Kompleksowa analiza kilku popularnych materiałów aluminiowych

wstęp

Aluminium i stopy aluminium są szeroko stosowane we współczesnym przemyśle i życiu codziennym ze względu na ich niską gęstość, wysoką wytrzymałość, dobrą odporność na korozję, doskonałą wydajność przetwarzania i wiele innych zalet. 6061-T6, 6063, 7075 i 5083 to niektóre z reprezentatywnych materiałów aluminiowych, z których każdy ma unikalne właściwości użytkowe i nadaje się do różnych scenariuszy zastosowań.

Aluminium 6061-T6

Skład chemiczny

• Głównymi pierwiastkami stopowymi stopu aluminium 6061 są magnez (Mg) i krzem (Si), zawiera on także niewielką ilość miedzi (Cu), manganu (Mn), chromu (Cr) i cynku (Zn). Wśród nich magnez i krzem tworzą fazę wzmacniającą Mg₂Si, która odgrywa kluczową rolę w poprawie wytrzymałości stopu.

Właściwości fizyczne

• Jego gęstość wynosi około 2,7 g/cm³i ma dobrą przewodność cieplną i elektryczną, a także stosunkowo niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, co zapewnia mu dobrą stabilność wymiarową w środowiskach o dużych zmianach temperatury.

Właściwości mechaniczne

• Wytrzymałość: W stanie 6061-T6 wytrzymałość na rozciąganie może osiągnąć około 310 MPa, a granica plastyczności wynosi około 276 MPa. Ma wysoką wytrzymałość i może wytrzymać określone obciążenie.
• Twardość: Twardość Brinella wynosi zwykle około 95HB, co może spełnić wymagania dotyczące twardości wielu zastosowań w obróbce mechanicznej i konstrukcyjnej.
• Wytrzymałość: Ma dobrą wytrzymałość, nie jest podatny na kruche pękanie pod wpływem uderzenia i może skutecznie pochłaniać energię.

Charakterystyka przetwarzania

• Cięcie: Ma dobrą wydajność skrawania i jest łatwy w obróbce przy użyciu różnych konwencjonalnych procesów cięcia, takich jak toczenie, frezowanie, wiercenie itp., a także pozwala uzyskać dobre wykończenie powierzchni.
• Formowanie: Można go przetwarzać na różne kształty profili, rur, prętów i płyt poprzez procesy formowania, takie jak wytłaczanie, kucie i walcowanie. Podczas procesu wytłaczania ma dużą zdolność odkształcania i może wytwarzać produkty o złożonych kształtach przekroju poprzecznego.

Proces obróbki cieplnej

• Proces obróbki cieplnej T6 obejmuje obróbkę roztworową i obróbkę sztucznego starzenia. Obróbkę roztworem stałym zazwyczaj prowadzi się w temperaturze ok 530°C. Stop jest podgrzewany do tej temperatury i utrzymywany przez pewien czas, a następnie szybko schładzany, tak aby składniki stopu całkowicie rozpuściły się w osnowie aluminiowej. Następnie przeprowadza się zabieg sztucznego starzenia. Temperatura starzenia wynosi ok 180°C, a czas starzenia wynosi kilka godzin. Poprzez obróbkę starzeniową stop wytrąca fazę wzmacniającą, znacznie poprawiając w ten sposób wytrzymałość i twardość stopu.

Odporność na korozję

• 6061-T6 ma dobrą ogólną odporność na korozję i może utrzymać dobrą stabilność w atmosferze, słodkiej wodzie i innych środowiskach. Warstwa tlenkowa utworzona na jego powierzchni może pełnić pewną rolę ochronną, ale w niektórych trudnych warunkach, w których występuje silny kwas, zasady lub duże zasolenie, może wystąpić pewien stopień korozji. Pierwiastek chromu w stopie pomaga poprawić jego odporność na korozję i w pewnym stopniu sprawia, że ​​jest on odporny na miejscową korozję, taką jak wżery.

