Aluminij je najzastupljeniji metalni element u Zemljinoj kori. To je obojeni metal s drugom najvećom proizvodnjom i upotrebom u svijetu nakon čelika. Ima nisku gustoću, oko 1/3 čelika. Budući da je čisti aluminij mekan i ima nisku čvrstoću, dodavanjem male količine elemenata poput magnezija, bakra, cinka, silicija i litija aluminiju, performanse aluminijske legure su bolje. Aluminijske legure su najčešće korišteni konstrukcijski materijali od obojenih metala u industriji zbog svojih izvrsnih mehaničkih svojstava i otpornosti na koroziju. Široko se koriste u građevinarstvu, zrakoplovstvu, automobilskoj industriji, proizvodnji strojeva, brodogradnji i kemijskoj industriji.
Aluminijske legure imaju izvrsna svojstva u mehanici i kemiji:
① Mehanički aspekti, uglavnom se ogledaju u niskoj gustoći, visokoj čvrstoći, visokom modulu itd. Aluminij ima nisku gustoću i lakši je od ostalih metala, samo 1/4 čelika, pa je prikladan za upotrebu u područjima s visokim zahtjevima za lakom težinom;
② Što se tiče kemijskih svojstava, budući da aluminijska legura na zraku može formirati gusti oksidni film na svojoj površini, može se zaštititi od duboke oksidacije. Stoga ima izvrsnu otpornost na koroziju i vrlo stabilan kemijski sastav.
③Aluminijska legura ima dobru plastičnost i može se obrađivati u različite profile. Ima izvrsnu električnu i toplinsku vodljivost. Stoga se široko koristi u industriji, a po upotrebi je druga po važnosti, odmah iza čelika.
Trenutno u industriji postoji više od 250 aluminijskih legura različitih sastava. Kako bi se olakšalo razlikovanje, Kina je usvojila međunarodno prihvaćenu metodu klasifikacije s četiri znamenke kako bi se olakšalo označavanje proizvodnog mjesta, upravljanje pamćenjem i izračunima. Aluminijske legure koje se koriste u vojnoj industriji uglavnom uključuju aluminijsko-litijeve legure, aluminijske legure serije 2XXX (A1-Cu-Mg) i 7XXX.
Tržišna potražnja i trend razvoja različitih materijala od aluminijskih legura
Aluminijska legura serije 2XXX
Aluminijske legure serije 2XXX (A1-Cu-Mg) imaju visoku vlačnu čvrstoću, žilavost i čvrstoću na zamor, dobru otpornost na toplinu, svojstva obrade i zavarivanja te se široko koriste u zrakoplovnoj, automobilskoj i industriji oružja. Glavne vrste su 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12 itd. Razvijen je niz legura za poboljšanje čvrstoće, usklađivanja žilavosti i tolerancije oštećenja, kao što su legure 2024, 2124, 2524, 2324 itd.
Kineski modeli opreme razvijaju se u smjeru male težine, dugog vijeka trajanja, visoke pouzdanosti i niske cijene, te imaju visoke zahtjeve za žilavost na lom, otpornost na širenje pukotina i otpornost na koroziju materijala obloge trupa. Na temelju debele ploče od aluminijske legure 2024-T351, strane zemlje razvile su 2324, 2624 i druge aluminijske legure visoke tolerancije na oštećenja za donju površinu krila s različitom čvrstoćom, žilavošću, otpornošću na umor i koroziju, te su postigle ugradnju i primjenu. Kina razvija aluminijske legure visoke tolerancije na oštećenja serije 2XXX. U budućnosti će kompozitno mikrolegiranje biti važan smjer razvoja aluminijskih legura visoke čvrstoće serije Al-Cu-Mg.
Aluminijska legura serije 4XXX
Trenutno se eutektičke i hipoeutektičke Al-Si legure uglavnom koriste za klipove automobila u Kini. Međutim, s kontinuiranim poboljšanjem zahtjeva za performansama motora, teško je zadovoljiti zahtjeve za performansama. Hipereutektička Al-Si legura ima nisku gustoću, mali koeficijent linearnog širenja, veću otpornost na habanje i stabilnost volumena te je idealniji materijal za klipove u usporedbi s eutektičkim Al-Si legurama. Klipovi od hipereutektičke Al-Si legure masovno se proizvode u inozemstvu i primjenjuju se na kamione i automobile, kao što su legura A390 u Sjedinjenim Državama, legure AC9A i AC8A (ZL109) u Japanu i legura A390 u Australiji. Međutim, trenutno u Kini postoji malo proizvođača koji proizvode hipereutektičke klipove od Al-Si legure, a većina ih se oslanja na uvoz. Osim toga, postoji velika razlika između materijala od aluminijskih legura za automobilske turbopunjače i inozemstva. Visokoučinkoviti materijali od aluminijskih legura za automobilske turbopunjače uglavnom se oslanjaju na Japan i druge zemlje. Stoga je nužno razviti ključne materijale od aluminijskih legura za automobilske klipove i impelere turbopunjača.
