Алюминий: свойства, типы и применение — экспертное руководство

Алюминий — серебристо-серый металл, один из самых распространенных на Земле, составляющий более 8% массы земного ядра.

13-й элемент таблицы Менделеева с символом Al, третий по распространенности металл после кремния и кислорода.

Также пишется «алюминий». В природе чистый алюминий не встречается — легко связывается с другими металлами. Поэтому алюминий впервые получили только в 1824 году.

Наиболее частая форма в природе — сульфаты алюминия.

Алюминий имеет более низкую плотность по сравнению с другими металлами (одну треть от стали). На воздухе образует защитный оксидный пленочный слой благодаря сильной аффинитету к кислороду, образует соединения преимущественно в степени окисления +3.

Сильная аффинитет к кислороду приводит к распространенному ассоциированию с оксидами — поэтому встречается в породах коры, а не в мантии.

Al³⁺ катион высоко заряжен и мал. Точка кипения ~2743 К, точка плавления ~933,47 К.

Производство алюминия связано в основном с бокситовой рудой, содержащей 40–50% гидратированного оксида алюминия, примешанного с кремнеземом и оксидом железа.

Хотя химически схож со сталью или медью, алюминий — легкий, прочный, некорродирующий, гибкий и полностью перерабатываемый металл.

Сталь физически прочнее алюминия, но последний предпочтителен за низкую плотность и гибкость — авиакомпоненты, оконные рамы, корабли, высотки.

Алюминий примерно в 2,5 раза менее плотен, чем сталь (в оригинале «denser» — очевидно ошибка, верно: менее плотен), что делает его альтернативой для мобильности и переносимости.

Алюминиевые сплавы, как правило, высоковязки и ковки, поэтому легко формоваются и обрабатываются резанием.

Также хорошие электрические и тепловые проводники, неискрящиеся, немагнитные — алюминий широко применяется в жизни.

Высоко перерабатываем, требует низкой энергии переплавки — всего ~5% энергии первичного производства. 75% материала возвращается в повторное использование без потери свойств.

Характеристики алюминия:

#1. Легкость:

Удельный вес 2,7 г/см³ — около трети от стали. Снижает себестоимость производства.

Применение в автомобилях снижает собственный вес и энергопотребление, увеличивает грузоподъемность.

Прочность можно адаптировать под применение изменением состава сплавов.

Алюминий-марганец-магний — для долговечности с прочностью; алюминий-магний-кремний — для автолистов.

#2. Коррозионная стойкость:

Тонкий оксидный пленочный слой образуется естественно. Работает как защитная пленка, ограничивающая контакт металла со средой.

Полезно для применений, подверженных корродирующим агентам (транспорт).

Однако алюминиевые сплавы гораздо более коррозионностойки, чем чистый алюминий (исключение — морские магниевые сплавы).

#3. Электрическая и тепловая проводимость:

По весу алюминий — отличный проводник тепла и электричества, в 2 раза лучше меди.

Стал первым выбором для линий электропередач. Также отличный радиатор для бытовой техники, требующей быстрого отвода тепла.

#4. Отражательная способность:

Алюминий — отличный отражатель видимого света и тепла. Низкий вес делает его идеальным для рефлекторов — светильники, кровельные утеплители.

Холодные крыши из алюминия снижают внутреннее солнечное нагревание, отражая до 95% солнечного света.

#5. Вязкость:

Низкая температура плавления и плотность позволяют обрабатывать в расплавленном состоянии множеством способов.

Вязкость обеспечивает гибкость дизайна до конца производства. Листы, фольга, трубы, прутки, проволока — все из алюминия.

Каковы разные типы алюминия?

Для модификации свойств (формовочность, коррозионная стойкость, строеобрабатываемость) чистый алюминий легируют другими элементами. Сплавы нужно идентифицировать — нужна система маркировки.

Алюминиевое объединение создало систему маркировки для идентификации сплавов и поддерживает номенклатуру стандартных марок.

