Drát z hliníkové slitiny: 5056, vysoce pevné třídy a průvodce výběrem

Drát z hliníkové slitiny poskytuje kombinaci vlastností, kterým se čistý hliníkový drát a měděný drát samy o sobě nevyrovnají: smysluplná pevnost v tahu, nízká hustota, dobrý elektrický nebo mechanický výkon v závislosti na řadě slitin a odolnost vůči korozi bez povrchové úpravy. Kompromisem ve srovnání s čistým hliníkem je mírné zvýšení nákladů a u některých sérií mírné snížení vodivosti – kompromisy, které jsou snadno ospravedlnitelné v aplikacích, kde jsou primárním konstrukčním omezením únava drátu, nosnost nebo hmotnost.

Tři řady slitin pokrývají drtivou většinu komerčních drátů z hliníkové slitiny: řada 5xxx (Al-Mg), řada 6xxx (Al-Mg-Si) a řada 8xxx (Al-Fe). Každý se zaměřuje na jinou rovnováhu mechanických a elektrických vlastností, a proto je ve fázi návrhu zásadní specifikovat správnou slitinu – nejen „hliníkový drát“.

Přehled Alloy Series a jak se liší

Pochopení klasifikace série je nejrychlejší způsob, jak zúžit, který drát z hliníkové slitiny je vhodný pro daný případ použití.

Řada 5xxx (Al-Mg): Vysoká pevnost, tepelně neupravitelná

Řada 5xxx dosahuje své pevnosti kalením v tuhém roztoku a mechanickým zpevňováním spíše než precipitačním tepelným zpracováním. Obsah hořčíku se typicky pohybuje od 0,5 % do 5,5 %. Vyšší obsah hořčíku přímo koreluje s vyšší pevností v tahu a mezí kluzu, ale snižuje tažnost a snadnost tváření za studena. Drát z hliníkové slitiny 5056 , s přibližně 4,5–5,6 % Mg, je blízko vrcholu řady z hlediska pevnosti a je podrobně popsán v následující části. Jiné členy, jako je 5154 a 5356, jsou široce používány jako svařovací drát MIG, protože jejich složení se těsně shoduje se složením tvářených výrobků řady 5xxx, čímž se minimalizuje ztráta pevnosti svarového spoje.

Řada 6xxx (Al-Mg-Si): Tepelně zpracovatelná, s dobrou vodivostí

Drát z hliníkové slitiny 6201 je dominantním produktem této řady pro elektrické aplikace. Po tažení a temperování T81 dosahuje 6201 minimální pevnosti v tahu 295 MPa s elektrickou vodivostí přibližně 52,5 % IACS – dostatečné pro vrchní přenosové vodiče, kde je kritické mechanické zatížení a kontrola průhybu. Používá se v kabelech AAAC (All-Aluminium Alloy Conductor) právě proto, že svou pevností překonává 1350 čistý hliník při zachování přijatelné vodivosti pro nadzemní vedení s dlouhým rozpětím.

Řada 8xxx (Al-Fe): Elektrická třída s nízkým průhybem

Slitiny 8030 a 8176 obsahují železo a někdy i křemík pro zlepšení odolnosti proti tečení a pevnosti v tahu ve srovnání s čistým hliníkem 1350, při zachování vodivosti nad 61 % IACS. Tyto slitiny jsou standardní volbou pro stavební dráty a rozvodné vodiče, kde drát musí odpovídat normám NEC nebo IEC a nabízet vylepšenou dlouhodobou stabilitu při tepelném cyklování.

5056 drát z hliníkové slitiny : Vlastnosti a aplikace

Drát z hliníkové slitiny 5056 je jednou z nejpevnějších tepelně nezpracovatelných hliníkových slitin ve formě drátu. Jeho nominální složení podle norem AA a ASTM zahrnuje 4,5–5,6 % hořčíku, 0,05–0,20 % chrómu a 0,05–0,20 % manganu, přičemž železo, křemík, měď a zinek jsou udržovány na těsných maximech, aby byla zachována odolnost proti korozi a tažnost.

Kombinace vysoké pevnosti v tahu a nízké hustoty dává 5056 specifickou pevnost (poměr pevnosti k hmotnosti), která konkuruje některým drátům z měkké oceli při zhruba jedné třetině hmotnosti. Jeho elektrická vodivost při ~29% IACS je příliš nízká pro přenos energie, takže 5056 se nepoužívá jako vodič – jeho hodnota spočívá výhradně v mechanických aplikacích.

