
виброшлифования и виброполированпя выполняются рабочими телами в виде абра-
зивных гранул, абразивного порошка и др. Процесс виброшлифования позволяет
снимать заусенцы, зачищать облой, скруглять острые кромки, очищать поверх-
ности от нагара, окисной пленки, следов коррозии и пр., обеспечивая съем металла
в пределах 0,2 мм. При этом происходит незначительное упрочнение поверхностного
слоя и наведение в нем остаточных напряжений сжатия.
Операция виброупрочнения производится с использованием стальных полиро-
ванных шариков диаметром 3—6 мм из стали ШХ15.
При виброударнон обработке применяют три схемы: «внавал», с закреплением
детали в контейнере и с закреплением при ее принудительном вращении.
Основные технологические параметры метода следующие: рабочая среда (мате-
риал и диаметр рабочих тел, форма и зернистость абразивного наполнителя, вид
промывочных жидкостей); амплитуда и частота колебаний, определяющих энергию
соударения рабочих тет с обрабатываемой поверхностью; продолжительность про-
цесса обработки; траектория движения рабочих тел, определяющая характер их
соударения с деталью.
На существующем вибрационном оборудовании типа МВП, ВУД, ВСУ, ВГМ
можно обработать практически любую из имеющихся в машиностроении деталей
с габаритными размерами 12X2,5 м и массой до 300 кг.
Обработка дробью. В зависимости от источника кинетической энергии дроби
(струя газа, жидкости, газа с жидкостью, вращающийся ротор дробеметного аппа-
рата, свободное падение) различают дробеструйную, гидродробеструйную, дробе-
метную и гравитационную обработку дробью.
Дробь должна быть достаточно твердой, иметь правильную сферическую форму
с гладкой поверхностью и быть износостойкой. Эти требования относятся к дроби
с широким диапазоном применяемых размеров: от 30—40 мкм до 2 мм и более.
С точки зрения технологических требований дробь при упрочняющей обработке
должна образовывать на поверхности детали правильный микрорельеф при воз-
можно меньших значениях R„ и Rz, обладать необходимой энергией удара для
наведения нужных значений остаточных сжимающих напряжений. В определенных
случаях воздействие дроби должно обеспечивать сохранение низкой исходной шеро-
ховатости обрабатываемой поверхности при получении эффекта упрочнения.
Многообразие требований вызывает необходимость использования дроби раз-
личных типов. Обычно применяют цементированные стальные шарики, дробь из
низкоуглеродистых и нержавеющих сталей, стеклянные шарики. Твердость сталь-
ной дроби HRC 45—65.
Диаметр дроби выбирают из условия возможности проработки концентраторов
напряжений на детали и получения заданной шероховатости поверхности. Опти-
мальную продолжительность процесса, как и другие его параметры, устанавливают
кспериментально.
Новые перспективы в совершенствовании технологических процессов упроч-
няющей обработки алюминиевых сплавов открывает использование стеклянных
шариков как рабочих тел. При обработке они снимают с поверхности только мелкие
частицы аморфного материала. При этом возможно полное сохранение стабильности
геометрических размеров детали и получение низкой шероховатости поверхности.
В то же время шарики обладают достаточной кинетической энергией для образова-
ния на деталях упрочненного слоя. Шарики не создают на детали очагов коррозии,
что позволяет исключить из технологических процессов операции пассивации дета-
лей, которые необходимо проводить после обработки металлической дробью. С по-
мощью шариков из стекла появляется возможность упрочнения деталей с плакиро-
ванным слоем. Так, обработка ими повысила усталостную долговечность образцов,
сделанных из плакированного листа сплава Д16АТВ толщиной 1,8 мм и 4,0 мм, до
4 раз.
В целом упрочнение дробью позволяет повысить усталостную долговечность
образцов из алюминиевых сплавов в условиях малоциклового нагружения в 2—
296
4 раза. При этом микротвердость поверхностного слоя возрастает на 30 % при глу-
бине наклепанной зоны 0,5—0,7 мм. В образцах наводятся остаточные напряжения
сжатия величиной до 300 МПа при глубине залегания до 700 мкм.
Ударно-барабанное упрочнение производится путем соударения рабочих тел с по-
верхностями обрабатываемых деталей, закрепленных на внутренних стенках бара
бана, вращающегося вокруг горизонтальной или наклонной оси.
В качестве рабочих тел применяют дробь (кубики) из сплава марки В95Т1 пли
В95пчТ1. Размер стороны кубика составляет 2—4 мм.
Основные технологические параметры ударно-барабанного упрочнения сле-
дующие: частота вращения барабана, количество рабочих тел в рабочей камере,
размеры рабочих тел, время обработки.
В результате обработки долговечность при малоцикловой усталости сплавов
повышается в 2—4,5 раза, а шероховатость поверхности снижается в среднем на
один класс.
П невмодинамический поверхностный наклеп (ПДН) — разновидно ть метода
обработки дробью. Применяют его в основном для местного упрочнения деталей.
Особенность метода состоит в том, что обработка происходит в малом закрытом
объеме рабочей камеры. Для осуществления процесса упрочнения необходимо
небольшое количество стальных шариков. Оборудование и оснастка для проведе-
ния процесса упрочнения ПДН многообразны.
Местному пневмодинамическому упрочнению подвергают: радиусные сопряже-
ния поверхностей; галтельные переходы поверхностей тел вращения; плоские по-
верхности; поверхности отверстии произвольной формы размером 14—350 мм при
длине не более 100 мм; необработанные места крепления деталей (под прижимами),
упрочненных вибрационным, ударно-барабанным, дробеструйным, дробеметным
методами; места обработки деталей, на которых упрочненный слой спят при подго-
ночных работах в условиях стапельной сборки.
Обжимание концентраторов напряжения основано на глубоком (до 3 мм) пла-
стическом деформировании в холодном состоянии поверхности концентраторов на-
пряжений или зоны вокруг него. Процесс заключается во вдавливании в поверхность
детали индентора (или инденторов) заданной формы так, чтобы опасный участок
детали, заключенный между отпечатками индентора, оказался сжатым прилега-
ющими объемами металла. Снижение уровня действующих в зоне концентратора
напряжений достигается путем создания поля остаточных напряжений сжатия,
разрушающих зону действия концентратора по всей толщине или по значительной
ее части. Упрочнению подвергаются поверхности и фаски отверстий и зоны вокруг
них, а также участки поверхности деталей с усталостными трещинами.
Применение этого метода упрочнения на оптимальных режимах обеспечивает
увеличение долговечности деталей в 1,5—10 раз и более, а также остановку и задерж-
ку развития усталостных трещин в условиях ремонта.
При поверхностном обкатывании и раскатывании упрочнение происходит
в результате пластического деформирования при качении металлического инстру-
мента (ролик, шарики п пр.) по выпуклой пли плоской поверхности (обкатывание)
или по вогнутой поверхности деформируемого материала (раскатывание)
В процессе раскатывания осуществляется калибрование, уменьшение шерохо-
ватости и упрочнение поверхностного слоя материала отверстия. Помимо высокой
производительности раскатывание обеспечивает 1—2 классы точности обрабаты-
ваемых отверстий и шероховатость до 0,16 со сглаженным микрорельефом. В резуль-
тате благоприятного воздействия на параметры качества поверхностного слоя зна-
чительно увеличивается долговечность болтовых соединений. Сравнительные испы-
тания показали, что упрочнение повышает долговечность образцов болтовых соеди-
нений при повторно-статическом нагружении в 2—4 раза.
Учет свойств различных материалов позволил проводить раскатывание отвер-
стий в силовых смешанных пакетах из разнородных материалов, в том числе из
различных алюминиевых сплавов, в условиях стапельной сборки.
Основные параметры режима раскатывания следующие: давление на ролики,
определяемое величиной натяга, подача и окружная скорость раскатнпка пли де-
тали.
Обкатывание — эффективное средство повышения чистоты поверхности и упроч-
нения наружных цилиндрических и конических поверхностей, галтелей, пазов,
выточек и пр. При обкатывании под воздействием давления инструмента микро-
297
неровности обрабатываемой поверхности пластически деформируются, при этом
заполняются впадины микропрофиля. Одновременно происходит некоторое выравни-
вание образующей и исправление формы, а также уменьшение диаметрального раз-
мера детали в пределах 0,02—0,05 мм, что определяется высотой микронеровностей
исходной поверхности.
Наибольшее применение процесс обкатывания нашел при производстве болтов,
винтов для упрочнения радиусов галтелей и стержня. При условии упрочнения от-
верстий и болтов долговечность соединения увеличивается более чем в 10 раз.
Существуют и разновидности перечисленных выше процессов упрочнения.
3. РАЗМЕРНОЕ ТРАВЛЕНИЕ1
Размерное травление применяют вместо химической обработки с целью уменьшения
массы деталей в тех случаях, когда механическая обработка трудно осуществима
и экономически нецелесообразна [10].
Заготовку можно подвергать травлению по всей поверхности — общему травле-
нию или на отдельных участках — местному контурному травлению, при котором
не обрабатываемые участки изолируют от раствора химически стойкими покрытиями
(рис. 12.4).
Методом размерного травления, изменяя скорость погружения и выгрузки из
раствора, получают детали клиновидного и ступенчатого сечения. Для размерного
травления алюминиевых сплавов, как правило, используют растворы на основе ще-
лочи.
Травление представляет собой электрохимический процесс.
На анодных участках поверхности протекают следующие реакции:
А1—> А13+ + Зе; (1)
А13+ + ЗОН-> А1(ОН)3; (2)
А1 (ОН)8 -|- ОН —> АЮ7 + 2Н2О; (3)
А107 + 2Na+-^ NaAlO2. (4)
На катодных участках поверхности имеет место реакция:
Рис. 12.4. Типовые детали, обрабатываемые травлением
1 Авторы: Е. М. Зарецкий
Т. Г. Павловская, В. Н. Падейский.
298
В итоге процесс взаимодействия алюминия с раствором щелочи описывается
реакцией
2А1 + 2NaOH + 2Н2О-> 2NaAlO2 + ЗН2.
Углекислый газ, содержащийся в воздухе, реагирует с едким натром с образо-
ванием углекислого натрия
СО2 + 2NaOH-> Na2CO3 + Н2О.
Технологический процесс травления состоит из следующих операций:
1) предварительная подготовка поверхности — расконсервация; 2) обезжи-
ривание в водном растворе на основе тринатрийфосфата; 3) промывка в воде; 4) тра-
вление в 5%-ном растворе едкого натра; 5) промывка в воде; 6) осветление в 20%-пой
азотной кислоте; 7) промывка в воде; !?) анодное окисление в 20%-ной серной кислоте
пли химическое оксидирование; 9) промывка в воде; 10) нанесение изолирующих
покрытий; 11) размерное травление; 12) промывка в воде; 13) осветление в азотной
кислоте; 14) промывка в воде; 15) сушка.
Для размерного травления деталей из алюминиевых сплавов используют рас-
творы на основе едкого натра (табл. 12.12). На скорость размерного травления
оказывают влияние состав и температура раствора, а также химический состав
сплава. При увеличении температуры раствора на 10 °C скорость процесса возрастает
примерно на 50—60 %. Повышение концентрации свободной щелочи сказывается
в значительно меньшей степени. Пример, с повышением концентрации щелочи от
150 до 350 г/л скорость травления сплава АМгб при 70 °C возрастает от 0,6 до—-1 мм, ч.
Накопление продуктов травления в растворе приводит к замедлению процесса.
Качество размерного травления характеризуется шероховатостью поверхности,
равномерностью травления (точностью изготовления), качеством кромок.
При размерном травлении не удаляются исходные дефекты поверхности типа
рисок, забоин, царапин, вмятин, только происходит сглаживание их краев. Про-
филь протравленной поверхности не одинаков для металла различного химического
состава, плотности и структуры. Прокатанный материал травится более равномерно,
чем прессованный, прессованный—более, чем литой. На сплавах с большим содержа-
нием меди после обработки их в растворах без выравнивающих добавок образуется
неровная поверхность вследствие того, что скорость травления таких структурных
составляющих, как СиЛ12 меньше скорости травления твердого раствора меди в алю-
минии.
Увеличение глубины травления и накопление алюминатов в растворе выше
определенного предела, различного по величине для сплавов, отличающихся по
составу, приводит к увеличению шероховатости.
Равномерному травлению по толщине, а также по периметру контура при мест-
ном травлении способствует горизонтальное расположение деталей в ванне.
Наиботее распространен следующий раствор для тразления: 120—200 г/л
едкого натра, 10—70 г/л алюминия (в виде алюминатов), температура процесса
70—95 °C.
Скорость травления колеблется в зависимости от состава сплава от 0,6 до
2,0 мм/ч. С целью получения более равномерной поверхности при травлении прес-
сованных полуфабрикатов, горячекатаных листов и плит, катаных панелей исполь-
зуют растворы едкого натра со специальными выравнивающими добавками и повы-
шенным содержанием алюминия.
Рис. 12.5. Варианты подтравливання металла под защитную пленкупри размерном тра-
влении алюминиевых сплавов:
1 — металл; 2 — защитная пленка; 3 — анодно-окисное покрытие; а — величина подтра-
вливания; h — глубина травления: х — величина обрабатываемого участка; у — величина
вытравленного участка
299
о Таблица 12.12. Защитные покрытия при контурном размерном травлении алюминиевых сплавов
Лакокрасочное покрытие Химическая или электрохимическая обработка поверх- ности Способ нанесе- ния покрытия Толщина покрытия, мкм Допустимая глуби- на травления, мм, при концентрации, г/л Способ удаления покрытия и образование контура
наимелова- ние материал, марка <150 150— 200 250— 300 до травления после травления
Этил цел- люлозное Лак ЭЦ-550 Анодное или хи- мическое окисле- ние Распылением 180—230 5 10 10 Отслаива- ние Отслаива- ние
Полихло- ропреновое Эмаль Кч-767 Без обработки Кистью или распылением 200—250 2 5 10 Оклейка липкой лентой Смывание
Пер хлор- винил свое Грунтовка X В-062 + лак X В-782 То же Распылением 180—200 5 — — Отслаива- ние Отслаива- ние
Эмаль X В-797 + лак X В-784 Анодное или хи- мическое окисле- ние » 180—200 5 — — То же То же
Смешанная система Эмаль Кч-767 + эмаль X В-797 -j- лак ХВ-784 или эмаль Кч-767 + грунтовка ХВ-062 + лак XВ-782 Без обработки » 200—230 8 10 10 » »
Дивинил- стирольное Лак Кч-796 То же Распылением или кистью 200—270 20 20 20 » »
Эмаль Кч-7101 зе- леная, салатная » То же 200—270 20 20 20 » »
В практике контурное размерное травление происходит неодинаково в глубь
поверхности, соприкасающейся с раствором, и в боковом направлении под защитное
покрытие. Отношение С — a/h, трр а — глубина бокового подтравления, h — глу-
бина травления, называют фактором травления. Фактор травления изменяется
в зависимости от системы защитных покрытий, состава раствора для травления и
способа подготовки поверхности перед нанесением защитных покрытий (рпс. 12.5).
Наличие плакирующего слоя и предварительное анодное окисление поверхности
приводят к росту фактора травления, так как алюминий и анодно-окпсное покры-
тие растворяются быстрее сплава. При химическом оксидировании и накоплении
алюминия в растворе более 5 г,л фактор травления уменьшается.
Участки, не подлежащие травлению, защищают лакокрасочными покрытиями
(табл. 12.12), устойчивыми к действию травящего раствора, для предотвращения
растворения металла и обеспечения четкого контура и факторов травления.
Глава 13
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ И ДЕКОРАТИВНЫЕ
ПОКРЫТИЯ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
Алюминий обладает высоким сродством к кислброду и образующаяся на поверхно-
сти алюминия и его сплавов естественная пленка, смещая его электрохимический
потенциал в сторону менее электроотрицательных значений (примерно на 1 В),
заметно повышает коррозионную стойкость. Однако изделия, сборочные единицы
и детали из алюминиевых сплавов эксплуатируются в самых различных условиях
и, как правило, нуждаются в специальной защите от коррозии.
Выбор метода защиты от коррозии определяется многими факторами: климати-
ческими условиями и рабочим средами, расположением в изделии, способом хране-
ния, степенью нагруженности, длительностью эксплуатации, маркой сплава, кон-
структивными особенностями, видом соединения, наличием контакта с другими
материалами, требованиями к декоративному виду, износостойкости, теплопровод-
ности, электроизоляционным свойствам, переходному сопротивлению и др., а также
экономическими показателями.
1. АНОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ И ХИМИЧЕСКОЕ ОКСИДИРОВАНИЕ 1
К основным методам защиты от коррозии алюминиевых сплавов относится анодное
окисление и химическое оксидирование [1—4]. Примерно 90 % продукции алюми-
ниевых сплавов подвергают анодному окислению. Во многих случаях эти методы
защиты используют в сочетании с лакокрасочными покрытиями.
Перед нанесением всех видов защитных покрытий необходимо подготовить
поверхность — удалить загрязнения и естественную окисную пленку.
Подготовка поверхности
Детали, которые требуют декоративной отделки или высокой точности по размерам,
подвергают механическому, электрохимическому или химическому полированию.
Для удаления литейной корки, формовочной земли, заусенцев и пр. фасонное литье
обдувают дробью, алюминиевой стружкой, дробленой фруктовой косточкой, увлаж-
ненным песком [1J.
Обезжиривание. Густую консервирующую смазку е поверхности деталей можно
удалить струей пара или нагревом деталей в сушильных шкафах до температуры
расплавления смазки (100—ПО °C) с последующей протиркой поверхности ветошью.
Маркировочные знаки п остатки резинового клея, применяемого для обклейки ли-
стового материала, удаляют одним из следующих способов:
а) водными растворами моющих средств типа ТМС-31 и МС8 в моечных машинах
или в стационарных ваннах;
1 Авторы: Н. А. А1акаров , Т. Г. Павловская.
301
б) хлорорганическнми растворителями (перхлорэтилен, трихлорэтилен, фреон-
113) в герметичных агрегатах с замкнутым циклом, предусматривающим улавлива-
ние паров и регенерацию растворителя. Для окончательного обезжиривания при-
меняют водные растворы солей щелочных металлов. Широкое распространение полу-
чил в промышленности раствор для обезжиривания на основе тринатрийфосфата.
Состав раствора следующий, г/л; тринатрийфосфата технического (Na3PO4- 12Н2О)
20—50,едкого натра (NaOH) 8—-12, жидкого стекла 25—35. Температура раствора
Для улучшения обезжиривающей способности рекомендуется к раствору доба-
влять поверхностно-активные вещества, например синтанол ДС-10 (3—5 г,л).
Продолжительность обезжиривания деталей в свежеприготовленном растворе
3 мин. По мере расходования щелочных добавок на омыление жиров длительность
процесса повышается до 5 мин. Передержка деталей в ванне обезжиривания приво-
дит к растравливанию поверхности и образованию трудносмываемого осадка фос-
фатов. На хорошо обезжиренных деталях водяная пленка не имеет разрывов. Мате-
риалом для изготовления ванн обезжиривания может служить углеродистая сталь.
Качество обезжиривания улучшается благодаря применению ультразвука. Для
этих целей ванну с обезжиривающим раствором снабжают элементом, дающим
ультразвуковые колебания. После обезжиривания детали промывают в теплой
и холодной проточной воде и осветляют в 15—30%-ном растворе азотной кислоты
в течение 2—5 мин с последующей промывкой в холодной проточной воде.
Водно-щелочные растворы с общей щелочностью 1,6—2,5 % неприменимы для
деталей, имеющих полированные поверхности, точные размеры и изготовленных
из кремнистых литейных сплавов. Для обезжиривания в этих случаях используют
водные растворы моющих средств типа ТМС-31: в 60—80 г/л его обработку проводят
в течение 5—10 мин при 70—80 °C с последующей промывкой в воде. Можно при-
менять хлорорганические и в технически обоснованных случаях органические рас-
творители (бензин Б-70 с антистатической присадкой 0,002 % сигбола и др.).
Травлению подвергают обезжиренные и промытые детали. Наиболее широко для
этого применяют раствор едкого натра (NaOH) 40—60 г/л, температура его 45—
60 °C. Продолжительность травления деталей из листового плакированного мате-
риала (Д16, В95) — до 2 мин. При травлении происходит снятие металла в пределах
2—4 мкм на сторону.
Ванны для щелочного травления изготавливают из углеродистой стали.
После щелочного травления необходимо тщательно промывать детали в теплой
и холодной проточной воде и осветлять в 30—40%-ном растворе азотной кислоты.
Кроме нейтрализации остатков щелочи, осветление в таком растворе способствует
удалению темного порошкового налета, состоящего из соединений меди и железа,
не растворяющихся в растворе щелочи. Ванны для азотной кислоты изготавливают
из винипласта, нержавеющей стали, алюминия, сплавов АМг и АМц, диабаза.
