Прочным алюминиевым сплавом недоработку. Применение алюминиевых листов

Признанные международные и национальные стандарты (раньше немецкие DIN, а сейчас европейские EN, американские стандарты ASTM, международные ISO) также как и наши ГОСТы рассматривают отдельно алюминий и алюминиевые сплавы. При этом алюминий подразделяется на марки (grades), а не на сплавы (alloys).

Марки алюминия подразделяются на:

• алюминий высокой чистоты (99,95 %) и
• технический алюминий, который содержит до 1 % примесей или добавок.

Микроструктура технического алюминия представляет собой в основном небольшие количества соединений железа и кремния в алюминиевой матрице.

Технический алюминий

Нелегированный алюминий — технический алюминий — в зависимости от его чистоты — содержания примесей — подразделяют на марки. Их так и называют, например, алюминий марки АД0 по ГОСТ 4784-97 или алюминий марки 1050 по EN 573-3.

Для алюминия в международной классификации алюминия и алюминиевых сплавов выделена отдельная серия 1ххх (или 1000).

Марки алюминия в стандартах

Марки алюминия в стандарте EN 573-3

Стандарт EN 573-3 называет различные по чистоте варианты алюминия, например, «алюминий EN AW 1050A», а алюминиевые сплавы, например, «сплав EN AW 6060». Вместе с тем, довольно часто алюминий называют сплавом, например так: «алюминиевый сплав 1050А».

Марки алюминия в ГОСТ 4784

В наших стандартах, например, в ГОСТ 4784-97 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые» и других стандартах по алюминию и алюминиевым сплавам, вместо понятия «обозначения» применяется близкое понятие «марка», правда с английским эквивалентом «grade». Согласно стандарту формально должны применяться выражения типа «алюминий марки АД0» и «алюминиевый сплав марки АД31».

На практике слово «марка» применяют только для алюминия, а алюминиевые сплавы часто называют просто «алюминиевыми сплавами» без всяких марок, например, «алюминиевый сплав АД31». И это, на наш взгляд, вполне согласуется с принятым международным подходом.

Марка алюминия и маркировка алюминия

Хуже то, что термин «марка» нередко путают с термином «маркировка».

По ГОСТ 2.314-68 маркировка – это совокупность знаков, характеризующих изделие, например, обозначение, шифр, номер партии (серии), порядковый номер, дата изготовления, товарный знак предприятия-изготовителя, марка материала, монтажные или транспортные знаки и т.п. Таким образом, обозначение или марка сплава является только небольшой частью маркировки и уж никак не самой маркировкой.

Для обозначения марки алюминия или сплава на одном из торцов слитка, чушки и т. д. несмываемой краской наносят цветные полосы — вот это уже маркировка . Например, по ГОСТ 11069-2001 алюминий марки А995 маркируют четырьмя зелеными вертикальными полосами.

Марки алюминия по ГОСТ 11069 и ГОСТ 4784

Марки алюминия задают два основных стандарта:

• ГОСТ 11069-2001 (ДСТУ ГОСТ 11069:2003) по первичному алюминию в форме чушек, слитков, катанки, ленты и в жидком состоянии;
• ГОСТ 4784-97 по деформируемому алюминию для изготовления полуфабрикатов методом горячей или холодной деформации, а также слябов и слитков.

ГОСТ 11069

ГОСТ 11069-2001 (таблица 1) обозначает марки алюминия по цифрам после запятой в процентном содержании алюминия: А999, А995, А99, А85, А8, А7, А6, А5 и А0. Наиболее чистый алюминий – алюминий особой чистоты А999 – содержит не менее 99,999 % алюминия, а сумма всех примесей составляет не более 0,001 %. Его применяют в основном для лабораторных опытов. В промышленности применяют также алюминий высокой чистоты (содержание алюминия от 99,95 до 99,995 %) и технической чистоты (содержание алюминия от 99,0 до 99,85 %. Основными (постоянными) примесями алюминия являются железо и кремний.

ГОСТ 4784

ГОСТ 4784-97 включает алюминий, которые применяется при изготовлении продукции методами обработки металлов давлением. Здесь цифры ничего полезного не говорят (таблица 2): АД000, АД00, АД0, АД1 и АД. Модификации с буквой Е (электротехнические) содержат пониженное содержание кремния для улучшения электрической проводимости. В отличие от ГОСТ 11069 ГОСТ 4784 не исключает и вторичный алюминий, то есть алюминий, полученный из лома.