Aluminijske legure serije 5XXX
Al-Mg legure, posebno Al-Mg legure s visokim udjelom Mg, imaju visoku specifičnu čvrstoću, dobru zavarljivost i otpornost na koroziju te će postati vrlo konkurentni materijali u budućnosti, zrakoplovstvu, brzim vlakovima, oceanima i drugim područjima. Trenutno se ploče, profili i žice za zavarivanje od Al-Mg legura za zrakoplovstvo, vlakove, oceane i druge primjene uglavnom oslanjaju na uvoz. Tržište vrhunskih žica za zavarivanje u Sjedinjenim Državama u osnovi monopolizira ALCOA. Legure ER5183 i ER5356 uglavnom se oslanjaju na uvoz, a obujam uvoza čini oko 70% njihove prodaje. Al-Mg legure za brodove uglavnom se oslanjaju na Rusiju. Konvencionalni ingoti legura s visokim udjelom Mg imaju dobro razvijene dendrite, ozbiljnu segregaciju eutektičke faze i loše performanse oblikovanja. Trenutne metode obrade još uvijek imaju mnogo problema, kao što su niske performanse, loša prividna kvaliteta, dug proces, nestabilna kvaliteta i nizak prinos. Subbrzo skrućivanje i oblikovanje mogu spriječiti taloženje Mg, a istovremeno se mogu regulirati kako bi se dobili fini kristali s jednakom osi i nanoprecipitirane faze, što uvelike poboljšava performanse i ujednačenost materijala. Stoga se očekuje da će razvoj tehnologije subbrzog skrućivanja kontinuiranog reološkog ekstrudiranja i valjanja za visokoučinkovite Al-Mg legure zadovoljiti potražnju za visokokvalitetnim Al-Mg legurama.
Aluminijske legure serije 6XXX
Aluminijske legure serije 6XXX ključni su materijali u područjima željezničkog prometa, automobila, elektronike itd. Od 1980-ih, razvijene zemlje i regije poput Europe, Sjedinjenih Država i Japana razvile su aluminijske legure za automobile, registrirale klase kao što su 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 i 6082, te formirale relativno cjelovit sustav proizvodnje i primjene za karoserijske ploče automobila, ekstruzije, otkovke itd. Istraživanje i razvoj industrije karoserijskih ploča i otkovaka od aluminijskih legura serije 6XXX u Kini tek su započeli i postoji jasan jaz. Kinesko Ministarstvo industrije i informacijske tehnologije predložilo je razvoj sljedećih aluminijskih limova za automobilsku industriju: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022 itd. Tipični lim od aluminijske legure serije 6XXX ima izduženje A50 najmanje 25%, r-vrijednost najmanje 0,60, granicu razvlačenja pri parkiranju od 60 d Rp0,2 najmanje 140 N/mm2 i prirast granice razvlačenja pri očvršćivanju boje najmanje 80 N/mm2. Kao odgovor na različite potrebe, razvoj tehnologije dizajna, pripreme i obrade aluminijskih legura serije 6XXX postao je neizbježan trend razvoja.
Aluminijske legure serije 7XXX
Aluminijske legure serije 7XXX imaju dobru otpornost na koroziju pod naponom i najjača su serija među aluminijskim legurama. Međunarodno su priznate kao osnovni materijali za zrakoplovstvo. Nedavno su strane zemlje razvile leguru 7055 (Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr), čija granica razvlačenja prelazi 620 MPa u stanju T77511. Koristi se u zrakoplovima Boeing 777 i smanjuje težinu za 635 kg. Trenutno Kini nedostaje sustavni dizajn legura te tehnologija pripreme i obrade za aluminijske legure serije 7XXX za zrakoplovstvo, a neki proizvodi u potpunosti ovise o uvozu. Zbog velikih ingota aluminijskih legura serije 7XXX s mnogim legirajućim elementima, širokog raspona skrućivanja, velikog napona lijevanja i lake oksidacije/segregacije legirajućih elemenata, metalurška kvaliteta ingota je loša, a performanse oblikovanja na sobnoj temperaturi niske, te je od velikog značaja razviti nove aluminijske legure serije 7XXX.
Aluminijsko-litijeva (Al-Li) legura
Aluminijsko-litijeva legura je najbrže rastući lagani materijal u zrakoplovnim materijalima posljednjih godina. Ima karakteristike niske gustoće, visokog modula elastičnosti, visoke specifične krutosti, dobrih svojstava na zamor i otpornosti na koroziju. Nakon zamjene konvencionalnih aluminijskih legura, masa se može smanjiti za 10%~20%, a krutost se može povećati za 15%~20%. Početkom 21. stoljeća, američka tvrtka ALCOA pokrenula je „ALCOA Aviation 20/20 Plan“ s ciljem smanjenja troškova i težine zrakoplovnih aluminijskih legura za 20% unutar 20 godina. Constellium je razvio aluminijsko-litijeve legure 2050 i 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) s niskom gustoćom, visokom žilavošću i visokom tolerancijom na oštećenja. U Kini je neovisno razvijeno vrlo malo vrsta Al-Li legura, a koristi se samo legura 1420. Aluminijsko-litijevu leguru koja se koristi u putničkom zrakoplovu C919 isporučuje Alcoa. Na domaćem tržištu mogu se proizvoditi samo ograničene vrste legura poput 1420, 2195, 2197 i 2A97, a ingoti su samo ravni ingoti ispod ((310~400)×1280×4000) mm i okrugli ingoti ispod φ650 mm. Ravni ingoti (2B16) debljine veće od 60 mm i širine veće od 1500 mm, te ingoti (2B16) promjera većeg od 1500 mm u području vrhunskih zrakoplovnih primjena još nisu industrijski proizvedeni. Stoga je od velike važnosti razvoj novog dizajna aluminijsko-litijeve legure, pripreme ultra velikih ingota i tehnologije duboke obrade.
