Алюминиевые сплавы (литейные, деформируемые): применение, свойства, марки

Среди всех сплавов своими эксплуатационными качествами выделяются алюминиевые. Их применяют при производстве летательных аппаратов, возведении домов, выпуске наземного транспорта и морских судов. При этом выделяют довольно много недостатков, которыми обладают алюминиевые сплавы: мягкость, не очень высокая прочный, относительно невысокая устойчивость к воздействию повышенной влажности. Однако всего несколько основных положительных качеств определяет широкое распространение алюминиевых сплавов в самых различных областях промышленности. Рассмотрим все особенности данного материала подробнее.

Алюминиевые сплавы

Характеристики алюминиевых сплавов

Сплавы на основе алюминия могут обладать самыми различными характеристиками, так как при их получении проводится смешивание различных примесей. Именно поэтому рассматривая механические свойства алюминиевых сплавов следует уделить внимание тому, какие именно элементы входят в состав.

Для начала отметим классификацию материалов, которые получаются при соединении меди и алюминия. Они делятся на три основные группы:

1. Действующие элементы медь и алюминий.
2. Действующие элементы медь, магний и алюминий.
3. Сочетание меди, алюминия и магния с добавлением легирующих элементов (в основном марганца).

Последняя группа сегодня получила довольно большое распространение, так как температура плавления алюминиевых сплавов, входящих в нее, довольно высока. Сплавы последней группы называют дюралюминием.

Слитки из алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы

Рассматривая дюралюминий уделим внимание нижеприведенным моментам:

1. В состав данного сплава входят железо и кремний. В большинстве случаев подобные легирующие элементы воспринимаются как вещества, ухудшающие эксплуатационные качества. В данном случае железо способствует повышению жаростойкости, а кремний позволяет с высокой эффективностью провести старение.
2. Входящие в состав магний и марганец повышают прочность. За счет их включения в состав стало возможно использовать дюралюминий при производстве обшивочных листов для высокоскоростных поездов и летательных аппаратов или самолетов.

Часто встречается сплав, представляющий собой сочетание алюминия и магния. Технические характеристики подобного алюминиевого сплава зависят от того, сколько магния в составе.

Среди основных особенностей можно отметить нижеприведенные моменты:

1. С увеличением концентрации магния повышается прочность, но уменьшается коррозионная стойкость.
2. Прирост магния на 1% приводит к повышению прочности примерно на 30 000 Па.
3. В большинстве сплавов не более 6% магния. Это связано с тем, что слишком большая концентрация станет причиной покрытия всей поверхности коррозией. Также большая концентрация марганца становится причиной неоднородности структуры, неравномерная нагрузка может стать причиной появления трещины или другой деформации.

Сочетание алюминия с марганцем практически не подвергают термической обработке. Это связано с тем, что даже при соблюдении условий проведения закалки существенно изменить эксплуатационные качества сплава не получится. Плотность алюминиевого сплава может колебаться в достаточно большом диапазоне: от 2 до 4 грамм на кубический сантиметр.

Рассматривая слав, прочность которого имеет рекордные показатели, следует уделить внимание сплаву алюминия с цинком и магнием. При применении современных технологий производства можно добиться качеств, которые будут характерны для титана. Среди особенностей подобного сплава отметим:

1. Термическая обработка становится причиной растворения цинка, за счет чего предел прочности алюминиевого сплава возрастает в несколько раз.
2. Применять подобный материал в электрической промышленности нельзя, так как прохождение электричества становится причиной существенного снижения коррозионной стойкости.
3. Коррозионная стойкость в некоторых случаях повышается путем добавления меди, но все же она становится низкой.

В литейной промышленности весьма большое распространение получили алюминиевые сплавы, которые в своем составе имеют кремний. Тот момент, что при термической обработке кремний отлично растворяется в алюминии, позволяет использовать металл при фасонном или формовочном литье. Получаемые изделия хорошо обрабатываются резанием, а также обладают повышенной плотностью.

Очень редко встречаются смеси алюминия и железа, а также никеля. Это связано с тем, что подобные элементы зачастую применяются исключительно как легирующие вещества.

Примером можно назвать то, что железо добавляется в состав для упрощения процесса отделения детали от формы. В состав могут добавляться титан, который существенно повышает показатель прочности.

Подводя итоги по характеристикам алюминиевых сплавов можно отметить нижеприведенные моменты:

1. Предел текучести может варьироваться в достаточно большом диапазоне.
2. Температура плавления алюминия может изменяться в зависимости от того, какие применялись легирующие вещества.
3. Прочность материала можно существенно повысить.
4. Некоторые легирующие элементы снижают коррозионную стойкость, улучшая другие эксплуатационные качества. Именно поэтому проводится покрытие поверхности защитными веществами.

Из-за легкости и прочности, а также относительно высокой коррозионной стойкости алюминиевые сплавы получили достаточно широкое применение. Альтернативных материалов, которые обладают подобными свойствами и низкой стоимостью, практически нет.

Сферы применения

Алюминий и алюминиевые сплавы получили самое широкое применение, что связано с основными эксплуатационными качествами. Их применение во многом зависит от состава. Примером назовем следующие моменты:

1. Изначально сплавы стали применяться при изготовлении элементов дирижаблей или самолетов, что связано с легкостью и прочностью.
2. Сегодня за счет того, что состав определяет плавление при достаточно высоких температурах, сплавы стали применять при изготовлении скоростных поездов. Для снижения их веса применяется алюминиевые сплавы. При движении на большой скорости поверхность нагревается, но при этом не деформируется.
3. Машиностроительная, пищевая и легкая промышленность, сфера производства бытовой техничек и электроники – применение алюминиевого сплава весьма обширно.

Алюминиевый прокат

Столь обширная сфера применения определена также тем, что процесс производства сплава весьма прост, получаемый материал не имеет высокой стоимости, а эксплуатационные качества могут быть изменены путем добавления различных легирующих элементов.

Классификация

Рассматривая виды алюминиевых сплавов следует отметить, что они могут классифицироваться по достаточно большому количеству признаков. Классификация алюминия его сплавов по типу вспомогательных элементов подразумевает выделение следующих основных групп:

1. С добавлением присадок. В качестве присадки применяется просто огромное количество различных веществ, к примеру, магний, цинк, хром, кремний и другие.
2. С добавлением интреметаллидов. Эту группу можно охарактеризовать добавлением соединением нескольких металлов, к примеру, меди и магния, лития и магния.

Специальные алюминиевые сплавы могут состоять из огромного количества элементов. Их добавление проводится для придания материалу особых эксплуатационных качеств.

В зависимости от выбранного метода металлообработки можно выделить:

1. Деформируемые сплавы – твердые, из-за повышенной пластичности могут подвергаться обработки путем прессования или ковки. Для повышения эксплуатационных качеств может проводится дополнительная обработка.
2. Литейные поступают на производство в жидком виде. Подобный материал легко поддается резке после отвердевания. Пример применения литейного сплава — изготовление корпусных деталей различной формы.

По степени прочности можно выделить несколько групп:

1. Сверхпрочные.
2. Среднепрочные.
3. Малопрочные.

Кроме этого в отдельную группу принято выделять дуралюмины, которые обладают особыми эксплуатационными качествами.

Легкий алюминиевый сплав может иметь достаточно большое количество различных примесей. При этом химический состав отражается на маркировке.

Деформируемые алюминиевые сплавы

Довольно большое распространение деформируемых алюминиевых сплавов можно связать с тем, что при их применении процесс производства различных изделий существенно упрощается. Область применения следующая:

1. Прокат.
2. Штамповка.
3. Ковка.
4. Прессовка.
5. Экструзия.

Деформируемые алюминиевые сплавы

В результате получаются различные заготовки или уже практически готовые детали с исключительными эксплуатационными качествами. После получения требующейся формы проводится отжиг, закалка или старение, которые позволяют существенно повысить показатель прочности.  Данный типа алюминия применяют для получения труб, листа или профиля.

Литейные алюминиевые сплавы

Технологии получения деталей и заготовок путем литья применяются на протяжении многих лет. Они хороши тем, что позволяют получать самые различные формы, которые могут иметь сложные поверхности. Сплавы на основе алюминия могут переходить в текучее состояние при более низких температурах, чем другие металлы. Именно поэтому процесс изготовления различных деталей существенно упрощается.

Среди других особенностей материала данной группы отметим:

1. После формирования устойчивой кристаллической решетки полученную поверхность достаточно легко подвергать механической обработке.
2. Получаемые заготовки рассматриваемым методом также хорошо поддаются обработке методом давления.

Литейные алюминиевые сплавы получили весьма широкое применение в различных отраслях промышленности, особенно тех, в которых нужно получать сложные корпусные детали. За счет литья по форме существенно упрощается дальнейшая механическая обработка.

Литейные алюминиевые сплавы

Основные требования, предъявляемые к литейным алюминиевым сплавом – сочетание хороших литейных свойств и оптимальных физико-механических качеств. Данную группу можно разделить на:

1. Конструкционные герметичные. Этот тип материала характеризуется высокими литейными качествами, а также удовлетворительной коррозионной стойкостью и механической обрабатываемостью. Как правило, получаемые заготовки и изделия в дальнейшем не подвергаются термической обработке для повышения эксплуатационных качеств. Для изготовления средних и крупных деталей, которые зачастую представлены корпусами, достаточно часто проводится легирование состава.
2. Высокопрочные и жаропрочные. Довольно часто подобный состав дополнительно легируется титаном, за счет чего обеспечиваются высокие эксплуатационные качества. Жаропрочность выдерживается в пределах 350 градусов Цельсия. Для упрочнения состава проводится закалка на протяжении достаточно длительного периода. Довольно часто подобный сплав применяется при получении крупногабаритных заготовок самого различного предназначения.
3. Коррозионностойкие составы характеризуются тем, что обладают высокой коррозионной стойкостью при эксплуатации в самых различных агрессивных средах. Структура хорошо подается обработке методом резания и сваривания. Однако стоит учитывать относительно невысокие литейные свойства.

Последняя разновидность алюминиевых сплавов достаточно часто применяется при изготовлении деталей, которые будут эксплуатироваться при воздействии морской воды.

Принципы маркировки

Довольно большое количество сложностей возникает с определением марки материала. Маркировка алюминиевых сплавов проводится так, чтобы их можно было просто определить. Как правило, каждому составу присваивается свой номер, который может состоять из цифр и букв.

Среди особенностей маркировки можно отметить нижеприведенные моменты:

1. Начинается маркировка с одной или нескольких букв, которые указывают на состав.
2. Кроме этого марки имеют цифровой порядковый номер.
3. В конце обозначения также может указываться цифра, которая указывает на особенности проведенной термической или иной обработки.

Разберем применяемые правила обозначений на конкретном примере сплава Д17П. Первая буква указывает на то, какой именно состав. В данном случае это дюралюминий. Все дюралюминии имеют определенный химический состав, однако концентрация основных элементов может существенно отличаться. Поэтому число 17 – порядковый номер, указывающий на конкретный материал (то есть с определенными качествами). В конце есть буква, которая применяется для обозначения полунагартованного сплава. Данный метод обработки предусматривает воздействие давления без предварительного нагрева сплава, а значит прочность будет вполовину меньше максимального значения.

В заключение отметим, что каждый состав обладает своими особыми физико-механическими качествами. Данные свойства определяют то, куда именно будет направлен материал для изготовления деталей или дальнейшей обработки. Наиболее важными свойствами принято считать пластичность, теплопроводность, электрическую проводимость и другие. Немаловажным фактором также является то, насколько качественно было проведено изготовление материала. Применение современных технологий позволяет с высокой точностью контролировать концентрацию тех или иных элементов, исключает вероятность появления различных дефектов. В большинстве случаев производство проводится в соответствии с ГОСТ и другими мировыми стандартами.

Сплавы алюминия: выбор и применение

Сплавы на основе алюминия

Термины и определения

Алюминиевый сплав – сплав на основе алюминия – это алюминий, который [1]:

• содержит один или более легирующих элементов, а также некоторые примеси;
• алюминий преобладает по массе по каждому из других химических элементов;
• содержание алюминия не превышает 99,00 %.

Легирующий элемент – это металлический или неметаллический элемент, который контролируется в определенных верхних и нижних пределах для целей придания алюминиевому сплаву определенных специальных свойств [1].

Примесь – металлический или неметаллический элемент, который присутствует в сплаве, минимальное содержание которого не контролируется. В алюминиевых сплавах, как правило, контролируется максимальная концентрация примеси [1].

