Hliník je nejhojnějším kovovým prvkem v zemské kůře. Je to neželezný kov s druhou největší produkcí a použitím na světě po oceli. Má nízkou hustotu, přibližně 1/3 oceli. Protože čistý hliník je měkký a má nízkou pevnost, přidáním malého množství prvků, jako je hořčík, měď, zinek, křemík a lithium, k hliníku se zlepšuje výkon hliníkové slitiny. Hliníkové slitiny jsou nejrozšířenějšími konstrukčními materiály z neželezných kovů v průmyslu díky svým vynikajícím mechanickým vlastnostem a odolnosti proti korozi. Široce se používají ve stavebnictví, leteckém průmyslu, automobilovém průmyslu, strojírenství, stavbě lodí a chemickém průmyslu.
Hliníkové slitiny mají vynikající vlastnosti v mechanice a chemii:
① Mechanické aspekty, které se projevují především nízkou hustotou, vysokou pevností, vysokým modulem atd. Hliník má nízkou hustotu a je lehčí než jiné kovy, tvoří pouze čtvrtinu oceli, takže je vhodný pro použití v oblastech s vysokými požadavky na nízkou hmotnost;
② Co se týče chemických vlastností, hliníková slitina dokáže na vzduchu tvořit na svém povrchu hustý oxidový film, a proto se dokáže chránit před hlubokou oxidací. Má proto vynikající odolnost proti korozi a velmi stabilní chemické složení.
③Hliníková slitina má dobrou plasticitu a lze ji zpracovat do různých profilů. Má vynikající elektrickou a tepelnou vodivost. Proto se široce používá v průmyslu a její využití je hned po oceli.
V současné době existuje v průmyslu více než 250 hliníkových slitin s různým složením. Pro usnadnění rozlišování podle složení slitin Čína používá mezinárodně uznávanou čtyřmístnou klasifikační metodu, která usnadňuje značení výrobního místa, paměť a správu výpočtů. Hliníkové slitiny používané ve vojenském průmyslu zahrnují především slitiny hliníku a lithia, řady 2XXX (A1-Cu-Mg) a řady 7XXX.
Poptávka na trhu a trend vývoje různých materiálů z hliníkových slitin
Hliníková slitina řady 2XXX
Hliníkové slitiny řady 2XXX (A1-Cu-Mg) mají vysokou pevnost v tahu, houževnatost a únavovou pevnost, dobrou tepelnou odolnost, dobré zpracovatelské a svařovací vlastnosti a jsou široce používány v leteckém, automobilovém a zbrojním průmyslu. Hlavní jakosti jsou 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12 atd. Byla vyvinuta řada slitin pro zlepšení pevnosti, houževnatosti a tolerance poškození, jako například slitiny 2024, 2124, 2524, 2324 atd.
Čínské modely zařízení se vyvíjejí směrem k nízké hmotnosti, dlouhé životnosti, vysoké spolehlivosti a nízkým nákladům a kladou vysoké požadavky na lomovou houževnatost, odolnost proti šíření trhlin a korozní odolnost materiálu potahu trupu. Na základě tlustého plechu z hliníkové slitiny 2024-T351 vyvinuly zahraniční země hliníkové slitiny 2324, 2624 a další s vysokou odolností proti poškození pro spodní povrch křídel s různou pevností, houževnatostí, únavou a odolností proti korozi a dosáhly jejich instalace a aplikace. Čína vyvíjí hliníkové slitiny řady 2XXX s vysokou odolností proti poškození. V budoucnu bude kompozitní mikrolegování důležitým směrem vývoje vysokopevnostních hliníkových slitin řady Al-Cu-Mg.
Hliníková slitina řady 4XXX
V současné době se v Číně pro výrobu automobilových pístů používají hlavně eutektické a hypoeutektické slitiny Al-Si. S neustálým zlepšováním požadavků na výkon motorů je však obtížné tyto požadavky splnit. Hypereutektická slitina Al-Si má nízkou hustotu, malý koeficient lineární roztažnosti, vyšší odolnost proti opotřebení a objemovou stabilitu a je ideálnějším materiálem pro písty ve srovnání s eutektickými slitinami Al-Si. Písty ze hypereutektických slitin Al-Si se hromadně vyrábějí v zahraničí a používají se v nákladních a osobních automobilech, například slitina A390 ve Spojených státech, slitiny AC9A a AC8A (ZL109) v Japonsku a slitina A390 v Austrálii. V současné době však v Číně existuje jen málo výrobců, kteří vyrábějí písty ze hypereutektických slitin Al-Si, a většina z nich se spoléhá na dovoz. Kromě toho existuje velký rozdíl mezi materiály z hliníkových slitin pro automobilová turbodmychadla a zahraničím. Vysoce výkonné materiály z hliníkových slitin pro automobilová turbodmychadla se spoléhají především na Japonsko a další země. Proto je nezbytné vyvinout klíčové materiály z hliníkových slitin pro automobily pro vysoce výkonné písty a oběžná kola turbodmychadel.
