Деформируемые алюминиевые сплавы: виды, свойства, сферы применения

О чем речь? Деформируемые алюминиевые сплавы – материалы, сочетающие легкость с повышенной прочностью и пластичностью. Их можно обрабатывать прокаткой, ковкой или прессованием, получая листы и профили.

Где используются? Алюминиевые сплавы востребованы в авиастроении, автомобильной промышленности и строительстве. Из них изготавливают детали машин, элементы конструкций и упаковку, где важны малый вес и коррозионная стойкость.

Технологии изготовления и состав деформируемых алюминиевых сплавов

Под рассматриваемым термином понимают сплавы, которые поддаются горячей и холодной обработке давлением – прокатке, прессованию, волочению, штамповке или ковке.

Из первичного алюминия получают деформируемые сплавы, которые используют в качестве заготовок и полуфабрикатов, изделия на основе вторичного материала поставляют на предприятия в виде чушек. Они иногда применяются для подшихтовки при создании полуфабрикатов из сплавов алюминия.

Деформируемые сплавы составляют 80 % от основного объема производства алюминия.

Существует два способа создания рассматриваемых материалов:

• производство по нормам ГОСТа в виде чушек (литых заготовок разных типов);
• изготовление из металлических порошков в форме заготовки конкретного вида.

Деформируемые алюминиевые сплавы имеют определённые свойства. Они зависят от добавок, которые вводят в сплав (медь, цинк, марганец, магний, никель, хром). Таким образом, изделие может изменять свои коррозионные, физические и технологические качества.

Фото: eleonimages / Freepik

В некоторых случаях один компонент, который добавляется в материал, может увеличить электросопротивление или ухудшить электропроводность.

Алюминиево-медные системы

В термоупрочненном состоянии такие составы показывают отличные механические свойства, но в то же время они неустойчивы к коррозии. Нужно проводить обработку поверхности продукта для улучшения коррозоустойчивости. Систему АL-Cu кроме основной обработки легируют:

• Марганцем, который купирует химическую активность.
• Кремнием, воздействующим на точку эвтектики – равновесия жидкой и твердой фаз.
• Железом для повышения прочности и устойчивости к коррозии, уменьшения пластичности.

• Никель в комплексе с железом улучшают жаропрочность, повышают свойства сплавов, которые противодействуют старению.
• Медь повышает деформационные качества и делает изделие более прочным при воздействии низких температур. Сплавы АL-Cu-Si (алькусины) обладают низким коэффициентом трения. Их обычно используют для производства деталей двигателей, ходовой части машин, трансмиссии.

Алюминиево-магниевые системы

Такие сплавы обладают прекрасными физическими качествами, которые проявляются при эксплуатации, имеют усталостную прочность.

Готовые продукты или отдельные детали из алюминиевых деформируемых сплавов, легируемых магнием, зарекомендовали себя отлично свариваемыми, химически устойчивыми и подходящими для монтажа. В систему АL-Mg добавляют до 6 % магния. Чем больше содержание добавки, тем выше прочность изделия.

Каждый процент элемента снижает коэффициент относительного удлинения, увеличивает границы:

• текучести на 20 МПа;
• прочности на 30 МПа.

В границах концентрации магний уменьшает стабильность нагортового слоя, увеличивает химическую активность сплавов, в том числе при повышенных температурах. У полуфабрикатов и готовых изделий снижается и устойчивость к коррозии.

К легирующим примесям в системе АL-Mg можно отнести литий, марганец, кремний, хром, ванадий, титан, цинк. Железо ухудшает свойства свариваемости, но улучшает химическую активность. Группа металлов АL-Mg- Si профессиональным языком называется аивалями (сокращённо от авиационного алюминия). Хорошая пластичность, прочноустойчивость повышается за счет соединения Mg2Si. Металлы также легируют марганцем, медью, хромом.

Цинк значительно повышает прочность в системе АL-Mg. В точке эвтектики сплав с данным элементом может активно насыщаться магнием. Химическую активность системы АL-Mg-Zn уравновешивает медь.

