Алюминий и его сплавы: марки, свойства и применение

Алюминий (Al), сегодня являющийся синонимом легкости и технологичности, прошел долгий и тернистый путь от лабораторной редкости до одного из самых востребованных конструкционных материалов в мире. Хотя он и является самым распространенным металлом в земной коре, составляя внушительные 8,8% ее массы (значительно опережая железо с его 4,65%), в чистом виде он в природе не встречается из-за своей высокой химической активности. Его прочные связи в минералах, таких как бокситы, долгое время были непреодолимым барьером для металлургов.

Первый успех в выделении металлического алюминия приписывается датскому физику Гансу Христиану Эрстеду в 1825 году. Однако полученный им металл был загрязнен и не обладал теми свойствами, которые мы ценим сегодня. Лишь спустя два десятилетия, в 1845 году, немецкий химик Фридрих Вёлер получил более чистые образцы. В те времена алюминий был дороже золота и платины; из него изготавливали ювелирные украшения и эксклюзивные столовые приборы для императорских дворов. Революция произошла в 1886 году, когда практически одновременно и независимо друг от друга американец Чарльз Мартин Холл и француз Поль Эру разработали электролитический метод получения алюминия из глинозема. Этот процесс, известный как процесс Холла-Эру, потребовал колоссальных затрат электроэнергии, но открыл дорогу для массового производства. Именно создание мощных электростанций и совершенствование этой технологии превратили алюминий из драгоценности в незаменимый материал для авиации, автомобилестроения, строительства и высоких технологий.

Физико-химические свойства и марки чистого алюминия

Алюминий — это серебристо-белый металл, ключевыми характеристиками которого являются его малая плотность, составляющая всего 2,71 г/см³, и относительно невысокая температура плавления, равная 660 °С. Эти свойства делают его идеальным кандидатом для создания легких и прочных конструкций. В чистом, отожженном состоянии алюминий не может похвастаться высокой прочностью: его предел прочности при растяжении (σ_в) колеблется в диапазоне 80–100 МПа, а твердость по Бринеллю составляет около 25 НВ.

Однако его выдающаяся пластичность позволяет с легкостью подвергать его различным видам обработки давлением, таким как прокатка, ковка или прессование. Применение холодной деформации (нагартовки), например, холодной прокатки, кардинально меняет его механические свойства. Предел прочности (σ_в) может возрасти до 180–250 МПа, а твердость увеличивается до 45–60 НВ. Это явление, известное как деформационное упрочнение, активно используется в промышленности.

В зависимости от степени чистоты, регламентируемой стандартом ГОСТ 11069-2019 «Алюминий первичный. Марки», металл подразделяется на несколько категорий:

• Алюминий высокой чистоты: Марки А995, А99, А97, А95, где содержание примесей варьируется от 0,005% до 0,05%. Этот материал незаменим в полупроводниковой промышленности, ядерной энергетике и для производства специальной химической аппаратуры, где даже малейшие примеси могут критически повлиять на свойства конечного продукта.
• Алюминий технической (промышленной) чистоты: Марки А85, А8, А7, А6, А5, А0, АЕ, с содержанием примесей от 0,15% до 1%. Этот вид алюминия нашел широчайшее применение в электротехнической отрасли для изготовления проводов и кабелей благодаря своей высокой электропроводности, а также служит основной шихтой для производства подавляющего большинства алюминиевых сплавов.

В машиностроении чистый алюминий в качестве конструкционного материала используется ограниченно, уступая место своим гораздо более прочным и функциональным сплавам, которые поставляются на производство преимущественно в виде стандартных чушек.

Преимущества и недостатки алюминиевых сплавов

Как и любой конструкционный материал, алюминиевые сплавы обладают набором сильных и слабых сторон, которые определяют сферы их применения.

Преимущества:

• Высокое соотношение прочности к весу: Это главное достоинство, сделавшее алюминий незаменимым в авиакосмической и транспортной отраслях.
• Коррозионная стойкость: На воздухе алюминий мгновенно покрывается тонкой, но очень прочной и химически инертной оксидной пленкой (Al₂O₃), которая надежно защищает металл от дальнейшего окисления и воздействия многих агрессивных сред.
• Высокая тепло- и электропроводность: Алюминий уступает по этим показателям только меди, но при этом значительно легче и дешевле, что делает его идеальным для радиаторов, теплообменников и электропроводки.
• Технологичность: Сплавы легко поддаются литью, обработке давлением (прокатка, штамповка, прессование), резанию и сварке (при соблюдении определенных технологий).
• Экологичность: Алюминий можно перерабатывать бесконечное количество раз практически без потери качества, при этом на вторичную переработку затрачивается лишь около 5% энергии, необходимой для его первичного производства.
• Нетоксичность и немагнитность: Эти свойства позволяют использовать его в пищевой промышленности, медицине и приборостроении.

