Το αλουμίνιο είναι το πιο άφθονο μεταλλικό στοιχείο στο φλοιό της γης. Είναι το μη σιδηρούχο μέταλλο με τη δεύτερη μεγαλύτερη παραγωγή και χρήση στον κόσμο μετά τον χάλυβα. Έχει χαμηλή πυκνότητα, περίπου το 1/3 του χάλυβα. Δεδομένου ότι το καθαρό αλουμίνιο είναι μαλακό και έχει χαμηλή αντοχή, επομένως, με την προσθήκη μιας μικρής ποσότητας στοιχείων όπως μαγνήσιο, χαλκός, ψευδάργυρος, πυρίτιο και λίθιο στο αλουμίνιο, η απόδοση του κράματος αλουμινίου είναι καλύτερη. Τα κράματα αλουμινίου είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα μη σιδηρούχα μεταλλικά δομικά υλικά στη βιομηχανία λόγω των εξαιρετικών μηχανικών ιδιοτήτων και της αντοχής τους στη διάβρωση. Έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στις κατασκευές, την αεροδιαστημική, την αυτοκινητοβιομηχανία, την κατασκευή μηχανημάτων, τη ναυπηγική και τη χημική βιομηχανία.
Τα κράματα αλουμινίου έχουν εξαιρετικές ιδιότητες στη μηχανική και τη χημεία:
① Μηχανικές πτυχές, που αντικατοπτρίζονται κυρίως στη χαμηλή πυκνότητα, την υψηλή αντοχή, το υψηλό μέτρο ελαστικότητας κ.λπ. Το αλουμίνιο έχει χαμηλή πυκνότητα και είναι ελαφρύτερο από άλλα μέταλλα, μόνο το 1/4 του χάλυβα, επομένως είναι κατάλληλο για χρήση σε πεδία με υψηλές απαιτήσεις για ελαφρύ βάρος.
② Όσον αφορά τις χημικές ιδιότητες, επειδή το κράμα αλουμινίου μπορεί να σχηματίσει μια πυκνή μεμβράνη οξειδίου στην επιφάνειά του στον αέρα, μπορεί να προστατευτεί από βαθιά οξείδωση. Επομένως, έχει εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση και πολύ σταθερή χημική σύνθεση.
③ Το κράμα αλουμινίου έχει καλή πλαστικότητα και μπορεί να υποστεί επεξεργασία σε διάφορα προφίλ. Έχει εξαιρετική ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία και η χρήση του είναι δεύτερη μόνο μετά τον χάλυβα.
Αυτή τη στιγμή, υπάρχουν περισσότερα από 250 κράματα αλουμινίου με διαφορετικές συνθέσεις στον κλάδο. Προκειμένου να διευκολυνθεί η διάκριση, ανάλογα με τις διαφορετικές συνθέσεις των κραμάτων, η Κίνα υιοθετεί την διεθνώς αποδεκτή τετραψήφια μέθοδο ταξινόμησης βαθμών για να διευκολύνει τη σήμανση των εγκαταστάσεων παραγωγής, τη μνήμη και τη διαχείριση των υπολογισμών. Τα κράματα αλουμινίου που χρησιμοποιούνται στη στρατιωτική βιομηχανία περιλαμβάνουν κυρίως κράματα αλουμινίου-λιθίου, κράματα αλουμινίου σειράς 2XXX (A1-Cu-Mg) και κράματα αλουμινίου σειράς 7XXX.
Ζήτηση αγοράς και τάση ανάπτυξης διαφόρων υλικών κραμάτων αλουμινίου
Κράμα αλουμινίου σειράς 2XXX
Τα κράματα αλουμινίου σειράς 2XXX (A1-Cu-Mg) έχουν υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό, σκληρότητα και αντοχή σε κόπωση, καλή αντοχή στη θερμότητα, ιδιότητες επεξεργασίας και συγκόλλησης και χρησιμοποιούνται ευρέως στην αεροδιαστημική, την αυτοκινητοβιομηχανία και τις βιομηχανίες όπλων. Οι κύριες ποιότητες είναι 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12, κ.λπ. Έχουν αναπτυχθεί μια σειρά κραμάτων για τη βελτίωση της αντοχής, της αντιστοίχισης σκληρότητας και της ανοχής σε ζημιές, όπως κράματα 2024, 2124, 2524, 2324, κ.λπ.
