L'alluminio è l'elemento metallico più abbondante nella crosta terrestre. È il metallo non ferroso con la seconda maggiore produzione e utilizzo al mondo dopo l'acciaio. Ha una bassa densità, circa 1/3 di quella dell'acciaio. Poiché l'alluminio puro è morbido e ha una bassa resistenza, aggiungendo all'alluminio una piccola quantità di elementi come magnesio, rame, zinco, silicio e litio, le prestazioni della lega di alluminio risultano migliori. Le leghe di alluminio sono i materiali strutturali in metallo non ferroso più utilizzati nell'industria grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche e alla resistenza alla corrosione. Sono ampiamente utilizzate nell'edilizia, nell'industria aerospaziale, automobilistica, nella produzione di macchinari, nella cantieristica navale e nell'industria chimica.
Le leghe di alluminio hanno eccellenti proprietà meccaniche e chimiche:
① Aspetti meccanici, che si riflettono principalmente nella bassa densità, nell'elevata resistenza, nell'elevato modulo, ecc. L'alluminio ha una bassa densità ed è più leggero di altri metalli, solo 1/4 dell'acciaio, quindi è adatto all'uso in campi con elevati requisiti di leggerezza;
② In termini di proprietà chimiche, poiché la lega di alluminio può formare una densa pellicola di ossido sulla sua superficie in aria, può proteggersi dall'ossidazione profonda. Pertanto, presenta un'eccellente resistenza alla corrosione e una composizione chimica molto stabile.
3. La lega di alluminio ha una buona plasticità e può essere lavorata in vari profili. Ha un'eccellente conduttività elettrica e termica. Pertanto, è ampiamente utilizzata nell'industria, seconda solo all'acciaio.
Attualmente, nel settore sono disponibili oltre 250 leghe di alluminio con diverse composizioni. Per facilitare la distinzione, in base alle diverse composizioni, la Cina adotta il metodo di classificazione a quattro cifre, accettato a livello internazionale, per semplificare la marcatura dei siti di produzione, la memorizzazione e la gestione dei calcoli. Le leghe di alluminio utilizzate nell'industria militare includono principalmente leghe di alluminio-litio, serie 2XXX (A1-Cu-Mg) e leghe di alluminio serie 7XXX.
Domanda di mercato e tendenza allo sviluppo di vari materiali in lega di alluminio
Lega di alluminio serie 2XXX
Le leghe di alluminio della serie 2XXX (A1-Cu-Mg) presentano elevata resistenza alla trazione, tenacità e resistenza alla fatica, buona resistenza al calore, buone proprietà di lavorazione e saldatura e sono ampiamente utilizzate nei settori aerospaziale, automobilistico e bellico. I gradi principali sono 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12, ecc. Sono state sviluppate diverse leghe per migliorare resistenza, corrispondenza di tenacità e tolleranza al danneggiamento, come le leghe 2024, 2124, 2524, 2324, ecc.
I modelli di equipaggiamento cinesi si stanno sviluppando verso la leggerezza, la lunga durata, l'elevata affidabilità e il basso costo, e presentano elevati requisiti di tenacità alla frattura, resistenza alla propagazione delle cricche e resistenza alla corrosione del materiale del rivestimento della fusoliera. Sulla base della piastra spessa in lega di alluminio 2024-T351, i paesi stranieri hanno sviluppato leghe di alluminio 2324, 2624 e altre leghe ad alta tolleranza al danno per la superficie alare inferiore, con diverse caratteristiche di resistenza, tenacità, resistenza alla fatica e alla corrosione, ottenendone l'installazione e l'applicazione. La Cina sta sviluppando leghe di alluminio della serie 2XXX ad alta tolleranza al danno. In futuro, la microlegatura composita sarà un'importante direzione di sviluppo per le leghe di alluminio ad alta resistenza della serie Al-Cu-Mg.
