Алюминиевые сплавы: классификация
Ниже представлена международная классификация алюминиевых сплавов, а также системы их обозначения – международная и европейская.
См. также Применение алюминия
Классификация
Алюминиевые сплавы классифицируют, идентифицируют и различают по нескольким направлениям:
- по категориям – по методам обработки, деформируемые и литейные;
- по классам – упрочняемые термической обработке или нагартовкой;
- по сериям – по главным легирующим элементам (медь, марганец, кремний, магний, магний-кремний, цинк, железо, олово и другие);
- по системам легирования – по сочетаниям главных легирующих элементов с другими легирующими элементами;
- по химическому составу – по содержанию легирующих элементов и примесей внутри серий и систем.
Категории: деформируемые и литейные
Алюминиевые сплавы подразделяют на две основные категории:
- деформируемые
- литейные.
Деформируемые
Деформируемые сплавы предназначены для различных видов обработки давлением в горячем и, реже, в холодном состояниях:
- прокаткой
- экструзией (прессованием)
- ковкой
- штамповкой
- вытяжкой
- волочением.
Для каждого вида обработки давлением разрабатывают сплавы, которые являются оптимальными для этих обработок.
Литейные
Основное отличие литейных сплавов от деформируемых заключается в том, что они имеют значительно более высокое содержание легирующих элементов. Особенно высокое содержание имеет кремний – номинальное содержание от 4 до 17 %.
Литейные сплавы применяются для изготовления алюминиевых отливок с помощью различных методов литья, в том числе:
- литья в песчаные формы;
- литья в кокиль;
- литья под низким давлением;
- литья под давлением.
Классы: по способу упрочнения
Каждая категория – деформируемые сплавы и литейные сплавы – подразделяется далее по главному механизму их упрочнения – повышения механических свойств, а также других полезных свойств.
Термически упрочняемые
Многие сплавы реагируют на упрочняющую термическую обработку, которая основана на зависимости растворимости фаз от температуры. Эти термическая обработка включает следующие операции:
- обработка на твердый раствор (нагрев под закалку)
- закалка
- выделение упрочняющих фаз (старение)
Сплавы с таким механизмом упрочнения, как деформируемые, так и литейные, называются термически упрочняемыми.
Нагартовываемые
Большое количество других деформируемых сплавов полагаются вместо термического упрочнения на деформационное упрочнение. Деформационное упрочнение достигается за счет упрочняющего наклепа, который возникает при холодной пластической деформации – нагартовке – алюминиевого изделия, обычно в комбинации с различными режимами отжига.
Термически неупрочняемые литейные сплавы
Литейные сплавы, как правило, не подвергаются деформационной обработке из-за пониженных пластических свойств. Кроме того, некоторые из них не относятся также и термически упрочняемым. Их применяют в литом состоянии без термической обработки или в термически модифицированных состояниях, которые не связаны с явлениями растворения и выделения упрочняющих фаз.
Серии: по главным легирующим элементам
Серии – это группы сплавов, деформируемых и литейных, которые объединяются по главным легирующим элементам. На этом разделении основана широко признанная в мире американская система обозначений алюминиевых сплавов.
Деформируемые сплавы и их обозначения
Международная система обозначений деформируемых сплавов основана на американской системе обозначений, которая была разработана еще в 1950-е годы.
Эта система применяет обозначения, которые состоят из четырех цифр. Цифры на месте знаков «х» применяют для подразделения сплавов внутри серии.
- 1ххх – Технически чистый алюминий с контролируемым химическим составом. Например, алюминий 1050.
- 2ххх – Главным легирующим элементом является медь, хотя другие элементы, такие как магний, также могут присутствовать. Широко применяются в самолетостроении, благодаря их высокой прочности (предел текучести до 455 МПа). Примеры – 2014 и 2024.
- 3ххх – Марганец, является главным легирующим элементом. Применяются как сплавы общего назначения для строительства и различной потребительской продукции, в том числе алюминиевых банок для прохладительных напитков и пива. Пример – 3105.
- 4ххх – Главным легирующим элементом является кремний. Применяются в сварочных прутках и проволоке, а также листов для пайки.
- 5ххх – Главным легирующим элементом является магний. Применяется в корпусах судов, трапах и других изделиях, которые подвержены воздействию морской атмосферы. Пример – 5252.
- 6ххх – Главными легирующими элементами являются магний и кремний. Обычно применяются для строительных профилей и деталей автомобилей. Примеры – 6060 и 6063.
- 7ххх – Главным легирующим элементом является цинк, хотя другие элементы, такие как медь, магний, хром и цирконий, также могут присутствовать. Применяются в несущих элементах самолетов и других высокопрочных конструкциях и изделиях. К этой серии относятся самые прочные алюминиевые сплавы с пределом текучести более 500 МПа. Пример – 7075.
- 8ххх – Различные главные легирующие элементы. Сплавы серии 8ххх могут содержать заметные количества олова, лития и/или железа.
- 9ххх: Зарезервировано для будущих применений.
Деформируемые сплавы, которые являются термически упрочняемыми, включают сплавы серий 2xxx, 6xxx, 7xxx и некоторые сплавы серии 8xxx. Различные комбинации легирующих элементов и механизмы упрочнения, которые применяются для деформируемых сплавов, показаны в таблице 1.
Таблица 1 – Классификация деформируемых алюминиевых сплавов
по механизму их упрочнения [1]
Уровни прочности, которые достигаются в различных классах деформируемых сплавов, показаны в таблице 2.