Τα μοντέλα εξοπλισμού της Κίνας εξελίσσονται προς την κατεύθυνση του ελαφρού βάρους, της μεγάλης διάρκειας ζωής, της υψηλής αξιοπιστίας και του χαμηλού κόστους, και έχουν υψηλές απαιτήσεις για την αντοχή στη θραύση, την αντοχή στη διάδοση ρωγμών και την αντοχή στη διάβρωση του υλικού του περιβλήματος της ατράκτου. Με βάση την παχιά πλάκα κράματος αλουμινίου 2024-T351, οι ξένες χώρες έχουν αναπτύξει κράματα αλουμινίου 2324, 2624 και άλλα υψηλής ανοχής σε ζημιές για την κάτω επιφάνεια της πτέρυγας με διαφορετική αντοχή, ανθεκτικότητα, κόπωση και αντοχή στη διάβρωση, και έχουν επιτύχει εγκατάσταση και εφαρμογή. Η Κίνα αναπτύσσει κράματα αλουμινίου υψηλής ανοχής σε ζημιές σειράς 2XXX. Στο μέλλον, η σύνθετη μικροκράματωση θα αποτελέσει μια σημαντική κατεύθυνση ανάπτυξης για τα κράματα αλουμινίου υψηλής αντοχής σειράς Al-Cu-Mg.
Κράμα αλουμινίου σειράς 4XXX
Προς το παρόν, τα ευτηκτικά και υποευτηκτικά κράματα Al-Si χρησιμοποιούνται κυρίως για έμβολα αυτοκινήτων στην Κίνα. Ωστόσο, με τη συνεχή βελτίωση των απαιτήσεων απόδοσης του κινητήρα, είναι δύσκολο να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις απόδοσης. Το υπερευτηκτικό κράμα Al-Si έχει χαμηλή πυκνότητα, μικρό συντελεστή γραμμικής διαστολής, υψηλότερη αντοχή στη φθορά και σταθερότητα όγκου και είναι ένα ιδανικότερο υλικό εμβόλου σε σύγκριση με τα ευτηκτικά κράματα Al-Si. Τα υπερευτηκτικά έμβολα κράματος Al-Si έχουν παραχθεί μαζικά στο εξωτερικό και έχουν εφαρμοστεί σε φορτηγά και αυτοκίνητα, όπως το κράμα A390 στις Ηνωμένες Πολιτείες, τα κράματα AC9A και AC8A (ZL109) στην Ιαπωνία και το κράμα A390 στην Αυστραλία. Ωστόσο, υπάρχουν σήμερα λίγοι κατασκευαστές στην Κίνα που παράγουν υπερευτηκτικά έμβολα κράματος Al-Si και οι περισσότεροι από αυτούς βασίζονται σε εισαγωγές. Επιπλέον, υπάρχει μεγάλο χάσμα μεταξύ των υλικών κράματος αλουμινίου για υπερσυμπιεστές αυτοκινήτων και των ξένων χωρών. Τα υλικά κράματος αλουμινίου υψηλής απόδοσης για υπερσυμπιεστές αυτοκινήτων βασίζονται κυρίως στην Ιαπωνία και σε άλλες χώρες. Επομένως, είναι επιτακτική η ανάπτυξη βασικών υλικών κράματος αλουμινίου για αυτοκίνητα για έμβολα υψηλής απόδοσης και πτερωτές υπερσυμπιεστών.