Маркировка по главному легирующему элементу с термическими и механическими свойствами.

Алюминиевые сплавы делятся на две основные категории: Деформируемые (Wrought) и Литые (Cast). У каждой своя система обозначений.

Деформируемые сплавы алюминия (Wrought):

Получают плавлением алюминиевых слитков с определенным количеством легирующего элемента, формируя состав марки. Сплав литуют и подвергают механическим процессам до экструзии.

Четырехзначный код идентифицирует марку:

• Первая цифра — основной легирующий элемент. Имеет ключевое влияние на свойства серии.
• Вторая цифра — модификация конкретного сплава. Модификации требуют документации и регистрации в IADS. Если 0 — оригинальный/немодифицированный сплав.
• Третья и четвертая цифры — номер конкретного сплава в серии. В серии 1000 указывают чистоту.

Таблица серий деформируемых сплавов:

СЕРИЯ	ОСНОВНОЙ ЛЕГИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ
1XXX	99,00% Алюминий
2XXX	Медь
3XXX	Марганец
4XXX	Кремний
5XXX	Магний
6XXX	Магний и кремний
7XXX	Цинк
8XXX	Другие элементы

Пояснение серий деформируемых марок:

Серия 1000

Содержит ≥99,0% алюминия без значимых легирующих элементов. Отличная коррозионная стойкость, высокая электрическая и тепловая проводимость.

Высокоформовочны, медленно твердеют при деформации за счет вязкости и мягкости. Предпочтительны для процессов с сильной деформацией.

Сварны, но узкий интервал плавления. Механическая прочность сравнительно низкая.

Алюминий 1100 — самая частая марка серии 1000. Наивысшая механическая прочность в серии, известен как коммерчески чистый алюминий. Подходит для радиаторов и теплообменников за хорошую электрическую и тепловую проводимость.

Отличные формовочные свойства — для холодной деформации: гибка, рулонная формовка, вытяжка, штамповка, прокатка.

Вязкость позволяет формировать проволоку, листы, фольгу, прутки, полосы. Горячая формовка также легко выполняется.

Конвенциональные методы сварки (в т.ч. контактная) применимы. Однако высоконапорные применения возможны.

Не закаляется термической обработкой — только отверделением при холодной деформации, как большинство сплавов серии.

Серия 2000

~0,7–6,8% меди и малые количества кремния, марганца, магния и др. Медь — главный легирующий элемент. Придает дополнительную прочность и твердость, улучшает строеобрабатываемость. Сохраняют высокую прочность в широком диапазоне температур.

Подходят для авиации и аэрокосмики — высокопрочные, высокопроизводительные сплавы. Но медь снижает вязкость и коррозионную стойкость.

Термически закаляемые. Выпадочное закаление также повышает прочность. При термообработке выпадение интерметаллического Al₂Cu повышает твердость.

Могут быть трудны для сварки из-за интерметаллических соединений. Некоторые марки не подходят для дуговой сварки — склонны к горячим трещинам и коррозионному трещинообразованию под напряжением.

Алюминий 2011 — свободнорежущий сплав с отличной строеобрабатываемостью (мелкая стружка, гладкая поверхность) — для высокоскоростного точения.

Универсальный сплав, но слабая коррозионная стойкость — требует покрытия или анодирования. Не рекомендуется для формовки и сварки.

Алюминий 2024 — идеален для тяжелых приложений под длительным напряжением. Один из самых известных высокопрочных сплавов.

Хорошая устойчивость к трещинам, вязкость при трещине, низкий рост трещины. Требует обкладки или анодирования для улучшения коррозионной стойкости.

Серия 3000

Марганец — главный легирующий элемент (~0,05–1,5%). Придает большую механическую прочность, чем чистый алюминий, сохраняемую в широком температурном диапазоне.

Характеристики: хорошая коррозионная стойкость, высокая вязкость и формовочность. Незакаляемые термически, подходят для сварки. Закаление — холодной деформацией.

