Деформируемые алюминиевые сплавы: химический состав и применение

Категории и классы

Деформируемые и литейные

Все алюминиевые сплавы подразделяются на две главные категории:

  • деформируемые сплавы и
  • литейные сплавы.

Термически упрочняемые и деформационно упрочняемые

Дальнейшее разделение на два класса каждой из этих категорий основано на главном механизме повышения их механических свойств, а именно, за счет:

  • термической обработки или
  • деформационной обработки.

Многие сплавы имеют способность изменять свои свойства под воздействием термической обработки, которая основана на зависимости растворимости различных фаз от температуры. Эти термические обработки включают [1]:

  • термическую обработку на создание твердого раствора (нагрев под закалку);
  • закалку (быстрое охлаждение, обычно до «комнатной» температуры (температуры цеха));
  • упрочнение старением (за счет выделения упрочняющих фаз).

Такие сплавы, как деформируемые, так и литейные, называют термически упрочняемыми.

Большое количество других деформируемых сплавов получают повышение своих свойств не путем термической обработки, а путем деформационного упрочнения (нагартовки). Этот вид упрочнения достигается в результате пластического деформирования изделия с определенной степенью пластической деформации (вытяжкой). Обычно это происходит в комбинации с различными вариантами отжига для достижения оптимальной для данного изделия комбинации прочностных характеристик. Эти сплавы называют деформационно упрочняемыми, а также термически неупрочняемыми.

Серии деформируемых сплавов

Согласно международной системе обозначений все деформируемые алюминиевые сплавы подразделены на восемь серий (групп) в зависимости от системы легирования этих сплавов: 1ххх, 2ххх, 3ххх, 4ххх, 5ххх, 6ххх, 7ххх и 8ххх.

Серия 1ххх

К этой серии относятся марки нелегированного алюминия с чистотой 99,00 % и выше (таблица 1). Эти марки алюминия применяются в основном электротехнической и химической отраслях промышленности. Они характеризуются высокой коррозионной стойкостью, высокой тепловой и электрической проводимостью, низкими механическими свойствами и очень хорошей формуемостью. Железо и кремний являются основными примесями.

Таблица 1 — Химический состав алюминиевых сплавов серии 1ххх [2]

Серия 2ххх

В сплавах серии 2ххх главным легирующим элементом является медь, часто с магнием в качестве дополнительной добавки (таблица 2). Эти сплавы требуют закалки для получения своих оптимальных свойств. В после закалки и естественного старения их механические свойства близки, а иногда и превосходят, свойства низкоуглеродистых сталей. В некоторых случаях применяется термическая обработка на искусственное старение для дальнейшего повышения механических свойств. Эта обработка повышает предел текучести с заметной потерей относительного удлинения, при этом влияние на предел прочности невелико.

Таблица 2 — Химический состав алюминиевых сплавов серии 2ххх [2]

Сплавы серии 2ххх не обладают высокой коррозионной стойкостью, которая характерна для большинства алюминиевых сплавов, а при некоторых условиях могут подвергаться межзеренной коррозии. Поэтому поверхность листов из этих сплавов обычно плакируют (покрывают) марками алюминия, алюминиево-магниевыми сплавами из серии 6ххх или сплавом, который содержит 1 % цинка. Такое покрытие, составляет обычно от 2,5 до 5 % общей толщины с каждой стороны, обеспечивает гальваническую защиту материала внутри листа и, тем самым, значительно повышает его стойкость к коррозии.

Сплавы серии 2ххх особенно хорошо подходят для деталей и конструкций, которые требуют высоких отношений «прочность-вес». Обычно они применяются при изготовлении колес грузовиков и самолетов, деталей подвески грузовиков, фюзеляжей и крыльев самолетов, несущих элементов зданий и сооружений, а также тех деталей, которые требуют высокой прочности при температурах до 150 ºС. На рисунке 1 показаны отношения между некоторыми наиболее часто применяемыми сплавами из серии 2ххх.


Рисунок 1 – Связи между популярными сплавами в серии 2ххх (Al-Cu) [1]

Серия 3ххх

В сплавах серии 3ххх главным легирующим элементом является марганец (таблица 3). Эти сплавы обычно являются термически неупрочняемыми, но имеют прочность на 20 % выше, чем марки алюминия из серии 1ххх. Поскольку эффективно добавлять в алюминия можно только ограниченное количество марганца (до примерно 1,5 %), марганец является главным легирующим элементом только в ограниченном количестве сплавов. Однако, один из них, популярный сплав 3003, широко применяется в качестве сплава в большом количестве изделий со средними требованиями по прочности и высокими требованиями по способности  к формовке.

Популярными являются также сплавы 3004 и 3104. Они применяются для изготовления корпусов банок для напитков — «пивных банок». Крышки этих банок изготавливают из сплава 5182 серии 5ххх (см. ниже).

Таблица 3 — Химический состав алюминиевых сплавов серии 3ххх [2]

Серия 4ххх

В алюминиевых сплавах серии 4ххх главным легирующим элементом является кремний, который добавляется в весьма больших количествах (до 12 %) (таблица 4). Это делается для того, чтобы существенно снизить интервал плавления сплава без его охрупчивания. По этой причине алюминиево-кремниевые сплавы применяют в виде сварочной проволоки и сплавов для пайки алюминия, когда требуется более низкий интервал температуры плавления, чем у основного металла.