Κράματα αλουμινίου σειράς 5XXX
Τα κράματα Al-Mg, ειδικά τα κράματα Al-Mg με υψηλή περιεκτικότητα σε Mg, έχουν υψηλή ειδική αντοχή, καλή συγκολλησιμότητα και αντοχή στη διάβρωση και θα γίνουν εξαιρετικά ανταγωνιστικά υλικά στο μέλλον στην αεροδιαστημική, τα τρένα υψηλής ταχύτητας, τους ωκεανούς και άλλους τομείς. Προς το παρόν, οι πλάκες, τα προφίλ και τα σύρματα συγκόλλησης από κράμα Al-Mg για την αεροδιαστημική, τα τρένα, τους ωκεανούς και άλλες εφαρμογές βασίζονται κυρίως στις εισαγωγές. Η αγορά συρμάτων συγκόλλησης υψηλής ποιότητας μονοπωλείται ουσιαστικά από την ALCOA στις Ηνωμένες Πολιτείες. Τα κράματα ER5183 και ER5356 βασίζονται κυρίως στις εισαγωγές και ο όγκος εισαγωγών αντιπροσωπεύει περίπου το 70% των πωλήσεών τους. Τα κράματα Al-Mg για πλοία βασίζονται κυρίως στη Ρωσία. Τα συμβατικά πλινθώματα κραμάτων με υψηλή περιεκτικότητα σε Mg έχουν καλά ανεπτυγμένους δενδρίτες, σοβαρό ευτηκτικό διαχωρισμό φάσεων και κακή απόδοση διαμόρφωσης. Οι τρέχουσες μέθοδοι επεξεργασίας εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν πολλά προβλήματα, όπως χαμηλή απόδοση, κακή φαινομενική ποιότητα, μακρά διαδικασία, ασταθή ποιότητα και χαμηλή απόδοση. Η υποταχεία στερεοποίηση και σχηματισμός μπορούν να αναστείλουν την καθίζηση του Mg και ταυτόχρονα μπορούν να ρυθμιστούν για να ληφθούν λεπτοί ισοαξονικοί κρύσταλλοι και νανοκατακρημνισμένες φάσεις, βελτιώνοντας σημαντικά την απόδοση και την ομοιομορφία του υλικού. Επομένως, η ανάπτυξη τεχνολογίας συνεχούς ρεολογικής εξώθησης και έλασης υποταχείας στερεοποίησης για κράματα Al-Mg υψηλής απόδοσης αναμένεται να καλύψει τη ζήτηση για κράματα Al-Mg υψηλής ποιότητας.
Κράματα αλουμινίου σειράς 6XXX
Τα υλικά κραμάτων αλουμινίου της σειράς 6XXX είναι βασικά υλικά στους τομείς των σιδηροδρομικών μεταφορών, των αυτοκινήτων, των ηλεκτρονικών κ.λπ. Από τη δεκαετία του 1980, οι ανεπτυγμένες χώρες και περιοχές όπως η Ευρώπη, οι Ηνωμένες Πολιτείες και η Ιαπωνία έχουν αναπτύξει κράματα αλουμινίου για αυτοκίνητα, καταχωρημένες ποιότητες όπως 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 και 6082, και έχουν διαμορφώσει ένα σχετικά πλήρες σύστημα παραγωγής και εφαρμογής για πάνελ αμαξώματος αυτοκινήτων, εξωθήσεις, σφυρήλατα κ.λπ. Η έρευνα και ανάπτυξη βιομηχανικών πάνελ αμαξώματος και σφυρήλατων από κράμα αλουμινίου σειράς 6XXX στην Κίνα μόλις ξεκίνησε και υπάρχει ένα σαφές κενό. Το Υπουργείο Βιομηχανίας και Τεχνολογίας Πληροφοριών της Κίνας έχει προτείνει τα φύλλα κράματος αλουμινίου για αυτοκίνητα που θα αναπτυχθούν: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022, κ.λπ. Το τυπικό φύλλο κράματος αλουμινίου της σειράς 6XXX έχει επιμήκυνση A50 τουλάχιστον 25%, τιμή r τουλάχιστον 0,60, όριο διαρροής 60 d Rp0,2 τουλάχιστον 140 N/mm2 και αύξηση ορίου διαρροής σκλήρυνσης βαφής τουλάχιστον 80 N/mm2. Ανταποκρινόμενη στις διαφορετικές ανάγκες, η ανάπτυξη της τεχνολογίας σχεδιασμού, προετοιμασίας και επεξεργασίας κραμάτων αλουμινίου της σειράς 6XXX έχει γίνει μια αναπόφευκτη τάση ανάπτυξης.