Легирование в алюминиевых сплавах

Наиболее важными легирующими элементами, которые применяют для превращения алюминия в сплавы с особыми свойствами – и деформируемые, и литейные (конечно, в разных количествах) – являются:

• кремний (Si),
• магний (Mg),
• марганец (Mn),
• медь (Cu) и
• цинк (Zn).

Влияние, например, содержания меди в алюминиевом сплаве на его механические свойства показано на рисунке 1.

Рисунок 1- Влияние легирования алюминиевого сплава медью на механические свойства [3]

Железо в алюминиевых сплавах

Деформируемые алюминиевые сплавы содержат примерно 0,1 – 0,4 % (по массе) железа (Fe). Железо обычно рассматривается как нежелательная примесь. Его содержание зависит от качества исходной руды (бокситов) и технологии электролитического восстановления. Иногда легирование железом применяют для получения особых свойств материала, например, для изготовления алюминиевой фольги.

Модифицирование сплавов

В комбинации с основными легирующими элементами часто применяют другие легирующие элементы: висмут (Bi), бор (B), хром (Cr), свинец (Pb), никель (Ni), титан (Ti) и цирконий (Zr).  Эти элементы обычно применяют в небольших количествах (до 0,1 % по массе, хотя B, Pb и Cr могут составлять до 0,5 %), чтобы придать им особые свойства, модифицировать сплавы для специальных целей, таких как литейные качества, обрабатываемость, теплостойкость, коррозионная стойкость, прочность и т.п.

Классификация алюминиевых сплавов

Классификацию алюминиевых сплавов – сплавов алюминия – производят по различным критериям, в том числе:

• по методу обработки – литейные и деформируемые
• по механизму упрочнения – термически упрочняемые и деформационно упрочняемые
• по основным легирующим элементам

Две категории: литейные и деформируемые

Две категории алюминиевых сплавов

• литейные
• деформируемые

Литейный алюминиевый сплав – сплав алюминия, который предназначен в первую очередь для производства отливок.

Деформируемый алюминиевый сплав – сплав алюминия, который предназначен в первую очередь для производства алюминиевых изделий горячей и/или холодной обработкой давлением.

Деформируемые сплавы

Деформируемые алюминиевые сплавы сначала разливают в слитки (круглые или прямоугольные), а потом обрабатывают по различным технологиям обработки давлением – горячей и холодной – до придания им нужной формы:

• прокаткой – для получения листов и фольги;
• прессованием – для получения профилей, труб и прутков;
• формовкой – для получения более сложных форм из катанных или прессованных полуфабрикатов;
• ковкой для получения сложных форм с повышенными механическими свойствами,
  а также:
• волочением, штамповкой, высадкой, вытяжкой, раскаткой, раздачей, гибкой и т. п.

Популярные деформируемые алюминиевые сплавы серии 6ххх, которые применяют для производства прессованных алюминиевых профилей, представлены ниже на рисунке 7.

Рисунок 7 – Основные алюминиевые сплавы серии 6ххх

Литейные сплавы

Литейные алюминиевые сплавы в расплавленном состоянии разливают непосредственно в их конечную форму одним из различных методов, таких как, литье в песчаные формы, литье в кокили или литье под давлением. При литье применяют сложные литейные формы. Эти сплавы часто имеют высокое содержание кремния для улучшения их литейных свойств.

У этих двух категорий алюминиевых сплавов классификация по легирующим сплавам различная: в целом в них добавляются одни и те же легирующие элементы, но в разных количествах.

Прочность и другие механические свойства алюминиевых сплавов, как деформированных, так и литейных, определяются в основном их химическим составом, т. е. содержанием в алюминии легирующих элементов, а также вредных примесей. Однако возможно изменение этих свойств для достижения их оптимального сочетания путем дополнительной обработки сплавов – термической или деформационной, или и той, и другой. В результате этого сплав изменяет свои первоначальные механические свойства и получает свое окончательное состояние, в котором и поставляется заказчику. Упрочняющую термическую обработку применяют как к литейным, так и к деформированным сплавам, Они в этом случае называются сплавами, упрочняемыми термической обработкой. 

Два механизма упрочнения

Два класса алюминиевых сплавов:

• термически упрочняемые
• деформационно упрочняемые (нагартовываемые)

Термически упрочняемые сплавы

Термически упрочняемый сплав – сплав, который может быть упрочнен соответствующей термической обработкой (рисунки 2, 3 и 4).

 

Рисунок 2 – Закалка и упрочнение старением алюминиевых сплавов [2]

Рисунок 3 – Типичное термическое упрочнение старением [4]

Рисунок 4 – Эффект термического упрочнения на механические свойства сплава 7075 [4]

Нагартовываемые сплавы

Деформационно упрочняемый сплав (“термически неупрочняемый”, нагартовываемый) – сплав, который упрочняется только путем деформационной обработки (рисунки 5 и 6), а не термической обработкой.

 

  Рисунок 5 – Влияние холодной пластической обработки – нагартовки – на прочность, твердость и пластичность алюминиевых сплавов [2]

Рисунок 6 – Кривые нагартовки (деформационного упрочнения)
термически неупрочняемых алюминиевых сплавов [4]

 Серии и системы легирования

• Все алюминиевые сплавы – и деформируемые , и литейные – подразделяются на серии по главным легирующим элементам.
• Каждая серия алюминиевых сплавов, деформируемых и литейных, включают одну, две или три различных системы легирования.
• Система легирования может включать только главный легирующий элемент (выделены ниже жирным шрифтом) или еще дополнительно один или более легирующих элементов.

Серии деформируемых сплавов

• 2ххх – Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si, Al-Cu-Li
• 3xxx – Al-Mn
• 4xxx – Al-Si
• 5xxx – Al-Mg
• 6xxx – Al-Mg-Si
• 7xxx – Al-Zn, Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu
• 8xxx – Al-Fe, Al-Fe-Ni, Al-Li-Cu-Mg

Серии литейных сплавов

• 2xx – Al-Cu, Al-Cu-Ni-Mg, Al-Cu-Si,
• 3xx – Al-Si-Cu, Al-Si-Cu-Mg, Al-Si-Mg
• 4xx – Al-Si
• 5xx – Al-Mg
• 7xx – Al-Zn
• 8xx – Al-Sn

Алюминиевые сплавы в конструкциях

Рейтинг прочности алюминиевых сплавов

Нелегированный алюминий имеет предел прочности на растяжение около 90 МПа. Однако, небольшими добавками легирующих элементов, таких, как медь, магний, марганец, кремний, цинк, не большого количества некоторых других элементов получают алюминиевые сплавы.

Алюминиевые сплавы создают для того, чтобы получить алюминий со специальными свойствами, например, с более высокими механическими свойствами (рисунки 8 и 9).

Рисунок 8 – Рейтинг прочности деформируемых алюминиевых сплавов [2]

Рисунок 9 – Влияние легирующих элементов на прочность при растяжении, твердость, чувствительность к удару и пластичность [5]

Выбор сплава

При выборе алюминиевого сплава в качестве конструкционного материала, главным фактором является обеспечение прочности изготавливаемого из него конструкционного элемента. Однако конструкционную прочность различных типов элементов обеспечивают различные свойства одного и того же конструкционного материала.

Например, прочность «толстой» колонны будет зависеть в основном от предела текучести металла, тогда как прочность «тонкой» колонны будет зависеть главным образом  от модуля упругости материала. Поскольку предел текучести алюминиевых сплавов нередко сравним с пределами текучести рядовых конструкционных сталей, то алюминий мог бы вполне потягаться с ними для «толстых» колонн. С другой стороны, поскольку модуль упругости алюминия и его сплавов составляет всего лишь где-то треть от модуля упругости сталей, то алюминий вряд ли может соперничать со сталями в «тонких» колоннах.

Прочность, однако, не является единственной рабочей характеристикой конструкции или изделия. Такие дополнительные факторы, как коррозионная стойкость, легкость обработки (прессуемость или свариваемость), жесткость (модуль упругости), пластическое разрушение (относительное удлинение), вес (плотность), усталостная прочность, а также стоимость, должны в той или иной мере учитываться при выборе нужного конструкционного материала.

Экономика алюминиевой конструкции

Часто стоимость материала является критическим фактором. Однако сравнение алюминиевых сплавов и сталей на основе стоимости единицы массы или объема может ввести в заблуждение, так как они имеют различные прочности, плотности и другие свойства.

Если бы стоимость материала была единственным фактором и углеродистые стали могли применяться без защитного антикоррозионного покрытия, то всегда и везде применялись бы только они. Однако, при выборе материала в рассмотрение принимаются и другие факторы, такие как стоимость эксплуатации и технического обслуживания в течение всего срока службы конструкции. Кроме того, в некоторых специфических условиях «правило» о том, что алюминиевый элемент в два раза легче стального не всегда справедливо. Например, алюминиевый компонент может весить и значительно меньше, если толщину стального элемента нужно увеличивать с учетом ее возможного уменьшения от воздействия слишком агрессивной коррозии в течение всего срока службы.

Если требуются профили со сложными поперечными сечениями, как, например, в ограждающих фасадных конструкциях, то в таких случаях, стоимость стального элемента намного больше, чем стоимость его материала. Дело в том, что для изготовления этого элемента из стальной заготовки ее надо механически обрабатывать, подвергать  холодной штамповке или гибке, а, может быть, и применять сварку. В то же время стоимость изготовления алюминиевого профиля составляет только малую долю стоимости «сырого» алюминия.

Из-за высокой стоимости нержавеющих сталей они применяются только, если вес элемента или конструкции не имеет значения, а важны внешний вид и свариваемость. Обычно, когда нержавеющая сталь применяется вместо алюминия, то причина часто только одна – ограничения алюминиевых сплавов по сварке.

Алюминиевые сплавы по Еврокоду 9

Алюминиевые сплавы предлагают инженерам-конструкторам широкий выбор материалов. Каждый сплав имеет свои особенные характеристики, которые служат для обеспечения заданных свойств. Когда коррозионная стойкость, высокое отношение прочности к весу и легкость изготовления являются существенными конструкционными параметрами, тогда алюминиевые сплавы заслуживают серьезного рассмотрения.

В таблицах 1 и 2 представлены деформируемые алюминиевые сплавы, которые Еврокод 9 рекомендует и разрешает для применения в зданиях и сооружениях (см. подробнее здесь).

Таблица 1 – Термически неупрочняемые алюминиевые сплавы по Еврокоду 9

Таблица 2 – Термически неупрочняемые алюминиевые сплавы по Еврокоду 9

1.  Guidance GAG Guidance Document 001 Terms and Definitions Edition 2009-01 March 2009
2. The welding of aluminium and its alloys / Gene Mathers – Woodhead Publishing Ltd, 2002
3. Aluminum and Aluminium Alloys / ed. Davis – ASM International, 1996
4. Aluminum and Aluminum Alloys – Subject Guide – ASM International, 2015
5. TALAT 1501

 

Лом деформируемых алюминиевых сплавов

Самой важной задачей при переработке алюминиевого лома – при переплавке алюминиевого лома – является поддержание заданного химического состава алюминиевого расплава. При этом необходимо учитывать особенности химического состава различных видов алюминиевых сплавов, в первую очередь, деформируемых или литейных.

Деформируемые алюминиевые сплавы

Как следует из их названия, деформируемые алюминиевые сплавы – это те сплавы, которые, в отличие от литейных алюминиевых сплавов, превращаются в конечный продукт путем пластического деформирования – обработки давлением, а именно – прессования (экструзии), ковки или прокатки. Таких зарегистрированных сплавов более 200. Почти все они состоят, по крайней мере, на 90 % из алюминия, а большинство из них – даже на 95 %. Деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на восемь серий (классов, групп), которые основаны на выборе легирующих элементов. Эта система классификации деформируемых алюминиевых сплавов была разработана в США в 1950-е годы и в настоящее время является общепринятой во всем мире.

Сплавы 1ххх – почти чистый алюминий

Эти сплавы – сплавы 1ххх по международной классификации или технический алюминий по отечественным стандартам, например, ГОСТ 4784-97 – содержат 99 % и более алюминия. Высокое содержание алюминия обеспечивает им высокую электрическую проводимость и сопротивление коррозии, но также и дает самую низкую прочность среди других алюминиевых сплавов. Сплавы серии 1ххх применяют в электрической промышленности, а также в виде упаковочной фольги и химическом оборудовании.

