Drôt z hliníkovej zliatiny: 5056, vysokopevnostné triedy a sprievodca výberom

Drôt z hliníkovej zliatiny poskytuje kombináciu vlastností, ktorým sa čistý hliníkový drôt a medený drôt nedokážu zhodovať samy o sebe: zmysluplná pevnosť v ťahu, nízka hustota, dobrý elektrický alebo mechanický výkon v závislosti od série zliatin a odolnosť voči korózii bez povrchovej úpravy. Kompromisom v porovnaní s čistým hliníkom je mierne zvýšenie nákladov a v niektorých sériách mierne zníženie vodivosti - kompromisy, ktoré sú ľahko opodstatnené v aplikáciách, kde sú hlavnými konštrukčnými obmedzeniami únava drôtu, nosnosť alebo hmotnosť.

Tri série zliatin pokrývajú prevažnú väčšinu komerčných drôtov z hliníkovej zliatiny: séria 5xxx (Al-Mg), séria 6xxx (Al-Mg-Si) a séria 8xxx (Al-Fe). Každý sa zameriava na inú rovnováhu mechanických a elektrických vlastností, a preto je v štádiu návrhu nevyhnutné špecifikovať správnu zliatinu – nielen „hliníkový drôt“.

Prehľad série zliatin a ako sa líšia

Pochopenie sériovej klasifikácie je najrýchlejší spôsob, ako zúžiť, ktorý drôt z hliníkovej zliatiny je vhodný pre daný prípad použitia.

Séria 5xxx (Al-Mg): Vysoká pevnosť, tepelne neupraviteľné

Séria 5xxx dosahuje svoju pevnosť skôr kalením v tuhom roztoku a mechanickým kalením než precipitačným tepelným spracovaním. Obsah horčíka sa zvyčajne pohybuje od 0,5 % do 5,5 %. Vyšší obsah horčíka priamo koreluje s vyššou pevnosťou v ťahu a medzou klzu, ale znižuje ťažnosť a ľahké tvarovanie za studena. Drôt z hliníkovej zliatiny 5056 , s približne 4,5 – 5,6 % Mg, je z hľadiska pevnosti blízko vrcholu série a je podrobne popísaný v nasledujúcej časti. Iné prvky, ako napríklad 5154 a 5356, sa široko používajú ako zvárací drôt MIG, pretože ich zloženie sa veľmi zhoduje so zložením tvárnených produktov série 5xxx, čím sa minimalizuje strata pevnosti zvarového spoja.

Séria 6xxx (Al-Mg-Si): Tepelne spracovateľná, dobrá rovnováha vodivosti

Drôt z hliníkovej zliatiny 6201 je dominantným produktom tejto série pre elektrické aplikácie. Po ťahaní a tepelnej úprave T81 dosahuje 6201 minimálnu pevnosť v ťahu 295 MPa s elektrickou vodivosťou približne 52,5 % IACS, čo je dostatočné pre nadzemné prenosové vodiče, kde je kritické mechanické zaťaženie a kontrola priehybu. Používa sa v kábloch AAAC (All-Aluminium Alloy Conductor) práve preto, že svojou pevnosťou prekonáva čistý hliník 1350 pri zachovaní prijateľnej vodivosti pre nadzemné vedenia s dlhým rozpätím.

Séria 8xxx (Al-Fe): Elektrická trieda s nízkym priehybom

Zliatiny 8030 a 8176 obsahujú železo a niekedy aj kremík, aby sa zlepšila odolnosť proti tečeniu a pevnosť v ťahu v porovnaní s čistým hliníkom 1350, pri zachovaní vodivosti nad 61 % IACS. Tieto zliatiny sú štandardnou voľbou pre stavebné drôty a rozvodné vodiče, kde drôt musí spĺňať normy NEC alebo IEC a ponúka zlepšenú dlhodobú stabilitu pri tepelných cykloch.

