Aluminium jest najpowszechniej występującym pierwiastkiem metalicznym w skorupie ziemskiej. Jest to metal nieżelazny, którego wydobycie i wykorzystanie na świecie zajmuje drugie miejsce po stali. Ma niską gęstość, stanowiącą około 1/3 gęstości stali. Ponieważ czyste aluminium jest miękkie i ma niską wytrzymałość, dodanie do niego niewielkiej ilości pierwiastków, takich jak magnez, miedź, cynk, krzem i lit, poprawia parametry stopu aluminium. Stopy aluminium są najszerzej stosowanymi materiałami konstrukcyjnymi z metali nieżelaznych w przemyśle ze względu na ich doskonałe właściwości mechaniczne i odporność na korozję. Znajdują szerokie zastosowanie w budownictwie, przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, maszynowym, stoczniowym i chemicznym.
Stopy aluminium mają doskonałe właściwości w mechanice i chemii:
① Aspekty mechaniczne, głównie odzwierciedlające się w niskiej gęstości, wysokiej wytrzymałości, wysokim module itp. Aluminium ma niską gęstość i jest lżejsze od innych metali, zaledwie 1/4 gęstości stali, dlatego nadaje się do stosowania w dziedzinach o wysokich wymaganiach dotyczących lekkości;
② Pod względem właściwości chemicznych, stop aluminium może tworzyć na powierzchni gęstą warstwę tlenku w powietrzu, co chroni go przed głębokim utlenianiem. Dzięki temu charakteryzuje się doskonałą odpornością na korozję i bardzo stabilnym składem chemicznym.
③Stop aluminium charakteryzuje się dobrą plastycznością i może być przetwarzany w różne profile. Posiada doskonałą przewodność elektryczną i cieplną. Dlatego jest szeroko stosowany w przemyśle, ustępując jedynie stali.
Obecnie w przemyśle istnieje ponad 250 stopów aluminium o różnym składzie. Aby ułatwić ich rozróżnienie, Chiny stosują uznaną na całym świecie czterocyfrową klasyfikację, która ułatwia oznaczanie miejsc produkcji, zapamiętywanie i zarządzanie obliczeniami. Stopy aluminium wykorzystywane w przemyśle zbrojeniowym obejmują głównie stopy aluminiowo-litowe, stopy aluminium serii 2XXX (A1-Cu-Mg) i stopy aluminium serii 7XXX.
Popyt rynkowy i tendencje rozwojowe różnych stopów aluminium
Stop aluminium serii 2XXX
Stopy aluminium serii 2XXX (A1-Cu-Mg) charakteryzują się wysoką wytrzymałością na rozciąganie, udarnością i wytrzymałością zmęczeniową, dobrą odpornością cieplną, właściwościami przetwórczymi i spawalniczymi, a także są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i zbrojeniowym. Główne gatunki to 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12 itd. Opracowano również szereg stopów o podwyższonej wytrzymałości, dopasowaniu udarności i odporności na uszkodzenia, takich jak stopy 2024, 2124, 2524, 2324 itd.
Chińskie modele sprzętu ewoluują w kierunku lekkości, długiej żywotności, wysokiej niezawodności i niskich kosztów, stawiając wysokie wymagania dotyczące odporności na pękanie, propagacji pęknięć i odporności na korozję materiału poszycia kadłuba. W oparciu o grubą blachę ze stopu aluminium 2024-T351, kraje zagraniczne opracowały stopy aluminium 2324, 2624 i inne stopy aluminium o wysokiej odporności na uszkodzenia, przeznaczone na dolną powierzchnię skrzydła, charakteryzujące się różną wytrzymałością, udarnością, zmęczeniem i odpornością na korozję, co pozwoliło na ich wdrożenie i zastosowanie. Chiny opracowują stopy aluminium serii 2XXX o wysokiej odporności na uszkodzenia. W przyszłości mikrostopowanie kompozytów będzie ważnym kierunkiem rozwoju wysokowytrzymałych stopów aluminium serii Al-Cu-Mg.