Primární použití drátu z hliníkové slitiny 5056

• Zuby zipu a součásti řetězu — 5056 je celosvětově dominantní slitina pro výrobu hliníkových zipů. Jeho pevnost odolává opakovanému mechanickému cyklování bez deformace zubů a jeho anodizační odezva vytváří konzistentní oxidové vrstvy přijímající barvivo v celém barevném spektru. YKK a další významní výrobci zipů na něj spoléhají jako na primární vstupní materiál.
• Pletené a tkané stínění — extra tvrdá tvrdost H19 drátu 5056 se používá jako opletení přes pláště kabelů ve vojenských, leteckých a námořních kabelech, kde musí stínění proti EMI přežít ohýbání a vibrace bez únavových lomů.
• Spojovací a nýtovací drát — tažená tyč a drát 5056 jsou tvarovány do slepých nýtů pro letadla a konstrukční sestavy. Díky kombinaci pevnosti, odolnosti proti korozi a galvanické kompatibilitě s hliníkovým plechem je u konstrukcí s hliníkovým pláštěm výhodnější než ocelové nýty.
• Síto proti hmyzu a filtrační síťka — jemně tažený drát 5056 vetkaný do pletiva poskytuje lepší odolnost proti korozi ve vlhkém a pobřežním prostředí ve srovnání se slitinami 3003 nebo 1100 za přijatelnou cenu.
• Pancéřový oplet pro hadice a ohebné potrubí — Drát 5xxx s vysokým obsahem hořčíku se používá tam, kde je potřeba lehká, ale robustní vnější ochranná vrstva přes hydraulické nebo pneumatické flexibilní hadice.

Vysoce pevný drát z hliníkové slitiny : Definování kategorie

Vysoce pevný drát z hliníkové slitiny se nevztahuje na jedinou slitinu, ale na výkonnostní řadu – drátěné výrobky konstruované tak, aby překračovaly pevnost v tahu dosažitelnou s čistým hliníkem (typicky 80–100 MPa) o podstatnou rezervu, obecně se cílí na 250 MPa a více v závislosti na teplotě a použití. Této úrovně dosahuje několik různých rodin slitin:

• 5xxx-H1x mechanicky kalený drát (5056, 5154, 5183) — dosahuje 300–435 MPa tažením za studena bez tepelného zpracování. Není možné žádné stárnutí, takže pevnost je nastavena ve fázi tažení a je stabilní v průběhu času.
• 6201-T81 tepelně zpracovaný drát — pevnost v rozsahu 295–330 MPa s vodivostí nad 52 % IACS, standard pro venkovní vodiče AAAC.
• drát řady 7xxx (7075, 7150) — pevnost v tahu až 570 MPa ve formě taženého drátu, dosažená precipitačním vytvrzováním zinek-hořčík-měď. Používá se v leteckém spojovacím drátu a vysoce výkonných konstrukčních aplikacích, kde je úspora hmotnosti oproti oceli kritická a náklady jsou druhotné.

Rozdíl mezi těmito rodinami je důležitý, protože stejná jmenovitá pevnost v tahu dosažená různými mechanismy má různé charakteristiky stability . Pracně kalený drát může změknout, pokud je vystaven teplotám nad ~150 °C. Precipitačně kalený drát 7xxx si zachovává svou pevnost až do své teploty stárnutí, ale je náchylný ke koroznímu praskání pod napětím v prostředí s trvalým tahem, pokud není specifikována T73 přestárlá temperace. Žádná obava se nevztahuje na 6201 v jeho primární aplikaci jako horní vodič.

Proces tažení drátu a jak to ovlivňuje konečné vlastnosti

Drát z hliníkové slitiny se vyrábí tažením tyčového materiálu pomocí řady postupně menších lisovnic z karbidu wolframu nebo polykrystalických diamantů, které zmenšují průměr v řízených krocích. Stupeň aplikované práce za studena – vyjádřený jako zmenšení plochy průřezu od počáteční tyče ke konečnému průměru drátu – přímo určuje mechanické vlastnosti hotového drátu.

U tepelně nezpracovatelných slitin, jako je 5056, každý průchod tažením zvyšuje pevnost v tahu a tvrdost a zároveň snižuje prodloužení. Drát tažený na tvrdost H18 (zcela mechanicky zpevněný) bude podroben dostatečné redukci, aby dosáhl maximální pevnosti této slitiny, za cenu tažnosti. Mezipopouštění (H12, H14, H16) představuje částečné mechanické zpevnění a nabízí užitečná zlepšení pevnosti při zachování dostatečného prodloužení pro následné tvářecí operace, jako je tkaní, splétání nebo hlavičkování nýtů.