Κράματα αλουμινίου σειράς 7XXX
Τα κράματα αλουμινίου της σειράς 7XXX έχουν καλή αντοχή στη διάβρωση από καταπονήσεις και είναι η ισχυρότερη σειρά μεταξύ των κραμάτων αλουμινίου. Είναι διεθνώς αναγνωρισμένα ως υλικά ραχοκοκαλιάς αεροπορίας. Πρόσφατα, ξένες χώρες έχουν αναπτύξει κράμα 7055 (Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr), του οποίου η τάση διαρροής υπερβαίνει τα 620 MPa στην κατάσταση T77511. Χρησιμοποιείται σε αεροσκάφη Boeing 777 και μειώνει το βάρος κατά 635 kg. Προς το παρόν, η Κίνα δεν διαθέτει συστηματικό σχεδιασμό, προετοιμασία και τεχνολογία επεξεργασίας κραμάτων για κράματα αλουμινίου της σειράς 7XXX για αεροπορία και ορισμένα προϊόντα εξαρτώνται πλήρως από τις εισαγωγές. Λόγω των μεγάλης κλίμακας πλινθωμάτων κραμάτων αλουμινίου της σειράς 7XXX με πολλά στοιχεία κράματος, το ευρύ φάσμα στερεοποίησης, τη μεγάλη τάση χύτευσης και την εύκολη οξείδωση/διαχωρισμό των στοιχείων κράματος, η μεταλλουργική ποιότητα των πλινθωμάτων είναι κακή και η απόδοση σχηματισμού σε θερμοκρασία δωματίου είναι χαμηλή, επομένως είναι πολύ σημαντικό να αναπτυχθούν νέα κράματα αλουμινίου της σειράς 7XXX.
Κράμα αλουμινίου-λιθίου (Al-Li)
Το κράμα αλουμινίου-λιθίου είναι το ταχύτερα αναπτυσσόμενο ελαφρύ υλικό στα αεροπορικά υλικά τα τελευταία χρόνια. Έχει τα χαρακτηριστικά χαμηλής πυκνότητας, υψηλού μέτρου ελαστικότητας, υψηλής ειδικής ακαμψίας, καλής απόδοσης στην κόπωση και αντοχής στη διάβρωση. Μετά την αντικατάσταση των συμβατικών κραμάτων αλουμινίου, η μάζα μπορεί να μειωθεί κατά 10%~20% και η ακαμψία μπορεί να αυξηθεί κατά 15%~20%. Στις αρχές του 21ου αιώνα, η αμερικανική εταιρεία ALCOA ξεκίνησε το "Σχέδιο ALCOA Aviation 20/20", με στόχο τη μείωση του κόστους και του βάρους των κραμάτων αλουμινίου αεροπορίας κατά 20% το καθένα εντός 20 ετών. Η Constellium έχει αναπτύξει κράματα αλουμινίου-λιθίου 2050 και 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) με χαμηλή πυκνότητα, υψηλή ανθεκτικότητα και υψηλή ανοχή σε ζημιές. Υπάρχουν πολύ λίγες ποιότητες κραμάτων Al-Li που έχουν αναπτυχθεί ανεξάρτητα στην Κίνα και έχει χρησιμοποιηθεί μόνο το κράμα 1420. Το κράμα αλουμινίου-λιθίου που χρησιμοποιείται στο επιβατικό αεροσκάφος C919 παρέχεται από την Alcoa. Στην εγχώρια αγορά, μπορούν να παραχθούν μόνο περιορισμένες ποιότητες κραμάτων όπως 1420, 2195, 2197 και 2A97, και οι πλινθώματα είναι μόνο επίπεδα πλινθώματα κάτω των ((310~400)×1280×4000) mm και στρογγυλά πλινθώματα κάτω των φ650 mm. Τα επίπεδα πλινθώματα (2B16) με πάχος μεγαλύτερο από 60 mm και πλάτος μεγαλύτερο από 1500 mm, καθώς και τα πλινθώματα (2B16) με διάμετρο μεγαλύτερη από 1500 mm στον τομέα των εφαρμογών υψηλής αεροπορίας δεν έχουν ακόμη παραχθεί βιομηχανικά. Επομένως, είναι πολύ σημαντικό να αναπτυχθεί νέος σχεδιασμός κραμάτων αλουμινίου-λιθίου, εξαιρετικά μεγάλης προετοιμασίας πλινθωμάτων και τεχνολογίας βαθιάς επεξεργασίας.
