Почему важна плотность алюминия

Плотность чистого алюминия составляет около 2,7 г/см³, и именно благодаря этому металл в несколько раз легче стали, меди. Но в чистом виде его применяют редко — он слишком мягкий. В промышленности используют сплавы с медью, магнием, кремнием или цинком, и их плотность уже меняется: от 2,5 до 2,9 г/см³.

Эта разница кажется небольшой, но на практике она определяет, где сплав будет работать лучше:

• в авиации, автомобильной промышленности важен минимальный вес для экономии топлива,
• в строительстве, тяжёлой промышленности выбирают более прочные сплавы,
• в электронике нужен баланс лёгкости, надёжности.

Поэтому инженеры всегда учитывают не только химический состав, но и плотность алюминиевого сплава — от неё напрямую зависит область применения, себестоимость, долговечность изделий.

В статье разберём, как определить массу единичного объёма алюминия, правильно рассчитать вес для выбора и проектирования материалов.

Что такое плотность алюминия

Плотность алюминия — это значение, которое показывает, какое количество компонента содержится в единице объёма, то есть сколько весит граммов один кубический сантиметр (г/см³) или килограммов — кубический метр (кг/м³). Определение массы металла помогает понять, насколько подходит материал для конкретных изделий.

В технических, справочных документах обычно массу указывают в граммах на кубический сантиметр из-за удобства замеров массы мелких деталей. Соотношение единиц на практике будет выглядеть так: 1 г/см³ → 1 000 кг/м³, 1 кг/м³ → 0,001 г/см³.
Нормативные значения плотности алюминия и алюминиевых сплавов, которые можно использовать для вычисления массы листов, регламентируются ГОСТ 21631-2023 от 2024 года.

Подробнее ознакомиться с темой можно в разделе «Размеры, вес и расчёты алюминиевого проката».

Как плотность влияет на свойства и применение алюминия

Масса единичного объёма чистого алюминия находится в диапазоне 2,7 г/см³, поэтому он намного легче меди (8,96 г/см³) и других металлов, что облегчает транспортировку, сборку деталей. Например, изготовители машин, самолётов используют металл для элементов корпуса, чтобы снизить общий вес, увеличить экономию топлива, продуктивность.

Металл свободно поддаётся обработке, имеет пластичную, лёгкую структуру, что позволяет растягивать тонкие провода, делать прокатку листов. Кроме этого, он имеет хорошую устойчивость к коррозии — образует оксидную плёнку (Al₂O₃) при взаимодействии с кислородом. Это позволяет использовать материал в условиях повышенной влажности, агрессивных средах, обеспечивает прочность, надёжность конструкций.

Когда же требуется прочность, износостойкость, выбирают более плотные сплавы с добавлением меди, магния или цинка. Таким образом, именно сочетание плотности и состава сплава задаёт баланс между лёгкостью, прочностью, от которого зависит выбор области применения.

Плотность и выбор алюминиевого проката

В разных областях промышленности выбор материала напрямую зависит от массы алюминиевого проката. С небольшой плотностью сплав используют там, где важна экономия веса. Например, в авиации (корпусы, элементы самолётов), автомобильной промышленности (кузов, детали двигателей, системы подвесок), электроники — для производства лёгких устройств (ноутбуков, мобильных телефонов).

С более высокой плотностью можно обеспечить прочность и долговечность, но при этом увеличивается масса на единицу объёма. Например, в тяжёлом промышленном оборудовании могут использовать более плотные сплавы для повышения прочности.

На плотность алюминиевого сплава влияет:

• включение легирующих элементов (медь, магний, кремний, цинк) — повышают показатель в разной степени;
• термообработка, например, отжиг создаёт более однородную структуру зёрен;

обработка металла (литьё, прокатка, продавливание) — меняет структуру металла.

Определение себестоимости и закупки

Низкая плотность алюминия напрямую отражается на себестоимости изделий. Чтобы получить деталь одинакового объёма, алюминия требуется почти в три раза меньше по весу, чем стали. Это значит, что снижается не только расход сырья, но и транспортные затраты — перевозить лёгкие заготовки проще, дешевле.

В авиации, автомобильной промышленности лёгкость конструкций дополнительно уменьшает эксплуатационные расходы: чем меньше вес, тем ниже расход топлива. Поэтому при закупке алюминиевого проката учитывают не только цену за тонну, но и плотность сплава, ведь именно она определяет конечный вес.

Плотность алюминиевых сплавов

Чистый алюминий (марки 1***, например, 1050, 1100) очень мягкий для некоторых материалов, поэтому разработали алюминиевые сплавы для усиления прочности.

Они создаются с помощью включения небольшого количества легирующих элементов:

• медь — сплав марки 2***, например, 2014;
• марганец — марка 3***, например, 3003;
• кремний — марка 4***, например, 4032;
• магний — марка 5***, например, 5052;
• магний+кремний — марка 6***, например, 6061,6063;
• цинк — марка 7***, например, 7001.

Реже используют цирконий, литий, бериллий, титан. Подробнее о сериях сплавов можно узнать в статье «Маркировка алюминиевых сплавов».
Выбор элемента зависит от качеств нужного алюминиевого сплава и задач. К примеру, для изготовления высокопрочных сплавов, используемых в авиации и автомобильной промышленности, обычно включают медь, цинк, а для повышения устойчивости к коррозиям, пластичности — магний, кремний. Обычно плотность используемого металла находится в пределах от 2,5 г/см³ до 2,9 г/см³.

Плотность и обработка алюминия

Низкая плотность, высокая пластичность алюминия делают его удобным для обработки на токарных, фрезерных станках с ЧПУ. Металл меньше нагружает оборудование и режущий инструмент, поэтому можно быстрее резать и обрабатывать даже крупные заготовки. Это особенно важно при производстве лёгких деталей — корпусов, кронштейнов, профилей.

Высокая теплопроводность алюминия помогает быстрее отводить тепло при обработке, снижает риск перегрева детали. Но у этого свойства есть и обратная сторона: металл может деформироваться, налипать на режущую кромку инструмента. В итоге растёт расход материала и увеличивается износ оборудования. Чтобы избежать таких проблем, при обработке применяют охлаждающие, смазочные жидкости.

Важно учитывать марку сплава и подбирать режим резки под конкретный материал. Для фрезеровки хорошо подходят АМГ5, Д16, Д16Т, 6061, 7075 — они легко обрабатываются и при этом остаются достаточно прочными и устойчивыми к коррозии.

Более подробно тема раскрыта в статье «Способы обработки алюминия».

Плотность массы алюминия — один из главных показателей, от которого зависит эффективность применения металла в промышленности. Она используется в инженерных расчётах, при оценке нагрузок, выборе материала. Правильный подбор сплава позволяет выпускать изделия лёгкими и прочными, а значит — надёжными для производства.
Чтобы правильно выбрать марку сплава, рассчитать вес изделий, стоимость, технологию обработки, воспользуйтесь калькулятором алюминия от МТК МАЗПРОМ.

Часто задаваемые вопросы

Поделиться: