Алюминий 2018: Состав, Свойства, Прутковая Закалка и Области Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Обзор
Сплав 2018 относится к серии алюминиевых сплавов 2xxx, которая характеризуется использованием меди в качестве основного легирующего элемента. Семейство 2xxx известно высокой прочностью, достигаемой методом искусственного старения, и сплав 2018 обычно содержит повышенное содержание меди, а также контролируемые количества марганца, железа и магния для оптимизации прочности и вязкости разрушения.
Сплав 2018 является термообрабатываемым, прочность достигается за счет растворяющей отжига, закалки и искусственного старения, вызывающих осаждение фаз Al2Cu и связанных с ними; упрочнение при холодной деформации играет второстепенную роль в некоторых состояниях. Сплав обеспечивает высокую статическую прочность и хорошую обрабатываемость резанием, но обладает относительно низкой коррозионной стойкостью и ограниченной свариваемостью по сравнению с многими сплавами серий 5xxx и 6xxx.
Типичные области применения 2018 включают аэрокосмические крепления и конструкционные элементы, военную технику, оснастку и крепеж, а также некоторые автомобильные детали с высокой прочностью, где важен баланс прочности и веса, а коррозия контролируется с помощью облицовки или покрытий. Инженеры выбирают 2018, когда сочетание высокой прочности, хорошей вязкости разрушения после старения и обрабатываемости перевешивает недостатки по атмосферостойкости, морской коррозии и свариваемости.
Варианты состояния
| Состояние | Уровень прочности | Относительное удлинение | Формуемость | Свариваемость | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Низкая | Высокое | Отличная | Отличная | Полностью отожжённое состояние; оптимально для формовки и пайки |
| H14 | Средняя | Низкая – средняя | Умеренная | Плохая | Упрочнённое деформацией; ограниченная пластичность |
| T3 | Средне-высокая | Средняя | Умеренная | Плохая | Решеточное отжиг, холодная обработка, естественное старение |
| T4 | Средне-высокая | Средняя | Умеренная | Плохая | Решеточное отжиг и естественное старение |
| T5 | Высокая | Низкая – средняя | Ограниченная | Плохая | Охлаждение с повышенной температуры и искусственное старение |
| T6 | Высокая | Низкая – средняя | Ограниченная | Плохая | Решеточное отжиг и искусственное старение для достижения максимальной прочности |
| T651 | Высокая | Низкая – средняя | Ограниченная | Плохая | Состояние T6 с снятием остаточных напряжений растяжением для уменьшения деформаций |
Состояние существенно влияет на свойства 2018, так как осаждённые фазы, богатые медью, определяют прочность и вязкость разрушения. Отожжённый (O) материал используется там, где превалирует формовка, тогда как состояния T6/T651 применяются при необходимости максимальной прочности и геометрической стабильности, несмотря на снижение пластичности.
Маршрут обработки (холодная деформация до старения, растяжение для выпрямления) также регулирует остаточные напряжения и усталостную стойкость; выбор состояния должен соответствовать назначению изготовления и условиям эксплуатации, чтобы избежать избыточного или недостаточного проектирования деталей.
Химический состав
| Элемент | Диапазон % | Примечания |
|---|---|---|
| Si | Макс. 0,15 | Примесь; низкое содержание кремния снижает образование хрупких интерметаллидов |
| Fe | 0,5–1,2 | Примесь; повышает прочность, но может снижать пластичность |
| Mn | 0,4–1,0 | Управляет структурой зерна, улучшает вязкость разрушения |
| Mg | 0,2–0,8 | Вносит вклад в упрочнение при старении в сочетании с Cu |
| Cu | 3,5–5,0 | Основной упрочняющий элемент (образует осадки Al2Cu) |
| Zn | Макс. 0,25 | Незначительное содержимое; ограниченный вклад в прочность |
| Cr | 0,1–0,3 | Контроль структуры зерна, снижает рекристаллизацию |
| Ti | 0,05–0,20 | Рефайнер зерна для деформированных изделий |
| Другие / Al остальное | Баланс | Примеси и микроэлементы; алюминий составляет основу |
Свойства 2018 в значительной степени определяются содержанием меди, обеспечивающим упрочнение при старении и высокую прочность после старения. Небольшие добавки марганца и хрома улучшают структуру зерна и стабилизируют механические свойства в условиях температурных воздействий и обработки, тогда как уровни железа и кремния контролируются во избежание образования вредных интерметаллидов, ведущих к хрупкости сплава.
