Выбор алюминиевых сплавов: металлургические факторы

Промышленные технологии обработки алюминия

Большинство алюминиевых изделий и полуфабрикатов, которые применяются в в машиностроении, строительстве и других инженерных областях имеют форму, которую они получают методами обработки металлов давлением – прокаткой, прессованием (экструзией), волочением, ковкой, штамповкой. Примерами являются катаный лист (толстый, тонкий и фольга), прессованный профиль, труба, пруток и проволока. Алюминиевые сплавы, которые обрабатывают этими методами, называются деформируемыми.

Практически вся остальная алюминиевая продукция  – это в основном литые изделия, которые получают различными методами литья, такими как литье в песчаные формы, литье в кокиль, литье под высоким давлением, литье под низким давлением, литье по выплавляемым моделям и другие. Алюминиевые сплавы, которые применяются для литья, называются литейными.

Относительно небольшое количество алюминиевых сплавов и изделий из них получают специальными методами, такими как горячая изостатическая обработка, порошковые технологии, метод сверхбыстрого затвердевания и другие.

Деформируемые сплавы

Количество деформируемых алюминиевых сплавов, которые есть в распоряжении у инженера-конструктора, является очень большим. Все деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на:

  • термически неупрочняемые сплавы и
  • термически упрочняемые сплавы.

Прежде чем рассматривать характеристики этих двух классов деформируемых алюминиевых сплавов, полезно напомнить современную международную систему обозначения самих деформируемых сплавов их состояний, то есть той технологической обработки, которые они получают в ходе изготовления изделий и полуфабрикатов.

Обозначение деформируемых сплавов

Международная система обозначения деформируемых алюминиевых сплавов подразделяет все деформируемые сплавы на восемь классов (серий, групп) по основным легирующим элементам (таблица 1).

Таблица 1 – Международная классификация и
система обозначений деформируемых алюминиевых сплавов  [1]

В этой международной системе обозначений деформируемых алюминиевых сплавов, которая состоит из четырех цифр:

  • первая цифра идентифицирует главные легирующие элементы
  • остальные три цифры применяются как серийные цифры для идентификации различных отдельных сплавов.

Серия 1ххх формально включает не сплавы (нет легирующих элементов), а марки алюминия. В обозначении марок алюминия включена определенная информация. Например, в обозначении марок алюминия промышленной чистоты последние три цифры ххх обозначают степень чистоты марки: 1080 указывает на чистоту алюминия 99,80 %. В остальных сериях алюминиевых сплавов (2ххх, 3ххх, 4ххх, 5ххх, 6ххх, 7ххх и 8ххх) цифры ххх не несут прямой информации о химическом составе конкретного сплава. Для этого нужно обращаться к стандартам и другим нормативным документам.

Состояния алюминиевых сплавов

Один и тот же сплав может подвергаться обработке различным технологическим операциям: термической обработке, холодной деформационной обработке (нагартовке) и их комбинациям. В результате такой обработки сплав может получать различные механические свойства, микроструктуру и другие служебные характеристики. Эти особенности технологической обработки алюминиевого сплава и полученные им в результате этой обработки свойства отражает характеристика сплава, которая называется «состояние сплава».

Международная классификация состояний алюминиевых сплавов представлена в таблице 2.

Таблица 2 – Международная классификация
состояний алюминиевых сплавов [1, 2]

Группы состояний (базовые состояния) деформируемых алюминиевых сплавов

Состояние F:

  • Применяется к изделиям и полуфабрикатам из деформируемых сплавов и литым изделиям, которые изготавливают без специального контроля термических условий или степени нагартовки. Для изделий из деформируемых сплавов механические свойства не контролируются.

Состояния О:

  • Применяется к изделиям из деформируемых сплавов, которые отжигают, чтобы получить состояние с минимальной прочностью и к литым изделиям, которые отжигают, чтобы улучшить пластические свойства и стабилизировать размеры. За буквой О может следовать цифра, отличная от нуля.