Drôt z hliníkovej zliatiny 5056 : Vlastnosti a aplikácie

Drôt z hliníkovej zliatiny 5056 je jednou z najpevnejších tepelne neupraviteľných hliníkových zliatin vo forme drôtu. Jeho nominálne zloženie podľa noriem AA a ASTM zahŕňa 4,5 – 5,6 % horčíka, 0,05 – 0,20 % chrómu a 0,05 – 0,20 % mangánu, pričom železo, kremík, meď a zinok sú udržiavané na tesných maximách, aby sa zachovala odolnosť proti korózii a ťažnosť.

Kombinácia vysokej pevnosti v ťahu a nízkej hustoty dáva 5056 špecifickú pevnosť (pomer pevnosti k hmotnosti), ktorá konkuruje niektorým drôtom z mäkkej ocele pri približne jednej tretine hmotnosti. Jeho elektrická vodivosť pri ~29% IACS je príliš nízka na prenos energie, takže 5056 sa nepoužíva ako vodič - jeho hodnota spočíva výlučne v mechanických aplikáciách.

Primárne použitie drôtu z hliníkovej zliatiny 5056

• Zúbky zipsu a komponenty reťaze — 5056 je celosvetovo dominantná zliatina na výrobu hliníkových zipsov. Jeho pevnosť odoláva opakovanému mechanickému cyklovaniu bez deformácie zubov a jeho anodická odozva vytvára konzistentné, farbivo prijímajúce oxidové vrstvy v celom farebnom spektre. YKK a ďalší významní výrobcovia zipsov sa naň spoliehajú ako na primárny vstupný materiál.
• Pletené a tkané tienenie — extra tvrdý drôt H19 5056 sa používa ako opletenie plášťov káblov vo vojenských, leteckých a námorných kábloch, kde tienenie proti EMI musí prežiť ohýbanie a vibrácie bez únavových zlomenín.
• Spojovací a nitovací drôt — ťahaná tyč a drôt 5056 sú tvarované do slepých nitov pre lietadlá a konštrukčné zostavy. Vďaka kombinácii pevnosti, odolnosti proti korózii a galvanickej kompatibilite s hliníkovým plechom je uprednostňovaný pred oceľovými nitmi v konštrukciách s hliníkovým plášťom.
• Siete proti hmyzu a filtračné sieťky — jemne ťahaný drôt 5056 votkaný do pletiva poskytuje lepšiu odolnosť proti korózii vo vlhkom a pobrežnom prostredí v porovnaní so zliatinami 3003 alebo 1100 za prijateľné náklady.
• Pancierové opletenie na hadice a flexibilné vedenie — Drôt 5xxx s vysokým obsahom horčíka sa používa tam, kde je potrebná ľahká, ale robustná vonkajšia ochranná vrstva na hydraulických alebo pneumatických ohybných hadicových zostavách.

Drôt z vysokopevnostnej hliníkovej zliatiny : Definovanie kategórie

Vysoko pevný drôt z hliníkovej zliatiny sa nevzťahuje na jedinú zliatinu, ale na výkonnostnú vrstvu – drôtené výrobky skonštruované tak, aby prekračovali pevnosť v ťahu dosiahnuteľnú s čistým hliníkom (zvyčajne 80 – 100 MPa) o podstatnú rezervu, vo všeobecnosti sa zameriava na 250 MPa a viac v závislosti od teploty a aplikácie. Niekoľko rôznych rodín zliatin dosahuje túto úroveň:

• 5xxx-H1x mechanicky kalený drôt (5056, 5154, 5183) — dosahuje 300–435 MPa ťahaním za studena bez tepelného spracovania. Nie je možné žiadne vytvrdzovanie starnutím, takže pevnosť je nastavená vo fáze ťahania a je stabilná v priebehu času.
• 6201-T81 tepelne spracovaný drôt — pevnosť v rozsahu 295–330 MPa s vodivosťou nad 52 % IACS, štandard pre nadzemné vodiče AAAC.
• Drôt série 7xxx (7075, 7150) — pevnosť v ťahu do 570 MPa vo forme ťahaného drôtu, dosiahnutá precipitačným vytvrdzovaním zinok-horčík-meď. Používa sa v leteckých spojovacích drôtoch a vysokovýkonných konštrukčných aplikáciách, kde je úspora hmotnosti v porovnaní s oceľou kritická a náklady sú druhoradé.