Механические свойства
В состояниях максимального старения (T6/T651) 2018 демонстрирует высокое временное сопротивление разрыву и хороший предел текучести относительно большинства деформируемых алюминиевых сплавов, что делает его подходящим для высоконагруженных конструкционных элементов. Относительное удлинение в таких состояниях ограничено, но достаточное для многих деталей, подвергаемых мехобработке или легкой формовке; усталостная прочность умеренная, чувствительна к состоянию поверхности и коррозии.
Отожжённый (O) 2018 обладает значительно большей пластичностью и более низкими пределами текучести и временного сопротивления, что благоприятно для процессов формования и гибки, но требует последующей термообработки для конструкционных применений. Толщина изделия также влияет на пределы текучести и прочности; массивные сечения сложно равномерно подвергать растворяющему отжигу, что может снижать отклик на старение или приводить к неоднородности свойств по толщине.
Твёрдость в состояниях максимального старения существенно выше, чем в отожженном состоянии, и коррелирует с прочностными показателями; однако твёрдость и прочность снижаются в зонах термического влияния при сварке и при перезакалке при повышенных рабочих температурах. Инициация усталостных трещин обычно происходит в местах царапин или коррозионных раковин, поэтому важны поверхностная обработка и конструкция, предотвращающая рост трещин.
| Свойство | O (отожжённое) | Основное состояние (например, T6/T651) | Примечания |
|---|---|---|---|
| Временное сопротивление разрыву | ~200–260 МПа | ~430–520 МПа | В T6 значительно выше из-за упрочнения осадками |
| Предел текучести | ~70–150 МПа | ~320–380 МПа | Предел растёт при старении; холодная деформация дополнительно повышает предел в некоторых холодных состояниях |
| Относительное удлинение | >20% | ~6–12% | Пластичность снижается в максимальных состояниях; зависит от толщины сечения |
| Твёрдость (Бринелль) | ~40–60 HB | ~110–140 HB | Коррелирует с прочностью; в зоне термического влияния сварки наблюдается снижение твёрдости |
Физические свойства
| Свойство | Значение | Примечания |
|---|---|---|
| Плотность | ~2,78–2,82 г/см³ | Немного выше, чем у чистого алюминия, за счёт содержания меди |
| Температура плавления | ~500–635 °C | Диапазон солидус–ликвидус; сплав плавится в интервале, а не в одной точке |
| Теплопроводность | ~120–150 Вт/м·К | Ниже, чем у чистого алюминия; медь снижает проводимость |
| Электропроводность | ~20–35% IACS | Медь снижает проводимость по сравнению с сплавами серии 1xxx |
| Удельная теплоёмкость | ~0,88–0,92 Дж/г·К | Похожа на другие алюминиевые сплавы; слегка изменяется с температурой |
| Коэффициент теплового расширения | ~23–24 мкм/м·К (20–100°C) | Сопоставим с другими алюминиевыми сплавами; важен для проектирования при тепловых циклах |
Тепловые и электрические свойства 2018 уступают чистому алюминию из-за содержания меди и других легирующих элементов. Эти особенности имеют значение при выборе 2018 для теплового управления; при критичной проводимости предпочтительнее использовать другие сплавы или медь.
Характеристики плавления и затвердевания влияют на процессы термообработки и сварки; относительно широкий диапазон плавления повышает риск возникновения горячих трещин при дуговой сварке и требует контролируемых циклов нагрева/охлаждения при растворяющем отжиге, чтобы избежать частичного расплавления.
Виды продукции
| Форма | Типичная толщина/размер | Особенности прочности | Распространённые состояния | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Лист | 0,5–6 мм | Хорошие свойства в T6; O для формовки | O, T3, T4, T6, T651 | Широко применяется для обработанных деталей и малых конструкций |
| Плита | >6 мм до более 150 мм | Чувствительность сечения при термообработке | O, T6 (где возможно) | Толстые плиты сложно равномерно подвергать старению |
| Экструзия | Зависит от профиля | Хорошая осевая прочность; поддаётся старению | T6 после старения | Ограничена горячей обработкой и растворением фаз меди |
| Труба | Различные диаметры и толщины стенок | Схожа с экструзиями по прочности после старения | O, T6 | Используется как конструкционные трубы и фитинги при необходимости прочности |
| Пруток/штанга | Диаметры от нескольких мм до 150 мм | Хорошая обрабатываемость в состоянии старения | O, T3, T6 | Распространён для токарных деталей и крепежа |
Форма изделия и маршрут обработки существенно влияют на достижимые механические свойства, так как эффективность термообработки зависит от размеров сечения и скорости охлаждения. Листы и тонкие экструзии можно равномерно подвергать растворяющему отжигу и старению, в отличие от толстых плит, поэтому выбор формы должен учитывать технологию изготовления и требования к конечным свойствам.