Stop aluminium serii 4XXX
Obecnie w Chinach do tłoków samochodowych stosuje się głównie eutektyczne i podeutektyczne stopy Al-Si. Jednak ze względu na ciągły wzrost wymagań dotyczących osiągów silników, trudno jest sprostać tym wymaganiom. Hipereutektyczny stop Al-Si charakteryzuje się niską gęstością, małym współczynnikiem rozszerzalności liniowej, wyższą odpornością na zużycie i stabilnością objętościową, co czyni go lepszym materiałem na tłoki w porównaniu z eutektycznymi stopami Al-Si. Tłoki hipereutektycznych stopów Al-Si są produkowane masowo za granicą i stosowane w samochodach ciężarowych i osobowych, na przykład stop A390 w Stanach Zjednoczonych, stopy AC9A i AC8A (ZL109) w Japonii oraz stop A390 w Australii. Jednak obecnie w Chinach niewielu producentów produkuje nadeutektyczne tłoki ze stopów Al-Si, a większość z nich opiera się na imporcie. Ponadto istnieje duża różnica między materiałami ze stopów aluminium do turbosprężarek samochodowych a materiałami z zagranicy. Wysokowydajne materiały ze stopów aluminium do turbosprężarek samochodowych pochodzą głównie z Japonii i innych krajów. Dlatego też niezwykle ważne jest opracowanie podstawowych stopów aluminium stosowanych w motoryzacji do tłoków o dużej wydajności oraz wirników turbosprężarek.
Stopy aluminium serii 5XXX
Stopy Al-Mg, a zwłaszcza stopy Al-Mg o wysokiej zawartości magnezu, charakteryzują się wysoką wytrzymałością właściwą, dobrą spawalnością i odpornością na korozję, dzięki czemu staną się wysoce konkurencyjnymi materiałami w przyszłości w przemyśle lotniczym, pociągach dużych prędkości, oceanach i innych dziedzinach. Obecnie blachy, profile i druty spawalnicze ze stopów Al-Mg do zastosowań w przemyśle lotniczym, pociągach, oceanach i innych dziedzinach są w dużej mierze importowane. Rynek wysokiej jakości drutów spawalniczych jest zasadniczo zmonopolizowany przez firmę ALCOA w Stanach Zjednoczonych. Stopy ER5183 i ER5356 są w dużej mierze importowane, a import stanowi około 70% ich sprzedaży. Stopy Al-Mg do statków są produkowane głównie w Rosji. Konwencjonalne wlewki stopów o wysokiej zawartości magnezu charakteryzują się dobrze rozwiniętymi dendrytami, silną segregacją faz eutektycznych i niską wydajnością formowania. Obecne metody przetwarzania nadal wiążą się z wieloma problemami, takimi jak niska wydajność, niska jakość pozorna, długi proces, niestabilna jakość i niska wydajność. Podszybkie krzepnięcie i formowanie może hamować wytrącanie Mg, a jednocześnie można je regulować w celu uzyskania drobnych kryształów równoosiowych i faz nano-wydzielanych, co znacznie poprawia parametry i jednorodność materiału. Dlatego oczekuje się, że rozwój technologii ciągłego wytłaczania i walcowania reologicznego z podszybkim krzepnięciem dla wysokowydajnych stopów Al-Mg zaspokoi popyt na wysokiej jakości stopy Al-Mg.
Stopy aluminium serii 6XXX
Materiały ze stopów aluminium serii 6XXX są kluczowymi materiałami w dziedzinie transportu kolejowego, motoryzacji, elektroniki itp. Od lat 80. XX wieku rozwinięte kraje i regiony, takie jak Europa, Stany Zjednoczone i Japonia, opracowują stopy aluminium dla samochodów, zarejestrowane gatunki, takie jak 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 i 6082, i tworzą stosunkowo kompletny system produkcji i zastosowania dla paneli nadwozia samochodowego, wytłaczania, odkuwek itp. Badania przemysłowe i rozwój paneli nadwozia i odkuwek ze stopów aluminium serii 6XXX w Chinach dopiero się rozpoczęły i istnieje wyraźna luka. Ministerstwo Przemysłu i Technologii Informacyjnych Chin zaproponowało opracowanie następujących blach aluminiowych do zastosowań w motoryzacji: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022 itd. Typowa blacha ze stopu aluminium serii 6XXX charakteryzuje się wydłużeniem A50 nie mniejszym niż 25%, wartością r nie mniejszą niż 0,60, granicą plastyczności parkingu Rp0,2 po 60 dniach nie mniejszą niż 140 N/mm2 oraz przyrostem granicy plastyczności po utwardzeniu farby nie mniejszym niż 80 N/mm2. W odpowiedzi na zróżnicowane potrzeby, rozwój technologii projektowania, przygotowania i przetwarzania stopów aluminium serii 6XXX stał się nieuniknionym trendem rozwojowym.