Недостатки:

• Относительно невысокая прочность: В сравнении со сталями, даже легированные алюминиевые сплавы имеют более низкие показатели предела прочности и твердости.
• Низкий модуль упругости: Алюминиевые детали более подвержены упругой деформации, что требует особого подхода при проектировании жестких конструкций.
• Склонность к усталости: Некоторые сплавы имеют невысокий предел выносливости, что ограничивает их применение в деталях, подверженных циклическим нагрузкам.
• Высокий коэффициент теплового расширения: Это необходимо учитывать при проектировании узлов, работающих в условиях переменных температур.
• Сложности при сварке: Из-за наличия тугоплавкой оксидной пленки и высокой теплопроводности сварка алюминия требует специального оборудования (например, аргонодуговой сварки) и высокой квалификации сварщика.

Классификация и основы легирования алюминиевых сплавов

Многообразие алюминиевых сплавов можно систематизировать по нескольким ключевым признакам:

1. По технологии изготовления деталей: Это наиболее фундаментальное разделение.
   • Литейные сплавы: Предназначены для получения фасонных отливок сложной формы. Ключевое требование к ним — высокие литейные свойства (жидкотекучесть, малая усадка).
   • Деформируемые сплавы: Предназначены для производства полуфабрикатов (листов, прутков, профилей, поковок) методами пластической деформации. Для них важна высокая пластичность.
2. По способности к упрочнению термообработкой:
   • Неупрочняемые термической обработкой: Их прочность повышается только за счет легирования и холодной деформации (нагартовки).
   • Упрочняемые термической обработкой (термоупрочняемые): Их механические свойства можно кардинально улучшить с помощью закалки и последующего старения.

Основными примесями, даже в легированных сплавах, часто выступают железо (Fe) и кремний (Si). Железо является вредной примесью, так как образует хрупкие игольчатые интерметаллидные соединения (например, Al₃Fe), которые существенно снижают пластичность и вязкость сплава.

Структура алюминиевых сплавов формируется из твердых растворов легирующих элементов в алюминии, эвтектик и интерметаллидных фаз. Ключевыми легирующими элементами, формирующими основу большинства промышленных сплавов, являются медь (Cu), магний (Mg), кремний (Si) и цинк (Zn). Они позволяют не только повысить базовую прочность, но и реализовать эффективные механизмы упрочнения, такие как дисперсионное твердение.

Термическая обработка — ключ к высокой прочности

Термообработка является мощнейшим инструментом для управления структурой и свойствами алюминиевых сплавов. Основные виды термической обработки включают закалку, старение и различные виды отжига.

• Закалка и старение: Это двухступенчатый процесс для термоупрочняемых сплавов.
  1. Закалка: Сплав нагревают до температуры 485–525 °С (конкретный интервал строго зависит от марки сплава). При этой температуре происходит растворение избыточных упрочняющих фаз в алюминиевой матрице, образуя пересыщенный твердый раствор. Критически важно не превысить температуру закалки, чтобы избежать пережога — необратимого оплавления границ зерен. После короткой выдержки деталь максимально быстро охлаждают, как правило, в воде, чтобы «заморозить» нестабильное состояние пересыщенного раствора.
  2. Старение: После закалки сплав находится в нестабильном состоянии и стремится к равновесию. Этот процесс называется старением и заключается в выделении из пересыщенного раствора мельчайших дисперсных частиц упрочняющих фаз. Именно эти частицы блокируют движение дислокаций в кристаллической решетке, что и приводит к резкому росту прочности и твердости.
     • Естественное старение протекает при комнатной температуре и может длиться от нескольких суток до нескольких недель.
     • Искусственное старение проводится при повышенных температурах (150–200 °С) в течение 10–24 часов, что значительно ускоряет процесс и позволяет достичь более высоких прочностных характеристик.

     При оптимально подобранных режимах закалка и старение способны увеличить прочность сплава более чем в два раза.

