Деформируемые алюминиевые сплавы: химический состав и применение

Категории и классы

Деформируемые и литейные

Все алюминиевые сплавы подразделяются на две главные категории:

  • деформируемые сплавы и
  • литейные сплавы.

Термически упрочняемые и деформационно упрочняемые

Дальнейшее разделение на два класса каждой из этих категорий основано на главном механизме повышения их механических свойств, а именно, за счет:

  • термической обработки или
  • деформационной обработки.

Многие сплавы имеют способность изменять свои свойства под воздействием термической обработки, которая основана на зависимости растворимости различных фаз от температуры. Эти термические обработки включают [1]:

  • термическую обработку на создание твердого раствора (нагрев под закалку);
  • закалку (быстрое охлаждение, обычно до “комнатной” температуры (температуры цеха));
  • упрочнение старением (за счет выделения упрочняющих фаз).

Такие сплавы, как деформируемые, так и литейные, называют термически упрочняемыми.

Большое количество других деформируемых сплавов получают повышение своих свойств не путем термической обработки, а путем деформационного упрочнения (нагартовки). Этот вид упрочнения достигается в результате пластического деформирования изделия с определенной степенью пластической деформации (вытяжкой). Обычно это происходит в комбинации с различными вариантами отжига для достижения оптимальной для данного изделия комбинации прочностных характеристик. Эти сплавы называют деформационно упрочняемыми, а также термически неупрочняемыми.

Серии деформируемых сплавов

Согласно международной системе обозначений все деформируемые алюминиевые сплавы подразделены на восемь серий (групп) в зависимости от системы легирования этих сплавов: 1ххх, 2ххх, 3ххх, 4ххх, 5ххх, 6ххх, 7ххх и 8ххх.

Серия 1ххх

Свойства

  • Относятся марки нелегированного алюминия с чистотой 99,00 % и выше (таблица 1).
  • Отличаются высокой коррозионной стойкостью, высокой тепловой и электрической проводимостью, низкими механическими свойствами и очень хорошей формуемостью.
  • Железо и кремний являются основными примесями.

Таблица 1 – Химический состав алюминиевых сплавов серии 1ххх [2]

Применение

Применяются в основном электротехнической и химической отраслях промышленности.

Серия 2ххх

Свойства

  • Главным легирующим элементом является медь, часто с магнием в качестве дополнительной добавки (таблица 2).
  • Эти сплавы требуют закалки для получения своих оптимальных свойств. В после закалки и естественного старения их механические свойства близки, а иногда и превосходят, свойства низкоуглеродистых сталей.
  • Реже применяется термическая обработка на искусственное старение для дальнейшего повышения механических свойств. Эта обработка повышает предел текучести с заметной потерей относительного удлинения, при этом влияние на предел прочности невелико.

Таблица 2 – Химический состав алюминиевых сплавов серии 2ххх [2]

  • Сплавы серии 2ххх не обладают высокой коррозионной стойкостью, которая характерна для большинства алюминиевых сплавов, а при некоторых условиях могут подвергаться межзеренной коррозии.
  • Поэтому поверхность листов из этих сплавов обычно плакируют (покрывают) марками алюминия, алюминиево-магниевыми сплавами из серии 6ххх или сплавом, который содержит 1 % цинка. Такое покрытие, составляет обычно от 2,5 до 5 % общей толщины с каждой стороны, обеспечивает гальваническую защиту материала внутри листа и, тем самым, значительно повышает его стойкость к коррозии.

Применение

  • Сплавы серии 2ххх особенно хорошо подходят для деталей и конструкций, которые требуют высоких отношений «прочность-вес».
  • Применяются при изготовлении колес грузовиков и самолетов, деталей подвески грузовиков, фюзеляжей и крыльев самолетов, несущих элементов зданий и сооружений, а также тех деталей, которые требуют высокой прочности при температурах до 150 ºС.
  • На рисунке 1 показаны отношения между некоторыми наиболее часто применяемыми сплавами из серии 2ххх.


Рисунок 1 – Связи между популярными сплавами в серии 2ххх (Al-Cu) [1]

Серия 3ххх

Свойства

  • Главным легирующим элементом является марганец (таблица 3).
  • Эти сплавы обычно являются термически неупрочняемыми, но имеют прочность на 20 % выше, чем марки алюминия из серии 1ххх.
  • Эффективность добавления марганца в алюминий весьма ограничена – до примерно 1,5 %.
  • Поэтому марганец является главным легирующим элементом только в незначительном количестве сплавов.

Применение

  • Популярный сплав 3003, широко применяется в качестве сплава в большом количестве изделий со средними требованиями по прочности и высокими требованиями по способности  к формовке.
  • Популярными являются также сплавы 3004 и 3104. Они применяются для изготовления корпусов банок для напитков – “пивных банок”. Крышки этих банок изготавливают из сплава 5182 серии 5ххх (см. ниже).

Таблица 3 – Химический состав алюминиевых сплавов серии 3ххх [2]

Серия 4ххх

Свойства

  • Главным легирующим элементом является кремний, который добавляется в весьма больших количествах (до 12 %) (таблица 4). Это делается для того, чтобы существенно снизить интервал плавления сплава без его охрупчивания.
  • По этой причине алюминиево-кремниевые сплавы применяют в виде сварочной проволоки и сплавов для пайки алюминия, когда требуется более низкий интервал температуры плавления, чем у основного металла.

Таблица 4 – Химический состав алюминиевых сплавов серии 4ххх [2]

  • Большинство сплавов из этой серии являются термически неупрочняемыми. Однако, когда они применяются для сваривания термически упрочняемых сплавов, они захватывают у них часть легирующих элементов и в определенной степени также получают термическое упрочнение.
  • Эти алюминиевые сплавы, которые имеют значительное содержание кремния, после анодирования становятся темными, от темносерого до черного цвета. Поэтому их не применяют для пайки изделий, подвергаемых анодированию, если к ним предъявляются требования по внешнему виду.

