Все об алюминиевых сплавах от А до Я

Сплавы на основе алюминия преимущественно изготавливаются с использованием меди, цинка, магния, кремния и марганца. Материалы с цирконием, титаном, литием и бериллием применяются реже. Перечисленные металлы и неметаллы являются легирующими элементами и добавляются с целью структурных преобразований и изменения химического состава.

Сплав включает минимум 2 химических элемента с преобладанием металла в составе. Соответственно, алюминиевый сплав – материал, у которого на основную массовую часть приходится алюминий (Al).

Виды и особенности алюминиевых сплавов

При изготовлении алюминиевых сплавов наибольшее распространение в отраслях современной промышленности получили следующие комбинации химических элементов:

Алюминий + магний (Al-Mg)

Алюминиевый сплав отличается удовлетворительной прочностью и неплохой пластичностью. Для материала характерна отличная свариваемость и высокая коррозионная стойкость. Содержание магния в составе колеблется в пределах 1-5 %.

Чем больше Mg включают алюминиевые сплавы, тем выше прочность. Повышение концентрации всего на 1 % увеличивает прочностные характеристики приблизительно на 30 МПа. Показатель предела текучести возрастает примерно на 20 МПа.

Если сплавы алюминия содержат до 3 % магния, кристаллическая структура не меняется. Как при комнатной, так и высокой температуре. Структурные изменения не наблюдаются даже в сильно нагартованном состоянии.

Ситуация изменяется по мере возрастания концентрации магния в алюминиевом сплаве. Из-за этого происходит дестабилизация механической структуры в нагартованном состоянии. Если Mg больше 6 %, снижается стойкость к коррозии.

В целях повышения прочности сплавов на основе алюминия и магния на этапе производства осуществляется легирование. В качестве легирующих элементов выступает ванадий, кремний и титан. Применяется также хром и марганец.

Добавлять медные и железные примеси в сплав Al-Mg не рекомендуется. Данные легирующие элементы отрицательно воздействуют на способность противостоять коррозии. Дополнительно ухудшается свариваемость.

Алюминий + кремний (Al-Si)

Название литейных сплавов кремния и алюминия – силумины. Когда кристаллизуется расплав, для них характерна малая усадка. Применение материалов весьма обширно. С их использованием отливаются корпуса, детали и элементы декора помещений или приусадебных участков.

В состав сплавов алюминия входит от 4 до 22 % кремния. Примеси цинка, титана, кальция, марганца, меди и железа составляют незначительную величину. Для модификации силуминов пользуются литием и натрием. Благодаря этому на пару процентов увеличивается объём Si.

Литейные свойства алюминиевых сплавов Al-Si считаются лучшими на рынке. Силумины имеют плотность до 2,94 г/см³. В отличие от чистого алюминия, они характеризуются лучшей прочностью и износостойкостью. Обработка материалов сопровождается крошением. Стружка не образуется.

Алюминиевыми сплавами Al-Si допускается пользоваться во влажных условиях и даже морской воде. Аналогично со щелочными и слабокислыми средами. К минусам конструкционных материалов относят пористость, низкую пластичность и антифрикционные характеристики.

Алюминий + марганец (Al-Mn)

Среди ключевых преимуществ сплавов алюминия и марганца специалисты по металлообработке выделяют:

• высокую прочность;
• пластичность;
• сравнительно невысокую стоимость;
• хорошую свариваемость;
• отличную стойкость к коррозии.

В число основных примесей алюминиево-марганцевых сплавов входят такие химические элементы, как кремний и железо. Они способствуют уменьшению растворимости Mn в Al. Чтобы получить мелкозернистую структуру, материалы легируются титаном.

Алюминий + медь + кремний (Al-Cu-Si)

Группа алюминиевых антифрикционных сплавов, которые принято называть алькусинами. Основная сфера применения – изготовление блоков цилиндров и подшипников втулочного типа. Твёрдая поверхность материалов затрудняет приработку.

