Aluminium ist das am häufigsten vorkommende Metall in der Erdkruste. Nach Stahl ist es das Nichteisenmetall mit der zweitgrößten Produktion und Verwendung weltweit. Seine Dichte beträgt etwa ein Drittel der von Stahl. Da reines Aluminium weich ist und eine geringe Festigkeit aufweist, verbessert die Zugabe geringer Mengen von Elementen wie Magnesium, Kupfer, Zink, Silizium und Lithium die Leistungsfähigkeit von Aluminiumlegierungen. Aluminiumlegierungen sind aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit die am häufigsten verwendeten Nichteisenmetall-Konstruktionswerkstoffe in der Industrie. Sie finden breite Anwendung im Bauwesen, der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Maschinenbau, dem Schiffbau und der chemischen Industrie.
Aluminiumlegierungen verfügen über hervorragende mechanische und chemische Eigenschaften:
1. Mechanische Aspekte spiegeln sich hauptsächlich in geringer Dichte, hoher Festigkeit, hohem Elastizitätsmodul usw. wider. Aluminium hat eine geringe Dichte und ist leichter als andere Metalle, nur 1/4 von Stahl, daher eignet es sich für den Einsatz in Bereichen mit hohen Anforderungen an das geringe Gewicht;
② Da Aluminiumlegierungen an der Luft einen dichten Oxidfilm auf ihrer Oberfläche bilden können, sind sie chemisch vor starker Oxidation geschützt. Daher weisen sie eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und eine sehr stabile chemische Zusammensetzung auf.
③Aluminiumlegierungen weisen eine gute Plastizität auf und können zu verschiedenen Profilen verarbeitet werden. Sie verfügen über eine ausgezeichnete elektrische und thermische Leitfähigkeit. Daher werden sie in der Industrie häufig verwendet und sind nach Stahl die zweithäufigste Verwendung.
Derzeit sind in der Industrie über 250 Aluminiumlegierungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen im Einsatz. Um die Unterscheidung entsprechend der Legierungszusammensetzung zu erleichtern, verwendet China die international anerkannte vierstellige Klassifizierungsmethode, um die Kennzeichnung der Produktionsstätten sowie die Speicherung und Berechnungsverwaltung zu vereinfachen. Zu den in der Rüstungsindustrie verwendeten Aluminiumlegierungen gehören hauptsächlich Aluminium-Lithium-Legierungen der Serien 2XXX (A1-Cu-Mg) und 7XXX.
Marktnachfrage und Entwicklungstrend verschiedener Aluminiumlegierungsmaterialien
Aluminiumlegierung der Serie 2XXX
Aluminiumlegierungen der 2XXX-Serie (A1-Cu-Mg) zeichnen sich durch hohe Zugfestigkeit, Zähigkeit und Dauerfestigkeit, gute Wärmebeständigkeit, gute Verarbeitungs- und Schweißeigenschaften aus und finden breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Automobil- und der Waffenindustrie. Die wichtigsten Sorten sind 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12 usw. Eine Reihe von Legierungen wurde entwickelt, um Festigkeit, Zähigkeitsanpassung und Schadenstoleranz zu verbessern, wie beispielsweise die Legierungen 2024, 2124, 2524, 2324 usw.
Chinas Ausrüstungsmodelle entwickeln sich in Richtung Leichtgewicht, Langlebigkeit, hohe Zuverlässigkeit und niedrige Kosten und stellen hohe Anforderungen an die Bruchzähigkeit, Rissausbreitungsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Rumpfhautmaterials. Basierend auf der dicken Platte aus Aluminiumlegierung 2024-T351 wurden im Ausland hochbelastbare Aluminiumlegierungen der Serien 2324 und 2624 für die untere Flügeloberfläche mit unterschiedlicher Festigkeit, Zähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit entwickelt und installiert und angewendet. China entwickelt hochbelastbare Aluminiumlegierungen der 2XXX-Serie. Verbundmikrolegierungen werden in Zukunft eine wichtige Entwicklungsrichtung für hochfeste Aluminiumlegierungen der Al-Cu-Mg-Serie sein.