Состояния Н:

  • Применяется только к изделиям из деформируемых сплавов. Оно указывает изделия, которые получили деформационное упрочнение путем холодной деформации с дополнительной термической обработкой для некоторого снижения прочности или без нее. За буквой Н всегда следует две или более цифр, которые отражают степень нагартовки и дополнительные операции. Например, Н24 указывает что алюминиевое изделие (полуфабрикат) подвергалось нагартовке до степени ½, затем частичному восстановительному отжигу. См. подробнее здесь.

Состояния Т:

  • Применяется для изделий из термически упрочняемых деформируемых и литых сплавов. За буквой Т может следовать от одной до четырех цифр. Например, Т64 – обработка (нагрев) на твердый раствор и неполное искусственное старение (для повышения пластичности по сравнению с состоянием Т6). См. подробнее здесь.

Справка

Термическая обработка на твердый раствор [2]:

  • Чтобы максимально повысить эффективность термического упрочнения за счет выделения упрочняющих фаз, необходимо сначала получить твердый раствор. Процесс, в результате которого это достигается, называется термической обработкой на твердый раствор. Цель этой обработки – перевести в твердый раствор максимальное количество растворимых упрочняющих элементов сплава. Она заключается в выдержке сплава при достаточно высокой температуре и в течение времени, которого достаточно для получения почти гомогенного твердого раствора.

Стабилизационная термическая обработка (стабилизация) [2]:

  • Эта обработка применяется, чтобы стабилизировать свойства алюминиевого изделия при температуре несколько выше, чем реальная температура, при которой это изделие будет применяться. Это предотвращает изменение свойств изделия при его нагреве в эксплуатации. Такая обработка применяется также для литых изделий для снижения остаточных напряжений.

Полное обозначение алюминиевого сплава

Полная запись обозначения сплава состоит из обозначения сплава и обозначения его состояния. Эта запись в различных регионах и странах пишется по-разному:

  • Через дефис: 6060-Т6 – Северная Америка
  • Через пробел: 6060 Т6 – Европа
  • Через точку: АД31.Т5 – например, ГОСТ 8617-2018
  • Слитно: АД31Т5 – например, СНиП 2.03.06-85 Алюминиевые конструкции (СП 128.13330.2011).

На наш взгляд, “американский” вариант самый удобный и однозначный.

Выбор деформируемых алюминиевых сплавов

Деформируемый алюминиевые сплавы для изделий выбирают на основании:

  • свойств, которые требуются для изделия в течение срока службы
  • степень сложности изготовления изделия
  • общая стоимость сплава, его доступность на рынке, технология термической обработки и отделка поверхности

Деформируемые алюминиевые сплавы делятся на:

  • Термически неупрочняемые сплавы
  • Термически упрочняемые сплавы

Термически неупрочняемые сплавы

Термически неупрочняемые сплавы могут упрочняться путем обработки на твердый раствор и/или путем холодной деформационной обработки (нагартовкой), но не способны упрочняться за счет механизма старения, то есть выделения упрочняющих фаз.

  • Марки алюминия 1ххх: технически чистый алюминий (электрические проводники, химическое оборудование, декоративные архитектурные элементы). Прочность на растяжение в отожженном состоянии является низкой (около 50 МПа) и может быть удвоена путем холодной деформационной обработки.
  • Сплавы 3ххх: алюминий-марганец («пивные» банки, автомобильные радиаторы). Применяются для изделий с умеренной прочностью (около 180 МПа) при хорошей пластичности (для легкости формовки изделий) и хорошей коррозионной стойкости. Сплав 3003 в виде листов применяется для изготовления автомобильных радиаторов. Сплав 3004, с марганцем и магнием, применяется для изготовления банок для прохладительных напитков и пива.
  • Сплавы 5ххх: алюминий-магний: применяется в транспортном машиностроении, судостроении, автомобилестроении, в декоративных строительных элементах. Имеют высокую прочность и высокую стойкость к коррозии. Хорошо свариваются.

Термически упрочняемые сплавы

Это – сплавы серий 2ххх, 6ххх, 7ххх и 8ххх, что дает широкие возможности для выбора подходящего сплава весьма широкие.

