Об алюминии

Чистый алюминий имеет очень низкую прочность и его применение как конструкционного материала весьма ограничено.

Легирование алюминия

Когда в алюминий добавляют другие элементы — легирующие элементы — он повышает свою прочность благодаря различным упрочняющим механизмам.

Алюминий, в принципе,  возможно легировать большинством металлических элементов. Однако только некоторые из них имеют достаточную растворимость в твердом состоянии, чтобы быть основными легирующими элементами.

Наиболее важными легирующими элементами алюминия являются:

  • медь;
  • марганец;
  • магний;
  • кремний и
  • цинк.

Вместе с тем, значительное число других элементов оказывают заметный эффект на улучшение свойств алюминиевых сплавов. Их добавляют в небольших количествах. Эти элементы включают хром, тот же марганец и цирконий, которые применяют в основном для контроля зеренной структуры.

Максимальная растворимость легирующих элементов в алюминии обычно, но не всегда,  достигается при эвтектической температуре.  Растворимость легирующих элементов в твердом алюминии снижается со снижением температуры. Это изменение растворимости в твердом алюминии является основой для упрочнения алюминиевых сплавов за счет механизма старения.

Железо в алюминии

Все промышленные сплавы содержат примерно от 0,1 до 0,4 % железа (по массе). Обычно железо в алюминиевом сплаве считается примесью. Его содержание зависит от исходной руды и технологии электролиза при его выплавке. Иногда железо добавляют намеренно для придания материалу особых свойств, например, до 1 % в сплавах для изготовления алюминиевой фольги.

Добавки в алюминий

В комбинации с одним или более основными легирующими элементами часто применяют дополнительные элементы:

  • висмут,
  • бор,
  • хром,
  • свинец,
  • титан и
  • цирконий.

Эти элементы обычно применяют в малых количествах, как правило, до 0,1 %. Однако в некоторых алюминиевых сплавах содержание бора, свинца и хрома может достигать 0,5 %. Благодаря этим малым добавкам сплавы получают необходимые свойства для конкретных условий, такие как, хорошая текучесть при литье, высокое качество механической обработки, теплостойкость, коррозионная стойкость, высокая прочность.

Классификация алюминиевых сплавов

Удобно разделять алюминиевые сплавы на две основных категории:

В каждой из этих категорий дальнейшее разделение основано главном механизме, который отвечает за формирование их свойств – термически упрочняемые сплавы и термически неупрочняемые сплавы. Сплавы последней группы получают свои конечные свойства в результате деформационной обработки – нагартовки. Поэтому иногда их называют более позитивно — деформационно упрочняемые или даже «нагартовываемые».

Сплавы 6060, 6063, АД31

«Рулят» в мировом производстве алюминиевые сплавы серии 6ххх — алюминиевые сплавы легированные магнием и кремнием — каждым по около одного процента. Европейский стандарт EN 573-3 насчитывает их около 30 штук. Из этих тридцати сплавов наиболее широко применяются алюминиевые сплавы:

  • 6060 и
  • 6063, а также
  • 6005А,
  • 6061 и
  • 6082.

Из этих пяти сплавов в мире изготавливается более 90 % всех прессованных алюминиевых профилей.

Зарубежные алюминиевые сплавы

В настоящее время общепризнанной является система обозначений алюминиевых сплавов, которая была введена  Американской Алюминиевой Ассоциацией (AA). Этой системы придерживаются и международные стандарты ISO, и европейские стандарты EN.

Каждый деформируемый сплав обозначается сочетанием четырех цифр, например, 2024. Первая цифра обозначает серию сплавов. Каждая из семи серий сплавой имеет один или более основной легирующий элемент. Например, в случае сплава 2024 из серии 2ххх – это медь.

Обозначения литейных сплавов также состоит из четырех цифр, однако между третьей и четвертой цифрами стоит точка, например,  380.0.

В России и других странах СНГ наряду с международной системой обозначений широко применяется и традиционная система буквенно-цифровая обозначений алюминиевых сплавов, например, АД31.

Cвойства алюминиевых сплавов

Технология изготовления алюминиевого изделия определяет не только его форму, но также и микроструктуру его материала. В свою очередь, микроструктура определяет  свойства изделия.

Некоторые свойства алюминия почти не зависят от химического состава и технологии изготовления. Примерами таких характеристик являются:

  • модуль Юнга (70 ГПа),
  • плотность (2700 кг/м3) и
  • коэффициент линейного термического расширения (24×10-6 м/(м·К).

