В зависимости от легирующих элементов и термической обработки марки алюминия могут обладать самым разнообразным набором свойств. К ним относятся привлекательный внешний вид, простота обработки, хорошая коррозионная стойкость, а также высокое соотношение прочности к весу, хорошая свариваемость и высокая вязкость разрушения. В конечном счете выбор подходящей марки алюминия зависит от предполагаемого применения и условий эксплуатации, которым он должен выдерживать.
В приведенных ниже разделах поочередно описываются отдельные серии алюминиевых сплавов с кратким изложением их определяющих характеристик, типичных марок и основных областей применения, которые служат ориентиром при выборе материала.
В зависимости от легирующих элементов и термической обработки марки алюминия могут обладать самым разным набором свойств. Эти свойства варьируются от привлекательного внешнего вида, простоты обработки и хорошей коррозионной стойкости до высокого соотношения прочности к весу, хорошей свариваемости и высокой вязкости разрушения. В конечном счете, выбор подходящей марки алюминия зависит от предполагаемого применения и условий эксплуатации, которым он должен соответствовать.
Таблица 1. Сравнение различных серий алюминиевых сплавов
Серия
Основной легирующий элемент
Типичные марки
Поддающиеся термообработке
Типичные характеристики
Области применения
1xxx
Чистый алюминий (≥99%)
1050, 1060, 1100, 1350
Нет
Превосходная коррозионная стойкость, превосходная электро- и теплопроводность, низкая прочность, отличная формуемость
Электропровода, оборудование для химической переработки, отражатели, пищевая и химическая промышленность
2xxx
Медь (Cu)
2014, 2024, 2219
Да
Высокая прочность, хорошая обрабатываемость, пониженная коррозионная стойкость, ограниченная свариваемость
Конструкции для аэрокосмической отрасли, авиационные фитинги, высокопрочные конструктивные элементы
3xxx
Марганец (Mn)
3003, 3004, 3105
Умеренная прочность, превосходная формуемость, хорошая коррозионная стойкость
Кровельные материалы и сайдинг, кухонная посуда, теплообменники, резервуары для хранения
4xxx
Кремний (Si)
4032, 4043, 4643
Как правило, нет*
Более низкая температура плавления, хорошая износостойкость, подходит для сварки и пайки
Присадочная проволока для сварки, материалы для пайки, автомобильные детали
5xxx
Магний (Mg)
5005, 5052, 5083, 5086
От средней до высокой прочности, превосходная коррозионная стойкость (особенно в морской среде), отличная свариваемость
Морские сооружения, сосуды под давлением, транспортное оборудование, судостроение
6xxx
Магний + кремний (Mg₂Si)
6061, 6063
Средняя прочность, хорошая коррозионная стойкость, превосходная экструдируемость, хорошая свариваемость
Конструкционные профили, архитектурные элементы, автомобильные рамы, машиностроение
7xxx
Цинк (Zn)
7050, 7075
Очень высокая прочность, хорошая усталостная прочность, более низкая коррозионная стойкость по сравнению с большинством других серий
Конструкции самолетов, компоненты для аэрокосмической отрасли, оборонное оборудование, спортивные товары
8xxx
Другие элементы (Fe, Ni, Li и др.)
8006, 8011, 8079, 8090
Варируется
Свойства зависят от состава сплава и предполагаемого применения
Фольга и упаковка, электрические проводники, специальные сплавы для аэрокосмической отрасли
9xxx
Не присвоен
—
Серия в настоящее время не используется
Алюминиевые марки серии 1xxx (1050, 1060, 1100, 1145, 1200, 1230, 1350 и др.) отличаются превосходной коррозионной стойкостью, высокой тепло- и электропроводностью, низкими механическими характеристиками и отличной обрабатываемостью. Умеренное повышение прочности можно достичь путем деформационного упрочнения. Основными примесями в этой серии являются железо и кремний.
Алюминиевые сплавы серии 2xxx (2011, 2014, 2017, 2018, 2124, 2219, 2319, а также литейные марки, такие как 201.0, 203.0, 206.0, 224.0 и 242.0) требуют термообработки в растворе для достижения оптимальных свойств. В состоянии, полученном после термообработки в растворе, их механические свойства аналогичны — а иногда и превосходят — свойства низкоуглеродистой стали. В некоторых случаях для дальнейшего повышения механических свойств применяется термообработка с выделением осадков (старение). Эта обработка увеличивает предел текучести, хотя и за счет некоторого снижения отрезки растяжения, в то время как её влияние на предел прочности при растяжении сравнительно меньше.
Серия 2xxx не обладает такой же высокой коррозионной стойкостью, как большинство других алюминиевых сплавов, и при определенных условиях эти сплавы могут подвергаться межкристаллитной коррозии. Тем не менее, они хорошо подходят для изготовления деталей, требующих высокой прочности при температурах до 150 °C (300 °F). За исключением марки 2219, эти сплавы обладают ограниченной свариваемостью, хотя некоторые из них отличаются превосходной обрабатываемостью. Алюминий марки 2024 является самым популярным сплавом в этой серии и широко используется в авиастроении.
Алюминиевые сплавы серии 3xxx (3003, 3004, 3105, а также литейные марки, такие как 383.0, 385.0, A360 и 390.0) как правило, не поддаются термообработке, но обладают прочностью примерно на 20 % выше, чем сплавы серии 1xxx. Поскольку в алюминий можно эффективно добавлять лишь ограниченное количество марганца (до примерно 1,5 %), марганец является основным элементом лишь в нескольких сплавах.
