Как классифицируются алюминиевые сплавы

Вопрос классификации алюминиевых сплавов кажется простым только в учебниках — на деле же постоянно сталкиваешься с тем, что заказчики путают термины 'деформируемый' и 'литейный' сплав, или требуют от материала несвойственных ему характеристик. Особенно заметно это в работе с клиентами, которые приходят через наш сайт ООО 'Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии' — многие уверены, что раз сплав алюминиевый, он автоматически должен быть и легким, и прочным, и коррозионностойким одновременно. Приходится на пальцах объяснять, что например сплавы системы Al-Cu-Mg (дуралюмины) при высокой прочности требуют защиты от коррозии, а магналии (Al-Mg) хоть и устойчивы к морской воде, но не выдерживают высоких нагрузок.

Основные принципы деления сплавов

Если отбросить академические тонкости, в цеху мы привыкли делить сплавы по трем практическим признакам: способу обработки, основным легирующим элементам и состоянию поставки. С деформируемыми и литейными сплавами все более-менее ясно — первые идут на прокат, прессовку, ковку, вторые в литье. Но вот нюанс: один и тот же химический состав иногда можно использовать обоими способами, хотя структура получится разной. Помню, как на экспериментальном производстве пытались прокатать сплав АК12ч — теоретически подходящий по химии, но на практике давший трещины из-за кремниевых включений.

Система легирования — это вообще отдельная история. Маркировка советская/российская удобна для быстрого определения основной добавки: кремний в АК-сплавах, магний в АМг, медь в Д. Но когда к нам поступают европейские или американские заказы, приходится держать под рукой таблицы соответствия — скажем, немецкий EN AW-6061 это наш АД33, но с другими допусками по железу. Кстати, именно по железу чаще всего возникают разночтения — в одних стандартах его считают вредной примесью, в других допускают до 0.7%.

Состояния поставки влияют на все — от цены до возможности механической обработки. Мягкий отожженный сплав (состояние О) прекрасно штампуется, но абсолютно не держит нагрузку. Закаленный и искусственно состаренный (Т6) идеален для силовых элементов, но при сверлении требует особых режимов — лично сталкивался с разрушением сверл при обработке АД35Т1, пока не подобрал подачу 0.1 мм/оборот.

Деформируемые сплавы: нюансы применения

В нашем ассортименте на сайте lianxin-metal.ru деформируемые сплавы занимают около 60% — в основном это прессованные прутки и листы. Самые ходовые — АД31 и АД35 для строительных профилей, где важна не столько прочность, сколько стабильность геометрии. Но вот интересный момент: многие проектировщики не учитывают, что прессованный профиль из АД31Т5 и прокатный лист из того же сплава будут иметь разную зеркальную текстуру, что критично для архитектурных фасадов.

Авиационные сплавы типа АК8 или В95 — отдельная тема. Их мы поставляем редко, в основном под спецзаказы, потому что требования к сертификации жесткие. Запомнился случай, когда заказчик требовал для детали станка сплав Д16Т вместо АД35 — мотивируя тем, что 'в авиации используют значит самый прочный'. Пришлось доказывать, что для его статической нагрузки достаточно АД35, а Д16Т не только дороже, но и склонен к межкристаллитной коррозии без специального покрытия.

Сплавы алюминий-магний (АМг) — наша гордость в сегменте морского оборудования. Но и здесь есть подводные камни: АМг6 с содержанием магния 6% дает великолепную коррозионную стойкость, но при сварке требует строгого контроля температуры — перегрев выше 300°C приводит к выпадению β-фазы Al3Mg2 по границам зерен. Научились справляться только после трех бракованных партий сварных конструкций для судоремонтного завода.

Литейные сплавы: от теории к браку

С литейными сплавами работаем в основном по спецзаказам — например, для производства корпусов приборов через медно-алюминиевые композитные материалы. Силумины АК12 и АК9ч наиболее технологичны, но требуют точного соблюдения температурного режима плавки. На собственном опыте убедились: перегрев выше 750°C для АК12 приводит к газонасыщению и пористости — как-то потеряли целую партию крыльчаток для насосов из-за этого.

Высокопрочные литейные сплавы типа АК7ч (зарубежный аналог 356.0) часто запрашивают для автомобильных деталей. Но многие не учитывают, что механические свойства сильно зависят от скорости охлаждения в форме — при песчаной формовке предел прочности будет на 20-25% ниже, чем при металлической. Это особенно критично для ответственных узлов — приходится каждый раз проводить испытания образцов-свидетелей.

Модифицирование и рафинирование — тема, которую в теории проходят мимоходом, а на практике это 70% успеха. Специальные добавки типа нитрата натрия для модификации эвтектического кремния или газообразные флюсы для удаления водорода — без этого стабильного качества не добиться. Помню, как пробовали экономить на флюсах — результат: брак по раковинам в 40% отливок.