Rozdiel medzi týmito rodinami je dôležitý, pretože rovnaká nominálna pevnosť v ťahu dosiahnutá rôznymi mechanizmami má rôzne charakteristiky stability . Pracovne spevnený drôt môže zmäknúť, ak je vystavený teplotám nad ~150 °C. Drôt 7xxx kalený zrážaním si zachováva svoju pevnosť až do teploty starnutia, ale je náchylný na praskanie v dôsledku korózie pod napätím v prostrediach s trvalým ťahom, pokiaľ nie je špecifikovaná teplota T73 pre starnutie. Ani jedna obava sa netýka 6201 v jeho primárnej aplikácii ako nadzemný vodič.

Proces ťahania drôtu a ako to ovplyvňuje konečné vlastnosti

Drôt z hliníkovej zliatiny sa vyrába ťahaním tyčového materiálu cez sériu postupne menších lisovníc z karbidu volfrámu alebo polykryštalických diamantov, ktoré zmenšujú priemer v kontrolovaných prírastkoch. Stupeň aplikovanej práce za studena – vyjadrený ako zmenšenie plochy prierezu od štartovacej tyče po konečný priemer drôtu – priamo určuje mechanické vlastnosti hotového drôtu.

Pri tepelne nespracovateľných zliatinách, ako je 5056, každý ťah ťahaním zvyšuje pevnosť v ťahu a tvrdosť a zároveň znižuje predĺženie. Drôt ťahaný na tvrdosť H18 (plne mechanicky spevnený) prejde dostatočnou redukciou na dosiahnutie maximálnej pevnosti pre túto zliatinu za cenu ťažnosti. Stredne temperované (H12, H14, H16) predstavujú čiastočné mechanické spevnenie a ponúkajú užitočné zlepšenie pevnosti pri zachovaní dostatočného predĺženia pre následné tvarovacie operácie, ako je tkanie, opletenie alebo hlavičkovanie nitov.

Medzi kľúčové procesné kontroly, ktoré určujú konečnú kvalitu drôtu patria:

• Uhol matrice a redukčný pomer na jeden priechod — nadmerná redukcia na jeden prechod zvyšuje vnútorné napätie a riziko defektov so stredovým prasknutím u zliatin s vyšším obsahom horčíka.
• Mazanie — suché mydlo, mokrá emulzia alebo mazivá na báze oleja sa vyberajú na základe zliatiny, materiálu lisovnice a rýchlosti ťahania na kontrolu opotrebovania lisovnice a povrchovej úpravy.
• Stredné žíhanie — pre veľmi jemné drôty alebo sekvencie hlbokého ťahania kontrolované žíhanie medzi prechodmi obnovuje ťažnosť a zabraňuje lámaniu, potom sa ťahanie obnoví na cieľovú teplotu.
• Kvalita povrchu — švy, presahy alebo inklúzie v posuve tyče sa šíria do trhlín v hotovom drôte. Kvalita suroviny pre tyče, najmä stav povrchových oxidov a hodnotenie inklúzie, je primárnym determinantom výťažnosti drôtu pri výrobe jemného rozchodu.

