Aluminium

Unalloyed aluminium: grades and applications

Термины и определения

Aluminium grades

Нелегированный алюминий – это алюминий без легирующих элементов при содержании алюминия не менее 99,00%, остальное – примеси. Примесь – металлический или неметаллический элемент, присутствующий в металле, минимальное содержание которого не контролируется.

Рафинированный алюминий – нелегированный алюминий высокой чистоты (содержание алюминия не менее 99,950%), который получают в результате специальных металлургических обработок.

Первичный алюминий – нелегированный алюминий:

  • который произведен из глинозема, обычно электролизом, и
  • который имеет содержание алюминия не менее 99,70%.

Нелегированный алюминий подразделяется на марки в зависимости от содержания в нем примесей.

Aluminium alloys

Алюминиевый сплав – это алюминий:

  • который содержит легирующие элементы,
  • в котором содержание алюминия выше, чем любого другого элемента и
  • в котором, содержание алюминия не более 99,00%

Легирующий элемент – это металлический или неметаллический элемент, содержание которого контролируется в заданном интервале, чтобы обеспечивать сплаву заданные специфические свойства. Обычно легирующие элементы преднамеренно добавляют в расплав алюминия.

Легированный алюминий подразделяется на сплавы.

Каждый алюминиевый сплав имеет свое обозначение, например, сплав 2017. Это обозначение сплава однозначно определяет его химический состав, в том числе, интервалы содержания легирующих элементов и допуски на максимальное содержание примесей. Необходимо отметить, что иногда, в том числе, в стандартах, применяется выражение “марка сплава”. Однако, чем отличается смысл выражений “марка сплава” и “сплав” совершенно не понятно.

Aluminium grades classification

Среди марок алюминия различают по способу выплавки и назначению:

  • марки первичного алюминия
  • марки деформируемого алюминия
  • марки литейного алюминия

Primary aluminium grades

Первичный алюминий подразделяются на:

  • алюминий особо высокой чистоты (содержание алюминия выше 99,995%)
  • алюминий высокой чистоты (содержание алюминия от 99,95 до 99,995%)
  • алюминий технической чистоты (содержание алюминия от 99,00 до 99,85%)

Марки первичного алюминия применяют, главным образом, для переплавки при изготовлении алюминиевых сплавов, деформируемых и литейных. При этом для сплавов общего назначения применяются марки алюминия технической чистоты. Для изготовления специальных сплавов  применяют марки алюминия высокой чистоты, например, для авиации и космонавтики. Кроме того, марки высокой чистоты и особо высокой чистоты применяют в различных высокотехничных технологиях, например, при производстве полупроводников.

Wrought unalloyed aluminium grades

Основные марки деформируемого алюминия имеют чистоту от 99,00 до 99,85%. Они предназначены для изготовления продукции методом горячей и холодной обработки металлов давлением, то есть – прокаткой, экструзией, волочением, штамповкой и т. п.

Casting unalloyed  aluminium grades

Марки литейного алюминия имеют очень ограниченное применение, в основном для изготовления литых роторов электрических двигателей. Они имеют чистоту от 99,00 до 99,70 %.

Primary aluminium

Two methods of designation

Известно, что все производство первичного алюминия основано на процессе Холла-Эру. Главными примесями выплавленного первичного алюминия являются железо и кремний. Кроме того, в первичном алюминии обычно присутствуют второстепенные примеси, такие как, цинк, галлий, титан и ванадий. Обычно в международной практике главным критерием, который характеризует химический состав и ценность первичного алюминия, является минимальное содержание в нем чистого алюминия. Однако в Соединенных Штатах более важным критерием, который отражает ценность первичного алюминия, считается содержание в нем железа и кремния. Этот подход установила американская Алюминиевая Ассоциация.

Поэтому марки нелегированного алюминия могут обозначаться двумя способами:

  • по минимальному содержанию чистого алюминия, например, Al 99,70 % или
  • по максимальному содержанию кремния и железа – в виде Pхххх.

За буквой Р следуют цифры, которые указывают на максимальное содержание кремния и железа, например:

  • Р1020 – это нелегированный первичный алюминий – марка первичного алюминия, содержащая не более 0,10% кремния и не более 0,20% железа.
  • Р0506 – это марка первичного алюминия, содержащая не более 0,05% кремния и не более 0,06% железа.

