Какие существуют виды алюминия?

От смартфона в кармане до самолётов, летающих над головой, алюминий играет важную роль в современном машиностроении и производстве. Он обладает рядом свойств, таких как лёгкость, прочность и коррозионная стойкость. Однако не весь алюминий одинаково хорош. Этот металл обычно смешивают с другими элементами для создания сплавов, каждый из которых обладает уникальными свойствами. В этом руководстве рассматриваются различные типы алюминия, используемые в индустрии быстрого прототипирования.

Виды алюминия: деформируемый и литой алюминий

Все алюминиевые сплавы можно разделить на две основные категории: деформируемый и литой алюминий. Разница заключается в способе их обработки для придания им конечной формы.

Кованый алюминий

Деформируемые сплавы подвергаются механической обработке: прокатке, прессованию или ковке для придания им желаемой формы и улучшения механических свойств. Этот процесс выравнивает структуру зерна металла, что обеспечивает более высокую прочность на разрыв и пластичность по сравнению с литыми алюминиевыми сплавами. Деформируемые алюминиевые сплавы являются наиболее распространённым типом сплавов, на их долю приходится большая часть алюминиевой продукции.

Они идентифицируются по четырехзначной системе нумерации (например, 7075, 6061), установленной Алюминиевой ассоциацией.

• Первая цифра: Указывает основной легирующий элемент или серию.
• Вторая цифра: Обозначает модификацию исходного сплава.
• Третья и четвертая цифры: идентифицируют конкретный сплав в серии.

Литой алюминий

Литейные сплавы получают путём плавки алюминия и заливки его в форму для придания им определённой формы. Этот метод эффективен для производства изделий сложной геометрии, таких как блоки двигателей или картеры трансмиссии. Литейные алюминиевые сплавы обладают меньшей прочностью на разрыв, чем их деформируемые аналоги, поэтому они экономичны при крупносерийном производстве.

Они идентифицируются трехзначной системой с десятичной точкой (например, 356.0).

• Первая цифра: Обозначает серию сплава.
• Вторая и третья цифры: идентифицируют конкретный сплав.
• Цифра после запятой: Указывает форму (отливка или слиток).

Марки деформируемых алюминиевых сплавов

Серия деформируемых сплавов является наиболее обширной и подразделяется по основному легирующему элементу, который определяет основные характеристики материала.

1000 серии

Эта серия состоит не менее чем на 99% из чистого алюминия, с добавлением следовых количеств железа и кремния в качестве основных примесей. Эти сплавы не упрочняются термической обработкой; вместо этого они упрочняются деформационным упрочнением или холодной обработкой. Их чистота обеспечивает им исключительную стойкость к химическому воздействию и атмосферным воздействиям, а также превосходную электро- и теплопроводность. Алюминий 1100 – это технически чистый сорт, известный своей превосходной обрабатываемостью, что делает его идеальным для формования сложных форм. Он широко используется в химической и пищевой промышленности для производства резервуаров и контейнеров. Алюминий 1350 – это особый сорт с контролируемой чистотой, гарантирующий высокую электропроводность, что делает его стандартом для электрических шин и проводов.

Преимущества:

• Исключительная коррозионная стойкость: высокая чистота делает его чрезвычайно устойчивым к химическому воздействию и атмосферным воздействиям.
• Отличная обрабатываемость: он очень мягкий и пластичный, что позволяет легко придавать ему сложные формы.
• Высокая проводимость: обладает превосходной электро- и теплопроводностью, что делает его идеальным для соответствующих применений.

Минусы:

• Очень низкая прочность: имеет самую низкую механическую прочность среди всех серий алюминия, что ограничивает его применение в строительстве.
• Не поддается термической обработке: его прочность можно повысить только путем холодной обработки (упрочнения).
• Плохая обрабатываемость: из-за своей мягкости он может стать «липким», что затрудняет его чистую обработку.

2000 серии

Медь является основным легирующим элементом в этой серии, позволяя этим сплавам приобретать значительную прочность посредством закалки на твердый раствор и дисперсионного твердения. Они имеют одно из лучших соотношений прочности к весу среди всех алюминиевых сплавов, соперничая с таковым у мягкой стали. Однако присутствие меди делает их более восприимчивыми к коррозии, часто требуя защитного покрытия или плакирования более чистым алюминиевым сплавом (Alclad). Они также, как известно, трудно свариваются методами плавления, так как это может привести к растрескиванию. Алюминий 2024 является квинтэссенцией авиационного сплава, ценимого за его высокую прочность и превосходную усталостную прочность. Это предпочтительный материал для конструкций, работающих под напряжением, таких как фюзеляжи и обшивка крыльев. Алюминий 2011 с добавками свинца и висмута известен как «автоматный» сплав, предназначенный для производства сложных деталей на автоматических токарных станках.