Stopy aluminium serii 7XXX
Stopy aluminium serii 7XXX charakteryzują się dobrą odpornością na korozję naprężeniową i są najmocniejszymi stopami aluminium. Są uznawane na całym świecie za materiały bazowe dla lotnictwa. Niedawno za granicą opracowano stop 7055 (Al8Zn-2,05Mg-2,3Cu-0,16Zr), którego granica plastyczności przekracza 620 MPa w stanie T77511. Jest on stosowany w samolotach Boeing 777 i pozwala na redukcję masy o 635 kg. Obecnie w Chinach brakuje systematycznych technologii projektowania, przygotowania i przetwarzania stopów aluminium serii 7XXX dla lotnictwa, a niektóre produkty są całkowicie uzależnione od importu. Ze względu na produkcję dużych wlewków stopów aluminium serii 7XXX z wieloma pierwiastkami stopowymi, szerokim zakresem krzepnięcia, dużymi naprężeniami odlewniczymi oraz łatwym utlenianiem/segregacją pierwiastków stopowych, jakość metalurgiczna wlewków jest niska, a parametry formowania w temperaturze pokojowej są niskie, niezwykle istotne jest opracowanie nowych stopów aluminium serii 7XXX.
Stop aluminium i litu (Al-Li)
Stop aluminiowo-litowy to najszybciej rozwijający się lekki materiał w lotnictwie w ostatnich latach. Charakteryzuje się niską gęstością, wysokim modułem sprężystości, wysoką sztywnością właściwą, dobrą wytrzymałością zmęczeniową i odpornością na korozję. Po zastąpieniu konwencjonalnych stopów aluminium, masa może zostać zmniejszona o 10%-20%, a sztywność zwiększona o 15%-20%. Na początku XXI wieku amerykańska firma ALCOA wprowadziła program „ALCOA Aviation 20/20 Plan”, którego celem jest redukcja kosztów i masy lotniczych stopów aluminium o 20% w ciągu 20 lat. Firma Constellium opracowała stopy aluminiowo-litowe 2050 i 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) o niskiej gęstości, wysokiej wytrzymałości i wysokiej odporności na uszkodzenia. W Chinach opracowano niewiele niezależnych gatunków stopów Al-Li, a wykorzystano jedynie stop 1420. Stop aluminiowo-litowy stosowany w samolocie pasażerskim C919 jest dostarczany przez firmę Alcoa. W kraju produkowane są tylko ograniczone gatunki stopów, takie jak 1420, 2195, 2197 i 2A97, a wlewki to wyłącznie płaskie wlewki o wymiarach poniżej ((310~400)×1280×4000) mm oraz okrągłe wlewki o średnicy poniżej φ650 mm. Płaskie wlewki (2B16) o grubości powyżej 60 mm i szerokości powyżej 1500 mm oraz wlewki (2B16) o średnicy powyżej 1500 mm, przeznaczone do zaawansowanych zastosowań lotniczych, nie były jeszcze produkowane przemysłowo. Dlatego niezwykle istotne jest opracowanie nowych konstrukcji stopów aluminiowo-litowych, technologii przygotowania wlewków o bardzo dużych rozmiarach oraz głębokiego przetwarzania.