Вы можете сказать какой алюминиевый лист применяется на каждой картинке? Затрудняетесь?
Давайте вместе попробуем разобраться в основных алюминиевых сплавах и их применении.

Для начала рассмотрим состояние алюминиевых листов.

ГОСТ 21631-76 определяет нам 7 возможных состояний листа, остановимся только на самых распространенных:

1) отожженные – М;

Мягкий алюминиевый лист, легко поддается деформации.

2) полунагартованные - Н2;

Алюминиевый лист более жесткий, чем в состоянии "М", также легко поддается деформации (выдерживает сгибание до 90град.). Хорошо держит форму, жесткое состояние препядствует образованию вмятин, поэтому наиболее часто применяется в теплоизоляции труб.

3) нагартованные – Н;

Нагартовкой называют способ упрочнения металла с помощью холодной деформации (дополнительная прокатка на станке).

4) закаленные и естественно состаренные – Т;

Твердые алюминиевые листы. Более сложен в обработке (при сгибании под 90 град лопается). Применяется в деталях и узлах с высокой нагрузкой.

Сплавы 1105, ВД1.

Лист алюминиевый технический применяется в качестве изоляционного и отделочного материала. Малый вес листа и его гибкость обеспечивают невысокие затраты и удобство при проведении изоляционных работ. Наиболее часто применяемые сплавы 1105АН2, ВД1АН2. Также для теплоизоляции используется сплав АД1Н2.

Сплавы группы "алюминий-магний": АМГ2, АМГ3, АМГ5, АМГ6.

Кислотостойкий алюминиевый лист изготавливают из алюминия, легированного магнием и марганцем. Марки АМг2М, АМг3М, АМг5М, АМг6М имеют высокие антикоррозионные характеристики, прекрасно свариваются. Поэтому их широко применяют в производстве сварных ёмкостей, баков для топлива и других деталей в самолётостроении. Отлично подходит как при промышленном судостроении, так и для частного изготовления катеров, лодок, катамаранов.

Сплавы АД1, А5.

Пищевой алюминиевый лист изготавливается из марок первичного алюминия – нагартованные (А5Н, АД1Н), полунагартованные (А5Н2, АД1Н2), отожжённые (А5М, АД1М).

Сплав АМЦ.

Листы из алюминия марки АМц обладают повышенной пластичностью, легко поддаются деформации. Используются в полунагартованном и нагартованном состоянии в автомобилестроении для изготовления радиаторов, рам, заклёпок. Также может применяться в пищевом производстве, но без прямого контакта с пищевыми продуктами.

Сплавы Д16, Д19, В95.

Д16АМ – это дюралюминий отожженный, с нормальным плакированием. Д16АМ относится к высокопрочному виду дюралюминия, отличается устойчивостью к внешним воздействиям. Д16АМ не становится хрупким на морозе, поэтому применяется в условиях, при которых применение других видов стали становится невозможно. Наиболее широкое применение лист из сплава Д16АМ находит в производстве различных деталей, изготавливаемых методом штамповки.

Д16АТ – производится из сплава алюминия с легирующими элементами, основным из которых является медь. Сплав используют для изготовления гнутых профилей. Преимуществом Д16АТ можно выделить то, что деталь из такого сплава сразу получается твёрдой, без дополнительной термообработки.

Д16Т – дюралюминий, произведенный из сплава алюминия с медью и марганцем. Д16Т обладает хорошей пластичностью и повышенными усталостными характеристиками. Спектр применения сплава широк. Д16Т применяют в строительстве, авиастроении, судостроении, производстве мебели и в других отраслях.

В95 - прочный авиационный сплав. Применяется для обшивок верха крыла (плит, листов), стрингеров (гнутых листовых и прессованных), балок, стоек и других элементов фюзеляжа и крыла современных самолетов (ТУ-204, Ил-96, Бе-200) и других высоконагруженных конструкций, работающих в основном на сжатие.