Aluminiumlegierung der Serie 4XXX
Derzeit werden in China hauptsächlich eutektische und untereutektische Al-Si-Legierungen für Automobilkolben verwendet. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Motorleistungsanforderungen ist es jedoch schwierig, diese zu erfüllen. Übereutektische Al-Si-Legierungen weisen eine geringe Dichte, einen kleinen linearen Ausdehnungskoeffizienten, eine höhere Verschleißfestigkeit und Volumenstabilität auf und sind daher ein idealeres Kolbenmaterial als eutektische Al-Si-Legierungen. Kolben aus übereutektischen Al-Si-Legierungen werden im Ausland in Massenproduktion hergestellt und in Lkw und Pkw eingesetzt, beispielsweise als A390-Legierung in den USA, als AC9A- und AC8A-Legierungen (ZL109) in Japan und als A390-Legierung in Australien. In China gibt es derzeit jedoch nur wenige Hersteller, die Kolben aus übereutektischen Al-Si-Legierungen herstellen, und die meisten von ihnen sind auf Importe angewiesen. Darüber hinaus besteht eine große Lücke zwischen Aluminiumlegierungen für Automobil-Turbolader und dem Ausland. Hochleistungs-Aluminiumlegierungen für Automobil-Turbolader werden hauptsächlich in Japan und anderen Ländern hergestellt. Daher ist es zwingend erforderlich, wichtige Aluminiumlegierungsmaterialien für die Automobilindustrie für Hochleistungskolben und Turboladerräder zu entwickeln.
Aluminiumlegierungen der Serie 5XXX
Al-Mg-Legierungen, insbesondere Al-Mg-Legierungen mit hohem Mg-Gehalt, weisen eine hohe spezifische Festigkeit, gute Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit auf und werden in Zukunft in der Luft- und Raumfahrt, bei Hochgeschwindigkeitszügen, auf See und in anderen Bereichen zu äußerst wettbewerbsfähigen Materialien. Derzeit sind Platten, Profile und Schweißdrähte aus Al-Mg-Legierungen für die Luft- und Raumfahrt, Züge, Seefahrt und andere Anwendungen hauptsächlich auf Importe angewiesen. Der Markt für hochwertige Schweißdrähte wird in den Vereinigten Staaten praktisch von ALCOA monopolisiert. Die Legierungen ER5183 und ER5356 sind hauptsächlich auf Importe angewiesen; das Importvolumen macht etwa 70 % ihres Umsatzes aus. Al-Mg-Legierungen für Schiffe sind hauptsächlich auf Russland angewiesen. Herkömmliche Barren aus Legierungen mit hohem Mg-Gehalt weisen gut entwickelte Dendriten, starke eutektische Phasentrennung und ein schlechtes Umformverhalten auf. Die derzeitigen Verarbeitungsverfahren sind noch mit vielen Problemen behaftet, wie z. B. geringe Leistung, schlechte scheinbare Qualität, lange Prozesse, instabile Qualität und geringe Ausbeute. Durch subschnelle Erstarrung und Formgebung kann die Magnesiumausscheidung gehemmt und gleichzeitig so reguliert werden, dass feine gleichachsige Kristalle und nanopräzipitierte Phasen entstehen, was die Leistung und Gleichmäßigkeit des Materials deutlich verbessert. Daher wird erwartet, dass die Entwicklung einer kontinuierlichen rheologischen Extrusions- und Walztechnologie mit subschneller Erstarrung für leistungsstarke Al-Mg-Legierungen den Bedarf an hochwertigen Al-Mg-Legierungen decken wird.
Aluminiumlegierungen der Serie 6XXX
Aluminiumlegierungen der 6XXX-Serie sind Schlüsselmaterialien in den Bereichen Schienenverkehr, Automobile, Elektronik usw. Seit den 1980er Jahren haben entwickelte Länder und Regionen wie Europa, die Vereinigten Staaten und Japan Aluminiumlegierungen für Automobile entwickelt, Güten wie 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 und 6082 registriert und ein relativ vollständiges Produktions- und Anwendungssystem für Automobilkarosserieteile, Strangpressprofile, Schmiedeteile usw. gebildet. Die Industrialisierungsforschung und -entwicklung von Karosserieteilen und Schmiedeteilen aus Aluminiumlegierungen der 6XXX-Serie in China hat gerade erst begonnen und es besteht eine deutliche Lücke. Das chinesische Ministerium für Industrie und Informationstechnologie hat folgende Aluminiumlegierungsbleche für die Automobilindustrie vorgeschlagen: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022 usw. Typische Aluminiumlegierungsbleche der Serie 6XXX haben eine Dehnung A50 von mindestens 25 %, einen r-Wert von mindestens 0,60, eine 60-Tage-Parkstreckgrenze Rp0,2 von mindestens 140 N/mm² und eine Streckgrenzenzunahme beim Aushärten der Farbe von mindestens 80 N/mm². Als Reaktion auf die unterschiedlichen Anforderungen ist die Weiterentwicklung der Design-, Herstellungs- und Verarbeitungstechnologie für Aluminiumlegierungen der Serie 6XXX zu einem unvermeidlichen Entwicklungstrend geworden.