Травление деталей из кремнистых сплавов более эффективно в кислых водных
растворах, содержащих плавиковую кислоту или ее соли, которые растворяют
кремний. Можно, например, применять следующий раствор: 230—280 г/л HNO3
и 7—10 г/л HF. Ванны работают без подогрева. Продолжительность травления —
от 5 до 20 мин в зависимости от состояния поверхности деталей. Скорость травления
примерно 1 мкм/мин.
При обработке высококремнистых алюминиевых сплавов можно использовать
следующую смесь: 98 % (объемн.) HNO3 (плотность 1,35 г/см3) и 2 % (объемн.)
HF (плотность 1,15 г/см3) или смесью, состоящей из 2 ч. (объемн.) HNO3 и 1 ч. (объемн.)
HF. Травление в растворе с плавиковой кислотой проводят в ваннах из винипла-
ста [1].
Узлы из алюминиевых сплавов, сваренные точечной или роликовой сваркой или
имеющие узкие зазоры, из которых трудно удалить травильные растворы, погру-
жают в водный раствор: 80—100 г/л Н3РО4~Ь 4->6 г/л NaaSiFe при 20 °C на 10 мин.
Раствор обладает слабыми травящими свойствами, но хорошо активирует поверх-
ность, а остатки его в отличие от щелочных и кислых растворов, применяемых при
травлении, не вызывают коррозии алюминия.
Полирование производят с целью получения низкой шероховатости поверхности
или улучшения декоративного вида деталей. Различают три вида полирования:
механическое, электрохимическое и химическое. Механическое полирование можно
осуществлять на полировальных станках с эластичными кругами, изготовляемыми
302
из фетра, войлока, сукна, бязи и пр., на которые наносят абразивные порошки.
При механическом полировании деталей, изготовленных из листового плакирован-
ного материала, необходимо применять пасты, которые незначительно снимают
плакирующий слой алюминия.
Электрохимическое полирование представляет собой процесс, протекающий на
поверхности анода и в непосредственной близости от него, в результате которого
улучшается микрорельеф поверхности. Электрохимическое полирование, как пра-
вило, должно следовать за механическим полированием или чистовой механической
обработкой, так как при электрохимическом полировании с поверхности деталей
не могут быть удалены риски, царапины и другие повреждения. Электрохимиче-
ское полирование придает поверхности деталей из алюминия и малолегированных
сплавов яркий блеск, который в процессе последующего анодирования сохраняется
в большей степени, чем блеск, полученный в результате механического полирования.
Процесс химического полирования более прост и экономичен, так как при его
проведении не требуется наложение тока и его можно использовать для обработки
деталей большого размера. Получение блеска возможно только на чистом алюминии
или его сплавах с небольшим содержанием магния.
Анодное окисление
Анодным окислением называется процесс создания на поверхности деталей из алю-
миния и его сплавов покрытий различной толщины путем анодной поляризации.
Детали погружают в электролит, соединяют с положительным полюсом источника
тока и их поверхность, являясь анодом, окисляется выделяющимся кислородом.
Анодно-окисные покрытия неоднородны по толщине. Они состоят из тонкого
(~10 нм) барьерного слоя у металла и пористого относительно толстого (до ——100 мкм
для чистого алюминия) наружного слоя, который формируется под воздействием
электролита из непрерывно возобновляющегося на поверхности металла барьерного
слоя. Технологические параметры процесса анодного окисления и качество покры-
тия, в частности толщины, обусловливается в значительной степени агрессивностью
электролита по отношению к материалу барьерного слоя.
В водных электролитах (возможно образование анодно-окисных покрытий
в расплавах солей) одновременно с ростом покрытия происходит гидратация оксида
(А12О3-п Н2О) и сорбция электролита покрытием.
Физико-химические свойства анодно-окисных покрытий зависят от применяе-
мого электролита, режимов анодного окисления (табл. 13.1), состояния поверхности
металла (предварительной подготовки), а также от химического состава сплава.
Анодно-окисные покрытия, эффективно применяемые для защиты изделий из
алюминиевых сплавов от коррозии, также широко используют для подготовки
поверхности перед нанесением лакокрасочных покрытий, клеев, герметиков и дру-
гих органических слоев, изменения цвета, придания твердости, стойкости к износу
трением и эрозии, электросопротивления, теплоизолирующих и специальных
теплофизических свойств. Метод анодного окисления используют в промышленно-
сти для качественного выявления дефектов металла — трещин, питтингов, крупной
пористости, расслоений.
Сернокислотное анодное окисление — наиболее распространенный метод анод-
ного окисления. В условиях серийного производства на алюминии и плакированном
материале этим методом получают анодно-окисные покрытия толщиной 6—12 мкм,
а на неплакированном деформированном материале — толщиной 5—8 мкм.
Анодно-окисные покрытия хрупки и склонны к растрескиванию в виде тон-
чайшей сетки при нагревах выше” 100 °C и деформациях. При анодном окислении
шероховатость поверхности увеличивается, размер детали возрастает примерно
на 0,3 толщины покрытия (на сторону). Высокие защитные свойства покрытия обу-
словливаются возможностью уплотнения пор покрытия (пористость достигает 30 %)
в растворах ингибиторов коррозии алюминия. Наиболее эффективно применение
растворов хроматов. Покрытия обычно обрабатывают в 5%-ном растворе бихромата
калия при 90 °C в течение 20 мин. При необходимости использования неокрашенных
анодно-окисных покрытий проводится наполнение в деминирализованной воде или
в растворе, содержащем Ю'г/л азотнокислого аммония (NH4NOg) с добавкой 0,1 г/л
кислого фосфорнокислого аммония (NH4HPO4) при 90 °C в течение 20 мин.
Хромовокислотное анодное окисление применяют в основном для получения
анодно-окисного покрытия на деталях из алюминиевых сплавов, содержащих не
303
о Таблица 13.1. Растворы и режимы анодного окисления [1, 3]
Тип анодного окисления Состав электролита Технологические параметры Назначение покрытия
концентра- ция, г/ л ПЛОТ- НОСТЬ тока, А/дм2 напряже- ние, В температура, °C продолжи- тельность, мин
Сернокислотное H2SO4 180—200 0,8—1,5 13—24 13—25 20—35 Защита от коррозии, подготовка под лакокрасочные покрытия
II2SO4 180—200 0,8—1,5 25 10—15 20—30 Подготовка под склеивание
II2SO4 180—200 1,5 25 16—20 45—60 Декоративная отделка и защита от коррозии
Хромовокислотное СгОз 50—55 0,3—2,7 40 * 37—41 60 Подготовка под склеивание вы- сокопрочными клеями и под лакокрасочные покрытия, защи- та от коррозии
СгО3 30—35 0,2—1,6 40 * 32—42 60 Защита от коррозии деталей с малыми допусками
Щавелевокислотное (СООН)2 30—50 2,5—3,5 <120 15—30 150—160 Электронзоляция и защита от коррозии
Сернокислотное тол- H2SO4 180—200 0,5—1 20—80 (—5)4-(+8) 60—90 Повышение износостойкости,
стослойное 300— 380 ** 2—2,5 20—80 (-5Ж+8) 60—90 защита от коррозии
* Напряжение повышается от 0 до 40 В в течение первых 5—10 мин анодного окисления.
** В таком электролите рекомендуется проводить твердое анодное окисление деталей из сплавов, содержащих более 3% меди (но не
выше 4,9 %).
более 5 % меди, имеющих посадочные размеры с допусками по 1—2-му классу точ-
ности и полированные поверхности, на деталях из литейных сплавов с зональной
пористостью выше трех баллов и при необходимости подготовки поверхности алю-
миниевых сплавов под склеивание. Хромовокислотное анодное окисление приме-
няют ограниченно в связи с токсичностью и дефицитностью хромового ангидрида.
По защитным свойствам покрытия, сформированные этим методом, в значительной
мере уступают покрытиям, полученным методом сернокислотного анодного окисле-
ния. Однако они более эластичные, тонкие и поэтому в меньшей степени влияют на
выносливость алюминиевых сплавов. Шероховатость поверхности при нанесении
хромовокислотных анодно-окисных покрытий, толщина которых составляет 1—
5 мкм, изменяется незначительно (примерно ±0,05 мкм).
Твердое анодное окисление применяют для повышения твердости и износостой-
кости деталей из алюминиевых сплавов, работающих на трение и испытывающих
эрозионное воздействие, а также для придания их поверхности электроизоляцион-
ных (с дополнительной пропиткой изоляционным лаком) и теплоизоляционных
свойств.
Толщина покрытий для деталей, работающих на трение, обычно составляет 30—
60 мкм, для электроизоляционных 20—40 мкм, для теплоизоляционных порядка
100 мкм.
Качество и толщина покрытий в значительной мере связаны с составом сплава
и видом полуфабриката. Наиболее толстое и твердое покрытие может быть получено
на чистом алюминии и его гомогенных сплавах. Хорошо формируется покрытие на
литейных кремнистых сплавах типа АЛ2, АЛ9. На сплавах, содержание меди в ко-
торых не превышает 3,6 %, микротвердость покрытий составляет не менее 3000 МПа,
толщина 60—70 мкм (без внутреннего охлаждения). Не рекомендуется из-за склон-
ности к растравливанию подвергать твердому анодному окислению сплавы с содер-
жанием меди более 4,9 % и сплавы, отлитые под давлением (низкая толщина по-
крытия).
При необходимости использования твердого анодно-окисного покрытия для за-
щиты от коррозии его обычно подвергают уплотнению в растворах, содержащих
ингибиторы коррозии алюминия.
Твердые анодно-окисные покрытия имеют ряд существенных недостатков:
они отличаются хрупкостью (возможно скалывание на острых кромках), уменьшают
сопротивление повторным нагрузкам, особенно у высокопрочных сплавов типа В95
(долговечность при повторном растяжении в малоцикловой области снижается
в 2—3 раза). При нанесении твердого анодно окисного покрытия изменяется размер
детали (примерно на половину толщины образования покрытия на сторону), шеро-
ховатость поверхности детали увеличивается на 2—3 класса. Для получения каче-
ственных покрытий детали, подлежащие твердому анодному окислению, необходимо
подвергать механической обработке с выполнением ряда специальных требований —
не допускается наличие заостренных мест (острых кромок с радиусом 0,5 мм, заусен-
цев и пр.), так как на них может происходить концентрация тока, перегрев и прожог
детали; шероховатость рабочих поверхностей не должна превышать 0,32 мкм.
Наиболее традиционный и широко применяемый в промышленности _ способ
твердого анодного окисления — окисление в электролите, содержащем серную
кислоту, при низкой температуре — порядка —5 °C (для увеличения толщины по-
крытий проводят дополнительное охлаждение детали путем подвода хладагента
к участкам, не подлежащим анодному окислению). Получить твердое анодно-окисное
покрытие при положительных температурах можно в электролитах, в состав которых
кроме серной кислоты входит щавелевая или сульфосалициловая кислота. Выбор
состава раствора зависит от марки сплава.
Щавелевокислотное анодное окисление применяют с целью получения на по-
верхности деталей из алюминиевых сплавов электроизоляционного слоя. На алю-
минии и низколегированных сплавах типа АМц, АМг формируются покрытия тол-
щиной 30—60 мкм, на которых величина пробивного напряжения составляет 300—
500 В; покрытия толщиной 30—40 мкм, на сплавах типа Д16, В95 имеют пробивное
напряжение 250—300 В. Для получения стабильных электроизоляционных свойств
необходима низкая исходная шероховатость поверхности деталей и пропитка покры-
тий электроизоляционным лаком.
Декоративное анодное окисление с предварительным полированием (механиче-
ским, химическим и электрохимическим) применяют с последующим электрохимиче-
305
ским и адсорбционным окрашиванием анодно-окисных покрытий, а также с полу-
чением окраски покрытия непосредственно в процессе его формирования. Цветные
анодно-окисные покрытия широко используют для украшения и защиты от кор-
розии часов, бижутерии, игрушек, посуды, бытовых приборов, вагонов, строитель-
ных конструкций, архитектурных деталей (витражи, двери, оформляющие профили).
Качество отделки в значительной степени определяется шероховатостью анодно-
окисляемого металла. Для изготовления деталей с блестящей поверхностью приме-
няют алюминий марки не ниже А00, для деталей с меньшим блеском — алюминий
марок АО, А1, сплавы АМг, АД31. У деформируемых алюминиевых сплавов типа
В95, Д16, АМц поверхность после анодного окисления тускнеет. Покрытия на литей-
ных кремнистых сплавах имеют серый оттенок и окрашиваются лишь в темные цвета.
Бесцветные пленки для последующего окрашивания формируются в растворе,
содержащем 180—200 г/л H2SO4 при 18—20 °C, плотности тока 1—1,5 А/дм2 и про-
должительности анодного окисления 35—20 мин. Для получения глубоких тонов
и повышения светостойкости время анодного окисления увеличивают до 60 мин.
Толщина покрытий составляет 15—25 мкм.
Окрашивание анодно-окисных покрытий производится в растворах красителей,
приготовленных на дистиллированной или деминерализованной воде, при 50—70 °C
в течение 20—30 мин. Концентрация красильного раствора зависит от требуемой
интенсивности окраски деталей, г/л: для светлых тонов — от 0,1 до 0,5; для сред-
них тонов — от 0,5 до 1,0; для интенсивных тонов — от 1,0 до'5,0; для черного
цвета 10. Раствор каждого красителя имеет определенное значение pH. Закрепле-
ние окраски производится в деминерализованной воде при 90—95 °C в течение 20—
60 мин в зависимости от толщины покрытия.
Способ окрашивания органическими красителями позволяет получать разно-
образную цветовую гамму — практически всех цветов и оттенков, однако выцветая,
покрытия со временем изменяют окраску.
Цвет анодно-окисного покрытия можно изменять путем двухступенчатой обра-
ботки в растворах солей. В порах покрытия при этом образуется цветное соедине-
ние. Например, для получения черного цвета используют последовательную обработ-
ку в растворах РЬ(СН3СООН) и в растворе (NH4)2S.
Для покрытий небольшой толщины (до 10 мкм) применяют методы электро-
химического окрашивания в р’астворах солей неметаллов с использованием постоян-
ного и переменного тока.
Высокой светостойкостью и износостойкостью отличаются декоративные анодно-
окисные покрытия, сформированные в электролитах, содержащих органические
кислоты: сульфосалициловую, сульфофталевую, сульфаминовую, щавелевую, ма-
леиновую и др. В отечественной промышленности известен процесс анодного окисле-
ния в растворе, содержащем 70—90 г/л сульфосалициловой кислоты, 4—5 г/л сер-
ной кислоты, 0,1—1,0 г/л борной кислоты, 0,1—0,5 г/л трилона «Б» при температуре
20—23°C и начальной плотности тока 1,3—2,0 А/дм2 [4].
Химическое оксидирование
Химическим оксидированием называется процесс образования покрытия без на-
ложения внешнего тока в растворах, содержащих активаторы (ионы типа F~, ОРГ,
Н+) и пленкообразующие—пассиваторы (хроматы, фосфаты, силикаты и пр.).
Состав покрытий обусловливается составом раствора, в котором они формируются.
Они состоят из оксида алюминия, воды и соединений компонентов раствора. Хими-
ческие окисные покрытия применяют для защиты от коррозии деталей из алюми-
ниевых сплавов, как правило, в сочетании с лакокрасочными покрытиями, так как
они тонки (до 1 мкм), механически непрочны и в значительной мере уступают по
защитным свойствам анодно-окисным покрытиям. Они формируются в слабокислых
или слабощелочных растворах с пассивирующими компонентами (табл. 13.2).
Существует большое количество растворов для химического оксидирования
алюминиевых сплавов. Защитные свойства покрытий, образующихся в них, при-
мерно равноценны. Растворы целесообразно применять для деталей и изделий,
которые не могут подвергаться анодному окислению, например для узлов, сварен-
ных точечной сваркой, деталей с узкими щелями и зазорами, для внутренних поверх-
ностей длинных изогнутых труб, металлических композиционных материалов,
фольги и в отдельных случаях для алюминиевых деталей с запрессованными в них
стержнями, втулками из других материалов (стали, бронзы).
306
Таблица 13.2. Растворы и режимы химического оксидирования
№ пп. Состав раствора Концен- трация, г/л ^ОКС’ Время, мин
1 Ортофосфорная кислота Хромовый ангидрид Фтористый натрий 40—50 8—10 4—5 20—30 10—20
2 Хромовый ангидрид Фторсиликат натрия 3—3,5 3—3,5 20—30 8—20
3 Хромовый ангидрид Калий фтористый кислый Калий железосинеродистый 5—8 1,5—2 0,5—1 15—30 1—5
4* Сода кальцинированная Натрий хромовокислый Натр едкий 40—50 10—15 2—2,5 80—100 3—20
• Дополнительная обработка в 2 %-ном растворе хромового ангидрида в течение 10—
15 с при 20 СС.
Если нанесение лакокрасочных покрытий на анодно окисленные или химиче-
ски оксидированные детали из алюминиевых сплавов неприемлемо, производят ги-
дрофобизацию химических покрытий и анодно-окисных покрытий (трубопроводы
и емкости с пресной водой, детали с размерами 1—2 класса точности, работающие
во влажном не загрязненном твердыми частицами воздухе). Для этой цели приме-
няют кремнийорганические жидкости. Изделия и материалы, обработанные кремний-
органическими жидкостями, сохраняют свою массу, внешний вид и тепловые харак-
теристики поверхности. В результате гидрофобпзапии краевой угол смачивания
водой возрастает с 0 до 90°. Вода скатывается с гидрофсбизированной поверхности
алюминия, не оставляя мокрого следа. Для гидрофобизации химически оксидиро-
ванных или анодированных деталей применяют 10%-ный раствор гидрофобной жид-
кости ГКЖ-94 в неэтилированном бензине Б-70 с добавкой 10 мл/л отвердителя
АДЭ-3. Детали обрабатывают окунанием или обливанием гидрофобной жидкостью,
продолжительность обработки 3—5 мин. Сушку производят в течение 30 мин на
воздухе при температуре цеха, затем около 1 ч при 60—70 °C. Детали, обработанные
в растворе ГКЖ-94 без добавки отвердителя, подвергают окончательной сушке при
160—170 °C в течение 60—70 мин. При этом учитывают допустимость нагрева алю-
миниевых сплавов по указанному режиму. Гидрофобизация приводит к повышению
сопротивления коррозии химических и анодно-окисных покрытий деталей, рабо-
тающих при полном погружении в пресную воду и во влажном, не загрязненном
твердыми частицами воздухе.
2. ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ПОКРЫТИЯх
Гальванические покрытия наносят на алюминий и его сплавы с защитными, защитно-
декоративными и функциональными целями. Для защитных покрытий применяют
цинк, кадмий и их сплавы.
Цинк в реальных природных средах (морской, речной, дождевой, водопровод-
ной п других водах) имеет более отрицательный потенциал, чем алюминий, и защи-
щает его от коррозии электрохимически [5, 6]. Однако весовые потери цинка обычно
больше, чем алюминия [7 ]. Цинковые покрытия поэтому рекомендуют использо-
вать для предотвращения локальных коррозионных разрушений алюминиевых спла-
вов (питтинговой, щелевой коррозии, коррозионного растрескивания). Натурные
испытания в различных климатических зонах показывают, что цинковые покрытия
лучше ряда других сохраняют механические свойства сплавов алюминия, в том числе
лучше кадмиевых покрытий [8]. Для повышения коррозионной стойкости цинковые
покрытия'пассивируют.
1 Автор: Ю. Я. Лукомский.
307
Наиболее широко применяют защитные кадмиевые покрытия. Они слабо анодны
по отношению к алюминию и устойчивее цинковых в морской атмосфере. Для повы-
шения коррозионной стойкости кадмиевые покрытия также пассивируют. Как и цинк,
кадмий хорошо паяется только непосредственно после осаждения. Недостатки
кадмиевых покрытий — высокая стоимость и токсичность соединений кадмия.
Перспективными защитными покрытиями на алюминии являются сплавы Sn—Zn
и Cd—Sn. Сплав Sn—Zn (20—25 % Zn) устойчивее цинка (может заменять кадмий),
аноден по отношению к алюминию, легко паяется. Лучшей коррозионной стойкостью
по сравнению с кадмием обладает сплав Cd—Sn (40—80 % Cd). Коррозионный по-
тенциал этого сплава немного положительней, чем у кадмия. Покрытия легко па-
яются и пассивируются, образуя в зависимости от состава различного цвета пленки —
от бесцветной до темной. Применение этого покрытия позволяет снизить расход
кадмия за счет возможности уменьшить толщину защитного покрытия и изменения
его химического состава.
Цинковые и кадмиевые покрытия можно наносить на алюминий без подслоя,
а также с подслоем никеля или меди. Сплавы обычно наносят с подслоем указанных
металлов. Контакт алюминия с медью в коррозионном отношении менее желателен,
чем с никелем. Электролиты никелирования нетоксичны, обычно более производи-
тельны, чем комплексные электролиты меднения, но обладают меньшей рассеива-
ющей способностью.