Поскольку требуемое минимальное содержание алюминия в этих сплавах так высоко, то, вообще говоря, очень трудно использовать лом для производства этих сплавов. В результате, для изготовления сплавов 1ххх применяют только первичный алюминий и тщательно отобранный лом самих этих сплавов. Однако отходы и лом сплавов 1ххх охотно применяют для производства алюминиевых сплавов любой другой серии.

Сплавы 2ххх: много меди

Сплавы 2ххх – в том числе, знаменитые дюрали-дюралюмины Д1 и Д16 – содержат от 1 до 6 % меди в зависимости от сплава. Другие легирующие элементы этих сплавов включают железо, магний, марганец и кремний. Эти сплавы относятся к одним из самых прочных алюминиевых сплавов, а также отличаются неплохой вязкостью. Их широко применяют в самолетостроении, а также для изготовления алюминиевого крепежа – винтов, гаек, заклепок. Сплавы серии 2ххх являются не особенно стойкими к коррозии и обычно перед вводом в эксплуатацию их окрашивают или наносят на них какие-либо защитные покрытия. Большинство алюминиевых сплавов, которые не относятся к серии 2ххх, имеют содержание меди не более 0,30 % или даже меньше. По этой причине отходы и лом сплавов 2ххх нельзя использовать для производства большинства деформируемых сплавов других серий.

Сплавы 3ххх: марганец и железо

Число сплавов 3ххх весьма ограничено, однако они имеют довольно широкое распространение. Эти сплавы отличаются содержанием марганца до 1,5 %, а также обычно имеют 0,7-0,8 % железа. Они легко поддаются деформационному упрочнению – нагартовке – и имеют очень высокую коррозионную стойкость.

Больше всего эти сплавы известны за их применение при производстве корпусов алюминиевых пивных банок – это сплавы 3004 и 3104. Сплавы этой серии также широко применяют для изготовления кухонной утвари, автомобильных радиаторов, кровельных и облицовочных строительных материалов, а также теплообменников. Ограничение применения алюминиевых сплавов 3ххх связано с высоким содержанием в них марганца и железа, которые часто являются нежелательными в других сплавах.

Сплавы 4ххх: много кремния

Алюминиевых сплавов 4ххх немного и их не так широко применяют как другие деформированные алюминиевые сплавы. Сплавы 4ххх содержат до 13 % кремния, что повышает их сопротивление износу. Их основное применение – поковки для цилиндров самолетных двигателей. Кроме того, сплавы 4ххх применяют для сварки других алюминиевых сплавов. Высокое содержание кремния делает эти сплавы неподходящими для переработки в какие-нибудь алюминиевые сплавы кроме литейных сплавов и самих деформируемых сплавов 4ххх.

Сплавы 5ххх: много магния

Сплавы 5ххх отличаются высоким содержанием магния – до 6 %. Их преимущества – высокая коррозионная стойкость, высокая вязкость и хорошая свариваемость. Поэтому сплавы 5ххх очень широко распространены. Сплавы 5ххх применяют в таких больших изделиях, как элементы мостов и цистерн, и таких маленьких, как крышки пивных банок (сплав 5182). Эти сплавы все чаще применяют в несущих элементах конструкций автомобилей.

Магний является единственным легирующим элементом, который может быть довольно легко удален из расплавленного алюминия. В результате сплавы 5ххх более легко поддаются переработке, чем большинство других алюминиевых сплавов. Однако высокая стоимость магния диктует, чтобы эти сплавы переплавлялись, если это возможно, опять в сплавы этой же серии 5ххх.

Сплавы 6ххх: магний и кремний

Алюминиевые сплавы 6ххх содержат до 1,5 % магния и до 1,8 % кремния. Присутствие этих обоих элементов в этих сплавах делает их термически упрочняемыми. Довольно низкое общее содержание легирующих элементов в этих сплавах обеспечивает их хорошую прессуемость для производства профилей методом экструзии. Эти сплавы наиболее популярны в строительстве в виде алюминиевых профилей для окон, дверей, фасадов и других ограждающих строительных конструкций. Наиболее прочные сплавы из этой серии применяют в автомобилестроении, в сварных строительных конструкциях, а также в виде высокопрочных электрических проводов.

Подобно сплавам 4ххх главным ограничением их переработки в другие сплавы является довольно высокое содержание кремния. Кроме того, большинство строительных профилей имеют термоизолирующие пластиковые вставки – термомосты, которые делают их переплав большой проблемой.

Сплавы 7ххх: много цинка

Сплавы серии 7ххх являются наиболее легированными из всех деформируемых алюминиевых сплавов. Они содержат от 1,5 до 10 % цинка в зависимости от сплава. Эти сплав также содержать до 3 % магния, а некоторые из них – до 2,6 % меди.

Термически упрочняемые сплавы 7ххх имеют самую высокую прочность из промышленных алюминиевых сплавов и впечатляющие вязкие свойства. Как и сплавы 2ххх эти сплавы из-за их низкой коррозионной стойкости обычно окрашивают или подвергают защитному покрытию.

Максимальное потребление эти сплавы находят в самолетостроении, а также в транспортном машиностроении. Высокое содержание цинка и меди делает сплавы 7ххх трудными для переработки в другие сплавы, кроме самих сплавов 7ххх, а также литейных алюминиевых сплавов.

Сплавы 8ххх – все остальное

Алюминиевые сплавы этой серии – все остальные, которые не вошли в первые семь серий. Экстравагантные легирующие элементы сплавов этой серии делают их непригодными для переработки в другие сплавы. Дороговизна лития вынуждает перерабатывать сплавы с литием только в самих себя.

Алюминиевые сплавы – деформируемые и литейные

Деформируемые и литейные   

Промышленные алюминиевые сплавы, включая и «марки» алюминия, подразделяют на две группы:

Термин «деформируемые» означает, что из этих алюминиевых сплавов изготавливают алюминиевые изделия методами обработки металлов давлением, то есть прессованием (экструзией), прокаткой, ковкой, штамповкой.

Термин «литейные» означает, соответственно, что эти алюминиевые сплавы применяют для изготовления алюминиевых отливок.

Граница между деформируемыми и литейными сплавами

Условная граница между этими двумя группами алюминиевых сплавов при одинаковых легирующих компонентах связана с пределом насыщения твердого раствора при эвтектической температуре (см. рисунок).

Алюминиевые сплавы с содержанием компонента меньше предела растворимости при высокой температуре обладают наибольшей пластичностью и наименьшей прочностью и, следовательно, хорошо поддаются горячей обработке давлением. 

Жидкотекучесть алюминиевых сплавов

Наилучшую жидкотекучесть – важнейшее свойство литейных алюминиевых сплавов – имеют металлы, которые кристаллизуются при постоянной температуре (чистые металлы, эвтектические сплавы).

При переходе за предел растворимости при высокой температуре жидкотекучесть резко повышается. Однако литейные алюминиевые сплавы не должны содержать больше 15-20 % эвтектики во избежание ухудшения механических и технологических свойств.

Все литейные алюминиевые сплавы могут упрочняться в результате термической обработки. Степень упрочнения тем меньше, чем больше литейный алюминиевый сплав легирован и, следовательно, в его структуре больше эвтектики.

Способность к термическому упрочнению

Деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на:

Теоретическая граница между этими группами является предел насыщения твердого раствора при комнатной температуре (см. рисунок). При содержании легирующего элемента менее предела насыщения твердого раствора при комнатной температуре упрочнения термической обработкой не может быть в принципе. Однако на практике при небольшом превышении этого предела термическое упрочнение также может не достигаться из-за малого количества упрочняющей фазы.

При сплавлении с другими элементами (Cu, Mn, Li, Mg, Si, Zn и др.) алюминий образует двойные системы (сплавы) с переменной растворимостью, что делает их способными к термическому упрочнению путем закалки и старения. Однако в двойных алюминиевых сплавах Al–Cu, Al–Si, Al–Mg, Al–Zn эффект от термической обработки менее значителен, чем тройных и более сложных сплавах. Поэтому преимущественное применение получили не двойные, а более сложно легированные сплавы – алюминиевые сплавы систем Al–Mg–Si, Al–Cu–Mg, Al–Zn–Mg.

См. также Свариваемые и несвариваемые алюминиевые сплавы

Источники:
Гуляев А.П. Металловедение, 1986.
Aluminium and aluminium alloys, ASM International, 1993.

Деформируемый алюминиевый сплав 6082

Химический состав

Номинальный химический состав

Al-1Si-0,9Mg-0,7Mn

Химический состав по EN 573-3:2013

Таблица 1 – Химический состав алюминиевого сплава 6082

Обозначения сплава

• EN 573-3: EN AW-6082 и EN AW-Al Si1MgMn
• Teal Sheets (Алюминиевая Ассоциация):  6082
• Unified Numbering System (UNS): А96082
• ISO 209:2007: 6082
• DIN 1725-1 (отменен): AlMgS1 и 3.2315       

Металлургические характеристики

• Входит в серию 6ххх
• Деформируемый: методами прессования и прокатки
• Термически упрочняемый
• Главными легирующими элементами являются магний и кремний с марганцем в виде добавки
• Упрочняющим компонентом является интерметаллическое соединение Mg₂Si.
• При номинальном химическом составе количество соединения Mg₂Si после искусственного старения может достигать около 1,4 % с избыточным содержанием кремния 0,5 % [1]
• Соединения марганца противодействуют рекристаллизации и, тем самым, позволяют контролировать морфологию и размер зерна в ходе термических обработок.
• Типичными состояниями являются Т6 и Т4.
• Состояние Т6: закалка водой после нагрева под закалку при 540 ºС и искусственное старение при 175 ºС в течение 8 часов [1]
• Состояние Т4: естественное старение при 20 ºС в течение не менее 8 суток после нагрев под закалку как для состояния Т6 [1]
• Не имеет аналогов в ГОСТ 4784-97
• Место сплава 6082 среди других сплавов серии 6ххх см. на рисунке ниже

Важные свойства

• Среднепрочный алюминиевый сплав
• Высокая коррозионная стойкость
• Имеет самую высокую прочность среди сплавов серии 6ххх. Считается конструкционным сплавом.
• В листовой форме применяют для механической обработки
• Относительно новый сплав. Чаще применяется в Европе, чем в Северной Америке. За счет более высокой прочности часто применяется вместо сплава 6061.
• Добавки большого количества марганца обеспечивают контроль зеренной структуры, что, в свою очередь, позволяет достигать более высокой прочности.
• Труден для производства тонкостенных сложных прессованных профилей.
• Качество поверхности прессованных изделий ниже, чем для других сплавов серии 6ххх
• В состояниях Т6 и Т651 хорошо подвергается механической обработке резанием с образованием длинной плотной стружки [2]

Типичное применение

• В пассажирских автомобилях: боковые противоударные элементы рамы, рамы дверей, элементы каркаса кузова [1]
• Высоконагруженные детали и компоненты
• Мосты
• Краны
• Транспортные средства
• Балки и фермы
• Бадьи для добычи руды [2]
• Пивные бочки [2]
• Молочные бидоны [2]

Механические свойства

Нормируемые механические свойства

Таблица 2 –
Требования к механическим свойствам
прессованных прутков, труб и профилей сплава 6082 в EN 755-2:2016

Типичные механические свойства

Таблица 3 – Типичные механические свойства сплава 6082 [1]

Физические свойства

Плотность

2,70 г/см³

Интервал температуры плавления

585-650 °C [3]

Температурное расширение

24 мкм/(м·K)

Модуль упругости

70 ГПа

Теплопроводность

180 Вт/м·K

Технологические свойства

Свариваемость

• Сплав 6082 обладает хорошей свариваемостью, но имеет снижение прочности в зоне сварки.
• При сваривании самого себя рекомендуется применять сварочную проволоку 4043 [2]
• При приваривании сплава 6082 к сплаву 7005 необходимо применять сплав 5356 [2]

Способность к пайке

Хорошо поддается пайке мягкими и твердыми припоями

Способность к холодной формовке

Хорошая

Способность к механической обработке резанием

Хорошая

Модификации

Отсутствуют

Источники:
1. Aluminium & Car: design, technology, innovation — Edimet Spa, 2005
2. Материалы компании Aalco Metals Ltd
3. Материалы компании Nedal Aluminium (Нидерланды)

Деформируемые алюминиевые сплавы — Студопедия

Сплавы на основе алюминия

Алюминий, его свойства и применение в технике

Алюминий – металл серебристого цвета, имеющий атом­ную массу 26,98 г, температуру плавления 660 °С, модуль упругости 71000 МПа, модуль сдвига 26000 МПа. Он об­ладает высокой химической активностью, но имеет спо­собность покрываться тонкой пленкой А1₂О₃ (толщиной 1…10 мкм), которая защищает его от дальнейшего воздей­ствия окружающей среды даже в условиях влажного климата. С газами – СО, СО₂, Н₂ при обычных темпера­турах алюминий не взаимодействует. Он обладает высо­кой коррозионной стойкостью в морской воде. Во многих органических кислотах – уксусной, масляной, лимонной, винной, пропионовой, яблочной, глюконовой алюминий устойчив, но в щавелевой и муравьиной кислотах его стойкость мала. Действие кислот на алюминий зависит от их концентрации. Так, концентрированная азотная кислота не растворяет алюминий, а в разбавленной – он быстро растворяется. Незначительно растворяют алю­миний также разбавленные серная, фосфорная, хромовая и борная кислоты. В соляной, плавиковой, бромистоводородной, а также концентрированной серной кислоте алю­миний растворяется быстро. Неустойчив он и в растворах едких щелочей, однако в газовых средах и растворах со­лей, не разрушающих защитную пленку, он устойчив (в аммиаке, сероводороде, сернокислых солях многих элементов). В то же время в растворах, разрушающих защитную пленку (в присутствии солей ртути, ионов хло­ра, в кислых рудничных водах), алюминий быстро корродирует.

