Алюминий (Al) — один из наиболее распространенных металлов в мире. В чистом виде алюминий представляет собой лёгкий парамагнитный металл серебристо-белого цвета. Алюминий обладает отличной тепло- и электропроводностью, легко поддается формовке, литью, механической обработке. За счет быстрого образования прочных оксидных пленок металл устойчив к коррозии. Сплавы на основе алюминия широко применяются в промышленности, строительстве, машиностроении, сельском хозяйстве.
Алюминий ценится за малый вес, прочность, устойчивость к агрессивным средам, высокую электропроводность, простоту обработки, доступность. Путем добавления в состав алюминия различных химических элементов получают сплавы с уникальными характеристиками для решения самых разных задач. Область применения алюминия практически безгранична: из него производят изделия самого разного назначения — от деталей самолета до фольги и ложек. В этой статье мы рассмотрим виды алюминиевых сплавов, их характеристики и область применения.
Общая информация об алюминии
В связи с высокой химической активностью, в природе алюминий встречается в виде соединений (бокситы, алуниты, корунды, глиноземы, нефелины и т.п.). Процесс производства алюминия состоит из трех стадий:
- сначала из алюминиевой руды получают окись алюминия Al2O3
- из оксида выделяют промышленный алюминий со степенью очистки 99,5%
- если степени очистки недостаточно, алюминий рафинируют (очистка до 99,99%)
Для справки: Для производства одной тонны чистого алюминия потребуется около двух тонн глинозема, который получают из 4-5 тонн боксита.
Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее востребованы сплавы алюминия с медью и магнием (дюралюминий), с кремнием (силумин).
По степени очистки и наличию примесей алюминий принято разделять на технический и металл высокой чистоты. Технический алюминий используется в качестве конструкционного материала для производства сплавов, металл высокой очистки (марки A999, А99, А5, А95, А7Е и др.) — только в специальных целях (например, как добавка в другие сплавы). Алюминий с минимальным содержанием примесей востребован при производстве фольги, электрических проводов и кабелей, других электротехнических изделий.
Использования алюминия в чистом виде затруднено в связи с недостаточной прочностью материала. Чистый алюминий применяется в областях, для которых важны пластичность, хорошая свариваемость, коррозионная стойкость, высокие тепло- и электропроводность металла.
Основные стандарты, по которым классифицируются алюминиевые сплавы в России:
- ГОСТ 11069-2019 Алюминий первичный. Марки
- ГОСТ 1583 Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия
- ГОСТ 4784 Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки
Сам алюминий является важным компонентом многих сплавов, например, в магниевых сплавах в качестве основной добавки чаще всего используется алюминий.
Коррозионная стойкость алюминия
Алюминий отличается высокой коррозионной стойкостью благодаря естественному защитному покрытию — оксидной пленке, которая моментально образуется на поверхности металла при реакции с кислородом. Чем чище металл, тем выше его устойчивость к коррозии.
Тонкий слой оксида алюминия является стабильным и неразрушимым, он защищает металл от воздействия агрессивных сред.
Оксидная пленка на поверхности алюминия является герметичной, поскольку оксид плотно входит в структуру к основному металлу. При механическом повреждении слой оксида алюминия при взаимодействии с кислородом очень быстро восстанавливается.
Марки первичного алюминия
Первичный алюминий — это чистый металл, полученный в заводских условиях из алюминиевой руды (глинозема).
В соответствии с ГОСТ11069-2019 первичный алюминий обозначают буквой А. Цифры, следующие за буквой, обозначают количество примесей:
A999 — марка особой чистоты, содержание алюминия составляет 99,999%
к маркам высокой чистоты относятся А995 (99,995% Al), А99 (99,99% Al), А98 (99,98% Al), А97 (99,97% Al), А95 (99,95% Al)
к маркам алюминия технической чистоты относятся А92 (99,92% алюминия), А9 (99,9%), А85 (99,85%), А8 (99,8%), А7 (А99,7%), А6 (А99,6%), А5 (А99,5%), А0 (А99,0%).
Классификация алюминиевых сплавов по назначению
По области применения алюминиевые сплавы разделяют на две большие группы:
- Деформируемые (конструкционные) — используются для получения полуфабрикатов (листов, профилей, прутков и т.д.) горячим и холодным деформированием — прокаткой, прессованием, протяжкой.
- Литейные — используются для получения фасонного литья. Характеристики литейных сплавов повышают различными способами термической обработки.
Деформируемые сплавы подразделяются на термически обработанные и термически необработанные.