В качестве защитно-декоративных чаще всего используют блестящие никеле-
вые и хромовые покрытия. Они катодны по отношению к алюминию, поэтому их
толщина должна быть достаточно большой, чтобы не происходило коррозии основ-
ного металла. Как правило, наносят многослойные покрытия: никель—никель,
никель—никель—хром и др. Однослойные никелевые покрытия применяют для пред-
охранения поверхности изделий от механических повреждений и т. д.
Среди функциональных покрытий часто используют сплавы олова (Sn—Bi,
Sn—Pb и др.) — для улучшения пайки и как антифрикционные, серебро — для
улучшения поверхностной электропроводности, хром — для повышения износо-
стойкости, никель — для улучшения поверхностной электропроводности, обес-
печения паяемостп и допустимых контактов с другими металлами, цинк — для
предотвращения резьбовых деталей от заедания. Сплавы олова, хром наиболее
часто наносят с подслоем никеля, серебро — с подслоем меди. Износостойкое хро-
мирование алюминия производят также без подслоя.
Наиболее существенные трудности при нанесении гальванических покрытий
на алюминий связаны с его высоким сродством к кислороду, сильно отрицательным
потенциалом активированной поверхности и чувствительностью границы алюми-
ний—покрытие к электролитическому наводороживанию. Для получения каче-
ственных электролитических осадков на алюминии разработаны специальные ме-
тоды подготовки его поверхности и растворы определенного состава для электро-
осаждения. В ряде случаев необходима заключительная термическая обработка
изделий, которая используется и как эффективный способ контроля качества по-
крытий: при неудовлетворительной адгезии на покрытиях появляются вздутия.
Типичные составы растворов, применяемых для очистки поверхности алюминия
перед нанесением покрытий, приведены в табл. 13.3 и 13.4 [9].
Таблица 13.3. Составы растворов и режимы обезжиривания (травления)
Состав и режим Номер раствора
1 2
Состав, гл:
едкий натр ... 50—150 —
сода кальцинированная ....... —• 30—50
тринатрийфосфат — 30—50
продукт ОС-20 — 0,3—0,5
Температура, °C 60—80 60—70
Продолжительность, мин 0,1—1 0,2—0,5
308
Таблица 13.4. Составы растворов и режимы осветления *
Состав и режим Номер раствора
1 2
Состав, г/л: кислота азотная кислота фтористоводородная .... Температура, °C Продолжительность, мин 300—400 18—25 0,1—1,0 740—760 100—120 18—25 0,1—0,5
• Для осветления литейных сплавов с высоким содержанием кремния добавляют пла-
виковую кислоту илн ее соли.
Процессы обезжиривания и травления обычно проводят совместно в растворе № 1
(см. табл. 13.3). При такой обработке поверхность приобретает микрошероховатость,
что благоприятно сказывается на адгезии покрытий. Если удаление поверхностного
слоя алюминия нежелательно, то ограничиваются обезжириванием в слабощелоч-
ных растворах на основе тринатрийфосфата и соды, содержащих эмульгаторы (рас-
твор № 2). Такую обработку можно, например, рекомендовать при очистке литей-
ных сплавов алюминия, когда стравливание верхнего беспористого слоя металла обна-
жает внутренние пористые слои и ухудшает коррозионную стойкость изделий.
Для модифицирования поверхности алюминия используют увеличение шеро-
ховатости основы, контактное выделение пленок металла (иммерсионный способ),
анодное окисление. В последнее время начал развиваться непосредственный способ
нанесения покрытий. При этом способе предварительная подготовка состоит только
из операций очистки покрываемой поверхности, а условия для прочного сцепления
покрытий с алюминием создаются в гальванической ванне.
При использовании специальных методов подготовки алюминия качество по-
крытия в основном зависит от этих процессов. В настоящее время не представляется
возможным рекомендовать какой-то один способ подготовки. Как правило, большая
универсальность процесса сопровождается значительным его усложнением. Поэтому
из имеющихся методов выбирают тот, который наиболее подходит в данном конкрет-
ном случае. В способе с увеличением шероховатости покрываемой поверхности
используют химическую обработку — травление в растворах с плавиковой, соляной
или трихлоруксусной кислотами. Применяют также пескоструйную пли гидроабра-
зивную обработку.
Наиболее широко используют способы покрытия алюминия с предварительным
контактным осаждением пленок металла. Предлагаются процессы контактного оса-
ждения цинка, олова, никеля, железа и других металлов, а также различных спла-
вов. Для осаждения используют агрессивные щелочные и кислые растворы. Послед-
ние дополнительно содержат активаторы алюминия: хлориды, борофториды. При
погружении алюминия в агрессивный иммерсионный раствор удаляется пассивная
пленка. Выделяющийся контактный металл предохраняет покрываемую поверхность
от повторного окисления и служит подслоем для нанесения гальваничсски.х по-
крытий. Травление основы в процессе контактного обмена происходит неравномерно,
что увеличивает ее шероховатость и улучшает условия адгезии.
Наибольшую популярность получил процесс контактного осаждения цинка
в щелочном цинкатном растворе (цинкатная обработка). Растворы для цинкатной
обработки просты по составу и дешевы. Обработка обеспечивает прочное сцепление
покрытий с чистым алюминием и большим количеством его сплавов.
Используемые цинкатные растворы содержат от 4 до 100 г/л ZnO. Достоинство
концентрированных растворов — их универсальность и большой запас цинката,
недостаток — высокая вязкость. В концентрированных растворах труднее покры-
вать сложные изделия, имеющие отверстия и другие труднодоступные места. Здесь
могут иметь место непрокрытия. Более сложна отмывка концентрированных раство-
309
ров перед нанесением гальванического покрытия. В этом случае, кроме промывки,
часто используют операции нейтрализации в растворах серной или винной кислоты.
В разбавленных цинкатных растворах легче получить равномерные пленки на слож-
нопрофилированных изделиях, они лучше отмываются, но нуждаются в более тща-
тельном технологическом контроле.
Время обработки в цинкатном растворе зависит от состава покрываемого сплава.
При недостаточной выдержке контактное покрытие не успевает затянуть основной
металл, при передержке образуется рыхлая толстая пленка, ухудшающая сцепле-
ние покрытий.
К операциям очистки поверхности перед цинкатной обработкой, как правило,
особых требований не предъявляется. После цинкатной обработки наиболее часто
используются процессы никелирования или меднения в цианидном электролите.
Согласно {10—13], процесс никелирования предпочтительней вследствие более
высокого качества покрытий и нетоксичности электролитов. В. И. Лайнер рекомен-
дует после никелирования проводить термическую обработку изделий при 200—
280 °C в течение 30 мин [10]. Разработаны также специальные составы электроли-
тов никелирования, нечувствительных к загрязнению ионами цинка [12].
Основной недостаток цинкатной обработки — нестабильность качества покры-
тий на сплавах с высоким содержанием магния и кремния, а также неустойчивость
цинковой пленки в коррозионном отношении. При наличии пор в покрытии интенсив-
ная коррозия пипкового подслоя приводит к образованию вздутий и шелушению
покрытий. С целью повышения стабильности процесса и улучшения качества по; >ы-
тий предложены модифицированные цинкатные растворы.
Широко применяют раствор, содержащий, г/л: едкого натра 525, оксида ни. ка
100, хлорида железа (III) 1, тартрата калия (натрия) 10.
Обработка производится при 18—25°C в течение 30—60 с [10]. В цинковой
пленке, вытесняемой из этого раствора, содержится небольшое количество железа,
которое повышает ее коррозионную стойкость и компактность. Тартрат стабилизи-
рует раствор и регулирует структуру пленки. Время выдержки изделий в этом
модифицированном растворе не оказывает такого сильного влияния на качество
пленки, как в обычном растворе.
Разработаны рецептуры электролитов, позволяющие получить цинковые пленки
с рядом других легирующих компонентов. Так, фирма «Kanning» предлагает цин-
катный процесс «Бондел», в котором контактная пленка содержит, %: Zn 86; Си 8;
Ni 6 [14].
В АН Лит. ССР разработан процесс «Лимеда—Ал», который позволяет полу-
чать пленки, содержащие 60—70 % Zn и 30—40 % Ni [15]. Рецептура растворов
для химического обезжиривания и осветления по процессу «Лимеда—Ал» зависит
от состава покрываемых сплавов. Так, для обезжиривания алюминия авторы реко-
мендуют раствор: кальцинированной соды 56 г/л, тринатрийфосфата 56 г/л при
70 СС, время обработки 5 мин; для сплава АМгб-—3%-ный раствор едкого натра
при 40 °C, время обработки 3 мин. О( ветление алюминия производят в 50%-ном
растворе азотной кислоты при 80 °C в течение 1 мин; сплава АМг-6— в 30%-ном
растворе серной кислоты при 80 °C, 1 мин.
Раствор для контактного осаждения пленки содержит, г/л: борфторида цинка
40, борфторида никеля 200, борфторида аммония 40.
Величина pH 4,2, но для некоторых сплавов (АЛ9) рекомендуется более кислый
раствор. Время обработки для алюминия 30—60 с, для АМг 45 с и т. л. После вы-
держки изделий дается импульс тока при плотности тока 1,5 А/дм2, 20—30 с.
На полученную пленку наносят гальванические покрытия. Авторы рекомендуют
использовать пирофосфатный электролит меднения или сульфатные электролиты
никелирования. Обработка поверхности алюминия по данной технологии увеличи-
вает ее шероховатость, что рекомендуется учитывать при нанесении декоративных
покрытий.
Недостаток технологии «Лимеда-АЛ» — сложность процесса — компенсируется,
поданным авторов, расширением номенклатуры покрываемых сплавов, по сравнению
с цинкатной обработкой. Кроме того, пленки сплава Zn—Ni более стойки в корро-
зионном отношении.
Для контактного осаждения пленок олова используют щелочные станнатные
растворы. После станнатной обработки наносят гальваническое бронзовое покрытие
из цианидных электролитов. Подслой олова корродирует не так легко, как цинко-
310
вый, поэтому покрытие более устойчиво в коррозионном отношении [15]. Другое
достоинство станиатного процесса — возможность получить прочное сцепление
с большим количеством сплавов алюминия. Однако для ряда сплавов, содержащих
магнии и кремний, эта подготовка все же не дает положительных результатов. Про-
цесс сложнее цинкатного.
Значительное применение нашел процесс контактного осаждения никеля из
хлорнднофосфатного раствора [16]: фосфорная кислота 900—1400 г/л (плотность
1,4—1.68 г/см3), хлорид никеля 40 г/л. Режим обработки (температура 50—60 °C,
выдержка 0,5—2,5 мин до образования сплошной пленки) зависит от марки алюми-
ниевого сплава, температуры и состава раствора. Процесс идет с выделением во-
дорода. Компактная пленка никеля покрывается сверху порошкообразным осадком,
который хотя и не мешает сцеплению электролитических покрытий, но увеличивает
их шероховатость. К процессу очистки изделий в этом способе особых требований
нс предъявляется. После нанесения контактной пленки обычно следует электро-
литическое никелирование в сульфатном электролите. Термообработка улучшает
сцепление покрытий.
Способы покрытия алюминия с предварительным анодным окислением поверх-
ности используют относительно редко. Для формирования анодно-окисной пленки
предлагаются растворы на основе фосфорной, щавелевой, хромовой и других кислот
[17—21 ] *. В некоторых процессах анодное окисление и нанесение гальванического
покрытия производят в одном электролите путем переключения полюсов источника
питания.
Процессы с анодным окислением и нанесением гальванических покрытий в од-
ной ванне используют для износостойкого хромирования алюминиевых изделий.
Достоинство метода с предварительным анодным окислением алюминия — более
высокая коррозионная стойкость изделий. Существенный недостаток — большая
чувствительность к изменениям в составе покрываемых сплавов. Чем чище алюми-
ний, тем большие затруднения возникают при покрытии. Отмечаются относительно
высокая стоимость процессов и необходимость иметь специальные источники пита-
ния с повышенным напряжением [2! ].
В непосредственном способе нанесения гальванических покрытий операции
по модифицированию покрываемой поверхности отсутствуют. Предварительная под-
готовка состоит только в очистке изделий (обезжиривание и осветление).
Систематические исследования непосредственного осаждения металлов начаты
в Ивановском химико-технологическом институте в 60-х годах [22—26]**. Проблема
удаления пассивной пленки решается путем сочетания химического и катодного
активирования покрываемой поверхности. Разработаны комплексные методы для
снижения скорости контактного обмена и наводороживания. На основании прове-
денных исследований разработаны простые технологические процессы, обеспечива-
ющие высокое качество покрытий независимо от состава и свойств покрываемого
сплава.
Для активирования алюминия предложено использовать добавки фторидов [22].
В щелочных растворах активация может производиться лишь за счет изменения pH
и увеличения температуры. Повышенная температура также уменьшает отрицатель-
ное действие наводороживания. С этой же целью в растворы можно вводить окисли-
тели, которые одновременно снижают скорость контактного обмена и уменьшают
пористость покрытий. Уменьшение величины контактного обмена достигается также
введением поверхностно-активных веществ (по Л. И. Антропову). Для предвари-
тельной очистки поверхности можно использовать практически любые растворы,
в том числе приведенные выше.
Наиболее широко применяемый электролит никелирования [22] содержит,
г/л: сульфата никеля 150—250, борной кислоты 23—30, фторида натрия 1—3; хло-
рида натрия 1—3, персульфата калия 1—3. Режим работы: температура 45—65 СС,
катодная плотность тока 1—2 Л/дм2, завешивание изделий обычное (не под током).
Для повышения кроющей способности в электролит вводят 40—60 г/л сульфата
натрия или 16—25 г/л сульфата лития. Последняя добавка более эффективна. После
нанесения покрытия производится термическая обработка при 250—300 °C, 30 мин.
* Пат. 3515650 (США), 1970.
** Лукомскпй Ю. Я- Электролитическое никелирование алюминия и его спла-
вов: Автореф. канд. дис. Иваново, 1963.
311
При температуре электролита ниже 45 СС происходит резкое ухудшение сцепления
покрытии. Повышение температуры вызывает саморазложение персульфата и оки-
сление никеля до трехвалентного состояния с образованием черного осадка гидрата.
При использовании очень низких плотностей тока может наблюдаться пепрокрытие
изделий, при высоких — образование вздутий. При работе наиболее часто контро-
лируют pH и концентрацию Кг52О8.
Для меднения рекомендуется электролит состава, г/л: сульфата меди 45—55,
пирофосфата натрия 200—240, нитрата натрия или калия 10—15; pH 7—8. Режим
работы: температура 55—65°C, плотность тока 0,4—0,6 А/дм2..Для уменьшения
шламообразованпя па анодах рекомендуется дополнительно вводить 10—20 г/л
дигпдрофосфата натрия. После меднения рекомендуется термическая обработка
изделий при 200—300 °C, 30 мин. Малоответственные изделия с небольшой толщи-
ной покрытий (до 6 мкм) можно использовать без термической обработки. Окисли-
тель — нитрит натрия в указанном интервале концентраций не снижает активности
катода. Замена NaNO2 на NaNO3 резко ухудшает сцепление покрытий. Корректи-
ровка раствора в основном сводится к поддержанию pH.
Среди разработанных кислых электролитов цинкования, содержащих в каче-
стве активатора фториды [27 ], наиболее универсален сульфатно-аммонийный,
содержащий, г/л: сульфата цинка 70—90, сульфата аммония 20—40, борной кислоты
10—30, фторида аммония 20—40, добавки ПАВ 2—10; pH 4,5—6,5. Режим работы:
температура 18—25 °C, плотность тока 0,5—1 А/дм2. Катодный выход по току
90—95 %,
. В качестве ПАВ могут быть использованы оксиэтилированные высшие жирные
спирты: препарат ОС-20, синтанол ДС-10, оксанол 0-18.
При выборе электролитов и условий для нанесения многослойных покрытий на
алюминий необходимо учитывать возможность его коррозии в порах подслоя и
катодного неводороживания. Указанные факторы могут привести к образованию
на покрытиях вздутий. Если технологией предусмотрена термическая обработка,
то покрытия, способные задерживать диффузию водорода, следует наносить после
этой операции, иначе термообработка не увеличивает адгезию.
Для многослойного блестящего никелирования можно использовать сульфатные
электролиты общепринятого состава. Наиболее подходящим является подслой ни-
келя. Термическую обработку целесообразно проводить как заключительную опе-
рацию. Если подготовка дает шероховатую покрываемую поверхность («Лимеда—
Ал» и др.), то покрытие приобретает необходимые декоративные свойства при до-
статочной толщине.
Декоративное хромирование с подслоем никеля можно производить в универ-
сальном электролите общепринятого состава. Ввиду большого выделения водорода
на катоде термическую обработку лучше производить до хромирования. Износостой-
кое хромирование производят также по подслою никеля или без подслоя.
Серебряное покрытие обычно наносят по подслою меди. Цианидные и желези-
стосинеродистые электролиты серебрения по указанным выше причинам ухудшают
прочность сцепления подслоя. Их можно рекомендовать только для предваритель-
ного осаждения серебра с пониженной плотностью тока (0,1—0,15 А/дм2). В каче-
стве электролитов основного серебрения целесообразно использовать пирофосфат-
ные, сульфосалициловые и трилонатные [21, 28, 29]. Термообработку можно произ-
водить после нанесения подслоя меди или серебрения.
Для лужения и осаждения сплава Cd—Sn пригодны кислые сульфатные элек-
тролиты, для кадмирования — кислые сульфатные или аммиакатные электролиты,
для осаждения сплава Sn—Zn — пирофосфатные электролиты. Во всех указанных
случаях можно использовать подслой никеля или меди, термообработка произво-
дится после нанесения подслоя.
3. ЛАКОКРАСОЧНЫЕ ПОКРЫТИЯ1
При работе конструкций в промышленной атмосфере, морских условиях или при
воздействии различных агрессивных сред защита только анодным окислением и
химическим оксидированием недостаточна. Наиболее надежной защитой является
сочетание химического оксидирования или анодного окисления с окраской, поскольку
1 Авторы: В. Н. Владимирский, И. И. Денкер.
312
указанные обработки помимо усиления эффекта комплексной защиты, как правило,
обеспечивают высокую адгезию бьльшинства применяемых лакокрасочных мате-
риалов.
Методы подготовки поверхности
Кроме наиболее широко применяемых методов химического оксидирования и анод-
ного окисления в ряде случаев для подготовки поверхности алюминиевых сплавов
используют следующие методы [30]: механическую обработку и травление в раство-
рах кислот.
В качестве механической обработки чаще всего используют гидро- или пневмо-
обработку оксидом алюминия, реже песком. Обработке можно подвергать детали,
на которых исключено коробление вследствие возникающих при этом сжимающих
поверхностных напряжений.
В других случаях применяют зачистку абразивными шкурками различной зер-
нистости. Механическая обработка позволяет обеспечить высокие показатели адге-
зии, однако в связи с высокой трудоемкостью ее применяют, как правило, лишь
в тех случаях, когда невозможны другие виды подготовки поверхности.
При травлении деталей из алюминия и его сплавов в растворе ортофосфорной
кислоты происходит удаление с поверхности металла естественной окисной пленки
и образуются фосфатные покрытия, способствующие повышению адгезии лакокра-
сочных покрытий. Хорошие результаты получаются после обработки в растворах
следующего состава, % (по массе): 1) ортофосфорной кислоты 10, форосиликата
натрия 0,5, воды 89,5; 2) ортофосфорной кислоты 12, лимонной кислоты 16, метил-
этилкетона 12, ОП-7 8, воды 52.
Продолжительность обработки при 20 °C в первом растворе 5 мин, во втором
растворе 20 мин.
Очень эффективный метод повышения адгезии лакокрасочных покрытий к алю-
миниевым сплавам — обработка их в сернокислотном растворе следующего состава,
% (по массе): серной кислоты (кони.) 22,5, бпхромата натрия или калия 7,5, воды
70. Температура раствора 60—65 °C, продолжительность обработки 20—30 мин.
Максимальный эффект от всех видов подготовки поверхности достигается при
условии обеспечения минимального времени разрыва между операцией подготовки
и нанесением лакокрасочного покрытия. В исключительных случаях, когда не
представляется возможным нанести покрытие на свежеподготовленную поверхность,
последняя перед окраской должна быть тщательно обезжирена бензином с антиста-
тическими добавками, перхлорэтпленом или другими органическими растворите-
лями.
Системы лакокрасочных покрытий
для конструкционных алюминиевых сплавов
Защита алюминиевых сплавов осуществляется системами лакокрасочных покрытий,
состоящих из 1—2 слоев грунтовки и 2—3 слоев эмали. В ряде случаев при защите
внутренних поверхностей изделий используют только грунтовочные покрытия.
Для грунтования применяют только пассивирующие (хроматные) грунтовки, обла-
дающие хорошей адгезией к алюминиевым сплавам. К ним относятся: АК-069,
АК-070 (ТУ 6-10-899—74); ФЛ-086 (ГОСТ 16302—70); ФЛ-ОЗЖ (ГОСТ 9109—76);
ЭП-0215 (ТУ 6-10-1966—84); ЭП-0208 (ТУ 6-10-1757—80); ЭП-076 (ТУ 6-10-755—74);
ЭП-0232, ВЛ-02, ВЛ-023 (ГОСТ 12707—77); АК-0209 (ТУ 6-10-100-164—83) и др.