  • Сплавы серии 2ххх, особенно те, которые основаны на системе алюминий-медь-магний, нашли применение в несущих конструктивных элементах самолетов.
  • Сплавы серии 6ххх (алюминий-магний-кремний) широко применяются в качестве профилей с умеренной прочностью в строительстве, машиностроении и других областях промышленности.
  • Сплавы серии 7ххх (алюминий-цинк-магний) обеспечивают высокую прочность для ответственных конструкций и сооружений.
  • Специальные термически упрочняемые сплавы серии 8ххх включают сплав 8001 (Al-1,1Ni-0,6Fe) для атомных станций для работы в воде при высоких температурах и высоком давлении и сплав 8011 (Al-0,75Fe-0,7Si), который способен к глубокой вытяжке для изготовления, например, пробок для бутылок [1].

Литейные сплавы

Международная система обозначений литейных алюминиевых сплавов

Международная классификация и система обозначений литейных алюминиевых сплавов представлена в таблице 3.

Таблица 3 – Международная классификация и
система обозначений литейных алюминиевых сплавов [1]

Как и деформируемые сплавы литейные сплавы также подразделяются на:

  • термически неупрочняемые и
  • термически упрочняемые.

При выборе литейного сплава рассматривают следующие факторы:

  • тип литейной технологии
  • требования к механическим и другим свойствам
  • стоимость

Литейные сплавы, в которых главным легирующим элементом служит кремний, являются наиболее важными для применения в различных инженерных областях. Эти сплавы характеризуются высокой текучестью, так как по содержанию кремния они находятся вблизи эвтектического химического состава. Эти отливки имеют высокую стойкость к коррозии в сочетании с низким коэффициентом термического расширения и хорошей свариваемостью.

Цифра после точки в обозначении литейного алюминиевого сплава

Цифра, которая идет в обозначении литейного сплава после  точки, указывает на форму продукции [3]:

  • Цифра нуль (0) после точки указывает на само литое изделие (отливку)
  • Цифра один (1) после точки указывает пределы химического состава для слитка, который применяется для изготовления литого изделия ххх.0.
  • Цифра два (2) после точки указывает на слиток, который применяется для изготовления изделия ххх.0, но слиток другого химического состава (обычно более узкого), чем слиток ххх.1. Хотя и не всегда, ххх.1 часто указывает пределы химического состава для вторичного сплава, тогда как ХХХ.2 указывает пределы химического состава для первичного сплава.

Важно помнить, что «0» после точки указывает на литейное изделие, тогда как «1» или «2» указывают на химический состав слитков, который требуется для изготовления этого литейного изделия (отливки).

Поскольку плавление и обработка расплава могут изменять химический состав сплава, который приготовлен для изготовления отливок, требования к химическому составу ххх.1 или ххх.2 всегда являются в определенной степени жестче, чем для требования к химическому составу ххх.0 для готовой отливки. Согласно принятой договоренности слитки ххх.2 всегда имеют более жесткие пределы по химическому составу, чем слитки ххх.1.

Не все сплавы имеют обе формы слитков – ххх.1 и ххх.2. Многие более традиционные сплавы для литья под высоким давлением будут имеют только слиток из вторичного металла ххх.1, а многие сплавы для литья высококачественных отливок имею только слиток ххх.2.

Буквы в обозначении литейного алюминиевого сплава

Перед цифровым обозначением литейного сплава может быть буква, например, А360.0. Буквы указывают некоторые отклонения от первоначально разработанного сплава, возможно версия с  более низким содержанием примесей или дополнительным контролируемым элементом.

Применение литейных алюминиевых сплавов

Сплавы серии 1хх

Сплавы серии 1хх промышленно применяется для литья роторов электрических роторов. Роторы обычно льют на вертикальных машинах для литья под высоким давлением, которые специально разработаны для этой цели. Благодаря высокой электропроводности технически  чистого алюминия, его применяют для изготовления электропроводящих шин Их отливают вместе со стальной оболочкой, которую заранее устанавливают в литейной форме.

Сплавы серии 2хх

Сплавы серии 2хх включают самые высокопрочные на сегодняшний день литейные алюминиевые сплавы. Сплавы серии 2хх лучше сохраняют свою прочность при повышенных температурах, чем другие литейные алюминиевые сплавы.

