Кольчугалюминий

Кольчугалюминий — это обобщённое название группы алюминиевых сплавов, легированных цинком, магнием и медью, обладающих высокой прочностью, сопоставимой с прочностью некоторых марок стали, и широко применяемых в авиастроении, ракетостроении и других отраслях высокотехнологичной промышленности. Термин является историческим и неформальным, возникшим в среде советских авиационных инженеров и рабочих в 1930-х — 1940-х годах для обозначения высокопрочных алюминиевых сплавов, которые, по аналогии с кольчугой, обеспечивали прочность и защиту при относительно небольшом весе. В научно-технической литературе и стандартах (ГОСТ) эти сплавы классифицируются как деформируемые алюминиевые сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu (алюминий-цинк-магний-медь).

История

Предпосылки создания

В начале XX века алюминий и его сплавы начали активно использоваться в авиации, где требовалось сочетание лёгкости и прочности. Первые алюминиевые сплавы (например, дюралюминий, разработанный в Германии в 1909 году) обладали прочностью около 300–400 МПа, что было недостаточно для новых поколений самолётов, особенно военных. В 1930-х годах в СССР, США и Германии велись интенсивные исследования по созданию сплавов с пределом прочности свыше 500 МПа.

Разработка в СССР

В Советском Союзе работы по созданию высокопрочных алюминиевых сплавов велись в Центральном научно-исследовательском институте авиационного материаловедения (ВИАМ) и на алюминиевых заводах. Ключевая роль в разработке принадлежит учёным-металлургам, в частности, В. А. Ливанову, И. Н. Фридляндеру и другим. В 1930-х годах был создан сплав В95 (В — высокопрочный, 95 — номер разработки), который стал основой для «кольчугалюминия». Сплав В95 обладал пределом прочности до 550–600 МПа, что значительно превосходило характеристики дюралюминия. Название «кольчугалюминий» закрепилось в производственной среде из-за того, что листы из этого сплава, по рассказам очевидцев, с трудом пробивались пулями из стрелкового оружия, напоминая по защитным свойствам кольчугу.

Развитие и применение

В 1940-х годах сплавы типа В95 и их модификации (В95пч, В95оч) начали массово применяться в конструкции самолётов: силовые элементы крыла, лонжероны, шпангоуты, обшивка. В послевоенный период, с развитием реактивной авиации и ракетной техники, требования к прочности и жаропрочности возросли. Были разработаны сплавы В96, В96ц, 1933 и другие, которые также иногда относили к «кольчугалюминию». В 1960–1970-х годах эти сплавы использовались в конструкции сверхзвуковых самолётов (Ту-144, МиГ-25, Су-27) и ракет-носителей (например, «Протон»).

Классификация и состав

Химический состав

Основные компоненты «кольчугалюминия» — это алюминий (основа), цинк (5–8 %), магний (2–3 %), медь (1–2 %). В небольших количествах могут добавляться марганец, хром, цирконий, титан для улучшения технологических свойств и коррозионной стойкости. Содержание примесей (железо, кремний) строго регламентируется.

Основные марки

В российской системе ГОСТ к «кольчугалюминию» относят сплавы серий В95, В96, В96ц, В93, 1933, 1973. В международной классификации (AA — Aluminium Association) аналогами являются сплавы серий 7xxx (например, 7075, 7050, 7475). Сплав 7075, разработанный в США в 1943 году, по свойствам близок к советскому В95.

Типы упрочнения

«Кольчугалюминий» относится к термически упрочняемым сплавам. Основной механизм упрочнения — дисперсионное твердение (старение). После закалки (нагрев до 450–480 °C, быстрое охлаждение) сплав находится в пересыщенном твёрдом растворе. При последующем искусственном старении (нагрев до 120–180 °C в течение нескольких часов) из раствора выделяются мелкодисперсные частицы интерметаллидов (например, MgZn₂, Al₂CuMg), которые препятствуют движению дислокаций, резко повышая прочность.