Применение

  • Основное применение – в виде проволоки для свраки и пайки алюминиевых сплавов
  • Сплав 4032 имеет низкий коэффициент температурного расширения и высокую износостойкость. Поэтому он хорошо подходит для изготовления кованых поршней двигателей.

Серия 5ххх

Свойства

  • Магний является главным легирующим элементом в сплавах серии 5ххх (таблица 5). Когда он применяется в качестве главного легирующего элемента или совместно с марганцем, то в результате получается деформационно упрочняемый алюминиевый сплав с уровнем прочности от среднего до высокого.
  • Магний является значительно более эффективным для повышения уровня прочности, чем марганец. Около 0,8 % магния эквивалентно 1,25 % марганца и, кроме того, магний может добавляться в значительно более высоких количествах.

Таблица 5 – Химический состав алюминиевых сплавов серии 5ххх [2]

Применение

  • Сплавы этой серии обладают хорошей свариваемостью и высокой стойкостью к коррозии в морской атмосфере. Однако существуют некоторые ограничения на количество холодной нагартовки и безопасной рабочей температуры, которые допускаются для сплавов с высоким содержанием магния (свыше ~3,5 % для рабочей температуры выше ~65 ºС) для того, чтобы избежать склонности к растрескиванию от коррозии под напряжением.
  • На рисунке 2 показаны связи между наиболее часто применяемыми сплавами серии 5ххх.

Рисунок 2 – Связи между популярными сплавами серии 5ххх (Al-Mg) [1]

Серия 6ххх

Свойства

  • Сплавы этой серии содержат кремний и магний приблизительно в пропорциях, которые требуются для образования силицида магния (Mg2Si), что делает их термически упрочняемыми (таблица 6).

Таблица 6 – Химический состав алюминиевых сплавов серии 6ххх [2]

Применение

  • Сплавы серии 6ххх не являются такими прочными как большинство сплавов серии 2ххх и 7ххх. Они имеют средний уровень прочности и отличаются хорошей формуемостью (в том числе, прессуемостью), хорошей свариваемостью, хорошей механической обрабатываемостью и хорошей коррозионной стойкостью.
  • Эти термически упрочняемые сплавы могут достигать своих прочностных свойств:
    – в состоянии Т4 – закалка, но без термической обработки на ускоренное старение (естественное старение); прочностные свойства не достигают максимально возможных значений;
    – в состоянии Т6 – закалка и термическая обработка для ускоренного старения (искусственное старение); прочностные свойства достигают максимально возможных значений.
  • На рисунке 3 показаны связи между наиболее часто применяемых алюминиевых сплавов серии 6ххх.

Рисунок 3 – Связи между популярными алюминиевыми сплавами
серии 6ххх (Al-Mg-Si)

Серия 7ххх

Свойства

  • Цинк в количестве от 1 до 8 % является главным легирующим элементом алюминиевых сплавов серии 7ххх вместе с более низким содержанием магния (таблица 7).
  • Эти сплавы являются термически упрочняемыми с уровнем прочности от среднего до очень высокого.
  • Обычно другие элементы, такие как медь и хром также добавляются в небольших количествах.
  • Малые добавки скандия также улучшают их свойства.

Применение

  • Сплавы серии 7ххх применяют в несущих конструкциях самолетов, тяжелых транспортных средствах и других тяжело нагружаемых конструкциях.

Таблица 7 – Химический состав алюминиевых сплавов серии 7ххх [2]

  • Высокопрочные сплавы серии 7ххх проявляют пониженное сопротивление растрескиванию в результате коррозии под напряжением и часто применяются в перестаренном состоянии для обеспечения лучшей комбинации прочности, коррозионной стойкости и вязкости разрушения.
  • На рисунке 4 показаны связи между некоторыми часто применяемыми сплавами серии 7ххх.

Рисунок 4 – Связи между популярными сплавами серии 7ххх (Al-Zn-Cu-Mg-Cr)

Серия 8ххх

Серия 8ххх объединяет сплавы с различными типами химического состава (таблица 8).

Таблица 8 – Химический состав алюминиевых сплавов серии 8ххх [2]

Повышенная стойкость к высоким температурам достигается за счет применения дисперсно-упрочняемых сплавов Al-Fe-Ce (пример – сплав 8019) или сплавов Al-Fe-V-Si (пример – 8009), которые производятся технологиями порошковой металлургии.

Пониженная плотность и более высокая жесткость может достигаться в сплавах, содержащих литий (пример – 8090). Сплав 8090, который является термически упрочняемым за счет старения, заменил среднепрочные и высокопрочные сплавы серий 2ххх и 7ххх в некоторых изделиях аэрокосмической промышленности (например, компонентов вертолетов).

Сплавы 8030 и 8176 разработаны специально для алюминиевых проводов и кабелей (см. Алюминиевая проводка)

Сплавы европейские и американские

Как можно заметить, не все алюминиевые сплавы, которые представлены на рисунках 1-4, присутствуют в таблицах 1-8. Это связано с тем, что европейский и американский подходы к легированию алюминиевых сплавов несколько различаются. Например, сплавы 6060 и 6082 являются “европейскими” и почти не применяются в Северной Америке. С другой стороны сплавы 6063 и 6061 являются популярными в Северной Америке и значительно реже применяются в Европе.

Источники:

1. Aluminum and Aluminum Alloys / J.R. Davis // Alloying: Understanding the Basics – ASM International, 2001

2. DIN EN 573-3:2009