В зависимости от чистоты алюминий делят на не­сколько групп: особой чистоты – А999 (99,999 %), высо­кой чистоты – А995 (99,995 %), А99 (99,99 %), А97 (99,97 %), А95 (99,95 %) и технически чистый (99 %) – марки А8, А7, А6, А5, А0. Примесями в техническом алю­минии являются железо, медь, марганец, титан и др.

Технический алюминий выпускается в виде прутков, листов, проволоки и различных профилей. Широкое при­менение получил алюминий для изготовления проводов, оболочек высоковольтных кабелей. Широко используют алюминий в пищевой промышленности для изготовления различных емкостей, тонкой фольги для упаковки про­дуктов. Из фольги толщиной более 0,2 мм штампуют различные коробки, крышки.

Но еще большим разнообразием свойств и более ши­рокими областями применения характеризуются сплавы алюминия.

Все алюминиевые сплавы можно разделить на деформируемые, литейные, спеченные порошковые и направлен­но-закристаллизованные алюминиевые эвтектики. По­рошковые сплавы САПы и направленно-закристал­лизованные эвтектики будут рассмотрены в главе 3.

Большинство алюминиевых сплавов обладает хорошей пластичностью, и из них изготавливают все известные в технике полуфаб­рикаты: фольгу, листы, прутки, трубы, ребристые пане­ли, проволоку, поковки, штамповки. Эти заготовки получают методами горячей и холодной обработки: прессованием, экструдированием, ковкой, горячей штампов­кой, прокаткой и волочением.

Пластическая деформация – не только средство из­менения формы, ее используют также и для упрочнения алюминиевых сплавов.

Деформируемые алю­миниевые сплавы делят на упрочняемые старени­ем и деформацией и упроч­няемые только деформа­цией. Типичные составы и свойства упрочняемых и старением и деформа­цией дуралюминов при­ведены в табл. 15.

Таблица 15

Составы и механические свойства дюралюминов

Сплав	Содержание элементов, %	Механические свойства после закалки и естественного старения
Сu	Mg	Мn	s0,2, МПа	sB, МПа	d, %
Д1 Д16 Д19	4,3 4,3 4,0	0,6 1,5 2,0	0,6 0,6 0,75

_____________

* Механические свойства приведены для листового мате­риала.

**Прессованные изделия из сплавов Д1 и Д16 имеют более высокую прочность (для прутков из Д16 s_B = 530 МПа; s_0,2 = 400 МПа, d = 11 %).

Дуралюмин хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях. Свойства дуралюминов

При холодной деформа­ции, как правило, требу­ется промежуточный рекристаллизационный от­жиг (350…370 °С). Для упрочнения старением дуралюмины закаливают с 495…505 °С и выдерживают 4…5 дней при комнатной температуре. Изменение прочности дуралюмина в зависимости от температуры и времени ста­рения приведено на рис. 24.

Сплав Д16 применяют для изготовления конструк­ций средней и повышенной прочности, работающих в самолетов, кузовов автомобилей, а также строительных конструкций. В продовольственном машиностроении его используют для деталей сепараторов, тестомесиль­ных аппаратов и других изделий.

Кроме того, из деформируемых и упрочняемых терми­ческой обработкой можно отметить сплавы Д18 (2 % Сu; 0,35 % Мg; 0,1 % Мn) и ВАД1 (4,1 % Сu; 2,5 % Мg; 0,6 % Мn; 0,15 % Zr; до 0,06 % Тi; 0,03 % В), обладаю­щие повышенной пластичностью. Их применяют для из­готовления заклепок для самолетов и других изделий.

Рис. 24. Зависимость прочности (s_B) дуралюминов от времени

старения при различных температурах

Для упрочнения дуралюминов проводят термическую обработку в сочетании с последующей деформацией. Из­делия после закалки и естественного старения подверга­ют нагартовке с обжатием на 5…7 % или искусственно­му старению после закалки и нагартовки.

Деформируемые сплавы типа авиаль менее легирова­ны, чем дуралюмины. Суммарное содержание легирую­щих элементов в них не превышает 1…2 %. Сплав АВ содержит 0,7 % Мg; 0,9 % Si; 0,4 % Сu; 0,25 % Мn, сплав АД31 содержит 0,7 % Мg; 0,5 % Si, а сплав АД33 – 1,0 % Мg; 0,6 % Si; 0,3 % Сu и 0,25 % Сr. По прочности эти сплавы уступают дуралюминам, но они более пластичны. Из них изготавливают трубы, листы, лопасти вертолетов и другие изделия, требующие высо­кой пластичности в холодном и горячем состояниях. Ис­кусственное старение таких сплавов целесообразно про­водить сразу же после закалки, так как это приводит к улучшению их свойств.

Промышленностью выпускаются также высокопрочные алюминиевые сплавы, например В95 (1,4…2,0 % Сu; 1,8…2,8 % Мg; 0,2…0,6 % Мn; < 0,5 % Si; 5…7 % Zn), для которого s_B = 550 МПа и d = 8 %, а также сплав В96 (2,2… 2,8 % Сu; 2,5…3,2 % Мg; 0,2…0,5 % Мn; 7,6…8,6 % Zn; 0,1 % Сr), с s_B = 630 МПа и d = 7 %. Относительно более высокая коррозионная стойкость этих сплавов обусловлена присадками марганца и меди. Эти сплавы пластичны в горячем состоянии и удовлетворительно пла­стичны в холодном. Их применяют в самолетостроении для нагруженных конструкций, работающих при 100… 120°С.

К числу жаропрочных алюминиевых сплавов, работа­ющих при более высоких температурах (до 300 °С) отно­сятся сложнолегированные сплавы типа Д20 (6…7 % Сu; 0.4…0.8 % Мn; < 0.3 % Si; 0,1…0,2 % Тi; < 0,2 % Zr) или АК4-1 (1,95…2,5 % Сu; 1,4…1,8 % Мg; < 0,3 % Si; 0,8…1,5% Fе; 1,0…1,5 % Ni; 0,1 % Тi). Присадка титана к этим сплавам способствует замедлению их рекристал­лизации.

Алюминиевые сплавы, применяющиеся для ковки и штамповки деталей, отличаются высокой пластично­стью при температурах деформации. К их числу относят­ся АК6 (1,8…2,6 % Сu; 0,4…0,8 % Мg; 0,4…0,8 % Мn; 0,7…1,2 % Si) и АК8 (содержание меди более высокое – до 3,9…4,6 %). Ковку и штамповку этих сплавов проводят при 450…475 °С. Затем их подвергают закалке при 500… 575 °С (АК6) или 490…505 °С (АК8) и старению при 150…165 °С в течение 6…15 ч.

К числу деформируемых сплавов, не упрочняемых термической обработкой, относятся бинарные сплавы алюминия с марганцем или магнием. Сплавы эти обозна­чаются как АМц (с 1,0…1,6 % Мn) либо АМг2, АМг3, АМг5, АМг6 (содержат обычно от 2 до 6 % Мg, содержа­ние которого указывает цифра в маркировке, кроме то­го в них содержится 0,3…0,8 %Мn).

Различные деформируемые алюминиевые сплавы применяются для изготовления деталей реактивных и турбовинтовых двигателей самолетов, деталей конст­рукций ракет и искусственных спутников земли. Оболоч­ка первого искусственного спутника была изготовлена из алюминиевого сплава. Кроме того, их применяют также для изготовления корпусов судов, причем, в отличие от ста­ли, они не обрастают ракушками. Во Дворце съездов в Москве из анодированного алюминия сделаны гофри­рованные потолки, перила, дверные проемы. Алюминие­вые сплавы со стеклом и бетоном использованы также при строительстве Внуковского, Домодедовского и Шере­метьевского аэродромов.

В продовольственном машиностроении из алюминие­вых сплавов делают цистерны, различные емкости, дета­ли холодильных агрегатов. Из деформируемых сплавов АД, АД1, Д16, АМц и др. в продовольственном машино­строении изготавливают различные сварные конструк­ции технологического оборудования. Сплав АМг3 и дру­гие сплавы систем Аl – Мg и Аl – Si используют для транспортных систем в сахарной промышленности, для труб теплообменных аппаратов в сатураторных уста­новках.

