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]

Классификация алюминиевых сплавов по механизму их упрочнения

 

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

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

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]

Уровни прочности литейных алюминиевых различных систем легирования

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]

Типичные виды продукции из деформируемых термически упрочняемых алюминиевых сплавов

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

Типичная продукция из нагартовываемых деформируемых алюминиевых сплавов

Литейные сплавы

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

Методы литья для термически упрочняемых литейных алюминиевых сплавов

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

Методы литья для 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