Сплавы Д16, В95 не свариваются аргоно-дуговой и газовой сваркой. Поэтому для сочленения полуфабрикатов (толстых листов, профилей и панелей) наиболее часто применяют заклепочные соединения.

В настоящее время, наиболее распространёнными на российском рынке системы НВФ можно разделить на три большие группы:

• системы с подоблицовочной конструкцией из алюминиевых сплавов;
• системы с подоблицовочной конструкцией из оцинкованной стали с полимерным покрытием;
• системы с подоблицовочной конструкцией из нержавеющей стали.

Наилучшие прочностные и теплофизические показатели, безусловно, имеют подоблицовочные конструкции из нержавеющей стали.

Сравнительный анализ физико-механических свойств материалов

*Свойства нержавеющей и оцинкованной стали отличаются незначительно.

Теплотехнические и прочностные характеристики нержавеющей стали и алюминия

1. Учитывая в 3 раза меньшую несущую способность и в 5,5 раз большую теплопроводность алюминия, кронштейн из алюминиевого сплава является более сильным "мостом холода", чем кронштейн из нержавеющей стали. Показателем этого служит коэффициент теплотехнической однородности ограждающей конструкции. По данным исследований коэффициент теплотехнической однородности ограждающей конструкции при применении системы из нержавеющей стали составил 0,86-0,92, а для алюминиевых систем он равен 0,6-0,7, что заставляет закладывать большую толщину утеплителя и, соответственно, увеличивать стоимость фасада.

Для г. Москвы требуемое сопротивление теплопередаче стен с учетом коэффициента теплотехнической однородности составляет для нержавеющего кронштейна - 3,13/0,92=3,4 (м2.°C)/Вт, для алюминиевого кронштейна - 3,13/0,7=4,47 (м 2 .°C)/Вт, т.е. на 1,07 (м 2 .°C)/Вт выше. Отсюда, при применении алюминиевых кронштейнов толщина утеплителя (с коэффициентом теплопроводности 0,045 Вт/(м.°C) должна приниматься почти на 5 см больше (1,07*0,045=0,048 м).

2. Из-за большей толщины и теплопроводности алюминиевых кронштейнов по расчетам, проведенным в НИИ Строительной физики, при температуре наружного воздуха -27 °C температура на анкере может опускаться до -3,5 °C и даже ниже, т.к. в расчетах площадь поперечного сечения алюминиевого кронштейна принималась 1,8 см 2 , тогда как реально она составляет 4-7 см 2 . При применении кронштейна из нержавеющей стали, температура на анкере составила +8 °C . То есть, при применении алюминиевых кронштейнов, анкер работает в зоне знакопеременных температур, где возможна конденсация влаги на анкере с последующим замерзанием. Это будет постепенно разрушать материал конструктивного слоя стены вокруг анкера и соответственно снижать его несущую способность, что особенно актуально для стен из материала с низкой несущей способностью (пенобетон, пустотелый кирпич и др.). При этом теплоизоляционные прокладки под кронштейн по причине их малой толщины (3-8 мм) и высокой (относительно утеплителя) теплопроводности снижают теплопотери всего на 1-2 %, т.е. практически не разрывают "мост холода" и мало влияют на температуру анкера.

3. Низкое температурное расширение направляющих. Температурные деформации алюминиевого сплава в 2,5 раза больше, чем нержавеющей стали. Нержавеющая сталь имеет более низкий коэффициент температурного расширения (10 10 -6 °C -1), по сравнению с алюминием (25 10 -6 °C -1). Соответственно удлинение 3-метровых направляющих при перепаде температур от -15 °C до +50 °C составит 2 мм для стали и 5 мм для алюминия. Поэтому для компенсации температурного расширения алюминиевой направляющей необходим целый ряд мероприятий:

а именно - введение в подсистему дополнительных элементов - подвижных салазок (для П-образных кронштейнов) или овальных отверстий с втулками для заклепок - не жесткая фиксация (для L-образых кронштейнов).

Это неминуемо приводит к усложнению и удорожанию подсистемы или неправильному монтажу (так как очень часто бывает, что монтажники не использует втулки или неправильно фиксирует узел с дополнительными элементами).