Таблица 2 – Уровни прочности различных деформируемых алюминиевых сплавов [1]
Литейные сплавы и их обозначения
Для литейных сплавов применяется система обозначений из трех цифр, за которыми следует своего рода «десятичная дробь». Десятичная дробь .0 во всех случаях относится к пределам литейных сплавов. Десятичные дроби .1 и .2 относятся к химическому составу готовых слитков.
- 1хх.х – Технически чистый алюминий с контролируемым химическим составом, в том числе по примесям. Применяется для изготовления роторов электродвигателей.
- 2хх.х – Главным легирующим элементом является медь. Другие легирующие элементы также могут присутствовать.
- 3хх.х – Главным легирующим элементом является кремний. Дополнительными легирующими элементами могут быть медь и магний. Сплавы серии 3хх.х составляют около 90 % всех фасонных алюминиевых отливок.
- 4хх.х – Главным легирующим элементом является кремний.
- 5хх.х – Главным легирующим элементом является магний.
- 6хх.х – Не применяется.
- 7хх.х – Главным легирующим элементом является цинк. Дополнительными легирующими элементами являются медь и магний.
- 8хх.х – Главным легирующим элементом является олово.
- 9хх.х – Не применяется.
К термически упрочняемым сплавам относятся литейные сплавы серий 2хх, 3хх и 7хх.
Уровни прочности, которые достигаются в различных классах литейных сплавов, показаны в таблице 3.
Таблица 3 – Уровни прочности различных литейных сплавов [1]
Системы легирования
Как можно было увидеть выше, некоторые серии алюминиевых сплавов, деформируемых и литейных, включают одну, две или три различных системы легирования.
Эти системы легирования могут включать только главные легирующие элементы или дополнительные один или более легирующих элементов.
Системы легирования деформируемых сплавов
- 2ххх – Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si, Al-Cu-Li
- 3xxx – Al-Mn
- 4xxx – Al-Si
- 5xxx – Al-Mg
- 6xxx – Al-Mg-Si
- 7xxx – Al-Zn, Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu
- 8xxx – Al-Fe, Al-Fe-Ni, Al-Li-Cu-Mg
Системы легирования литейных сплавов
- 2xx – Al-Cu, Al-Cu-Ni-Mg, Al-Cu-Si,
- 3xx – Al-Si-Cu, Al-Si-Cu-Mg, Al-Si-Mg
- 4xx – Al-Si
- 5xx – Al-Mg
- 7xx – Al-Zn
- 8xx – Al-Sn
Химический состав
Внутри серий и систем легирования алюминиевые сплавы различаются по своему химическому составу, то есть по содержанию тех или иных легирующих элементов, а также примесей.
Номинальные химические составы характерных деформируемых сплавов – деформируемых и литейных представлены в таблицах 4 и 5. Необходимо отметить, что в этих таблицах представлена только малая доля из общего количества алюминиевых сплавов. В перечне международной регистрации их насчитывается более 500.
Деформируемые сплавы
Таблица 4 – Виды продукции и номинальный химический состав
термически упрочняемых деформируемых алюминиевых сплавов [1]
Таблица 5 – Виды продукции и номинальный химический состав
нагартовываемых деформируемых алюминиевых сплавов
Литейные сплавы
Таблица 6 – Методы литья и номинальный химический состав
термически упрочняемых литейных алюминиевых сплавов
Таблица 7 – Методы литья и номинальный химический состав
термически неупрочняемых литейных алюминиевых сплавов
Европейская система обозначения
Деформируемые сплавы
Европейская система обозначения деформируемых алюминиевых сплавов основана на «американской» системе из четырех цифр с добавлением перед ними нескольких букв, например, EN AW-6060. Здесь EN обозначает «европейский стандарт», AW – «деформируемый алюминий». Цифры в этом обозначении соответствующий сплав в международной системе регистрации деформируемых сплавов.
Литейные сплавы
Европейская система обозначений литейных алюминиевых сплавов имеет следующий вид:
EN AC-xxxxx, где:
- EN – европейский стандарт;
- А – алюминий;
- С – литейный;
- ххххх – пять цифр или химические символы.
Пример: EN AC-42000 или EN AC-Al 7SiMg
Цифровое обозначение
Первая цифра обозначает одну из четырех групп (серий) по главным легирующим элементам:
- Медь (Cu) – 2xxxx
- Кремний (Si) – 4хххх
- Магний (Mg) – 5хххх
- Цинк (Zn) – 7xxxx
Вторая цифра обозначает базовый сплав внутри группы (серии):
- 21ххх – AlCu
- 41xxx – AlSiMgTi
- 42xxx – AlSi7Mg
- 43xxx – AlSi10Mg
- 44xxx – AlSi
- 45xxx – AlSi5Cu
- 46xxx – AlSi9Cu
- 47xxx – AlSi(Cu)
- 48xxx – AlSiCuNiMg
- 51xxx – AlMg
- 71xxx – AlZnMg
Третья, четвертая и пятая цифры обозначают:
- Третья цифра – модификация базового сплава
- Четвертая цифра – обычно ноль
- Пятая цифра – ноль для сплавов общего назначения и какая-либо цифра для аэрокосмических сплавов
Химическое обозначение
- Al + пробел
- Символ главного легирующего элемента
- Другие легирующие элементы (не более четырех элементов) в порядке содержания в сплаве; если содержание одинаковое – в алфавитном порядке.
Источник:
- Aluminum and Aluminum Alloys. Introduction and Overview / J.R. Davis – ASM International, 2001