Aluminium er det mest forekommende metallelementet i jordskorpen. Det er det ikke-jernholdige metallet med nest største produksjon og bruk i verden etter stål. Det har en lav tetthet, omtrent 1/3 av stål. Siden rent aluminium er mykt og har lav styrke, kan man derfor forbedre ytelsen til aluminiumslegeringer ved å tilsette en liten mengde elementer som magnesium, kobber, sink, silisium og litium. Aluminiumslegeringer er de mest brukte ikke-jernholdige metallkonstruksjonsmaterialene i industrien på grunn av deres utmerkede mekaniske egenskaper og korrosjonsbestandighet. De har blitt mye brukt i bygg-, luftfarts-, bil-, maskinproduksjon, skipsbygging og kjemisk industri.
Aluminiumslegeringer har utmerkede egenskaper innen mekanikk og kjemi:
① Mekaniske aspekter gjenspeiles hovedsakelig i lav tetthet, høy styrke, høy modul, etc. Aluminium har lav tetthet og er lettere enn andre metaller, bare 1/4 av stål, så det er egnet for bruk i felt med høye krav til lettvekt;
② Når det gjelder kjemiske egenskaper, siden aluminiumslegering kan danne en tett oksidfilm på overflaten i luften, kan den beskytte seg mot dyp oksidasjon. Derfor har den utmerket korrosjonsbestandighet og en svært stabil kjemisk sammensetning.
③Aluminiumlegering har god plastisitet og kan bearbeides til forskjellige profiler. Den har utmerket elektrisk og termisk ledningsevne. Derfor er den mye brukt i industrien, og bruken er nest etter stål.
For tiden finnes det mer enn 250 aluminiumslegeringer med ulik sammensetning i bransjen. For å gjøre det lettere å skille mellom de ulike legeringssammensetningene, har Kina tatt i bruk den internasjonalt aksepterte firesifrede klassifiseringsmetoden for å forenkle merking, hukommelse og beregningshåndtering av produksjonssteder. Aluminiumslegeringene som brukes i militærindustrien inkluderer hovedsakelig aluminium-litiumlegeringer, 2XXX (A1-Cu-Mg)-serien og 7XXX-serien aluminiumslegeringer.
Markedsetterspørsel og utviklingstrend for ulike aluminiumslegeringsmaterialer
2XXX-serien aluminiumslegering
2XXX (A1-Cu-Mg)-serien av aluminiumslegeringer har høy strekkfasthet, seighet og utmattingsstyrke, god varmebestandighet, bearbeidings- og sveiseegenskaper, og er mye brukt i luftfarts-, bil- og våpenindustrien. Hovedkvalitetene er 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12, etc. En serie legeringer er utviklet for å forbedre styrke, seighetstilpasning og skadetoleranse, for eksempel 2024, 2124, 2524, 2324-legeringer, etc.
Kinas utstyrsmodeller utvikler seg i retning av lettvekt, lang levetid, høy pålitelighet og lave kostnader, og har høye krav til bruddseighet, sprekkforplantningsmotstand og korrosjonsmotstand i flykroppens materiale. Basert på den tykke platen av aluminiumslegering 2024-T351 har utenlandske land utviklet 2324, 2624 og andre aluminiumslegeringer med høy skadetoleranse for den nedre vingeoverflaten med ulik styrke, seighet, utmattings- og korrosjonsmotstand, og har oppnådd installasjon og anvendelse. Kina utvikler 2XXX-serien aluminiumslegeringer med høy skadetoleranse. I fremtiden vil komposittmikrolegering være en viktig utviklingsretning for Al-Cu-Mg-serien av høyfaste aluminiumslegeringer.
4XXX-serien aluminiumslegering
For tiden brukes eutektiske og hypoeutektiske Al-Si-legeringer hovedsakelig til stempler i biler i Kina. Med den kontinuerlige forbedringen av motorens ytelseskrav er det imidlertid vanskelig å oppfylle ytelseskravene. Hypereutektisk Al-Si-legering har lav tetthet, liten lineær ekspansjonskoeffisient, høyere slitestyrke og volumstabilitet, og er et mer ideelt stempelmateriale sammenlignet med eutektiske Al-Si-legeringer. Hypereutektiske Al-Si-legeringsstempler har blitt masseprodusert i utlandet og brukt på lastebiler og biler, for eksempel A390-legering i USA, AC9A- og AC8A (ZL109)-legeringer i Japan og A390-legering i Australia. Imidlertid er det for tiden få produsenter i Kina som produserer hypereutektiske Al-Si-legeringsstempler, og de fleste av dem er avhengige av import. I tillegg er det et stort gap mellom aluminiumlegeringsmaterialer for bilturbolader og utlandet. Høytytende aluminiumlegeringsmaterialer for bilturbolader er hovedsakelig avhengige av Japan og andre land. Derfor er det avgjørende å utvikle viktige materialer i aluminiumslegeringer til bilindustrien for høyytelsesstempler og turboladere.
