W zależności od zawartości pierwiastków stopowych i obróbki cieplnej gatunki aluminium mogą wykazywać szeroki wachlarz właściwości. Obejmują one zarówno atrakcyjny wygląd, łatwość obróbki i dobrą odporność na korozję, jak i wysoki stosunek wytrzymałości do masy, dobrą spawalność oraz wysoką odporność na pękanie. Ostatecznie wybór odpowiedniego gatunku aluminium zależy od przeznaczenia oraz warunków eksploatacyjnych, w jakich ma on być stosowany.
W poniższych sekcjach omówiono kolejno poszczególne serie stopów aluminium, podsumowując ich charakterystyczne cechy, typowe gatunki oraz typowe zastosowania, które stanowią podstawę doboru materiału.
W zależności od zawartości pierwiastków stopowych i obróbki cieplnej gatunki aluminium mogą wykazywać szeroki wachlarz właściwości. Obejmują one zarówno atrakcyjny wygląd, łatwość obróbki i dobrą odporność na korozję, jak i wysoki stosunek wytrzymałości do masy, dobrą spawalność oraz wysoką odporność na pękanie. Ostatecznie wybór odpowiedniego gatunku aluminium zależy od przeznaczenia oraz warunków pracy, w jakich będzie on eksploatowany.
W poniższych sekcjach omówiono kolejno każdą serię stopów aluminium, podsumowując ich charakterystyczne cechy, typowe gatunki oraz typowe zastosowania, które stanowią podstawę doboru materiału.
Tabela 1. Porównanie różnych serii stopów aluminium
Seria
Główny pierwiastek stopowy
Typowe gatunki
Możliwość obróbki cieplnej
Typowe właściwości
Typowe zastosowania
1xxx
Czyste aluminium (≥99%)
1050, 1060, 1100, 1350
Nie
Doskonała odporność na korozję, doskonała przewodność elektryczna i cieplna, niska wytrzymałość, doskonała plastyczność
Przewody elektryczne, urządzenia do przetwarzania chemicznego, reflektory, przemysł spożywczy i chemiczny
2xxx
Miedź (Cu)
2014, 2024, 2219
Tak
Wysoka wytrzymałość, dobra obrabialność, obniżona odporność na korozję, ograniczona spawalność
Konstrukcje lotnicze, elementy wyposażenia samolotów, elementy konstrukcyjne o wysokiej wytrzymałości
3xxx
Mangan (Mn)
3003, 3004, 3105
Umiarkowana wytrzymałość, doskonała plastyczność, dobra odporność na korozję
Pokrycia dachowe i elewacyjne, naczynia kuchenne, wymienniki ciepła, zbiorniki magazynowe
4xxx
Krzem (Si)
4032, 4043, 4643
Zasadniczo nie*
Niższa temperatura topnienia, dobra odporność na zużycie, nadaje się do spawania i lutowania twardego
Drut spawalniczy, materiały do lutowania twardego, części samochodowe
5xxx
Magnez (Mg)
5005, 5052, 5083, 5086
Umiarkowana do wysokiej wytrzymałości, doskonała odporność na korozję (zwłaszcza w środowisku morskim), doskonała spawalność
Konstrukcje morskie, zbiorniki ciśnieniowe, sprzęt transportowy, przemysł stoczniowy
6xxx
Magnez + krzem (Mg₂Si)
6061, 6063
Średnia wytrzymałość, dobra odporność na korozję, doskonała wytłaczalność, dobra spawalność
Profile konstrukcyjne, elementy architektoniczne, ramy samochodowe, maszyny
7xxx
Cynk (Zn)
7050, 7075
Bardzo wysoka wytrzymałość, dobra odporność na zmęczenie materiału, niższa odporność na korozję niż w przypadku większości innych serii
Konstrukcje lotnicze, elementy dla przemysłu lotniczego i kosmicznego, sprzęt obronny, artykuły sportowe
8xxx
Inne pierwiastki (Fe, Ni, Li itp.)
8006, 8011, 8079, 8090
Różne
Właściwości zależą od składu stopu i przeznaczenia
Folia i opakowania, przewodniki elektryczne, specjalistyczne stopy dla przemysłu lotniczego i kosmicznego
9xxx
Nieprzypisane
—
Seria obecnie nie jest w użyciu
Gatunki aluminium z serii 1xxx (1050, 1060, 1100, 1145, 1200, 1230, 1350 i inne) charakteryzują się doskonałą odpornością na korozję, wysoką przewodnością cieplną i elektryczną, niskimi właściwościami mechanicznymi oraz doskonałą obrabialnością. Umiarkowany wzrost wytrzymałości można uzyskać poprzez utwardzanie przez odkształcenie. Głównymi zanieczyszczeniami w tej serii są żelazo i krzem.
