Классификация алюминиевых сплавов по способу изготовления

Алюминий и его сплавы: характеристика, свойства, применение

Алюминий — серебристо-белый легкий парамагнитный металл. Впервые получен физиком из Дании Гансом Эрстедом в 1825 году. В периодической системе Д. И. Менделеева имеет номер 13 и символ Al, атомная масса равна 26,98.

Производство алюминия

Для производства алюминия используют бокситы — это горная порода, которая содержит гидраты оксида алюминия. Мировые запасы бокситов почти не ограничены и несоизмеримы с динамикой спроса.

Боксит дробят, измельчают и сушат. Получившуюся массу сначала нагревают паром, а затем обрабатывают щелочью — в щелочной раствор переходит большая часть оксида алюминия. После этого раствор длительно перемешивают. На этапе электролиза глинозем подвергают воздействию электрического тока силой до 400 кА. Это позволяет разрушить связь между атомами кислорода и алюминия, в результате чего остается только жидкий металл. После этого алюминий отливают в слитки или добавляют к нему различные элементы для создания алюминиевых сплавов.

Алюминиевые сплавы

Наиболее распространенные элементы в составе алюминиевых сплавов — медь, марганец, магний, цинк и кремний. Реже встречаются сплавы с титаном, бериллием, цирконием и литием.

Алюминиевые сплавы условно разделяют на две группы: литейные и деформируемые.

Для изготовления литейных сплавов расплавленный алюминий заливают в литейную форму, которая соответствует конфигурации получаемого изделия. Эти сплавы часто содержат значительные примеси кремния для улучшения литейных свойств.

Деформируемые сплавы сначала разливают в слитки, а затем придают им нужную форму.

Происходит это несколькими способами в зависимости от вида продукта:

1. Прокаткой, если необходимо получить листы и фольгу.
2. Прессованием, если нужно получить профили, трубы и прутки.
3. Формовкой, чтобы получить сложные формы полуфабрикатов.
4. Ковкой, если требуется получить сложные формы с повышенными механическими свойствами.

Марки алюминиевых сплавов

Для маркировки алюминиевых сплавов согласно ГОСТ 4784-97 пользуются буквенно-цифровой системой, в которой:

• А — технический алюминий;
• Д — дюралюминий;
• АК — алюминиевый сплав, ковкий;
• АВ — авиаль;
• В — высокопрочный алюминиевый сплав;
• АЛ — литейный алюминиевый сплав;
• АМг — алюминиево-магниевый сплав;
• АМц — алюминиево-марганцевый сплав;
• САП — спеченные алюминиевые порошки;
• САС — спеченные алюминиевые сплавы.

После первого набора символов указывается номер марки сплава, а следом за номером — буква, которая обозначает его состояние:

• М — сплав после отжига (мягкий);
• Т — после закалки и естественного старения;
• А — плакированный (нанесен чистый слой алюминия);
• Н — нагартованный;
• П — полунагартованный.

Виды и свойства алюминиевых сплавов

Алюминиево-магниевые сплавы

Эти пластичные сплавы обладают хорошей свариваемостью, коррозийной стойкостью и высоким уровнем усталостной прочности.

В алюминиево-магниевых сплавах содержится до 6% магния. Чем выше его содержание, тем прочнее сплав. Повышение концентрации магния на каждый процент увеличивает предел прочности примерно на 30 МПа, а предел текучести — примерно на 20 МПа. При подобных условиях уменьшается относительное удлинение, но незначительно, оставаясь в пределах 30–35%. Однако при содержании магния свыше 6% механическая структура сплава в нагартованном состоянии приобретает нестабильных характер, ухудшается коррозийная стойкость.

Для улучшения прочности в сплавы добавляют хром, марганец, титан, кремний или ванадий. Примеси меди и железа, напротив, негативно влияют на сплавы этого вида — снижают свариваемость и коррозионную стойкость.

Алюминиево-марганцевые сплавы

Это прочные и пластичные сплавы, которые обладают высоким уровнем коррозионной стойкости и хорошей свариваемостью.

Для получения мелкозернистой структуры сплавы этого вида легируют титаном, а для сохранения стабильности в нагартованном состоянии добавляют марганец. Основные примеси в сплавах вида Al-Mn — железо и кремний.

Сплавы алюминий-медь-кремний

Сплавы этого вида также называют алькусинами. Из-за высоких технических свойств их используют во втулочных подшипниках, а также при изготовлении блоков цилиндров. Обладают высокой твердостью поверхности, поэтому плохо прирабатываются.