Алюминиево-марганцевые системы

Такие сплавы обладают свойствами стали (пластичные, но в то же время прочные, химически стабильные, хорошо свариваются). Системы Al-Mn в некоторых случаях обогащают титаном. Добавка предотвращает формирование крупных зёрен, структура остается мелкозернистой. Также значительно влияют на свойства сплава добавки железа и кремния. Для производства готовых изделий и отдельных деталей, подлежащих нагортовке, специалисты применяют алюминиево-марганцевые сплавы с добавлением Mn.

Виды деформируемых алюминиевых сплавов

Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые применяют для производства листов, профилей, труб и разных деталей такими методами как штамповка, прессование, ковка.

Фото: rost9 / Freepik

Металлурги классифицируют все рассматриваемые материалы как термически неупрочняемые и упрочняемые. В первую группу входят сплавы алюминия с магнием и кремнием, и с магнием и медью. Второй тип сплавов – с марганцем и с марганцем и магнием.

По ГОСТу 4784-2019 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки» для обозначения изделий и полуфабрикатов применяют буквенную маркировку (АМ, АК, В, ВД, Д…) с порядковым номером сплава (например, В9).

Дюралюминий (дюралюмин, дуралюмин, дюраль)

Этот вид относится к деформируемым высокопрочным алюминиевым сплавам. Группа промышленных сплавов Al-Cu-Mg: алюминий (до 93 %), магний (до 3 %), медь (до 5 %). Как правило, в сплав добавляют марганец (около 0,5 %), железо с кремнием входят в его природный состав.

После закалки или состаривания доралюминий превращается в такой же прочный металл, как сталь. Кроме того, он приобретает термоустойчивость.

Этот вид материала любят использовать в авиации, строительстве и автомобильной промышленности. Самые востребованные марки – Д1 и Д16. Последний вид является наиболее стойким к трещинам. При строении самолётов Д16 используют для производства важных узлов и деталей.

Авиали

Сплавы системы Al-Mg-Si: алюминий (до 98 %), магний (до 0,9 %), кремний (до 1,2 %). К легирующим примесям в сплаве относится небольшое количество меди, железа, марганца, цинка. Марки: АВ, АД31, АД35.

Эти сплавы обладают пластичностью, после закалки и старения неплохо режутся и прекрасно свариваются. Такие системы годятся для производства корпусов мобильных телефонов, рам велосипедов, лопастей вертолетов и средненагруженных деталей. Авиали – менее прочный сплав, чем дюралевый алюминий. По термоустойчивости этот вид также уступает предыдущему.

Высокопрочные сплавы

К этому виду относятся марки В95 и В96. Сплав представляет собой соединение алюминия с цинком, медью, магнием.

В горячем состоянии этот вид сплавов достаточно пластичен, что очень важно при производстве нагруженных деталей, к которым относятся и детали крыла самолета, и шпангоуты судна. Среди недостатков В95 и В96 можно выделить восприимчивость к низким температурам и к коррозии под напряжением.

Ковочные сплавы

Этот вид достаточно устойчив к термическим трещинам, но в то же время пластичен. Состоит из таких элементов, как Al-Si-Mg-Cu. Маркировка этого типа деформируемых алюминиевых сплавов: АК и номер – АК1, АК3, АК8.

Самый стойкий из этой группы тип сплава – АК8. Специалисты с помощью него штампуют нагруженные узлы (например, лопасти вертолета и подрамники мотора). Но из-за того, что меди в составе сплава слишком много, его редко используют в технологических целях.

Фото: onlyyouqj / Freepik

Для производства высокоточных или фигурных деталей средней прочности (фитинг или крепёж) обычно применяют марку АК5. Ковочный сплав АК5, как и дюралевый алюминий Д20 и Д21 являются термоустойчивыми. Из АК5 изготавливают детали турбореактивных двигателей, головки цилиндров, обшивку сверхзвуковой авиатехники.

Порошковые деформируемые алюминиевые сплавы

Специалисты выделяют два типа порошковых деформируемых алюминиевых сплавов:

• САП – спекаемые;
• САС – сплавляемые из пудры.

