Сплав алюминия и стали: Алюминиевые сплавы — марки, свойства и применение

Содержание

Разница между стальной и алюминиевой системой

Навесные вентилируемые фасады

проектирование | производство | монтаж

Партнеры

Сталь материал хорошо известный. Алюминий – материал современный, легкий, но в то же время прихотливый. При использовании фасадных подсистем из алюминиевого сплава, необходимо четко выполнять ряд требований, выдвигаемых алюминием. В условиях суровых российских реалий строительства, которые с кризисом стали еще более суровыми, когда монтажники подешевле, крепеж попроще, а строить надо побыстрее — выполнить эти требования сложно. Рассмотрим то, о чем умалчивают продавцы алюминиевых подсистем, но то, о чем описано в их каталогах технических решений.
1. Сталь имеет более низкий коэффициент термического расширения по сравнению с алюминием. При перепаде температур от –20 до +50 градусов нержавеющая 3х метровая направляющая удлиняется на 2мм, в то время как алюминиевая на 5-6мм.
Поэтому в алюминиевых системах предусмотрен целый ряд подвижных соединений и термических швов. В стальных системах все соединения – фиксированные, более простые и надежные. Элементы системы работают в зоне упругих деформаций.
2. В стальной системе все кронштейны являются несущими. Поэтому вес облицовки равномерно распределяется по всем кронштейнам на направляющей (в двухконтурной системе – по массиву кронштейнов). Все точки крепления – жесткие, с помощью вытяжных заклепок или саморезов.
Напомним, что в алюминиевых фасадных системах кронштейны обязательно разделяются на несущие и ветровые. Причем весь вес 3х метровой направляющей с облицовкой должен нести один несущий кронштейн.
3. Остальные – работают только на ветровые нагрузки. Для подвижного крепления направляющей к ветровому кронштейну в последнем предназначены продолговатые отверстия. Для создания подвижного соединения положено использовать вытяжные заклепки (не саморезы!). Кроме этого, точка крепления заклепки должна меняться в зависимости от температуры окружающего воздуха, при которой происходит монтаж.

В условиях реальной стройки много ли монтажников изучают каталоги технических решений? А сколько выполняют предписания? (рисунки- ветровые-несущие кронштейны, точка крепления, температура).
В стальных системах вентилируемых фасадов используется недорогой, однородный с фасадной системой крепеж. Это оцинкованные стальные заклепки и саморезы для систем из оцинкованной стали и нержавеющие заклепки для систем из нержавеющей стали. Кляймер всегда крепится нержавеющими заклепками.
В алюминиевых подсистемах теоретически положено использовать крепеж из нержавеющей стали или алюминиевые вытяжные заклепки. У нержавеющих заклепок есть, с точки зрения монтажника, три больших недостатка. Нержавеющая заклепка стоит в четыре раза дороже самореза, установка заклепки занимает в три раза больше времени, чем самореза, для установки нержавеющей заклепки надо иметь дорогой инструмент (800евро). Поэтому очень часто вытяжные заклепки заменяются на… оцинкованные саморезы. Электролитическая пара металл-алюминий говорит сама за себя.
Предел прочности алюминиевого сплава АД31 20кг/мм.кв, против 54кг/мм.кв. у стали. Сталь имеет в 2,5 раза большую несущую способность, чем алюминий. Поэтому в стальных системах применяются детали в 2 раза тоньше, чем в алюминиевых. Это позволяет сэкономить вес.
Стальные фасады пожароустойчивые. Температура плавления стали 1800 градусов. Прессованного алюминия 600-700 градусов. Как показывают испытания, температура во время пожара может достигать 900 градусов на отдельных участках фасада, что может привести к расплавлению алюминия. Для противодействия этому в алюминиевых системах положено устраивать противопожарные отсечки. Это ведет к удорожанию алюминиевого вентилируемого фасада.

Сталь имеет теплопроводность в 4 раза меньшую, чем алюминий. Теплопроводность алюминия 220 Вт/(мºС), нержавеющей и оцинкованной стали 40 и 45 Вт/(мºС) соответственно. Таким образом, кронштейны в алюминиевых системах вентилируемых фасадов являются большими мостиками холода. Российские коллеги подсчитали, что для равного утепления фасад, при использовании алюминиевой подсистемы необходимо закладывать на 20мм толще утеплитель.

Теплопроводность алюминиевых сплавов в 5,5 раз выше, чем у нержавеющей стали. Поэтому для исключения возможности образования мостиков холода в местах крепления кронштейнов к стене, в алюминиевых подсистемах используется терморазрывы толщиной 10 мм (в стальных 2мм), что негативно сказывается на надёжность узла крепления кронштейн-стена, так как головка анкера работает в знакопеременных температурах, что приводит к коррозии самого нагруженного элемента НВФ — анкера. Также наличие в таком ответственном узле пластикового элемента большой толщины не повышает общей надёжности системы.