Ανθεκτικό στη θερμότητα κράμα αλουμινίου
Τα ανθεκτικά στη θερμότητα κράματα αλουμινίου είναι βασικά βασικά υλικά στους τομείς της αεροδιαστημικής, των αυτοκινήτων, των σιδηροδρομικών μεταφορών κ.λπ., ρυθμίζοντας στοιχεία όπως το Si, το Fe, το Ni, το Ag και τις σπάνιες γαίες, ώστε τα κράματα αλουμινίου να είναι ανθεκτικά στην οξείδωση και τον ερπυσμό σε υψηλές θερμοκρασίες. Τα παραδοσιακά ανθεκτικά στη θερμότητα κράματα αλουμινίου περιλαμβάνουν: 2519, 2618, 2219, 2D70 κ.λπ. Με την ταχεία ανάπτυξη της αεροδιαστημικής και της αυτοκινητοβιομηχανίας, τίθενται υψηλότερες απαιτήσεις στα ανθεκτικά στη θερμότητα κράματα αλουμινίου. Η νέα γενιά μαχητικών αεροσκαφών έχει υψηλή ταχύτητα πλεύσης και η θερμοκρασία λειτουργίας του περιβλήματος της ατράκτου είναι πάνω από 150°C. Προς το παρόν, η θερμοκρασία μακροχρόνιας χρήσης των ανθεκτικών στη θερμότητα κραμάτων αλουμινίου όπως τα 2618 και 2D70 είναι κάτω από 150°C. Είναι επιτακτική ανάγκη να αναπτυχθούν νέα ανθεκτικά στη θερμότητα κράματα αλουμινίου.
Κράμα Al-Sc με εξαιρετικά χαμηλή περιεκτικότητα σε σκάνδιο (Sc)
Το κράμα Al-Sc έχει εξαιρετικές ιδιότητες όπως υψηλή αντοχή, καλή πλαστικότητα και αντοχή στη διάβρωση, και έχει γίνει μια νέα γενιά ελαφρών υλικών για την αεροδιαστημική, τα πλοία κ.λπ. μετά το κράμα Al-Li. Η αντοχή σε εφελκυσμό του κράματος Al-Mg που περιέχει ίχνη σκάνδιου είναι 30% υψηλότερη από αυτή του κράματος 5083, και το όριο διαρροής είναι υπερδιπλάσιο. Η συγκολλησιμότητά του είναι συγκρίσιμη με αυτή των συμβατικών κραμάτων της σειράς 5XXX, οι μηχανικές ιδιότητες της θερμικά επηρεαζόμενης ζώνης και της συγκόλλησης είναι περίπου ίσες με εκείνες της μήτρας, και η αντοχή του στη διάβρωση είναι συγκρίσιμη με αυτή του κράματος 5083. Η αντικατάσταση των κραμάτων της σειράς 5XXX ή 6XXX στην κατασκευή εξαρτημάτων αεροδιαστημικής μπορεί να επιτύχει σημαντικά αποτελέσματα μείωσης βάρους, και είναι επίσης ένα ανώτερο υλικό για αυτοκίνητα και σιδηροδρομικά οχήματα. Η Ρωσία βρίσκεται στην πρώτη γραμμή παγκοσμίως στην ανάπτυξη κραμάτων αλουμινίου που περιέχουν σκάνδιο και έχει κατασκευάσει κράματα Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc και Al-Cu-Mg-Sc με περιεκτικότητα σε σκάνδιο 0,18%~0,5%. Προκειμένου