Сплавы серии 3хх

Сплавы серии 3ххх являются настоящими рабочими лошадками алюминиевой литейной промышленности за счет их высоких литейных характеристик и хорошей прочности. Наиболее применяемые из них – это сплавы Al-Si-Cu, которые при повышенном содержании меди являются полностью термически упрочняемыми.

Группа сплавов 380 долгое время в подавляющем количестве применялась (свыше 85 %) для литья под высоким давлением. Эти вторичные (из алюминиевого лома) сплавы были специально разработаны для литья под высоким давлением. Они содержат больше кремния и железа, а также допускают больше примесей, чем сплавы, которые предназначены для литья другими методами. Эти сплавы обеспечивают хороший баланс между низкой стоимостью, умеренной прочностью без необходимости термической обработки и хорошими литейными характеристиками. Магний в этих сплавах обычно контролируется на очень низком уровне, чтобы минимизировать образование оксидов во время очень турбулентном наполнении литейной камеры. Однако считается, что  малое содержание магния (около 0,3 %) может заметно повысить твердость и способность к механической обработке [3].

Сплавы серии 4хх

Сплавы серии 4хх применяются тогда, когда требуются хорошие литейные характеристики, а также более высокая коррозионная стойкость, чем у сплавов серии 3хх, которые содержат медь. Они применяются для изготовления отливок для работы в морской воде, оборудования для пищевой промышленности и компонентов для химической промышленности, а также  таких изделий, как основания столбов уличного освещения [3].

Сплавы серии 5хх

Сплавы серии 5хх имеют самую высокую стойкость к коррозии из всех литейных алюминиевых сплавов. Они также хорошо полируются до зеркальной поверхности, хорошо анодируются с приятным естественным алюминиевым видом. Поэтому они применяются для изготовления декоративных отливок, а также литых изделий, которые применяются в молочном производстве и пищевой промышленности, трубных фитингов для морского и химического оборудования.

Сплавы 5хх требуют больше внимания при подготовке и литью, чем сплавы с низким содержанием магния, так они проявляют высокую реактивность в присутствии кислорода, влаги в атмосфере, смазок и т. п.

Аналогично сплавам 2хх для сплавов 5хх свойственна низкая текучестью и склонность к горячему растрескиванию. Поэтому обычные сплавы серии 5хх редко применяют для литья под высоким давлением, хотя некоторые специальные сплавы 5хх применяют и для литья под высоким давлением [3].

Сплавы серии 7хх

Сплавы серии 7хх обладают хорошей стойкостью к ударным нагрузкам и достигают достаточно высокой прочности без необходимости термической обработки. Сплавы серии 7хх постепенно состариваются при комнатной температуре, но набирают максимальную прочность в течение 20-30 суток после литья. Они популярны для изготовления крупных деталей машин, мебели, садового инструмента, деталей грузовых автомобилей и шахтного оборудования.

Сплавы серии 7хх имеют самую температуру полного затвердевания (солидус) из всех литейных алюминиевых сплавов, кроме роторных сплавов серии 1хх. Поэтому они являются подходящими для соединения деталей методом пайки [3].

Сплавы серии 8хх

Сплавы серии 8хх применяются исключительно для литья втулок и опорных подшипников. Они имеют высокую прочность на сжатие и уникальные смазывающие свойства в условиях перегрева. Единственным ингредиентом сплавов 8хх является олово. Олово находится в затвердевшей отливке в виде малых глобулей из чистого олова. Если нормальная смазка отсутствует и в подшипнике возникает перегрев, то оловянная фаза плавится при 231 ºС и просачивается из перегретой поверхности и обеспечивает аварийную смазку из жидкого олова и тем самым предотвращает катастрофическое разрушение системы [3].

Источники:

  1. TALAT 1255  Metallurgical Background to Alloy Selection and Specifications for Wrought, Cast and Special Applications / M. H. Yacobs – 1999
  2. Aluminum and Aluminum Alloys /ed. J.R. Davis – ASM International, 1993
  3. Aluminum Cast Alloys: Enabling Tools for Improved Performance / D. Apelian – NADCA, 2009