Кремний является основным легирующим элементом в сплавах серии 4xxx (4032, 4043, 4145, 4643 и др.) и может добавляться в количестве до 12 %, что существенно сужает диапазон температур плавления. По этой причине алюминиево-кремниевые сплавы используются в качестве сварочной проволоки и припоев для соединения алюминия в тех случаях, когда требуется диапазон плавления, более узкий, чем у основного металла. Сплавы, содержащие значительное количество кремния, при нанесении анодного оксидного покрытия приобретают цвет от тёмно-серого до угольно-чёрного, что делает их популярными для применения в архитектуре.
Магний является основным легирующим элементом в серии 5xxx. При использовании отдельно или в сочетании с марганцем он позволяет получить сплав средней или высокой прочности, поддающийся деформационному упрочнению. Магний значительно эффективнее марганца в качестве упрочняющего элемента — примерно 0,8 % Mg соответствует 1,25 % Mn — и его можно добавлять в значительно больших количествах. Алюминиевые сплавы этой серии (5005, 5052, 5083, 5086 и др.) обладают хорошими сварочными характеристиками и относительно хорошей коррозионной стойкостью в морской среде. Однако для сплавов с более высоким содержанием магния следует ограничивать объем холодной деформации и рабочую температуру (около 150 °F), чтобы избежать подверженности коррозионному растрескиванию под напряжением.
Алюминиевые сплавы серии 6xxx (6061, 6063) содержат кремний и магний примерно в тех пропорциях, которые необходимы для образования силицида магния (Mg₂Si), что делает их поддающимися термической обработке. Хотя сплавы серии 6xxx и не обладают такой прочностью, как большинство сплавов серий 2xxx и 7xxx, они отличаются хорошей формуемостью, свариваемостью, обрабатываемостью и относительно хорошей коррозионной стойкостью, а также средней прочностью. Марки этой группы, поддающиеся термообработке, могут подвергаться формовке в состоянии T4 (прошедшие термообработку в раствор, но не термообработку с выделением), а затем упрочняться после формовки до полных свойств состояния T6 посредством термообработки с выделением.
Цинк, содержание которого составляет от 1 до 8 %, является основным легирующим элементом в серии 7xxx (7075, 7050, 7049, а также литейные марки, такие как 710.0 и 711.0). В сочетании с небольшим содержанием магния получается термообрабатываемый сплав от средней до очень высокой прочности. Другие элементы, такие как медь и хром, обычно также добавляются в небольших количествах. Серия 7xxx используется в конструкциях планера, мобильном оборудовании и других деталях, подвергающихся высоким нагрузкам. Более высокопрочные сплавы серии 7xxx демонстрируют пониженную стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением и поэтому часто применяются в состоянии с небольшим перестарением, чтобы достичь лучшего баланса прочности, коррозионной стойкости и вязкости разрушения.
Серия 8xxx (8006, 8111, 8079, а также литейные марки, такие как 850.0, 851.0 и 852.0) предназначена для легирующих элементов, отличных от тех, которые используются в сериях от 2xxx до 7xxx. Железо и никель повышают прочность без значительной потери электропроводности, что делает их полезными в сплавах для проводников, таких как 8017. Алюминиево-литиевый сплав 8090, отличающийся исключительно высокой прочностью и жесткостью, был разработан для применения в аэрокосмической отрасли. Сплавы серии 8000 соответствуют обозначениям Единой системы нумерации, таким как A98XXX.
Серия 9xxx в настоящее время не используется.
В данной статье алюминий классифицируется по сериям сплавов. Сопутствующие руководства из серии «Алюминий» освещают темы, которые вам понадобятся наряду с этой статьей. В разделе «Свойства алюминия» подробно описаны механические, физические и эксплуатационные характеристики, отличающие одну серию от другой. В разделе «Технические условия на алюминий» объясняется система четырёхзначных обозначений и обозначений состояния, используемая для точного определения каждой марки, а в разделе «Стандарты на алюминий» излагаются рамки, регулирующие эти обозначения в разных регионах.
Марки алюминия классифицируются по сериям от 1xxx до 9xxx в зависимости от основного легирующего элемента. Каждая серия отличается своим уникальным сочетанием прочности, коррозионной стойкости, технологичности и термообрабатываемости.
Серии 2xxx, 6xxx и 7xxx поддаются термической обработке, причём их прочность повышается за счёт растворной и преципитационной термической обработки. Серии 1xxx, 3xxx, 4xxx и 5xxx, как правило, не поддаются термической обработке, и их прочность повышается главным образом за счёт деформационного упрочнения.
Серия 7xxx, легированная преимущественно цинком, включает в себя одни из самых высокопрочных алюминиевых сплавов, таких как 7075. Они широко применяются в аэрокосмической отрасли и других областях, где требуется высокая прочность.
Сплавы серии 5xxx, легированные магнием, обладают относительно хорошей коррозионной стойкостью в морской среде, благодаря чему такие марки, как 5083 и 5086, широко используются в судостроении.
Кремний снижает диапазон плавления алюминия, поэтому сплавы серии 4xxx используются в сварочной проволоке и припоях, где требуется температура плавления ниже, чем у основного металла.