Алюминиевые сплавы: категории, классы, серии, системы

 

Ниже представлена международная классификация алюминиевых сплавов, а также системы их обозначения — международная и европейская.

См. также Применение алюминия

Классификация

Алюминиевые сплавы классифицируют, идентифицируют и различают по нескольким направлениям:

  • по категориям – по методам обработки, деформируемые  и литейные;
  • по классам – упрочняемые термической обработке или нагартовкой;
  • по сериям – по главным легирующим элементам (медь, марганец, кремний, магний, магний-кремний, цинк, железо, олово и другие);
  • по системам легирования – по сочетаниям главных легирующих элементов с другими легирующими элементами;
  • по химическому составу – по содержанию легирующих элементов и примесей внутри серий и систем.

Категории: деформируемые и литейные

Алюминиевые сплавы подразделяют на две основные категории:

  • деформируемые
  • литейные.

Деформируемые

Деформируемые сплавы предназначены для различных видов обработки давлением в горячем и, реже, в холодном состояниях:

  • прокаткой
  • экструзией (прессованием)
  • ковкой
  • штамповкой
  • вытяжкой
  • волочением.

Для каждого вида обработки давлением разрабатывают сплавы, которые являются оптимальными для этих обработок.

Литейные

Основное отличие литейных сплавов от деформируемых заключается в том, что они имеют значительно более высокое содержание легирующих элементов. Особенно высокое содержание имеет кремний – номинальное содержание от 4 до 17 %.

Литейные сплавы применяются для изготовления алюминиевых отливок с помощью различных методов литья, в том числе:

  • литья в песчаные формы;
  • литья в кокиль;
  • литья под низким давлением;
  • литья под давлением.

Классы: по способу упрочнения

Каждая категория – деформируемые сплавы и литейные сплавы – подразделяется далее по главному механизму их упрочнения — повышения механических свойств, а также других полезных свойств.

Термически упрочняемые

Многие сплавы реагируют на упрочняющую термическую обработку, которая основана на зависимости растворимости фаз от температуры. Эти термическая обработка включает следующие операции:

  • обработка на твердый раствор (нагрев под закалку)
  • закалка
  • выделение упрочняющих фаз (старение)

Сплавы с таким механизмом упрочнения, как деформируемые, так и литейные, называются термически упрочняемыми.

Нагартовываемые

Большое количество других деформируемых сплавов полагаются вместо термического упрочнения на деформационное упрочнение. Деформационное упрочнение достигается за счет упрочняющего наклепа, который возникает при холодной пластической деформации — нагартовке — алюминиевого изделия, обычно в комбинации с различными режимами отжига.

Термически неупрочняемые литейные сплавы

Литейные сплавы, как правило, не подвергаются деформационной обработке из-за пониженных пластических свойств. Кроме того, некоторые из них не относятся также  и термически упрочняемым. Их применяют в литом состоянии без термической обработки или в термически модифицированных состояниях, которые не связаны с явлениями растворения и выделения упрочняющих фаз.

Серии: по главным легирующим элементам

Серии – это группы сплавов, деформируемых и литейных, которые объединяются по главным легирующим элементам. На этом разделении основана широко признанная в мире американская система обозначений алюминиевых сплавов.

Деформируемые сплавы и их обозначения

Международная система обозначений деформируемых сплавов основана на американской системе обозначений, которая была разработана еще в 1950-е годы.

Эта система применяет обозначения, которые состоят из четырех цифр. Цифры на месте знаков «х» применяют для подразделения сплавов внутри серии.

  • 1ххх – Технически чистый алюминий с контролируемым химическим составом. Например, алюминий 1050.
  • 2ххх – Главным легирующим элементом является медь, хотя другие элементы, такие как магний, также могут присутствовать. Широко применяются в самолетостроении, благодаря их высокой прочности (предел текучести до 455 МПа). Примеры – 2014 и 2024.
  • 3ххх – Марганец, является главным легирующим элементом. Применяются как сплавы общего назначения для строительства и различной потребительской продукции, в том числе алюминиевых банок для прохладительных напитков и пива. Пример — 3105.
  • 4ххх – Главным легирующим элементом является кремний. Применяются в сварочных прутках и проволоке, а также листов для пайки.
  • 5ххх – Главным легирующим элементом является магний. Применяется в корпусах судов, трапах и других изделиях, которые подвержены воздействию морской атмосферы. Пример — 5252.
  • 6ххх – Главными легирующими элементами являются магний и кремний. Обычно применяются для строительных профилей и деталей автомобилей. Примеры – 6060 и 6063.
  • 7ххх – Главным легирующим элементом является цинк, хотя другие элементы, такие как медь, магний, хром и цирконий, также могут присутствовать. Применяются в несущих элементах самолетов и других высокопрочных конструкциях и изделиях. К этой серии относятся самые прочные алюминиевые сплавы с пределом текучести более 500 МПа. Пример – 7075.
  • 8ххх – Различные главные легирующие элементы. Сплавы серии 8ххх могут содержать заметные количества олова, лития и/или железа.
  • 9ххх: Зарезервировано для будущих применений.

Деформируемые сплавы, которые являются термически упрочняемыми, включают сплавы серий 2xxx, 6xxx, 7xxx и некоторые сплавы серии 8xxx. Различные комбинации легирующих элементов и механизмы упрочнения, которые применяются для деформируемых сплавов, показаны в таблице 1.

Таблица 1 – Классификация деформируемых алюминиевых сплавов
по механизму их упрочнения [1]

 

Уровни прочности, которые достигаются в различных классах деформируемых сплавов, показаны в таблице 2.