Алюминий 3003 (1,5% Mn, 0,1% Cu) — самая широко используемая марка. Механические свойства как у 1100, но на 20% выше предел прочности. Можно паять, глубоко вытягивать, прокручивать, варить.

Серия 4000

3,6–13,5% кремния как главный легирующий элемент с малыми добавками меди и магния.

Кремний понижает температуру плавления и улучшает текучесть в расплавленном состоянии. Серия 4000 — хороший наплавной материал для сварки и пайки.

Тепловая закаляемость некоторых марок зависит от содержания меди и магния. Их добавка дает благоприятный отклик на термообработку. Закаляемые марки предпочтительны для сварки.

Серия 5000

0,5–5,5% магния как главный легирующий элемент. Незакаляемые термически, закаляются холодной деформацией.

Высокая вязкость в отожженном состоянии и умеренная прочность. Легко сварны, высокая коррозионная стойкость.

Отличная щелочестойкость. Некоторые марки с 3,5% Mg не подходят для высоких температур — склонны к коррозионному трещинообразованию под напряжением.

Алюминий 5005 — для листовой работы. Хорошая формовочность: легко гнуть, прокручивать, вытягивать, штамповать, прокатывать. Выдерживает морскую среду, коррозионностойк.

Алюминий 5083 содержит марганец и хром. Устойчив к большинству промышленных химикатов и морской воде. Сохраняет высокую прочность после сварки.

Алюминий 5052 — лучшая стойкость к морской среде среди алюминиевых марок. Хорошие отделочные качества, вытягивается и формруется в сложные формы за счет отличной технологичности. Наивысшая прочность среди не закаляемых термически сплавов.

Серия 6000

Кремний и магний — главные легирующие элементы. Содержание: Si ~0,2–1,8%, Mg ~0,35–1,5%.

Могут термически закаляться для повышения предела текучести. Высокое содержание кремния способствует выпадочному закалению, снижая вязкость.

Этот эффект можно компенсировать добавкой хрома и марганца, подавляющих рекристаллизацию. Трудны для сварки из-за чувствительности к трещинам при застывании — нужны правильные методы.

Алюминий 6061 — самый универсальный среди термически закаляемых сплавов. Известен как «рабочая лошадка». Отличная формовочность и коррозионная стойкость (гибка, глубокая вытяжка, штамповка). Подходит для сварки любым методом.

Алюминий 6063 — широко используется для экструзии алюминия. Высокая прочность на разрыв и коррозионная стойкость с отличными отделочными качествами. Дает гладкие поверхности после формовки сложных форм — идеален для анодирования. Хорошая сварная способность, средняя строеобрабатываемость.

Алюминий 6262 — свободнорежущий сплав. Отличная механическая прочность и хорошая коррозионная стойкость.

Серия 7000

0,8–8,2% цинка как главный легирующий элемент. Сплавы с наивысшей прочностью в этой серии. Термически закаляемые, требуют старения для повышения предела текучести.

Цинк вызывает выпадение MgZn₂ и Mg₃Zn₃Al₂ — интерметаллические соединения закаляют сплав.

Характеристики: высокая коррозионная стойкость, усиливаемая медью. Плохая сварная способность — склонны к коррозионному трещинообразованию под напряжением и горячим трещинам.

Алюминий 7075 — одна из наивысших прочностей среди марок. Высокопроизводительный сплав, предел прочности выше 6061. Тверже, выдерживает длительные нагрузки. Сварка точечной или плавлением.

Литые сплавы алюминия (Cast Aluminum):

Получаются литьевым процессом: расплавленный алюминий с определенными количествами легирующих элементов лится в форму для получения заданной формы сплава.

Литые сплавы обычно имеют меньшую прочность на разрыв, чем деформируемые. Склонны к трещинам и усадке.

Но более экономичны. Расплавленный алюминий гибко заполняет полости форм — можно лить широкий спектр форм.