90000 Numerical Modelling in Designing Aluminium Extrusion 90001 90002 1. Introduction 90003 90004 Hot extrusion process is commonly used for producing many types of aluminium alloy profiles which are widely applied in various branches of industry, especially in vehicle construction and building. Extrusion process is characterized by very high deformation degree, although such deformations are usually non-uniform in product’s both cross section and length. It results from specificity of metal flow in the container and lack of process conditions stability, especially including temperature of outflowing metal.Metal flow in extrusion process depends largely on die’s geometry, especially if multi-hole or porthole die is used. Metal flow may be predicted through numerical modelling and using programs based on finite element method. 90005 90004 In this chapter, the procedure of designing dies for complex cases of aluminium alloys section extrusion is described. Firstly, general principles of designing dies for multi-hole and pocket extrusion is briefly described. Multi-hole dies enable increasing the process ‘efficiency and decreasing extrusion force, which has special significance when extruding hard-deformable alloys.Pocket dies are, in turn, commonly used for extruding solid sections with complex-shaped cross-section, as well as when applying economical method of extruding “billet – to – billet” method, which requires welding consecutive billets. Using numerical, and occasionally physical, modelling helps to significantly limit the range and costs of otherwise indispensable extrusion tests. The designing procedure is presented based on selected cases of extruding hollow sections from aluminium alloys. The first stage includes numerical modelling with the use of DEFORM program based on finite element method with the use of rigid-plastic model of the material.The software enables calculations of metal particle distribution in the container, but also distribution of strain, stress and temperature of extruded material. Analysis of different variants of the process helps determine optimum geometry of the die to guarantee obtaining good quality product. The second stage is testing the proposed dies in real-life conditions and, hence, it constitutes a form of validating correctness of the performed calculations. 90005 90002 2. Designing multi-hole dies 90003 90004 The presented work discusses cases of solid section extrusion, for which traditional flat dies are used.Multi-hole dies should be applied in hot extrusion process when deformation factor is to be limited. This, consequently, has profound impact on extrusion force. It is usually assumed that for soft aluminium alloys extreme extrusion ratio R, above which a multi-hole die has to be used, equals 40. For hard-deformable alloys, the ratio is significantly lower [1]. Excessive deformation factor results in increasing extrusion force, together with increasing velocity of outflowing metal. This may lead to forming fractures in hard-deformable alloys and make it necessary to decrease ram velocity.This, in turn, lowers extrusion effectiveness. Certainly, a multi-hole die should be used for extruding small-sized sections. Another case when it is required is extruding asymmetric sections, with considerably short diameter of circumscribed circle. Extruding such sections through single-hole die usually causes non-uniform metal flow and, thus, leads to geometrical instability of the product. 90005 90012 Figure 1. 90013 90004 Entangled bars at press run-out, extruded through multi-hole die at non-uniform outflow velocity (Courtesy of Grupa Kęty).90005 90004 Fig. 1 presents bars at press run-out, extruded through multi-hole die. Some of them are straight, but some are entangled as a result of non-uniform outflow velocity of individual bars from die holes. This, in turn, prevents a puller from being used at press run-out. 90005 90004 Designing a multi-hole die properly is a complex task, requiring focus on various factors. The criteria to consider include material aspects, shape of product, but also die durability issues. The most important quality factor in extrusion through multi-hole dies is to maintain uniform velocity of metal outflow at each hole.Only such conditions allow proper reception and running products on die run-out. Good quality is guaranteed only if the puller (running trolley) is able to keep extruded products parallel. Hence, when designing multi-hole dies, strongest attention should be paid to such distribution of holes which enables to maintain uniform conditions of metal flow in each hole. 90005 90004 Round small-sized sections may be extruded by dies with a very large number of holes. Depending on bar diameter, the holes may be distributed around one, two or three circles on the die surface (Fig.2). Distances between circles should be such, that they guarantee uniform inflow of product in each hole. Holes are not placed in the die axis, because it may precipitate very unwanted non-uniformity of product outflow. 90005 90012 Figure 2. 90013 90004 Distribution of round multi-hole dies, a) on one circle, b) on two circles, c) on three circles. 90005 90004 Sections which shape is other than round are usually extruded through holes placed on one circle on die surface [2]. 90005 90004 Taking in to account the type of extruded material, one can state that practically every material could be subject to multi-hole die extrusion.The differences result from the number of holes used. Moreover, the type of extruded material influences the way it flows in container, that is, its geometry of its characteristic zones: main deformation zones (plastic zone), and dead zone. It is illustrated on Fig. 3 which schematically shows the area of ​​main deformation zone and dead zones depending on number of holes in die. Fig 3a presents the size of main deformation zone and dead zone for hard-deformable material – both zones have significant volume, which results from high friction factor between the material and the tools.Significant changes were observed when a multi-hole die was used (Fig. 3b). There, main deformation zone seems to be divided into two smaller parts. An additional dead zone also appears between the holes. In this case, extrusion force will diminish as a result of both decreasing deformation degree as well as decreasing main deformation zone and dead zone. 90005 90004 By means of changing the holes ‘number and placement, one can influence the way material flows and, consequently, indirectly affect quality of product, characterized by its geometrical stability, structure and mechanical properties.90005 90004 The third crucial factor for designing multi-hole dies is die durability. The distance between holes constitutes a very significant parameter. It should be as large as possible. Together with increasing the number of holes, die durability diminishes, although only seemingly. In fact, together with increasing the number of holes, extrusion forces significantly decrease, too. This means that the die load is high when the number of holes is small, whereas for larger number of holes, the load is lower.Another necessary condition is also symmetrical distribution of holes in die. 90005 90012 Figure 3. 90013 90004 Flow character of hard alloy extruded through different dies, a) single-hole die, b) multi-hole die. 90005 90004 Supporting plates ‘structure also influences adjustments of distances between holes. They help to significantly limit die spring. Excessive die spring causes appearance of dangerous strain, which may end up destroying the die. Taking durability into consideration, when designing multi-hole dies one should also adapt the principle that holes laying on several circles are not distributed in one radial line.Appropriate hole distribution in such case is illustrated by Fig. 2 b and c. 90005 90002 3. Pocket dies 90003 90004 Pocket dies are used among others for obtaining products with highly differentiated section wall thickness, but also products with very small wall thickness [3]. They are also useful when applying “billet – to – billet” extrusion. In such case, there exists a need to weld two consecutive billets during process. Depending on pocket size, that is its size h (Fig. 4) and its width in relation to hole size, pocket may either facilitate or hinder metal flow into the hole, so as to obtain uniform metal particle velocity distribution in die hole.The works [3,4] present methodology of pocket shape selection for profiles with differentiated wall thickness based on local volume rates of metal flow criterion. 90005 90004 Volume rate of metal flow was defined as follows: 90005 90004 W = S⋅v = const.E1 90005 90004 where, S – cross-section of given part of section, v – velocity of metal flowing into the given section part. 90005 90012 Figure 4. 90013 90004 Schematic diagram of pocket die. 90005 90004 Pocket is also useful for multi-hole extrusion when one aims at equalizing velocities of metal flowing from holes distributed at different distance from die axis.90005 90004 Currently, many problems connected with choosing extrusion die geometry are solved thanks to numerical modelling methods based on finite element method (FEM). There are many publications dealing with pocket die extrusion [3-9], but only a few works were devoted to application of numerical modelling for multi-hole die extrusion [10-12]. Calculation procedure using FEM, apart from die geometry, enables also strength parameters analysis, stress and strain factors, metal flow velocity, as well as temperature and time conditions.90005 90004 The tests presented in this work concern various instances of extrusion in which die geometry was chosen considering numerical simulations in FEM-based program DEFORM 90059 TM 90060. The test procedure included: 90005 90062 90063 90004 choosing multi-hole extrusion 90005 90066 90063 90004 numerical modelling of different die variants 90005 90066 90063 90004 experimental validation in industrial conditions. 90005 90066 90075 90004 For the purpose of the test, especially difficult instances were selected in which problems with quality of products were identified, as well as other technical difficulties.Materials used for the tests were medium and hard-deformable alloys. The data describing materials ‘rheology between 300 and 500 ° C and steel tool AISI h23 material characteristics was defined based on program DEFORM 90059 TM 90060’ s material database. 90005 90002 4. Indirect extrusion through four-hole dies 90003 90004 Modelling indirect hot extrusion process of full AlMg1SiMn (6061) products with diameter 28 mm through four-hole dies aimed at analysing the influence of holes ‘distribution (Fig.5) on metal flow and distribution of outflow velocity in die orifice. Inappropriate distribution of holes in the die results in unstable metal flow, and, as a result, extruded bars lean towards each other or away from each other. This hinders their movement at press run-out. 90005 90012 Figure 5. 90013 90004 Schematic diagram of four-hole die. 90005 90004 For each analysed variant, a constant billet temperature was assumed at T 90089 b 90090 = 340 ° C as well as constant tool temperature at T 90089 t 90090 = 340 ° C.Calculations were performed at constant exit velocity v 90089 e 90090 = 8 m / min, constant billet diameter of D 90089 b 90090 = 246 mm and length L = 770 mm, assuming friction factor at m = 0,7. Extrusion ratio equalled 20,2. 90005 90004 At the beginning, calculations of indirect extrusion for flat dies were performed, analysing the influence of holes ‘distribution on quality of obtained products. Holes ‘distribution was determined taking into account a 90099 k 90100 indicator, defining relations between die surface area A 90089 D 90090 and surface area of ​​circle circumscribed on holes’ axis, A 90089 d 90090, according to (2) (Fig.5): 90005 90004 k = AD-AdAd = D2-d2d2E2 90005 90004 where: 90005 90004 k – indicator defining location of holes in the die 90005 90004 D – diameter of die 90005 90004 d – diameter of circle circumscribed on holes ‘axis. 90005 90004 The change of diameter of circle circumscribed on holes ‘axis was determined according to (3): 90005 90004 d = Dk + 1E3 90005 90004 Indications in equation (3) as above. 90005 90012 Figure 6. 90013 90004 Metal flow at various holes ‘distribution in a flat die. 90005 90004 Numerical calculations for indirect extrusion through four-hole dies were carried out for four different hole distribution indicators, 90099 k 90100 = 1, 3, 5, 9.Results of modelling made it possible to observe product’s reactions during extrusion process. For each 90099 k 90100 indicator value, diameter of the circle on which die holes are placed, changes. Low 90099 k 90100 value means high diameter, and conversely. Change in 90099 d 90100 diameter influences metal flow in deformation zone. Optimizing hole placement should result in uniform metal inflow from outer layer and from billet’s inside so as to ensure that rod exits die holes parallel to extrusion axis.For the assumed hole distribution indicators, satisfactory geometrical stability of the product was not obtained (Fig. 6). In the case of extrusion with indicators 90099 k 90100 = 3, 5, 9 (Fig. 6a, b, c), bending the product towards die axis is observed, until they touch. Extrusion with indicator 90099 k 90100 = 9 causes bending at the very beginning of extrusion process and non-axial metal exit (Fig 6a). Distribution of holes in the die with indicators 90099 k 90100 = 3 and 5 initially causes a similar effect to indicator 90099 k 90100 = 9, and then, during extrusion process, product axis approximates die holes ‘axis.However, during extrusion with holes ‘distribution for indicator 90099 k 90100 = 1 (Fig. 6d), strong outwards bending of product appears. 90005 90012 Figure 7. 90013 90004 Distribution of effective strain for different hole’s distribution indicators k. 90005 90004 Fig. 7 presents of effective strain for different indicators 90099 k 90100. Diversification of effective strain is visible in cross-sections of extruded bars, which leads to their deformation after exiting a die hole. 90005 90012 Figure 8.90013 90004 Four-hole pocket dies models for numerical calculations, a) central pocket die, b) local pocket die, c) ring-shaped pocket die. 90005 90012 Figure 9. 90013 90004 Distribution of metal particle exit velocity upon extrusion through ring-shaped pocket die. 90005 90004 Calculations have shown that, theoretically, in order to achieve the most beneficial extrusion, indicator 90099 k 90100 should equal 2 ÷ 3. Unfortunately, die set structure of press does not provide for such wide setting of die holes.In this situation, calculations were carried out for several pocket dies with various geometry (Fig. 8a, b, c). Depending on its geometry, a pocket may be useful at controlling metal flow into individual die holes. In such case, pocket helps to regulate intensity of metal inflow into die holes. Central pocket (fig. 8a) intensifies metal flow in central part of ingot, whereas local pockets, i.e. individual for each hole, are supposed to reduce influence of non-uniformity of flowing in deformation zone.The ring-shaped pocket (fig. 8c) combines both abovementioned reactions. The final goal is to obtain uniform velocity distribution in die holes. For each of the analysed extrusion variants, a constant value of holes ‘distribution indicator was assumed at 90099 k 90100 = 9. It turned out that the optimum die featured a ring-shaped pocket with height 90099 h = 90100 2 mm (Fig. 8c ). Fig. 9 presents distribution of particle velocity upon extrusion through segmented pocket die, and Fig. 10 shows intensive strain distribution.Both distribution of particle velocity and distribution of intensive strain display satisfactory uniformity which helped design such die for industrial tests. 