В результате данных мероприятий весовая нагрузка приходится только на несущие кронштейны (верхний и нижний) а другие служат лишь как опора, а это значит, что анкеры нагружены не равномерно и это обязательно нужно учитывать при разработке проектной документации, что зачастую просто не делают. В стальных же системах вся нагрузка распределяется равномерно - все узлы жестко зафиксированы - незначительные температурные расширения компенсируются за счет работы всех элементов в стадии упругой деформации.

Конструкция кляммера позволяет делать зазор между плитами в системах из нержавеющей стали от 4 мм, тогда как в алюминиевых системах - не менее 7 мм, что к тому же не устраивает многих заказчиков и портит внешний вид здания. Кроме того, кляммер должен обеспечивать свободное перемещение плит облицовки на величину удлинения направляющих, иначе будет происходить разрушение плит (особенно на стыке направляющих) или разгибание кляммера (и то, и другое может привести к выпадению плит облицовки). В стальной системе нет опасности разгибания лапок кляммера, что может с течением времени произойти в алюминиевых системах из-за больших температурных деформаций.

Противопожарные свойства нержавеющей стали и алюминия

Температура плавления нержавеющей стали 1800 °C, а алюминия 630/670°C (в зависимости от сплава). Температура при пожаре на внутренней поверхности плитки (по результатам испытаний МООУ «Региональный сертификационный центр «ОПЫТНОЕ») достигает 750 °C. Таким образом, при применении алюминиевых конструкций может произойти расплавление подконструкции и обрушение части фасада (в зоне оконного проема), а при температуре 800-900°С алюминий сам по себе поддерживает горение. Нержавеющая сталь же при пожаре не плавится, поэтому наиболее предпочтительна по требованиям пожарной безопасности. К примеру - в г. Москва при строительстве высотных зданий алюминиевые подконструкции вообще не допускаются к применению.

Коррозионные свойства

На сегодняшний день единственным достоверным источником о коррозионной стойкости той или иной подоблицовочной конструкции, а соответственно и долговечности, является экспертное заключение «ЭкспертКорр-МИСиС».

Самыми долговечными являются конструкции из нержавеющих сталей. Срок службы таких систем составляет не менее 40 лет в городской промышленной атмосфере средней агрессивности, и не менее 50 лет в условиях условно-чистой атмосферы слабой агрессивности.

Алюминиевые сплавы, благодаря оксидной плёнке, обладают высокой коррозионной стойкостью, но в условиях повышенного содержания в атмосфере хлоридов и серы возможно возникновение быстроразвивающейся межкристаллитной коррозии, что приводит к существенному снижению прочности элементов конструкции и их разрушению. Таким образом, срок службы конструкции из алюминиевых сплавов в условиях городской промышленной атмосферы средней агрессивности не превышает 15 лет. Однако, по требованиям Росстроя, в случае применения алюминиевых сплавов для изготовления элементов подконструкции НВФ, все элементы в обязательном порядке должны иметь анодное покрытие. Наличие анодного покрытия увеличивает срок службы подконструкции из алюминиевого сплава. Но при монтаже подконструкции различные её элементы соединяются заклёпками, для чего сверлятся отверстия, что вызывает нарушение анодного покрытия на участке крепления, т. е. неизбежно создаются участки без анодного покрытия. Кроме того, стальной сердечник алюминиевой заклёпки совместно с алюминиевой средой элемента составляет гальваническую пару, что также ведёт к развитию активных процессов межкристаллитной коррозии в местах крепления элементов подконструкции. Стоит отметить, что зачастую дешевизна той или иной системы НВФ с подконструкцией из алюминиевого сплава обусловлена именно отсутствием защитного анодного покрытия на элементах системы. Недобросовестные производители таких подконструкций экономят на дорогостоящих электрохимических процессах анодирования изделий.

Недостаточной коррозионной стойкостью, с точки зрения долговечности конструкции, обладает оцинкованная сталь. Но после нанесения полимерного покрытия срок службы подконструкции из оцинкованной стали с полимерным покрытием составит 30 лет в условиях городской промышленной атмосферы средней агрессивности, и 40 лет в условиях условно-чистой атмосферы слабой агрессивности.

Сравнив вышеперечисленные показатели алюминиевых и стальных подконструкций, можно сделать вывод - стальные подконструкции по всем показателям значительно превосходят алюминиевые.