Aluminiumlegierungen: Auswahl und Anwendung

Сплавы на основе алюминия

Термины и определения

Алюминиевый сплав – сплав на основе алюминияэто алюминий, который [1]:

  • содержит один или более легирующих элементов, а также некоторые примеси;
  • алюминий преобладает по массе по каждому из других химических элементов;
  • содержание алюминия не превышает 99,00 %.

Легирующий элемент – ist es ein metallisches oder nichtmetallisches Element, die innerhalb bestimmter Ober- und Untergrenzen kontrolliert wird, um der Aluminiumlegierung bestimmte besondere Eigenschaften zu verleihen [1].

Verunreinigung – metallisches oder nichtmetallisches Element, die in der Legierung vorhanden ist, deren Mindestgehalt nicht kontrolliert wird. In Aluminiumlegierungen, allgemein, die maximale Konzentration an Verunreinigungen wird kontrolliert [1].

Legieren in Aluminiumlegierungen

Die wichtigsten Legierungselemente, die verwendet werden, um Aluminium in Legierungen mit besonderen Eigenschaften umzuwandeln - und geschmiedet, und Gießereien (natürlich, in verschiedenen Mengen) – sind:

  • Silizium (Si),
  • Magnesium (Mg),
  • Mangan (Mn),
  • Kupfer (Cu) und
  • Zink (Zn).

Beeinflussen, z.B, der Kupfergehalt in einer Aluminiumlegierung auf seine mechanischen Eigenschaften ist in der Abbildung dargestellt 1.

Bild 1- Der Einfluss des Legierens einer Aluminiumlegierung mit Kupfer auf die mechanischen Eigenschaften [3]

Eisen in Aluminiumlegierungen

Aluminiumknetlegierungen enthalten ca. 0,1 – 0,4 % (nach Masse) Eisen (Fe). Eisen gilt allgemein als unerwünschte Verunreinigung. Sein Gehalt hängt von der Qualität des ursprünglichen Erzes (Bauxit) und der Technologie der elektrolytischen Reduktion ab. Manchmal wird mit Eisen legiert, um besondere Materialeigenschaften zu erhalten., z.B, zur Herstellung von Aluminiumfolie.

Modifikation von Legierungen

In Kombination mit den Hauptlegierungselementen werden häufig weitere Legierungselemente verwendet: Wismut (Bi), Kiefer (B), Chrom (Cr), Blei (Pb), Nickel (Ni), Titan (Ti) und Zirkonium (Zr). Diese Elemente werden normalerweise in kleinen Mengen (bis zu 0,1 % nach Gewicht, obwohl B, Pb und Cr können bis zu sein 0,5 %), ihnen besondere Eigenschaften zu verleihen, Legierungen für spezielle Zwecke modifizieren, wie Gussqualität, Verarbeitbarkeit, Hitzeverträglichkeit, Korrosionsbeständigkeit, Stärke usw..

Klassifizierung von Aluminiumlegierungen

Klassifizierung von Aluminiumlegierungen – Aluminiumlegierungen – produziert nach verschiedenen Kriterien, einschließlich:

  • nach Verarbeitungsmethode – Gießerei und Schmiede
  • durch den Härtemechanismus – thermisch gehärtet und formgehärtet
  • nach Hauptlegierungselementen

Zwei Kategorien: Gießen und Schmieden

Zwei Kategorien von Aluminiumlegierungen

  • Gießereien
  • verformbar

Aluminiumgusslegierung – Aluminiumlegierung, die in erster Linie für die Herstellung von Gussteilen bestimmt ist.

Aluminium-Knetlegierung – Aluminiumlegierung, die in erster Linie für die Herstellung von Aluminiumprodukten durch Warm- und / oder Kaltumformung bestimmt ist.

Knetlegierungen

Aluminiumknetlegierungen werden zunächst zu Barren (rund oder rechteckig) gegossen, und anschließend nach verschiedenen Druckbehandlungstechnologien verarbeitet – heiß und kalt – bevor Sie ihnen die gewünschte Form geben:

  • rollen - um Bleche und Folien zu erhalten;
  • drücken - um Profile zu erhalten, Rohre und Stangen;
  • Formen - um komplexere Formen aus gewalzten oder gepressten Halbzeugen zu erhalten;
  • Schmieden, um komplexe Formen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften zu erhalten,
    und auch:
  • Schleppen, stempeln, Ausschiffung, Kapuze, rollen, Verteilung, flexibel usw.. P.

Beliebte Aluminium-Knetlegierungen der Serie 6xxx, welche anwenden zur Herstellung von stranggepressten Aluminiumprofilen, sind unten in der Abbildung dargestellt 7.