Влияние легирующих элементов на технологичность

Медь в сплавах типа Д16 — палка о двух концах. С одной стороны — дисперсионное твердение, с другой — резкое падение коррозионной стойкости. В цеху всегда держим отдельный инструмент для обработки таких сплавов — медь активно взаимодействует с инструментальной сталью, вызывая адгезию. Да и стружка от Д16Т ведет себя совершенно иначе, чем от АМг — более ломкая, но абразивная.

Магний — кроме упомянутых преимуществ, создает проблемы при обработке резанием. Сплавы АМг склонны к налипанию на резец, особенно в отожженном состоянии. Приходится использовать СОЖ с повышенным содержанием противозадирных присадок — обычные эмульсии не справляются. Зато полируются такие сплавы великолепно — достаточно вспомнить отделку морских поручней из АМг5.

Кремний — основной элемент литейных сплавов, но его содержание выше 12% делает механическую обработку практически невозможной. Режущий инструмент изнашивается в 3-4 раза быстрее, чем при работе с алюминием технической чистоты. Для силуминов типа АК12 пришлось закупать твердосплавные фрезы со специальным покрытием — обычные быстрорежущие сточились за одну смену.

Практические сложности с термической обработкой

Закалка алюминиевых сплавов — процесс, казалось бы, отработанный, но нюансов хватает. Главная проблема — узкое окно температур между достижением максимальной прочности и пережогом. Для сплава Д16Т это 495-505°C — отклонение всего 10 градусов. Контролируем пирометрами, но в больших печах всегда есть градиент температур — поэтому для ответственных деталей используем соляные ванны, хоть это и дороже.

Естественное и искусственное старение — тема для отдельного разговора. Естественное (Т1) проще в исполнении, но непредсказуемо по времени — зависит от температуры цеха. Искусственное (Т6) стабильнее, но требует точного соблюдения режима. Для сплава АВТ1 старение при 175°C в течение 12 часов дает оптимальные свойства — но если передержать, прочность начнет падать. Проверяли на образцах — после 16 часов прочность снизилась на 15%.

Отжиг для снятия напряжений после сварки — часто игнорируемая операция. Многие считают, что для алюминия это необязательно. Однако для сварных конструкций из АМг6 без последующего отжига при 250°C риск коробления достигает 70%. Пришлось убеждать заказчиков включать эту операцию в техпроцесс — сначала сопротивлялись из-за роста стоимости, но после нескольких случаев деформации конструкций согласились.

Взаимодействие с другими материалами

В рамках нашего производства медно-алюминиевых композитных материалов особенно важно понимание гальванической коррозии. Прямой контакт алюминия с медью без изоляции — гарантированное разрушение в влажной среде. Решаем либо прокладками из нейлона, либо покрытиями — например, анодированием алюминиевой части. Кстати, толщина анодного слоя имеет значение — для морских условий нужно не менее 25 мкм.

Контакты с нержавеющей сталью менее опасны, но тоже требуют внимания. В крепежных узлах используем биметаллические вставки или кадмированные шайбы — просто оцинкованные не подходят, цинк тоже образует гальваническую пару с алюминием. Научились этому после того, как на одной из первых наших сборок крепеж буквально прикипел к алюминиевым профилям за полгода эксплуатации.

При комбинировании с титановыми сплавами проблема другая — разные коэффициенты теплового расширения. В вакуумных установках, которые мы комплектуем, перепад температур до 300°C вызывает значительные напряжения. Пришлось разрабатывать компенсирующие элементы — сейчас используем гофрированные вставки из того же алюминиевого сплава, что и основная конструкция.

Перспективные направления

В последнее время вижу растущий интерес к алюминиевым порошковым сплавам — например, сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu, получаемые методом спекания. Прочность до 700 МПа при сохранении приемлемой пластичности. Мы в ООО 'Сучжоу Ляньсинь' пока только изучаем это направление — оборудование дорогое, но для аэрокосмической отрасли перспективы огромные.

Наноструктурированные алюминиевые сплавы — пока лабораторные образцы, но уже показывают уникальные свойства. В частности, сочетание высокой электропроводности и прочности, что интересно для электротехники. Если удастся снизить стоимость производства, могут составить конкуренцию медным сплавам в некоторых применениях.

Гибридные материалы на основе алюминия — наше основное направление развития. Медно-алюминиевые композиты уже серийно производим, экспериментируем с алюминиево-титановыми пакетами. Сложность в обеспечении прочности соединения разнородных материалов — традиционная сварка не подходит, используем взрывную сварку и диффузионную пайку. Результаты обнадеживают — в некоторых применениях удается заменить дорогие титановые сплавы на гибридные конструкции.