Алюминиево-медные сплавы

Механические свойства сплавов этого вида в термоупрочненном состоянии порой превышают даже механические свойства некоторых низкоуглеродистых сталей. Их главный недостаток — невысокая коррозионная стойкость, потому эти сплавы обрабатывают поверхностными защитными покрытиями.

Алюминиево-медные сплавы легируют марганцем, кремнием, железом и магнием. Последний оказывает наибольшее влияние на свойства сплава: легирование магнием значительно повышает предел текучести и прочности. Добавление железа и никеля в сплав повышает его жаропрочность, кремния — способность к искусственному старению.

Алюминий-кремниевые сплавы

Сплавы этого вида иначе называют силуминами. Некоторые из них модифицируют добавками натрия или лития: наличие буквально 0,05% лития или 0,1% натрия увеличивает содержание кремния в эвтектическом сплаве с 12% до 14%. Сплавы применяются для декоративного литья, изготовления корпусов механизмов и элементов бытовых приборов, поскольку обладают хорошими литейными свойствами.

Сплавы алюминий-цинк-магний

Прочные и хорошо обрабатываемые. Типичный пример высокопрочного сплава этого вида — В95. Подобная прочность объясняется высокой растворимостью цинка и магния при температуре плавления до 70% и до 17,4% соответственно. При охлаждении растворимость элементов заметно снижается.

Основной недостаток этих сплавов — низкую коррозионную стойкость во время механического напряжения — исправляет легирование медью.

Авиаль

Авиаль — группа сплавов системы алюминий-магний-кремний с незначительными добавлениями иных элементов (Mn, Cr, Cu). Название образовано от сокращения словосочетания «авиационный алюминий».

Применять авиаль стали после открытия Д. Хансоном и М. Гейлером эффекта искусственного состаривания и термического упрочнения этой группы сплавов за счет выделения Mg2Si.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью и удовлетворительной коррозионной стойкостью. Из авиаля изготавливают кованые и штампованные детали сложной формы. Например, лонжероны лопастей винтов вертолетов. Для повышения коррозионной стойкости содержание меди иногда снижают до 0,1%.

Также сплав активно используют для замены нержавеющей стали в корпусах мобильных телефонов.

Физические свойства

• Плотность — 2712 кг/м 3 .
• Температура плавления — от 658°C до 660°C.
• Удельная теплота плавления — 390 кДж/кг.
• Температура кипения — 2500 °C.
• Удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг.
• Удельная теплоемкость — 897 Дж/кг·K.
• Электропроводность — 37·10 6 См/м.
• Теплопроводность — 203,5 Вт/(м·К).

Химический состав алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы
Марка		Массовая доля элементов, %											Плотность, кг/дм³
ГОСТ	ISO 209-1-89	Кремний (Si)	Железо (Fe)	Медь (Cu)	Марганец (Mn)	Магний (Mg)	Хром (Cr)	Цинк (Zn)	Титан (Ti)	Другие		Алюминий не менее
										Каждый	Сумма
АД000	A199,8 1080A	0,15	0,15	0,03	0,02	0,02	0,06	0,02	0,02	99,8	2,7
АД00 1010	A199,7 1070A	0,2	0,25	0,03	0,03	0,03	0,07	0,03	0,03	99,7	2,7
АД00Е 1010Е	ЕА199,7 1370	0,1	0,25	0,02	0,01	0,02	0,01	0,04	Бор:0,02 Ванадий+титан:0,02	0,1	99,7	2,7

Применение алюминия

Ювелирные изделия

В далеком прошлом из-за высокой стоимости алюминия его использовали для изготовления ювелирных изделий. Так, весы с алюминиевыми и золотыми чашами были подарены Д. И. Менделееву в 1889 г.

Когда себестоимость алюминия снизилась, мода на ювелирные изделия из этого металла прошла. Но и в наши дни его используют для изготовления бижутерии. В Японии, например, алюминием заменяют серебро при производстве национальных украшений.

Столовые приборы

По-прежнему пользуются популярностью столовые приборы и посуда из алюминия. В частности, в армии широко распространены алюминиевые фляжки, котелки и ложки.

Стекловарение

Алюминий широко применяют в стекловарении. Высокий коэффициент отражения и низкая стоимость вакуумного напыления — основные причины использования алюминия при изготовления зеркал.

Пищевая промышленность

Алюминий зарегистрирован как пищевая добавка Е173. Ее используют в качестве пищевого красителя, а также для сохранения продуктов от плесени. Е173 окрашивает кондитерские изделия в серебристый цвет.

Военная промышленность

Из-за небольшого веса и низкой стоимости алюминий широко применяют при изготовлении ручного стрелкового оружия — автоматов и пистолетов.

Ракетная техника

Алюминий и его соединения используют в качестве ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твердых ракетных топливах.