Obszary zastosowań

• Jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym, produkcji samochodów, obróbce mechanicznej, dekoracji architektonicznej i innych dziedzinach. W przemyśle lotniczym często wykorzystuje się go do produkcji części konstrukcyjnych samolotów, części podwozia itp.; w motoryzacji może być stosowany do produkcji ram karoserii, kół itp.; w obróbce mechanicznej wykorzystuje się go do wytwarzania różnych części mechanicznych, osprzętu narzędziowego itp.; w dekoracji architektonicznej często przetwarza się go na profile drzwi i okien, ramy ścian osłonowych itp.

6063 Aluminium

Skład chemiczny

• Głównymi pierwiastkami stopowymi są magnez i krzem. Jego skład chemiczny jest podobny do 6061, jednak zawartość poszczególnych pierwiastków jest nieco inna. Relatywnie rzecz biorąc, zawartość krzemu w 6063 jest nieco wyższa, a zawartość magnezu jest nieco niższa.

Właściwości fizyczne

• Gęstość również wynosi około 2,7 g/cm³. Ma dobrą przewodność cieplną i niski współczynnik rozszerzalności cieplnej. Ma dobry połysk i jest łatwy do anodowania, aby uzyskać piękną i odporną na korozję powierzchnię.

Właściwości mechaniczne

• Wytrzymałość: Wytrzymałość na rozciąganie wynosi zazwyczaj od 200 do 250 MPa, a granica plastyczności wynosi około 180 MPa, czyli jest nieco niższa niż w przypadku 6061-T6.
• Twardość: Twardość Brinella wynosi około 70HB, co jest stosunkowo małą wartością.
• Wytrzymałość: Wytrzymałość jest dobra i może spełniać niektóre scenariusze zastosowań, które nie wymagają szczególnie dużej wytrzymałości, ale mają wymagania dotyczące odkształcalności i wyglądu.

Charakterystyka przetwarzania

• Formowanie wytłaczane: Ma doskonałą wydajność formowania przez wytłaczanie, może wytłaczać profile o skomplikowanych kształtach i wysokiej dokładności wymiarowej oraz ma doskonałą jakość powierzchni. Jest jednym z głównych materiałów na architektoniczne profile aluminiowe.
• Obróbka skrawaniem: Ma dobrą wydajność cięcia i może wykonywać wiercenie, frezowanie, gwintowanie i inne operacje przetwarzania. Wykończenie powierzchni po obróbce jest wysokie.

Proces obróbki cieplnej

• Zwykle stosuje się proces obróbki cieplnej T5 lub T6. Obróbka T5 polega na bezpośrednim chłodzeniu powietrzem po wytłaczaniu w wysokiej temperaturze, a następnie wykonaniu sztucznego starzenia; Zabieg T6 polega na wykonaniu najpierw zabiegu roztworem stałym, a następnie zabiegu sztucznego starzenia. Po obróbce cieplnej poprawia się wytrzymałość i twardość stopu, przy jednoczesnym zachowaniu dobrej wytrzymałości i odporności na korozję.

Odporność na korozję

• Materiał aluminiowy 6063 wykazuje dobrą odporność na korozję w atmosferze, wodzie i niektórych słabych środowiskach kwasowych i zasadowych. Po anodowaniu jego powierzchnia może dodatkowo zwiększyć odporność na korozję i utworzyć twardą i gęstą warstwę tlenku, która skutecznie zapobiega erozji przez czynniki zewnętrzne i może być używana przez długi czas w dziedzinie dekoracji architektonicznych, zachowując dobry wygląd.

Pola aplikacji

• Stosowane głównie w budownictwie, np. drzwi i okna budowlane, ramy ścian osłonowych, listwy dekoracyjne itp.; wykorzystywany również do produkcji niektórych akcesoriów meblowych, obudów sprzętu elektronicznego i innych wyrobów o wysokich wymaganiach dotyczących wyglądu i odkształcalności.

Materiał aluminium 7075

Skład chemiczny

• Jest to stop aluminium o wysokiej wytrzymałości, którego głównymi pierwiastkami stopowymi są cynk (Zn), magnez (Mg) i miedź (Cu), a także zawiera niewielką ilość chromu (Cr) i innych pierwiastków. Cynk i magnez tworzą fazę wzmacniającą, a miedź dodatkowo poprawia wytrzymałość i twardość stopu.