Холодная обработка перед старением (состояние T3) обеспечивает баланс между стабильностью размеров и конечной прочностью, а состояние O облегчает сложные операции формовки; проектировщикам рекомендуется согласовывать возможности поставщика (например, растворяющий отжиг толстых изделий) с предполагаемыми нагрузками в эксплуатации.
Эквивалентные марки
| Стандарт | Марка | Регион | Примечания |
|---|---|---|---|
| AA | 2018 | США | Обозначение Американской ассоциации первичного алюминия |
| EN AW | 2018 / 2018A | Европа | Часто указывается как EN AW-2018A; допуски по химическому составу и механическим свойствам могут отличаться |
| JIS | A2018 | Япония | Локальные отличия в пределах примесей и состояниях закалки |
| GB/T | 2A01 | Китай | Китайское стандартное обозначение; ограниченная взаимозаменяемость без проверки спецификаций |
Существуют эквивалентные обозначения, однако они не являются полностью идентичными — пределы микро-легирования, допускаемые примеси и спецификации термообработки могут отличаться между стандартами. Инженеры должны консультироваться с точным стандартом и заводскими сертификатами при замене материалов из разных регионов для обеспечения сопоставимых механических свойств и реакции на термообработку.
Коррозионная стойкость
Марка 2018 имеет значительно более низкую общую атмосферную и точечную коррозионную стойкость по сравнению с большинством сплавов серий 5xxx и 6xxx из-за содержания меди, которая способствует локализованной коррозии и межкристаллитной атаке в агрессивных условиях. В морской среде и атмосферах, содержащих хлориды, незащищённый 2018 подвержен точечной и щелевой коррозии, поэтому для долговременного использования обычно требуется облицовка (alclad) или надёжные покрытия.
Сплав также более восприимчив к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC), чем сплавы с пониженным содержанием меди, особенно в состояниях высокой прочности и при растягивающих напряжениях в коррозионной среде. Необходимо учитывать гальванические взаимодействия: 2018 является анодным относительно нержавеющей стали и медно-никелевых сплавов, что приводит к гальваническим токам при электропроводном контакте в агрессивной среде.
Для областей с неизбежным воздействием коррозии применяются меры проектирования: покрытия, катодная защита, изоляция с помощью изолирующих крепёжных элементов и применение облицованных материалов. В сравнении сплавы серии 6xxx обладают значительно лучшей свариваемостью и коррозионной стойкостью, хотя и имеют несколько меньшую максимальную прочность, что зачастую и определяет выбор сплава.
Свойства обработки
Свариваемость
Сварка плавлением 2018 затруднена; меднонасыщенная матрица снижает свариваемость, повышая риск горячих трещин и пористости. Обычно избегают сварки плавлением для сильно нагруженных конструкций, используют механическое крепление, пайку с применением соответствующих флюсов или сварку трением с перемешиванием (FSW), которая существенно снижает снижение твёрдости и образование трещин в зоне термического воздействия (ЗТВ). При необходимости сварки рекомендуются совместимые или специально подобранные сварочные материалы на основе Al-Cu (например, варианты 2319/4043 в зависимости от условий эксплуатации) и строгий контроль подогрева до и после сварки, при этом следует ожидать снижения локальных механических свойств в ЗТВ.
Обрабатываемость
Марка 2018 часто характеризуется хорошей и отличной обрабатываемостью среди высокопрочных алюминиевых сплавов, так как выдержанные сплавы серии 2xxx обрабатываются чисто и обеспечивают предсказуемое образование стружки. Для управления налипанием и обеспечения точности размеров применяют твердосплавный инструмент с положительным углом лезвия, жёсткие установки станка, подачу жидкого охлаждения и прерыватель стружки. Обычно применяют умеренно высокие скорости резания, небольшую глубину реза при чистовых проходах и инструменты, рассчитанные на прерывистую обработку при попадании в упрочнённые области.
Обрабатываемость в пластичную форму
Формуемость 2018 сильно зависит от состояния термообработки; состояние O обеспечивает лучшие минимальные радиусы гибки и растяжки, тогда как состояния T6/T651 имеют ограниченную пластичность и требуют больших радиусов гибки. Для гибки минимум внутреннего радиуса составляет примерно 1–2× толщины материала в состоянии O, в то время как закалённые состояния требуют >3× толщины и тщательной конструкции штампов. Если необходимо сложное формование с последующим использованием при высокой прочности, можно формовать в состоянии O с последующим раствором и старением (если возможно), но это требует контроля деформаций и возможного снижения твёрдости при последующей термообработке.
Поведение при термообработке
Растворяющая термообработка 2018 проводится для растворения Cu-содержащих фаз в алюминиевой матрице, обычно при температурах примерно 500–535 °C в зависимости от толщины сечения и ограничений по толщине фольги или плиты. Равномерный нагрев и быстрый закал (охлаждение) критичны для сохранения раствора в пересыщенном твёрдом растворе; медленное охлаждение в толстых сечениях позволяет образовываться крупным предципитатам, что снижает потенциал последующего старения.