• Отжиг: Эта операция применяется для приведения сплава в более равновесное и пластичное состояние.
  • Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг: Применяется к слиткам перед обработкой давлением. Длительный нагрев при 450–520 °С устраняет дендритную ликвацию (неоднородность химического состава, возникшую при кристаллизации), делая структуру более однородной.
  • Рекристаллизационный отжиг: Проводится для снятия наклепа (нагартовки) после холодной деформации. Нагрев до 350–500 °С запускает процесс рекристаллизации, формируя новую, мелкозернистую структуру и восстанавливая пластичность металла.
  • Отжиг для разупрочнения: Применяется к закаленным сплавам, если необходимо снизить их твердость (например, перед правкой или штамповкой). Нагрев до 350–460 °С с выдержкой 1,5–2 часа приводит к полному распаду пересыщенного твердого раствора и коагуляции (укрупнению) упрочняющих фаз, что возвращает сплав в мягкое состояние.

Литейные алюминиевые сплавы (ГОСТ 1583-93)

Сплавы, предназначенные для изготовления фасонных отливок, должны обладать, в первую очередь, превосходными литейными свойствами. Их маркировка, согласно ГОСТ 1583-93 «Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия», строится по определенному принципу. Буква «А» в начале указывает на алюминиевую основу. Последующие буквы обозначают основные легирующие элементы:

• К — кремний;
• М — медь;
• Н — никель;
• Ц — цинк;
• Су — сурьма;
• Мг — магний;
• Кд — кадмий;
• Мц — марганец.

Цифры после букв указывают среднее процентное содержание элемента. Дополнительные буквы в конце марки несут следующую информацию:

• «ч» — чистый;
• «пч» — повышенной чистоты;
• «оч» — особой чистоты;
• «л» — литейный (часто используется для сплавов, имеющих деформируемые аналоги);
• «с» — селективный (отобранный по составу);
• «р» — рафинированный (добавляется после марки).

Основные группы литейных сплавов:

Промышленность использует пять основных систем литейных алюминиевых сплавов:

1. Сплавы системы Al–Si (силумины): Марки АК12, АК13, АК9, АК7 и их модификации. Это самая распространенная и технологичная группа. Силумины обладают наилучшими литейными свойствами, особенно эвтектические (АК12), что позволяет отливать из них тонкостенные детали сложнейшей конфигурации. Они имеют хорошую коррозионную стойкость. Применяются повсеместно: от блоков цилиндров двигателей и картеров до корпусов бытовой техники.
2. Сплавы системы Al–Cu–Si (алькусины): Марки АК5М, АК8М3, АК9М2 и др. Добавка меди к силуминам существенно повышает их прочность, твердость и жаропрочность, а также значительно улучшает обрабатываемость резанием. Эти сплавы используются для изготовления нагруженных деталей, работающих при повышенных температурах, таких как поршни, головки блоков цилиндров.
3. Сплавы системы Al–Cu: Марки АМ5, АМ4,5Кд. Обладают высокой прочностью и жаропрочностью, но их литейные свойства и коррозионная стойкость ниже, чем у силуминов. Применяются для относительно небольших, но высоконагруженных деталей машин и приборов, работающих в условиях статических и ударных нагрузок.
4. Сплавы системы Al–Mg: Марки АМг5К, АМг6л, АМг10. Их главные козыри — малая плотность в сочетании с высокой прочностью и исключительной коррозионной стойкостью, в том числе в морской воде. Это делает их незаменимыми в судостроении для изготовления палубной арматуры, корпусов приборов и других деталей, эксплуатируемых в агрессивных средах. Однако они плохо работают при повышенных температурах и имеют худшие литейные свойства.
5. Сложнолегированные сплавы: Марки АК7Ц9, АК9Ц6. Содержат несколько легирующих элементов (например, цинк), что придает им специфические свойства: повышенную прочность, стабильность размеров. Используются для ответственных отливок, работающих под высоким давлением.

Механические свойства литейных сплавов сильно зависят от состава и режима термообработки. Твердость может варьироваться от 500 до 1000 НВ (50-100 HB), а предел прочности σ_в — от 130 до 360 МПа. Максимальная рабочая температура для большинства промышленных сплавов не превышает 300–350 °С.