Lega di alluminio serie 4XXX
Attualmente, le leghe Al-Si eutettiche e ipoeutettiche sono utilizzate principalmente per i pistoni delle automobili in Cina. Tuttavia, con il continuo miglioramento dei requisiti prestazionali dei motori, è difficile soddisfare i requisiti prestazionali. La lega Al-Si ipereutettica presenta una bassa densità, un basso coefficiente di dilatazione lineare, una maggiore resistenza all'usura e stabilità di volume, ed è un materiale più ideale per i pistoni rispetto alle leghe Al-Si eutettiche. I pistoni in lega Al-Si ipereutettica sono stati prodotti in serie all'estero e applicati a camion e automobili, come la lega A390 negli Stati Uniti, le leghe AC9A e AC8A (ZL109) in Giappone e la lega A390 in Australia. Tuttavia, attualmente in Cina sono pochi i produttori che producono pistoni in lega Al-Si ipereutettica, e la maggior parte di essi si affida alle importazioni. Inoltre, esiste un ampio divario tra i materiali in lega di alluminio per turbocompressori per autoveicoli e i paesi esteri. I materiali in lega di alluminio ad alte prestazioni per turbocompressori per autoveicoli provengono principalmente dal Giappone e da altri paesi. Pertanto è fondamentale sviluppare materiali chiave in lega di alluminio per l'industria automobilistica, come pistoni ad alte prestazioni e giranti per turbocompressori.
Leghe di alluminio serie 5XXX
Le leghe Al-Mg, in particolare quelle ad alto contenuto di Mg, presentano un'elevata resistenza specifica, una buona saldabilità e resistenza alla corrosione, e diventeranno materiali altamente competitivi nei settori aerospaziale, ferroviario ad alta velocità, navale e in altri settori. Attualmente, piastre, profili e fili per saldatura in leghe Al-Mg per applicazioni aerospaziali, ferroviarie, navali e in altri settori dipendono principalmente dalle importazioni. Il mercato dei fili per saldatura di fascia alta è sostanzialmente monopolizzato da ALCOA negli Stati Uniti. Le leghe ER5183 ed ER5356 dipendono principalmente dalle importazioni, e il volume delle importazioni rappresenta circa il 70% delle loro vendite. Le leghe Al-Mg per uso navale dipendono principalmente dalla Russia. I lingotti convenzionali in leghe ad alto contenuto di Mg presentano dendriti ben sviluppate, una segregazione di fase eutettica accentuata e scarse prestazioni di formatura. Gli attuali metodi di lavorazione presentano ancora molti problemi, come basse prestazioni, scarsa qualità apparente, tempi di processo lunghi, qualità instabile e bassa resa. La solidificazione e la formatura sub-rapide possono inibire la precipitazione del Mg e, allo stesso tempo, possono essere regolate per ottenere cristalli equiassici fini e fasi nano-precipitate, migliorando notevolmente le prestazioni e l'uniformità del materiale. Pertanto, si prevede che lo sviluppo di tecnologie di estrusione e laminazione reologica continua a solidificazione sub-rapida per leghe Al-Mg ad alte prestazioni soddisferà la domanda di leghe Al-Mg di alta qualità.
Leghe di alluminio serie 6XXX
I materiali in lega di alluminio della serie 6XXX sono materiali chiave nei settori del trasporto ferroviario, automobilistico, elettronico, ecc. Dagli anni '80, paesi e regioni sviluppati come Europa, Stati Uniti e Giappone hanno sviluppato leghe di alluminio per automobili, gradi registrati come 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 e 6082, e hanno formato un sistema di produzione e applicazione relativamente completo per pannelli di carrozzeria, estrusioni, forgiati, ecc. per automobili. La ricerca e lo sviluppo per l'industrializzazione di pannelli di carrozzeria e forgiati in lega di alluminio della serie 6XXX in Cina sono appena iniziati e c'è un chiaro divario. Il Ministero dell'Industria e dell'Informazione Tecnologica cinese ha proposto che le lamiere in lega di alluminio per uso automobilistico da sviluppare siano: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022, ecc. La tipica lamiera in lega di alluminio della serie 6XXX presenta un allungamento A50 non inferiore al 25%, un valore r non inferiore a 0,60, uno snervamento a 60°C Rp0,2 non inferiore a 140 N/mm² e un incremento dello snervamento a indurimento della vernice non inferiore a 80 N/mm². In risposta alle diverse esigenze, lo sviluppo di tecnologie di progettazione, preparazione e lavorazione delle leghe di alluminio della serie 6XXX è diventato un trend inevitabile.