5XXX-serien aluminiumslegeringer
Al-Mg-legeringer, spesielt Al-Mg-legeringer med høyt Mg-innhold, har høy spesifikk styrke, god sveisbarhet og korrosjonsbestandighet, og vil bli svært konkurransedyktige materialer i fremtidens luftfart, høyhastighetstog, hav og andre felt. For tiden er Al-Mg-legeringsplater, profiler og sveisetråder for luftfart, tog, hav og andre applikasjoner hovedsakelig avhengige av import. Det avanserte markedet for sveisetråd er i hovedsak monopolisert av ALCOA i USA. ER5183- og ER5356-legeringer er hovedsakelig avhengige av import, og importvolumet står for omtrent 70 % av salget. Al-Mg-legeringer for skip er hovedsakelig avhengige av Russland. Konvensjonelle barrer av legeringer med høyt Mg-innhold har velutviklede dendritter, alvorlig eutektisk fasesegregering og dårlig formingsytelse. Dagens prosesseringsmetoder har fortsatt mange problemer, som lav ytelse, dårlig tilsynelatende kvalitet, lang prosess, ustabil kvalitet og lavt utbytte. Subraskt størknings- og formingsarbeid kan hemme utfellingen av Mg, og samtidig kan det reguleres for å oppnå fine likeaksede krystaller og nano-utfelte faser, noe som forbedrer materialets ytelse og ensartethet betraktelig. Derfor forventes utviklingen av subraskt størkningsteknologi for kontinuerlig reologisk ekstrudering og valsing for høypresterende Al-Mg-legeringer å møte etterspørselen etter Al-Mg-legeringer av høy kvalitet.
6XXX-serien aluminiumslegeringer
6XXX-serien av aluminiumslegeringsmaterialer er nøkkelmaterialer innen jernbanetransport, biler, elektronikk osv. Siden 1980-tallet har utviklede land og regioner som Europa, USA og Japan utviklet aluminiumslegeringer for biler, registrerte kvaliteter som 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 og 6082, og dannet et relativt komplett produksjons- og anvendelsessystem for karosseripaneler, ekstruderinger, smiinger osv. Industrialiseringsforskningen og -utviklingen av karosseripaneler og smiinger i 6XXX-serien av aluminiumslegering i Kina har nettopp startet, og det er et tydelig gap. Kinas departement for industri og informasjonsteknologi har foreslått at følgende aluminiumslegeringsplater for bilindustrien skal utvikles: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022, osv. Typiske aluminiumslegeringsplater i 6XXX-serien har en forlengelse A50 på ikke mindre enn 25 %, en r-verdi på ikke mindre enn 0,60, en flytegrense Rp0,2 ved 60 d på ikke mindre enn 140 N/mm2 og en økning i flytegrense for lakkeringsherding på ikke mindre enn 80 N/mm2. Som svar på ulike behov har utviklingen av design-, forberedelses- og prosesseringsteknologi for aluminiumslegeringer i 6XXX-serien blitt en uunngåelig utviklingstrend.
7XXX-serien aluminiumslegeringer
7XXX-serien aluminiumslegeringer har god spenningskorrosjonsmotstand og er den sterkeste serien blant aluminiumslegeringer. De er internasjonalt anerkjent som ryggradsmaterialer for luftfart. Nylig har utenlandske land utviklet 7055-legering (Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr), hvis flytegrense overstiger 620 MPa i T77511-tilstand. Den brukes i Boeing 777-fly og reduserer vekten med 635 kg. For tiden mangler Kina systematisk legeringsdesign, forberedelse og prosesseringsteknologi for 7XXX-serien aluminiumslegeringer for luftfart, og noen produkter er helt avhengige av import. På grunn av storskala ingots av 7XXX-serien aluminiumslegeringer med mange legeringselementer, bredt størkningsområde, stor støpespenning og enkel oksidasjon/segregering av legeringselementer, er den metallurgiske kvaliteten på ingotene dårlig og formingsytelsen ved romtemperatur er lav, så det er av stor betydning å utvikle nye 7XXX-serien aluminiumslegeringer.