Особенности технологии плавки

При работе с алюминиевыми расплавами необходимо учитывать две их ключевые особенности: высокую склонность к поглощению газов (особенно водорода) и легкую окисляемость. Растворенный в расплаве водород при кристаллизации выделяется, образуя газовую пористость, которая губительна для механических свойств отливки. Оксид алюминия (Al₂O₃), попадая в расплав, формирует твердые неметаллические включения, также снижающие прочность. Для борьбы с этими явлениями применяют комплекс мер:

• Плавку ведут под слоем защитных покровных флюсов.
• Перед заливкой в форму расплав подвергают рафинированию (очистке от примесей) и дегазации путем продувки инертными газами (азотом, аргоном) или активными газами (хлором).
• Для получения мелкозернистой структуры и улучшения свойств применяют модифицирование — введение в расплав малых доз специальных веществ (например, солей натрия, фтора).

Деформируемые алюминиевые сплавы

К этой обширной группе относятся сплавы, предназначенные для производства изделий методами пластической деформации (прокатка, прессование, ковка, штамповка, волочение). Стандарт, регламентирующий марки и химический состав многих из них, — ГОСТ 4784-2019 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки». Они также делятся на неупрочняемые и упрочняемые термообработкой.

Неупрочняемые деформируемые сплавы

Это сплавы систем Al–Mn (АМц) и Al–Mg (АМг2, АМг6). Они характеризуются высокой пластичностью, отличной коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. Упрочнение достигается только легированием и нагартовкой. Используются в отожженном (мягком), полунагартованном и нагартованном (упрочненном) состояниях. Из них изготавливают сварные емкости для жидкостей, трубопроводы, элементы строительных конструкций, детали вагонов и кораблей.

Упрочняемые деформируемые сплавы

Эта категория включает в себя наиболее прочные алюминиевые сплавы, разделяемые по назначению:

• Сплавы нормальной прочности (дуралюмины): Система Al–Cu–Mg, маркируемая буквой «Д» (например, Д1, Д16). Это «классика» авиационных материалов. Добавки марганца улучшают их коррозионную стойкость и механические свойства. Дуралюмины упрочняются закалкой с последующим старением. Они широко применяются в авиации: из Д1 изготавливают лопасти винтов, из Д16 — силовые элементы фюзеляжа и крыльев, а Д18 — заклепки.
• Высокопрочные сплавы: Система Al–Zn–Mg–Cu (марки В95, В96). Это самые прочные из алюминиевых сплавов, их предел прочности σ_в после термообработки может достигать 600–700 МПа, что сопоставимо с некоторыми сталями. Однако они более чувствительны к концентраторам напряжений и коррозии под напряжением. Для защиты их поверхность часто плакируют чистым алюминием. Основное применение — тяжелонагруженные конструкции в современном авиастроении.
• Жаропрочные сплавы: Марки АК4-1 и другие. Имеют сложный химический состав, легированы медью, железом, никелем, титаном, которые формируют стабильные при высоких температурах упрочняющие фазы. Они способны сохранять прочность при температурах до 300 °С и выше. Применяются для изготовления деталей турбокомпрессоров, обшивки сверхзвуковых самолетов, поршней ДВС.
• Сплавы для ковки и штамповки (ковочные): Система Al–Cu–Mg с добавками кремния (АК6, АК8). Отличаются высокой пластичностью в горячем состоянии (при 450–475 °С), что позволяет изготавливать из них сложные по форме поковки и штамповки (шатуны, лопатки, кронштейны), которые затем подвергаются закалке и старению для достижения высокой прочности.

Сравнительная таблица характеристик сплавов

Таблица 1. Сравнение литейных и деформируемых алюминиевых сплавов

Применение и свойства конкретных марок сплавов

Таблица 2. Области применения некоторых литейных алюминиевых сплавов

Таблица 3. Химический состав некоторых деформируемых алюминиевых сплавов

Таблица 4. Механические свойства некоторых деформируемых алюминиевых сплавов

Интересные факты об алюминии

• Драгоценность для императора: В середине XIX века алюминий ценился выше золота. Император Франции Наполеон III заказал себе столовый сервиз из алюминия, который подавали самым почетным гостям, в то время как остальные ели из золотой и серебряной посуды.
• Вершина монумента Вашингтона: Наконечник знаменитого монумента в Вашингтоне, установленный в 1884 году, сделан из цельного куска алюминия весом 2,8 кг. На тот момент это был самый большой кусок литого алюминия в мире.
• Вечный металл: Почти 75% всего когда-либо произведенного в мире алюминия используется до сих пор благодаря его практически бесконечному циклу переработки.
• Космический отражатель: Благодаря своей способности отражать до 92% видимого света и около 98% инфракрасного излучения, алюминий используется в телескопах, космических одеялах и защитных покрытиях спутников.
• Пиво и самолеты: Для производства одного истребителя F-16 требуется около 1,5 миллиона алюминиевых банок из-под напитков.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем принципиальная разница между силумином и дуралюмином?