90005 90012 Figure 10. 90013 90004 Distribution of intensive strain upon extrusion through ring-shaped pocket die. 90005 90004 Figure 11 presents a view of ring-shaped pocket die, designed for experimental tests. Extrusion tests of round 28 mm diameter 6082 aluminium bars through four-hole dies were performed on indirect press with nominal force of 28 MN.The press is a modern solution, featuring so called water wave designed for solutioning of extruded products directly at press run-out. Test parameters were identical as in numerical modelling, with the exception of temperature, as because of necessity to maintain isothermal extrusion conditions and product solutioning at press run-out, taper billet heating was applied 500/510/520/530 ° C, and container temperature was 500 ° C. 90005 90004 Upon extrusion through flat die, bars were bent towards extrusion axis, which, consequently, led to bars ‘joining at press run-out.Extrusion through ring-shaped pocket die caused expected effects, that is, good quality product together with maintaining shape stability. Fig. 11b features a photograph from the test performed, to show how product exits the die parallel to its axis from the start of the process. 90005 90012 Figure 11. 90013 90004 Extrusion tests in industrial conditions through four-hole die, view of ring-shaped pocket die, b) view of extruded bars at press run-out. 90005 90002 5. Indirect extrusion through 17-hole dies 90003 90004 In this case, the subject of analysis was indirect extrusion process of 9,5 mm diameter AlZn6MgCu (7010) alloy bars.This alloy is characterized by high strength, but also hard-deformability, that is why practically used extrusion velocity does not exceed 1,5 m / min. Based on observations of real process with the use of 17-hole flat die, it was stated that initially, middle bars exit die at higher velocity than bars located around circle edge. During the process, velocities are equalized, and later outer bars begin to exit much quicker than ones in the middle. As a result, high differentiation of inner and outer bars ‘exit velocity is observed at particular stages of extrusion.90005 90004 In this case, numerical modelling procedure was applied for different die variants: a flat die and two pocket dies.A pocket, as it has been mentioned in chapter 2, may accelerate or decelerate metal flow into die holes in specified place. Pocket dimensions are also important. A narrow and tall pocket decelerates metal flow before die hole, whereas a wide and low one causes volume of metal entering die hole to increase. The first variant featured narrow pre-chambers used on outer holes in order to decelerate metal exit velocity from those holes.With such thin bars, pockets should not be too deep, as it hinders removing bars from die holes. In the second case, a wide ring-shaped pocket was used. It was 3 mm deep and was placed on inner holes (Fig. 12). Such a pocket facilitated metal flow at entering inner holes, which was supposed to result in equalizing velocities between inner and outer bars. In this case, experiences gained when analyzing four-hole die where taken into consideration. For each analysed variant, constant billet temperature was assumed at T 90089 b 90090 = 350 ° C and constant tool temperature at T 90089 t 90090 = 340 ° C.Calculations were performed for extrusion velocity at 2 mm / s (exit velocity v 90089 e 90090 = 1,2 m / min). Billet diameter was 252 mm, length – 300 mm, extrusion ratio R = 41 and friction factor on the contact surface of billet and tools m = 0,7. 90005 90012 Figure 12. 90013 90004 Schematic diagram of 17-hole die with ring-shaped pocket, dimensions in mm. 90005 90004 With the use of flat die, at the very beginning of the process, bars from inner holes exited slower than from the outer ones (Fig 13).90005 90004 The aim of extrusion through 17-hole die with local pockets applied on outer holes was to hinder metal velocity within outer layer. However, the influence of local pockets was so strong, that in practice extrusion took place from the inner holes.A ring-shaped pocket die turned out to be a much better solution, though comparable with flat die, as upon its use, uniform metal outflow velocity was obtained from each die hole (Fig. 14). 90005 90012 Figure 13. 90013 90004 Distribution of metal particles exit velocity during extrusion through 17-hole flat die.90005 90012 Figure 14. 90013 90004 Distribution of metal particles ‘outflow velocity upon indirect extrusion through ring-shaped pocket die on outer holes. 90005 90004 Based on numerical calculations, two variants of 17-hole pocket die were designed. In the first variant, outer holes were equipped with pockets, whereas in the second one, a ring-shaped pocket was applied on inner holes. (Fig. 15). 90005 90012 Figure 15. 90013 90004 Schematic diagram of 17-hole die with ring-shaped pocket. 90005 90004 Tests were performed with following basic parameters: 90005 90062 90063 90004 billet diameter 246 mm, 90005 90066 90063 90004 billet length 770 mm, 90005 90066 90063 90004 container diameter 252 mm, 90005 90066 90063 90004 billet temperature – taper heating 350/360 / 370 ° C 90005 90066 90063 90004 container temperature 340 ° C 90005 90066 90063 90004 ram velocity v 90089 0 90090 = 0,5 mm / s.90005 90066 90075 90004 The extrusion tests were performed on a 28MN capacity indirect press. Positive results were achieved with the use of 17-hole die with ring-shaped pocket encompassing all inner die holes. 7010 alloy which was used for the test is a hard-deformable material which is extruded with very low velocity. As a result, one billet extrusion time is about 20 minutes. In such conditions, temperature changes in deformation zone which result in change of metal flow mechanics during the process.This, in turn, is followed by change in velocity of metal’s exiting both inner and outer holes. According to flow mechanics during extrusion, inner bars move initially faster, but soon outer bars accelerate significantly. It happens so in case of traditional flat dies. Using ring-shaped pocket on inner holes proved to be a good solution, as it caused permanent acceleration of metal exiting inner holes, which lasted until the end of the process. Fig. 16 presents bars extruded through 17-hole die with ring-shaped pocket, initial phase (a) and advanced state when the use of puller was possible (b).The difference in total length of bars from inner and outer holes was about 2 m, which constituted about 7% of their length. Such results are acceptable from the point of view of effectiveness (small material loss). It is important, however, that in such conditions one can safely use a puller so that no rippling occurs on press run-out (Fig. 16b). 90005 90012 Figure 16. 90013 90004 Extrusion of bars through a 17-hole die with ring-shaped pocket, view of bars after exiting the die, b) guiding puller (courtesy of Grupa Kety).90005 90004 In case of extrusion through a 17-hole die with local pockets placed on outer layer holes, the influence of pockets was so effective that metal exited the die practically through inner holesonly. It needs to be added that such result of the test turned out appropriate for indirect extrusion. In case of direct extrusion, when metal flow is significantly different and unfavourable, optimum die geometry solution might be different. 90005 90002 6. Direct extrusion of asymmetric S-type profile 90003 90004 Extruding asymmetric profiles is especially difficult because of complexity of metal flow which often leads to geometrical instability of the product in the form of twisting or bending, as well as its non-homogenous structure.In such case, either different lengths of die land are usually used or pocket dies. Such product is exemplified by AlMg4,5Mn (5083) alloy profile presented in Fig. 17. 90005 90004 This alloy belongs to hard-deformable materials extruded with low exit velocity. Extrusion of the profile presented in Fig. 17 in industrial conditions occurs on a flat die. Different lengths of die land were used there (5 and 12 mm) in order to regulate metal flow. Nevertheless, the hollow section was subjected to intense twisting upon extrusion.Torque was so strong that the product was torn from puller. Probably, the reason for such phenomenon was inappropriate metal flow velocity distribution in die hole. It was proposed to use a die with pocket of variable width. Reaction of metal in real conditions, as observed in this case, suggests that twisting is caused by significantly non-uniform metal inflow to die holes in the whole deformation zone. Even application of a two-hole die can not considerably alter metal reaction in deformation zone, as it is impossible to precipitate symmetric flowing.90005 90012 Figure 17. 90013 90004 Asymmetric S-type AlMg4,5Mn extruded profile geometry. 90005 90012 Figure 18. 90013 90004 Design of pocket die for extruding asymmetric profiles. 90005 90004 Such reaction of metal may be corrected by means of applying a die with pocket of appropriate geometry. When designing the pocket die, the main parameter for choosing pocket dimensions was so called volume rates of metal flow criterion, as defined in equation (1). It assumes that relation between velocities of metal flowing from container and entering individual parts of pocket corresponds to relationship between surface areas of cross-sections of extruded profile’s fragments.In addition, pocket shape (Fig. 18) was corrected taking into account change in profile radius. Designing a die for such sections requires considerable experience as well as constructor’s intuition. In the illustration, pocket shape was marked red. Depth of pocket was 8 mm. 90005 90004 In the first stage of tests, numerical modelling was performed for traditional flat die and pocket die. Fig. 19 presents distribution of metal velocity in die hole for both flat die and pocket die. One can notice strong diversification of velocity in flat die hole (Fig.19a). Velocity at central part of the profile is almost three times higher than at its ends. As it may be seen, the use of die lands of much different length is not sufficient. For apocket die, diversification of metal flow velocity is relatively low (Fig. 19b). This confirms that the application of pocket is more efficient. 90005 90012 Figure 19. 90013 90004 Distribution of metal exit velocity in the die orifice in case of, a) flat die, b) pocket die. 90005 90004 In order to establish how the obtained distribution of velocity influence section reaction after exiting die hole, visualization of this phenomenon was carried out in DEFORM program and was presented in Fig.20. The images show twisting which practically occurs upon section extrusion (Fig. 20a). Pocket die makes it possible to minimize this unfavourable phenomenon, as, in this case, twisting is reduced to minimum. 90005 90004 In order to verify correctness of pocketdie design, profile extrusion tests were performed in industrial conditions. Tests of AlMg4,5 (5083) alloy profile extrusion were carried out on a direct press with nominal force of 25 MN with the use of designed pocket die. Extrusion conditions were as follows: 90005 90062 90063 90004 billet diameter – 215 mm and length – 230 mm, 90005 90066 90063 90004 extrusion ratio R = 58, 90005 90066 90063 90004 billet temperature 470 ° C, 90005 90066 90063 90004 exit velocity 3m / min .90005 90066 90075 90012 Figure 20. 90013 90004 Visualization of twisting a profile extruded through, a) flat die and b) pocket die. 90005 90012 Figure 21. 90013 90004 View of 5083 alloy profile at press run-out extruded through pocket die (Courtesy of Grupa Kety). 90005 90004 Fig. 21 presents a profile extruded through pocket die. Due to slight profile twisting, it was easily driven by puller at press run-out. Profile extruded through traditional flat die twisted several times during extrusion test.Thus, the results of industrial test confirmed the assumptions of numerical simulations. 90005 90004 Non-uniform metal flow velocity distribution in die hole usually results in non-uniform material structure on product’s cross-section. In the case of hot extruded aluminum alloys, it is most often manifested by so called coarse grain layer. For this reason, extruded sections were subjected to metallographic tests in order to reveal their structure on cross-section. Macrostructure tests have shown differentiation of grain size on profile cross-section.More non-uniform macrostructure was present on cross-section of profiles extruded through flat die (Fig. 22a). In most part of profile, coarse grain layer covers the whole cross-section. In case of section extruded through pocket die, (Fig. 22b) coarse grain layer exists, but its thickness does not exceed 2mm. Still, this proves to be a more favorable structure than the one resulting from using flat dies, as inner cross-section is made of fine grain, which improves product strength. Such layer may be decreased by appropriate selection of extrusion conditions.90005 90012 Figure 22. 90013 90004 Macrostructure of cross-section of profile extruded through flat die (a) and pocket die (b), etched with Tucker’s reagent. 90005 90002 7. Conclusion 90003 90004 The research method applied in the work was based on numerical modelling and facilitated designing multi-hole dies and pocket dies for extrusion of various aluminum alloys, especially hard-deformable alloys. Extrusion through multi-hole dies is an efficient way of improving extrusion process effectiveness.It has become key question to design multi-hole dies so that uniform metal flow velocity in each hole is guaranteed. 90005 90004 Analysis of three cases of extrusion helped identify variants displaying best expected conditions of real material flow. Particularly, in each analyzed case, application of pocket dies turned out to be the best solution. Upon extrusion through four-hole die, designed based on numerical simulations, the desired parallel flow of each 6082 alloy bar. It was original to use a ring-shaped pocket for 17-hole 7010 alloy extrusion.Similarly to calculations, almost identical bar flow velocity was observed from outer and inner holes, which enabled a puller to be used effectively on press run-out. 90005 90004 In an exceptionally difficult case, i.e. extruding asymmetric section from hard-deformable 5083 alloy, based on calculations, die variant with changeable width pocket was rightly selected. Its application helped reduce section twisting after exiting die holes. The results of the tests indicate that using pocket dies is a very good way of controlling metal flow, especially in case of asymmetric profiles.Another advantage of using such dies is that when applying them, one can avoid the difficulty of reconstruction the whole die set. Such necessity emerges when the optimum calculated hole distribution in the die would require increasing diameter of the die itself. However, this solution is possible, but quite costly and it requires recalculation of durability of individual die set elements. Die constructions designs have been validated in real conditions upon extrusion of selected profiles on an industrial press.Properly designed die also helps to avoid various defects of extruded products, related with their geometry and material structure. 