Mezi klíčové procesní kontroly, které určují konečnou kvalitu drátu, patří:

• Úhel zápustky a redukční poměr na průchod — nadměrné snížení na jeden průchod zvyšuje vnitřní pnutí a riziko střed-roztržení u slitin s vyšším obsahem hořčíku.
• Mazání — suché mýdlo, mokrá emulze nebo maziva na bázi oleje se vybírají na základě slitiny, materiálu matrice a rychlosti tažení, aby se řídilo opotřebení matrice a povrchová úprava.
• Mezižíhání — u velmi jemných drátů nebo sekvencí hlubokého tažení obnovuje řízené žíhání mezi průchody tažnost a zabraňuje lomu, poté se tažení obnoví na cílovou teplotu.
• Kvalita povrchu — švy, přesahy nebo vměstky v posuvu tyče se šíří do trhlin v hotovém drátu. Kvalita suroviny pro tyče, zejména stav povrchových oxidů a klasifikace vměstků, je primárním určujícím faktorem výtěžnosti drátu při výrobě jemné tloušťky.

Odolnost proti korozi: Co může a nemůže tolerovat drát z hliníkové slitiny

Drát z hliníkové slitiny vytváří samoopravnou pasivní oxidovou vrstvu při vystavení vzduchu, což mu dává dobrou obecnou odolnost proti atmosférické korozi bez povrchové úpravy. Složení slitiny však významně ovlivňuje výkon ve specifických prostředích:

• 5056 a další slitiny s vysokým obsahem hořčíku 5xxx — vynikající odolnost vůči mořské vodě a mořské atmosféře; široce specifikovaný pro námořní hardware a stínění kabelů na plavidlech. Slitiny s obsahem hořčíku vyšším než ~3,5 % jsou však citlivé na senzibilizaci (mezikrystalovou korozi), pokud jsou po delší dobu udržovány v teplotním rozsahu 65–175 °C. To omezuje jejich použití v prostředí se zvýšenou teplotou.
• drát řady 6xxx — dobrá obecná a námořní odolnost proti korozi s nižším rizikem senzibilizace. Chromátový konverzní povlak nebo eloxování dále zlepšuje výkon pro letecké a venkovní konstrukční aplikace.
• drát řady 7xxx — obsah zinku, který zajišťuje vysokou pevnost, také zvyšuje náchylnost k praskání korozí pod napětím. Drát 7075-T6 v trvalém tahu ve vlhkém prostředí může selhat při namáhání značně pod nominální pevností v tahu; T73 je správnou volbou pro konstrukční aplikace, kde je riziko koroze pod napětím .

Galvanická kompatibilita je také kritická, když se drát z hliníkové slitiny dotýká různých kovů. Přímý kontakt s mědí, mosazí nebo ocelí v přítomnosti vlhkosti urychluje korozi hliníku. Objímkové konektory, zalisování a zakončení v sestavách ze smíšených kovů by měly obsahovat bimetalové přechodové tvarovky nebo izolační objímky.

Výběr správného drátu z hliníkové slitiny: Rámec rozhodování

Vhodnou slitinu a temperování pro jakoukoli aplikaci drátu z hliníkové slitiny lze zúžit propracováním krátkého souboru otázek v pořadí:

1. Je nutná elektrická vodivost? Pokud ano, možné možnosti jsou 6201-T81, 8030 nebo 8176. Pokud ne, je k dispozici celá řada mechanických slitin.
2. Jaká pevnost v tahu je požadována? Pod 250 MPa: 5154 nebo 5356 v tvrdosti H1x jsou nákladově efektivní. 250–400 MPa: 5056-H18 nebo 6061-T81. Nad 400 MPa: řada 7xxx, akceptující kompromisy mezi cenou a korozí namáháním.
3. Bude drát svařován nebo použit jako svařovací přídavný materiál? Pokud ano, standardní volbou je plnicí drát 5356 nebo 5183; 5056 se také používá tam, kde je potřeba vyšší pevnost svaru pro základní materiály 5xxx.
4. Bude drát eloxovaný nebo ozdobně zakončený? 5056 dobře reaguje a vytváří jasné, jednotné eloxované povrchy. Slitiny 6xxx také dobře eloxují. Slitiny 7xxx eloxované, ale se sníženou konzistencí kvůli vyššímu obsahu legování.
5. Je aplikace vystavena trvalému namáhání v tahu v korozním prostředí? Vyhněte se nesenzibilizovaným vysokým Mg 5xxx při zvýšené teplotě; vyhnout se 7xxx-T6; specifikujte 7xxx-T73 nebo přejděte na slitiny 6xxx.
6. Je vyžadován jemný průměr (<0,5 mm)? Slitiny 5056 a 6xxx jsou běžně taženy na jemné měřidla pro aplikace síta a opletení. Slitiny 7xxx jsou méně běžně dostupné ve velmi jemném průměru kvůli nižší tažnosti.

Vypracování těchto kritérií před kontaktováním dodavatele snižuje riziko obdržení drátu, který splňuje nominální specifikaci, ale selže v provozu kvůli nesouladu mezi teplotou, prostředím a podmínkami zatížení.