Bild 7 – Hauptaluminiumlegierungen der 6xxx-Serie

Gusslegierungen

Aluminiumgusslegierungen im geschmolzenen Zustand werden auf verschiedene Weise direkt in ihre endgültige Form gegossen, solche wie, Sandguss, Kokillenguss oder Spritzguss. Beim Gießen werden komplexe Gussformen verwendet. Diese Legierungen haben oft einen hohen Siliziumgehalt, um ihre Gusseigenschaften zu verbessern..

Diese beiden Kategorien von Aluminiumlegierungen werden nach Legierungslegierungen unterschiedlich klassifiziert: Im Allgemeinen werden ihnen die gleichen Legierungselemente zugesetzt., aber in unterschiedlichen Mengen.

Festigkeit und andere mechanische Eigenschaften von Aluminiumlegierungen, wie deformiert, und Gießereien, hauptsächlich durch ihre chemische Zusammensetzung bestimmt, t. ist. Gehalt an Legierungselementen in Aluminium, sowie schädliche Verunreinigungen. Es ist jedoch möglich, diese Eigenschaften zu ändern, um ihre optimale Kombination durch zusätzliche Verarbeitung von Legierungen zu erreichen - thermisch oder umformbar, oder er auch, und ein anderer. Dadurch ändert die Legierung ihre anfänglichen mechanischen Eigenschaften und erhält ihre endgültige Zustand, in dem es an den Kunden geliefert wird. Die härtende Wärmebehandlung wird wie bei Gießereien angewendet, und verformte Legierungen, In diesem Fall werden sie Legierungen genannt., durch Wärmebehandlung gehärtet.

Zwei Härtungsmechanismen

Zwei Klassen von Aluminiumlegierungen:

  • thermisch gehärtet
  • kaltverfestigt (Kaltverformung)

Warmhärtbare Legierungen

Hitzehärtbare Legierung – Legierung, die durch entsprechende Wärmebehandlung gehärtet werden können (Abbildungen 2, 3 und 4).

Bild 2 – Härten und Altern von Aluminiumlegierungen [2]

Bild 3 – Typische Warmhärtung durch Alterung [4]

Bild 4 – Einfluss des Warmhärtens auf die mechanischen Eigenschaften der Legierung 7075 [4]

Kaltverfestigte Legierungen

Kaltverfestigte Legierung (“thermisch nicht härtbar”, arbeitsgehärtet) – Legierung, die erst durch Umformbearbeitung gehärtet wird 5 und 6), keine Wärmebehandlung.

 

Bild 5 – Einfluss der Kaltplastikbearbeitung – Härten – für Stärke, Härte und Duktilität von Aluminiumlegierungen [2]

Bild 6 – Kaltverfestigungskurven (Dehnungsverfestigung)
thermisch ungehärtete Aluminiumlegierungen [4]

Serien- und Legierungssysteme

  • Alle Aluminiumlegierungen – und verformbar , und Gießereien – nach den wichtigsten Legierungselementen in Serien unterteilt.
  • Jede Serie von Aluminiumlegierungen, verformbar und gießen, einschließen, zwei oder drei verschiedene Legierungssysteme.
  • Das Legierungssystem kann nur das Hauptlegierungselement (unten fett dargestellt) oder ein oder mehrere zusätzliche Legierungselemente umfassen..

Knetlegierungsserie

  • 2xxx - Al-Mit, Al-Mit-Mg, Al-Mit-Mg-Si, Al-Mit-Bei der
  • 3xxx – Al-Mn
  • 4xxx – Al-Und
  • 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

Gusslegierungsserie

  • 2xx – Al-Mit, Al-Mit-Von Mg, Al-Mit-Und,
  • 3xx – Al-Und-Mit, Al-Und-Cu-Mg, Al-Und-Mg
  • 4xx – Al-Und
  • 5xx – Al-Mg
  • 7xx – Al-Zn
  • 8xx – Al-Sn

Aluminiumlegierungen in Strukturen

Festigkeitsbewertung von Aluminiumlegierungen

Unlegiertes Aluminium hat eine Zugfestigkeit von ca. 90 MPa. aber, geringe Zugaben von Legierungselementen, eine solche, wie Kupfer, Magnesium, Mangan, zuGürtel, Zink, eine kleine Menge anderer Elemente wird durch Aluminiumlegierungen gewonnen.

Aluminiumlegierungen schaffen, um Aluminium mit besonderen Eigenschaften zu erhalten, z.B, mit höheren mechanischen Eigenschaften (Zahlen 8 und 9).