Совершенно недопустимо применение грунтовок, содержащих свинцовый сурик,
поскольку он ускоряет коррозию алюминия из-за наличия в составе свободного
свинца.
Выбор конкретных систем покрытий определяется многими факторами, но глав-
ным образом — назначением покрытия, особенностями конструкции и условий экс-
плуатации изделия.
В зависимости от предъявляемых требований для защиты внешней поверхности
изделий можно применять лаковые и эмалевые системы покрытий, однако все они
должны обладать высокой атмосферостойкостью, т. е. сочетанием устойчивости к воз-
действию солнечной радиации, высокой влажности и знакопеременных температур.
Лаковые системы покрытий позволяют сохранить естественный серебристый
цвет металла и применяются для конструкций из плакированных алюминиевых
сплавов или сплавов, близких к ним по коррозионной стойкости, например АМц,
11
Альтман М. Б. и Др.
313
ЛМг и др. Перед лакировкой детали подвергают анодному окислению с последующим
уплотнением анодно-окисного покрытия в воде.
Лакировку производят атмосферостонкпми акриловыми лаками марок ЛК-113,
АК-ПЗФ, АС-16, АС-82 (30]. Акриловые лаки применяют в системах, состоящих,
как правило, из одного слоя лака АК-НЗФ или АК-НЗ и двух слоев лака АС-16
или АС-82. Применение в качестве одного слоя лаков АК-НЗФ или АК-НЗ объяс-
няется их более высокой адгезией к металлической поверхности по сравнению с дру-
гими лаками. Особенно высокие показатели адгезии получаются при применении
лака АК-НЗФ с сушкой при 80—90 °C в течение 2—3 ч. Все остальные лаки высы-
хают при комнатной температуре в течение 1—1,5 ч.
Лаки наносят краскораспылителем. Перед нанесением их разводят до рабочей
вязкости 14—16 с ио вискозиметру ВЗ-4 растворителем Р-5 или 648.
Давление воздуха, поступающего в краскораспылитель, должно составлять
0,25—0,35 МПа. Расстояние между краскораспылителем и окрашиваемой поверх-
ностью должно быть примерно 250—300 мм. После нанесения лаков образуется
бесцветное покрытие с небольшим глянцем, обладающее высокими свето- и атмосферо-
стойкостью. Покрытие может длительно эксплуатироваться при температурах
от -60 до +80 °C.
Окраска цветными эмалями. В большинстве случаев изделия, подвигающиеся
непосредственному воздействию солнечной радиации, окрашивают глянцевыми эма-
лями светлых тонов или алюминиевого цвета для обеспечения высокого коэффициента
отражения. Если при эксплуатации изделия подвергаются механическим воздей-
ствиям, например в условиях большой запыленности воздуха, применяют покры-
тия с повышенной прочностью и твердостью: полиуретановые, меламино-алкидные,
эпоксидные и др.
Изделия, эксплуатируемые в атмосфере, загрязненной промышленными газами
и парами, целесообразно защищать перхлорвпниловыми эмалями. При эксплуата-
ции изделий в морских условиях и районах с повышенной влажностью наиболее
рационально применение полиуретановых и эпоксидных покрытий 131]. Для обес-
печения высоких декоративных свойств покрытия необходимо использовать поли-
уретановые, акрилуретановые, меламино-алкидные и полиакриловые эмали.
Перхлорвиниловые покрытия обладают хорошей водо- и хи-
мической стойкостью, достаточной атмосферостойкостью. Указанные эмали широко
применяют для окраски судов, транспортных и сельскохозяйственных самолетов
и вертолетов, различных металлических сооружений, изделий дорожного и транс-
портного машиностроения, эксплуатируемых в жестких атмосферных условиях.
Покрытия могут работать при температурах до 90 СС. Для обеспечения достаточно
высокой адгезии и хороших защитных свойств покрытия наносят в системах с грун-
товками АК-069 или АК-070. В ряде слу'чаев, для достижения более высокого эф-
фекта защиты, перед нанесением акриловых грунтов наносят грунты «горячен»
сушки ФЛ-086 и ФЛ-ОЗЖ.
Химическая промышленность выпускает ряд перхлорвиниловых эмалей раз-
личных расцветок. Наибольшее распространение для защиты алюминиевых сплавов
получили эмали ХВ-16 и ХВ-124.
Эти эмали наносят преимущественно краскораспылителем. До рабочей вязко-
сти 12—15 с по вискозиметру ВЗ-4 эмали доводят растворителем Р-4 или Р-5. Время
практического высыхания эмалей при 15—25 °C составляет 2—2,5 ч.
Полиакриловые эмалевые покрытия обладают превосход-
ной стойкостью к старению в атмосферных условиях. От других атмосферостойких
покрытий они отличаются стабильностью цвета в процессе старения. Эмали наносят
на поверхности, предварительно загрунтованные быстросохнущей грунтовкой
АК-069 или АК-070.
Полиакриловые эмалевые покрытия могут работать при (—50) (+180) °C.
Известный недостаток их — способность к небольшому размягчению при повы-
шенной температуре (СО °C и выше) и ограниченная устойчивость к различным видам
топлива. Оптимальными свойствами обладают покрытия марки АС-1115
(ТУ 6-10-1029—73). Эмали наносят краскораспылителем. До рабочей вязкости
12—14 с (по вискозиметру ВЗ-4) доводят растворителем Р-5 с этилцеллозольвом в со-
отношении 80:20. Покрытия высыхают в течение 1—1,5 ч при 15—25 °C.
Меламино-алкидные эмали — обладают высокими декоративными свойствами,
водостойкостью, твердостью, эластичностью, хорошими защитными свойствами,
314
атмосфере- и светостойкостью. Эмали наносят краскораспылителем или в элек-
трополе. Широкое применение находят меламино-алкидные эмали различных цветов
МЛ-12, МЛ-197 [32]. При нанесении эмалей на алюминиевые сплавы детали пред-
варительно подвергают анодному окислению или химическому оксидированию
и грунтуют грунтовкой ФЛ-086 или ФЛ-ОЗЖ. Перед нанесением эмали разводят до
рабочей вязкости 20—23 с по ВЗ-4 растворителем сольвентом нафта или Р1\Б-1.
Сушку эмалей производят при 100—130 °C в течение 30 мин.
Покрытия па основе полиуретановых материалов
обладают рядом ценных свойств: красивым внешним видом, большой твердостью,
высокой абразивостойкостью, стойкостью к действию пресной и морской воды,
минеральных кислот и других агрессивных продуктов, бензину, керосину и пр.
Покрытия сохраняют хорошие защитные свойства и декоративный вид в тече-
ние ряда лет при эксплуатации в атмосферных условиях.
Большой недостаток полиуретановых материалов, отверждаемых диэтилеигли-
колемуретаном (ДГУ), — их повышенная токсичность и недостаточная светостой-
кость. При отверждении же покрытий полиизоцианат-биуретом токсичность умень-
шается и хорошо сохраняется светостойкость. Таким материалом являются эмали
марки УР-1161 (ТУ 6-10-1214—75) различных цветов. После смешения компонентов
в определенных соотношениях полученные эмали пригодны к применению в тече-
ние 8 ч. Эмали наносят краскораспылителем, предварительно доводят их до рабочей
вязкости 17—20 с по ВЗ-4 при 20 °C и растворителем-разбавителем Р-189. Продол-
жительность высыхания эмалей —до 24 ч при 18—23 °C. Эмали наносят на поверх-
ности, загрунтованные фосфатирующими или эпоксидно-изоцианатными грунтов-
ками.
Полиуретановые эмали применяют для окраски различных изделий (вагоны,
самолеты, вертолеты, цистерны для перевозки нефтепродуктов), а также для защиты
химической аппаратуры и других целей.
Внутренние поверхности изделий или конструкций, работающих в атмосферных
условиях, во многих случаях подвергаются воздействию повышенной влажности,
особенно если их теплоизолируют и отделывают декоративными пластиками (сред-
ства транспорта, дома из алюминиевых сплавов или другие изделия различного
назначения).
В ряде случаев покрытия внутренних поверхностей изделий подвергаются
воздействию агрессивных (по отношению к лакокрасочным покрытиям) жидкостей
типа НГЖ-4, синтетических масел типа 36/1 и др.
В зависимости от условий эксплуатации внутренние поверхности изделий из
алюминиевых сплавов могут защищаться либо системой, состоящей из грунтов
ФЛ-086 и АК-069, либо той же системой с дополнительным перекрытием 2—3 слоями
эмалей ХВ-16 или ЭП-140. Следует подчеркнуть необходимость нанесения на детали
до сборки в качестве первого слоя грунта горячей сушки. В большинстве случаев
в качестве такого покрытия используют цинкохроматную фенольно-масляную
грунтовку ФЛ-086. Если при эксплуатации изтелий возможно попадание на вну-
тренние поверхности агрессивных жидкостей типа НГЖ-4, необходимо нанесение
грунтовок ЭП-0208 или ЭП-0232 с последующим перекрытием полиуретановыми или
эпоксидными эмалями.
К покрытиям, применяемым для защиты внутренних поверхностей топливных
емкостей (например, автоцистерн и др.), предъявляются особо жесткие требования.
Указанные покрытия должны длительно — в течение 25—35 лет и более выдержи-
вать воздействие топлива, продуктов его окисления, воды, неизбежно находящейся
на дне емкости в качестве конденсата, микроорганизмов и других агрессивных сред.
Покрытия должны хорошо сочетаться с герметиками, используемыми для гермети-
зации. Одним из топливостойких покрытий является: покрытие на основе двух
слоев грунтовки ЭП-0215, применяемое в сочетании с тиоколовыми герметиками
типа У-30 МЭС5 и эксплуатируемое при температурах до 100 °C. Указанная грун-
товка наносится по анодно-окисному или химически оксидированному покрытиям.
Сушка первого слоя производится при комнатной температуре в течение 1 ч, сушка
второго слоя — при 100 °C в течение 2 ч. Перед нанесением в грунтовку вводят рас-
четное количество отвердителя АСОТ-2. Разведение до рабочей вязкости 13—16 с
по ВЗ-4 осуществляется растворителем Р-5.
Для защиты деталей и агрегатов из алюминиевых сплавов, работающих в усло-
виях ударного воздействия абразивных частиц, необходимо применять эровионно-
Л* 315
стойкие лакокрасочные покрытия. К таким конструкциям относятся лопатки и
другие детали проточной части компрессоров газотурбинных двигателей, лопасти
воздушных винтов, крыльчатки вентиляторов и пр. Для их защиты рекомендуются
эмали ЭП-586 (ТУ 6-10-1434—79), обладающие высокой устойчивостью к ударно-
абразивному износу [33, 34].
Эмаль ЭП-586 наносится по поверхностям, подвергнутым гидроабразивной об-
работке электрокорундом. Количество слоев покрытия — от трех до шести, по-
скольку эрозионная стойкость в большой степени определяется толщиной покры-
тия. Обычно применяется пятислойное покрытие с толщиной 100 мкм. Сушка вто-
рого и четвертого слоя при 150 °C, 1 ч, сушка пятого слоя при 150 °C, 1 ч, затем
при 170—180 °C, 3 ч. Перед применением в эмаль вводят расчетное количество от-
вердителя, затем ее разводят до рабочей вязкости 13—16 с по ВЗ-4 смесью раствори-
телей: ацетон, этилцеллозольв, ксилол в соотношении 3:3:4. Предельные тем-
пературы эксплуатации покрытия ЭП-586 200 °C длительно и 250 °C кратковре-
менно.
Защита консервной тары
Алюминиевая консервная тара отличается рядом положительных свойств: устой-
чивостью к старению, небольшой массой, банки (тары) легко вскрываются.
В СССР для изготовления консервной тары рекомендованы низколегированные
алюминиевые сплавы АМг2 и АМц. Для их защиты применяют специально раз-
работанные консервные лаки. Лакированные ленты из этих сплавов предназначены
в основном для производства цельноштампованной тары, поэтому покрытия должны
обладать способностью выдерживать большие механические нагрузки. В Совет-
ском Союзе для лакировки внутренней поверхности консервных банок используют
главным образом следующие лаки отечественного производства: ЭП-5118, ЭП-5193
и импортные AL-325 и эмаль SH09009-105. Покрытия лаков обладают достаточно
высокими защитными свойствами в различных консервируемых продуктах.
Для защиты и отделки внешней поверхности применяет систему покрытий,
состоящих из грунта — эмали ЭП-6-24-80 или АС-576, после сушки наносят печат-
ные краски и по невысохшему слою печати наносят покровный печатный лак и
вновь производят сушку покрытия. Лаки наносят на ленту, сматывающуюся с рулона
и движущуюся с большой скоростью, поэтому они должны обладать способностью
высыхать в очень короткие сроки. Сушка лаков обычно производится при 250—
360 °C в течение 24—30 с.
Перед лакированием ленты подвергают тщательной обработке, для повышения
адгезии лаковой пленки, ленту после обезжиривания подвергают анодному окисле-
нию или химическому оксидированию.
Защита и декоративная окраска строительных конструкций
Основными факторами, способствующими возникновению коррозионных поражении
в строительных конструкциях, являются повышенная влажность воздуха и содер-
жащиеся в нем промышленные газы SO2, Cls, NO2 и др., а также пыль, частицы угля,
сера и пр.
Для защиты строительных конструкций из алюминиевых сплавов применяют
анодное окисление или химическое оксидирование в сочетании с лакокрасочными
покрытиями. В ряде случаев при защите деталей строительных конструкций из
алюминиевых сплавов ограничиваются только анодным окислением.
Поскольку защитные свойства анодно-окисного покрытия в сильной степени
определяются его толщиной, последнюю выбирают в зависимости от условий эксплуа-
тации: она может составлять 9—10 мкм для закрытых отапливаемых помещений,
до 25 мкм и более для условий повышенной коррозионной активности атмосферы.
Для усиления защитного эффекта анодно-окисного покрытия, предохранения
его от загрязнений и механических повреждений поверхности алюминиевых деталей
чаще всего защищают бесцветными лаками. Такая защита особенно необходима для
конструкций, на которые в процессе строительных работ могут попадать брызги
цемента, раствора, штукатурки и других продуктов, имеющих щелочную реакцию,
поскольку они неизбежно вызывают появление пятен, а в ряде случаев разрушение
анодно-окисного покрытия. Для получения бесцветных защитных покрытий исполь-
зуют, как правило, лаки па основе акриловых, полиуретановых смол. Наибольшее
распространение получили лаки АК-ИЗ, АК-НЗФ, АС-16, АС-176.
316
Таблица 13.5. Защитно-декоративные системы покрытий для внешних
поверхностей строительных конструкций
Помер варианта Подготовка поверх- ности Система покрытий Вязкость по ВЗ-4 при 18— 20 °C, с Режим сушки
время, ч темпера- тура t, °C
I Анодное окисле- ние в серной ки- слоте или хими- 1. Грунтовка ФЛ-086 или ФЛ-ОЗЖ 13—16 2—1,5 90—100
ческое оксидиро- вание 2. Меламино-алкид- ная эмаль МЛ-197 (два слоя) 24—26 0,5—0,6 135—130
11 То же 1. Грунтовка А К-070 или А К-069 2. Эмаль ХВ-124 или ХВ-785 (два- три слоя) 12—14 13—15 2—1 3—2 18—35 18—35
III Обезжиривание с последующим 1. Грунтовка ВЛ-02 12—14 2—1 18—35
травлением в рас- творе фосфорной кислоты 2. Грунтовка АК-070 или А К-069 3. Эмаль ХВ-124 или ХВ-786 (два- три слоя) 12—14 13—15 2—1 3-2 18—35 18—35
В соответствии с требованиями современной архитектуры фасадные элементы
из алюминиевых сплавов окрашивают в различные красивые цвета, что позволяет
разнообразить внешний вид зданий. Для этих целей используют главным образом
покрытия, обладающие длительной атмосфере- и светостойкостью, не требующие
систематического ухода. В этом случае отпадает необходимость в полу чении на алю-
миниевых сплавах толстых анодно-окисных покрытий, достаточны пленки толщиной
5—6 мкм. Кроме того, анодное окисление может быть заменено химическим оксиди-
рованием, что существенно уменьшает стоимость и упрощает антикоррозионную
защиту элементов конструкций.
Эмалевые покрытия, пригодные для защиты и отделки строительных конструк-
ций или деталей из алюминиевых сплавов, должны удовлетворять достаточно слож-
ному комплексу требований. К ним относятся: высокие декоративные свойства,
хорошая атмосфере- и светостойкость, высокие защитные свойства, большая твер-
дость, устойчивость к загрязнению и др. Для указанных целей могут быть приме-
нены немногие покрытия, особенно трудно сохраняются во времени декоративные
свойства.
В табл. 13.5 приведены некоторые системы лакокрасочных покрытий, которые
могут быть использованы для защитно-декоративной окраски внешних поверхностей
элементов строительных конструкций.
Если внутренние поверхности строительных конструкций или детали не ну-
ждаются в декоративной отделке, то их достаточно защитить двумя слоями цинко-
хроматной грунтовки горячей сушки, например ФЛ-086 или ФЛ-03Ж- В противном
случае могут быть применены те же системы покрытий, что и для внешних поверх-
ностей.
Для предохранения алюминиевых сплавов, используемых в строительных
конструкциях, от возникновения контактной коррозии рекомендуется крепеж
и другие стальные детали цинковать или кадмировать. Стальные конструкции,
контактирующие с алюминиевыми, следует окрашивать, а в местах контакта про-
кладывать тиоколовую ленту, битумизированные прокладки, герметик или другой
подсобный изоляционный материал.
317
Бетонные поверхности в местах контакта с алюминиевыми нужно окраши-
вать, для усиления защиты можно прокладывать между ними тиоколовую ленту
и другие подсобные материалы.
Эмали можно наносить без грунтовки в два слоя «сырой по сырому» с промежу-
точной выдержкой между слоями 5—10 мин.
II и III варианты могут быть использованы для защиты элементов зданий и
сооружений, эксплуатирующихся в условиях металлургических, коксохимических
и химических заводов.
Временные защитные покрытия
В процессе выполнения различных технологических операций на обшивочных
листах, панелях могут возникнуть повреждения (риски, забоины и др.), ухудша-
ющие их декоративный вид. Во избежание этого в ряде случаев листы, панели и Дру-
гие детали оклеивают липкой бумагой. Однако бумага затрудняет проведение неко-
торых технологических операций.
Наиболее рациональное решение вопроса — защита листов, панелей и пр. до
или после анодного окисления временными защитными покрытиями. Для этой
цели можно применить протекторный лак ХВ-139 (ТУ 6-10-728—75). Лак предста-
вляет собой раствор перхлорвиниловой смолы в органических растворителях с до-
бавлением пластификаторов и ингибиторов коррозии. Он быстро высыхает, образуя
на поверхности прозрачную пленку, которая после проведения технологической
операции легко снимается. Лак ХВ-139 может быть применен при выполнении
таких операций, как резка, штамповка, раскрой, клепка и др.
Перед нанесением лака защищаемые поверхности необходимо очистить от кон-
сервирующих смазок и обезжирить. Особое внимание следует уделить чистоте по-
верхности листов, подлежащих в дальнейшем штамповке и выколотке. Если под
пленкой или в самой пленке имеются механические загрязнения (песок, пыль и пр.),
то они дают при штамповке и выколотке отпечатки на металле.
Для получения высококачественной пленки лак ХВ-139 необходимо наносить
в таких условиях, чтобы пленка после высыхания получалась ровной, гладкой
и глянцевой. Для этого в малярном цехе температура должна быть 12—35 °C и от-
носительная влажность воздуха 50—70 %. Нанесение лака производится при по-
мощи краскораспылителя или окунанием, рабочая вязкость лака указана в табл. 13.6.
Чтобы обеспечить хороший разлив лака, при нанесении краскораспылителем
лак в момент попадания на окрашиваемую поверхность должен быть достаточно
жидким, а не полусухим. Последнее может произойти из-за быстрого удаления
растворителей при повышенной температуре и низкой влажности или вследствие
большого расстояния между краскораспылителем и окрашиваемой поверхностью.
При нанесении лака окунанием обезжиренные листы и детали осторожно и
медленно погружают в ванну и выдерживают 1—2 мин, после чего извлекают из
ванны и держат над ней в течение 2—3 мин для стекания избытка лака. Покрытые
лаком листы и детали выдерживают в течение 8—10 мин в закрытом помещении,
изолированном от притока воздуха, для обеспечения лучшего разлива лака и полу-
чения более качественного покрытия, после чего их подвергают сушке.
Для нанесения второго слоя лака листы или детали перевертывают и загружают
в ванну с лаком. Время выдержки и режим сушки такие же, как для первого слоя.