Преимущества:

• Очень высокая прочность: после термообработки ее прочность может быть сравнима с прочностью мягкой стали.
• Превосходное соотношение прочности и веса: высокая прочность при очень малом весе, что имеет решающее значение для аэрокосмической отрасли.
• Высокая усталостная прочность: он способен выдерживать многократные циклы нагрузки без разрушения, что делает его долговечным.

Минусы:

• Низкая коррозионная стойкость: присутствие меди делает ее подверженной коррозии, что часто требует нанесения защитных покрытий.
• Плохая свариваемость: его трудно сваривать методом плавления, так как он склонен к растрескиванию.
• Более высокая стоимость: это специализированные, высокопроизводительные сплавы, которые стоят дороже сплавов общего назначения.

3000 серии

Марганец является основным легирующим элементом в этой серии, обеспечивая умеренное повышение прочности по сравнению с серией 1000. Эти сплавы не подлежат термической обработке и упрочняются деформационным упрочнением. Они сохраняют превосходную формуемость и коррозионную стойкость чистого алюминия, что делает их популярным выбором для общего применения. Алюминий 3003 — наиболее широко используемый из всех алюминиевых сплавов. Он примерно на 20% прочнее марки 1100, что делает его практичным и экономичным материалом для изготовления посуды, резервуаров для хранения и теплообменников. Алюминий 3004 с добавлением магния прочнее 3003 и является основным сплавом, используемым для изготовления корпусов алюминиевых банок для напитков.

Преимущества:

• Хорошая формуемость: материал легко поддается обработке и принимает различные формы.
• Хорошая коррозионная стойкость: сохраняет большую часть коррозионной стойкости чистого алюминия.
• Экономичность: обеспечивает хорошее сочетание свойств при относительно низкой стоимости для общего использования.

Минусы:

• Средняя прочность: прочность лишь немного выше, чем у серии 1xxx.
• Не подлежит термической обработке: как и серия 1xxx, ее можно упрочнить только путем холодной обработки.

4000 серии

Добавление кремния значительно снижает температуру плавления алюминия и повышает его текучесть в расплавленном состоянии, не делая металл хрупким. Эта уникальная характеристика делает серию 4000 идеальным материалом для использования в качестве соединительного материала. Большинство сплавов этой серии не подлежат термической обработке, хотя некоторые сплавы с добавлением меди или магния могут поддаваться термической обработке.

Сплав 4043 — один из самых популярных присадочных материалов для сварки и пайки, особенно для соединения сплавов серии 6xxx. Его превосходные характеристики текучести обеспечивают чистое и прочное соединение. Сплав 4032, содержащий также магний и никель, поддается термической обработке и имеет низкий коэффициент теплового расширения, что делает его предпочтительным материалом для изготовления высокопроизводительных кованых поршней двигателей.

Преимущества:

• Отлично подходит для сварки/пайки: низкая температура плавления делает его идеальным присадочным материалом для соединения других алюминиевых сплавов.
• Хорошая текучесть: в расплавленном виде обладает отличной текучестью, обеспечивая прочное и надежное соединение.
• Низкое тепловое расширение: некоторые сплавы этой серии (например, 4032) ценятся за свою размерную стабильность при высоких температурах.

Минусы:

• Не для использования в конструкциях: как правило, не используется для основных конструктивных компонентов.
• Низкая пластичность: он более хрупкий, чем многие другие серии алюминия.
• Плохое анодирование: Высокое содержание кремния может привести к тому, что поверхность станет темно-серой или черной после анодирования.

5000 серии

Магний является основным легирующим элементом и обеспечивает мощное сочетание прочности, пластичности и коррозионной стойкости. Эти сплавы упрочняются деформационным упрочнением и упрочнением твёрдого раствора и обладают самой высокой прочностью среди всех нетермообрабатываемых алюминиевых сплавов. Они особенно устойчивы к коррозии в морской среде.

Алюминий 5052 — универсальная марка, обладающая превосходной формуемостью и прочностью. Это популярный материал для судостроения, производства топливных баков и изготовления листового металла общего назначения. Алюминий 5083 обладает ещё большей прочностью и используется в более ответственных областях применения, таких как судостроение, производство железнодорожных вагонов и сосудов высокого давления.

Преимущества:

• Отличная коррозионная стойкость: обладает высокой устойчивостью к коррозии, особенно в соленой воде.
• Высокая прочность (не поддается термической обработке): имеет самую высокую прочность среди всех не поддающихся термической обработке алюминиевых сплавов.
• Хорошая свариваемость: легко сваривается, сохраняя большую часть своей прочности в зоне сварки.