Odolnosť proti korózii: Čo môže a nemôže tolerovať drôt z hliníkovej zliatiny

Drôt z hliníkovej zliatiny vytvára samoliečiacu sa pasívnu oxidovú vrstvu pri vystavení vzduchu, čo mu dáva dobrú všeobecnú odolnosť proti atmosférickej korózii bez povrchovej úpravy. Zloženie zliatiny však výrazne ovplyvňuje výkon v špecifických prostrediach:

• 5056 a iné zliatiny s vysokým obsahom Mg 5xxx — vynikajúca odolnosť voči morskej vode a morskej atmosfére; široko špecifikované pre námorný hardvér a tienenie káblov na plavidlách. Zliatiny s obsahom horčíka nad ~ 3,5 % sú však náchylné na senzibilizáciu (medzikryštalická korózia), ak sa dlhší čas uchovávajú v teplotnom rozsahu 65–175 °C. To obmedzuje ich použitie v prostredí so zvýšenou teplotou.
• Drôt série 6xxx — dobrá všeobecná a morská odolnosť proti korózii s nižším rizikom senzibilizácie. Chromátový konverzný náter alebo eloxovanie ďalej zlepšuje výkon pre letecké a vonkajšie konštrukčné aplikácie.
• Drôt série 7xxx — obsah zinku, ktorý poháňa vysokú pevnosť, tiež zvyšuje náchylnosť na korózne praskanie. Drôt 7075-T6 v trvalom napätí vo vlhkom prostredí môže zlyhať pri namáhaní výrazne pod nominálnou pevnosťou v ťahu; Temperovanie T73 je správnou voľbou pre konštrukčné aplikácie, kde je riziko korózie pod napätím .

Galvanická kompatibilita je dôležitá aj vtedy, keď drôty z hliníkovej zliatiny prichádzajú do kontaktu s odlišnými kovmi. Priamy kontakt s meďou, mosadzou alebo oceľou v prítomnosti vlhkosti urýchľuje koróziu hliníka. Objímkové konektory, objímky a koncovky v zostavách zo zmiešaných kovov by mali obsahovať bimetalové prechodové tvarovky alebo izolačné objímky.

Výber správneho drôtu z hliníkovej zliatiny: Rámec rozhodovania

Vhodnú zliatinu a temperovanie pre akúkoľvek aplikáciu drôtu z hliníkovej zliatiny je možné zúžiť vypracovaním krátkeho súboru otázok v poradí:

1. Je potrebná elektrická vodivosť? Ak áno, realizovateľné možnosti sú 6201-T81, 8030 alebo 8176. Ak nie, k dispozícii je celý rad mechanických zliatin.
2. Aká pevnosť v ťahu je potrebná? Pod 250 MPa: 5154 alebo 5356 v tvrdosti H1x sú cenovo výhodné. 250–400 MPa: 5056-H18 alebo 6061-T81. Nad 400 MPa: séria 7xxx, akceptuje kompromisy medzi nákladmi a namáhaním.
3. Bude drôt zváraný alebo používaný ako zvárací prídavný materiál? Ak áno, štandardnou voľbou je plniaci drôt 5356 alebo 5183; 5056 sa používa aj tam, kde je potrebná vyššia pevnosť zvaru pre základné materiály 5xxx.
4. Bude drôt eloxovaný alebo ozdobne upravený? 5056 dobre reaguje a vytvára jasné, rovnomerné eloxované povrchy. Zliatiny 6xxx tiež dobre eloxujú. Zliatiny 7xxx eloxované, ale so zníženou konzistenciou v dôsledku vyššieho obsahu legovania.
5. Je aplikácia vystavená trvalému namáhaniu v ťahu v korozívnom prostredí? Vyhnite sa nesenzibilizovaným vysokým Mg 5xxx pri zvýšenej teplote; vyhnúť sa 7xxx-T6; špecifikujte 7xxx-T73 alebo prejdite na zliatiny 6xxx.
6. Je potrebný jemný priemer (<0,5 mm)? Zliatiny 5056 a 6xxx sa bežne používajú na jemné kalibre pre aplikácie na sito a opletenie. Zliatiny 7xxx sú menej bežne dostupné vo veľmi jemnom priemere kvôli nižšej ťažnosti.

Prepracovanie týchto kritérií pred oslovením dodávateľov znižuje riziko prijatia drôtu, ktorý spĺňa nominálne špecifikácie, ale zlyhá v prevádzke v dôsledku nesúladu medzi teplotou, prostredím a podmienkami zaťaženia.