Hliníkové slitiny řady 5XXX
Slitiny Al-Mg, zejména slitiny Al-Mg s vysokým obsahem Mg, mají vysokou specifickou pevnost, dobrou svařitelnost a odolnost proti korozi a stanou se vysoce konkurenceschopnými materiály v budoucím leteckém průmyslu, vysokorychlostních vlacích, oceánech a dalších oblastech. V současné době se plechy, profily a svařovací dráty ze slitin Al-Mg pro letecký průmysl, vlaky, oceány a další aplikace spoléhají především na dovoz. Trh s luxusními svařovacími dráty je v USA v podstatě monopolizován společností ALCOA. Slitiny ER5183 a ER5356 se spoléhají především na dovoz a objem dovozu představuje přibližně 70 % jejich prodeje. Slitiny Al-Mg pro lodě se spoléhají především na Rusko. Konvenční ingoty ze slitin s vysokým obsahem Mg mají dobře vyvinuté dendrity, silnou eutektickou fázovou segregaci a špatný tvářecí výkon. Současné metody zpracování mají stále mnoho problémů, jako je nízký výkon, špatná zdánlivá kvalita, dlouhý proces, nestabilní kvalita a nízký výtěžek. Subrychlé tuhnutí a tváření může inhibovat srážení Mg a zároveň je lze regulovat tak, aby se získaly jemné rovnoměrně osé krystaly a nanoprecipitované fáze, což výrazně zlepšuje výkon a jednotnost materiálu. Proto se očekává, že vývoj technologie subrychlého tuhnutí, kontinuální reologické extruze a válcování pro vysoce výkonné slitiny Al-Mg uspokojí poptávku po vysoce kvalitních slitinách Al-Mg.
Hliníkové slitiny řady 6XXX
Hliníkové slitiny řady 6XXX jsou klíčovými materiály v oblasti železniční dopravy, automobilů, elektroniky atd. Od 80. let 20. století rozvinuté země a regiony, jako je Evropa, Spojené státy a Japonsko, vyvinuly hliníkové slitiny pro automobily, registrovaly jakosti jako 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 a 6082 a vytvořily relativně kompletní systém výroby a aplikace pro panely karoserií automobilů, extrudované díly, výkovky atd. Industrializační výzkum a vývoj panelů karoserií a výkovků ze slitin hliníku řady 6XXX v Číně teprve začal a existuje zřetelná mezera. Ministerstvo průmyslu a informačních technologií Číny navrhlo, aby se vyvíjely tyto plechy z hliníkových slitin pro automobilový průmysl: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022 atd. Typický plech z hliníkové slitiny řady 6XXX má prodloužení A50 nejméně 25 %, hodnotu r nejméně 0,60, mez kluzu při parkování 60 dní Rp0,2 nejméně 140 N/mm2 a přírůstek meze kluzu při vytvrzování laku nejméně 80 N/mm2. V reakci na různé potřeby se vývoj technologie konstrukce, přípravy a zpracování hliníkových slitin řady 6XXX stal nevyhnutelným trendem vývoje.
Hliníkové slitiny řady 7XXX
Hliníkové slitiny řady 7XXX mají dobrou odolnost proti korozi v namáhání a patří mezi nejpevnější hliníkové slitiny. Jsou mezinárodně uznávané jako základní materiály pro letectví. V poslední době zahraniční země vyvinuly slitinu 7055 (Al8Zn-2,05Mg-2,3Cu-0,16Zr), jejíž mez kluzu ve stavu T77511 přesahuje 620 MPa. Používá se v letadlech Boeing 777 a snižuje hmotnost o 635 kg. V současné době Číně chybí systematický návrh slitin, technologie přípravy a zpracování hliníkových slitin řady 7XXX pro letectví a některé produkty jsou zcela závislé na dovozu. Vzhledem k velkoobjemovým ingotům hliníkových slitin řady 7XXX s mnoha legujícími prvky, širokému rozsahu tuhnutí, vysokému licímu napětí a snadné oxidaci/segregaci legujících prvků je metalurgická kvalita ingotů nízká a tvářecí vlastnosti při pokojové teplotě jsou nízké, proto je velmi důležité vyvíjet nové hliníkové slitiny řady 7XXX.
Slitina hliníku a lithia (Al-Li)
Slitina hliníku a lithia je v posledních letech nejrychleji rostoucím lehkým materiálem v leteckém průmyslu. Vyznačuje se nízkou hustotou, vysokým modulem pružnosti, vysokou specifickou tuhostí, dobrou odolností proti únavě a odolností proti korozi. Po nahrazení konvenčních hliníkových slitin lze hmotnost snížit o 10 % až 20 % a tuhost zvýšit o 15 % až 20 %. Na počátku 21. století spustila americká společnost ALCOA program „ALCOA Aviation 20/20 Plan“ s cílem snížit náklady a hmotnost leteckých hliníkových slitin o 20 % během 20 let. Společnost Constellium vyvinula slitiny hliníku a lithia (Al-Cu-Li-Mg-Ag) 2050 a 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) s nízkou hustotou, vysokou houževnatostí a vysokou odolností proti poškození. V Číně je nezávisle vyvinuto jen velmi málo slitin Al-Li a používá se pouze slitina 1420. Slitinu hliníku a lithia použitou v osobním letadle C919 dodává společnost Alcoa. V tuzemsku lze vyrábět pouze omezené množství slitin jako 1420, 2195, 2197 a 2A97, a to pouze ploché ingoty o rozměrech menších než (310~400)×1280×4000) mm a kulaté ingoty o průměru menším než φ650 mm. Ploché ingoty (2B16) o tloušťce větší než 60 mm a šířce větší než 1500 mm a ingoty (2B16) o průměru větším než 1500 mm v oblasti špičkových leteckých aplikací dosud nebyly průmyslově vyráběny. Proto je velmi důležité vyvinout nové konstrukce slitin hliníku a lithia, přípravu ultravelkých ingotů a technologii hlubokého zpracování.