Stopy aluminium z serii 2xxx (2011, 2014, 2017, 2018, 2124, 2219, 2319, a także gatunki odlewnicze, takie jak 201.0, 203.0, 206.0, 224.0 i 242.0) wymagają obróbki cieplnej w roztworze w celu uzyskania optymalnych właściwości. W stanie po obróbce cieplnej rozpuszczającej ich właściwości mechaniczne są podobne do właściwości stali niskowęglowej, a czasami nawet je przewyższają. W niektórych przypadkach stosuje się obróbkę cieplną wytrąceniową (starzenie) w celu dalszego zwiększenia właściwości mechanicznych. Obróbka ta zwiększa granicę plastyczności, choć kosztem pewnego zmniejszenia wydłużenia, natomiast jej wpływ na wytrzymałość na rozciąganie jest stosunkowo mniejszy.
Seria 2xxx nie zapewnia tak dobrej odporności na korozję jak większość innych stopów aluminium, a w pewnych warunkach stopy te mogą ulegać korozji międzykrystalicznej. Mimo to sprawdzają się one dobrze w elementach wymagających dużej wytrzymałości w temperaturach do 150°C (300°F). Z wyjątkiem gatunku 2219 stopy te charakteryzują się ograniczoną spawalnością, choć niektóre z nich wykazują doskonałą skrawalność. Aluminium gatunku 2024 jest najpopularniejszym stopem w tej serii i znajduje szerokie zastosowanie w budowie samolotów.
Stopy aluminium serii 3xxx (3003, 3004, 3105 oraz gatunki odlewnicze, takie jak 383.0, 385.0, A360 i 390.0) zasadniczo nie podlegają obróbce cieplnej, ale charakteryzują się wytrzymałością o około 20% wyższą niż stopy z serii 1xxx. Ponieważ do aluminium można skutecznie dodać jedynie ograniczoną ilość manganu (do około 1,5%), mangan pełni rolę głównego pierwiastka tylko w nielicznych stopach.
Krzem jest głównym pierwiastkiem stopowym w serii 4xxx (4032, 4043, 4145, 4643 i inne) i może być dodawany w ilościach do 12%, co znacznie obniża zakres temperatur topnienia. Z tego powodu stopy aluminium z krzemem są stosowane w drutach spawalniczych oraz jako stopy do lutowania twardego do łączenia aluminium, gdzie wymagany jest zakres temperatur topnienia niższy niż w przypadku metalu podstawowego. Stopy zawierające znaczne ilości krzemu po nałożeniu anodowej powłoki tlenkowej przybierają barwę od ciemnoszarej do antracytowej, co sprawia, że są popularne w zastosowaniach architektonicznych.
Magnez jest głównym pierwiastkiem stopowym w serii 5xxx. Stosowany samodzielnie lub w połączeniu z manganem tworzy stop o średniej do wysokiej wytrzymałości, poddający się utwardzaniu przez zgniatanie. Magnez jest znacznie skuteczniejszym środkiem utwardzającym niż mangan — około 0,8% Mg odpowiada 1,25% Mn — i można go dodawać w znacznie większych ilościach. Stopy aluminium z tej serii (5005, 5052, 5083, 5086 i inne) charakteryzują się dobrymi właściwościami spawalniczymi oraz stosunkowo dobrą odpornością na korozję w środowisku morskim. Należy jednak ograniczyć stopień obróbki na zimno oraz temperaturę pracy (około 150°F) w przypadku stopów o wyższej zawartości magnezu, aby uniknąć podatności na pękanie korozyjne naprężeniowe.
Stopy aluminium serii 6xxx (6061, 6063) zawierają krzem i magnez w proporcjach zbliżonych do tych niezbędnych do utworzenia krzemku magnezu (Mg₂Si), co sprawia, że nadają się one do obróbki cieplnej. Chociaż nie są tak wytrzymałe jak większość stopów z serii 2xxx i 7xxx, stopy z serii 6xxx charakteryzują się dobrą plastycznością, spawalnością, skrawalnością oraz stosunkowo dobrą odpornością na korozję, a także średnią wytrzymałością. Gatunki z tej grupy poddawanej obróbce cieplnej można formować w stanie T4 (poddanym obróbce cieplnej rozpuszczającej, ale nie wytrącającej), a następnie wzmocnić po formowaniu do pełnych właściwości T6 poprzez obróbkę cieplną wytrącającą.