90005.90000 Understanding the Aluminum Alloy Designation System 90001 90002 Understanding the Aluminum Alloy Designation System 90003 90004 With the growth of aluminum within the welding fabrication industry, and its acceptance as an excellent alternative to steel for many applications, there are increasing requirements for those involved with developing aluminum projects to become more familiar with this group of materials. To fully understand aluminum, it is advisable to start by becoming acquainted with the aluminum identification / designation system, the many aluminum alloys available and their characteristics.90005 90004 90007 The Aluminum Alloy Temper and Designation System 90008 90005 90004 In North America, The Aluminum Association Inc. is responsible for the allocation and registration of aluminum alloys. Currently there are over 400 wrought aluminum and wrought aluminum alloys and over 200 aluminum alloys in the form of castings and ingots registered with the Aluminum Association. The alloy chemical composition limits for all of these registered alloys are contained in the Aluminum Association’s Teal Book entitled “International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys” and in their Pink Book entitled “Designations and Chemical Composition Limits for Aluminum Alloys in the Form of Castings and Ingot.These publications can be extremely useful to the welding engineer when developing welding procedures, and when the consideration of chemistry and its association with crack sensitivity is of importance. 90005 90004 Aluminum alloys can be categorized into a number of groups based on the particular material’s characteristics such as its ability to respond to thermal and mechanical treatment and the primary alloying element added to the aluminum alloy. When we consider the numbering / identification system used for aluminum alloys, the above characteristics are identified.The wrought and cast aluminums have different systems of identification; the wrought having a 4-digit system, and the castings having a 3-digit and 1-decimal place system. 90005 90004 90007 Wrought Alloy Designation System 90008 90005 90004 We shall first consider the 4-digit wrought aluminum alloy identification system. 90005 90004 The first digit (Xxxx) indicates the principal alloying element, which has been added to the aluminum alloy and is often used to describe the aluminum alloy series, i.e. 1000 series, 2000. series, 3000 series, up to 8000 series (see table 1). 90005 90004 90005 90004 90007 WROUGHT ALUMINUM ALLOY DESIGNATION SYSTEM 90008 90005 90028 90029 90030 90031 90007 Alloy Series 90008 90034 90031 90007 Principal Alloying Element 90008 90034 90039 90030 90031 90007 1xx 90008 90034 90031 99.000% Minimum Aluminum 90034 90039 90030 90031 90007 2xx 90008 90034 90031 Copper 90034 90039 90030 90031 90007 3xx 90008 90034 90031 Manganese 90034 90039 90030 90031 90007 4xx 90008 90034 90031 Silicon 90034 90039 90030 90031 90007 5xx 90008 90034 90031 Magnesium 90034 90039 90030 90031 90007 6xx 90008 90034 90031 Magnesium and Silicon 90034 90039 90030 90031 90007 7xx 90008 90034 90031 Zinc 90034 90039 90030 90031 90007 8xx 90008 90034 90031 Other Elements 90034 90039 90104 90105 90004 90007 Table 1 90008 90005 90004 The second single digit (xXxx), if different from 0, indicates a modification of the specific alloy, and the third and fourth digits (xxXX) are arbitrary numbers given to identify a specific alloy in the series.Example: In alloy 5183, the number 5 indicates that it is of the magnesium alloy series, the 1 indicates that it is the 1st modification to the original alloy 5083, and the 83 identifies it in the 5xxx series. 90005 90004 The only exception to this alloy numbering system is with the 1xxx series aluminum alloys (pure aluminums) in which case, the last 2 digits provide the minimum aluminum percentage above 99%, i.e., Alloy 1350 (99.50% minimum aluminum). 90005 90004 90007 Cast Alloy Designation 90008 90005 90004 The cast alloy designation system is based on a 3 digit-plus decimal designation xxx.x (i.e. 356.0). The first digit (Xxx.x) indicates the principal alloying element, which has been added to the aluminum alloy (see table 2). 90005 90004 90005 90004 90007 CAST ALUMINUM ALLOY DESIGNATION SYSTEM 90008 90005 90028 90029 90030 90031 90007 Alloy Series 90008 90034 90031 90007 Principal Alloying Element 90008 90034 90039 90030 90031 90007 1xx.x 90008 90034 90031 99.000% minimum Aluminum 90034 90039 90030 90031 90007 2xx.x 90008 90034 90031 Copper 90034 90039 90030 90031 90007 3xx.x 90008 90034 90031 Silicon Plus Copper and / or Magnesium 90034 90039 90030 90031 90007 4xx.x 90008 90034 90031 Silicon 90034 90039 90030 90031 90007 5xx.x 90008 90034 90031 Magnesium 90034 90039 90030 90031 90007 6xx.x 90008 90034 90031 Unused Series 90034 90039 90030 90031 90007 7xx.x 90008 90034 90031 Zinc 90034 90039 90030 90031 90007 8xx.x 90008 90034 90031 Tin 90034 90039 90030 90031 90007 9xx.x 90008 90034 90031 Other Elements 90034 90039 90104 90105 90004 90007 Table 2 90008 90005 90004 The second and third digits (xXX.x) are arbitrary numbers given to identify a specific alloy in the series. The number following the decimal point indicates whether the alloy is a casting (.0) or an ingot (.1 or .2). A capital letter prefix indicates a modification to a specific alloy. 90005 90004 Example: Alloy – A356.0 the capital A (Axxx.x) indicates a modification of alloy 356.0. The number 3 (A3xx.x) indicates that it is of the silicon plus copper and / or magnesium series. The 56 (Ax56.0) identifies the alloy within the 3xx.x series, and the .0 (Axxx.0) indicates that it is a final shape casting and not an ingot. 90005 90004 90007 The Aluminum Temper Designation System 90008 90005 90004 If we consider the different series of aluminum alloys, we will see that there are considerable differences in their characteristics and consequent application. The first point to recognize, after understanding the identification system, is that there are two distinctly different types of aluminum within the series mentioned above.These are the Heat Treatable Aluminum alloys (those which can gain strength through the addition of heat) and the Non-Heat Treatable Aluminum alloys. This distinction is particularly important when considering the affects of arc welding on these two types of materials. 90005 90004 The 1xxx, 3xxx, and 5xxx series wrought aluminum alloys are non-heat treatable and are strain hardenable only. The 2xxx, 6xxx, and 7xxx series wrought aluminum alloys are heat treatable and the 4xxx series consist of both heat treatable and non-heat treatable alloys.The 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x and 7xx.x series cast alloys are heat treatable. Strain hardening is not generally applied to castings. 90005 90004 The heat treatable alloys acquire their optimum mechanical properties through a process of thermal treatment, the most common thermal treatments being Solution Heat Treatment and Artificial Aging. Solution Heat Treatment is the process of heating the alloy to an elevated temperature (around 990 Deg. F) in order to put the alloying elements or compounds into solution.This is followed by quenching, usually in water, to produce a supersaturated solution at room temperature. Solution heat treatment is usually followed by aging. Aging is the precipitation of a portion of the elements or compounds from a supersaturated solution in order to yield desirable properties. The aging process is divided into two types: aging at room temperature, which is termed natural aging, and aging at elevated temperatures termed artificial aging. Artificial aging temperatures are typically about 320 Deg.F. Many heat treatable aluminum alloys are used for welding fabrication in their solution heat treated and artificially aged condition. 90005 90004 The non-heat treatable alloys acquire their optimum mechanical properties through Strain Hardening. Strain hardening is the method of increasing strength through the application of cold working. The Temper Designation System addresses the material conditions called tempers. The Temper Designation System is an extension of the alloy numbering system and consists of a series of letters and numbers which follow the alloy designation number and are connected by a hyphen.Examples: 6061-T6, 6063-T4, 5052-h42, 5083-h212. 90005 90004 90005 90004 90007 THE BASIC TEMPER DESIGNATIONS 90008 90005 90028 90029 90030 90031 90007 Letter 90008 90034 90031 90007 Meaning 90008 90034 90039 90030 90031 90007 F 90008 90034 90031 As fabricated – Applies to products of a forming process in which no special control over thermal or strain hardening conditions is employed 90034 90039 90030 90031 90007 O 90008 90034 90031 Annealed – Applies to product which has been heated to produce the lowest strength condition to improve ductility and dimensional stability 90034 90039 90030 90031 90007 H 90008 90034 90031 Strain Hardened – Applies to products which are strengthened through cold-working.The strain hardening may be followed by supplementary thermal treatment, which produces some reduction in strength. The “H” is always followed by two or more digits (see table 4) 90034 90039 90030 90031 90007 W 90008 90034 90031 Solution Heat-Treated – An unstable temper applicable only to alloys which age spontaneously at room temperature after solution heat-treatment 90034 90039 90030 90031 90007 T 90008 90034 90031 Thermally Treated – To produce stable tempers other than F, O, or H.Applies to product which has been heat-treated, sometimes with supplementary strain-hardening, to produce a stable temper. The “T” is always followed by one or more digits (see table 5) 90034 90039 90104 90105 90004 90007 Table 3 90008 90005 90004 Further to the basic temper designation, there are two subdivision categories, one addressing the “H” Temper – Strain Hardening, and the other addressing the “T” Temper – Thermally Treated designation. 90005 90004 90007 Table 4 – Subdivisions of H Temper – Strain Hardened 90008 90005 90004 90007 The first digit after the H indicates a basic operation: 90008 90005 90004 h2 – Strain Hardened Only.90005 90004 h3 – Strain Hardened and Partially Annealed. 90005 90004 h4 – Strain Hardened and Stabilized. 90005 90004 h5 – Strain Hardened and Lacquered or Painted. 90005 90004 90007 The second digit after the H indicates the degree of strain hardening: 90008 90005 90004 HX2 – Quarter Hard HX4 – Half Hard HX6 – Three-Quarters Hard 90005 90004 HX8 – Full Hard HX9 – Extra Hard 90005 90004 90005 90004 90007 Table 5 – Subdivisions of T Temper – Thermally Treated 90008 90005 90004 T1 – Naturally aged after cooling from an elevated temperature shaping process, such as extruding.90005 90004 T2 – Cold worked after cooling from an elevated temperature shaping process and then naturally aged. 90005 90004 T3 – Solution heat treated, cold worked and naturally aged. 90005 90004 T4 – Solution heat treated and naturally aged. 90005 90004 T5 – Artificially aged after cooling from an elevated temperature shaping process. 90005 90004 T6 – Solution heat treated and artificially aged. 90005 90004 T7 – ​​Solution heat treated and stabilized (overaged). 90005 90004 T8 – Solution heat treated, cold worked and artificially aged.90005 90004 T9 – Solution heat treated, artificially aged and cold worked. 90005 90004 T10 – Cold worked after cooling from an elevated temperature shaping process and then artificially aged. 90005 90004 Additional digits indicate stress relief. 90005 90004 Examples: 90005 90004 TX51 or TXX51 – Stress relieved by stretching. 90005 90004 TX52 or TXX52 – Stress relieved by compressing. 90005 90004 90007 Aluminum Alloys And Their Characteristics 90008 90005 90004 If we consider the seven series of wrought aluminum alloys, we will appreciate their differences and understand their applications and characteristics.90005 90004 90007 1xxx Series Alloys 90008 – (non-heat treatable – with ultimate tensile strength of 10 to 27 ksi) this series is often referred to as the pure aluminum series because it is required to have 99.0% minimum aluminum. They are weldable. However, because of their narrow melting range, they require certain considerations in order to produce acceptable welding procedures. When considered for fabrication, these alloys are selected primarily for their superior corrosion resistance such as in specialized chemical tanks and piping, or for their excellent electrical conductivity as in bus bar applications.These alloys have relatively poor mechanical properties and would seldom be considered for general structural applications. These base alloys are often welded with matching filler material or with 4xxx filler alloys dependent on application and performance requirements. 90005 90004 90007 2xxx Series Alloys 90008 – (heat treatable- with ultimate tensile strength of 27 to 62 ksi) these are aluminum / copper alloys (copper additions ranging from 0.7 to 6.8%), and are high strength, high performance alloys that are often used for aerospace and aircraft applications.They have excellent strength over a wide range of temperature. Some of these alloys are considered non-weldable by the arc welding processes because of their susceptibility to hot cracking and stress corrosion cracking; however, others are arc welded very successfully with the correct welding procedures. These base materials are often welded with high strength 2xxx series filler alloys designed to match their performance, but can sometimes be welded with the 4xxx series fillers containing silicon or silicon and copper, dependent on the application and service requirements.90005 90004 90007 3xxx Series Alloys 90008 – (non-heat treatable – with ultimate tensile strength of 16 to 41 ksi) These are the aluminum / manganese alloys (manganese additions ranging from 0.05 to 1.8%) and are of moderate strength, have good corrosion resistance , good formability and are suited for use at elevated temperatures. One of their first uses was pots and pans, and they are the major component today for heat exchangers in vehicles and power plants. Their moderate strength, however, often precludes their consideration for structural applications.These base alloys are welded with 1xxx, 4xxx and 5xxx series filler alloys, dependent on their specific chemistry and particular application and service requirements. 