Таблица 13.6. Рабочая вязкость така ХВ-139 и растворители для его разжижения
Метод нанесения Разбавитель, % (объемн.) Рабочая вязкость по ВЗ-4 при 18—20 °C, с
Краскораспылителем при распо- ложении листов: вертикальном горизонтальном Окунанием Смесь 80 ацетона и 20 сольвента Р-5 Смесь 40 ацетона и 60 ксилола 16—18 16—18 45—60
318
Механические операции на листах, покрытых лаком ХВ-139, можно проводить
после выдержки лакового покрытия в помещении цеха не менее 15 ч с момента нане-
сения последнего слоя или после сушки при 60—70 ГС в течение 2—3 ч.
Хранение и транспортировку листов производят в вертикальном положении
в стеллажах или тележках с'отдельными гнездами для каждого листа.
Для того чтобы протекторная пленка хорошо снималась, толщина ее должна
быть не менее 60—80 мкм. Это достигается при нанесении трех скрещенных слоев
лака краскораспылителем или двух слоев окунанием. Сушка каждого слоя при
нанесении краскораспылителем 30—40 мин при 18—25 °C или 15-—20 мин при 50 °C;
при нанесении окунанием — 60 и 30 мин, соответственно, при тех же температурах.
После проведения тех или иных технологических операций для удаления пленки
ее подрезают по краям (лучше электроножом) и сдирают с поверхности. Оставлять
пленку под головками чечевичных заклепок не разрешается.
Необходимо также следить за тем, чтобы в процессе клепки пленка не захва-
тывалась в местах раззенковки закладной головки заклепки. Протекторная пленка
может быть использована вторично. Для этого применяют растворитель Р-5. Концен-
трация раствора 12—15 %. Полученный лак фильтруют через металлическую сетку
№ 015 или через 5—6 слоев марли.
4. ЭМАЛИРОВАНИЕ * *
Эмалирование — наплавление стекла на поверхность металла — один из способов
защитно-декоративной отделки изделий из литейных и деформируемых алюминие-
вых сплавов. В качестве эмалей применяют легкоплавкие стекла с температурой
оплавления на металле 450—580 °C — свинецсодержащие, бессвинцовые, силикат-
ные и фосфатные стекла. Наибольшее распространение и практическое применение
получили бессвинцовые эмали на основе силикатной системы SiO2—TiO2—R2O
(R2O— оксиды натрия, калия, лития) [35] *.
Для обеспечения необходимых физико-химических свойств покрытий и надеж-
ного сцепления с металлом применяют эмали сложного состава [35].
Цветные заглушенные эмалевые покрытия получают введением красящих
пигментов при помоле эмалевой фритты в количестве 5—8 %.
Белые эмали имеют коэффициент диффузного отражения до 87%.
Наилучшую адгезию со стеклоэмалями имеют чистый и технический алюминий,
сплав АМц. После эмалирования свойства металла соответствуют отожженному
состоянию.
Процесс эмалирования заключается в следующем. Варку эмалей осуществляют
при 1000—1200 СС с последующей выработкой расплава в воду или пропусканием
между водоохлаждаемыми вальцами. Помол эмалевой фритты ведут до величины
5—50 мкм. В качестве мельничных добавок используют метасиликат натрия —
2,5—4,0 ч. (по массе) пли жидкое стекло, борную кислоту — 2,0—3,0 ч. (по массе)
на 100 ч. (по массе) фритты. Количество воды при приготовлении шликера соста-
вляет 35—45 ч. (по массе).
Качественное покрытие получается при использовании комплексной мельнич-
ной добавки, включающей указанные выше вещества в растворенном виде.
Подготовка поверхности алюминия и сплава АМц перед эмалированием заклю-
чается в обезжиривании, травлении и осветлении; для сплавов требуется химическое
оксидирование [36].
Нанесение стеклоэмалевой суспензии на изделия можно производить обливом,
окунанием и пульверизацией. Покрытие может быть одно- или двухслойным в зави-
симости от требований. Толщина однослойных покрытий 60—100 мкм. Обжиг (опла-
вление) производится в печах с воздушной циркуляцией.
Эмалированная поверхность на алюминии может быть декорирована различными
способами: тонированием, шелкографией (на сплаве АМц возможно применение лег-
коплавких деколей).
Эмалевые покрытия на алюминии устойчивы к действию воды, слабых растворов
кислот и щелочей, органических растворителей, атмосферных условий.
Эмалированный алюминий подвергается механической обработке: его можно ре-
зать, пилить, сверлить, изгибать — целостность эмалевого покрытия не нарушается.
1 Авторы: Н. И. Соколова, Л. В. Соколова, Р. И. Воеводина.
* Пат. 2911312 (США), 1959.
319
Стеклоэмалевые покрытия выдерживают многократную смену температур —
от —190 до +60 °C и от +450 С до + 15 С. Электроизоляционные свойства стекло-
эмалевых покрытии, зависящие от состава эмалей, характеризуются следующими
значениями: напряжение пробоя 7—12 кВ/мм, удельное объемное сопротивление
2,6- 101я—2.51014 Ом-см; диэлектрическая проницаемость 7— 11, тангенс угла ди-
электрических потерь 0,002—0,003.
Эмалированный алюминий применяют как строительный материал для изгото-
вления стеновых навесных панелей, облицовочной плитки, кровельной черепицы.
Стеклоэмалевые покрытия широко применяют для наружного эмалирования алюми-
ниевой посуды в СССР и за рубежом [37].
5. ЭМАТАЛИРОВАНИЕ1
Разновидностью процесса анодного окисления явтяется эматалирование. В отличие
от обычных анодно-окисных покрытий эматаль-пленки непрозрачны. Они обладают
повышенной износо- и термостойкостью и коррозионной стойкостью в атмосферных
условиях при равных толщинах, а также в некоторых химических средах: нефтяных
маслах, стиральных растворах, спирте, ацетоне, фреоне и пр., цвет их от светло-
серого до темно-серого в зависимости от сплава, на котором они образованы.
К особенностям технологического процесса получения эматаль-пленок отно-
сятся повышенные напряжение (до 120 В) и температура (45—65 С); pH электро-
лита 1,6—3,0.
Структура эматаль-пленок
По современным воззрениям анодно-окисные покрытия представляют собой плотно-
упакованные ячейки гексагональной формы с центрально расположенной порой
и барьерным беспористым слоем у основания. На каждую ячейку приходится одна
пора, число ячеек и пор на границе металл—оксид и оксид—раствор одинаково
[3, 4]. Некоторые авторы связывают рост и особенности строения пленки с ее кол-
лоидной природой [38].
Непрозрачность (эматаль-эффект) и другие свойства эматаль-пленок, по данным
одних исследователей, обусловлены главным образом включением беловатых пиг-
ментов в растущий анодно-окисный слой, а также особым строением пленки, обра-
зующейся в слабокислых растворах. По другим данным, эматаль-эффект не зависит
от наличия гидрооксидов в пленке, а обусловливается особой структурой эматаль-
пленок [39]. Электронномикроскопические исследования показали, что изменение
напряжения в процессе анодного оксидирования вызывает увеличение размеров
Рис. 13.1. Схема перестроения
эматаль-пленки в процессе подъема
напряжения
Рис. 13.2. Индикатрисы рассеяния отражен-
ного потока света от поверхности:
1 — исходная полированная поверхность алю-
миния; 2 — эматаль-пленки
1 Автор | М. П. Грачева
320
оксидных ячеек в зоне их формирования и соответствующие уменьшения числа ячеек
на единицу поверхности. При этом количество и размеры пор в наружном слое
мало изменяются. Они несколько увеличиваются в диаметре за счет растравливания.
Возникает резкое несоответствие между числом ячеек и числом пор. Число пор больше
числа ячеек. С увеличением <,ступенек» изменения напряжения это несоответствие
возрастает. Схематически процесс перестройки пленки показан на рис. 13.1. Эма-
таль-эффект объясняется, по-видимому, образованием разветвленной структуры
пор, вызывающей рассеивание и отражение света. Характер отражения существенно
изменяется по сравнению с исходной поверхнсстью и характером отражения анодно-
окисных пленок, полученных в сернокислом электролите; уменьшается зеркальность
отражения и увеличивается диффузное рассеивание. Это подтверждается характе-
ром индикатрис — пространственных кривых, соединяющих значения коэффициен-
тов яркости для различных углов наблюдения (рис 13.2).
Электролиты для эматалирования алюминия и его сплавов
и режимы процесса
В литературе указан ряд электролитов и режимов процесса эматалирования. Их
можно разделить на две большие группы; электролиты на основе щавелевой кислоты
с добавками солен титана, циркония, тория или других металлов и электролиты на
основе хромовой кислоты.
Из щавелевокислых электролитов за рубежом широко распространен электро-
лит с солями титана. В нем эматалируется большинство алюминиевых сплавов:
АД1, АМг, АМц, АК4, Д16, тогда как в других электролитах сплавы с большим
содержанием легирующих добавок не эматалируются. Составы щавелевокислых
электролитов приведены в табл. 13 7.
Процесс регулируют по напряжению. Детали завешивают на анодную штангу
без тока. Затем доводят напряжение до 60—70 В, при этом устанавливается плот-
ность тока 2—3 А/дм2. В течение 10 мин с интервалами 4—3 мин напряжение повы-
шают до ПО—115 В и поддерживают это значение в течение 20—30 мин. Конечное
напряжение на штангах колеблется в пределах ПО—125 В. Плотность тока по мере
роста пленки снижается до 1 А,дм2. Катоды — алюминиевые или угольные в капро-
новых чехлах.
Электролит для эматалирования с солями титана работает нестабильно, он
очень чувствителен к изменению кислотности и нуждается в корректировании после
каждого завеса; в процессе электролиза выпадает плохо фильтрующийся осадок
метатитановой кислоты; соли титана дороги и дефицитны. Поэтому предложен более
дешевый электролит, в котором соли титана заменены солью железа — железо-
аммонием щавелевокислым (см. табл. 13.7). Этот электролит позволяет получать
качественные эматаль-пленки на сплавах типа АД1, АМг, АМц, АК4, АК6 без при-
менения дорогостоящих и дефицитных титановых солей.
Процесс регулируют по напряжению. Детали завешивают в ванну без тока.
Затем в течение 3 мин доводят напряжение до 60 В, при этом устанавливается плот-
ность тока 0,6—0,7 А/дм2. В последующие 10—12 мин с интервалами в 2 мин напря-
жение поднимают до 105—ПО В (на 10 В в каждый интервал) и поддерживают его
30—45 мин. При этом плотность тока достигает 2—3 А/дм2 и по мере роста пленки
Таблица 13.7. Составы щавелевокислых электролитов для эматалирования, г/л
Наименование компонента Номер электролита
1 2 3 4
Калий-титан щавелевокислый 40,0 .—
Железо-аммоний щавелевокислый . . . — 3,0—7,0 — —>
Щавелевая кислота 1,2 1,2 — —
Лимонная кислота . . . . 1.0 1,0 — —
Борная кислота ... 8,0 8,0 2,0 3,0
Хромовый ангидрид — — 30,0 100,0
321
снижается до 1,0—1,5 А/дм2. Конечное значение напряжения может колебаться
в пределах ПО—115 В.
Электролит перемешивают. Катоды — свинцовые, из нержавеющей стали или
алюминия. Соотношение Sa : 5К = 3 : 1.
В отечественной промышленности широко применяют электролиты для эмата-
лирования на'основе хромовой кислоты (см. табл. 13.7). В этих электролитах эма-
талируются алюминиевые сплавы АД 1, АМг, АМц и др. с содержанием меди не более
2,5 % (электролиты № 3, 4).
В электролите № 3 процесс регулируют по напряжению. Детали завешивают
на анодную штангу без тока. Затем в течение 6 мин напряжение доводят до 40 В
и поддерживают постоянным в течение 30 мин. Плотность тока при этом устана-'
вливается 0,4—0,5 А/дм2. По истечении 30 мин напряжение поднимают до 80 В
и ведут оксидирование еще 30 мин. Плотность тока повышается до 1,0 А/дм2 и оста-
ется постоянной до конца процесса 139, 40].
В электролите № 4, применяемом в судостроении, процесс ведут при неизмен-
ном напряжении 40 В и температуре 45—50 °C [40].
Катодами служит нержавеющая сталь.
Вредными примесями являются трехвалентный хром и ион серной кислоты.
Допустимые их количества составляют соответственно не более 6 и 0,2 г/л. Соотно-
шение Sa : SK = 2 : 1, 3 : 1.
Свойства эматаль-пленок
Эматаль-пленки по своим качественным характеристикам отличаются от обычных
анодно-окисных пленок. Так как их получают в электролитах с низким растворя-
ющим действием и при высоких напряжениях, они, естественно, обладают большей
толщиной барьерного слоя и низкой пористостью. Это повышает их коррозионную
и химическую стойкость.
Важным свойством эматаль-пленок, обусловившим наряду с другими их свой-
ствами широкое применение этих покрытий для отделки лицевых панелей приборов
и пультов управления, является незначительный блеск поверхности. Вследствие
неоднородности и особого характера отражения эматаль-пленки не имеют металли-
ческого блеска и непрозрачны. Кроме того, на них меньше заметны дефекты поверх-
ности.
Эматаль-пленки имеют пористость значительно более низкую, чем обычные анод-
но-окисные пленки, поэтому они хуже адсорбируют краситель. Кроме того, собствен-
ный цвет эматаль-пленок — светло-серый или темно-серый — накладывается на
цвет адсорбированного красителя, в результате чего получаются сложные цвета.
Способность эматаль-пленок окрашиваться наполнением используют для полу-
чения различных изображений и надписей на панелях, шкалах, шильдах и т. д.
Эматалирование широко используют в авиации, судостроении, приборостроении
и радиопромышленности, для отделки алюминиевой посуды.
Глава 14
ЗАЩИТА ПОЛУФАБРИКАТОВ И ДЕТАЛЕЙ
ИЗ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
ПРИ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ И ХРАНЕНИИ1
1. ВРЕМЕННАЯ ЗАЩИТА ПОЛУФАБРИКАТОВ
Для предотвращения возникновения атмосферной коррозии на полуфабрикатах
из алюминия и его сплавов при транспортировании и хранении используют различ-
ные виды временной защиты (консервации). К ним относятся: жидкие ингибирован-
ные смазки; ингибиторы коррозии (летучие и контактные); анодно-окисные пленки;
пленочные покрытия с липким слоем; различные осушители (силикагель и др.).
1 Авторы: В. С. Синявский, А. Д. Жирнов, Ф. П. Заливалов, А. В. Понома-
ренко.
322
Рис. 14.1. Анодные поляризационные
кривые, полученные в 0,1%-ном рас-
творе Na2SO4 на образцах сплава
АМгб после выдержки в жидких
ингибированных смазках:
/ — без консервации; 2 — индустри-
альное масло-J- Ю % АКОР-1; 3 —
НГ-203В; 4 — К-17
Она препятствует возникновению и
В смысл термина «временная защита»
вкладывается также, как правило, и понятие
легкого удаления защитного покрытия
[1, с. 531 к
Временная защита жидкими ингибиро-
ванными смазками (ЖИС) предусматривает
покрытие поверхности полуфабрикатов тон-
ким слоем (порядка 0,005—0,1 мм) смазки.
Смазка наносится на смазочных машинах
(обычно валкового типа), погружением в ван-
ну, распылением, тампоном или другим спо-
собом, обеспечивающим получение равномер-
ного тонкого слоя.
Механизм защитного действия ингибито-
ров коррозии сводится к образованию на по-
верхности металла адсорбционной пленки,
которая состоит из одного или нескольких
слоев молекул ингибитора Ингибитор может
образовывать и хемосорбционные слои, а
также фазовые пленки. В случае применения
маслорастворимых ингибиторов, например
высокомолекулярных сульфонатов и нитро-
ванных масел, на поверхности металла обра-
зуется гидрофобная, плотно сцепленная с
металлом пленка, не допускающая проник-
новения к металлу воды. Адсорбционная
пленка такого ингибитора не пропускает
водяные пары и не десорбируется водой,
электрохимической, и химической коррозии
С целью выяснения защитного эффекта ЖИС применительно к алюминиевым
сплавам были проведены электрохимические испытания образцов из сплава АМгб
[3]. Анодные кривые снимали после предварительной выдержки в течение несколь-
ких суток в смазках и промывки затем в бензине (рис. 14.1). Как видно, все поляри-
зационные кривые для /КИС сдвинуты по сравнению с исходной кривой в положи-
тельную область (на 350—500 мВ). Наличие пассивной области показывает, что на
поверхности алюминиевого сплава даже после удаления ингибированной смазки
органическим растворителем сохраняется хемосорбциоиная защитная пленка,
повышающая коррозионную стойкость сплава.
Эффективность защиты полуфабрикатов с помощью ЖИС показана на рис. 14.2.
Защитные свойства ЖИС зависят от геометрии поверхности полуфабриката: прес-
сованные полуфабрикаты имеют более шероховатую поверхность и лучше удержи-
вают смазку.
Временной защите ЖИС подвергаются практически все виды полуфабрикатов:
листы, круги (диски); профили прессованные из сплавов Д1, Д16, Д19, Д20, АК4-1,
АКБ и В95; прутки прессованные диаметром не более 30 мм; трубы холоднодеформи-
рованные; проволока в бухтах; панели прессованные; поковки штампованные мас-
сой не более 2,5 кг; поковки после обработки резанием (обдирки). В качестве ЖИС
применяют смесь, состоящую из 90—95 % индустриального масла марки И-12А
или И-20А (ГОСТ 20799—75) и 5—10 % присадки АКОР-1 (ГОСТ 15171—78).
Смесь применяют без подогрева или с подогревом до 40—80 °C. Для временной за-
щиты поковок используют консервационное масло К-17 (ГОСТ 10877—76), обла-
дающее меньшей вязкостью. Защиту отдельных видов полуфабрикатов (прокладку
листов, кругов, плит, торцев рулонов и др.) производят с помощью промасленной
жидкими ингибированными смазками бумаги нескольких сортов по ГОСТ 16711—79 Е,
ГОСТ 12256—76, ГОСТ 11836—76, ГОСТ 3553—73.
Механизм защиты металлов от атмосферной коррозии ингибиторами основан
на свойстве некоторых химических соединений или их смесей при введении их в не-
значительных концентрациях в замкнутое пространство уменьшать скорость корро-
зионного процесса или полностью его подавлять. В этом случае используют летучие
ингибиторы, которые, заполняя пространство вокруг изделия, самопроизвольно
адсорбируются на поверхности металла и предохраняют его от коррозии. Известны
323
и
Рис. 14.2. Внешний вид образцов из профиля сплава Д16Т (предварительно протравлен-
ных) после 10 сут испытания в камере влажности с распылением 3%-иого раствора NaCl:
а — консервация ЖИС (индустриальное масло с добавкой 10 % ингибитора АКОР-1); б —
без консервации ЖИС
и так называемые контактные ингибиторы, которые специально наносят на поверх-
ность металла.
Для временной защиты алюминиевых полуфабрикатов применяют антикорро-
зионную бумагу марок МБГИ-3-40 и МБГИ-8-40, в которой ингибитором является
химическое соединение метанитробензоат гексаметиленимина Г-2, количество кото-
рого составляет соответственно 3 и 8 г на 1 м2 бумаги-основы. Для защиты алю-
миния возможно использование также летучего ингибитора марки ИФХАН-1
[4, с. 328], применяемого в виде ингибированной бумаги и в виде пористого адсор-
бента, пропитанного ингибитором (так называемый «линасиль»). В качестве контакт-
ного ингибитора применяют олеат натрия, который используют в виде 2—5%-ного
водного раствора.
Основное требование к защите полуфабрикатов с помощью летучих ингибито-
ров атмосферной коррозии — достаточно надежная герметизация изделий, которая
достигается плотной упаковкой законсервированных полуфабрикатов в чехол из
полиэтиленовой пленки толщиной 100—200 мкм.
Временную защиту с помощью анодно-окисных пленок применяют для полуфаб-
рикатов ответственного назначения: вертолетных профилей, прессованных панелей,
труб повышенного качества, штамповок и поковок повышенного качества и других
изделий. Контроль качества пленки проводят по ГОСТ 9.031—75. Содержание алю-
миния в ванне анодного окисления не должно превышать 15 г/л, ионов хлора 0,1 г/л,
при этом зеркало ванны не дожно иметь загрязнений.
Пленочные покрытия с липким слоем используют, главным образом, для за-
щиты листовой продукции от коррозии, транспортировочной потертости и механи-
324
ческих повреждений в процессе изготовления деталей на заводах-потре-
бителях.
Основой для пленочных покрытий является обычно полиэтилен или поливинил-
хлорид, основой дая клеевого слоя — полиизобутилен, поливинилхлоридная смола.