Стоимость стальной фасадной системы – немаловажный для заказчика фактор. Фасадные системы из оцинкованной стали – хороший компромисс между ценой и качеством. Стальная двухконтурная система навески вентилируемого фасада дешевле алюминиевой одноконтурной уже изначально, при расчете на глухую стену. Учитывая преимущества, которые дает двухконтурность разница в цене может быть двойная.

Сплавы алюминия

Алюминий – самый распространенный металл в земной коре и 13-й элемент в таблице Менделеева. Получают его путем электролиза оксида Al2O3.

Алюминий мягкий и легкий, устойчив к коррозии, плавится при 660 °С, имеет высокую тепло- и электропроводность, серебристо-белый цвет, малую плотность и хорошие прочностные характеристики. Алюминий и сплавы на его основе хорошо поддаются обработке, холодной и горячей деформации.

Какие бывают сплавы алюминия

По принципу использования сплавы алюминия делятся на 2 группы:

Деформируемые – при нагреве они приобретают высокую пластичность, хорошо поддаются обработке давлением. Получают их путем добавления в алюминий растворимых в нем легирующих компонентов. Основные из них – Cu, Mn, Mg, Zn, в небольших количествах вводятся Si, Fe, Ni и другие элементы.
Литейные – отличаются жидкотекучестью, применяются для фасонного литья заготовок. Для усиления литейных характеристик легируются кремнием.

В зависимости от использования термообработки различают термически упрочняемые и не упрочняемые сплавы. Кроме технически чистого алюминия, для получения сплавов на его основе используются силумины – двойные сплавы с кремнием (10–13% Si) и дополнительными примесями Fe, Ca, Ti, Mn (общее содержание 0,5–1,7%).

В зависимости от используемых легирующих элементов различают:

Сплавы	Свойства
Al-магниевые	Пластичность, хорошая свариваемость, устойчивость к коррозии, высокая усталостная прочность. Содержат до 6% Mg – чем больше, тем прочнее материал.
Al-марганцевые	Прочность, пластичность, стойкость к коррозии, хорошая свариваемость. Легируются Ti, Fe, Si.
Алькусины – Al-Cu-Si	Твердость, отличные технические характеристики. Используются для производства блоков цилиндров и втулочных подшипников.
Al-медные	В термоупрочненном состоянии имеют превосходные механические свойства, но склонны к коррозии, нуждаются в защитных покрытиях. Легируются Si для придания способности к искусственному старению, Fe и Ni для усиления жаропрочности, Mn и Mg для повышения прочности и предела текучести.
Силумины – Al-кремниевые	Легируются Na или Li. Имеют выраженные литейные свойства. Востребованы при декоративном литье, производстве частей бытовых приборов и корпусов механизмов.
Al-Zn-Mg	Прочность, податливость обработке, подверженность коррозии при механическом напряжении – устраняется добавлением в состав меди.
Авиаль – Al-Mg-Si с добавлением Mn, Cu, Cr.	Пластичность, устойчивость к коррозии (повышается при снижении содержания меди до 0,1%). Авиаль подвергается искусственному состариванию и термоупрочнению путем выделения Mg2Si. Используется для изготовления корпусов смартфонов, штампованных и кованых изделий сложной геометрии.

Марки алюминия и его сплавов

Первичный алюминий, используемый для переплавки с целью получения сплавов, бывает:

Высокой чистоты (˃99,95% Al) – используется для получения спецсплавов авиационного и космического назначения. Включает марки А95, А97, А98, А99, А995. Числовое обозначение в маркировке обозначает сотые доли в процентном содержании алюминия.
Технической чистоты (99–99,85% Al) – применяется для производства сплавов общего назначения. Включает марки А0, А35, А5, А5Е, А6, А7Э, А7Е, А7, А8, А85.

Альтернативный вариант маркировки первичного алюминия – в виде обозначения Pxxxx, где указано предельное содержание кремния и железа в сотых долях процента. Например, Р0506 – первичный Al с содержанием до 0,05% Si и 0,06% Fe.

Сплавы на основе алюминия маркируются по ГОСТ 4784-97 при помощи условных обозначений:

А – технический Al;
АВ – авиаль;
Д – дюраль;
АК – ковкий;
В – высокой прочности;
АЛ – литейный;
АМг – с магнием;
АМц – с марганцем;
САП и САС – спеченные порошки и сплавы.

