Aluminij je najpogostejši kovinski element v zemeljski skorji. Je neželezna kovina z drugo največjo proizvodnjo in uporabo na svetu, takoj za jeklom. Ima nizko gostoto, približno 1/3 jekla. Ker je čisti aluminij mehak in ima nizko trdnost, se z dodajanjem majhne količine elementov, kot so magnezij, baker, cink, silicij in litij, aluminiju izboljšajo lastnosti aluminijeve zlitine. Aluminijeve zlitine so zaradi svojih odličnih mehanskih lastnosti in odpornosti proti koroziji najpogosteje uporabljeni konstrukcijski materiali iz neželeznih kovin v industriji. Široko se uporabljajo v gradbeništvu, letalstvu, avtomobilski industriji, strojni industriji, ladjedelništvu in kemični industriji.
Aluminijeve zlitine imajo odlične lastnosti v mehaniki in kemiji:
1. Mehanski vidiki, ki se odražajo predvsem v nizki gostoti, visoki trdnosti, visokem modulu itd. Aluminij ima nizko gostoto in je lažji od drugih kovin, le 1/4 jekla, zato je primeren za uporabo na področjih z visokimi zahtevami glede lahkosti;
② Kar zadeva kemijske lastnosti, aluminijeva zlitina na zraku tvori gosto oksidno plast na svoji površini, zato se lahko zaščiti pred globoko oksidacijo. Zato ima odlično odpornost proti koroziji in zelo stabilno kemično sestavo.
③Aluminijeva zlitina ima dobro plastičnost in se lahko obdeluje v različne profile. Ima odlično električno in toplotno prevodnost. Zato se pogosto uporablja v industriji in je po uporabi druga največja takoj za jeklom.
Trenutno je v industriji več kot 250 aluminijevih zlitin z različnimi sestavami. Da bi olajšali razlikovanje glede na različne sestave zlitin, Kitajska uporablja mednarodno sprejeto štirimestno metodo klasifikacije razredov, ki olajša označevanje proizvodnega mesta, upravljanje pomnilnika in izračunov. Aluminijeve zlitine, ki se uporabljajo v vojaški industriji, vključujejo predvsem aluminijevo-litijeve zlitine, serije 2XXX (A1-Cu-Mg) in aluminijeve zlitine serije 7XXX.
Tržno povpraševanje in trend razvoja različnih materialov iz aluminijevih zlitin
Aluminijeva zlitina serije 2XXX
Aluminijeve zlitine serije 2XXX (A1-Cu-Mg) imajo visoko natezno trdnost, žilavost in utrujenostno trdnost, dobro toplotno odpornost, obdelovalne in varilne lastnosti ter se pogosto uporabljajo v letalski, avtomobilski in orožarski industriji. Glavne vrste so 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12 itd. Razvite so bile vrste zlitin za izboljšanje trdnosti, ujemanja žilavosti in tolerance poškodb, kot so zlitine 2024, 2124, 2524, 2324 itd.
Kitajski modeli opreme se razvijajo v smeri lahke teže, dolge življenjske dobe, visoke zanesljivosti in nizkih stroškov ter imajo visoke zahteve glede žilavosti loma, odpornosti proti širjenju razpok in korozijske odpornosti materiala trupne obloge. Na podlagi debele plošče iz aluminijeve zlitine 2024-T351 so tuje države razvile aluminijeve zlitine 2324, 2624 in druge visoko odporne na poškodbe za spodnjo površino kril z različnimi trdnostmi, žilavostjo, utrujenostjo in korozijsko odpornostjo ter dosegle vgradnjo in uporabo. Kitajska razvija visoko odporne aluminijeve zlitine serije 2XXX. V prihodnosti bo kompozitno mikrolegiranje pomembna razvojna smer za visoko trdne aluminijeve zlitine serije Al-Cu-Mg.
Aluminijeva zlitina serije 4XXX
Trenutno se na Kitajskem za avtomobilske bate uporabljajo predvsem evtektične in hipoevtektične zlitine Al-Si. Vendar pa je zaradi nenehnega izboljševanja zahtev glede zmogljivosti motorjev težko izpolniti te zahteve. Hiperevtektična zlitina Al-Si ima nizko gostoto, majhen koeficient linearnega raztezanja, večjo odpornost proti obrabi in prostorninsko stabilnost ter je v primerjavi z evtektičnimi zlitinami Al-Si bolj idealen material za bate. Bati iz hiperevtektičnih zlitin Al-Si se množično proizvajajo v tujini in se uporabljajo v tovornjakih in avtomobilih, kot je zlitina A390 v Združenih državah Amerike, zlitine AC9A in AC8A (ZL109) na Japonskem ter zlitina A390 v Avstraliji. Vendar pa je trenutno na Kitajskem malo proizvajalcev, ki proizvajajo bate iz hiperevtektičnih zlitin Al-Si, večina pa se zanaša na uvoz. Poleg tega obstaja velika razlika med materiali iz aluminijevih zlitin za avtomobilske turbopolnilnike in tujino. Visokozmogljivi materiali iz aluminijevih zlitin za avtomobilske turbopolnilnike se večinoma zanašajo na Japonsko in druge države. Zato je nujno razviti ključne materiale iz avtomobilskih aluminijevih zlitin za visokozmogljive bate in rotorje turbopolnilnikov.
Aluminijeve zlitine serije 5XXX
Zlitine Al-Mg, zlasti zlitine Al-Mg z visoko vsebnostjo Mg, imajo visoko specifično trdnost, dobro varivost in odpornost proti koroziji ter bodo postale zelo konkurenčni materiali v prihodnosti v vesoljski industriji, hitrih vlakih, oceanih in drugih panogah. Trenutno so plošče, profili in varilne žice iz zlitin Al-Mg za vesoljsko industrijo, vlake, oceane in druge aplikacije večinoma odvisne od uvoza. Trg visokokakovostnih varilnih žic v Združenih državah Amerike v bistvu monopolizira ALCOA. Zlitine ER5183 in ER5356 so večinoma odvisne od uvoza, obseg uvoza pa predstavlja približno 70 % njihove prodaje. Zlitine Al-Mg za ladje so večinoma odvisne od Rusije. Konvencionalni ingoti iz zlitin z visoko vsebnostjo Mg imajo dobro razvite dendrite, močno evtektično fazno segregacijo in slabo preoblikovalnost. Trenutne metode obdelave imajo še vedno veliko težav, kot so nizka zmogljivost, slaba navidezna kakovost, dolg postopek, nestabilna kakovost in nizek izkoristek. Subhitro strjevanje in oblikovanje lahko zavirata obarjanje Mg, hkrati pa ju je mogoče regulirati, da dobimo fine enakoosne kristale in nanooborjene faze, kar močno izboljša delovanje in enakomernost materiala. Zato se pričakuje, da bo razvoj tehnologije subhitrega strjevanja, kontinuirnega reološkega ekstrudiranja in valjanja za visokozmogljive zlitine Al-Mg zadostil povpraševanju po visokokakovostnih zlitinah Al-Mg.
Aluminijeve zlitine serije 6XXX
Aluminijeve zlitine serije 6XXX so ključni materiali na področju železniškega prometa, avtomobilov, elektronike itd. Od osemdesetih let prejšnjega stoletja so razvite države in regije, kot so Evropa, Združene države Amerike in Japonska, razvile aluminijeve zlitine za avtomobile, registrirale razrede, kot so 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 in 6082, ter oblikovale relativno celovit proizvodni in uporabni sistem za avtomobilske karoserijske plošče, ekstrudirane dele, odkovke itd. Raziskave in razvoj industrializacije karoserijskih plošč in odkovkov iz aluminijevih zlitin serije 6XXX na Kitajskem so se šele začele in obstaja očitna vrzel. Kitajsko ministrstvo za industrijo in informacijsko tehnologijo je predlagalo razvoj naslednjih aluminijevih zlitin za avtomobilsko industrijo: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022 itd. Tipična aluminijeva zlitina serije 6XXX ima raztezek A50 najmanj 25 %, vrednost r najmanj 0,60, mejo tečenja pri parkiranju 60 dni Rp0,2 najmanj 140 N/mm2 in povečanje meje tečenja pri utrjevanju barve najmanj 80 N/mm2. Razvoj tehnologije načrtovanja, priprave in obdelave aluminijevih zlitin serije 6XXX je zaradi različnih potreb postal neizogiben trend.