Соединение алюминия с другими металлами позволяет значительно изменить технические характеристики материала. Некоторые сплавы имеют повышенную прочность, упругость или температуру плавления. Для получения сплавов на основе алюминия используют разные металлы, чаще это: железо, кремний, марганец, цинк, медь, В качестве добавок также используют бериллий, титан, литий и цирконий.
Деформируемые (конструкционные) алюминиевые сплавы
Деформируемые алюминиевые сплавы предназначены для различных видов обработки давлением в горячем или холодном состояниях. К таким видам обработки относятся: прокатка, прессование, вытяжка, ковка, штамповка, волочение.
ГОСТ 4784 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые» распространяется на алюминий и деформируемые алюминиевые сплавы,
предназначенные для изготовления методом горячей или холодной деформации различных полуфабрикатов и заготовок: листов, лент в рулонах, дисков, плит, полос, прутков, профилей различного сечения, панелей, труб, катанки, проволоки, поковок.
Деформируемые алюминиевые сплавы по способности повышать прочностные характеристики при термической обработке разделяют на упрочняемые и неупрочняемые.
К упрочняемым сплавам относятся:
Дюралюмины — большая группы высокопрочных сплавов на основе алюминия, меди, магния и марганца. Дюралюмины обозначаются буквой Д. Марки Д16, Д1, Д18 и др. широко применяются в машино-, судо-, приборостроении, авиастроении, строительстве.
По прочности и твердости некоторые марки дюралюмина могут сравниться с некоторыми марками стали. Главный недостаток таких сплавов — низкая коррозионная стойкость. Для повышения коррозионной стойкости и улучшения декоративных качеств листовой прокат покрывают слоем алюминия высокой химической чистоты (плакирование). Другой способ повышения коррозионной стойкости заготовок из дюралюмина — электрохимическое оксидирование (анодирование).
Дюралюмины упрочняются термообработкой — закалкой и естественным старением. Прошедшие термообработку сплавы имеют более высокую коррозионную стойкость и лучше обрабатываются режущим инструментом. Дюралюмины хорошо свариваются точечной сваркой.
Авиали (авиационные сплавы) — сплавы системы алюминий-магний-кремний (Al-Mg-Si) с небольшими включениями других элементов (марганец, хром, медь). Авиали — сплавы АВ, АД31, АД35 — по прочности уступают дюралюминам, но выигрывают по таким параметрам, как пластичность в горячем и холодном состояниях, устойчивость к образованию коррозии, ударная вязкость и т.д. Из авиационных сплавов алюминия изготавливают кованые и штампованные детали сложной формы — лонжероны лопастей винтов вертолетов и т.п. В автопроме авиали используются для изготовления кузовов премиальных автомобилей.
Авиационные сплавы алюминия упрочняют термообработкой — закалкой с естественным или искусственным старением. При этом старение необходимо проводить сразу после закалки, иначе материал сильно потеряет в прочности. После качественной термообработки авиали хорошо обрабатываются режущими инструментами, хорошо свариваются точечной и аргонной сваркой.
Высокопрочные сплавы (В95, В65, В93, В94, В96 и др.). В состав таких сплавов входят цинк, медь, магний, марганец и другие легирующие элементы. Повышение содержания цинка и магния делает сплав прочнее, но одновременно приводит к снижению коррозионной стойкости и пластичности материала. Марганец в составе высокопрочного сплава отвечает за устойчивость к коррозии. Для улучшения коррозионной стойкости листового проката также применяют плакирование — заготовки покрывают слоем алюминия высокой химической чистоты.
Сплав В95, В 96 и др. хорошо деформируется в горячем состоянии, хорошо свариваются точечной сваркой, обрабатывается резанием. Высокопрочные сплавы применяют для создания нагруженных конструкций в авиастроении, длительно эксплуатируемых при повышенных температурах (более 100 градусов), при устройстве ответственных строительных конструкций.
Сплавы для ковки и штамповки — группа алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg с повышенным содержанием кремния (АК6, АК8 и др.). Такие сплавы обладают хорошей пластичностью и отсутствием способности к образованию трещин при горячей пластической деформации. В качестве улучшающей термообработки применят закалку с последующим старением. Марки АК6, АК8 востребована при производстве штампованных деталей сложной конфигурации и тяжело нагружаемых деталей.
К неупрочняемым алюминиевым сплавам относятся алюминиево-марганцевые (АМц) и алюминиево-магниевые сплавы (АМг). Алюминиево-магниевые марки (АМг1, АМг2, АМг3, АМг3С, АМг4, АМг5 и др.) могут дополнительно легироваться марганцем, измельчающим зерно и упрочняющим структуру.
