Aluminium är det vanligaste metallelementet i jordskorpan. Det är den icke-järnmetall med den näst största produktionen och användningen i världen efter stål. Den har en låg densitet, cirka 1/3 av stål. Eftersom rent aluminium är mjukt och har låg hållfasthet, kan man genom att tillsätta en liten mängd element som magnesium, koppar, zink, kisel och litium till aluminium förbättra aluminiumlegeringens prestanda. Aluminiumlegeringar är de mest använda icke-järnmetallkonstruktionsmaterialen inom industrin på grund av deras utmärkta mekaniska egenskaper och korrosionsbeständighet. De har använts i stor utsträckning inom bygg-, flyg-, bil-, maskintillverknings-, varvs- och kemisk industri.
Aluminiumlegeringar har utmärkta egenskaper inom mekanik och kemi:
① Mekaniska aspekter, främst återspeglade i låg densitet, hög hållfasthet, hög modul, etc. Aluminium har låg densitet och är lättare än andra metaller, endast 1/4 av stål, så det är lämpligt för användning inom områden med höga krav på lättvikt;
② När det gäller kemiska egenskaper, eftersom aluminiumlegering kan bilda en tät oxidfilm på sin yta i luften, kan den skydda sig mot djup oxidation. Därför har den utmärkt korrosionsbeständighet och en mycket stabil kemisk sammansättning.
③Aluminiumlegering har god plasticitet och kan bearbetas till olika profiler. Den har utmärkt elektrisk och värmeledningsförmåga. Därför används den ofta inom industrin, och dess användning är näst efter stål.
För närvarande finns det mer än 250 aluminiumlegeringar med olika sammansättningar i branschen. För att underlätta åtskillnaden, baserat på de olika legeringssammansättningarna, antar Kina den internationellt accepterade fyrsiffriga klassificeringsmetoden för att underlätta märkning av produktionsplatser, minne och beräkningshantering. De aluminiumlegeringar som används inom militärindustrin inkluderar huvudsakligen aluminium-litiumlegeringar, 2XXX (A1-Cu-Mg)-serien och 7XXX-serien aluminiumlegeringar.
Marknadsefterfrågan och utvecklingstrend för olika aluminiumlegeringsmaterial
2XXX-serien aluminiumlegering
Aluminiumlegeringar i 2XXX-serien (A1-Cu-Mg) har hög draghållfasthet, seghet och utmattningshållfasthet, god värmebeständighet, bearbetnings- och svetsegenskaper och används ofta inom flyg-, fordons- och vapenindustrin. De viktigaste legeringarna är 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12, etc. En serie legeringar har utvecklats för att förbättra hållfasthet, seghetsanpassning och skadetålighet, såsom 2024-, 2124-, 2524-, 2324-legeringar, etc.
Kinas utrustningsmodeller utvecklas i riktning mot lättvikt, lång livslängd, hög tillförlitlighet och låg kostnad, och har höga krav på brottseghet, sprickutbredningsmotstånd och korrosionsbeständighet hos flygkroppens ytmaterial. Baserat på den tjocka aluminiumlegeringen 2024-T351 har utländska länder utvecklat 2324, 2624 och andra aluminiumlegeringar med hög skadetolerans för den nedre vingytan med olika hållfasthet, seghet, utmattningsbeständighet och korrosionsbeständighet, och har uppnått installation och tillämpning. Kina utvecklar 2XXX-seriens aluminiumlegeringar med hög skadetolerans. I framtiden kommer kompositmikrolegering att vara en viktig utvecklingsriktning för Al-Cu-Mg-seriens höghållfasta aluminiumlegeringar.
4XXX-serien aluminiumlegering
För närvarande används eutektiska och hypoeutektiska Al-Si-legeringar huvudsakligen för bilkolvar i Kina. Men med den ständiga förbättringen av motorprestandakraven är det svårt att uppfylla prestandakraven. Hypereutektisk Al-Si-legering har låg densitet, liten linjär expansionskoefficient, högre slitstyrka och volymstabilitet, och är ett mer idealiskt kolvmaterial jämfört med eutektiska Al-Si-legeringar. Hypereutektiska Al-Si-legeringskolvar har massproducerats utomlands och använts på lastbilar och bilar, såsom A390-legering i USA, AC9A- och AC8A (ZL109)-legeringar i Japan och A390-legering i Australien. Det finns dock för närvarande få tillverkare i Kina som producerar hypereutektiska Al-Si-legeringskolvar, och de flesta av dem är beroende av import. Dessutom finns det en stor skillnad mellan material från aluminiumlegeringar för bilturboaggregat och utlandet. Högpresterande aluminiumlegeringsmaterial för bilturboaggregat är huvudsakligen beroende av Japan och andra länder. Därför är det absolut nödvändigt att utveckla viktiga material för aluminiumlegeringar i fordonsindustrin för högpresterande kolvar och turboaggregatimpeller.
