Алюминиевый прокат 

Плоский алюминиевый прокат

Алюминиевый прокат – алюминиевая фольга и алюминиевый лист – тонкий (“листы”) и толстый (“плиты”)– составляет около половины всей алюминиевой продукции в мире.

Потребители алюминиевого проката

Самыми яркими представителями потребителей алюминиевого проката являются

  • алюминиевые «пивные» банки (рисунок 1), а также
  • разнообразные по форме упаковочные контейнеры и обертки из алюминиевой фольги.


Рисунок 1 – Процесс производства алюминиевых листов для корпуса и крышки банок для пива и газированных напитков [2]

Строительная отрасль в настоящее время является главным потребителем

  • листов для кровли и облицовки зданий.

Быстро расширяющимся рынком потребления алюминиевого проката является транспортное машиностроение.

  • Алюминиевые листы и
  • алюминиевые плиты

применяют в самолетах, кораблях, высокоскоростных поездах и военных транспортных средствах.

Увеличение доли алюминия

  • в конструкции автомобилей (рисунок 2)

становится все более важной в борьбе за экономию ими топлива и снижение вредных выбросов в атмосферу.

Наконец, небольшая, но очень важная часть фольги применяется в таких специализированных нишах, как

  • электрическое оборудование,
  • теплообменники и
  • литографические пластины.


Рисунок 2 – Алюминиевый лист в автомобиле [2]

За что ценят алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы находят такое широкое применение благодаря комбинации малого веса, электрической и термической проводимости, коррозионной стойкости, хорошей обрабатываемости и широкого спектра по механической прочности. Другие важные свойства алюминиевых сплавов, как формуемость или свариваемость, очень сильно зависят от их химического состава, а также от видов технологических процессов их изготовления.

Обычной инженерной практикой является выбор алюминиевого сплава, который бы максимально подходил для конкретных условий эксплуатации изделия или даже разработка специального сплава. Оптимальная микроструктура этого сплава достигается за счет химического состава, а также технологии его термической  и термомеханической обработки.

Производство плоского алюминевого проката

Прокатка является одним из самых важных технологических процессов обработки металлических материалов в их твердом состоянии. Она представляет собой термомеханическую обработку, которая обладает значительным потенциалом для управления микроструктурой этих металлических материалов. Исторически сначала прокатка была просто процессом. Который применяли для придания изделию нужной формы, например, от слитка к листу. Затем прокатка стала эффективным и оптимальным по стоимости процессом управления микроструктурой металла и улучшения его свойств. Примером может быть модификация литой структуры и измельчение зерна.


Рисунок 3 – Процесс изготовления алюминиевого плоского проката: плит, листов и флоьги [2]

Микроструктура плоского алюминиевого проката

Микроструктурными переменными для данного химического состава сплава являются (рисунок 4):

  • размер зерна;
  • форма и ориентация зерен;
  • размеры субзерен;
  • плотность дислокаций;
  • размер и форма частиц вторичной фазы и их распределение по объему.

Эти параметры влияют на механическую прочность и пластичность материала, а также на анизотропию свойств изделия. Они зависят от химического состава сплава и термомеханических обработок, иногда весьма сложных.

а) Отожженная алюминиевая плита толщиной 10 мм из сплава 5754. Отжиг при 345 градусов Цельсия.

б) Та же алюминиевая плита после холодной прокатки до обжатия 10 %, 40 % и 80 %.

Рисунок 4 – Изменение микроструктуры алюминиевого листа из сплава 5754 в отожженном состоянии после холодной проктки до обжатия 10 %, 40 % и 80 % [3]

Алюминиевые сплавы для прокатки

Чистый алюминий является легким – плотность 2,7 г/см3, но очень мягким металлом, который применять только в электронной промышленности. Поэтому алюминий обычно легируют магнием, марганцем, кремнием, цинком, медью и другими элементами. Это дает возможность повышать механическую прочность в интервале от 50 до 650 МПа. Алюминиевые сплавы, для которых прокатку, могут принадлежать практически к любой серии деформируемых сплавов – от серии 1ххх до серии 8ххх, кроме серии 4ххх – в основном сварочных сплавов. Серия 6ххх объединяет в основном алюминиевые сплавы для прессования (экструзии), но и в ней есть сплавы, из которых прокаткой получают листы, например, сплавы 6061 (АД33) и 6082 (АД35).