Właściwości fizyczne

• Gęstość wynosi około 2,81 g/cm³, przewodność cieplna jest dobra, współczynnik rozszerzalności cieplnej jest stosunkowo niski i nadal może utrzymać pewną stabilność działania w środowisku o wysokiej temperaturze.

Właściwości mechaniczne

• Wytrzymałość: Wytrzymałość na rozciąganie może wynosić nawet 570 MPa lub więcej, a granica plastyczności wynosi około 500 MPa. Jest to najwyższa wytrzymałość spośród kilku materiałów aluminiowych i ma wyjątkowo wysoką nośność.
• Twardość: Twardość Brinella może osiągnąć około 150HB, przy wysokiej twardości i dobrej odporności na zużycie.
• Wytrzymałość: Chociaż wytrzymałość jest wysoka, wytrzymałość jest nieco gorsza niż 6061 i 6063. Jednakże przy rozsądnych warunkach projektowania i użytkowania może nadal spełniać wymagania większości zastosowań o wysokiej wytrzymałości.

Charakterystyka przetwarzania

• Cięcie: Cięcie jest trudne. Ze względu na wysoką wytrzymałość zużycie narzędzia jest poważne. Należy stosować narzędzia o dużej twardości i odporności na zużycie oraz rozsądnie dobierać parametry skrawania, aby zapewnić jakość i efektywność obróbki.
• Formowanie: Może być formowany przez kucie, walcowanie i inne procesy, ale ze względu na dużą odporność na odkształcenia ma wysokie wymagania dotyczące sprzętu i procesów przetwórczych.

Proces obróbki cieplnej

• Ogólnie rzecz biorąc, przyjmuje się proces obróbki cieplnej T6, temperatura obróbki roztworem wynosi około 470 ℃, a temperatura obróbki starzenia wynosi około 120 ℃. Precyzyjnie kontrolując parametry procesu obróbki cieplnej, można uzyskać najlepszą kombinację wytrzymałości i udarności.

Odporność na korozję

• Odporność na korozję aluminium 7075 jest stosunkowo słaba, szczególnie w środowisku zawierającym jony chlorkowe, gdzie podatne jest na pękanie korozyjne naprężeniowe. Chociaż wysoka zawartość miedzi pomaga poprawić wytrzymałość, w pewnym stopniu zmniejsza odporność na korozję. Podczas użytkowania zwykle wymagana jest specjalna obróbka powierzchni, taka jak malowanie, anodowanie itp., aby zwiększyć jej odporność na korozję, i należy jej unikać w miarę możliwości w warunkach środowiskowych podatnych na korozję naprężeniową podczas projektowania.

Pola aplikacji

• Jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym, takim jak belki samolotów, skrzydła, podwozie i inne kluczowe elementy konstrukcyjne; w przemyśle wojskowym służy do produkcji części do broni i sprzętu; w dziedzinie wysokiej klasy sprzętu sportowego, takiego jak ramy rowerowe i główki kijów golfowych, jego wysoka wytrzymałość i lekkość są wykorzystywane do poprawy wydajności produktu.

Materiał aluminium 5083

Skład chemiczny

• Głównym pierwiastkiem stopowym jest magnez, zawiera także niewielką ilość manganu (Mn) i innych pierwiastków. Wysoka zawartość magnezu zapewnia stopowi dobrą odporność na korozję i wytrzymałość.

Właściwości fizyczne

• Gęstość wynosi około 2,66 g/cm³, która jest stosunkowo niska wśród tych materiałów aluminiowych. Ma dobrą przewodność cieplną i przewodność elektryczną oraz umiarkowany współczynnik rozszerzalności cieplnej.