Aluminijska legura otporna na toplinu
Aluminijske legure otporne na toplinu ključni su osnovni materijali u područjima zrakoplovstva, automobila, željezničkog prometa itd. reguliranjem elemenata poput Si, Fe, Ni, Ag i rijetkih zemalja kako bi se aluminijske legure učinile otpornima na oksidaciju i puzanje na visokim temperaturama. Tradicionalne aluminijske legure otporne na toplinu uključuju: 2519, 2618, 2219, 2D70 itd. S brzim razvojem zrakoplovne i automobilske industrije, postavljaju se veći zahtjevi za aluminijske legure otporne na toplinu. Nova generacija borbenih zrakoplova ima veliku brzinu krstarenja, a radna temperatura obloge trupa je iznad 150°C. Trenutno je dugotrajna temperatura upotrebe aluminijskih legura otpornih na toplinu poput 2618 i 2D70 ispod 150°C. Nužno je razviti nove aluminijske legure otporne na toplinu.
Al-Sc legura s ultra niskim udjelom skandija (Sc)
Al-Sc legura ima izvrsna svojstva poput visoke čvrstoće, dobre plastičnosti i otpornosti na koroziju te je postala nova generacija laganih materijala za zrakoplovstvo, brodove itd. nakon Al-Li legure. Vlačna čvrstoća Al-Mg legure koja sadrži tragove skandija je 30% veća od one legure 5083, a granica razvlačenja je više nego udvostručena. Njena zavarljivost je usporediva s onom konvencionalnih legura serije 5XXX, mehanička svojstva zone utjecaja topline i zavara su približno jednaka svojstvima matrice, a njena otpornost na koroziju je usporediva s onom legure 5083. Zamjenom legura serije 5XXX ili 6XXX u proizvodnji zrakoplovnih komponenti mogu se postići značajni učinci smanjenja težine, a također je vrhunski materijal za automobile i željeznička vozila. Rusija je predvodnik svijeta u razvoju aluminijskih legura koje sadrže skandij te je formirala legure Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc i Al-Cu-Mg-Sc s udjelom skandija od 0,18% do 0,5%. Kako bi se potaknula primjena aluminijsko-skandijskih legura u zrakoplovstvu i automobilskoj industriji, kinesko Ministarstvo industrije i informacijske tehnologije uvrstilo je aluminijske legure koje sadrže skandij na popis novih materijala za prioritetni razvoj. Kina je bogata resursima skandija i izgradila je proizvodnu liniju za ekstrakciju visokočistog skandij oksida, postavljajući temelje za razvoj aluminijsko-skandijskih legura.
Aluminijska legura za vruće utiskivanje čvrstoće 500 MPa za automobile
U Kini još uvijek postoji praznina u području vrućeg štancanja visokočvrstih aluminijskih legura. Kombinacija novih materijala i razvoja novih procesa oblikovanja učinkovito je sredstvo za rješavanje problema oblikovanja automobilskih dijelova od visokočvrstih aluminijskih legura. Fokusiranje na legure serije 7XXX, aktivno istraživanje legura 2XXX i razvoj aluminijskih legura razreda 500 MPa za vruće štancanje imaju važne izglede za proizvodnju automobilskih dijelova složenih oblika.
Kompozitni materijali na bazi aluminija
Višeslojna kompozitna ploča od aluminija i čelika: Učinkovita veza između aluminijskih i čeličnih paluba postala je jedno od ograničenja za olakšavanje težine nadgradnji velikih brodova. Prijelazni spoj od aluminija i čelika koji se koristi za zavarivanje između aluminijskih i čeličnih trupova pruža rješenje koje zamjenjuje tradicionalni postupak zakovicanja. Honda je razvila tehnologiju spajanja čelika i aluminija koja će se globalno koristiti u masovno proizvedenim okvirima automobila. Trenutno se kompozitni spojevi od aluminija i čelika koji se koriste u Kini uglavnom uvoze iz inozemstva, s cijenom i do 4×10⁶ CNY/t. S budućim velikim brodovima, za prijelazne spojeve potrebne su više temperature zavarivanja, veće naprezanje ležaja i jača spojna mjesta, a hitno su potrebni visokoučinkoviti spojevi od aluminija i čelika.
Vrijeme objave: 08.03.2025.
