Алюминиевые сплавы: классификация и свойства

Как железо, так и алюминий редко используются в чистом виде.  Для придания им заданных полезных свойств добавляют небольшие количества (часто менее 1 %) других элементов, которые называют легирующими. Так получают сплавы и железа, и алюминия. Одним из таких свойств, которое очень важно для конструкционных материалов, является их прочность.

От чистого алюминия к алюминиевым сплавам

Нелегированный алюминий имеет предел прочности на растяжение около 90 МПа. Однако, небольшими добавками цинка,  меди, магния, хрома, а также подходящей термической обработкой можно получить алюминиевый сплав с прочностью до 700 МПа. Вариациями химического состава, деформационных и термических обработок получают сплавы со свойствами, которые обеспечивают выполнение различных требований инженеров-конструкторов.    

Алюминиевые сплавы делятся на две основные категории: 

Деформируемые алюминиевые сплавы

Деформируемые алюминиевые сплавы сначала разливают в слитки (круглые или прямоугольные), а потом обрабатывают их давлением в горячем или холодном состоянии до придания им нужной формы:

  • прокаткой – для получения листов и фольги;
  • прессованием – для получения профилей, труб и прутков;
  • формовкой – для получения более сложных форм из катанных или прессованных полуфабрикатов;
  • ковкой для получения сложных форм с повышенными механическими свойствами.   

Литейные алюминиевые сплавы

Литейные алюминиевые сплавы в расплавленном состоянии разливают непосредственно в их конечную форму одним из различных методов, таких как, литье в песчаные формы, литье в кокили или литье под давлением. При литье применяют сложные литейные формы. Эти сплавы часто имеют высокое содержание кремния для улучшения их литейных свойств.       

У этих двух категорий алюминиевых сплавов классификация по легирующим сплавам различная: в целом в них добавляются одни и те же легирующие элементы, но в разных количествах. 

Прочность и другие механические свойства как деформированных, так и литейных сплавов определяются в основном их химическим составом, т.е. количеством в алюминии легирующих элементов, а также вредных примесей. Однако возможно изменение этих свойств для достижения их оптимального сочетания путем дополнительной обработки сплавов – термической или деформационной, или и той, и другой. В результате этого сплав изменяет свои первоначальные механические свойства и получает свое окончательное состояние, в котором и поставляется заказчику. Упрочняющую термическую обработку применяют как к литейным, так и к деформированным сплавам, Они в этом случае называются сплавами, упрочняемыми термической обработкой.

Деформируемые сплавы, которые можно упрочнять только путем их холодной деформации (нагартовки) называют сплавами, не упрочняемыми термической обработкой или деформационно упрочняемыми сплавами.  

Легирование алюминиевых сплавов

Наиболее важными легирующими элементами, которые применяют для превращения алюминия в сплавы с особыми свойствами – и деформируемые, и литейные (конечно, в разных количествах) — являются кремний (Si), магний (Mg), марганец (Mn), медь (Cu) и цинк (Zn).

Железо в алюминиевых сплавах

Деформируемые алюминиевые сплавы содержат примерно 0,1 – 0,4 % (по массе) железа (Fe). Железо обычно рассматривается как нежелательная примесь. Его содержание зависит от качества исходной руды (бокситов) и технологии электролитического восстановления. Иногда легирование железом применяют для получения особых свойств материала, например, для изготовления алюминиевой фольги.   

Модифицирование алюминиевых сплавов

В комбинации с основными легирующими элементами часто применяют другие легирующие элементы: висмут (Bi), бор (B), хром (Cr), свинец (Pb), никель (Ni), титан (Ti) и цирконий (Zr).  Эти элементы обычно применяют в небольших количествах (до 0,1 % по массе, хотя B, Pb и Cr могут составлять до 0,5 %), чтобы придать им особые свойства, модифицировать сплавы для специальных целей, таких как литейные качества, обрабатываемость, теплостойкость, коррозионная стойкость, прочность и т.п.

Алюминий или сталь?

При выборе алюминиевого сплава в качестве конструкционного материала, главным фактором является обеспечение прочности изготавливаемого из него конструкционного элемента. Однако на конструкционную прочность различных типов элементов обеспечивают различные свойства одного и того же конструкционного материала.

Например, прочность «толстой» колонны будет зависеть в основном от предела текучести металла, тогда как прочность «тонкой» — главным образом, от модуля упругости. Поскольку предел текучести алюминиевых сплавов нередко сравним с пределами текучести рядовых конструкционных сталей, то алюминий мог бы вполне потягаться с ними для «толстых» колонн. Напротив, поскольку модуль упругости алюминия и его сплавов составляет всего лишь где-то треть от модуля упругости сталей, то алюминий вряд ли может соперничать со сталями в «тонких» колоннах.   

Прочность, однако, не является единственной рабочей характеристикой конструкции или изделия. Такие дополнительные факторы, как коррозионная стойкость, легкость обработки (прессуемость или свариваемость), жесткость (модуль упругости), пластическое разрушение (относительное удлинение), вес (плотность), усталостная прочность, а также стоимость, должны в той или иной мере учитываться при выборе нужного конструкционного материала.  

Цена алюминия и стали

Часто стоимость материала является критическим фактором. Однако сравнение алюминиевых сплавов и сталей на основе стоимости единицы массы или объема может ввести в заблуждение, так как они имеют различные прочности, плотности и другие свойства. Считается, что в среднем по всем типам конструкций алюминиевые компоненты обычно весят около половины веса стальных элементов. С учетом этого и принимая стоимость углеродистой стали за единицу, получают, что индекс стоимости алюминия составляет около 2, а нержавеющей стали – где-то 4-5.

Если бы стоимость материала была единственным фактором и углеродистые стали могли применяться без защитного антикоррозионного покрытия, то всегда и везде применялись бы только они. Однако, конечно, в рассмотрение принимаются и другие факторы, такие как стоимость эксплуатации и технического обслуживания в течение всего срока службы конструкции. Кроме того, в некоторых специфических условиях «правило» о том, что алюминиевый элемент в два раза легче стального не всегда справедливо. Например, алюминиевый компонент может весить и значительно меньше, когда толщину стального элемента увеличивают с учетом ее возможного уменьшения от воздействия слишком агрессивной коррозии в течение всего срока службы. 

Низкая стоимость стали становится несущественной при чрезмерно высокой стоимости изготовления элементов из нее там, где требуются профили со сложными поперечными сечениями, как, например, в ограждающих фасадных конструкциях.  В таких случаях, стоимость стального элемента намного больше, чем стоимость его материала, так как для изготовления этого элемента из стальной заготовки ее надо механически обрабатывать, подвергать  холодной штамповке или гибке, а, может быть, и применять сварку. В то же время стоимость изготовления алюминиевого профиля составляет только малую долю стоимости «сырого» алюминия.

Из-за высокой стоимости нержавеющих сталей они применяются только, если вес элемента или конструкции не имеет значения, а важны внешний вид и свариваемость. Обычно, когда нержавеющая сталь применяется вместо алюминия, то причина часто только одна – ограничения алюминиевых сплавов по сварке. 

Алюминиевые сплавы предлагают инженерам-конструкторам широкий выбор материалов. Каждый сплав имеет свои особенные характеристики, которые служат для обеспечения заданных свойств. Когда коррозионная стойкость, высокое отношение прочности к весу и легкость изготовления являются существенными конструкционными параметрами, тогда алюминиевые сплавы заслуживают серьезного рассмотрения. 

См. также Свариваемые и несвариваемые алюминиевые сплавы