Далее в маркировке указывается номер марки и литера, отражающая состояние сплава:

М – мягкий, отожженный;
Т – подверженный закалке и естественному состариванию;
Т1 – подверженный закалке и искусственному состариванию при 135–180 °С;
П – полунагартованный;
Н – нагартованный;

А – плакированный, с нанесением чистого слоя Al;
ПЧ, Ч – содержащий примеси.

Применение

Алюминиевые сплавы востребованы в автомобилестроении, самолетостроении, машиностроении, судостроении, электротехнике, пищевой промышленности, энергетической и строительной отрасли. Они используются для изготовления зеркал, фольги, проводников, бижутерии, столовых приборов, посуды. Из алюминия производят пистолеты, автоматы и другое стрелковое оружие, а в ракетной технике он используется в составе топлива.

Литейные и деформируемые сплавы Al

	Литейные	Деформируемые
Марки	Силумины Al-Si: АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ34. Хорошо поддаются литью, сварке, анодированию, резке. Дюрали Al-Cu. Сплавы АМг.	Технический. Дюраль с Cu и Mg – Д1, Д2, Д19, Д21. Сплавы АМц. Высокопрочные сплавы с Mg, Zn, Cu – В92, В95. Авиаль АД 31, АД35, АД38. ВАД23. АМг6 и другие магниевые сплавы. Жаропрочные серии АК.
Технология производства	Расплавленный металл подается в литейную форму, соответствующую параметрам создаваемого изделия.	Изначально производятся в виде слитков, а в дальнейшем – приобретают необходимую форму при помощи обработки давлением. Для получения листов и фольги выполняется прокатка. Для получения труб, прутков, профилей – прессование. Сложные детали создают формовкой, а для улучшения механических характеристик – ковкой.

Компания «Металлист» выполняет комплекс услуг по обработке алюминия и его сплавов:

лазерная резка металла;
пробивка металла;
перфорация алюминия;
гибка металла;
слесарные работы по металлу;
порошковая покраска металла.

Наша компания является одним из крупнейших в Северо-Западном регионе металлообрабатывающим предприятием.

Этот новый сверхпрочный алюминиевый сплав может соперничать по прочности с нержавеющей сталью – исследование Purdue

25.01.2018 |

Исследователи продемонстрировали, как создать сверхпрочный алюминиевый сплав, который может соперничать по прочности с нержавеющей сталью, что является шагом вперед с потенциальным промышленным применением.

«Большинство легких алюминиевых сплавов мягкие и по своей природе обладают низкой механической прочностью, что препятствует их более широкому промышленному применению», — говорит Синхан Чжан, профессор Школы материаловедения Университета Пердью. «Однако высокопрочные и легкие алюминиевые сплавы с прочностью, сравнимой с нержавеющей сталью, произвели бы революцию в автомобильной и аэрокосмической промышленности».

Новое исследование показывает, как изменить микроструктуру алюминия, чтобы придать ему большую прочность и пластичность. Результаты были подробно описаны в двух новых исследовательских работах. Работой руководила группа исследователей, в которую входили научный сотрудник Purdue с докторской степенью Сычуан Сюэ и докторант Цян Ли.

Последняя статья была опубликована в Интернете 22 января в журнале Advanced Materials. Более ранняя статья была опубликована в ноябре в журнале Nature Communications.

Новый высокопрочный алюминий стал возможен благодаря введению «дефектов упаковки» или искажений в кристаллической структуре. Хотя их легко получить в таких металлах, как медь и серебро, их трудно внедрить в алюминий из-за его высокой «энергии дефекта упаковки».

Кристаллическая решетка металла состоит из повторяющейся последовательности атомных слоев. Если один слой отсутствует, говорят, что это ошибка укладки. При этом могут образовываться так называемые «двойные границы», состоящие из двух слоев дефектов упаковки. По словам Чжана, особенно многообещающим является один тип дефекта упаковки, называемый фазой 9R.

«Было показано, что двойниковые границы трудно внедрить в алюминий. Формирование фазы 9R в алюминии еще сложнее из-за его высокой энергии дефекта упаковки», — говорит Чжан. «Вы хотите представить как наноблизнецы, так и 9R-фаза в нанозернистом алюминии для повышения прочности и пластичности, а также улучшения термической стабильности».

Видео на YouTube доступно по адресу

Теперь исследователи научились легко получать эту фазу 9R и нанодвойники в алюминии.

«Эти результаты показывают, как изготавливать алюминиевые сплавы, которые сравнимы или даже прочнее нержавеющей стали», — говорит он. «Эта находка может иметь большое коммерческое значение».