Алюмоэнергетика

В алюмоэнергетике алюминий используют для производства водорода и тепловой энергии, а также выработки электроэнергии в воздушно-алюминиевых электрохимических генераторах.

Источник

Алюминиевые сплавы: классы, серии и обозначения

Химический состав и состояние

Чистый алюминий является довольно слабым конструкционным материалом с пределом прочности около 90 МПа. Однако при добавлении к алюминию небольших количеств таких легирующих элементов как марганец, кремний, медь, магний или цинк, а также соответствующей термической обработки и/или после холодной пластической деформации, предел прочности алюминия – или уже алюминиевого сплава – может достигать 700 МПа.

Многие алюминиевые сплавы имеют широкие интервалы механических и физических свойств в зависимости от вида их состояния. Эти состояния они получают в результате технологической обработки алюминиевого изделия, как термической, так и деформационной. Эти широкие интервалы свойств алюминиевых сплавов дают возможность широкого выбора именно такого алюминиевого сплава, который бы максимально обеспечивал заданные свойства при минимуме затрат.

Три класса алюминия

Алюминий подразделяется на три основных класса:

• «чистый» алюминий; это – алюминий с различной степенью чистоты, марки алюминия;
• алюминиевые сплавы для фасонного литья, то есть литья отливок; это – литейные алюминиевые сплавы.
• алюминиевые сплавы для изготовления изделий методами обработки металлов давлением, то есть, прессованием (экструзией), прокаткой, ковкой, штамповкой; это – деформируемые алюминиевые сплавы.

Чистый алюминий

Промышленный нелегированный алюминий – технически чистый алюминий – содержит алюминия от 99,80 до 99,00 %. Нелегированный алюминий имеет относительно низкую прочность и поэтому находит ограниченное применение в качестве конструкционного материала. Исключение составляют те случаи, когда важными являются хорошая электрическая проводимость, легкость обработки и высокая коррозионная стойкость. Чистый алюминий не обладает способностью термически упрочняться. Однако прочностные свойства чистого алюминия могут повышаться путем нагартовки, то есть холодной пластической деформации.

Чистый алюминий обладает плохими литейными свойствами, поэтому его применяют в основном в виде изделий, которые получают методами обработки металлов давлением.

Деформируемые алюминиевые сплавы

Большинство алюминиевых сплавов, которые применяют для изготовления изделий методами обработки металлов давлением, содержат не более 7 % легирующих элементов. Путем регулирования количества и типа легирующих элементов улучшают свойства алюминия и повышают его технологические характеристики. Например, для таких специфических производственных процессов как прессование (экструзия) и ковка разработаны специальные алюминиевые сплавы.

Деформируемые алюминиевые сплавы (также как и литейные сплавы) подразделяются на термически упрочняемые и термически неупрочняемые сплавы. Повышение механических свойств термически неупрочняемых алюминиевых сплавов производят путем нагартовки, то есть холодной пластической деформации с последующим частичным отжигом или без него. Повышение механических свойств термически упрочняемых сплавов достигают путем их закалки с подходящей температуры и последующего старения. Для некоторых термически упрочняемых сплавов применяют комбинацию термической обработки и нагартовки.

Основными видами изделий-полуфабрикатов, которые получают из деформируемых алюминиевых сплавов, являются:

• листы (плиты),
• фольга,
• прессованные профили, трубы, прутки, стержни,
• холоднотянутые трубы;
• проволока и
• поковки.

Литейные алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы, которые предназначены для литья отливок содержат один или более легирующих элементов в количестве не более 12 % каждого. Некоторые литейные сплавы «сконструированы» так, чтобы их можно было применять в литом состоянии без какой-либо термической обработки. Другие сплавы имеют такой химический состав, чтобы их можно было подвергать термической обработке для повышения их механических свойств и размерной стабильности. Высокую прочность вместе с хорошей пластичностью можно получать путем выбора подходящего химического состава и термической обработки.

Классификация алюминиевых сплавов

В мировой алюминиевой промышленности применяется система классификации алюминиевых сплавов, которая основана на системе Американской Алюминиевой Ассоциации (АА). Эту же классификацию применяют международные стандарты ISO и европейские стандарты EN, но в дополнение к цифровым обозначениям сплавов применяют также буквенно-цифровые обозначения.

Все алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные, которые, в свою очередь, подразделяются на различные серии (группы) по главным легирующим элементам. Каждая из этих групп принадлежит или к термически упрочняемым сплавам, или к термически неупрочняемым сплавам.