5XXX-serien aluminiumlegeringar
Al-Mg-legeringar, särskilt Al-Mg-legeringar med högt Mg-innehåll, har hög specifik hållfasthet, god svetsbarhet och korrosionsbeständighet och kommer att bli mycket konkurrenskraftiga material inom framtidens flyg- och rymdindustri, höghastighetståg, hav och andra områden. För närvarande är Al-Mg-legeringsplattor, profiler och svetstrådar för flyg- och rymdindustrin, tåg, hav och andra tillämpningar huvudsakligen importerade. Marknaden för högkvalitativ svetstråd är i princip monopoliserad av ALCOA i USA. Legeringarna ER5183 och ER5356 är huvudsakligen importerade, och importvolymen står för cirka 70 % av deras försäljning. Al-Mg-legeringar för fartyg är huvudsakligen importerade från Ryssland. Konventionella tackor av legeringar med högt Mg-innehåll har välutvecklade dendriter, kraftig eutektisk fassegregation och dålig formningsprestanda. Nuvarande bearbetningsmetoder har fortfarande många problem, såsom låg prestanda, dålig synbar kvalitet, lång process, instabil kvalitet och lågt utbyte. Subsnabb stelning och formning kan hämma utfällningen av Mg, och samtidigt kan den regleras för att erhålla fina ekviaxiella kristaller och nanoprecipiterade faser, vilket avsevärt förbättrar materialets prestanda och enhetlighet. Därför förväntas utvecklingen av subsnabb stelning, kontinuerlig reologisk extrudering och valsningsteknik för högpresterande Al-Mg-legeringar möta efterfrågan på högkvalitativa Al-Mg-legeringar.
6XXX-serien aluminiumlegeringar
6XXX-seriens aluminiumlegeringsmaterial är viktiga material inom områdena järnvägstransporter, bilar, elektronik etc. Sedan 1980-talet har utvecklade länder och regioner som Europa, USA och Japan utvecklat aluminiumlegeringar för bilar, registrerade kvaliteter som 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 och 6082, och bildat ett relativt komplett produktions- och tillämpningssystem för bilkarosser, extruderingar, smidesdetaljer etc. Industrialiseringsforskningen och utvecklingen av 6XXX-seriens aluminiumlegeringskarosser och smidesdetaljer i Kina har precis börjat, och det finns ett tydligt gap. Kinas ministerium för industri och informationsteknik har föreslagit att de aluminiumlegeringsplåtar för bilindustrin som ska utvecklas är: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022, etc. Den typiska aluminiumlegeringsplåten i 6XXX-serien har en töjning A50 på minst 25 %, ett r-värde på minst 0,60, en sträckgräns Rp0,2 vid 60 d på minst 140 N/mm2 och en ökning av färgens härdningssträckgräns på minst 80 N/mm2. Som svar på olika behov har utvecklingen av design-, bearbetnings- och bearbetningsteknik för aluminiumlegeringar i 6XXX-serien blivit en oundviklig utvecklingstrend.
7XXX-serien aluminiumlegeringar
7XXX-seriens aluminiumlegeringar har god spänningskorrosionsbeständighet och är den starkaste serien bland aluminiumlegeringar. De är internationellt erkända som ryggradsmaterial för flygindustrin. Nyligen har utländska länder utvecklat 7055-legeringen (Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr), vars sträckgräns överstiger 620 MPa i T77511-tillstånd. Den används i Boeing 777-flygplan och minskar vikten med 635 kg. För närvarande saknar Kina systematisk legeringsdesign, framställning och bearbetningsteknik för 7XXX-seriens aluminiumlegeringar för flygindustrin, och vissa produkter är helt beroende av import. På grund av de storskaliga göten av 7XXX-seriens aluminiumlegeringar med många legeringselement, brett stelningsområde, stor gjutspänning och enkel oxidation/segregering av legeringselement, är den metallurgiska kvaliteten hos göten dålig och formningsprestanda vid rumstemperatur är låg, vilket gör det av stor betydelse att utveckla nya aluminiumlegeringar i 7XXX-serien.
Aluminium-litium (Al-Li) legering
Aluminium-litiumlegering är det snabbast växande lättviktsmaterialet inom flygindustrin under senare år. Det har egenskaper som låg densitet, hög elasticitetsmodul, hög specifik styvhet, god utmattningsprestanda och korrosionsbeständighet. Efter att konventionella aluminiumlegeringar ersatts kan massan minskas med 10%~20% och styvheten kan ökas med 15%~20%. I början av 2000-talet lanserade det amerikanska företaget ALCOA "ALCOA Aviation 20/20 Plan", med målet att minska kostnaden och vikten för flygindustrins aluminiumlegeringar med 20% vardera inom 20 år. Constellium har utvecklat aluminium-litiumlegeringarna 2050 och 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) med låg densitet, hög seghet och hög skadetolerans. Det finns väldigt få Al-Li-legeringskvaliteter som utvecklats oberoende i Kina, och endast 1420-legeringen har använts. Aluminium-litiumlegeringen som används i passagerarflygplanet C919 tillhandahålls av Alcoa. Inhemskt kan endast begränsade legeringskvaliteter som 1420, 2195, 2197 och 2A97 produceras, och göten är endast platta göt under ((310~400)×1280×4000) mm och runda göt under φ650 mm. Platta göt (2B16) med en tjocklek på mer än 60 mm och en bredd på mer än 1500 mm, och göt (2B16) med en diameter på mer än 1500 mm inom avancerade flygtillämpningar har ännu inte producerats industriellt. Därför är det av stor betydelse att utveckla ny aluminium-litiumlegeringskonstruktion, beredning av ultrastora göt och djupbearbetningsteknik.