Właściwości mechaniczne

• Wytrzymałość: Wytrzymałość na rozciąganie może osiągnąć około 315 MPa, a granica plastyczności wynosi około 230 MPa. Wytrzymałość jest wysoka i wytrzymuje duże obciążenia rozciągające i zginające.
• Twardość: Twardość Brinella wynosi około 90HB, a twardość może spełniać ogólne wymagania zastosowań inżynieryjnych.
• Wytrzymałość: Ma doskonałą wytrzymałość, szczególnie w środowisku o niskiej temperaturze, może nadal utrzymywać dobrą wytrzymałość i nie jest łatwo kruche pęknięcie. Nadaje się na niektóre okazje, które wymagają wydajności w niskiej temperaturze.

Charakterystyka przetwarzania

• Wydajność spawania: Wydajność spawania jest doskonała, a do spawania można stosować różne metody spawania (takie jak spawanie łukowe, zgrzewanie oporowe itp.). Złącze spawane ma wysoką wytrzymałość i dobrą jakość spoiny. Jest szeroko stosowany w produkcji spawanych części konstrukcyjnych.
• Cięcie: Dobra wydajność cięcia, łatwa obróbka na części o różnych kształtach.

Proces obróbki cieplnej

• Zwykle nie wykonuje się żadnej obróbki cieplnej w celu wzmocnienia, a wytrzymałość poprawia się poprzez hartowanie. Podczas obróbki na zimno, takiej jak walcowanie na zimno i ciągnienie na zimno, wytrzymałość stopu będzie stopniowo wzrastać, zachowując pewną plastyczność i wytrzymałość.

Odporność na korozję

• Aluminium 5083 ma doskonałą odporność na korozję, szczególnie w środowiskach morskich i mediach zawierających jony chlorkowe. Skład pierwiastków stopowych umożliwia utworzenie na jego powierzchni stabilnej warstwy tlenku, skutecznie przeciwstawiającej się erozji wody morskiej, słonej wody itp., i jest idealnym materiałem do budowy statków, inżynierii morskiej i innych dziedzin. Nawet wystawiony na działanie trudnych warunków morskich przez długi czas, może zachować dobrą integralność strukturalną i stabilność działania.

Pola aplikacji

• Stosowane głównie w przemyśle stoczniowym, inżynierii morskiej, zbiornikach ciśnieniowych, sprzęcie chłodniczym i innych dziedzinach. W przemyśle stoczniowym wykorzystuje się go do produkcji konstrukcji kadłubów, pokładów, grodzi itp.; w inżynierii morskiej może być stosowany do produkcji platform morskich, rurociągów podmorskich itp.; w dziedzinie zbiorników ciśnieniowych, ze względu na dobrą odporność na korozję i spawalność, może być stosowany do produkcji zbiorników do przechowywania różnych cieczy lub gazów; w urządzeniach chłodniczych, jego wytrzymałość w niskich temperaturach i odporność na korozję są wykorzystywane do produkcji nadwozi samochodów chłodni, paneli ściennych chłodni itp.

Wniosek

Cztery materiały aluminiowe 6061-T6, 6063, 7075 i 5083 mają oczywiste różnice w składzie chemicznym, właściwościach fizycznych, właściwościach mechanicznych, charakterystyce przetwarzania, procesie obróbki cieplnej, odporności na korozję i obszarach zastosowań. W rzeczywistych zastosowaniach inżynieryjnych konieczne jest kompleksowe rozważenie i wybranie odpowiednich materiałów aluminiowych w oparciu o konkretne wymagania użytkowe, takie jak wytrzymałość, twardość, wytrzymałość, odporność na korozję, trudność przetwarzania, koszt i inne czynniki. Tylko w ten sposób można w pełni wykorzystać zalety materiałów aluminiowych, aby zaspokoić potrzeby różnych dziedzin i projektów inżynieryjnych oraz promować rozwój i postęp powiązanych branż. Niezależnie od tego, czy chodzi o zaawansowane technologie w przemyśle lotniczym, czy o zwykłe gałęzie przemysłu, takie jak dekoracja budynków i produkcja artykułów codziennego użytku, te materiały aluminiowe odgrywają niezastąpioną i ważną rolę. Wraz z ciągłym rozwojem inżynierii i technologii materiałowej ich działanie będzie dalej optymalizowane i rozszerzane, a perspektywy ich zastosowań będą szersze.