Cynk, w ilościach od 1 do 8%, jest głównym pierwiastkiem stopowym w serii 7xxx (7075, 7050, 7049 oraz gatunki odlewnicze, takie jak 710.0 i 711.0). W połączeniu z niewielką zawartością magnezu powstaje stop poddawany obróbce cieplnej, charakteryzujący się wytrzymałością od umiarkowanej do bardzo wysokiej. Zazwyczaj dodaje się również niewielkie ilości innych pierwiastków, takich jak miedź i chrom. Seria 7xxx znajduje zastosowanie w konstrukcjach płatowców, sprzęcie mobilnym oraz innych elementach poddawanych dużym obciążeniom. Stopy serii 7xxx o wyższej wytrzymałości charakteryzują się zmniejszoną odpornością na pękanie korozyjne pod naprężeniem i dlatego często stosuje się je w stanie lekko nadmiernie starzonym, aby uzyskać lepszą równowagę między wytrzymałością, odpornością na korozję i odpornością na pękanie.
Seria 8xxx (8006, 8111, 8079 oraz gatunki odlewnicze, takie jak 850.0, 851.0 i 852.0) jest zarezerwowana dla pierwiastków stopowych innych niż te stosowane w seriach od 2xxx do 7xxx. Żelazo i nikiel zwiększają wytrzymałość bez znaczącej utraty przewodności elektrycznej, co sprawia, że są one przydatne w stopach przewodzących, takich jak 8017. Stop aluminium i litu 8090, wyróżniający się wyjątkowo wysoką wytrzymałością i sztywnością, został opracowany do zastosowań w przemyśle lotniczym i kosmicznym. Stopy z serii 8000 odpowiadają oznaczeniom z Ujednoliconego Systemu Numeracji, takim jak A98XXX.
Seria 9xxx nie jest obecnie w użyciu.
W niniejszym artykule przedstawiono klasyfikację aluminium według serii stopów. Powiązane przewodniki z serii „Aluminium” obejmują tematy, które mogą okazać się przydatne w połączeniu z niniejszym artykułem. W sekcji „Właściwości aluminium” szczegółowo opisano właściwości mechaniczne, fizyczne i użytkowe, które odróżniają poszczególne serie od siebie. Artykuł „Specyfikacje aluminium” wyjaśnia system czterocyfrowych oznaczeń i stopni utwardzenia stosowany do precyzyjnego definiowania poszczególnych gatunków, a artykuł „Normy dotyczące aluminium” określa ramy regulujące te oznaczenia w różnych regionach.
Gatunki aluminium dzieli się na serie od 1xxx do 9xxx w zależności od głównego pierwiastka stopowego. Każda seria charakteryzuje się specyficznym połączeniem wytrzymałości, odporności na korozję, obrabialności i podatności na obróbkę cieplną.
Seria 2xxx, 6xxx i 7xxx nadaje się do obróbki cieplnej, a jej wytrzymałość zwiększa się poprzez obróbkę cieplną rozpuszczającą i precypitacyjną. Seria 1xxx, 3xxx, 4xxx i 5xxx zasadniczo nie nadaje się do obróbki cieplnej, a jej wytrzymałość zwiększa się głównie poprzez utwardzanie przez odkształcenie.
Seria 7xxx, stopów zawierających głównie cynk, obejmuje niektóre z najwytrzymalszych stopów aluminium, takie jak 7075. Są one szeroko stosowane w przemyśle lotniczym i kosmicznym oraz w innych zastosowaniach wymagających dużej wytrzymałości.
Seria 5xxx, zawierająca magnez, charakteryzuje się stosunkowo dobrą odpornością na korozję w środowisku morskim, dzięki czemu gatunki takie jak 5083 i 5086 są popularnym wyborem w zastosowaniach morskich.
Krzem obniża zakres temperatur topnienia aluminium, dlatego stopy z serii 4xxx są stosowane w drutach spawalniczych i stopach do lutowania twardego, gdzie wymagana jest temperatura topnienia niższa od temperatury topnienia metalu podstawowego.