Это два абсолютно разных типа сплавов. Силумин (например, АК9) — это литейный сплав системы Al-Si, предназначенный для создания сложных деталей методом литья. Он технологичен, но относительно хрупок. Дуралюмин (например, Д16) — это деформируемый сплав системы Al-Cu-Mg, который используется для производства высокопрочных полуфабрикатов (листов, профилей) прокаткой или прессованием. Он значительно прочнее и пластичнее силумина.

Почему алюминий не ржавеет, как железо?

На поверхности алюминия мгновенно образуется очень тонкая (несколько нанометров), прозрачная и чрезвычайно прочная пленка оксида алюминия Al₂O₃. Эта пленка, в отличие от рыхлой ржавчины на железе, является диэлектриком и химически инертна. Она надежно изолирует металл от дальнейшего контакта с кислородом и влагой, предотвращая коррозию. Этот процесс называется пассивацией.

Что такое анодирование алюминия?

Анодирование — это электрохимический процесс, при котором на поверхности алюминиевой детали искусственно утолщают естественную оксидную пленку до десятков микрон. Это позволяет не только многократно повысить коррозионную и износостойкость, но и окрашивать поверхность в различные цвета, так как анодный слой имеет пористую структуру, способную впитывать красители.

Насколько экологично производство алюминия?

Здесь двойственная ситуация. Первичное производство алюминия из бокситов чрезвычайно энергозатратно (процесс Холла-Эру). Однако вторичная переработка алюминиевого лома требует всего 5% от этой энергии, что делает его одним из самых «зеленых» материалов с точки зрения жизненного цикла. Поэтому сбор и переработка алюминиевой тары и лома имеют огромное экономическое и экологическое значение.

Можно ли сваривать все алюминиевые сплавы?

Нет, не все. Легко свариваются неупрочняемые деформируемые сплавы (АМц, АМг). Сварка термоупрочняемых сплавов (Д16, В95) представляет большую сложность. Локальный нагрев в зоне сварного шва разрушает эффект от термообработки, приводя к резкому падению прочности в околошовной зоне. Для таких конструкций чаще применяют клепку или болтовые соединения.

Заключение: перспективы развития алюминиевых сплавов

Алюминий и его сплавы продолжают оставаться в авангарде конструкционных материалов, и их роль в будущем будет только возрастать. Современная наука и инженерия сосредоточены на нескольких ключевых направлениях. Во-первых, это создание новых высокопрочных и жаропрочных сплавов, легированных такими элементами, как литий (Al-Li сплавы для авиации, обладающие пониженной плотностью и повышенным модулем упругости) и скандий, который является мощнейшим модификатором структуры. Во-вторых, это развитие аддитивных технологий — 3D-печати алюминиевыми порошками, что открывает безграничные возможности для создания бионических и оптимизированных по весу конструкций сложнейшей формы. В-третьих, на фоне глобального тренда на снижение веса транспортных средств для повышения их энергоэффективности, алюминий становится ключевым материалом в производстве электромобилей. Наконец, совершенствование технологий сортировки и переработки лома будет и дальше повышать экономическую и экологическую привлекательность этого уникального «крылатого металла».

• Об авторе
• Недавние публикации

Александр Лавриненко

Ведущий инженер-технолог и эксперт по производственной оптимизации в Современные технологии производства

Александр Лавриненко — инженер-технолог с более чем 25-летним опытом в машиностроении, энергетике, строительстве и автоматизации производства. Получил степень магистра в области металлургии в МГТУ, специализируясь на современных методах обработки металлов и аддитивных технологиях.
Регулярно публикую материалы о передовых методах обработки и сварки материалов, а также освещаю новинки в сфере производства,материаловедения, строительства и др.

Александр Лавриненко недавно публиковал (посмотреть все)

• Технологии автоматизации в обработке давлением: валковые подачи, ГПМ, обрабатывающие центры и линии резки. - 09.09.2025
• Современное гибочное оборудование: технологии, виды, применение - 09.09.2025
• Оборудование и технологии листовой штамповки для мелкосерийного производства - 09.09.2025