Tepelně odolná hliníková slitina
Žáruvzdorné hliníkové slitiny jsou klíčovými základními materiály v oblasti letectví, automobilů, železniční dopravy atd. Regulací prvků, jako je Si, Fe, Ni, Ag a vzácné zeminy, se hliníkové slitiny stávají odolnými vůči oxidaci a tečení za vysokých teplot. Mezi tradiční žáruvzdorné hliníkové slitiny patří: 2519, 2618, 2219, 2D70 atd. S rychlým rozvojem leteckého a automobilového průmyslu jsou na žáruvzdorné hliníkové slitiny kladeny vyšší požadavky. Nová generace stíhaček má vysokou cestovní rychlost a provozní teplota potahu trupu je nad 150 °C. V současné době je dlouhodobá provozní teplota žáruvzdorných hliníkových slitin, jako jsou 2618 a 2D70, nižší než 150 °C. Je nezbytné vyvíjet nové žáruvzdorné hliníkové slitiny.
Slitina Al-Sc s ultranízkým obsahem skandia (Sc)
Slitina Al-Sc má vynikající vlastnosti, jako je vysoká pevnost, dobrá plasticita a odolnost proti korozi, a po slitině Al-Li se stala novou generací lehkých materiálů pro letecký průmysl, lodě atd. Pevnost v tahu slitiny Al-Mg obsahující stopové množství skandia je o 30 % vyšší než u slitiny 5083 a mez kluzu je více než dvojnásobná. Její svařitelnost je srovnatelná s konvenčními slitinami řady 5XXX, mechanické vlastnosti tepelně ovlivněné zóny a svaru jsou přibližně stejné jako u matrice a její odolnost proti korozi je srovnatelná s odolností slitiny 5083. Nahrazením slitin řady 5XXX nebo 6XXX při výrobě leteckých součástí lze dosáhnout významného snížení hmotnosti a je také vynikajícím materiálem pro automobily a kolejová vozidla. Rusko je v popředí světového vývoje hliníkových slitin obsahujících skandium a vyvinulo slitiny Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc a Al-Cu-Mg-Sc s obsahem skandia 0,18 % až 0,5 %. S cílem podpořit použití slitin hliníku a skandia v leteckém a automobilovém průmyslu zařadilo čínské ministerstvo průmyslu a informačních technologií hliníkové slitiny obsahující skandium mezi nové materiály pro prioritní rozvoj. Čína má bohaté zdroje skandia a vybudovala výrobní linku na extrakci vysoce čistého oxidu skandia, čímž položila základy pro vývoj slitin hliníku a skandia.
Hliníková slitina pro lisování za horka s pevností v tahu 500 MPa pro automobily
V Číně stále existuje prostor pro lisování za tepla z vysokopevnostních hliníkových slitin. Kombinace nových materiálů a vývoje nových tvářecích procesů je účinným prostředkem k řešení problému tváření automobilových dílů z vysokopevnostních hliníkových slitin. Zaměření na slitiny řady 7XXX, aktivní zkoumání slitin řady 2XXX a vývoj hliníkových slitin třídy 500 MPa pro lisování za tepla má významné vyhlídky pro výrobu automobilových dílů složitých tvarů.
Kompozitní materiály na bázi hliníku
Vícevrstvá kompozitní deska z hliníku a oceli: Efektivní spojení mezi hliníkovými a ocelovými palubami se stalo jedním z omezení pro odlehčování nástaveb velkých lodí. Přechodový spoj z hliníku a oceli, používaný pro svařování mezi hliníkovými a ocelovými trupy, poskytuje řešení, které nahrazuje tradiční nýtovací proces. Společnost Honda vyvinula technologii spojování oceli a hliníku, která bude celosvětově používána v sériově vyráběných rámech automobilů. V současné době se kompozitní spoje z hliníku a oceli používané v Číně dovážejí převážně ze zahraničí a jejich cena dosahuje až 4×10⁶ CNY/t. U budoucích velkých lodí jsou pro přechodové spoje vyžadovány vyšší svařovací teploty, větší namáhání v ložiskách a pevnější spojovací rozhraní a vysoce výkonné spoje z hliníku a oceli jsou naléhavě potřebné.
Čas zveřejnění: 8. března 2025