Таблица 2 – Уровни прочности различных деформируемых алюминиевых сплавов [1]

Литейные сплавы и их обозначения

Для литейных сплавов применяется система обозначений из трех цифр, за которыми следует своего рода «десятичная дробь». Десятичная дробь .0 во всех случаях относится к пределам литейных сплавов. Десятичные дроби .1 и .2 относятся к химическому составу готовых слитков.

  • 1хх.х – Технически чистый алюминий с контролируемым химическим составом, в том числе по примесям. Применяется для изготовления роторов электродвигателей.
  • 2хх.х – Главным легирующим элементом является медь. Другие легирующие элементы также могут присутствовать.
  • 3хх.х – Главным легирующим элементом является кремний. Дополнительными легирующими элементами могут быть медь и магний. Сплавы серии 3хх.х составляют около 90 % всех фасонных алюминиевых отливок.
  • 4хх.х – Главным легирующим элементом является кремний.
  • 5хх.х – Главным легирующим элементом является магний.
  • 6хх.х – Не применяется.
  • 7хх.х – Главным легирующим элементом является цинк. Дополнительными легирующими элементами являются медь и магний.
  • 8хх.х – Главным легирующим элементом является олово.
  • 9хх.х – Не применяется.

К термически упрочняемым сплавам относятся литейные сплавы серий 2хх, 3хх и 7хх.

Уровни прочности, которые достигаются в различных классах литейных сплавов, показаны в таблице 3.

Таблица 3 — Уровни прочности различных литейных сплавов [1]

Системы легирования

Как можно было увидеть выше, некоторые серии алюминиевых сплавов, деформируемых и литейных, включают одну, две или три различных системы легирования.

Эти системы легирования могут включать только главные легирующие элементы или дополнительные один или более легирующих элементов.

Системы легирования деформируемых сплавов

  • 2ххх – Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si, Al-Cu-Li
  • 3xxx – Al-Mn
  • 4xxx – Al-Si
  • 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

Системы легирования литейных сплавов

  • 2xx – Al-Cu, Al-Cu-Ni-Mg, Al-Cu-Si,
  • 3xx – Al-Si-Cu, Al-Si-Cu-Mg, Al-Si-Mg
  • 4xx – Al-Si
  • 5xx – Al-Mg
  • 7xx – Al-Zn
  • 8xx – Al-Sn

Химический состав

Внутри серий и систем легирования алюминиевые сплавы различаются по своему химическому составу, то есть по содержанию тех или иных легирующих элементов, а также примесей.

Номинальные химические составы характерных деформируемых сплавов – деформируемых и литейных представлены в таблицах 4 и 5. Необходимо отметить, что в этих таблицах представлена только малая доля из общего количества алюминиевых сплавов. В перечне международной регистрации их насчитывается более 500.

Деформируемые сплавы

Таблица 4 – Виды продукции и номинальный химический состав
термически упрочняемых деформируемых алюминиевых сплавов [1]

Таблица 5 – Виды продукции и номинальный химический состав
нагартовываемых деформируемых алюминиевых сплавов

Литейные сплавы

Таблица 6 – Методы литья и номинальный химический состав
термически упрочняемых литейных алюминиевых сплавов

Таблица 7 – Методы литья и номинальный химический состав
термически неупрочняемых литейных алюминиевых сплавов

Европейская система обозначения

Деформируемые сплавы

Европейская система обозначения деформируемых алюминиевых сплавов основана на «американской» системе из четырех цифр с добавлением перед ними нескольких букв, например, EN AW-6060. Здесь EN обозначает «европейский стандарт», AW – «деформируемый алюминий». Цифры в этом обозначении соответствующий сплав в международной системе регистрации деформируемых сплавов.

Литейные сплавы

Европейская система обозначений литейных алюминиевых сплавов имеет следующий вид:
EN AC-xxxxx, где:

  • EN – европейский стандарт;
  • А – алюминий;
  • С – литейный;
  • ххххх – пять цифр или химические символы.

Пример: EN AC-42000 или EN AC-Al 7SiMg

Цифровое обозначение

Первая цифра обозначает одну из четырех групп (серий) по главным легирующим элементам:

  • Медь (Cu) – 2xxxx
  • Кремний (Si) – 4хххх
  • Магний (Mg) – 5хххх
  • Цинк (Zn) – 7xxxx

Вторая цифра обозначает базовый сплав внутри группы (серии):

  • 21ххх – AlCu
  • 41xxx – AlSiMgTi
  • 42xxx – AlSi7Mg
  • 43xxx – AlSi10Mg
  • 44xxx – AlSi
  • 45xxx – AlSi5Cu
  • 46xxx – AlSi9Cu
  • 47xxx – AlSi(Cu)
  • 48xxx – AlSiCuNiMg
  • 51xxx – AlMg
  • 71xxx – AlZnMg

Третья, четвертая и пятая цифры обозначают:

  • Третья цифра — модификация базового сплава
  • Четвертая цифра – обычно ноль
  • Пятая цифра – ноль для сплавов общего назначения и какая-либо цифра для аэрокосмических сплавов

Химическое обозначение

  • Al + пробел
  • Символ главного легирующего элемента
  • Другие легирующие элементы (не более четырех элементов) в порядке содержания в сплаве; если содержание одинаковое – в алфавитном порядке.

Источник:

  1.  Aluminum and Aluminum Alloys. Introduction and Overview / J.R. Davis — ASM International, 2001