Aluminium-litium (Al-Li) legering
Aluminium-litiumlegering er det raskest voksende lettvektsmaterialet innen luftfartsmaterialer de siste årene. Det har egenskapene lav tetthet, høy elastisitetsmodul, høy spesifikk stivhet, god utmattingsytelse og korrosjonsbestandighet. Etter å ha erstattet konvensjonelle aluminiumslegeringer, kan massen reduseres med 10 % til 20 % og stivheten kan økes med 15 % til 20 %. Tidlig på 2000-tallet lanserte det amerikanske selskapet ALCOA «ALCOA Aviation 20/20 Plan», med mål om å redusere kostnadene og vekten på aluminiumslegeringer til luftfart med 20 % hver innen 20 år. Constellium har utviklet aluminium-litiumlegeringer i 2050 og 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) med lav tetthet, høy seighet og høy skadetoleranse. Det finnes svært få Al-Li-legeringskvaliteter uavhengig utviklet i Kina, og bare 1420-legeringen har blitt brukt. Aluminium-litiumlegeringen som brukes i C919-passasjerflyet leveres av Alcoa. Innenlands kan bare begrensede legeringskvaliteter som 1420, 2195, 2197 og 2A97 produseres, og barrene er kun flate barrer under ((310~400)×1280×4000) mm og runde barrer under φ650 mm. Flate barrer (2B16) med en tykkelse på mer enn 60 mm og en bredde på mer enn 1500 mm, og barrer (2B16) med en diameter på mer enn 1500 mm innen avanserte luftfartsapplikasjoner har ennå ikke blitt industrielt produsert. Derfor er det av stor betydning å utvikle ny aluminium-litiumlegeringsdesign, ultrastore barrer og dyp prosesseringsteknologi.
Varmebestandig aluminiumslegering
Varmebestandige aluminiumslegeringer er viktige basismaterialer innen luftfart, biler, jernbanetransport osv. ved å regulere elementer som Si, Fe, Ni, Ag og sjeldne jordarter for å gjøre aluminiumslegeringer motstandsdyktige mot oksidasjon og kryp ved høye temperaturer. Tradisjonelle varmebestandige aluminiumslegeringer inkluderer: 2519, 2618, 2219, 2D70, osv. Med den raske utviklingen av luftfarts- og bilindustrien stilles det høyere krav til varmebestandige aluminiumslegeringer. Den nye generasjonen jagerfly har høy marsjfart, og driftstemperaturen på flykroppen er over 150 °C. For tiden er den langsiktige brukstemperaturen for varmebestandige aluminiumslegeringer som 2618 og 2D70 under 150 °C. Det er viktig å utvikle nye varmebestandige aluminiumslegeringer.
Al-Sc-legering med ultralavt scandium (Sc)-innhold
Al-Sc-legering har utmerkede egenskaper som høy styrke, god plastisitet og korrosjonsbestandighet, og har blitt en ny generasjon av lette materialer for luftfart, skip osv. etter Al-Li-legering. Strekkfastheten til Al-Mg-legering som inneholder spormengder av scandium er 30 % høyere enn for 5083-legering, og flytegrensen er mer enn doblet. Sveisbarheten er sammenlignbar med konvensjonelle 5XXX-serielegeringer, de mekaniske egenskapene til den varmepåvirkede sonen og sveisen er omtrent lik matrisens, og korrosjonsmotstanden er sammenlignbar med 5083-legering. Å erstatte 5XXX- eller 6XXX-serielegeringer i produksjonen av luftfartskomponenter kan oppnå betydelig vektreduksjon, og det er også et overlegent materiale for biler og jernbanekjøretøyer. Russland er i verdens forkant innen utvikling av scandiumholdige aluminiumslegeringer, og har dannet Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc og Al-Cu-Mg-Sc legeringer med et scandiuminnhold på 0,18 % ~ 0,5 %. For å fremme bruken av aluminium-scandium legeringer i luftfart og biler, har Kinas departement for industri og informasjonsteknologi listet scandiumholdige aluminiumslegeringer som et av de nye materialene for prioritert utvikling. Kina er rikt på scandiumressurser og har bygget en produksjonslinje for utvinning av scandiumoksid med høy renhet, noe som legger grunnlaget for utviklingen av aluminium-scandium legeringer.
500 MPa varmpresset aluminiumslegering for biler
Det er fortsatt et tomrom innen varmstempling av høyfaste aluminiumslegeringsmaterialer i Kina. Kombinasjonen av nye materialer og utvikling av nye formingsprosesser er et effektivt middel for å løse problemet med forming av bildeler i høyfast aluminiumslegering. Fokus på 7XXX-serielegeringer, aktiv utforskning av 2XXX-legeringer og utvikling av aluminiumslegeringsmaterialer i 500 MPa-kvalitet for varmstempling har viktige muligheter for produksjon av kompleksformede bildeler.
Aluminiumbaserte komposittmaterialer
Flerlags komposittplate av aluminium-stål: Den effektive forbindelsen mellom aluminium- og ståldekk har blitt en av begrensningene for lettvekt av overbygninger på store skip. Overgangsfugen av aluminium-stål-kompositt som brukes til sveising mellom aluminium- og stålskrog, gir en løsning som erstatter den tradisjonelle naglingsprosessen. Honda har utviklet en stål- og aluminiumsforbindelsesteknologi som vil bli brukt globalt i masseproduserte bilrammer. For tiden importeres aluminium-stål-komposittfugene som brukes i Kina hovedsakelig fra utlandet, med en pris så høy som 4×105 CNY/t. Med fremtidens storskala skip kreves det høyere sveisetemperaturer, større lagerspenning og sterkere bindingsgrensesnitt for overgangsfuger, og det er et presserende behov for høyytelses aluminium-stål-fuger.
Publisert: 08.03.2025