Aluminiumlegierungen der Serie 7XXX
Aluminiumlegierungen der 7XXX-Serie weisen eine gute Spannungskorrosionsbeständigkeit auf und gehören zu den widerstandsfähigsten Aluminiumlegierungen. Sie gelten international als Grundwerkstoffe der Luftfahrt. Kürzlich wurde im Ausland die Legierung 7055 (Al8Zn-2,05Mg-2,3Cu-0,16Zr) entwickelt, deren Streckgrenze im Zustand T77511 über 620 MPa liegt. Sie kommt im Flugzeugtyp Boeing 777 zum Einsatz und reduziert das Gewicht um 635 kg. Derzeit mangelt es in China an systematischem Legierungsdesign sowie an Herstellungs- und Verarbeitungstechnologien für Aluminiumlegierungen der 7XXX-Serie für die Luftfahrt, und einige Produkte sind vollständig von Importen abhängig. Da die großen Barren der 7XXX-Serie viele Legierungselemente, einen weiten Erstarrungsbereich, hohe Gussspannungen und eine leichte Oxidation/Entmischung der Legierungselemente aufweisen, ist die metallurgische Qualität der Barren mangelhaft und die Umformbarkeit bei Raumtemperatur gering. Daher ist die Entwicklung neuer Aluminiumlegierungen der 7XXX-Serie von großer Bedeutung.
Aluminium-Lithium (Al-Li)-Legierung
Aluminium-Lithium-Legierungen haben sich in den letzten Jahren zu den am schnellsten wachsenden Leichtbauwerkstoffen in der Luftfahrtindustrie entwickelt. Sie zeichnen sich durch geringe Dichte, hohen Elastizitätsmodul, hohe spezifische Steifigkeit, gutes Dauerfestigkeitsverhalten und Korrosionsbeständigkeit aus. Durch den Ersatz herkömmlicher Aluminiumlegierungen lässt sich die Masse um 10–20 % reduzieren und die Steifigkeit um 15–20 % erhöhen. Anfang des 21. Jahrhunderts startete das amerikanische Unternehmen ALCOA den „ALCOA Aviation 20/20 Plan“ mit dem Ziel, Kosten und Gewicht von Aluminiumlegierungen für die Luftfahrt innerhalb von 20 Jahren um jeweils 20 % zu senken. Constellium hat die Aluminium-Lithium-Legierungen 2050 und 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) mit geringer Dichte, hoher Zähigkeit und hoher Schadenstoleranz entwickelt. In China gibt es nur sehr wenige unabhängig entwickelte Al-Li-Legierungen, und bisher wurde nur die Legierung 1420 verwendet. Die im Passagierflugzeug C919 verwendete Aluminium-Lithium-Legierung stammt von Alcoa. Im Inland können nur begrenzte Legierungsqualitäten wie 1420, 2195, 2197 und 2A97 hergestellt werden. Die Barren sind ausschließlich Flachbarren unter (310–400 × 1280 × 4000) mm und Rundbarren unter φ650 mm. Flachbarren (2B16) mit einer Dicke von über 60 mm und einer Breite von über 1500 mm sowie Barren (2B16) mit einem Durchmesser von über 1500 mm für den Einsatz in der High-End-Luftfahrt werden bisher nicht industriell hergestellt. Daher ist die Entwicklung neuer Aluminium-Lithium-Legierungen, die Herstellung ultragroßer Barren und die Entwicklung von Tiefziehverfahren von großer Bedeutung.