Четырехзначный код с десятичной дробью идентифицирует марку литого алюминия:

• Первая цифра — основной легирующий элемент.
• Вторая и третья цифры — произвольные номера, кроме серии 1XX.X. Там указывают чистоту чистого алюминия.
• Последняя цифра — литой сплав или слиток: «.0» — литой, «.1» или «.2» — слиток.

Таблица серий литых сплавов:

Серия	Основной легирующий элемент
1XX.X	99,00% Алюминий
2XX.X	Медь
3XX.X	Кремний с добавкой меди или магния
4XX.X	Кремний
5XX.X	Магний
7XX.X	Цинк
8XX.X	Олово
9XX.X	Другие

Серия 1XX.X

Максимальное содержание чистого алюминия (мин. 99,00%). Высокая электрическая и тепловая проводимость, надежность, отличная коррозионная стойкость и отделочные свойства.

Серия 2XX.X

Медь — главный легирующий элемент. Термически закаляемые. Характеристики: высокая прочность, низкая текучесть. Низкая коррозионная стойкость и вязкость. Склонны к горячим трещинам.

Серия 3XX.X

Кремний — главный легирующий элемент с малыми добавками Mg и/или Cu. Термически закаляемые.

Важные характеристики: высокая прочность, хорошая износостойкость и устойчивость к трещинам. Увеличение меди снижает коррозионную стойкость. Вязкость сравнительно низкая.

Серия 4XX.X

Кремний — главный легирующий элемент. Умеренная прочность.

Незакаляемые термически, хорошая строеобрабатываемость за счет высокой вязкости. Хорошая ударная вязкость, коррозионная стойкость и литейные свойства.

Серия 5XX.X

Магний — главный легирующий элемент. Магний дает коррозионную стойкость.

Незакаляемые термически. Хорошая коррозионная стойкость, очень привлекательный внешний вид при анодировании. Прочность средняя-высокая, строеобрабатываемость, отличные литейные свойства.

Серия 7XX.X

Цинк — главный легирующий элемент. Термически закаляемые.

Высокая прочность, хорошая коррозионная стойкость, размерная стабильность, отделочные качества. Но плохие литейные свойства.

Серия 8XX.X

Олово — главный легирующий элемент. Незакаляемые термически.

Хорошая строеобрабатываемость и износостойкость за счет низкого коэффициента трения. Механическая прочность сравнительно низкая.

Серия 6XX.X в этих стандартах не используется.

Маркировка отвердевания алюминиевых сплавов (Temper Designation)

Система маркировки отвердевания определяет реакцию сплава на сварку и другие технологические процессы.

Связана с процессами упрочнения и закаления, которые прошел сплав. Используется для деформируемых и литых сплавов.

Маркировка состоит из заглавной буквы, за которой следует двухзначное число для отвердевших деформацией и термически обработанных сплавов.

Отделяется от номера сплава дефисом (например, 5052-H32).

Первый символ маркировки отвердевания указывает основной вид обработки:

Буква	Обработка
F	Как изготовлено (as fabricated), без обработки
O	Отожжен (Annealed)
H	Отвердевший деформацией / холодной деформацией (Strain-hardened)
W	Растворительно закален (Solution heat-treated)
T	Термически обработан (Thermally treated)

Первая и вторая цифры указывают операцию после отвердевания деформацией и степень отвердевания (для отвердевших деформацией сплавов).

Первая цифра указывает условие термической обработки для термически обработанных сплавов.

Сферы применения алюминия

Деформируемые марки алюминия:

Алюминий 1100 — нитеви, глубоко вытянутые детали (горшки, раковины), цистерны, рефлекторы. Применяется в заготовках, теплообменниках, радиаторах за высокую теплопроводность. Подходит для электротехники.

Алюминий 2011 — станочные и автодетали, крепеж, оружие, боеприпасы, фитинги труб, детали распылителей. Также винтовые изделия.