Värmebeständig aluminiumlegering
Värmebeständiga aluminiumlegeringar är viktiga basmaterial inom flyg- och rymdindustrin, bilindustrin, järnvägstransporter etc. genom att reglera element som Si, Fe, Ni, Ag och sällsynta jordartsmetaller för att göra aluminiumlegeringar resistenta mot oxidation och krypning vid höga temperaturer. Traditionella värmebeständiga aluminiumlegeringar inkluderar: 2519, 2618, 2219, 2D70, etc. Med den snabba utvecklingen av flyg- och bilindustrin ställs högre krav på värmebeständiga aluminiumlegeringar. Den nya generationen stridsflygplan har en hög marschfart och flygkroppens driftstemperatur är över 150°C. För närvarande är den långsiktiga användningstemperaturen för värmebeständiga aluminiumlegeringar som 2618 och 2D70 under 150°C. Det är absolut nödvändigt att utveckla nya värmebeständiga aluminiumlegeringar.
Al-Sc-legering med ultralågt skandiuminnehåll (Sc)
Al-Sc-legering har utmärkta egenskaper som hög hållfasthet, god plasticitet och korrosionsbeständighet, och har blivit en ny generation av lättviktsmaterial för flyg- och rymdfart, fartyg etc. efter Al-Li-legering. Draghållfastheten hos Al-Mg-legering som innehåller spårmängder av skandium är 30 % högre än hos 5083-legering, och sträckgränsen är mer än fördubblad. Dess svetsbarhet är jämförbar med konventionella 5XXX-serielegeringar, de mekaniska egenskaperna hos den värmepåverkade zonen och svetsen är ungefär lika med matrisens, och dess korrosionsbeständighet är jämförbar med 5083-legering. Att ersätta 5XXX- eller 6XXX-serielegeringar vid tillverkning av flyg- och rymdkomponenter kan uppnå betydande viktminskningseffekter, och det är också ett överlägset material för bilar och järnvägsfordon. Ryssland ligger i framkant i världen när det gäller utveckling av scandiumhaltiga aluminiumlegeringar och har bildat Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc och Al-Cu-Mg-Sc-legeringar med en scandiumhalt på 0,18 % ~ 0,5 %. För att främja användningen av aluminium-scandiumlegeringar inom flyg- och bilindustrin har Kinas ministerium för industri och informationsteknik listat scandiumhaltiga aluminiumlegeringar som ett av de nya materialen för prioriterad utveckling. Kina är rikt på scandiumresurser och har byggt en produktionslinje för extraktion av scandiumoxid med hög renhet, vilket lägger grunden för utvecklingen av aluminium-scandiumlegeringar.
500 MPa varmstämpningsaluminiumlegering för bilar
Det finns fortfarande en brist på varmprägling av höghållfasta aluminiumlegeringar i Kina. Kombinationen av nya material och utveckling av nya formningsprocesser är ett effektivt sätt att lösa problemet med formning av bildelar i höghållfasta aluminiumlegeringar. Fokus på 7XXX-serien av legeringar, aktivt utforskande av 2XXX-legeringar och utveckling av aluminiumlegeringsmaterial av 500 MPa-kvalitet för varmprägling har viktiga möjligheter för tillverkning av komplexformade bildelar.
Aluminiumbaserade kompositmaterial
Flerskiktskompositplatta av aluminium-stål: Den effektiva kopplingen mellan aluminium- och ståldäck har blivit en av begränsningarna för lättviktssvetsning av överbyggnader på stora fartyg. Övergångsfogen av aluminium-stålkomposit som används för svetsning mellan aluminium- och stålskrov erbjuder en lösning som ersätter den traditionella nitningsprocessen. Honda har utvecklat en stål- och aluminiumfogningsteknik som kommer att användas globalt i massproducerade bilramar. För närvarande importeras de aluminium-stålkompositfogar som används i Kina huvudsakligen från utlandet, med ett pris så högt som 4×105 CNY/t. Med framtidens storskaliga fartyg krävs högre svetstemperaturer, större lagerspänningar och starkare bindningsgränssnitt för övergångsfogar, och högpresterande aluminium-stålfogar behövs snarast.
Publiceringstid: 8 mars 2025