Leghe di alluminio serie 7XXX
Le leghe di alluminio della serie 7XXX presentano un'ottima resistenza alla corrosione sotto sforzo e sono le più resistenti tra le leghe di alluminio. Sono riconosciute a livello internazionale come materiali portanti per l'aviazione. Recentemente, l'estero ha sviluppato la lega 7055 (Al8Zn-2,05Mg-2,3Cu-0,16Zr), il cui limite di snervamento supera i 620 MPa nello stato T77511. Viene utilizzata nel Boeing 777 e riduce il peso di 635 kg. Attualmente, la Cina non dispone di una progettazione sistematica, né di tecnologie di preparazione e lavorazione per le leghe di alluminio della serie 7XXX per l'aviazione, e alcuni prodotti dipendono completamente dalle importazioni. A causa della produzione di lingotti di leghe di alluminio della serie 7XXX di grandi dimensioni, con numerosi elementi di lega, ampio intervallo di solidificazione, elevato stress di fusione e facile ossidazione/segregazione degli elementi di lega, la qualità metallurgica dei lingotti è scarsa e le prestazioni di formatura a temperatura ambiente sono basse, è quindi fondamentale sviluppare nuove leghe di alluminio della serie 7XXX.
Lega di alluminio-litio (Al-Li)
La lega di alluminio-litio è il materiale leggero in più rapida crescita nel settore aeronautico negli ultimi anni. Presenta bassa densità, elevato modulo elastico, elevata rigidità specifica, buone prestazioni a fatica e resistenza alla corrosione. Dopo aver sostituito le leghe di alluminio convenzionali, la massa può essere ridotta del 10%~20% e la rigidità può essere aumentata del 15%~20%. All'inizio del XXI secolo, la società americana ALCOA ha lanciato il "Piano ALCOA Aviation 20/20", con l'obiettivo di ridurre il costo e il peso delle leghe di alluminio aeronautico del 20% ciascuno entro 20 anni. Constellium ha sviluppato le leghe di alluminio-litio 2050 e 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) con bassa densità, elevata tenacità e alta tolleranza al danneggiamento. Esistono pochissimi gradi di leghe Al-Li sviluppati in modo indipendente in Cina e solo la lega 1420 è stata utilizzata. La lega di alluminio-litio utilizzata nell'aereo passeggeri C919 è fornita da Alcoa. Sul mercato nazionale, è possibile produrre solo gradi di lega limitati come 1420, 2195, 2197 e 2A97, e i lingotti sono esclusivamente piatti di dimensioni inferiori a (310~400)×1280×4000) mm e rotondi di dimensioni inferiori a φ650 mm. I lingotti piatti (2B16) con spessore superiore a 60 mm e larghezza superiore a 1500 mm, e i lingotti (2B16) con diametro superiore a 1500 mm per applicazioni aeronautiche di fascia alta non sono ancora stati prodotti industrialmente. Pertanto, è di fondamentale importanza sviluppare nuovi design di leghe di alluminio-litio, la preparazione di lingotti di grandi dimensioni e la tecnologia di lavorazione profonda.
Lega di alluminio resistente al calore
Le leghe di alluminio resistenti al calore sono materiali di base fondamentali nei settori aerospaziale, automobilistico, ferroviario, ecc., poiché regolano elementi come Si, Fe, Ni, Ag e terre rare per renderle resistenti all'ossidazione e al creep ad alte temperature. Le leghe di alluminio resistenti al calore tradizionali includono: 2519, 2618, 2219, 2D70, ecc. Con il rapido sviluppo dell'industria aerospaziale e automobilistica, vengono richiesti requisiti più elevati alle leghe di alluminio resistenti al calore. La nuova generazione di aerei da combattimento ha un'elevata velocità di crociera e la temperatura di esercizio del rivestimento della fusoliera è superiore a 150 °C. Attualmente, la temperatura di utilizzo a lungo termine delle leghe di alluminio resistenti al calore come 2618 e 2D70 è inferiore a 150 °C. È fondamentale sviluppare nuove leghe di alluminio resistenti al calore.