САП имеют высокую термоустойчивость, которая даже больше, чем у технического алюминия. Этот сплав выдерживает длительный нагрев от 300 до 500°С, кратковременный – до +1100°С.

Такой тип сплавов получают способом спекания измельченного металлического алюминия и оксида AL2O3. Концентрация оксида варьируется, в САП1 от 6 до 9 %, в САП4 от 18 до 22 %. В процессе спекания на частицах алюминия формируется характерная пленка оксида. Эти сплавы достаточно устойчивы к термическому воздействию, потому что температура плавления оксида более +1300°С. Сплав обладает высокой прочностью, может выдерживать нагрузку от 320 до 460 МПа.

Полуфабрикаты в брикетах подвергаются механической обработке, их применяют в процессе изготовления профильного, фасонного или сортового проката.

Если концентрация оксида увеличивается, то ухудшается сам процесс прокатки, штамповки. В этом случае металл нужно нагревать более чем на +500°С.

Сплавляемые из пудры составы в своей основе имеют оксид и алюминий. Кроме этого, в них присутствуют легирующие добавки: кремний, никель, хром, титан, натрий, цинк, магний и прочее.  Сплавы алюминиевые деформируемые по своему составу в некоторых случаях соответствуют ГОСТ 4784-97.

Изделия из порошковых алюминиевых деформируемых сплавов в отличие от литейных деталей не имеют в составе шлаковых вкраплений, пленов и других изъянов, которые появляются при нагреве алюминия. Структура изделий гомогенная и подвергать их отжигу нет надобности.

Часто задаваемые вопросы о деформируемых алюминиевых сплавах

Как упрочняются деформируемые алюминиевые сплавы?

Деформируемые упрочняемые алюминиевые сплавы изготавливаются с помощью закалки с дальнейшим старением как естественным образом при комнатной температуре, так и искусственным способом при повышенных градусах. После закалки на выходе можно получить пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии.

В процессе старения в нём вырабатывается излишек растворенных элементов в форме зональных метастабильных фаз и стабильных интерметаллидов.

Отдельные деформируемые алюминиевые сплавы, имеющие в составе марганец, цирконий, хром, железо, могут получить закалку из жидкой формы. Концентрация элементов в пересыщенном твердом растворе иногда превышает предельную равновесную концентрацию для твердого состояния.

Как маркируются алюминиевые деформируемые сплавы?

Алюминиевые деформируемые сплавы маркируются в Российской Федерации буквенно-цифровыми и цифровыми символами.

Какого-то определённого смысла маркировка не имеет. Буквы могут означать следующее: алюминий и основной легирующий компонент (например, АМц – алюминий-марганец; AMrl, АМг2 – алюминий-магний); предназначение изделия (например, для ковочного алюминия применяют маркировку АК6, АК4-1); наименование сплава (Д16 – дуралюминий), также продукт может получить имя института-разработчика (ВАД23-ВИАМ, алюминиевый, деформируемый).

Сплавы, разработанным до 1970 г. имеют маркировку буквенно-цифровую.

В промышленности принято использовать следующие маркировки:

• М – Мягкий отожженный.
• Н – Нагартованные.
• НЗ – Нагартованный на три четверти.
• Н2 – Нагартованный на одну вторую.
• HI – Нагартованный на одну четверть.
• Т – Закаленный и состаренный естественным способом
• Т1 – Закаленный и состаренный искусственно на максимальную прочность.
• Т2, ТЗ – Методы искусственного старения, которые приводят к перестарению материала (режимы смягчающего искусственного старения).
• Т5 – Закалка полуфабрикатов с температуры окончания горячей обработки давлением и дальнейшее старение искусственным способом на максимальную прочность.
• Т7 – Закалка, усиленная правка растяжением (1,5-3 %) и искусственное старение на максимальную прочность.

Где еще применяют алюминий и его деформируемые сплавы?

К сферам, где применяют деформируемые алюминиевые сплавы относятся энергетика, транспорт, информационные технологии, сельскохозяйственное машиностроение, робототехника, медицина.

В мировом производстве он занимает второе место и с каждым годом его изготовление расширяется.

Изображение в шапке статьи: benjamin lehman / Unsplash