Свойства и характеристики

Механические свойства

• Предел прочности при растяжении (σв): 500–650 МПа (для сравнения: у конструкционной стали Ст3 — 370–480 МПа, у дюралюминия Д16 — 400–450 МПа).
• Предел текучести (σ0,2): 450–550 МПа.
• Относительное удлинение (δ): 5–12 % (снижается с ростом прочности).
• Твёрдость по Бринеллю: 130–170 HB.
• Модуль упругости: 70–72 ГПа (примерно в 3 раза ниже, чем у стали).

Физические свойства

• Плотность: 2,75–2,85 г/см³ (примерно в 3 раза легче стали).
• Температура плавления: 470–630 °C (интервал солидус-ликвидус).
• Теплопроводность: 130–160 Вт/(м·К) (выше, чем у стали).
• Электропроводность: 30–40 % от меди (по IACS).

Коррозионная стойкость

Высокопрочные алюминиевые сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu обладают пониженной коррозионной стойкостью по сравнению с дюралюминием или алюминиево-магниевыми сплавами. Они склонны к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением. Для защиты применяются:

• плакирование (нанесение тонкого слоя чистого алюминия или коррозионно-стойкого сплава);
• анодирование;
• лакокрасочные покрытия;
• ингибиторы коррозии.

Технология производства

Плавка и литьё

Плавка ведётся в электрических печах под слоем флюса для защиты от окисления. Литьё — в слитки (чушки) методом полунепрерывного литья. Из-за высокой склонности к горячим трещинам требуется строгий контроль температуры и скорости охлаждения.

Деформация

Слитки подвергаются горячей прокатке (листы, плиты), прессованию (профили, прутки, трубы) или ковке (штамповки). Температура деформации — 350–450 °C. После деформации проводят закалку и искусственное старение.

Обработка резанием

«Кольчугалюминий» обрабатывается резанием хуже, чем дюралюминий, из-за высокой твёрдости и склонности к наростообразованию. Требуются твёрдосплавные инструменты, обильное охлаждение и оптимальные режимы резания.

Применение

Авиастроение

Основная область применения — силовые элементы планера самолётов и вертолётов:

• лонжероны крыла и стабилизатора;
• шпангоуты фюзеляжа;
• обшивка в зонах высоких нагрузок;
• детали шасси;
• узлы крепления двигателей.

Ракетно-космическая техника

• Корпуса ракетных двигателей;
• баки горючего и окислителя;
• силовые шпангоуты и переходники;
• элементы конструкции спутников и космических аппаратов.

Прочие отрасли

• Высоконагруженные детали в машиностроении (пресс-формы, штампы);
• спортивный инвентарь (велосипедные рамы, клюшки для гольфа);
• бронеэлементы для лёгкой бронетехники (в сочетании с керамикой).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокое отношение прочности к весу (удельная прочность).
• Хорошая обрабатываемость давлением (ковка, штамповка, прессование).
• Возможность получения широкого спектра полуфабрикатов (листы, профили, трубы, поковки).
• Относительно низкая стоимость по сравнению с титановыми сплавами.

Недостатки

• Низкая коррозионная стойкость (требуется защита).
• Склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением.
• Ограниченная свариваемость (сварка плавлением затруднена, применяется сварка трением с перемешиванием или клёпка).
• Высокая чувствительность к концентраторам напряжений (требуется тщательное проектирование).

Интересные факты

• Название «кольчугалюминий» не является официальным и не встречается в ГОСТах. Оно возникло в среде авиастроителей и было популяризировано в мемуарной литературе.
• Сплав В95 использовался в конструкции крыла самолёта МиГ-25, который развивал скорость более 3 Махов.
• В 1970-х годах в СССР был разработан сплав 1933, который по прочности превосходил В95 на 10–15 %, но из-за сложности технологии не получил широкого распространения.
• В США сплав 7075 применялся в конструкции самолёта F-16 Fighting Falcon и космического корабля Space Shuttle.

Источники

• Фридляндер И. Н. «Высокопрочные алюминиевые сплавы» (М.: Металлургия, 1966).
• Ливанов В. А., Бухман В. М. «Алюминиевые сплавы в авиастроении» (М.: Машиностроение, 1975).
• ГОСТ 4784-97 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки».
• «Справочник по авиационным материалам» (М.: ВИАМ, 1985).
• «Aluminium Alloys: Structure and Properties» by L. F. Mondolfo (Butterworths, 1976).