Таблица 4 — Химический состав алюминиевых сплавов серии 4ххх [2]

Большинство сплавов из этой серии являются термически неупрочняемыми. Однако, когда они применяются для сваривания термически упрочняемых сплавов, они захватывают у них часть легирующих элементов и в определенной степени также получают термическое упрочнение. Эти алюминиевые сплавы, которые имеют значительное содержание кремния, после анодирования становятся темными, от темносерого до черного цвета. Поэтому их не применяют для пайки изделий, подвергаемых анодированию, если к ним предъявляются требования по внешнему виду.

Сплав 4032 имеет низкий коэффициент температурного расширения и высокую износостойкость. Поэтому он хорошо подходит для изготовления кованых поршней двигателей.

Серия 5ххх

Магний является главным легирующим элементом в сплавах серии 5ххх (таблица 5). Когда он применяется в качестве главного легирующего элемента или совместно с марганцем, то в результате получается деформационно упрочняемый алюминиевый сплав с уровнем прочности от среднего до высокого. Магний является значительно более эффективным для повышения уровня прочности, чем марганец. Около 0,8 % магния эквивалентно 1,25 % марганца и, кроме того, магний может добавляться в значительно более высоких количествах.

Таблица 5 — Химический состав алюминиевых сплавов серии 5ххх [2]

Сплавы этой серии обладают хорошей свариваемостью и высокой стойкостью к коррозии в морской атмосфере. Однако существуют некоторые ограничения на количество холодной нагартовки и безопасной рабочей температуры, которые допускаются для сплавов с высоким содержанием магния (свыше ~3,5 % для рабочей температуры выше ~65 ºС) для того, чтобы избежать склонности к растрескиванию от коррозии под напряжением. На рисунке 2 показаны связи между наиболее часто применяемыми сплавами серии 5ххх.

Рисунок 2 – Связи между популярными сплавами серии 5ххх (Al-Mg) [1]

Серия 6ххх

Сплавы этой серии содержат кремний и магний приблизительно в пропорциях, которые требуются для образования силицида магния (Mg2Si), что делает их термически упрочняемыми (таблица 6).

Таблица 6 — Химический состав алюминиевых сплавов серии 6ххх [2]

 

Сплавы серии 6ххх не являются такими прочными как большинство сплавов серии 2ххх и 7ххх. Они имеют средний уровень прочности и отличаются хорошей формуемостью (в том числе, прессуемостью), хорошей свариваемостью, хорошей механической обрабатываемостью и хорошей коррозионной стойкостью. Эти термически упрочняемые сплавы могут достигать своих прочностных свойств:

  • в состоянии Т4 – закалка, но без термической обработки на ускоренное старение (естественное старение); прочностные свойства не достигают максимально возможных значений;
  • в состоянии Т6 – закалка и термическая обработка для ускоренного старения (искусственное старение); прочностные свойства достигают максимально возможных значений.

На рисунке 3 показаны связи между наиболее часто применяемых алюминиевых сплавов серии 6ххх.

Рисунок 3 – Связи между популярными алюминиевыми сплавами
серии 6ххх (Al-Mg-Si)

Серия 7ххх

Цинк в количестве от 1 до 8 % является главным легирующим элементом алюминиевых сплавов серии 7ххх вместе с более низким содержанием магния (таблица 7). Эти сплавы являются термически упрочняемыми с уровнем прочности от среднего до очень высокого. Обычно другие элементы, такие как медь и хром также добавляются в небольших количествах. Малые добавки скандия также улучшают их свойства. Сплавы серии 7ххх применяют в несущих конструкциях самолетов, тяжелых транспортных средствах и других тяжело нагружаемых конструкциях.

Таблица 7 — Химический состав алюминиевых сплавов серии 7ххх [2]

Высокопрочные сплавы серии 7ххх проявляют пониженное сопротивление растрескиванию в результате коррозии под напряжением и часто применяются в перестаренном состоянии для обеспечения лучшей комбинации прочности, коррозионной стойкости и вязкости разрушения. На рисунке 4 показаны связи между некоторыми часто применяемыми сплавами серии 7ххх.

Рисунок 4 – Связи между популярными сплавами серии 7ххх (Al-Zn-Cu-Mg-Cr)

Серия 8ххх

Серия 8ххх объединяет сплавы с различными типами химического состава (таблица 8).

Таблица 8 — Химический состав алюминиевых сплавов серии 8ххх [2]

Повышенная стойкость к высоким температурам достигается за счет применения дисперсно-упрочняемых сплавов Al-Fe-Ce (пример – сплав 8019) или сплавов Al-Fe-V-Si (пример – 8009), которые производятся технологиями порошковой металлургии.

Пониженная плотность и более высокая жесткость может достигаться в сплавах, содержащих литий (пример – 8090). Сплав 8090, который является термически упрочняемым за счет старения, заменил среднепрочные и высокопрочные сплавы серий 2ххх и 7ххх в некоторых изделиях аэрокосмической промышленности (например, компонентов вертолетов).

Сплавы 8030 и 8176 разработаны специально для алюминиевых проводов и кабелей (см. Алюминиевая проводка)

Сплавы европейские и американские

Как можно заметить, не все алюминиевые сплавы, которые представлены на рисунках 1-4, присутствуют в таблицах 1-8. Это связано с тем, что европейский и американский подходы к легированию алюминиевых сплавов несколько различаются. Например, сплавы 6060 и 6082 являются «европейскими» и почти не применяются в Северной Америке. С другой стороны сплавы 6063 и 6061 являются популярными в Северной Америке и значительно реже применяются в Европе.

Источники:

1. Aluminum and Aluminum Alloys / J.R. Davis // Alloying: Understanding the Basics – ASM International, 2001

2. DIN EN 573-3:2009