На основании классификации Американской Алюминиевой Ассоциации американский стандарт ANSI H35.1 дает системы обозначений алюминия и алюминиевых сплавов, которые включают:

• способ их применения (деформируемые, литейные и для слитков для переплава), а также
• состояние сплава (за исключением слитков для переплава, которые не имеют состояния).

Обозначения деформируемых сплавов

Для обозначения деформируемого алюминия и деформируемых алюминиевых сплавов применяется международная цифровая система из четырех цифр:

Таблица 1

Первая цифра

Первая цифра “1” указывает серию марок технического алюминия.

Признаком, по которому алюминиевый сплав относится к одной из серий от 2ххх до 8ххх, является легирующий элемент с максимальным средним (номинальным) содержанием. Исключение составляют сплавы серии 6ххх, в которых главным преобладающим признаком является соотношение содержания магния и кремния, которые доступны для образования силицида магния Mg₂Si.

Если одинаковое максимальное среднее содержание в сплаве имеют несколько легирующих элементов, то выбор серии производится в порядке следования серий: медь, марганец, кремний, магний, силицид магния, цинк.

Вторая цифра

В марках алюминия серии 1ххх обозначения, которые имеют вторую цифру от 1 до 9 указывают на специальный контроль одной или более индивидуальных примесей.

В сплавах серий от 2ххх до 8ххх вторая цифра в обозначении сплава указывает на модификацию сплава. Если вторая цифра является нулем, то это указывает на первоначальный, базовый сплав. Цифры от 1 до 9 указывают, соответственно, модификацию базового сплава.

Третья и четвертая цифры

Серия 1ххх включает нелегированный алюминий с естественным уровнем примесей. Последние две цифры (10хх) применяются для обозначения минимально допустимого содержания алюминия в различных вариантах нелегированного алюминия. Обычно их называют марками алюминия.

Эти две последние цифры совпадают с последними цифрами минимального содержания алюминия, который указывается до ближайшего 0,01 %. Например, при содержании алюминия не менее 99,80 % марка алюминия имеет обозначение 1080.

Последние две цифры в обозначениях сплавов серий от 2ххх до 8ххх не имеют никакого физического или химического смысла, а просто идентифицируют различные сплавы внутри группы.

Дополнительные буквы

Иногда в конце четырех цифр обозначения добавляется буква А, которая указывает на модификацию сплава. Например, сплав 6063А является модификацией сплава 6063.

Состояние сплава

Полное обозначение деформируемого алюминиевого сплава для готовой продукции кроме обозначения сплава должно включать его состояние, например, 6063-Т6.

Обозначения литейных сплавов

Международная система из обозначений литейных марок алюминия и алюминиевых сплавов также основана на четырех цифрах, однако последняя цифра отделяется от остальных десятичной точкой. Эта система идентифицирует марки алюминия и алюминиевые сплавы, а также различает их варианты для готовых отливок и для слитков для переплава.

Первая цифра

Первая цифра в обозначении литейных алюминиевых сплавов указывает на серию сплавов:

Таблица 2

Для литейных сплавов от 2хх.х до 8хх.х соответствующая серия определяется по легирующему элементу, который присутствует в сплаве в максимальной средней концентрации. Если в сплаве одинаковое максимальное среднее содержание имеют несколько легирующих элементов, то для такого сплава главный легирующий элемент определяется в порядке следования серий: от меди (2хх.х) к олову (8хх.х).

Вторая и третья цифры

Для литейного алюминия серии 1хх.х вторая и третья цифры, как и для деформируемого алюминия, указывают на чистоту металла. Для сплавов серий от 2хх.х до 9хх.х вторая и третья цифры идентифицируют конкретный литейный алюминиевый сплав.

Цифра после точки

Химический состав одного и того же литейного сплава, который идентифицируется первыми тремя цифрами, имеет варианты в зависимости от его назначения, на которые указывает четвертая цифра – цифра сразу после десятичной точки:

• 0 обозначает отливку (готовое изделие);
• 1 обозначает стандартный слиток;
• 2 обозначает слиток с более узким химическим составов внутри химического состава стандартного слитка.

Дополнительные буквы

Дополнительные варианты химического состава, например, различия по содержанию примесей, обозначаются заглавными буквами перед цифровым обозначением сплава. Например, один из самых популярных сплавов для гравитационного литья, сплав 356, имеет варианты А356, В356 и С356. Каждый из этих сплавов имеет идентичное содержание основных легирующих элементов, но различный уровень содержания примесей, особенно железа.

Состояние сплава

Полное обозначения алюминиевого сплава отливки – литого изделия – должно включать состояние, которое оно получило при изготовлении, например, А356-Т5. Обозначение литейного алюминиевого сплава для слитка, который предназначен для приготовления алюминевого расплава, естественно, не включает информации о состоянии.

Источник