Aluminijeve zlitine serije 7XXX
Aluminijeve zlitine serije 7XXX imajo dobro odpornost proti napetostni koroziji in so najmočnejše med aluminijevimi zlitinami. Mednarodno so priznane kot nosilni materiali v letalstvu. Pred kratkim so tuje države razvile zlitino 7055 (Al8Zn-2,05Mg-2,3Cu-0,16Zr), katere meja tečenja v stanju T77511 presega 620 MPa. Uporablja se v letalih Boeing 777 in zmanjšuje težo za 635 kg. Trenutno Kitajska nima sistematičnega načrtovanja zlitin ter tehnologije priprave in obdelave za aluminijeve zlitine serije 7XXX za letalstvo, nekateri izdelki pa so popolnoma odvisni od uvoza. Zaradi velikih ingotov aluminijevih zlitin serije 7XXX z veliko legirnimi elementi, širokim razponom strjevanja, veliko livarsko napetostjo in enostavno oksidacijo/ločevanjem legirnih elementov je metalurška kakovost ingotov slaba, zmogljivost oblikovanja pri sobni temperaturi pa nizka, zato je zelo pomembno razviti nove aluminijeve zlitine serije 7XXX.
Aluminijsko-litijeva (Al-Li) zlitina
Aluminijev-litijeva zlitina je v zadnjih letih najhitreje rastoči lahki material v letalstvu. Ima značilnosti nizke gostote, visokega elastičnega modula, visoke specifične togosti, dobre odpornosti proti utrujenosti in odpornosti proti koroziji. Po zamenjavi običajnih aluminijevih zlitin se lahko masa zmanjša za 10–20 %, togost pa se poveča za 15–20 %. V začetku 21. stoletja je ameriško podjetje ALCOA predstavilo »načrt ALCOA Aviation 20/20« s ciljem zmanjšanja stroškov in teže letalskih aluminijevih zlitin za 20 % v 20 letih. Constellium je razvil aluminijevo-litijevi zlitini 2050 in 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) z nizko gostoto, visoko žilavostjo in visoko toleranco na poškodbe. Na Kitajskem je zelo malo neodvisno razvitih vrst zlitin Al-Li, uporabljena je bila le zlitina 1420. Aluminijev-litijevo zlitino, ki se uporablja v potniškem letalu C919, dobavlja Alcoa. Doma se lahko proizvajajo le omejene vrste zlitin, kot so 1420, 2195, 2197 in 2A97, ingoti pa so le ploščati ingoti pod ((310~400)×1280×4000) mm in okrogli ingoti pod φ650 mm. Ploščati ingoti (2B16) z debelino več kot 60 mm in širino več kot 1500 mm ter ingoti (2B16) s premerom več kot 1500 mm na področju visokokakovostnih letalskih aplikacij še niso industrijsko proizvedeni. Zato je zelo pomembno razviti novo zasnovo aluminijevo-litijeve zlitine, pripravo ultra velikih ingotov in tehnologijo globoke obdelave.
Toplotno odporna aluminijeva zlitina
Toplotno odporne aluminijeve zlitine so ključni osnovni materiali na področju vesoljske in vesoljske industrije, avtomobilov, železniškega prometa itd., saj se z uravnavanjem elementov, kot so Si, Fe, Ni, Ag in redke zemlje, aluminijeve zlitine naredijo odporne na oksidacijo in lezenje pri visokih temperaturah. Tradicionalne toplotno odporne aluminijeve zlitine vključujejo: 2519, 2618, 2219, 2D70 itd. S hitrim razvojem vesoljske in avtomobilske industrije se zahteve za toplotno odporne aluminijeve zlitine povečujejo. Nova generacija lovskih letal ima visoko potovalno hitrost, delovna temperatura obloge trupa pa je nad 150 °C. Trenutno je dolgoročna temperatura uporabe toplotno odpornih aluminijevih zlitin, kot sta 2618 in 2D70, pod 150 °C. Nujno je razviti nove toplotno odporne aluminijeve zlitine.