Минусы:

• Подверженность коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC): Длительное воздействие температур выше 150°F (65°C) может сделать его уязвимым к SCC.
• Не подлежит термической обработке: прочность может быть увеличена только путем деформационного упрочнения.
• Сложнее выдавливать: менее подходит для создания сложных выдавленных форм по сравнению с серией 6xxx.

6000 серии

Эта серия содержит как магний, так и кремний, которые вместе образуют силицид магния. Это соединение позволяет сплавам подвергаться термической обработке на твердый раствор и искусственному старению (дисперсионному твердению), что значительно повышает их предел текучести. Эти марки известны своей превосходной прессуемостью, хорошей прочностью, формуемостью и коррозионной стойкостью. Однако они могут быть чувствительны к растрескиванию при сварке. Алюминий 6061 является одним из самых универсальных и широко используемых термообрабатываемых сплавов. Он может похвастаться отличным сочетанием механических свойств и используется для широкого спектра изделий, включая велосипедные рамы, конструктивные элементы и баллоны для подводного плавления. Алюминий 6063 известен как «архитектурный сплав» за свою превосходную отделку поверхности и высокую коррозионную стойкость, что делает его идеальным для прессованных изделий, таких как оконные и дверные рамы.

Преимущества:

• Поддается термической обработке: его прочность можно значительно повысить с помощью термической обработки.
• Отлично подходит для экструзии: это самая простая серия сплавов, поддающаяся экструзии в сложные формы, и обладающая превосходной чистотой поверхности.

Минусы:

• Средняя прочность: не такая прочная, как серии 2xxx и 7xxx.
• Снижение прочности после сварки: область вокруг сварного шва теряет значительную часть своей прочности до тех пор, пока ее снова не подвергнут термообработке.
• Склонность к растрескиванию: некоторые сварочные процедуры могут привести к образованию трещин, если выполнены неправильно.

7000 серии

Цинк является основным легирующим элементом в этой серии, часто в сочетании с магнием и медью. Эти добавки позволяют серии 7xxx подвергаться термической обработке до наивысшей прочности среди всех алюминиевых сплавов. Их исключительное соотношение прочности к весу делает их незаменимыми в высокопроизводительных приложениях. Однако эта высокая прочность достигается за счет более низкой вязкости разрушения и плохой стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением, хотя новые отпуска улучшили эти свойства. Они также трудно свариваются. Алюминий 7075 является эталонным «авиационным» сплавом, используемым для высоконагруженных деталей, таких как лонжероны крыла и шасси. Алюминий 7050 является более совершенным сплавом, который обеспечивает улучшенный баланс прочности, вязкости разрушения и коррозионной стойкости, особенно в толстых сечениях, что делает его идеальным для шпангоутов фюзеляжа и переборок самолетов.

Преимущества:

• Самая высокая прочность: это самые прочные из всех алюминиевых сплавов, по уровню прочности превосходящие некоторые стали.
• Превосходное соотношение прочности и веса: обеспечивает наилучшие характеристики в случаях, когда вес и прочность имеют решающее значение.
• Хорошая обрабатываемость: поддается очень высококачественной обработке и отделке.

Минусы:

• Плохая свариваемость: очень трудно сваривается и не рекомендуется для методов сварки плавлением.
• Более высокая стоимость: это один из самых дорогих алюминиевых сплавов из-за содержания легирующих элементов и требований к обработке.
• Более низкая коррозионная стойкость: более подвержена коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением, чем серии 5xxx и 6xxx.

Распространенные марки для обработки на станках с ЧПУ

Для обработки на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) свойства сплава должны позволять производить чистую резку без чрезмерного износа инструмента.

Распространенные марки для изготовления листового металла

При изготовлении листового металла, включающем гибку и формовку, пластичность сплава имеет первостепенное значение для предотвращения образования трещин.

Какой тип алюминия самый прочный?

Как правило, сплавы серии 7000 являются самыми прочными из имеющихся на рынке алюминиевых сплавов. Алюминий 7075-T6 (специальная термическая обработка) обеспечивает прочность на разрыв, превосходящую прочность многих марок стали, при этом веся всего в три раза меньше.

Однако «самый прочный» не всегда означает «лучший». Исключительная прочность сплавов серии 7000 имеет свои недостатки:

• Более низкая коррозионная стойкость: они более подвержены коррозии, чем сплавы 5000 или 6000.
• Плохая свариваемость: их трудно сваривать обычными методами.
• Более высокая стоимость: их производство обходится дороже.

Выбор сплава — это всегда инженерное решение, которое учитывает баланс между прочностью и другими важными факторами, такими как долговечность, технологичность и стоимость.