Stop aluminium odporny na ciepło
Żaroodporne stopy aluminium są kluczowymi materiałami bazowymi w dziedzinie lotnictwa, motoryzacji, transportu kolejowego itp., ponieważ regulują pierwiastki takie jak Si, Fe, Ni, Ag i pierwiastki ziem rzadkich, aby uczynić stopy aluminium odpornymi na utlenianie i pełzanie w wysokich temperaturach. Tradycyjne żaroodporne stopy aluminium obejmują: 2519, 2618, 2219, 2D70 itp. Wraz z szybkim rozwojem przemysłu lotniczego i motoryzacyjnego, rosną wymagania dotyczące żaroodpornych stopów aluminium. Nowa generacja myśliwców charakteryzuje się dużą prędkością przelotową, a temperatura robocza poszycia kadłuba przekracza 150°C. Obecnie długoterminowa temperatura użytkowania żaroodpornych stopów aluminium, takich jak 2618 i 2D70, jest niższa niż 150°C. Konieczne jest opracowanie nowych żaroodpornych stopów aluminium.
Stop Al-Sc o bardzo niskiej zawartości skandu (Sc)
Stop Al-Sc charakteryzuje się doskonałymi właściwościami, takimi jak wysoka wytrzymałość, dobra plastyczność i odporność na korozję, i stał się nową generacją lekkich materiałów dla przemysłu lotniczego, okrętowego itp. po stopie Al-Li. Wytrzymałość na rozciąganie stopu Al-Mg zawierającego śladowe ilości skandu jest o 30% wyższa niż stopu 5083, a granica plastyczności jest ponad dwukrotnie większa. Jego spawalność jest porównywalna ze spawalnością konwencjonalnych stopów serii 5XXX, właściwości mechaniczne strefy wpływu ciepła i spoiny są w przybliżeniu równe właściwościom osnowy, a odporność na korozję jest porównywalna ze stopem 5083. Zastąpienie stopów serii 5XXX lub 6XXX w produkcji komponentów lotniczych może przynieść znaczną redukcję masy, a sam stop jest również doskonałym materiałem do samochodów i pojazdów szynowych. Rosja jest światowym liderem w rozwoju stopów aluminium zawierających skand i stworzyła stopy Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc i Al-Cu-Mg-Sc o zawartości skandu 0,18%–0,5%. Aby promować zastosowanie stopów aluminium i skandu w przemyśle lotniczym i samochodowym, chińskie Ministerstwo Przemysłu i Technologii Informacyjnych umieściło stopy aluminium zawierające skand na liście nowych materiałów priorytetowo rozwijanych. Chiny posiadają bogate zasoby skandu i zbudowały linię produkcyjną do ekstrakcji tlenku skandu o wysokiej czystości, kładąc podwaliny pod rozwój stopów aluminium i skandu.
Stop aluminium tłoczony na gorąco o wytrzymałości 500 MPa do samochodów
W Chinach wciąż brakuje miejsca na tłoczenie na gorąco wysokowytrzymałych stopów aluminium. Połączenie nowych materiałów i rozwój nowych procesów formowania to skuteczny sposób na rozwiązanie problemu formowania części samochodowych ze stopów aluminium o wysokiej wytrzymałości. Skupienie się na stopach serii 7XXX, aktywne badanie stopów 2XXX oraz rozwój stopów aluminium o wytrzymałości 500 MPa do tłoczenia na gorąco stwarzają ważne perspektywy dla produkcji części samochodowych o złożonych kształtach.
Materiały kompozytowe na bazie aluminium
Wielowarstwowa płyta kompozytowa aluminiowo-stalowa: Skuteczne połączenie pokładów aluminiowych i stalowych stało się jednym z czynników ograniczających masę nadbudówek dużych statków. Przejściowe złącze kompozytowe aluminiowo-stalowe, stosowane do spawania kadłubów aluminiowych i stalowych, stanowi rozwiązanie zastępujące tradycyjny proces nitowania. Honda opracowała technologię łączenia stali i aluminium, która będzie stosowana na całym świecie w ramach samochodów produkowanych masowo. Obecnie złącza kompozytowe aluminiowo-stalowe stosowane w Chinach są głównie importowane z zagranicy, a ich cena sięga nawet 4×10 5 CNY/t. W związku z rozwojem dużych statków przyszłości, wymagane są wyższe temperatury spawania, większe naprężenia łożysk i mocniejsze połączenia między elementami łączącymi, a zatem pilnie potrzebne są wysokowydajne złącza aluminiowo-stalowe.
Czas publikacji: 08-03-2025