Литейные алюминиевые сплавы
Данная группа сплавов предназначена для производства отливок с высокими прочностными характеристиками, технологическими и эксплуатационными свойствами. Литейные характеристики алюминиевых сплавов улучшают при помощи кремния. Такие сплавы сочетают низкую плотность с хорошей прочностью, что позволяет отливать изделия сложной конфигурации без образования трещин и других дефектов. По характеристикам эти материалы условно разделяют на следующие группы:
высокогерметичные (марки АЛ2, АЛ9, АЛ4М)
с повышенной прочностью и жаростойкостью (марки АЛ5, АЛ19, АЛ33)
По химическому составу литейные алюминиевые сплавы делят на:
- Сплавы системы Al-Si-Mg (силумины) — наиболее распространенные литейные сплавы. При относительно низкой стоимости обладают хорошей коррозионной стойкостью. Широко применяются при производстве изделий, не подверженных серьезным нагрузкам. Марки литейных алюминиевых сплавов АЛ4 и АЛ9, в состав которых также входит магний, востребованы для изготовления средненагружаемых деталей.
- Медьсодержащие алюминиевые сплавы (на основе систем Al-Cu, Al-Si-Cu) — популярные марки АЛ7, АЛ19. После термической обработки становятся прочнее, хорошо обрабатываются резанием, имеют хорошие механические характеристики. Главный недостаток — слабая устойчивость к коррозии, поэтому отливки из этих материалов обычно анодируют. Медьсодержащие алюминиевые сплавы используются для изготовления деталей относительно простой формы.
- Алюминиево-магниевые сплавы — характеризуется самой высокой прочностью и пластичностью среди всех литейных алюминиевых сплавов. Материал устойчив к коррозии даже в морской воде. В составе часто присутствуют модифицирующие добавки (титан, цирконий, бериллий). Алюминиево-магниевые сплавы хорошо обрабатываются режущим инструментом. Из марок АЛ8 и АЛ27 отливают детали, предназначенные для эксплуатации во влажной среде. Сплавы АЛ13 и АЛ 22 широко используются в судо- и авиастроении.
Листовой алюминий
Алюминиевые листы изготавливают из плоского слитка или кованого сляба методом проката. Листы алюминия получают горячей каткой (горячекатаные) и холодной каткой (холоднокатаные).
Для изготовления листового алюминиевого проката используют сплавы разных марок: технический алюминий, дюрали, деформируемые сплавы, АМг, АМц. Наибольшей популярностью пользуются листы из деформируемых алюминиево-магниевых сплавов (конструкционные, свариваемые, устойчивые к коррозии). Наиболее востребованный диапазон толщин: от 0,6 до 10 мм. Для повышения коррозионной стойкости материала и улучшения декоративных качеств листовой прокат покрывают слоем алюминия высокой химической чистоты (плакирование).
Алюминиевые листы, прошедшие термообработку, имеют более высокую прочность, хорошо обрабатываются резанием. Область применения такого проката — изготовление узлов и деталей машин, высоконагруженных конструкций и т.п.
Алюминиевые листы из технического алюминия — наиболее доступный полуфабрикат. Область применения — изготовление различного рода конструкций без жестких требований к механическим свойствам.
Особенности термообработки алюминия
Чистый алюминий и его сплавы, легированные преимущественно марганцем или магнием, термообработке не поддаются. Для алюминиевых сплавов, которые содержат медь, цинк или смесь магния и кремния, широкое распространение получили три вида термообработки: отжиг, закалка и старение. Термообработка алюминиевых сплавов призвана выполнить корректировку их прочности и твердости.
Область применения алюминиевых сплавов
Самолетостроение. Алюминиевые сплавы являются основным конструкционным материалом в самолетостроении. Их применяют для изготовления силовых элементов летательных аппаратов: обшивки, шпангоутов, лонжеронов, нервюр, а также топливных и масляных баков. Марки повышенной прочности и среднепрочные, без цинка в составе, используются для изготовления киля, крыла, фюзеляжа.
Судостроение. Из алюминия и его сплавов собирают судовое оборудование, корпуса судов, коммуникационные системы, надстройки для палубы.
Автомобилестроение. Сочетание малого веса, прочности, декоративных характеристик и коррозионной устойчивости позволяет успешно использовать алюминиевые марки в автомобилестроении.
Электротехника. Высокая электропроводность алюминия обусловливает широкое применение его для массивных проводников электрического тока.
Алюминиевые сплавы широко используют в строительстве и машиностроении.
