Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы — это металлические композиции, основным компонентом которых является алюминий (Al), а легирующими добавками — другие химические элементы (медь, магний, кремний, марганец, цинк, литий и др.), вводимые для придания материалу заданных физико-механических и технологических свойств. Алюминиевые сплавы занимают второе место по объёму промышленного применения среди металлов после стали, что обусловлено их высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью, пластичностью и способностью к различным видам обработки.

История

Промышленное производство алюминия началось во второй половине XIX века, когда в 1886 году Чарльз Мартин Холл в США и Поль Эру во Франции независимо друг от друга разработали электролитический способ получения алюминия из оксида (глинозёма). Однако чистый алюминий обладает низкой прочностью (около 50–70 МПа), что ограничивало его применение. Первые попытки улучшить механические характеристики предпринимались ещё в 1890-х годах. В 1906 году немецкий металлург Альфред Вильм обнаружил, что сплав алюминия с медью (4 %) и магнием (0,5 %) после закалки и естественного старения приобретает значительно более высокую прочность. Этот сплав, получивший название дюралюмин (от лат. durus — твёрдый и города Алюм в Германии), стал основой авиационной промышленности.

В СССР и России разработка алюминиевых сплавов активно велась с 1930-х годов. Были созданы высокопрочные сплавы серии В95 (аналог зарубежного 7075), жаропрочные сплавы для ракетной техники, а также коррозионно-стойкие сплавы для судостроения. К концу XX века алюминиевые сплавы стали незаменимы в автомобилестроении, строительстве, электротехнике и упаковке.

Классификация

Алюминиевые сплавы классифицируют по нескольким признакам.

По технологии изготовления

• Деформируемые сплавы — предназначены для получения полуфабрикатов (листов, прутков, профилей, труб) методами пластической деформации (прокатка, прессование, ковка, штамповка). Они обладают высокой пластичностью и хорошо обрабатываются давлением.
• Литейные сплавы — используются для изготовления фасонных отливок (литьём в кокиль, под давлением, по выплавляемым моделям). Они имеют хорошую жидкотекучесть и малую усадку, что позволяет получать детали сложной конфигурации.

По способности к термической обработке

• Термически упрочняемые сплавы — упрочняются за счёт закалки и последующего старения (естественного или искусственного). К ним относятся дюралюмины (Al-Cu-Mg), сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu (высокопрочные), Al-Mg-Si (авиали).
• Термически не упрочняемые сплавы — их прочность повышается только за счёт холодной пластической деформации (наклёпа). К этой группе относятся сплавы системы Al-Mn (магналии) и Al-Mg (алюминиево-магниевые сплавы).

По основным легирующим элементам

В международной системе обозначений (ISO, ASTM) алюминиевые сплавы маркируются четырёхзначным числом, где первая цифра указывает на основной легирующий элемент:

• 1xxx — технически чистый алюминий (99,0–99,9 % Al). Обладает высокой коррозионной стойкостью, электропроводностью и пластичностью, но низкой прочностью.
• 2xxx — сплавы системы Al-Cu (медь). Упрочняемые термически, высокопрочные, но с пониженной коррозионной стойкостью. Пример: дюралюмин (2024, Д16).
• 3xxx — сплавы системы Al-Mn (марганец). Не упрочняемые, обладают хорошей коррозионной стойкостью и свариваемостью. Пример: АМц (3003).
• 4xxx — сплавы системы Al-Si (кремний). Литейные сплавы (силумины), обладают высокой жидкотекучестью и малой усадкой. Пример: АК12 (4032).
• 5xxx — сплавы системы Al-Mg (магний). Не упрочняемые, имеют высокую коррозионную стойкость, особенно в морской воде. Пример: АМг5 (5056).
• 6xxx — сплавы системы Al-Mg-Si (магний-кремний). Упрочняемые, обладают хорошей коррозионной стойкостью и средней прочностью. Широко используются в строительных профилях. Пример: АД31 (6061).
• 7xxx — сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu (цинк-магний-медь). Самые высокопрочные алюминиевые сплавы, применяемые в авиации и ракетной технике. Пример: В95 (7075).
• 8xxx — сплавы с другими элементами (литий, железо, никель). Пример: сплавы Al-Li (алюминий-литий), отличающиеся пониженной плотностью.