90005 90004 90007 4xxx Series Alloys 90008 – (heat treatable and non-heat treatable – with ultimate tensile strength of 25 to 55 ksi) These are the aluminum / silicon alloys (silicon additions ranging from 0.6 to 21.5%) and are the only series which contain both heat treatable and non-heat treatable alloys. Silicon, when added to aluminum, reduces its melting point and improves its fluidity when molten.These characteristics are desirable for filler materials used for both fusion welding and brazing. Consequently, this series of alloys is predominantly found as filler material. Silicon, independently in aluminum, is non-heat treatable; however, a number of these silicon alloys have been designed to have additions of magnesium or copper, which provides them with the ability to respond favorably to solution heat treatment. Typically, these heat treatable filler alloys are used only when a welded component is to be subjected to post weld thermal treatments.90005 90004 90007 5xxx Series Alloys 90008 – (non-heat treatable – with ultimate tensile strength of 18 to 51 ksi) These are the aluminum / magnesium alloys (magnesium additions ranging from 0.2 to 6.2%) and have the highest strength of the non-heat treatable alloys. In addition, this alloy series is readily weldable, and for these reasons they are used for a wide variety of applications such as shipbuilding, transportation, pressure vessels, bridges and buildings. The magnesium base alloys are often welded with filler alloys, which are selected after consideration of the magnesium content of the base material, and the application and service conditions of the welded component.Alloys in this series with more than 3.0% magnesium are not recommended for elevated temperature service above 150 deg F because of their potential for sensitization and subsequent susceptibility to stress corrosion cracking. Base alloys with less than approximately 2.5% magnesium are often welded successfully with the 5xxx or 4xxx series filler alloys. The base alloy 5052 is generally recognized as the maximum magnesium content base alloy that can be welded with a 4xxx series filler alloy. Because of problems associated with eutectic melting and associated poor as-welded mechanical properties, it is not recommended to weld material in this alloy series, which contain higher amounts of magnesium with the 4xxx series fillers.The higher magnesium base materials are only welded with 5xxx filler alloys, which generally match the base alloy composition. 90005 90004 90007 6XXX Series Alloys 90008 – (heat treatable – with ultimate tensile strength of 18 to 58 ksi) These are the aluminum / magnesium – silicon alloys (magnesium and silicon additions of around 1.0%) and are found widely throughout the welding fabrication industry, used predominantly in the form of extrusions, and incorporated in many structural components.The addition of magnesium and silicon to aluminum produces a compound of magnesium-silicide, which provides this material its ability to become solution heat treated for improved strength. These alloys are naturally solidification crack sensitive, and for this reason, they should not be arc welded autogenously (without filler material). The addition of adequate amounts of filler material during the arc welding process is essential in order to provide dilution of the base material, thereby preventing the hot cracking problem.They are welded with both 4xxx and 5xxx filler materials, dependent on the application and service requirements. 90005 90004 90007 7XXX Series Alloys 90008 – (heat treatable – with ultimate tensile strength of 32 to 88 ksi) These are the aluminum / zinc alloys (zinc additions ranging from 0.8 to 12.0%) and comprise some of the highest strength aluminum alloys. These alloys are often used in high performance applications such as aircraft, aerospace, and competitive sporting equipment. Like the 2xxx series of alloys, this series incorporates alloys which are considered unsuitable candidates for arc welding, and others, which are often arc welded successfully.The commonly welded alloys in this series, such as 7005, are predominantly welded with the 5xxx series filler alloys. 90005 90004 90007 Summary 90008 90005 90004 Today’s aluminum alloys, together with their various tempers, comprise a wide and versatile range of manufacturing materials. For optimum product design and successful welding procedure development, it is important to understand the differences between the many alloys available and their various performance and weldability characteristics.When developing arc welding procedures for these different alloys, consideration must be given to the specific alloy being welded. It is often said that arc welding of aluminum is not difficult, “it’s just different”. I believe that an important part of understanding these differences is to become familiar with the various alloys, their characteristics, and their identification system. 90005 90004 90007 Additional Information Sources 90008 90005 90004 There are a number of excellent reference sources available exclusively addressing aluminum welding; One being the Aluminum Association’s “Welding Aluminum Theory and Practice” and another, is the American Welding Society Document D1.2 – Structural Welding Code – Aluminum. Other documents available from the Aluminum Association that assist with the design of aluminum structures are the Aluminum Design Manual and Aluminum Standards and Data. These documents along with the alloy designation documents mentioned earlier in the article can be obtained directly from the AWS, or The Aluminum Association as appropriate. 90005 90004 AWS Tel 1 800 443 9353 Web Site: www.aws.org 90005 90004 The Aluminum Association Tel: (301) 645-0756 Web Site: www.aluminum.org 90005 .90000 Aluminum Alloys 101 | The Aluminum Association 90001 90002 Quick Read 90003 90004 An aluminum alloy is a chemical composition where other elements are added to pure aluminum in order to enhance its properties, primarily to increase its strength. These other elements include iron, silicon, copper, magnesium, manganese and zinc at levels that combined may make up as much as 15 percent of the alloy by weight. Alloying requires the thorough mixing of aluminum with these other elements while the aluminum is in molten – liquid – form.90005 90002 Take-Away Facts 90003 90008 90009 90010 In the chemistry 90011 90012 Aluminum’s properties such as, strength, density, workability, electrical conductivity and corrosion resistance are affected by adding other elements such as magnesium, silicon or zinc. 90013 90009 90010 Bradley Fighting Vehicle 90011 90012 The military Bradley Fighting Vehicle is made from two different aluminum alloys: a 7xxx series and 5xxx series. Trusted to keep soldiers safe and mobile, aluminum is also used in many other military vehicles.90013 90009 90010 Our favorite beverage container 90011 90012 America’s favorite beverage container, the aluminum can, is made from multiple aluminum alloys. The shell of the can is composed of 3004 and the lid is made from 5182. Sometimes it takes more than one alloy to make one, everyday item. 90013 90009 90010 Hot and Cold 90011 90012 Aluminum alloys can be made stronger through heat-treatment or cold working. The attributes of a particular alloy are different because of their additives and treatment.90013 90029 90002 90031 Aluminum Alloy 101 90003 90004 What is an Aluminum Alloy 90005 90004 An aluminum alloy is a chemical composition where other elements are added to pure aluminum in order to enhance its properties, primarily to increase its strength. These other elements include iron, silicon, copper, magnesium, manganese and zinc at levels that combined may make up as much as 15 percent of the alloy by weight. Alloys are assigned a four-digit number, in which the first digit identifies a general class, or series, characterized by its main alloying elements.90005 90002 Commercially Pure Aluminum 90003 90039 1xxx Series 90040 90004 The 1xxx series alloys are comprised of aluminum 99 percent or higher purity. This series has excellent corrosion resistance, excellent workability, as well as high thermal and electrical conductivity. This is why the 1xxx series is commonly used for transmission, or power grid, lines that connect the national grids across the United States. Common alloy designations in this series are 1350, for electrical applications, and 1100, for food packaging trays.90005 90002 Heat-Treatable Alloys 90003 90004 Some alloys are strengthened by solution heat-treating and then quenching, or rapid cooling. Heat treating takes the solid, alloyed metal and heats it to a specific point. The alloy elements, called solute, are homogeneously distributed with the aluminum putting them in a solid solution. The metal is subsequently quenched, or rapidly cooled, which freezes the solute atoms in place. The solute atoms consequently combine into a finely distributed precipitate.This occurs at room temperature which is called natural aging or in a low temperature furnace operation which is called artificial aging. 90005 90039 2xxx Series 90040 90004 In the 2xxx series, copper is used as the principle alloying element and can be strengthened significantly through solution heat-treating. These alloys possess a good combination of high strength and toughness, but do not have the levels of atmospheric corrosion resistance as many other aluminum alloys. Therefore, these alloys are usually painted or clad for such exposures.They’re generally clad with a high-purity alloy or a 6xxx series alloy to greatly resist corrosion. Alloy 2024 perhaps the most widely known aircraft alloy. 90005 90039 6xxx Series 90040 90004 The 6xxx series are versatile, heat treatable, highly formable, weldable and have moderately high strength coupled with excellent corrosion resistance. Alloys in this series contain silicon and magnesium in order to form magnesium silicide within the alloy. Extrusion products from the 6xxx series are the first choice for architectural and structural applications.Alloy 6061 is the most widely used alloy in this series and is often used in truck and marine frames. Additionally, the iPhone 6 extrusion was made from 6xxx series alloy. 90005 90039 7xxx Series 90040 90004 Zinc is the primary alloying agent for this series, and when magnesium is added in a smaller amount, the result is a heat-treatable, very high strength alloy. Other elements such as copper and chromium may also be added in small quantities. The most commonly known alloys are 7050 and 7075, which are widely used in the aircraft industry.Apple®’s aluminum Watch, released in 2015 року, was made from a custom 7xxx series alloy. 90005 90002 Non Heat-Treatable Alloys 90003 90004 Non-heat treated alloys are strengthened through cold-working. Cold working occurs during rolling or forging methods and is the action of “working” the metal to make it stronger. For example, when rolling aluminum down to thinner gauges, it gets stronger. This is because cold working builds up dislocations and vacancies in the structure, which then inhibits the movement of atoms relative to each other.This increases the strength of the metal. Alloying elements like magnesium intensify this effect, resulting in even higher strength. 90005 90039 3xxx Series 90040 90004 Manganese is the major alloying element in this series, often with smaller amounts of magnesium added. However, only a limited percentage of manganese can be effectively added to aluminum. 3003 is a popular alloy for general purpose because it has moderate strength and good workability and may be used in applications such as heat exchangers and cooking utensils.Alloy 3004 and its modifications are used in the bodies of aluminum beverage cans. 90005 90039 4xxx Series 90040 90004 4xxx series alloys are combined with silicon, which can be added in sufficient quantities to lower the melting point of aluminum, without producing brittleness. Because of this, the 4xxx series produces excellent welding wire and brazing alloys where a lower melting point is required. Alloy 4043 is one of the most widely used filler alloys for welding 6xxx series alloys for structural and automotive applications.90005 90039 5xxx Series 90040 90004 Magnesium is the primary alloying agent in the 5xxx series and is one of the most effective and widely used alloying elements for aluminum. Alloys in this series possess moderate to high strength characteristics, as well as good weldablility and resistance to corrosion in the marine environment. Because of this, aluminum-magnesium alloys are widely used in building and construction, storage tanks, pressure vessels and marine applications. Examples of common alloy applications include: 5052 in electronics, 5083 in marine applications, anodized 5005 sheet for architectural applications and 5182 makes the aluminum beverage can lid.The U.S. military’s Bradley Fighting Vehicle is made with 5083 and the 7xxx series aluminum. 90005 90002 Creating New Alloys 90003 90004 More than 60 years ago, the Aluminum Association established the wrought alloy designation system through its Technical Committee on Product Standards (TCPS), which was adopted in the US in 1954. Three years later, the system was approved as American National Standard h45. 1. This designation system was officially adopted by the International Signatories of the Declaration of Accord in 1970 and became an international designation system.In the same year, Standards Committee h45 on Aluminum Alloys was authorized by the American National Standards Institute (ANSI), with the Association serving as the Secretariat. The Association has served as the major standard setting organization for the global aluminum industry ever since. 90005 90004 The alloy registration system is currently managed by the Association’s TCPS. The whole process, from registering a new alloy to assigning a new designation, takes between 60 to 90 days. When the current system was originally developed in 1954 the list included 75 unique chemical compositions.Today, there are more than 530 registered active compositions and that number continues to grow. That underscores how versatile and ubiquitous aluminum has become in our modern world. 90005 .90000 Aluminum Alloys Wrought and Cast Property Data 90001 90002 Aluminum Alloy Property Data 90003 90004 MatWeb has data for over 1600 individual wrought and cast aluminum alloy compositions and / or heat treatments. The highest purity (99.99% min.) Aluminum available commercially in wrought form is Aluminum 1199-0 or Aluminum 1199-h28. You can find typical values ​​such as melting point, density, and thermal conductivity for typical aluminum alloys under the name Aluminum Alloys, General.Values ​​for the pure element are found under the name Aluminum, Al. UNS numbers and ISO designations are supported for most aluminum alloys in MatWeb. An overview of Aluminum Alloy Heat Treating Temper Codes is also available. Aluminum anodizing is covered in our Aluminum Anodizing and Processing Design Guide. 90005 90004 Mechanical properties such as tensile strength or hardness vary widely with alloy composition or heat treatment. The fastest way to examine the database entries for the precise aluminum alloy of interest is to follow the link above to Search By Material Type and then select “Aluminum Alloy” in the drop down box under ‘Nonferrous Metals’; this feature is reproduced below.90005 90008 90009 90010 (Click on the image to go there) 90011 90005 90004 You can also choose “Aluminum Alloy” in conjunction with property values ​​when you Search By Property. This will help you to find the alloys that meet your quantitative property specifications (Ex: metal with density 80,000 psi). 90005 90004 If you know the AA alloy number in which you are interested, type it in the Search box at the top of any MatWeb page (see the example below). When entering text into the search box, note that you will generally have more success with the American spelling ‘Aluminum’ rather than ‘Aluminium’ as used elsewhere in the world.90005 90008 90005 90004 No matter how you reach MatWeb’s entries for specific cast or wrought aluminum alloys, you will find complete physical property data. The MatWeb staff has collected extensive data from manufacturers (such as Alcoa, RSP Technology, and Alpase), professional societies (The Aluminum Association), and literature / handbooks to bring you values ​​for properties such as density, hardness, shear strength, shear modulus , heat capacity, solidus, liquidus, elongation, Poisson’s ratio, fatigue, composition, etc.90005 .