Bild 8 – Festigkeitsbewertung von Aluminiumknetlegierungen [2]


Bild 9 – Einfluss von Legierungselementen auf die Zugfestigkeit, Härte, Schlagempfindlichkeit und Duktilität [5]

Legierungsauswahl

Bei der Wahl einer Aluminiumlegierung als Konstruktionswerkstoff, der Hauptfaktor ist, die Festigkeit des daraus hergestellten Bauteils zu gewährleisten. Die strukturelle Festigkeit unterschiedlicher Elementtypen wird jedoch durch unterschiedliche Eigenschaften des gleichen Konstruktionsmaterials gewährleistet..

beispielsweise, die Stärke der "dicken" Säule hängt hauptsächlich von der Streckgrenze des Metalls ab, wohingegen die Festigkeit einer "dünnen" Säule hauptsächlich vom Elastizitätsmodul des Materials abhängt. Da die Streckgrenze von Aluminiumlegierungen oft mit der Streckgrenze von gewöhnlichen Baustählen vergleichbar ist, dann könnte Aluminium bei "dicken" Säulen durchaus mithalten. Andererseits, da der Elastizitätsmodul von Aluminium und seinen Legierungen nur etwa ein Drittel des Elastizitätsmoduls von Stählen beträgt, dann kann Aluminium in "dünnen" Säulen kaum mit Stählen mithalten.

Stärke, aber, ist nicht das einzige Leistungsmerkmal einer Struktur oder eines Produkts. Solche zusätzlichen Faktoren, als Korrosionsbeständigkeit, einfache Verarbeitung (Kompressibilität oder Schweißbarkeit), Steifigkeit (E-Modul), plastischer Bruch (Dehnung), Gewicht (Dichte), Dauerfestigkeit, und auch die kosten, sollte bei der Wahl des erforderlichen Konstruktionsmaterials auf die eine oder andere Weise berücksichtigt werden.

Ökonomie des Aluminiumbaus

Materialkosten sind oft ein kritischer Faktor. Der Vergleich von Aluminiumlegierungen und Stählen auf der Grundlage des Einheitsgewichts oder des Volumens kann jedoch irreführend sein., da sie unterschiedliche Stärken haben, Dichte und andere Eigenschaften.

Wenn die Materialkosten der einzige Faktor wären und Kohlenstoffstähle ohne Korrosionsschutzbeschichtung verwendet werden könnten, nur dann würden sie immer und überall angewendet. aber, bei der Materialauswahl werden auch andere Faktoren berücksichtigt, wie die Betriebs- und Wartungskosten über die gesamte Lebensdauer des Bauwerks. Außerdem, unter bestimmten Bedingungen die "Regel" über, dass ein Aluminiumelement zweimal leichter ist als ein Stahlelement, stimmt nicht immer. beispielsweise, das Aluminiumbauteil kann viel weniger wiegen, wenn die Dicke des Stahlelements unter Berücksichtigung der möglichen Reduzierung durch zu aggressive Korrosion während der gesamten Lebensdauer erhöht werden muss.

Wenn Profile mit komplexen Querschnitten benötigt werden, wie, z.B, in umschließenden Fassadenkonstruktionen, dann in solchen Fällen, die Kosten für das Stahlelement sind viel höher, als die Kosten seines Materials. Die Sache ist, dass für die Herstellung dieses Elements aus einem Stahlbarren dieses mechanisch bearbeitet werden muss, kaltgeformt oder gebogen, aber, kann sein, und Schweißen anwenden. Gleichzeitig betragen die Herstellungskosten eines Aluminiumprofils nur einen kleinen Bruchteil der Kosten von „rohem“ Aluminium.

Aufgrund der hohen Kosten von Edelstahl werden sie nur verwendet, wenn das Gewicht eines Elements oder einer Struktur keine Rolle spielt, aber Aussehen und Schweißbarkeit sind wichtig. In der Regel, wenn Edelstahl statt Aluminium verwendet wird, dann gibt es oft nur einen Grund - die Grenzen von Aluminiumlegierungen beim Schweißen.

Aluminiumlegierungen nach Eurocode 9

Aluminiumlegierungen bieten Konstrukteuren eine Vielzahl von Materialien. Jede Legierung hat ihre eigenen besonderen Eigenschaften, die dazu dienen, die angegebenen Eigenschaften bereitzustellen. Wenn Korrosionsbeständigkeit, hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und einfache Herstellung sind wesentliche Konstruktionsparameter, dann verdienen Aluminiumlegierungen ernsthafte Überlegung.

In Tabellen 1 und 2 Aluminiumknetlegierungen werden vorgestellt, welcher Eurocode 9 empfiehlt und genehmigt die Verwendung in Gebäuden und Bauwerken (siehe. mehr Details Hier).

Tabelle 1 – Nicht thermisch gehärtete Aluminiumlegierungen nach Eurocode 9

Tabelle 2 – Nicht thermisch gehärtete Aluminiumlegierungen nach Eurocode 9

1. Leitlinien GAG-Leitfaden 001 Begriffe und Definitionen Ausgabe 2009-01 März 2009
2. Das Schweißen von Aluminium und seinen Legierungen / Gene Mathers – Woodhead Publishing Ltd, 2002
3. Aluminium und Aluminiumlegierungen / ed. Davis – ASM International, 1996
4. Aluminium und Aluminiumlegierungen – Themenführer – ASM International, 2015
5. TALAT 1501