Свойства

Физические и механические

• Плотность: около 2,7 г/см³, что в 2,9 раза меньше, чем у стали (7,85 г/см³). Это делает алюминиевые сплавы незаменимыми в транспортном машиностроении.
• Прочность: предел прочности на растяжение варьируется от 70–100 МПа (технически чистый алюминий) до 700 МПа и более (высокопрочные сплавы 7xxx). Удельная прочность (отношение прочности к плотности) у некоторых сплавов превосходит сталь.
• Пластичность: относительное удлинение может достигать 30–40 % у отожжённых деформируемых сплавов.
• Температура плавления: 550–660 °C (в зависимости от состава).
• Электропроводность: составляет 60–65 % от электропроводности меди, но при меньшей плотности алюминиевые провода имеют преимущество по массе.
• Теплопроводность: высокая (200–230 Вт/(м·К)), что позволяет использовать сплавы в теплообменниках.

Химические и технологические

• Коррозионная стойкость: на поверхности алюминия образуется прочная оксидная плёнка Al₂O₃, которая защищает металл от дальнейшего окисления. Сплавы с высоким содержанием меди (2xxx) менее стойки, требуют защитных покрытий.
• Свариваемость: хорошая для сплавов 3xxx, 5xxx, 6xxx. Сплав 2xxx и 7xxx свариваются с трудом, часто требуют применения специальных присадочных материалов.
• Обрабатываемость резанием: удовлетворительная, улучшается при введении свинца, висмута или олова (автоматные сплавы).
• Литейные свойства: высокие у силуминов (4xxx), низкие у сплавов 2xxx и 7xxx.

Применение

Алюминиевые сплавы используются практически во всех отраслях промышленности.

Авиация и космонавтика

Алюминиевые сплавы — основной конструкционный материал в самолётостроении (до 80 % массы планера). Применяются сплавы 2xxx (обшивка, силовые элементы), 7xxx (лонжероны, шпангоуты), 5xxx (топливные баки), а также сплавы Al-Li (8xxx) для снижения массы. В России широко используются сплавы Д16, В95, АК4-1.

Автомобилестроение

Используются для производства кузовных панелей (сплавы 5xxx, 6xxx), радиаторов, блоков цилиндров (литейные сплавы АК9, АК12), колёсных дисков, подвесок. Применение алюминия позволяет снизить массу автомобиля на 30–40 %, что уменьшает расход топлива.

Строительство

Из алюминиевых сплавов (преимущественно 6xxx: АД31, 6060, 6063) изготавливают оконные и дверные профили, фасадные системы, несущие конструкции, кровельные материалы, ограждения. Сплавы устойчивы к атмосферной коррозии и не требуют окраски.

Электротехника

Алюминий и его сплавы (1xxx, 6xxx) используются для производства силовых кабелей, проводов линий электропередач, шин, корпусов трансформаторов. Благодаря низкой плотности алюминиевые провода легче медных при одинаковой проводимости.

Судостроение

Коррозионно-стойкие сплавы 5xxx (АМг5, 5083) применяются для корпусов судов, яхт, катеров, а также для элементов морских платформ. Они не подвержены коррозии в морской воде и не требуют специальных покрытий.

Упаковка

Алюминиевая фольга (сплавы 1xxx, 8xxx) используется для упаковки пищевых продуктов, фармацевтических препаратов, а также для производства банок для напитков (сплавы 3xxx, 5xxx).

Интересные факты

• Первый в мире цельнометаллический самолёт (Junkers J1, 1915 год) был построен из алюминиевого сплава.
• Сплав В95 (аналог 7075) был разработан в СССР в 1940-х годах для истребителей МиГ-15 и Ла-15.
• Алюминиевые сплавы с добавлением лития (Al-Li) позволяют снизить массу конструкции на 10–15 % по сравнению с традиционными сплавами.
• В России действует система маркировки алюминиевых сплавов по ГОСТ 4784-2019, где буквы обозначают легирующие элементы (А — алюминий, Мг — магний, Мц — марганец, К — кремний, Д — дюралюмин и т.д.), а цифры — порядковый номер сплава.

Источники

• ГОСТ 4784-2019 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки».
• ГОСТ 1583-93 «Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия».
• Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. «Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов». — М.: Металлургия, 1992.
• Фридман Я.Б. «Механические свойства металлов». — М.: Машиностроение, 1974.
• Материалы сайта Алюминиевой Ассоциации России (aluminas.ru).