Свойства каждого алюминиевого сплава зависят от металлургического состояния материала, которые обозначаются буквами О, Н и Т с дополнительными цифрами:

  • буква О указывает на отожженное состояние – мягкое и пластичное;
  • буква Н обозначает нагартованное состояние, обычно после холодной деформации;
  • буква Т обозначает, что материал получил ту или иную термическую обработку.

В целом, весьма схематически, можно сказать:

  • фольгу для упаковки изготавливают из сплавов серии 1ххх и 8ххх;
  • большинство листов делают из сплавов, которые упрочняются нагартовкой – 3ххх (алюминиевые банки) и 5ххх (корпуса транспортных средств);
  • большинство толстых листов для самолетостроения прокатывают из высокопрочных сплавов – термически упрочняемых сплавов серий 2ххх и 7ххх.

Примеры прокатных алюминиевых сплавов (для листа 2-4 мм)

Алюминиевый сплав 1050А 

Химический состав: 0,2 % кремния – 0,4 % железа.

1) Состояние О:

  • предел текучести: 35 МПа;
  • предел прочности: 90 МПа;
  • удлинение: 40 %.

2) Состояние Н14:

  • предел текучести: 115 МПа;
  • предел прочности: 125 МПа;
  • удлинение: 20 %.

Алюминиевый сплав 2024 

Химический состав: 3,8-4,9 % меди – 1,2-1,8 % марганца.

1) Состояние О:

  • предел текучести: 140 МПа;
  • предел прочности: 220 МПа;
  • удлинение: 13 %.

2) Состояние Т4:

  • предел текучести: 275 МПа;
  • предел прочности: 425 МПа;
  • удлинение: 14 %.

3) Состояние Т8:

  • предел текучести: 400 МПа;
  • предел прочности: 460 МПа;
  • удлинение: 5 %.

Алюминиевый сплав 3104 

Химический состав: 0,8-1,4 % марганца – 0,8-1,3 % магния.

1) Состояние О:

  • предел текучести: 60 МПа;
  • предел прочности: 155 МПа;
  • удлинение: 15 %.

2) Состояние Н14:

  • предел текучести: 180 МПа;
  • предел прочности: 220 МПа;
  • удлинение: 2 %.

3) Состояние Н18:

  • предел текучести: 230 МПа;
  • предел прочности: 260 МПа;
  • удлинение: 1 %.

Алюминиевый сплав 5052 

Химический состав: 2,2-2,8 % магния.

1) Состояние О:

  • предел текучести: 65 МПа;
  • предел прочности: 170 МПа;
  • удлинение: 15 %.

2) Состояние Н14:

  • предел текучести: 180 МПа;
  • предел прочности: 230 МПа;
  • удлинение: 4 %.

3) Состояние Н18:

  • предел текучести: 240 МПа;
  • предел прочности: 270 МПа;
  • удлинение: 2 %.

Алюминиевый сплав 5182 

Химический состав: 4,0-5,0 % магния.
1) Состояние О:

  • предел текучести: 110 МПа;
  • предел прочности: 255 МПа;
  • удлинение: 12 %.

2) Состояние Н19:

  • предел текучести: 320 МПа;
  • предел прочности: 380 МПа;
  • удлинение: 1 %.

Алюминиевый сплав 6082 

Химический состав: 0,7-1,3 % кремния – 0,6-1,2 % магния.

1) Состояние О:

  • предел текучести: 85 МПа;
  • предел прочности: 150 МПа;
  • удлинение: 16 %.

2) Состояние Т6:

  • предел текучести: 260 МПа;
  • предел прочности: 310 МПа;
  • удлинение: 10 %.

Алюминиевый сплав 7075

Химический состав: 5,1-6,1 % цинка – 2,1-2,9 % магния – 1,2-2,0 % меди.

1) Состояние О:

  • предел текучести: 145 МПа;
  • предел прочности: 275 МПа;
  • удлинение: 10 %.

2) Состояние Т6:

  • предел текучести: 470 МПа;
  • предел прочности: 540 МПа;
  • удлинение: 7 %.

Источники:
1. Handbook of Metallurgical Process Design, 2004
2.  https://www.uacj.co.jp/english/products/sheeting/
3. Aluminum and Aluminium Alloys /ed. J.R. Davis – ASM International – 1993/