EN 576 and ISO 115

Эти два различных подхода к оценке свойств первичного алюминия отражены в европейском стандарте EN 576:2004. Этот стандарт устанавливает требования к химическому составу различных марок первичного алюминия как в соответствии с международным подходом, так и – с американским подходом. Положения стандарта EN 576  в целом совпадают с положениями аналогичного международного стандарта ISO 115:2003.

Таблица 2 отражает международный подход, таблица 3 – подход американской Алюминиевой Ассоциации.

Таблица 2 – Нелегированный алюминий с установленным минимальным содержанием алюминия –
Химический состав: максимальное содержание в процентах по массе  Химический состав марок алюминия по ISO 115 - международный вариант

Таблица 3– Нелегированный алюминий без установленного минимального содержания алюминия –
Химический состав: максимальное содержание в процентах по массеХимический состав марок алюминия по ISO 115 - американский вариант

Обозначение марок алюминия в таблице 2 имеет “американский” вид: состоит из четырех цифр, перед которыми стоит буква Р, а после них – буква, обозначающая серию, например, Р1020А:

  • Первые две цифры, ХХ, указывают на две цифры после запятой в максимальном содержании кремния: 0,ХХ.
  • Последние две цифры, YY, указывают на две цифры после запятой в максимальном содержании железа: 0,YY.
  • Для базовых марок за четырьмя цифрами следует буква А.

Вариации базовых марок алюминия, то есть имеющие такие же пределы содержания для кремния и железа, но различные пределы содержания для других элементов, обозначаются путем замены буквы А на другую букву, начиная с В, но кроме I, О и Q.

Aluminium grades at LME

Стандартной маркой первичного алюминия, которая является предметом международной торговли, в том числе, на Лондонской бирже металлов (LME) является марка алюминия с чистотой 99,70% [3]. Это эквивалент американской марки первичного алюминия P1020. Эта марка алюминия обеспечивает максимальное содержание железа в металле 0,20% и максимальное содержание кремния 0,10% (то есть 10 сотых частей кремния , 20 сотых частей железа, отсюда – Р1020).

Металл с более низким содержанием алюминия, например, 99,50%, считается продукцией более низкого качества  и обычно продается со скидкой. Этот металл может быть переплавлен и смешан на литейном производстве с более высокосортным металлом, чтобы получить слитки, которые соответствуют требованиям LME или готовую литейную продукцию. Основными примесями при получении более высокосортного металла являются железо и кремний. Повышение содержания алюминия выше 99,70% означает в основном пропорциональное снижение содержания железа и кремния, тогда как содержание других примесей остается практически неизменным [3].

Wrought aluminium

Aluminium grades in EN 573-3

Таблица 5 – Марки деформируемого алюминия по EN 573-3

Марки деформируемого алюминия по EN 573-3

Casting aluminium

Литейные марки алюминия относятся к серии 1хх литейных сплавов по международной классификации алюминия и его сплавов. Хотя часто их называют сплавами (alloys), нет оснований относить их полноправным сплавам: они содержат не менее 99,00 % алюминия и формально не имеют легирующих элементов, однако, в отличие от марок первичного алюминия в них контролируют отношение содержания железа и кремния.

Эти марки-сплавы литейной серии 1хх применяются для отливки роторов электрических двигателей (таблица 6). Роторы обычно отливаются на машинах литья под высоким давлением, которые специально разработаны для этой цели. Типичный алюминиевый ротор показан на рисунке 1. Эти марки литейного алюминия серии 1хх применяются также в некоторых других случаях, которые не требуют сложных форм отливок.

Таблица 6 – “Роторные” марки литейного алюминия [4]

Марки алюминия для изготовления роторов электрических двигателей

Типичный алюминиевый ротор электрического двигателя

Рисунок 1 – Типичный алюминиевый ротор электрического двигателя [4]

В этих роторные “сплавах” установлены не только пределы чистоты алюминия, но и также отношение содержания железа и кремния. Это обеспечивает образование интерметаллических частиц, которые в меньшей степени, чем другие отрицательно влияют на литейные свойства этих “сплавов”, а также на их электрическую проводимость.