Толщина пленки-основы составляет 80—150 мкм, толщина клеевого слоя около
30 мкм. Адгезия липкой пленки к поверхности алюминия лежит в пределах 150—
350 г на 25 мм ширины пленки. К требованиям, предъявляемым к липким пленкам,
помимо легкого отделения от металла при расконсервации, относится также необ-
ходимость свободного отслаивания пленки при разматывании из рулона в про-
цессе нанесения на листы, ленту, а также практически полное отсутствие следов
клея на поверхности металла после удаления пленки.
В качестве пленочных покрытий для защиты от коррозии и потертости при
транспортировании применяют липкую бумагу. Ее изготовляют нанесением полиизо-
бутиленового или резинового (4508) клея на телефонную, электроизоляционную
или кабельную бумагу. Нанесение (оклейка) листов липкой бумагой может произ-
водиться с одной и с двух сторон листа. Срок хранения листов с липкой бумагой
3—6 мес.
Снижение потертости листов при транспортировании может быть достигнуто
путем применения таких прокладочных материалов, как обычная полиэтиленовая
пленка, парафинированная бумага, водно-эмульсионные пленки [5].
Одним из способов временной защиты полуфабрикатов является применение
осушителей, т. е. создание такой микроатмосферы, когда относительная влажность
воздуха в замкнутом пространстве ниже критических значений (40—50 %). Осу-
ществляют это с помощью силикагелей, цеолитов и других адсорбентов [3]. Для
изготовления чехлов, защищающих изделие от внешней атмосферы, применяют в ос-
новном полиэтиленовую пленку. Количество силикагеля-осушителг берут из рас-
чета 1—2 кг на 1 м2 поверхности чехла. Индикатором является силикагель, пропи-
танный хлористым кобальтом. При увлажнении он меняет сине-фиолетовый цвет
на розовый или филетово-розовый.
Основная трудность при использовании этого метода защиты — создание до-
статочно герметичных чехлов, целостность которых при транспортировании и погру-
зочно-разгрузочных работах часто нарушается.
После консервации полуфабрикаты подвергают упаковке. С помощью упаковки
обеспечивается защита полуфабрикатов от механических, климатических и биологи-
ческих воздействий, при этом упаковка создает необходимые удобства для погрузочно-
разгрузочных работ и транспортирования изделий. Упаковка подразделяется на
транспортную тару и внутреннюю упаковку. Полуфабрикаты в зависимости от вида
упаковки делятся на две основные группы: а) полуфабрикаты, упакованные в транс-
портную тару; б) полуфабрикаты, упакованные без тары (так называемая мягкая
упаковка).
Упаковка должна полностью исключать прямое попадание осадков на полу-
фабрикаты и их непосредственный контакт с деревянной тарой. С этой целью при-
меняют: ящики плотные или решетчатые дощатые (ГОСТ 2991—76, ГОСТ 10198—78);
ящики фанерные (ГОСТ 5959—80), тару разборную и неразборную многооборотную;
контейнеры универсальные (ГОСТ 15102—75, ГОСТ 18477—79, ГОСТ 22225—76);
контейнеры специализированные (ГОСТ 19667—74), кассеты пакетирующие; обре-
шетки деревянные; тару мягкую (бумажную, тканевую, из полиэтиленовой пленки).
Листы (в стопах), катаные и тянутые трубы, прутки диаметром до 30 мм и про-
фили (в пучках) перед укладкой в тару должны быть завернуты в конверт, состоящий
из двух слоев промасленной бумаги и одного слоя упаковочной водонепроницаемой
бумаги (или битумированной упаковочной бумаги).'
Рулоны лент для предохранения от роспуска связывают одной или двумя метал-
лическими полосками и укладывают в многооборотную тару (сборные щиты, стяну-
тые болтами). Торцы рулонов Предварительно защищают двумя слоями водонепро-
ницаемой бумаги или одним слоем алюминиевой ленты.
Проволоку в бухтах транспортируют в мягкой упаковке, плиты — в стопах
с деревянными прокладками высотой до 0,5 м, прутки диаметром свыше 30 мм —
связанными в 3—5 местах мягкой алюминиевой проволокой, тонкие прессованные
трубы — в пучках, связанных в нескольких местах шпагатом.
Полуфабрикаты должны быть законсервированы и упакованы не позднее чем
через 15 сут с момента принятия их ОТК. Срок хранения полуфабрикатов на заводе-
325
поставщике составляет не более 3 мес. По исючении этого срока перед отправкой
полуфабрикатов заказчику производят повторную консервацию.
Полуфабрикаты транспортируют по железной дороге в крытых вагонах или
полувагонах с универсальной металлической кровлей или па специально оборудо-
ванных платформах. Допускается перевозка автотранспортом.
При транспортировании полуфабрикаты защищают от попадания атмосферных
осадков. Упакованные и неупакованные полуфабрикаты закрепляют средствами и
способами, обеспечивающими их защиту от механических повреждений.
Не допускается погрузка в загрязненные вагоны (полувагоны, платформы),
в вагоны из-под химикатов и цемента, а также в вагоны с механическими поврежде-
ниями. Эти же требования соблюдаются при-перевозке полуфабрикатов автотранс-
портом.
Полуфабрикаты из алюминия и алюминиевых сплавов хранят в отапливаемых
помещениях. Помещение отапливаемого хранилища должно быть надежно защищено
от проникновения газов, способствующих развитию коррозии (хлоридов, SO2 и пр.),
а также дыма. Совместное хранение металла с химическими веществами запрещается.
Допускается только электрическое освещение хранилищ. Они имеют противо-
пожарное оборудование согласно нормам, установленным органами пожарного
надзора.
Отапливаемые хранилища должны хорошо вентилироваться и отделяться от
наружного двора вспомогательным помещением (тамбуром). Помещение хранилища
необходимо содержать в полной технической исправности.
Температура воздуха в отапливаемом хранилище от 5 до 35 °C. Относительная
влажность воздуха в помещении — не выше 70%. Допускается кратковременное
повышение относительной влажности до 80 %. Не должно быть резких колебаний
температуры и влажности воздуха. Земляные полы не допускаются.
К отапливаемому хранилищу должно примыкать вспомогательное (также ота-
пливаемое) помещение. В нем поступающие материалы принимают температуру
помещения. Состояние воздуха во вспомогательном помещении такое же, как и в ос-
новном помещении хранилища.
Хранить металл на полу нельзя. Его необходимо укладывать на стеллажи или
стойки, которые следует изготовлять из металла или дерева, имеющего влажность
не более 18 %. Обивка стеллажа текстилем пли другими гигроскопическими веще-
ствами запрещается. Лолки деревянных и металлических стеллажей должны быть
окрашены масляной пли глифталевой краской, обиты пластиком пли полиэтиленовой
пленкой и постоянно содержаться в чистоте. Стеллажи не должны плотно примы-
кать к стенкам склада. По всему периметру склада между стеллажами и стенками
необходимо оставлять проход шириной 0,4—0,5 м, посередине — шириной 2,5 м.
Окопные проемы должны иметь жалюзи или занавески во избежание прямого
попадания солнечных лучей на хранящиеся материалы.
Хранилища нужно содержать в чистоте.
Прибывшие на завод полуфабрикаты разгружаются в помещении цеха или на
разгрузочной асфальтированной или деревянной площадке. В случае ненастной
погоды разгружаемая продукция должна быть защищена от прямого попадания
атмосферных осадков.
При разгрузке не должно быть повреждений тары. Ящики необходимо уклады-
вать на сухие деревянные подставки, доски или металлические бруски аккуратными
штабелями повагонными партиями.
Разгруженные полуфабрикаты в течение 24 ч нужно внести во вспомогательное
помещение склада. При необходимости допускается их хранение на разгрузочной
площадке, полностью защищенной от атмосферных осадков (навесом, брезентом и пр.),
но не более 10 сут.
Перед распаковкой они должны находиться во вспомогательном помещении
до тех пор, пока не примут температуру помещения хранилища. При минусовых
температурах воздуха на улице полуфабрикаты необходимо выдерживать во вспо-
могательном помещении от 1 до 2 сут.
Поступившие на хранение полуфабрикаты следует распаковать, расконсерви-
ровать и подвергнуть визуальному контролю состояние поверхности. При наличии
следов влаги пли отпотевании, а также солевого налета и пыли нужно немедленно
протереть поверхность чистой ветошью или тканью.
Подлежащий хранению металл не должен иметь коррозионных поражений.
326
Полуфабрикаты из алюминиевых сплавов можно хранить до одного года в ота-
пливаемом помещении без консервации, при большем сроке хранения их следует
законсервировать.
Листы из алюминия и его сплавов необходимо хранить на стеллажах опира-
ющимися на ребро или в горизонтальном положении (высота пачки не более 200 мм)
с разделением по маркам и толщине. Не допускается укладывать вместе листы раз-
личных размеров (во избежание царапин). Бухты проволоки укладывают на стелла-
жах в вертикальном положении, с наклоном в сторону рядом стоящей бухты. Вос-
прещается хранить металл навалом, без сортировки.
При каждой партии принятых на хранение полуфабрикатов должны быть бирки
или штабельные ярлыки, на которых указана марка, масса, наименование завода-
поставщика, дата закладки и дата периодических осмотров и сроки хранения.
Полуфабрикаты хранят в отапливаемых помещениях в течение 10 лет с перио-
дическим контролем один раз в год. Периодически осматривают 3—5 % полуфабри-
катов от партии. Если при этом на отдельных из них обнаружены следы коррозии,
то всю партию подвергают 100%-ному контролю. В случае коррозии полуфабрикаты
всех других партии, заложенных на хранение в те же сроки, также полностью осма-
тривают.
Полуфабрикаты из алюминия и алюминиевых сплавов, на которых при очеред-
ном контроле обнаружена коррозия, должны быть изъяты и заменены.
Продукты коррозии могут быть удалены со всех полуфабрикатов с соблюдением
допусков на размеры, кроме листов с защитной плакировкой (Д16, Д1, ВЭБ и др.).
Если коррозия имеет равномерный характер, то продукты коррозии удаляют хими-
ческим или механическим способам. Если коррозия носит местный характер (пит-
тинги, язвы), то ее удаляют механической зачисткой. При этом химическую обработку
проводят с целью выявления мест механической зачистки. Для снятия продуктов
коррозии химическим способом применяют следующие растворы:
а) 80 г хромового ангидрида, 200 мл фосфорной кислоты (плотность 1,71),
1 л воды; раствор применяют без подогрева, время обработки — до удаления про-
радуктов коррозии;
б) 40—60 г едкого натра, 1 л воды; температура раствора 50—60 °C; время об-
работки 1—2 мин;
в) 35 мл 85%-ной фосфорной кислоты (плотность 1,71 г,'см3); 20 г хромового ан-
гидрида, 945 мл дистиллированной воды; температура раствора 95—98 °C; время
выдержки 10—30 мин.
После обработки в указанных растворах полуфабрикаты следует промыть в хо-
лодной и горячей воде (40—60 °C). Если продукты коррозии удаляют в растворе «б»,
то после обработки и промывки проводят осветление в 15—40 о-ной азотной кислоте.
Полуфабрикаты необходимо выдерживать в растворе до полного осветления, после
этого промыть в холодной и горячей воде и просушить.
Если после обработки в указанных растворах на поверхности нет следов кор-
розии, то полуфабрикаты могут быть допущены к дальнейшему использованию.
В случае обнаружения па поверхности поражений в виде питтингов и язв полу-
фабрикаты подлежат механической зачистке до полного выведения коррозионных
очагов. После зачистки обязательно 100%-ное контрольное травление в растворе «б»
с осветлением в растворе азотной кислоты.
Поверхность с коррозионными повреждениями очищают порошком пемзы или
наждачной бумагой не грубее № 5—4 с учетом допусков в пределах соответству-
ющих технических условий. Зачистку пемзой с помощью смоченных в керосине кон-
цов или салфеток применяют в тех случаях, если коррозия неглубокая, а наждач-
ной бхмагой, если коррозия не поддается удалению порошком пемзы. Наждачную
бумагу следует смачивать следующими маслами: индустриальным марок И-12А
или И-20А, трансформаторным или авиационным. Зачистка наждачной бума-
гой допускается только в продольном направлении. После зачистки поверхность
тщательно следует протереть материей, смоченной’'органическими растворителями,
затем насухо вытереть цистой салфеткой и подвергнуть консервации смазками.
2. ВРЕМЕННАЯ ЗАЩИТА ДЕТАЛЕЙ
Основными причинами появления и развития коррозии в механических, гальва-
нических, сборочных цехах, па складах готовой продукции, а также при транспор-
тировании и хранении являются: нарушение технологии промывки и сушки деталей,
327
следы от потных и грязных рук, применение некачественных охлаждающих жидко-
стей и консервационных материалов, применение неосушенного сжатого воздуха,
наличие в атмосфере влаги и агрессивных компонентов.
Наиболее сильно подвержены коррозии алюминиевые сплавы, содержащие медь
(Д16 1201, АК4-1 и другие). Поэтому для защиты от коррозии детали подвергают
консервации. Детали и изделия должны поступать на консервацию без коррозион-
ных поражений металла. При появлении коррозионных очагов последние должны
быть удалены перед дальнейшей обработкой детали или окончательной консерва-
цией. Удаление продуктов коррозии производится механическим или химическим
способом.
Механический способ состоит в очистке прокорродированной поверхности спе-
циальным инструментом или наждачной бумагой.
Для химической очистки можно применять раствор 20%-ной фосфорной ки-
слоты-)- 80 г/л хромового ангидрида или раствор 30%-ной азотной кислоты. После
химической обработки детали надо промыть водой и затем просушить. Для деталей
сложной конфигурации с щелями, зазорами и глухими отверстиями, а также при
наличии глубоких язв, межкристаллитной и расслаивающей коррозии химические
способы очистки применять не рекомендуется.
Консервация должна быть непрерывным процессом и включать подготовку
поверхности, собственно консервацию и упаковку.
Консервацию необходимо проводить в специальных помещениях при температуре
не ниже +15°C и относительной влажности не выше 70 %. Подготовка поверхности
перед консервацией состоит из очистки поверхности от загрязнений, смазочно-
охлаждающих жидкостей, полировальных паст, масел и смазок. Выбор средств для
очистки деталей зависит от степени и вида загрязнений. Для этой цели широко
используют различные технические моющие средства на водной основе и органиче-
ские растворители (последние — для деталей и узлов сложной конфигурации с глу-
хими отверстиями, щелями и зазорами). Некоторые типы водных растворов техни-
ческих моющих средств, применяемые в течение 10—ЗОДшн при 50—60 °C, приве-
дены ниже:
1) 1,5—2,5 г/л соды кальцинированной, 0,5—10 г/л хромпика калиевого или
натриевого;
2) 3—5 г/л (до 30) тринатрийфосфата, 1,5—3 г/л стекла натриевого
жидкого, 1—2 г/л спнтанола ДС-10 или ДТ-7;
3) 20—80 г/л вертолина 74;
4) 20—50 г/л лабомпдов (101, 102, 203, 204);
5) 20—80 г/л ТМС-31 или ТМС-31-1А;
6) 20—80 г/л ТМС-21/1 (импульс);
7) 15—20 г/л МС-6 или МС-8;
8) 3—15 г/л МЛ-51 или МЛ-52.
После обработки в растворах технических моющих средств детали должны быть
промыты водой и просушены.
Средства консервации выбирают в зависимости от продолжительности и условий
хранения, а также экономической целесообразности. Все применяемые для консер-
вации материалы должны удовлетворять требованиям соответствующих стандартов
или технических условий на данный материал и иметь паспорт или сертификат.
В качестве консервационных материалов используют масла, смазки, ингибиро-
ванные тонкопленочные покрытия, поглотители влаги и летучие ингибиторы с соот-
ветствующей упаковкой. Рекомендуемые способы консервации указаны в таблице.
Способы консервации и продолжительность хранения деталей
№ пп. Наименование консервирующего средства Срок защиты, годы
1 Индустриальное масло 12 или 20, масло МК8 или транс- 60 сут
форматорное масло, авиационное масло МК-22 или МС-20
2 Индустриальное масло 12 или 20 + присадка АКОР (5—
10 %) или присадка МСДА-1 (1—2 %)
3 Консервационное масло К17, смазка ПВК, смазка ИГ-203
328
Продолжение
№ пп. Наименование консервирующего средства Срок защиты, годы
4 Тонкопленочные покрытия НГ-222, НГ-216, НГ-224
5 Анодно-окисное покрытие с наполнением анодной пленки хромпиком <Д
6 Ингибированная бумага НДА 14-40, НДА 20-40, ингиби- тор — нитрит дициклогексиламина пли ингибированная бумага МБТИ 3-40, МБТИ 8-40, ингибитор — метанптро- бензоат гексаметиленпмина >2
7 Ингибированная бумага НДА 20-40, МБТИ 8-40, упаковка в полиэтиленовый чехол <5
8 Консервационное масло К17 или смазка ПВК, упаковка в парафинированную или оберточную бумагу <6
На срок хранения до 30 сут консервацию деталей из алюминиевых сплавов
допускается не производить.
Расконсервацию деталей после хранения рекомендуется проводить в растворах
технических моющих средств, изложенных выше, с предварительным удалением
смазки ветошью или салфетками и в органических растворителях.
Хранение детален из алюминиевых сплавов в течение длительных сроков про-
водят в отапливаемых складских помещениях, в которых температуру воздуха
поддерживают в пределах 10—35°C, а относительную влажность — не выше 70 %.
В складских помещениях должна быть предусмотрена хорошая вентиляция
и защита от попадания атмосферных осадков.
Хранить детали рекомендуется на специальных стеллажах на расстоянии не
менее 150—200 мм от пола для обеспечения проветривания.
Библиографический список
К гл. 1
1. Строительные нормы и правила СНиП П-24—74 *. Алюминиевые конструкции,
нормы проектирования. М.: Стройиздат, 1975. 46 с.
2. Алюминиевые конструкции: Справочное пособие/Под ред. В. И. Трофимова.
М. Стройиздат, 1978. 147 с.
3. Алюминиевые сплавы (свойства, обработка, применение): Справочник: Пер.
с нем. М.: Металлургия, 1979. 679 с.
4. Артемьева И. Н. Алюминиевые конструкции. М.: Стройиздат (ЛО), 1976. 205 с.
5. Попов С. А. Алюминиевые строительные конструкции. М. Высшая школа, 1969.
313 с.
6. Применение алюминиевых сплавов в сельском хозяйстве'Под ред. А. Ф. Белова
и Ф. И. Квасова. М.: ВИЛС, 1982. 108 с.
7. Спиров В. И. Алюминиевые конструкции. М.: Знание, 1983, 63 с.
8. Трофимов В. И. Ограждения сооружений из растянутых алюминиевых поверх-
ностей. М.: Стройиздат, 1975. 155 с.
К гл. 2
1. Павлов А. И., Потинг Е. Л. Применение алюминиевых сплавов в судостроении.
Л.: Судпромгиз, 1961. 291 с.
2. Сваривающиеся алюминиевые сплавы/Байков Д. И., Золоторевский Ю. С.,
Руссо В. Л., Ряжская Т. К. Л.: Судпромгиз, 1959. 235 с.
3. Marcia J., Меегтап.—Materials Engineering, 1983, v. 97, №3, р. 24—26.
4. Смирнов С. А. — Судостроение за рубежом, 1977, № 6, с. 18—26.
5. Печук Э. И. — В кн.: Вопросы горной электромеханики. М.: Госгортехиздат,
1960, т. XI, вып. 3, с. 40—85.
6. Oil in Canada, 1961, № 3, р. 28—33.
7. Бойцов Г. В., Небылов В. М., Таубин С. О. Прочность судовых конструкций
из алюминиевых сплавов. М.: Судпромгиз, 1962. 212 с.
8. Кузьминов С. А. — В кн.: Расчеты точности сварных конструкций при их про-
ектировании. Киев: Паукова думка, 1965, с. 48—54.
9. Каблов И. А. Корпусные конструкции из алюминиевых сплавов. М.: Судпром-
гиз, 1960. 152 с.
10. Михайлов Г. П. Сварка трехфазной дугой. М.: Машгиз, 1956. 255 с.
И. Патон Б. Е., Потапьевский А. Г., Подола И. В.—Автоматическая сварка,
1964, № 1, с. 1—6.
12. Мельниченко Г. Т. — Судостроение, 1960, Ns 12, с. 5—9.
13. Безукладов В. Ф., Орлов В. В. — Судостроение, 1982, № 1, с. 3—6.
14. Brierly F. — Light Metals, 1960, v. 23, № 263, p. 93.
15. Shipping World, 1960, v. 143, № 3512, p. 405.
16. Rev. Nautigke, 1959, № 211, p. 8—10.
17. Brierly F. — Shipping World, 1960, v. 20, № 3493, p. 45.
18. Light Metals, 1960, № 9, p. 90.
19. Nonferraus and Composite Materials. Report of the Committee. III. 2. 8th Inter-
national Ship Structure Congress. Gdansk, 1982.
20. Судостроение за рубежом, 1977, № 6, с. 89.
21. Cheerier А. — Rev. Aluminium, 1960, Ns 280, p. 1128.
22. Живилов Л. — Речной транспорт, 1963, № 2, с. 45.