Алюминий 2024 — наилучшая марка для авиации и аэрокосмики. Широко в морском оборудовании, натянутых элементах крыла, болтах, гидравлических клапанах, валах, муфтах, гайках, шестернях, поршнях.

Алюминий 3003 — теплообменники, сосуды под давлением, резервуары, топливные баки. Пищевое оборудование: кухонная утварь, л Formen для льда, сковородки, панели холодильников. Строительство: крыши, сайдинг, гаражные двери, изоляционные панели, водосточные желоба и трубы.

Алюминий 5005 — отличный строительный материал: сайдинг, кровля, мебель, электрические проводники. Химическое и пищевое оборудование, HVAC, сосуды, баки, высокопрочные фольги. Яркая поверхность — декоративное применение.

Алюминий 5083 — вагонное хозяйство, сосуды под давлением, буровые установки, судостроение, транспорт.

Алюминий 5052 — вязкие применения: пищевое оборудование, кухонная утварь, теплообменники, химические баки. Грузовики, напольные панели, нитеви, проволока, рифленые листы, контейнеры.

Алюминий 6061 — формируется в трубы, балки, уголки со скругленными углами. Фитинги баков, грузовики, вагоны, морские компоненты, трубопроводы, мебель.

Алюминий 6063 — архитектурные применения: поручни лестниц, мебель, оконные рамы, двери, рекламные конструкции. Трубы, уголки, балки, швеллеры.

Алюминий 6262 — винтовые изделия, оси петель, морские фитинги, трубные фитинги, ручки, гайки, муфты, клапаны, декоративная фурнитура.

Алюминий 7075 — предпочтительно в аэрокосмике и авиации за высокую прочность. Двигатели, формы, спортивное снаряжение, промышленная оснастка.

Разные формы алюминия

#1. Проволока

Получают пропусканием алюминиевых слитков через филирующую матрицу, сжимающую диаметр и удлиняющую заготовку.

Хорошая электропроводность и высокое отношение прочность/вес — альтернатива меди в электротехнике. Но алюминиевая проволока легко окисляется.

Без мер против окисления — ухудшение электропроводки и риск пожара.

#2. Фольга

Изготавливают из алюминиевых листов. Процесс выпрямления на валковом станке уменьшает толщину.

Диапазон толщины 0,2 мм – 6 мкм. Вязкие, гибкие, легко гнутся и оборачиваются.

Также используются как упаковочный и экранирующий материал и в других промышленных применениях.

#3. Листы

Получают многократным высоконапорным валкованием алюминиевых брусков до толщины и плоскости. Толщина листов <0,249 дюйма.

Наиболее массовая форма алюминиевых продуктов. Применение: банки, упаковка, кузовные и автодетали, посуда, строительные детали (кровля, сайдинг, водосточные).

#4. Листы толстые (Пластины/Plates)

Изготавливаются как листы, но толщина >0,250 дюйма.

Для тяжелых применений. Транспорт, аэрокосмика, авиация, морское дело, военная промышленность. Резервуары и топливные баки.

#5. Прутки, трубы и пайпы

Критически важные компоненты из алюминия. Производятся экструзией: алюминиевый брикет давится через отверстие матрицы компрессионной силой.

Матрица трансформирует форму брикета при прохождении.

Экструзия гибка — разные поперечные сечения: круглые, прямоугольные, квадратные, шестигранные прутки, полые трубы.

Можно создавать сложные формы с постоянным поперечным сечением. Широко в строительной, авиационной, авто, морской, аэрокосмической, HVAC отраслях.

Внутренние ресурсы:

• Главный цилиндр
• Цилиндровая втулка
• Классификация автомобилей
• Пневмоподвеска
• Маховик, распредвал, коленвал
• Сцепление — полные заметки
• Одно дисковое сцепление
• Много дисковое сцепление
• Барабанный vs Дисковый тормоз
• Батарейная система зажигания
• Магнетоная система зажигания
• Электронная система зажигания
• Типы систем смазки

Ссылки [Внешние]:

• https://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium
• https://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_alloy