Lega Al-Sc con contenuto di scandio (Sc) ultra-basso
La lega Al-Sc presenta eccellenti proprietà come elevata resistenza, buona plasticità e resistenza alla corrosione, ed è diventata una nuova generazione di materiali leggeri per applicazioni aerospaziali, navali, ecc., dopo la lega Al-Li. La resistenza alla trazione della lega Al-Mg, contenente tracce di scandio, è superiore del 30% rispetto a quella della lega 5083, e il limite di snervamento è più che raddoppiato. La sua saldabilità è paragonabile a quella delle leghe convenzionali della serie 5XXX, le proprietà meccaniche della zona termicamente alterata e della saldatura sono approssimativamente uguali a quelle della matrice, e la sua resistenza alla corrosione è paragonabile a quella della lega 5083. La sostituzione delle leghe delle serie 5XXX o 6XXX nella produzione di componenti aerospaziali può ottenere una significativa riduzione del peso, ed è anche un materiale superiore per automobili e veicoli ferroviari. La Russia è all'avanguardia nello sviluppo di leghe di alluminio contenenti scandio e ha prodotto leghe di Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc e Al-Cu-Mg-Sc con un contenuto di scandio compreso tra lo 0,18% e lo 0,5%. Al fine di promuovere l'applicazione delle leghe di alluminio-scandio nel settore aerospaziale e automobilistico, il Ministero dell'Industria e dell'Informazione Tecnologica cinese ha inserito le leghe di alluminio contenenti scandio tra i nuovi materiali da sviluppare prioritariamente. La Cina è ricca di risorse di scandio e ha costruito una linea di produzione per l'estrazione di ossido di scandio ad alta purezza, gettando le basi per lo sviluppo di leghe di alluminio-scandio.
Lega di alluminio per stampaggio a caldo da 500 MPa per automobili
In Cina, lo stampaggio a caldo di materiali in lega di alluminio ad alta resistenza presenta ancora delle lacune. La combinazione di nuovi materiali e lo sviluppo di nuovi processi di formatura rappresentano un mezzo efficace per risolvere il problema dello stampaggio di componenti automobilistici in lega di alluminio ad alta resistenza. L'attenzione alle leghe della serie 7XXX, l'esplorazione attiva delle leghe 2XXX e lo sviluppo di materiali in lega di alluminio con grado di 500 MPa per stampaggio a caldo offrono importanti prospettive per la produzione di componenti automobilistici dalle forme complesse.
Materiali compositi a base di alluminio
Piastra composita multistrato alluminio-acciaio: l'efficace collegamento tra ponti in alluminio e acciaio è diventato uno dei vincoli per l'alleggerimento delle sovrastrutture delle grandi navi. Il giunto di transizione composito alluminio-acciaio utilizzato per la saldatura tra scafi in alluminio e acciaio offre una soluzione in sostituzione del tradizionale processo di rivettatura. Honda ha sviluppato una tecnologia di giunzione acciaio-alluminio che verrà utilizzata a livello globale nei telai delle automobili prodotte in serie. Attualmente, i giunti compositi alluminio-acciaio utilizzati in Cina vengono principalmente importati dall'estero, con un prezzo che può raggiungere 4x10 5 CNY/t. Con le future navi di grandi dimensioni, sono necessarie temperature di saldatura più elevate, maggiori sollecitazioni sui cuscinetti e interfacce di incollaggio più resistenti per i giunti di transizione, e giunti alluminio-acciaio ad alte prestazioni sono urgentemente necessari.
Data di pubblicazione: 08-03-2025