Zlitina Al-Sc z izjemno nizko vsebnostjo skandija (Sc)
Zlitina Al-Sc ima odlične lastnosti, kot so visoka trdnost, dobra plastičnost in odpornost proti koroziji, ter je po zlitini Al-Li postala nova generacija lahkih materialov za vesoljsko industrijo, ladje itd. Natezna trdnost zlitine Al-Mg, ki vsebuje sledove skandija, je za 30 % višja kot pri zlitini 5083, meja tečenja pa je več kot podvojila. Njena varivost je primerljiva s konvencionalnimi zlitinami serije 5XXX, mehanske lastnosti toplotno prizadetega območja in zvara so približno enake lastnostim matrice, njena korozijska odpornost pa je primerljiva z zlitino 5083. Zamenjava zlitin serije 5XXX ali 6XXX pri izdelavi letalskih komponent lahko doseže znatne učinke zmanjšanja teže, poleg tega pa je odličen material za avtomobile in železniška vozila. Rusija je v ospredju sveta pri razvoju aluminijevih zlitin, ki vsebujejo skandij, in je oblikovala zlitine Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc in Al-Cu-Mg-Sc z vsebnostjo skandija od 0,18 % do 0,5 %. Da bi spodbudili uporabo aluminijevo-skandijevih zlitin v letalstvu in avtomobilizmu, je kitajsko ministrstvo za industrijo in informacijsko tehnologijo aluminijeve zlitine, ki vsebujejo skandij, uvrstilo na seznam novih materialov za prednostni razvoj. Kitajska je bogata z viri skandija in je zgradila proizvodno linijo za ekstrakcijo visoko čistega skandijevega oksida, s čimer je postavila temelje za razvoj aluminijevo-skandijevih zlitin.
Aluminijasta zlitina za vroče žigosanje razreda 500 MPa za avtomobile
Na Kitajskem še vedno ni prostora za vroče žigosanje visokotrdnostnih aluminijevih zlitin. Kombinacija novih materialov in razvoja novih postopkov oblikovanja je učinkovito sredstvo za rešitev problema oblikovanja avtomobilskih delov iz visokotrdnostnih aluminijevih zlitin. Osredotočanje na zlitine serije 7XXX, aktivno raziskovanje zlitin 2XXX in razvoj materialov iz aluminijevih zlitin razreda 500 MPa za vroče žigosanje ponujajo pomembne možnosti za izdelavo avtomobilskih delov kompleksnih oblik.
Kompozitni materiali na osnovi aluminija
Večplastna kompozitna plošča iz aluminija in jekla: Učinkovita povezava med aluminijastimi in jeklenimi palubami je postala ena od omejitev za lažjo težo nadgradenj velikih ladij. Prehodni spoj iz aluminija in jekla, ki se uporablja za varjenje med aluminijastim in jeklenim trupom, ponuja rešitev, ki nadomešča tradicionalni postopek kovičenja. Honda je razvila tehnologijo spajanja jekla in aluminija, ki se bo uporabljala po vsem svetu v serijsko proizvedenih avtomobilskih okvirjih. Trenutno se kompozitni spoji iz aluminija in jekla, ki se uporabljajo na Kitajskem, večinoma uvažajo iz tujine, njihova cena pa znaša tudi do 4×10⁶ CNY/t. Pri prihodnjih velikih ladjah bodo za prehodne spoje potrebne višje temperature varjenja, večje obremenitve ležajev in močnejši vezni vmesniki, zato so nujno potrebni visokozmogljivi spoji iz aluminija in jekla.
Čas objave: 8. marec 2025