Термическая обработка алюминиевых сплавов Al-Cu-Si улучшает их механические свойства. Технологическую операцию следует проводить с алькусинами, где содержание Si не превышает 15 %. Иначе появляются трещины при закалке.

Алюминий + медь (Al-Cu)

В термически упрочнённом состоянии механические характеристики сплавов Al-Cu достигают или превосходят аналогичные свойства разных видов низкоуглеродистой стали. Материалы хорошо обрабатываются, но не отличаются высокой стойкостью к коррозии. Для увеличения эксплуатационного срока на поверхность наносятся специальные покрытия с антикоррозионным эффектом.

Алюминиевые сплавы Al-Cu легируются магнием, марганцем, железом и кремнием. Сильнее всего на них действует Mg. Добавление металла увеличивает предел текучести и показатель прочности. Примесь Si способствует улучшению способности к так называемому искусственному старению, а Ni – повышению жаропрочности. Добавки подбираются в зависимости от назначения материалов.

Алюминий + цинк + магний (Al-Zn-Mg)

Al-Zn-Mg – высокопрочные алюминиевые сплавы, которые хорошо поддаются обработке. Например, B95. Упрочнение изобретенного в Америке материала обуславливается тем фактом, что цинк и магний обладают повышенной растворимостью, когда достигают температуры плавления. Правда, она снижается во время охлаждения.

Среди недостатков этих сплавов выделяют низкую стойкость к коррозии под механическим напряжением. Проблема решается добавлением меди. Вместо цинка в состав материалов нередко входит литий. Учёные обнаружили, что легирование данным металлом снижает плотность, увеличивает упругость, сдерживает естественное и форсирует искусственное старение.

Алюминий + магний + кремний (Al-Mg-Si) + другие элементы (хром, медь, марганец)

Общепринятое название сплавов – авиали. За счёт высокой пластичности из материалов производится широкий спектр изделий со сложной формой. Изготовление основывается на методе ковки или штамповки.

Стойкость к коррозии у алюминиевых сплавов этой группы удовлетворительная. Увеличения характеристики добиваются путём уменьшения содержания меди. По общей массе объём снижается до 0,1 %.

Название сплавов объясняется сферой применения – авиационная промышленность. В частности, из авиаля производятся лонжероны лопастей несущих и рулевых вертолётных винтов. Изделия со сложными формами изготавливаются методом штамповки.

Применение материалов не ограничивается авиапромом. В автомобильной промышленности из сплавов делаются кузова премиальных транспортных средств. Кроме того, ими часто пользуются для изготовления рам велосипедов.

Классификация алюминиевых сплавов

В настоящий момент алюминиевые сплавы принято классифицировать по легирующим элементам (тема рассмотрена выше), методу упрочнения (деформационно-упрочняемые и термически-упрочняемые) и способу обработки. На последнем вопросе стоит остановиться подробнее.

Способ обработки

Различают 2 вида сплавов. Литейные предназначаются для изготовления отливок. Деформируемые нужны для производства алюминиевой продукции посредством обработки давлением (горячий или холодный метод).

Литейные

По достижении литейными сплавами расправленного состояния их разливают в формы. Способы разливки подбираются в зависимости от изготавливаемой алюминиевой продукции. Литьё выполняется под давлением, в кокили, формы из песка и т. п.

Из литейных алюминиевых сплавов создаются детали корпусов. Их используют для изготовления заготовок в авиастроительной и кораблестроительной отрасли. Востребованы материалы и в электротехнической сфере.

Деформируемые

Круглые или прямоугольные слитки деформируемых алюминиевых сплавов принимают нужную форму посредством разных технологий обработки. В таблице ниже приводятся распространённые методы и изготавливаемая с их помощью продукция.

Способ обработки	Алюминиевая продукция
Прокатка	Листы, фольга
Формовка	Изделия со сложной геометрической формой из заготовок (катанные и прессованные)
Прессовка	Трубы, профили, прутки
Ковка	Изделия сложной формы с улучшенными механическими характеристиками
Волочение	Проволока

Нелегированный и рафинированный Al

Наряду со сплавами для производства разнообразной продукции активно пользуются нелегированным (первичным) алюминием. Металл практически не содержит примесей (чистота – не меньше 99,7 % по общей массе). Производство выполняется из глинозёма. Чаще всего методом электролиза.