Hitzebeständige Aluminiumlegierung
Hitzebeständige Aluminiumlegierungen sind wichtige Grundmaterialien in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und im Schienenverkehr. Durch die Regulierung von Elementen wie Si, Fe, Ni, Ag und seltenen Erden werden Aluminiumlegierungen oxidations- und kriechbeständiger bei hohen Temperaturen. Herkömmliche hitzebeständige Aluminiumlegierungen sind: 2519, 2618, 2219, 2D70 usw. Mit der rasanten Entwicklung der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie steigen die Anforderungen an hitzebeständige Aluminiumlegierungen. Die neue Generation von Kampfjets hat eine hohe Reisegeschwindigkeit und die Betriebstemperatur der Rumpfhaut liegt bei über 150 °C. Derzeit liegt die Dauergebrauchstemperatur hitzebeständiger Aluminiumlegierungen wie 2618 und 2D70 unter 150 °C. Die Entwicklung neuer hitzebeständiger Aluminiumlegierungen ist unerlässlich.
Al-Sc-Legierung mit ultraniedrigem Scandium (Sc)-Gehalt
Al-Sc-Legierungen zeichnen sich durch hervorragende Eigenschaften wie hohe Festigkeit, gute Plastizität und Korrosionsbeständigkeit aus und zählen nach den Al-Li-Legierungen zu den Leichtbauwerkstoffen der neuen Generation für die Luft- und Raumfahrt, die Schifffahrt usw. Die Zugfestigkeit von Al-Mg-Legierungen mit Spuren von Scandium ist 30 % höher als die der 5083-Legierung, und die Streckgrenze ist mehr als doppelt so hoch. Ihre Schweißbarkeit ist mit der herkömmlicher Legierungen der 5XXX-Serie vergleichbar, die mechanischen Eigenschaften der Wärmeeinflusszone und der Schweißnaht entsprechen in etwa denen der Matrix, und ihre Korrosionsbeständigkeit ist mit der der 5083-Legierung vergleichbar. Der Ersatz von Legierungen der 5XXX- oder 6XXX-Serie bei der Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten kann zu deutlichen Gewichtseinsparungen führen, und sie sind auch ein hervorragendes Material für Automobile und Schienenfahrzeuge. Russland ist weltweit führend in der Entwicklung scandiumhaltiger Aluminiumlegierungen und hat Legierungen der Sorten Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc und Al-Cu-Mg-Sc mit einem Scandiumgehalt von 0,18 % bis 0,5 % entwickelt. Um den Einsatz von Aluminium-Scandium-Legierungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbau zu fördern, hat das chinesische Ministerium für Industrie und Informationstechnologie scandiumhaltige Aluminiumlegierungen als eines der neuen Materialien mit Priorität für die Entwicklung eingestuft. China verfügt über reiche Scandiumvorkommen und hat eine Produktionslinie zur Gewinnung von hochreinem Scandiumoxid errichtet, die den Grundstein für die Entwicklung von Aluminium-Scandium-Legierungen legt.
500 MPa-Warmpräge-Aluminiumlegierung für Automobile
In China besteht noch immer ein Bedarf an der Warmumformung hochfester Aluminiumlegierungen. Die Kombination neuer Werkstoffe und die Entwicklung neuer Umformungsverfahren ist ein wirksames Mittel, um das Problem der Umformung hochfester Aluminiumlegierungen für Automobilteile zu lösen. Die Fokussierung auf Legierungen der 7XXX-Serie, die aktive Erforschung von 2XXX-Legierungen und die Entwicklung von Aluminiumlegierungen der Güte 500 MPa für die Warmumformung eröffnen wichtige Perspektiven für die Herstellung komplex geformter Automobilteile.
Aluminiumbasierte Verbundwerkstoffe
Aluminium-Stahl-Mehrschichtverbundplatte: Die effektive Verbindung von Aluminium- und Stahldecks ist zu einem der Hindernisse für die Leichtbauweise der Aufbauten großer Schiffe geworden. Die zum Schweißen zwischen Aluminium- und Stahlrümpfen verwendete Aluminium-Stahl-Verbundübergangsverbindung bietet eine Lösung, die das traditionelle Nietverfahren ersetzt. Honda hat eine Stahl-Aluminium-Verbindungstechnologie entwickelt, die weltweit in der Massenproduktion von Autorahmen zum Einsatz kommen wird. Derzeit werden die in China verwendeten Aluminium-Stahl-Verbundverbindungen hauptsächlich aus dem Ausland importiert und kosten bis zu 4×10⁻¹ CNY/t. Für die zukünftigen Großschiffe sind höhere Schweißtemperaturen, größere Traglasten und stärkere Verbindungsflächen für Übergangsverbindungen erforderlich, und es werden dringend leistungsstarke Aluminium-Stahl-Verbindungen benötigt.
Beitragszeit: 08.03.2025