Сюэ — ведущий автор статьи в Nature Communications, в которой впервые сообщается о «вызванном шоком» 9R-фаза в алюминии. Исследователи бомбардировали ультратонкие алюминиевые пленки крошечными микроснарядами диоксида кремния, получая фазу 9R.

«Здесь, используя методику испытаний на удар лазерным снарядом, мы обнаружили деформационную фазу 9R шириной в десятки нанометров, — говорит Сюэ.

Испытания микроснарядов проводились исследовательской группой Университета Райса под руководством профессора Эдвина Л. Томаса, соавтора статьи, опубликованной в Nature Communications. Лазерный луч заставляет частицы выбрасываться со скоростью 600 метров в секунду. Эта процедура значительно ускоряет контрольные испытания различных сплавов на ударопрочность.

«Скажем, я хочу просмотреть много материалов за короткое время, — говорит Чжан. «Этот метод позволяет нам делать это с гораздо меньшими затратами, чем это возможно в противном случае».

Ли является ведущим автором статьи Advanced Materials, в которой описывается, как индуцировать фазу 9R в алюминии не ударом, а путем введения атомов железа в кристаллическую структуру алюминия с помощью процедуры, называемой магнетронным распылением. Железо также может быть введено в алюминий с помощью других методов, таких как литье, и новое открытие потенциально может быть использовано в промышленных целях.

Полученные в результате «нанодвойные» покрытия из алюминиево-железного сплава оказались одним из самых прочных когда-либо созданных алюминиевых сплавов, сравнимым с высокопрочными сталями.

«Моделирование молекулярной динамики, выполненное группой профессора Цзянь Ванга в Университете Небраски, Линкольн, показало, что фаза 9R и нанозерна обеспечивают высокую прочность и способность к упрочнению, а также выявили механизмы образования фазы 9R в алюминии», — говорит Чжан. «Понимание новых механизмов деформации поможет нам разработать новые высокопрочные пластичные металлические материалы, такие как алюминиевые сплавы».

Одним из потенциальных применений может быть разработка износостойких и коррозионностойких покрытий из алюминиевого сплава для электронной и автомобильной промышленности.

Исследование в основном финансировалось Управлением фундаментальных энергетических наук, Отделом материаловедения и инженерии Министерства энергетики США. Исследователи подали заявку на патент через Управление коммерциализации технологий Purdue Research Foundation.

Просвечивающая электронная микроскопия для исследования была поддержана новым микроскопом FEI Talos 200X под руководством Хайяна Вана, профессора инженерии Бэзила С. Тернера в Purdue; а работа по «сжатию микростолбиков in situ» в сканирующих электронных микроскопах была поддержана Центром микроскопии естественных наук Purdue, возглавляемым Кристофером Дж. Гилпином, директором объекта. Эти передовые средства микроскопии стали возможными благодаря поддержке офиса исполнительного вице-президента Purdue по исследованиям и партнерству.

В состав группы входили исследователи из Школы материаловедения Purdue, факультета материаловедения и наноинженерии Университета Райса, факультета инженерной физики Университета Висконсин-Мэдисон, Государственной ключевой лаборатории композитов с металлической матрицей, Школы материаловедения и Инженерия в Шанхайском университете Цзяо Тонг, факультет материаловедения и инженерии Китайского нефтяного университета, Калифорнийского технологического института, Университета штата Луизиана и Университета Небраски-Линкольн. Полный список соавторов доступен в аннотациях.

Автор: Эмиль Венере, http://bit.ly/2rZvtK1

Какой металл лучше всего подходит для вашего продукта?

Выбор основного материала для вашего проекта является жизненно важным решением, и вы должны тщательно взвесить варианты. Но с таким большим выбором поиск идеального материала может стать ошеломляющим.

Если вы находитесь в процессе разработки металлического изделия, сталь и алюминий, вероятно, приходили вам в голову в качестве возможных металлов для использования. Это неудивительно, поскольку это два наиболее широко производимых металла в мире.

В этой статье сравниваются некоторые основные свойства стали и алюминия и упоминаются некоторые типичные области применения каждого из них.

Содержание

Алюминий и сталь: факторы, которые следует учитывать

Несмотря на то, что существует множество различных сталей и алюминиевых сплавов, каждый из которых обладает своими специфическими свойствами, между этими двумя металлами есть некоторые ключевые различия. В этом разделе сравниваются некоторые из наиболее важных физических характеристик стали и алюминия.

Вес

Если вы спросите кого-нибудь, какой металл легче, большинство людей правильно ответят: алюминий. Высокая прочность стали достигается за счет гораздо более высокой плотности. На самом деле, для двух кусков одинакового объема сталь может быть в три раза тяжелее алюминия.