Рафинированный Al получается специальными производственными способами из нелегированного металла. Чистота составляет 99,99 – 99,9999 %. В западных странах её принято обозначать как 4N to 6N. Буква N значит nine или по-русски "девятка". Следовательно, 4N указывает на 99,99, а 6N – 99,9999 %.

Марки рафинированного алюминия используются для изготовления широкой номенклатуры продукции:

• фольга для конденсаторов электролитического типа;
• транзисторы;
• детали аэрокосмической техники (производятся из сверхчистых сплавов);
• термисторы;
• изделия с гладкой зеркальной поверхностью;
• диоды;
• ювелирные украшения;
• полупроводники;
• столовые приборы и посуда для приготовления пищи;
• плиты плоских экранов;
• жёсткие диски ноутбуков и компьютеров;
• тонкие защитные плёнки;
• тара для прохладительных и слабоалкогольных напитков;
• высокочистые порошки и оксид алюминия.

Международная маркировка получаемых из алюминия промышленных деформируемых сплавов

Цифровая четырёхзначная маркировка деформируемых сплавов, которая приводится в таблице ниже, придумана в США. Со временем она распространилась по другим странам и стала международной.

Серия	Материал
1000	Al с показателем чистоты от 99 %.
2000	Группа легированных медью сплавов. Некогда широко применялись в аэрокосмической отрасли. Сейчас вместо них часто пользуются материалами 7000 серии.
3000	Маркировка алюминиевых сплавов, которые легируются марганцем.
4000	Силумин или легированный кремнием Al.
5000	Марки с примесью магния.
6000	Соединения алюминия с кремнием и магнием. Материалы считаются наиболее пластичными. Термически упрочняются методом закалки на твёрдые растворы.
7000	Для легирования алюминия добавляется цинк и магний. Самые прочные материалы среди остальных серий.
8000	Al с добавлением лития и материалы с разными системами легирования.

Методы термической обработки

В области термической обработки алюминия получили распространение следующие технологические методы:

1. Отжиг. Подразделяется на 3 вида. Рекристаллизационный отжиг используется как промежуточная операция между деформациями, а гетерогенизационный – как завершающая термическая обработка полуфабрикатов. Гомогенизационный выполняется при температуре + 450-560 градусов. Время выдержки – 4-36 часов. Процесс сопровождается незначительным растворением в Al переходных металлов вроде хрома.

2. Закалка. Технологическому процессу сопутствует нагрев алюминия до + 450-560 градусов. Если раньше разогретый металл быстро охлаждали обыкновенной водой, сегодня этот способ не всегда рассматривается как окончательный. Помещение в холодную водную среду вызывает внутри изготавливаемых изделий сильное напряжение. В результате происходит коробление.

3. ТМО. Аббревиатура расшифровывается как термомеханическая обработка. В этом случае металл подвергается как пластической деформации, так и воздействию заданной температуры. Изменение температурного режима позволяет добиваться требуемых производственным процессом свойств – повышение коррозиестойкости, снижение пластичности, увеличение удельной прочности и др.

4. Старение. Технопроцесс предназначается для увеличения прочностных характеристик закалённого металла. Старение алюминия подразделяется на 2 типа. Естественное протекает при комнатной температуре до 1 суток. Искусственное длится 10-24 часа. Для сокращения времени и повышения эффективности подбирается оптимальный температурный режим с учётом спецификации выпускаемых изделий.

Заключение

Сочетание алюминия с другими металлами обеспечивает возможность создавать конструкционные материалы для различных отраслей промышленности. В нашей статье мы рассказали лишь о самых распространённых комбинациях. Будем рады, если наш материал послужит вам отправной точкой для дальнейшего изучения вопроса с целью общего развития, проведения научных исследований или усовершенствования существующих производственных процессов.

Автор: Никита Олейников