να προωθήσει την εφαρμογή κραμάτων αλουμινίου-σκανδίου στην αεροδιαστημική και την αυτοκινητοβιομηχανία, το Υπουργείο Βιομηχανίας και Τεχνολογίας Πληροφοριών της Κίνας έχει συμπεριλάβει τα κράματα αλουμινίου που περιέχουν σκάνδιο ως ένα από τα νέα υλικά για ανάπτυξη προτεραιότητας. Η Κίνα είναι πλούσια σε πόρους σκανδίου και έχει κατασκευάσει μια γραμμή παραγωγής υψηλής καθαρότητας για την εξαγωγή οξειδίου του σκανδίου, θέτοντας τα θεμέλια για την ανάπτυξη κραμάτων αλουμινίου-σκανδίου.
Κράμα αλουμινίου θερμής σφράγισης ποιότητας 500 MPa για αυτοκίνητα
Στην Κίνα, εξακολουθεί να υπάρχει κενό στην θερμή σφράγιση υλικών κραμάτων αλουμινίου υψηλής αντοχής. Ο συνδυασμός νέων υλικών και ανάπτυξης νέων διαδικασιών διαμόρφωσης αποτελεί αποτελεσματικό μέσο για την επίλυση του προβλήματος της υψηλής αντοχής στη διαμόρφωση εξαρτημάτων αυτοκινήτων από κράματα αλουμινίου. Η εστίαση στα κράματα της σειράς 7XXX, η ενεργή διερεύνηση των κραμάτων 2XXX και η ανάπτυξη υλικών κραμάτων αλουμινίου ποιότητας 500 MPa για θερμή σφράγιση έχουν σημαντικές προοπτικές για την κατασκευή εξαρτημάτων αυτοκινήτων πολύπλοκου σχήματος.
Σύνθετα υλικά με βάση το αλουμίνιο
Πολυστρωματική σύνθετη πλάκα αλουμινίου-χάλυβα: Η αποτελεσματική σύνδεση μεταξύ καταστρωμάτων αλουμινίου και χάλυβα έχει γίνει ένας από τους περιορισμούς για την ελαφρότητα των υπερκατασκευών μεγάλων πλοίων. Η μεταβατική σύνδεση σύνθετου αλουμινίου-χάλυβα που χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση μεταξύ κύτους αλουμινίου και χάλυβα παρέχει μια λύση για την αντικατάσταση της παραδοσιακής διαδικασίας πριτσινώματος. Η Honda έχει αναπτύξει μια τεχνολογία σύνδεσης χάλυβα και αλουμινίου που θα χρησιμοποιηθεί παγκοσμίως σε πλαίσια αυτοκινήτων μαζικής παραγωγής. Προς το παρόν, οι σύνθετες συνδέσεις αλουμινίου-χάλυβα που χρησιμοποιούνται στην Κίνα εισάγονται κυρίως από το εξωτερικό, με τιμή που φτάνει τα 4×105 CNY/t. Με τα μελλοντικά πλοία μεγάλης κλίμακας, απαιτούνται υψηλότερες θερμοκρασίες συγκόλλησης, μεγαλύτερη τάση εδράνου και ισχυρότερες διεπαφές συγκόλλησης για τις μεταβατικές συνδέσεις, ενώ απαιτούνται επειγόντως συνδέσεις αλουμινίου-χάλυβα υψηλής απόδοσης.
Ώρα δημοσίευσης: 08 Μαρτίου 2025