23. Судостроение за рубежом, 1983, № 4, с. 102.
24. Судостроение за рубежом, 1983, № 2, с. 86.
25. Никифоров Ю. И. —Судостроение, 1982, Ns 4, с. 15—16.
26. Hansa, 1980, v. 117, № 11, р. 830.
27. The Dock & Harbour Authority, 1983, t. 64, № 756, p. 180.
28. International Boad Industry, 1984, № 3, p. 40.
29. High Speed Surface Craft, 1981, v. 20, № 1, p. 22—24.
30. Волков Д. Б.—Судостроение, 1977, Ns 11, c. 76—79.
31. International Boat Industry, 1979, June, p. 31.
32. Зиганченко П. П., Кузовенков Б. П., Тарасов П.[К- Суда на подводных крыльях.
Л.: Судостроение, 1981. 310 с.
33. Федоров Л. Т., Канаев Г. М. — Технология судостроения, 1979, Ns 3, с. 13—18.
330
34. Малеханов И. Е. — Судостроение, 1983, № 4, с. 3—5.
35. Малышев М. И., Фридляндская И. Д. — Судостроение за рубежом, 1980, № 9,
с. 3—17.
36. Будруев А. А., Алукаев Р. Б., Канаев Т. AI. — Технология судостроения, 1979,
As 3, с. 18—22.
37. Зороастров В. К., Шикин В. К- — Судостроение, 1982, As 3, с. 3—4.
38. Федоров Л. 'Г., Канаев Г. Л1. — Технология судостроения, 1979, As 3, с. 13—18.
39. Зороастров В. К., Тулубенский В. Л1., Шикин В. К.—Судостроение, 1980,
As 1, с. 5—7.
40. Смирнов IO. И.—Судостроение за рубежом, 1983, As 4, с. 5—16.
41. Белавин И. II — Летающие корабли. М.: Изд-во ДОСААФ СССР, 1983. 112 с.
42. Wettern D. — High Speed Surface Craft, 1981, v. 20, As 10—11, p. 4—9.
43. Air et Cosmos, 1982, As 927, p. 31.
44 Russell B. J. — High Speed Surface Craft, 1982, v. 21, As 8, p. 4—8.
45. Burnet R. High Speed Surface Craft, 1982, v. 21, As 9, p. 17—20.
46. Aluminium, 1982, Bd 58, As 7, S. 429.
47. Veliotis P. T. — SNAME Transactions, 1977, v. 85, p. 481—504.
48. Калиничук О. И.—Судостроение за рубежом, 1983, As 1, с. 80—82.
49. Логачев С. И. — Судостроение за рубежом, 1978, As 8, с. 22—33.
50. Окулов Д. П. — Технология судостроения, 1977, Ав 5, с. 34—35.
51. Фисак Е. П., Олесов Н. Л1„ Салищев Б. А. — Технология судостроения, 1983,
As 5, с. 73—75.
52. Левченко В. В., Шаленин А. И., Салищев Б. И., Фисак Е. П. — Технология
судостроения, 1983, A’s 5, с. 76—80.
53. Gainey J.—Corrosion, 1961, v. 17, As И, p. 98—100.
К гл. 3
1. Журавлева Л. В. — Железнодорожный транспорт за рубежом, 1978, вып. 1,
серия II. Подвижной состав, локомотивное и вагонное хозяйство (ЦНИИ ТЭИ
МПС), с. 14—20.
2. Речкалов А. И. — Транспортное оборудование (ЦНИИ ТЭИ Тяжмаш), 1981
№ 37, 39 с.
3. Bouley J. — Rev. metallurgie (France), 1981, v. 78, As 4, p. 331—336.
4. Данилов Ю. А., Журавлева Л. В., Ратникова T. А., Матвеев Д. М. —Железно-
дорожный транспорт, 1984, Ns 11, с. 60—63.
К гл. 4
1. Квасов Ф. И., Туманов А. Т., Фридляндер И. Н. Судьба крылатого металла. —
Литературная газета, 1974, 12 июня, с. 11.
2. Образиов И. Ф. Развитие авиационной науки и техники в СССР. М.: Наука,
1980. 496 с.
3. Шавров В. Б. История конструкций самолетов в СССР. М.: Машиностроение,
1978. 440 с.
4. Пономарев А. И. Советские авиационные конструкторы. М.: Военное изда-
тельство, 1977. 278 с.
5. Яковлев А. С. Советские самолеты. М.: Наука, 1982. 407 с.
6. Букаев Б. П. История гражданской авиации. М.: Воздушный транспорт, 1983.
375 с.
7. Фридляндер И. Н. Алюминиевые деформируемые конструкционные сплавы.
М.: Металлургия, 1979. 207 с.
8. Алюминиевые сплавы: Металловедение алюминия и его сплавов: Справочник/
Под ред. Фридляндера И. Н. М.: Металлургия, 1983. 279 с.
9. Алюминиевые сплавы: Промышленные алюминиевые сплавы: Справочник.
Под ред. Квасова Ф. И. и Фридляндера И. И. М.: Металлургия, 1984. 526 с.
10. Кишкина С. И. Сопротивление разрушению алюминиевых сплавов. М.: Метал-
лургия, 1981. 279 с.
11. Квасов Ф. И., Фридляндер И. Н. Алюминиевые сплавы типа дуралюмин. М.:
Металлургия, 1984. 240 с.
12. Гордеева Т. А., Жегина И. П. Анализ изломов при оценке надежности мате-
риалов. М.: Машиностроение, 1978. 200 с.
331
13. Кудряшов В. Г., Смоленцев В. И. Вязкость разрушения алюминиевых сплавов.
М.: Металлургия, 1976. 295 с.
14. Алюминиевые сплавы: Применение алюминиевых сплавов: Справочное руковод-
ство/Под ред. Туманова А. Т. М.: Металлургия, 1972. 408 с.
15. Фридляндер И. Н. Высокопрочные деформируемые алюминиевые сплавы. М.:
Оборонгиз, 1960. 290 с.
16. Кишкина С. И., Анисимова И. В., Рублев Я- А., Струнин Б. М. — В кн.: Проч-
ность при малом числе циклов нагружения. М.: Наука, 1969, с. 93—97.
17. Белянин П. И. Производство широкофюзеляжных самолетов. М : Машино-
строение, 1979. 356 с.
18. Flight, 1968, V. 94, № 3104, р. 361.
19. Flight International, 1967, J\° 6, р. 893.
20. Фридляндер И. Н.—Металлы. Изв. АН СССР, 1965, № 2, с. 153.
21. Фридляндер И. Н. —Металловедение и термическая обработка металлов, 1965,
Ks 3, с. 2; 1970, Xs 2, с. 50.
22. Герчикова И. С. Тонкая структура и растрескивание алюминиевых сплавов.
М.: Металлургия, 1982. 127 с.
К гл. 5
1. Воронов С. М. Избранные труды по легким сплавам. М.: Оборонгиз, 1957. 454 с.
2. Колобнев И. Ф. Жаропрочность литейных алюминиевых сплавов. М : Металлур-
гия, 1973. 320 с.
3. Туманов А. Т., Романова О. А., Колобнев И. Ф., Альтман Л1 Б. — В кн.: При-
менение алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1972, с. 197—218.
4. Лужников Л. П. Деформируемые алюминиевые сплавы для работы при повы-
шенных температурах. М : Металлургия, 1965. 290 с.
К гл. 6
1. Шрейбер Г. К., Саакиян Л. С., Котов В. А. Коррозионностойкие насосно-
компрессорные трубы из анодированных алюминиевых сплавов. Серия «Борьба
с коррозией в нефтегазодобывающей промышленности». М.: ВНИИОЭНГ, 1969.
95 с.
2. Шрейбер Г. К-, Перлин С. Л1., ШибряевВ. Ф. Конструкционные материалы в неф-
тяной, нефтехимической и газовой промышленности. М.: Машиностроение,
1969. 396 с.
3. Синявский В. С., Устьянцев В. У. Защита от коррозии бурильных труб из алю-
миниевых сплавов. М.: Недра. 1976. 111 с.
4. Каскевич И. Л1. Коррозия стальных нефтяных резервуаров. Серия «Борьба
с коррозией в нефтегазовой промышленности». М.: ВНИИОЭНГ, 1969. 108 с.
5. Саакиян Л. С., Ефремов А. П. Защита нефтегазопромыслового оборудования
от коррозии. М.: Недра, 1982. 231 с.
6. Шрейбер Г. К-, Саакиян Л. С., Нгуен Кхак Сыонг. — Коррозия и защита в неф-
тегазовой промышленности. М.: ВНИИОЭНГ, 1977, № 1, с. 25—27.
7. Скцгорова Л. П. Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ.
М.: Недра 1975. 317 с.
8. Шрейдер А. В., Черепахова Г. Л. Коррозионная стойкость и применение алюми-
ниевых сплавов на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах для
изготовления конденсационно-холодильного и теплообменного оборудования.
М.: ЦНИИТЭнефтехим 1966. 61 с.
9. Саакиян Л. С., Клочков В. И. — Коррозия и защита в нефтегазовой промыш-
ленности. М.: ВНИИОЭНГ, 1979. № 6, с. 3—5.
10. Kent R., Van Horn — Amer. Soc. Metals, Park, 1967, v. 2, p. 342—344.
И. Шмеркович В. M. Аппараты воздушного охлаждения для технологических
установок нефтегазоперерабатывающих и химических заводов. М.: ЦИНТИ-
нефтехим, 1967. 89 с.
К гл. 7
1. ГОСТ 11069—74. Алюминий первичный. М.: Изд-во стандартов, 1974.
2. ГОСТ 4784—74. Сплавы алюминиевые деформируемые. М.: Изд-во стандартов,
1974.
332
3. ГОСТ 20967—75. Катанка из алюминиевого сплава. АГ: Изд-во стандартов,
1975.
4. А. с. № 387019 (СССР).Тольдбухт Г. Е., Фридляндер И. Н., Ананьин С. Н.,
/Каров А. Н. — Опубл, в Б. Й., 1973, № 27, с. 78.
5. Воронцова Л. А., Маслов В. В., Пешков И. Б. Алюминий и алюминиевые сплавы
в электротехнических изделиях. АГ: Энергия, 1971. 224 с.
6. А. с. № 456845 (СССР).Гольдбухт Г. Е., Рутмап АГ АГ, Фридляндер И. Н.
и др. — Опубл, в Б. И., 1975, А” 2, с. 53.
7 А. с. № 454270 (СССР);Гольдбухт Г. Е., Фридляндер И. II , Мигалев В. В.
и др. — Опубл, в Б. И., 1974, № 47, с. 54.
8. А. с. № 496315 (СССР).Тольдбухт Г. Е., Ананьин С. И., А1игалев В. В., Жа-
ров А. Н. Опубл, в Б. И., 1975, № 47, с. 68.
9 А с. At 560922 (СССР) Телешов В. В., Козловская В. П., Степанова АГ Г.
Опубл, в Б. II., 1977, № 21, с. 96.
10. А с. № 539977 (СССР),Фридляндер И. II , Гольдбухт Г. Е., Гулин А. II. и др.
Опубл, в Б. И., 1976, № 47, с. 96.
И. А. с. № 514906 (СССР)/Гольдбухт Г. Е., Морозов Л. П., Ананьин С. Н., Мига-
лева В. Г. — Опубл, в Б. И., 1976, № 19, с. 71.
12. Фридляндер И. Н., Гольдбухт Г. Е., Эдельман А. С. — В кн.: Применение алю-
миниевых сплавов. М.: Металлургия, 1979, с. 239, 248—249.
13. Захаров М В., Лисовская Т. Д. — Цветные металлы, 1965, Aj 3, с. 136—141.
14. Bonmarin J. — Adenis Rev. metallurgie, 1966, v. 66, № 12, p. 895—899.
15. Гришковец fl. Г., Пименов Ю. П., Дмитриев С. К. — Технология легких спла-
вов, 1980, № 2, с. 65.
16. Айзенберг Ю. Б., Кулаков И. А. —Светотехника, 1979, № 3, с. 6—9.
17. ГОСТ 6132—79. Проволока алюминиевая круглая электротехническая. А! :
Изд-во стандартов, 1979.
18. ГОСТ 10637—76. Проволока алюминиевая прямоугольная электротехническая.
М.: Изд-во стандартов, 1976.
19. ГОСТ 15176—70. Шины прессованные электротехнического назначения из
алюминия и алюминиевых сплавов. АГ: Изд-во стандартов, 1970.
20. ГОСТ 13843—78. Катанка алюминиевая. М : Изд-во стандартов, 1978.
21. ГОСТ 9498—79. Слитки алюминиевые плоские для проката. М Изд-во стандар-
тов, 1979.
22. ГОСТ 4004—81. Слитки алюминиевые для проволок. АГ: Изд-во стандартов,
1981.
23. Елагин В. И., Федоров В. М., Пономарев Ю. И. — Технология легких сплавов,
1978, № 2, с. 9—12.
24. ГОСТ 15175—70. Профили и трубы прессованные электротехнического назна-
чения из алюминия и алюминиевых сплавов. АГ: Изд-во стандартов, 1970.
К гл. 8
1. Самойлов А. Г., Каштанов А. И., Волков В. С. — Дисперсионные твэлы. Т. I.
М.: Энергоиздат, 1982. Т. I. 224 с. Т. II. 256 с.
2. Hennelly Е. J. —J. Nuclear News, 1965, v. 8, № 6, р. 19—22.
3. Kawasaku М., Nomura S., Itami H., e. a. — In: Corrosion of Reactor Materials,
v. 1, Vienna: IAEA, 1962, p. 427.
4. Материалы КАЭ США. Ядерные реакторы. М.: ИЛ, 1957. Т. 2. 458 с.; Т. 3.
782 с.
5. Добаткин В. И. — Технология легких сплавов, 1968, № 6, с. 3, 22.
6. Коррозия и облучение/Герасимов В. В., Громова А. И., Головина Е. С. и др.
АГ: Атомиздат, 1963. 269 с.
7. О допустимом сроке эксплуатации реактора ВВР-М/Васильев Г. Я-, Диден-
ко В. И., Коноплев К. А., Семенов Ю. П. — Препринт № 282, Ленинград:
ЛИЯФ, 1976. 29 с.
8. Труды научно-технической конференции/Вотинов С. Н., Шаров Б. В., Цыка-
нов В. А. и др. Т. 3. М.: СЭВ, 1971. 663 с.
9. King К. Т., Jostons A., Farrell К. American Society for Testing and Materials
Report ASTM-STP-529, 1973, p. 165.
10. Draley J. E., Greenberg S., Rather W. E. — ANL—6206, 1961, p. 3—14.
11. Атомная техника за рубежом, 1965, № 1, с. 8—13.
333
12. Амбарцумян Р. С., Глухов А. Л!., Гончаров В. В. Труды Второй Международ-
ной конференции по мирному использованию атомной энергии. Т. 2: Ядерные
реакторы и ядерная энергетика. М.: Атомпздат, 1959. 708 с.
13. Videm К. — In: Corrosion of Reactor Materials, v. 1, Vienna: JAEA, 1962, p. 391,
499.
14. Матвеев Б. И., Баранчиков В. М.—МиТОМ, 1982, № 3, с. 45.
15. Громов Б. А., Матвеев Б. И., Загороднева В. Ф. — МиТОМ, 1982, № 3, с. 52.
16. Полушкин К- К-, Емельянов И. Я-> Делено П. А. —Атомная энергия, 1964,
т. 17, вып. 6, с. 439.
К гл. 9
1. Aluminium Statistical Review, 1978, The Aluminium Association, N. Y.: 1978,
p. 19—23.
2. Wallace D. 11. Market Control the Aluminium Industry, Cambridge, 1937.
3. Gerald A., Frankel.—Modern Metals, 1968, № 3, p. 29.
4. Шатунов IO. H. — Цветная металлургия, M.: Цветметинформация, 1969, № 18,
с. 52—54.
5. Краткая энциклопедия домашнего хозяйства. Т. 2. М.: Советская энциклопе-
дия, 1976. 1407 с.
6. Техника и наука, 1982, № 2, с. 37.
7. Квасов Ф. И. — Технология легких сплавов, 1971, № 1, с. 115—121.
8. Белов А. Ф. Земные нужды крылатого металла. — Известия, 4 января 1981,
с. 3.
9. Mizzoni Р. О., Conserva М. Alluminio пе!Г imballaggio: aspetti structural! е di
Mercati, 1944, p. 34—44.
10. Modern Metals, 1984, Ns 2, p. 52—54.
11. Schweizer A. — Aluminium Rundschau, 1981, J\s 3, p. 136.
12. Revue de 1’Aluminium, 1969, № 2, p. 161.
13. Revue de Г Aluminium, 1980, № 501, p. 525—530.
К гл. 10
1. Справочник по алюминиевым сплавам/Под ред. Елагина В. И. М.: ВИЛС, 1978.
130 с.
2. Анискин В. И., Вахрамеев Д. В., Киселев Б. Е. Металлические зернохранилища
сельскохозяйственного назначения. М.: ВНИИТЭИСХ, 1978. 51 с.
3. Применение алюминиевых сплавов в сельском хозяйстве. М.: ОНТИ ВИЛС,
1982. 110 с.
4. Локшин М. 3., Грушин В. А., Соловьев Г. И. — В кн.: Технология и оборудова-
ние сельскохозяйственного производства. М.: 1982, Ns 2, с. 51.
5. Aluminium-Taschenbuch, 13. Auflage, Aluminium-Verlag, GmbH, Dusseldorf,
1974, S. 3—105.
6. Посников В. С., Егоров Д. С. — Технология легких сплавов, 1979, № 1, с. 69.
7. Бабин Ю. А , Алексеев О. П., Крейс Ф. И. — Тракторы и сельхозмашины, 1983,
Ns 5, с. 25.
8. Крейс Ф. И. Новые материалы для сельскохозяйственных машин: Науч, тр./
ВИСХОМ М : ВИСХОМ, 1982, с. 23.
К гл. 11
1. Технология самолетостроения/Абибов А. Л., Бирюков Н. М., Бойцов В. В.
и др./Под ред. Абибова А. Л. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1982. 551 с.
2. Технологические процессы и оборудование для выполнения болтовых и закле-
почных соединений в конструкциях самолетов/Григорьев В. П., Ярковец А. И.,
Догматырский Б. А. и др. Ташкент: ФАН, 1971. 95 с.
3. Киселев Н. Л1., Фирсов В. А., Ярковец А. И. Технология выполнения высоко-
ресурсных болтовых соединенпй/Под ред Ярковца А. И. М. .МАИ, 1974. 83 с.
4. Ратнер С. И. Разрушение при повторных нагрузках. М.: Оборонгиз, 1959.
348 с.
5. Биргер И. А., Иосилевич Г. Б. Резьбовые соединения. М.: Машиностроение,
1973. 256 с.
6. Технология и оборудование контактной сваркп/Орлов Б. Д., Дмитриев Ю. В.,
Тякалев А. А. и др. М.: Машиностроение, 1976. 576 с.
334
7. Замятин И. П., Лосев Б. И. — Сварочное производство, 1983, № 11, с. 15-16.
8. Шавырин В. И., Рязанцев В. И. Клеесварные конструкции. М.: Машиностроение,
1981. 166 с.
9. Слиозберг С. К., Чулошников П. Л. Электроды для контактной сварки. Л.: Ма-
шиностроение, 1972. 95 с.
10. Николаев А. К., Розенберг В. М. Сплавы для электродов контактной сварки.
М.: Металлургия, 1978. 95 с.
11. Контроль точечной и роликовой электросварки/Орлов Б. Д., Чулошников П. Л.,
Верденский В. Б. и др. М.: Машиностроение, 1973. 304 с.
12. Кучук-Яценко С. И., Лебедев В. К- Контактная стыковая сварка непрерывным
оплавлением. Киев: Наукова думка, 1976. 212 с.
13. Глизманенко Д. Л., Евсеев Г. Б. Газовая сварка и резка металлов, М.: Машгиз,
1961. 447 с.
14. Бродский А. Я. Дуговая сварка в инертной среде. М.: Машгиз, 1950. 245 с.
15. Славин Г. А., Петров А. В., Смирнова С. В. и др. — Сварочное производство,
1965, № 12, с. 18.
16. Петров Л. В., Славин Г. А. —-Сварочное производство, 1966, № 2, с. 1.
17. Рабинович И. Я., Вавулов И. В. —Сварочное производство, 1963, № 10, с. 7.
18. Патон Б. Е., Потапьевский А. Г., Подола Н. В. —Автоматическая сварка,
1964, № 1, с. 1..
19. Назаренко О. К., Истомин Е. И., Локшин В. Е. Электронно-лучевая сварка.
М Машиностроение, 1966. 127 с.
20. Бочвар А. А., Рыкалин Н. Н., Прохоров Н. Н. и др. — Сварочное производство,
1960, К° 10, с. 3.
21. Петрунин И. Е., Лоуманов С. Н., Николаев Г. А. Пайка металлов. М.: Метал-
лургия, 1973. 278 с.