Искусственное старение (T6) проводят при температурах примерно 150–190 °C в течение нескольких часов для образования и роста мелких Al2Cu, которые повышают предел текучести и временное сопротивление разрыву; режимы старения выбирают с учётом баланса пиковых свойств и допускаемой вязкости, избегая перезакалки. Перезакаливание или эксплуатация при повышенных температурах приводит к укрупнению предципитатов и снижению твёрдости и прочности, приближая свойства к состоянию T4.
Обозначения состояний отражают историю обработки: T3 — растворение, холодная обработка и естественное старение; T4 — растворение и естественное старение. Переключение между состояниями (например, повторный раствор для детали в T6) сбрасывает внутренний «летомер старения», но может вызвать деформации и изменения микроструктуры, поэтому для точных деталей часто указывают выпрямление или снятие внутренних напряжений после термообработки (T651).
Высокотемпературные характеристики
Марка 2018 значительно теряет прочность с повышением температуры, так как мелкие предципитаты, обеспечивающие упрочнение старением, укрупняются и растворяются в диапазоне примерно 120–200 °C в зависимости от условий старения и времени выдержки. Поэтому длительная эксплуатация обычно ограничена умеренно повышенными температурами, а детали, работающие при температурах выше ~150 °C, должны проходить оценку на ползучесть и снижение предела текучести.
Окисление при высоких температурах аналогично другим алюминиевым сплавам и обычно образует пассивный слой оксида алюминия, но совместное воздействие высокой температуры и агрессивных сред (например, горячих солевых аэрозолей) может ускорять разрушение. Зоны термического воздействия после сварки особенно уязвимы к снижению прочности и росту зерен при высокой температуре эксплуатации, поэтому проектные допуски и последующая термообработка должны учитывать локальное ослабление.
Области применения
| Отрасль | Пример изделия | Почему используется 2018 |
|---|---|---|
| Авиакосмическая | Крепления, кронштейны, крепёж | Высокое соотношение прочности к массе и хорошая вязкость разрушения в закалённых состояниях |
| Военная / оборонная | Структурное оборудование, крепления | Высокая статическая прочность и обрабатываемость для ответственных узлов |
| Автомобильная | Высокопрочные обработанные кронштейны, оснастка | Прочность при хорошей обрабатываемости в условиях контролируемой коррозии |
| Оснастка / приспособления | Кондукторы, штампы, оправки | Размерная стабильность (T651) и твёрдость для износостойкости |
| Электроника | Некоторые конструкционные рамы | Жёсткость и прочность для мелких конструкционных элементов |
Марка 2018 выбирается для деталей, где необходимы максимальная прочность в стареном состоянии, хорошая обрабатываемость и стабильные механические характеристики под статическими нагрузками при условии контролируемой коррозии. Для продления срока службы в агрессивной среде обычно применяют покрытия, облицовку или контролируемые условия эксплуатации.
Рекомендации по выбору
Для инженера, выбирающего между 2018 и алюминием низколегированным или коммерчески чистым, компромиссы очевидны: по сравнению с 1100, 2018 уступает по электрической и теплопроводности и формуемости, но значительно превосходит по прочности, что важно для нагруженных обработанных деталей.
По сравнению с широко распространёнными упрочнёнными холодной деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 2018 обеспечивает намного большую пиковую прочность и лучше обрабатывается, но хуже коррозионно устойчив и сваривается; 2018 предпочтителен там, где важнее прочность и усталостная долговечность, чем защита от коррозии.
В сравнении с термообрабатываемыми сплавами типа 6061 или 6063, 2018 часто демонстрирует равную или более высокую прочность в определённых состояниях и лучшую обрабатываемость для специфичных узлов, требующих интенсивной механической обработки; однако 6061 обладает лучшей свариваемостью, коррозионной стойкостью и более мягким откликом на старение. Поэтому 2018 выбирают, когда требуются специфические свойства, связанные с упрочнением Al-Cu-прецититатами: прочность, вязкость или износостойкость.
Заключение
Сплав 2018 остаётся актуальным там, где решающими факторами выбора являются высокая статическая прочность, надёжный отклик на старение и хорошая обрабатываемость, а проблемы коррозии и сварки могут быть решены проектированием, облицовкой или нанесением покрытий. Его применение продолжается в авиакосмической, оборонной и специализированной промышленности, где система упрочнения осадками Al–Cu обеспечивает механические свойства, трудно достижимые другими деформируемыми алюминиевыми сплавами.