Поскольку нелегированный алюминий стоит дешевле, чем роторные сплавы, были попытки заменить их на марки первичного алюминия при изготовлении роторов. Например, слитки первичного алюминия Р1020 имеют ту же чистоту, как и “сплав” 170.2, но без контроля соотношения содержания железа и кремния, а также неконтролируемое содержание титана и ванадия. Опыт показал, что игнорирование этих различий ведет к разбросу характеристик электрической проводимости и низким литейным свойствам алюминия при отливке роторов [5].

  • Самый чистый «роторный» алюминий (170.1) является самым трудным для литья: он в самой большой степени подвергается усадочному растрескиванию.
  • Наоборот, наименее чистый алюминий 100.1 льется намного легче при минимальном растрескивании .
  • Более чистые марки алюминия, например, 99,80% и 99,85 %, еще более склонны к растрескиванию при их литье, чем марка алюминия 170.1  [4].

The microstructure of unalloyed aluminium

Iron and silicon

Поскольку железо и кремний являются основными и обязательными примесными элементами, а также поскольку растворимость железа в твердом алюминии очень мала, то в микроструктуре всех марок алюминия – кроме рафинированного, особо чистого алюминия – видны фазы алюминий-железо и алюминий-железо-кремний.  В литом равновесном состоянии в нелегированном алюминии могут присутствовать следующие фазы: FeAl3, Fe3SiAl12, Fe2Si2Al9.

Secondary inpurities

Второстепенные примеси, например, медь и марганец, находятся в слишком малом количестве, чтобы образовывать собственные фазы, но могут участвовать в образовании других фаз. Чтобы их обнаружить требуется высокое разрешение микроскопа и сложные методики идентификации фаз [2].

Unalloyed aluminium applications

Refined aluminium

Рафинированным алюминием называют алюминий с чистотой от 99,99 % до 99,9999 %. За рубежом чистоту такого алюминия часто обозначают “4N to 6N” – по количеству девяток (Nine). Его получают специальными методами из первичного алюминия. Марки рафинированного алюминия находят применение в следующих областях:

  • Фольга для электролитических конденсаторов (марка 1199)
  • Производство полупроводников
  • Плит для производства плоских дисплеев
  • Распайка выводов в электронной промышленности
  • Производство тонких пленок
  • Производство высокочистого оксида алюминия и высокочистых порошков
  • Электронные накопители (диски памяти)
  • Для изделий с зеркальной поверхностью и ювелирных изделий
  • Производство сверхчистых алюминиевых сплавов для аэрокосмической промышленности

Techical pure aluminium

  • Электрические проводники: проволока, витые прводники, шины, полосы трансформаторов (марки 1350)
  • Литографические плиты (марка 1100)
  • Упаковка: фольга из алюминия марки (марки 1100, 1145, 1050, 1235)
  • Прессованные трубы для пищевой, химической и пивоваренной промышленности (марки 1050, 1060)
  • Теплообменники (марки 1050, 1070, 1145)
  • Системы пассивной сейсмической защиты. Низкий предел текучести и высокая пластичность применяются для эффективного рассеивания сейсмической энергии при землетрясениях (марка 1050А)
  • Алюминиевые бутылки (марки 1050А и 1070А)

Aluminium for deoxidation of steel

Алюминий применяют для раскисления стали, а также производства ферросплавов и порошков для алюминотермии.   Этот алюминий изготавливают как из первичного сырья, так и из лома и отходов алюминиевых сплавов. Производится в чушках и гранулах.  Для этих марок алюминия характерно очень большое содержание примесей – в общем количестве до 13 %.

 Источники:

  1. Properties of Pure Aluminum / A. Sverdlin //Handbook of Aluminium: Vol.1 Physical metallurgy and Processes, ed. G.E. Davis, D.S. MacKenzie, 2003
  2. Aluminum and Aluminum Alloys / ed. J.R. Davis – ASM International, 1993
  3. The Aluminium Industry /James F King – Woodhead Publishing, 2001
  4. https://www.aluminum.org/sites/default/files/aecd16.pdf
  5. Aluminium Alloy Castings. Properties, Processes and Applications / J.G. Kaufman, E.L. Rooy – ASM International, 2004