22. Лашко Н. Ф., Лашко С. В. Пайка металлов. М.: Машиностроение, 1967. 367 с.
23. Гржимальский Л. Л., Ильевский И. И. Технология и оборудование пайки. М.:
Машиностроение, 1983. 237 с.
24. Никитинский А. М. Пайка алюминия и его сплавов. М.: Машиностроение,
1983. 190 с.
25. Алюминиевые сплавы: Применение алюминиевых сплавов. Справочное руко-
водство/Под ред. Туманова А. Т. М.: Металлургия, 1973. 407 с.
26. Patrie Е. Р. —Welding Journal, 1975, v. 54, № 3, р. 159.
27. Tabuchi М. — Light Metals Welding, 1974, v. 12, № 143, p. 401.
28. Schulz W. —Welding Journal, 1973, v. 52, № 10, p. 644.
29. Schulz 117. — Schwifien und Schneiden, 1974, Bd. 26, № 4, S. 149.
30. Wall A. J.— J. Inst. Metals, 1962—1963, № 10, p. 394.
31. Михалев И. И., Колобова 3. Н., Батизат В. П. Технология склеивания метал-
лов. М.: Машиностроение, 1965. 279 с.
32. Кейгл Ч. Клеевые соединения: Пер. с англ./Под ред. Кардашова Д. А. М.:
Мир, 1971. 225 с.
33. Шилдс Дж. Клеящие материалы/Под ред. В. П. Батизата М.: Машиностроение,
1980. 368 с.
34. Вестник машиностроения, 1978, № 5, с. 63—67; № 6, с. 76—77.
К гл. 12
1. Алюминий/Под ред. Туманова А. Т., Квасова Ф. И., Фридляндера И. Н. М.:
Металлургия, 1972. 663 с.
2. Konig W., Lowin R., Steffeus K-, Hann V. — Ind.-Auz., 1981, Bd. 103, № 1-—2,
S. 14—20.
3. Алюминиевые сплавы (Свойства, обработка, применение): Пер. с нем./Под ред.
’ Дрица М. Е., Райтбарга Л. X. М.: Металлургия, 1979. 679 с.
4. Цветные металлы. Свойства. Сортамент. Применение: Справочник/Под ред.
Баженова М. Ф. М : Металлургия, 1973. 208 с.
5. Справочник металлиста/Под ред. Малова А. Н. Т. 2, 3 M.I Машиностроение,
1977, Т. 2 — 717 с., т. 3 — 748 с.
6. Тимофеев К. А., Шестов Н. М , Кочетов Н. Н. — Машиностроение, 1974, № 4,
с. 14—18.
7. Селеко М. Ф., Палатник Л. С., Гладких Л. И., Фукс М Я. — Вестник машино-
строения, 1966, Ks 12, с. 26—29.
335
8. Ипатов Н. С. — В кн.: Обработка материалов резанием. М.: МДНТП, 1977,
с. 128—135.
9. Писаревский М. И. Накатывание точных резьб и шлицев. М.: Машинострое-
ние, 1973. 222 с.
10. Зарецкий Е. М. Энциклопедия современной техники и конструкционных ма-
териалов. М.: Советская энциклопедия, 1965, т. 8, с. 354.
К гл. 13
1. Шрейдер А. В. Оксидирование алюминия и его сплавов. М.: Металлургия,
1960. 220 с.
2. Верник С., Пиннер Р. Химическая и электрохимическая обработка алюминия
и его сплавов: Пер. с англ./Под ред. Зеленова Б. Л., Веселовой Н. И. Л.: Суд-
промиздат, 1960. 387 с.
3. Томатов Н. Д., Тюкина И. Д., Заливалов Ф. П. Толстослойное анодирование
алюминия и его сплавов. М.: Машиностроение, 1968. 156 с.
4. Синявский В. С., Вальков В. Д., Вудов Г. М. Коррозия и защита алюминиевых
сплавов. М.: Металлургия, 1979. 223 с.
5. Розенфельд И. Л. Коррозия и защита металлов (локальные коррозионные про-
цессы). М.: Металлургия, 1970. 448 с.
6. Simpson N. И.—Corrosion, 1950, v. 6, № 2, р. 51—57.
7. Берукштис Г. К., Кларк Г. Б. Коррозионная устойчивость металлов и метал-
лических покрытий в атмосферных условиях. М.: Наука, 1971. 159 с.
8. Юхтанова Н. С., Громова В. С., Кларк Г. Б. — Исследования по коррозии
металлов: Науч. тр./Ин-т физической химии АН СССР. М.: Изд-во АН СССР,
1960, Вып. 8, с. 173—180.
9. Дмпольский А. М., Ильин В. А. Краткий справочник гальванотехника. Л.:
Машиностроение, 1981. 269 с.
10. Лайнер В. И. — В кн.: Электролитическое осаждение сплавов. М.: Машгиз,
1961, с. 186—197.
11. Sivakumar К-, RamaChar Т. L.—J. Inst. Eng. (India), 1972, v. 53, Ks l,p.22—27.
12. Kissel L., Kishi G. — Metal Finish., 1981. v. 75, № 8, p. 27—42.
13. Ямпольский A. M. Меднение и никелирование. Л.: Машиностроение, 1977,
112 с.
14. Process guide, 1979, v. 15, № 2, р. 54—56, 58—60.
15. Бярнотас А. К., Матулис 10. Ю., Бубялис Ю. С. и др. — В кн.: Металличе-
ские и неметаллические покрытия легких металлов и сплавов. Ч. 1. Л.: ЛДНТП,
1970, с. 33—38.
16. А. с. № 152160 (СССР)./Семерюк В. И. Опубл, в Б. И., 1962, № 23, с. 43.
17. Keller F., Hunter Al. S., Robinson D. L. — J. Electrochem. Soc., 1953, v. 100,
p. 411.
18. Александров Я. И. — Электрохимия, 1976, т. 12, № 3, с. 350—354.
19. Справочное руководство по гальванотехнике: Пер. с нем./Подред. Лайнера В. И.
М.: Металлургия, 1969. 416 с.
20. Инженерная гальванотехника в приборостроении/Под ред. Гинберга А. М.
М.: Машиностроение, 1977,- 512 с.
21. Грилихес С. Я-, Евсеева Т. А., Соловьев Л. В. Защитно-декоративные покрытия
алюминия. Л.: ЛДНТП, 1980 21 с.
22. А. с. 165955 (СССР)/Лукомский Ю. Я-, Ланина С. Я-, Герасимова Н. Н. Опубл,
в Б. И., 1964, № 20, т. 78.
23. Лукомский Ю. Я-, Ланина С. Я, Григорьева И. И. — Защита металлов, 1968,
т. 4, № 3, с. 326—328.
24. Лукомский Ю. Я-, Александрова А. А!., Тихомирова Г. С. и др. — Технология
и организация производства, 1970, № 1, с. 73—75.
25. Прияткин Г. М., Лукомский Ю. Я-< Гудзюк Г. И. и др. —- Изв. вузов. Химия
и хим. технология, 1983, т. 26, № 3, с. 328—330.
26. Лукомский Ю. Я-, Мулина Т. В., Овакимян Р. Г. и др. — Защита металлов,
1982, т. 18, № 3, с. 459—461.
27. А. с. 268114 (СССР)/Лукомскип Ю. Я., Горшков В. К. Опубл, в Б. И., 1970,
№ 13, с. 122.
28. Коптева Р. В., Лукомский IO. Я-, Гамбург Ю. Д. — Изв. вузов. Химия и хим.
технология, 1976, т. 19, № 8, с. 1242—1245.
336
29. Лукомский Ю. Д., Невский О. И., Коптева Р В. — Защита металлов, 1976,
т. 12, № 6, с. 606—608.
30. Деккер И. II., Гольдберг Л1. М. Защита изделий из алюминия и его сплавов
лакокрасочными покрытиями. М.: Химия, 1975. 176 с.
31. Чеботарсвский В. В., Кондратов Э. К. Технология лакокрасочных покрытий
в машиностроении. М.: Машиностроение, 1978. 2 3 с.
32. Лакокрасочные покрытия в машиностроении: Справочник/Под ред. Гольд-
берга М. М. М.: Машиностроение, 1974. 576 с.
33. Владимирский В. Н., Дснкер II. II., Чеботарсвский В. В.—Лакокрасочные
материалы и их применение, 1973, № 1, с. 54—56.
34. Владимирский В. Н., Денкер И. И. Эрозионностойкие покрытия: Энциклопе-
дия полимеров. М.: Химия, 1977, т. III.
35. Артамонова М. В. — В кн.: Химическая технология стекла и ситаллов. М.:
Стройиздат, 1983, с. 9—77.
36. Grobkopf \V. — Aluminium, 1978, Bd. 54, № 8, S. 527—528.
37. Kiguestul A., Krist G.—Mitteilungen des Vareins Deutscher Emeilfachlute,
1978, Bd 26, № 4, S. 41—45.
38. Богоявленский А. Ф. — Изв. вузов. Химия и хим. технология, 1967, вып. 5,
с. 712.
39. Грачева М. П. Гальванотехника при изготовлении изделий бытового назначе-
ния. М.: Легкая промышленность, 1969. 304 с.
40. Розенбойм Г. Б. Эматалирование в судовом машиностроении. М.: Судострое-
ние, 1969. 208 с.
К гл. 14
1. Коррозия: Справочное издание: Пер. с англ./Под ред. Синявского В. С. М.:
Металлургия, 1981. 624 с.
2. Крейн С. Э., Ulexmep IO. Н., Фертман Е. В. и др. — Защита металлов, 1969,
т. 5, Ks 6, с. 694.
3. Заливалов Ф. П., Иванова Е. К. — Технология легких сплавов, 1971, № 1,
с. 104.
4. Розенфельд И. Л. Ингибиторы коррозии М : Химия, 1977. 350 с.
5. Лапшин П. Н., Курлов О. Н., Заливалов Ф. П. и др. — Технология легких спла-
вов, 1979, № 11—12, с. 36.
Предметный указатель
Алюминий высокой чистоты 189
— технический 9, 194, 206, 228
— электротехнический 194
Алюминиевые сплавы:
АБМ (алюминий—бериллий—магний) 116, 144
АПН 210, 211
вторичные деформируемые 104, 198
—-литейные 103, 104, 242
— высокомодульные 116, 143
— высокопрочные деформируемые 136, 143
-литейные 158
герметичные литейные 159
деформируемые 9, 104, 134
для болтов 9, 124, 136, 253
— бурильного оборудования 178
— двигателей 163
— декоративной отделки 79, 95, 153, 214
— летательных аппаратов 114, 134, 145, 151
— нефтяной и газовой промышленности 178, 183, 185
— сварочной проволоки 9, 80, 268
— сельского хозяйства 228, 231, 234, 236, 240
— строительных конструкций 9, 38
— судостроения 60, 62, 89, 90
— товаров широкого потребления 214, 220
— транспорта автомобильного 104, 107, 109, 111
-железнодорожного 96, 98
— химической промышленности 193
жаропрочные деформируемые 150, 170
— литейные 159, 163
заклепочные 9, 136, 157, 244
ковочные 123, 167
коррозионностойкие 60, 102, 155, 189, 231
литейные 9, 107, 158
нагартованные 9, 266
невысокой прочности 9, 194
припои 272
проводниковые 194
САВ 207
САП 137, 209
свариваемые 61, 151, 266, 267
сверхлегкие 143
с высоким удельным электросопротивлением 199
средней прочности 9, 136
термически неупрочняемые 9, 136, 152, 228, 266
— упрочняемые 9, 136, 152, 228, 267
Анодирование 301
— декоративное 305
— сернокислотное 303, 304
— твердое 305
— толстослойное 180, 304
— тонкослойное 180
— хромовокислотное 303, 304
— щавелевокислотное 304
Биметаллические изделия 200, 217
Консервация 322, 328
Коробление при закалке 171
— —механической обработке 130, 171, 289
------сварке 73, 260, 265
338
Обработка поверхности вибрационная ударная 295
----дорнование 255
----дробью 296
---- обкатыванием 297
----пластическое деформирование 294
---- пневмодинамический наклеп 297
----раскатывание 255, 297
----ударно-барабанная 297
----упрочняющая 132, 294
— резанием 128, 280
----заготовительные работы 282
---- зенкерование 289
----инструментальные материалы 283
---- лезвийная 284
---- протягивание 292
---- развертывание 289
---- растачивание 292
----резьбонарезание 124, 292
---- сверление 289
---- точение 284, 285
----фрезерование 284, 286
----шлифование 294
Остаточные напряжения:
в болтовых соединениях 254, 255
закалочные 131
от обработки поверхностной упрочняющей 133, 295, 297
---- резанием 129, 289
— сварки контактной 256
---- плавлением 265
Пайка 269
— в печах 272
соляной ванне 270
— газопламенная 270
— припоем 272
— с абразивным лужением 269
— ультразвуковая 270
— флюсы 274
Плакирование 118
— листов припоями 270, 272
---сверхчистым алюминием с высокой отражательной способностью
214
— полуфабрикатов (катаных и прессованных) электротехническим
алюминием 198
— труб 92, 180, 187, 240
Покрытия:
анодно-окисные 180, 268, 276, 303, 324
антикоррозионной бумагой 324
временные 318, 322, 327
грунтовые 305, 314
декоративные 313
для консервной тары 223, 316
— строительных конструкций 7, 316
защитно-декоративные 307, 319, 322
защитные 300, 301, 307
ингибированные 323, 328
кадмиевые 308
лаковые 225, 313, 318
лакокрасочные 312
339
Покрытия:
никелевые 308, 312
оловянные 308, 312
пленочные с липким слоем 324
полиакриловые 314
полиуретановые 315
перхлорвиниловые 314
серебряные 308, 312
стеклоэмалевые 319
тефлоновые 215
топливостойкие 315
фторопластовые 215
функциональные 307
химические окисные 180, 213, 300, 306
хромовые 308, 312
эмалевые 314
эматаль-пленочные 320
эпоксидные 314
эрозионностойкие 316
Правка 126, 260
Сварка:
газовая 261
диффузионная 218
дуговая в среде инертных газов 74, 200, 261
контактная 81, 256
плавлением 261
радиочастотная 220
стыковая 70, 260
точечная 81, 256
шовная 81, 256
электронно-лучевая 263
Свойства:
абразивостой кость 102
герметичность 175
декоративные качества 6, 59, 111, 136, 153, 178, 219
жаропрочность 145, 163
жаростойкость 163
износостойкость 224, 242
искрообразование 7, 60, 67, 178, 190
коррозионная стойкость 6, 60, 102, 118, 178, 183
---сварных соединений 267, 268
коррозионная усталость 118, 156
коррозионно-эрозионный износ 181
коэффициент линейного расширения 71, 163
— разупрочнения при сварке 266
— трения 229
— трещинообразования при сварке 267
механические 88, 90
модуль упругости 116
немагнитность 7, 59
о гнестойкость 67
отражательная способность 7, 229, 231, 234
пластичность 115
плотность 7, 115, 219 , 223, 229, 236
при низких температурах 7, 119, 153
— повышенных температурах 119, 170
свариваемость 60, 61, 267
сопротивление износу 163
способность к гибу 205
статическая выносливость 138
340
Свойства:
теплопроводность 71, 103
технологичность 6, 11, 60, 103
трещиностойкость 118
удельная прочность 178, 179
удельное электросопротивление 199
усталость 7, 60, 116, 167, 251
— болтовых соединений с натягом 255
— клеевых соединений 275
— после поверхностного упрочнения 132, 156, 295, 297
электрическая проводимость 194
ядерно-физические 206, 208
Соединения:
болтовые 14, 124, 253
— заклепочные 253
— с натягом 254
клеевые 14, 19, 127
клеесварные 127
клепаные 14, 124, 157, 243
— с натягом 253
комбинированные 14
паяные 112, 269
резьбовые 124, 292
сварные 14, 19, 70, 111, 127, 256
Травление химическое (химфрезерование) 298
Транспортирование 57, 325
Упаковка 325
Хранение 326, 328
Эмалирование 319
Эматалнрованне 320
МОРИЦ БОРИСОВИЧ АЛЬТМАН
ГЕННАДИЙ НИКОЛАЕВИЧ АНДРЕЕВ
ЮРИЙ ПЕТРОВИЧ АРБУЗОВ И ДР,
ПРИМЕНЕНИЕ
АЛЮМИНИЕВЫХ
СПЛАВОВ
Редактор издательства М. И. Заславская
Художественный редактор Ю. И. Смурыгин
Технический редактор Н. А. Сперанская
Корректоры: Ю. И. Королева, Т. В. Чуприс
И Б № 2397
Сдано в набор 21.05.85. Подписано в печать 30.09.85. Т-17410. Формат бумаги бОХЭО’/^в-
Бумага книжно-журнальная. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ.
л. 21,5. Усл. кр.-отт- 21,25. Уч.-изд. л. 27,74. Тираж 7000 экз. Заказ 132.
Цена 1 р. 80 к. Изд. № 1363
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Металлургия»,
119857, ГСП, Москва, Г-34, 2-й Обыденский пер., д. 14
Ленинградская типография № 6 ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой
Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
193144, Ленинград, С-144, ул. Моисеенко, 10.
ЗАКАЗЫВАЙТЕ КНИГИ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ
«МЕТАЛЛУРГИЯ»!
Вам предлагаются книги выпуска 1986 г., заказы
на которые принимает только издательство «Металлур-
гия». Книготорговые организации и бибколлекторы
заказы на эти книги не принимают. В продажу через
книжные магазины они не поступят.
По мере выхода книг из печати Вы получите их
наложенным платежом из магазина «Книга — почтой»
№ 93 через местное почтовое отделение.
Заказы направляйте по адресу: 119857, ГСП, Москва,
2-й Обыденский пер., д. 14. Отдел распространения.
Заказы принимаются до 15 ноября 1985 г.
АгранатБ. А., ГудовичА. П., НежевенкоЛ. Б.
Ультразвук в порошковой металлургии. 12 л. 65 к.
Андриевский Р. А. Материаловедение гидридов. 12 л.
1 р. 80 к.
Б а ш и л о в В. А., Б л и з н ю к В. А., К и я н с к и й И. А.,
Сухарев М. М. Композиционные сверхпроводящие материалы
волокнистого строения. 10 л. 1 р. 50 к.
Б е л я е в А. С., Б е л я е в М. А. Ремонт алюминиевых элек-
тролизеров. 10 л. 50 к.
Дели м а р с к и й Ю. К. Теоретические основы электролиза
ионных расплавов. 18 л. 2 р. 70 к.
Дорфман В. Ф. Синтез твердотельных структур. 18 л.
2 р. 70 к.
Золотухин И. В. Физические свойства аморфных метал-
лических материалов. 15 л. 2 р. 30 к.
К а г р а м а н я н С. Л. Организационно-экономические АСУ
в цветной металлургии. 12 л. 60 к.
Кравченко Н. Д., К а р м а з и н В. И. Магнитная сепара-
ция отходов цветных металлов. 8 л. 40 к.
Кузьменко В. А. Прессование алюминиевых сплавов.
8 л. 40 к.
К У р и т н ы к И. П., Б у р х а н о в Г. С., С т а д н ы к Б. И.
Материалы высокотемпературной термометрии. 15 л. 2 р. 30 к.
Л е о н т ь е в П. А., X а н М. Г., Ч е к а н о в а Н. Т. Лазер-
ная поверхностная обработка металлов и сплавов. 10 л. 1 р. 50 к.
Н и к о л а е в а Е. Г., К и р п а И. Г. Очистка технологической
смазки в системах прокатных станов. 10 л. 55 к.
343
Носов В. К., К о л а ч е в Б. А. Водородное пластифициро-
вание при горячей деформации титановых сплавов. 8 л. 1 р. 20 к.
О в е р и н Б. А. Электробезопасность в электролизных установ-
ках. 8 л. 40 к.
Островский В. С., Виргильев Ю. С., Кости-
ков В. И. и др. Искусственный графит. 19 л. 2 р. 90 к.
П е т р о в Д. А. Двойные и тройные системы. 20 л. 3 р.
Рубинштейн Т. Б. Капиталоемкость в цветной металлур-
гии. 10 л. 50 к.
С а л ь н и к о в В. Г., Ш е в ч е н к о В. В. Эффективные си-
стемы электроснабжения предприятий цветной металлургии. 20 л.
1 р. 10 к.
Сизяков В. М., Корнеев В. И., Андреев В. В.
Повышение качества глинозема и попутной продукции при пере-
работке нефелинов. 8 л. 40 к.
Т и х и н с к и й Г. Ф., Ковтун Г. П., А ж а ж а В. М.
Получение сверхчистых редких металлов. 16 л. 85 к.
Тучинский Л. И. Композиционные материалы, получа-
емые методом пропитки. 15 л. 2 р. 30 к.
Ч и ж о в Д. И., Г р е ч к о А. В. Отопительно-дутьевые устрой-
ства на природном газе в пирометаллургии. 12 л. 65 к.
ИЕВЫХ