Прочность

Прочность часто является одним из первых свойств, учитываемых при выборе материала, особенно в условиях высоких нагрузок. Вообще говоря, сталь прочнее алюминия. Тем не менее, если учесть в уравнении более легкий вес алюминия, алюминий выходит на первое место с превосходным соотношением прочности к весу.

Определение того, какой металл имеет лучшую прочность для вашего применения, будет зависеть от гибкости вашей конструкции. Например, более крупная алюминиевая деталь может обеспечить большую прочность при меньшем весе, чем стальная альтернатива.

Ковкость

Другим недостатком высокой прочности стали является то, что из нее труднее обрабатывать различные формы, чем из алюминия, особенно если форма сложная. Это можно в некоторой степени преодолеть, нагрев сталь до очень высоких температур, но это увеличивает стоимость и может ухудшить другие свойства. С другой стороны, алюминий относительно легко формуется как в холодном, так и в горячем состоянии, и он идеально подходит для производственных процессов, таких как экструзия и прокатка.

Теплопроводность

Алюминий, как правило, является гораздо лучшим проводником тепла, чем сталь, и часто используется в приложениях, где требуется рассеивание или распределение тепла, например, в радиаторах.

Коррозионная стойкость

Обычная углеродистая сталь имеет плохую коррозионную стойкость. Он легко ржавеет и будет продолжать разъедать при воздействии элементов. Алюминий, с другой стороны, образует на своей поверхности защитный оксидный слой, который действует как инертный барьер против дальнейшего окисления. Пока алюминий не подвергается воздействию окружающей среды, вызывающей его разрушение, он будет продолжать обеспечивать превосходную коррозионную стойкость.

Стоит отметить, что сталь можно сделать очень устойчивой к коррозии, если в ее легирующие элементы будет включено не менее 11% хрома, что делает ее «нержавеющей сталью». Однако нержавеющая сталь дороже, чем обычная углеродистая сталь, и это может повлиять на другие физические свойства стали.

Стоимость

Стоимость материала, естественно, будет важным фактором при выборе материала для вашего проекта. Поскольку цена на оба этих металла будет колебаться в зависимости от рынка и конкретного сплава, трудно сказать, что один из них будет дешевле другого в каждом контексте. Однако общепризнано, что углеродистая сталь в пересчете на фунт обычно дешевле, чем сопоставимый алюминиевый сплав.

Сравнение физических свойств

В следующей таблице сравниваются конкретные значения физических свойств стали и алюминия. Для этой цели мы сравнили среднеуглеродистую сталь и обычный алюминиевый сплав.

Собственность	Среднеуглеродистая сталь	Общий алюминиевый сплав
Плотность	7,75 – 7,89 г/куб. см	0,0160 – 3,63 г/куб.см
Предел текучести при растяжении	245 – 1740 МПа	1,24 – 730 МПа
Коррозионная стойкость	Плохой	От хорошего до отличного
Теплопроводность	21,9 – 52,0 Вт/м-К	1,48 – 255 Вт/м·К
Пластичность	От умеренного до хорошего	От хорошего до отличного

Применение для алюминия и стали

При выборе между сталью и алюминием для вашего конкретного проекта знание общих областей применения каждого из них может быть очень полезным. В следующей таблице показано наиболее распространенное использование этих металлов в различных отраслях промышленности.

Промышленность	Сталь	Алюминий
Инфраструктура	• Стальная арматура в бетонных конструкциях, таких как мосты и парки • Стальные опоры и балки	• Архитектурные и отделочные работы, такие как боковые панели • Оконные и дверные рамы, желоба и перила
Механическое оборудование	• Тракторы, бульдозеры и краны • Прокатные станы • Ручные инструменты, такие как молотки и лопаты	• Трубопровод • Некоторые резервуары для хранения
Транспорт	• Рамы автомобилей • Приводы • Подвески	• Фюзеляж, крылья и опорная конструкция самолета • Кузов автомобиля и колеса • Автомобильные двигатели
Бытовая техника	• Стиральные машины и сушилки • Духовки	• Корпуса и рамы приборов • Кофеварки и миксеры
Спортивное снаряжение	• Снаряжение для скалолазания • Головки клюшек для гольфа • Велосипедные цепи, зубья и тросы • Оборудование для тяжелой атлетики	• Велосипедные рамы, колеса и руль • Лыжные палки • Бейсбольные биты

Что выбрать: сталь или алюминий для вашего проекта?

Выбор стали или алюминия для вашего проекта в конечном итоге зависит от характеристик вашего проекта, процесса формования и вашего бюджета.