Большинство других свойств очень чувствительны к микроструктуре материала и химическому составу. Эти свойства естественным образом делятся на четыре категории:

  • прочность, пластичность и формуемость – объемные свойства;
  • усталостная прочность и вязкость разрушения – локальные свойства;
  • стойкость к высоким температурам и сопротивление ползучести – термомеханические свойства;
  • коррозионная стойкость, сопротивление износу и качество поверхности – поверхностные свойства.

Химический состав сплава, способ формования изделия (литье, горячая прокатка, холодная прокатка, прессование, ковка) и термическая обработка все вместе определяют микроструктуру, а от микроструктуры, в свою очередь, зависят указанные выше свойства.

Конструктор алюминиевого изделия или детали должен быть знаком с закономерностями этих зависимостей. Он должен рассматривать микроструктуру материала изделия как важную часть проектирования. Это даст ему возможность «заказывать» у металлургов самый подходящий алюминиевый сплав с оптимальной микроструктурой.

Температура плавления алюминия

Температура плавления алюминия очень чувствительна к его чистоте. Температура плавления сверхчистого алюминия 99,996 % составляет 660,37 °С. При содержании алюминия 99,5 %  плавление начинается при температуре 657 °С, а при содержании алюминия 99,0 % — при 643 °С.

Алюминиевые изделия

Алюминий и его сплавы могут отливаться или формоваться в готовые изделия и полуфабрикаты практически любым из всех известных технологических процессов, применяемых для металлов. По их форме изделия делят на стандартные и «по чертежам заказчика».

Первые включают алюминиевые листы, плиты, фольгу, прутки, проволоку, трубы и конструкционные профили (уголки, тавры, двутавры и тому подобное).

Изделия «по чертежам заказчика» (по-английски их называют «engineered products») разрабатываются для какого-то специального применения и включают прессованные профили, поковки, отливки, а также в значительно меньших количествах изделия порошковой металлургии, ударного прессования и других. Около половины из них приходится на листы, плиты и фольгу, около 20 % — на прессованные профили и трубы.

Экструзия алюминия

Экструзия (или, более официально, по-русски и привычно, «прессование») алюминия и его сплавов — это процесс пластического деформирования, при котором заготовку, обычно часть круглого слитка («столба»), продавливают или выдавливают через одно или несколько отверстий матрицы — специального прессового инструмента.  Для этого применяют специальное оборудование – экструзионные прессы, как правило, гидравлические, которые обеспечивают на штоке (пресс-штемпеле, пуансоне), который непосредственно «давит, прессует» заготовку, усилие от 500 до 4000 тонн, а иногда и больше, в зависимости от назначения и производительности пресса.

Обработка поверхности алюминия

Натуральная металлическая поверхность алюминия является эстетически привлекательной для многих изделий и без дополнительной обработки. Это натуральное защитное оксидное покрытие является прозрачным и его можно сделать толще путем анодирования. Этим достигается дополнительная защита поверхности без ущерба для внешнего вида изделия.

Алюминий позволяет применять большое количество способов обработки его поверхности.  Типы обработки поверхности разделяют на четыре широкие категории:

  • механические,
  • химические,
  • электролитические покрытия и
  • неэлектролитические покрытия.

Одни из них изменяют ее внешний вид, другие дают поверхности заданные свойства, например, коррозионную стойкость. Механически и химически можно создавать различную текстуру поверхности: от грубой до зеркально гладкой. Анодирование алюминия дает возможность сделать естественную поверхность матовой или цветной.  Технология анодирования алюминия включает применение различных электролитов и электрических параметров — напряжения и силы тока.

Для алюминия широко применяют различные методы окраски: от нанесения «мокрой» краски до порошковой окраски и электролитического нанесения покрытий из других металлов.

Применение алюминия

Главные рынки алюминиевой продукции – это строительство зданий и сооружений, транспортная отрасль, производство товаров для дома и спорта, электротехническая промышленность, машиностроение. Много алюминия идет на упаковку различных жидких и сыпучих продуктов. Это, в том числе, алюминиевые банки и алюминиевые бутылки.

Большой интерес вызывает применение алюминевых сплавов при изготовлении велосипедных рам. Алюминиевые велосипедные рамы изготавливают главным образом из алюминиевых сплавов 6061 и 7005. Реже применяют некоторые другие алюминиевые сплавы, например, 7075 и 2014, более прочные, чем оба сплава 6061 и 7005.

В конструкциях морских судов, а также сооружений на морском берегу и в открытом море, применяются следующие виды изделий из деформируемых алюминиевых сплавов:

  • листы,
  • плиты,
  • профили,
  • трубы и
  • прутки.

В этих изделиях применяют специальные сплавы — часто их красиво называют морским алюминием. «Морские» алюминиевые листы и плиты производятся методами как холодной, так горячей прокатки. Алюминиевые профили, прутки и трубы могут производиться методами прессования, прокатки или волочения.