Алюминий 1090: состав, свойства, марки термообработки и области применения

Общий обзор

Алюминий 1090 относится к серии 1xxx кованных алюминиевых сплавов, представляющей собой коммерчески чистый алюминий с номинальным содержанием алюминия 99,90% по массе. Серия 1xxx характеризуется минимальными легирующими добавками и главным образом сплавляется только с элементами-примесами, которые остаются в пределах жестких ограничений по содержанию, чтобы сохранить электрические, тепловые и коррозионные свойства.

Основные легирующие элементы в 1090 по сути являются примесями: кремний, железо, медь, марганец, магний, цинк, хром и титан присутствуют только в следовых количествах и в совокупности влияют на механические характеристики. Прочность 1090 обеспечивается почти полностью за счет упрочнения при деформировании (холодной деформации), а не термообработкой, поскольку сплав не поддается термическому упрочнению; холодная прокатка и контролируемый отжиг — основные методы регулирования свойств.

Ключевые характеристики 1090 — высокая электрическая и тепловая проводимость, отличная коррозионная стойкость во многих атмосферных и слабоагрессивных средах, а также превосходная пластичность в отожженном состоянии. Свариваемость очень хорошая для распространенных способов сварки плавлением и контактной сварки, а механическая прочность низкая по сравнению с легированными сериями, но достаточная для листовых и фольговых применений, где на первом месте стоят чистота и проводимость.

Отрасли, где часто применяется 1090, включают электротехническую передачу и шины, химическое оборудование, отражающие поверхности и освещение, материалы для фольги и конденсаторов, а также архитектурные и декоративные панели. Инженеры выбирают 1090, когда основными требованиями являются максимальная проводимость, чистота поверхности или высокая пластичность, и когда проектировщик готов пожертвовать высокой структурной прочностью ради этих свойств.

Варианты отпусков

Отпуск	Уровень прочности	От elongation (удлинение)	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое (30–45%)	Отличная	Отличная	Полный отжиг для максимальной пластичности
H12	Низкий–Средний	Умеренное (15–30%)	Очень хорошая	Очень хорошая	Слегка упрочненный холодной деформацией, средний отпуск для формованных деталей
H14	Средний	Умеренно-низкое (8–20%)	Хорошая	Очень хорошая	Полууглеродистый отпуск, распространенный для листов с повышенной жесткостью
H16	Средне-высокий	Низкое (5–12%)	Удовлетворительная	Очень хорошая	Усиленное упрочнение для большей прочности и упругости
H18	Высокий	Низкое (2–8%)	Ограниченная	Очень хорошая	Полностью упрочненный, применяется там, где пластичность не важна
H24	Средний	Умеренное (10–25%)	Хорошая	Очень хорошая	Упрочненный холодной деформацией с частичным отжигом для баланса пластичности и прочности

Отпуск оказывает прямое и предсказуемое влияние на свойства 1090, поскольку они зависят от холодной деформации, а не от упрочнения при осаждении. Переход от O к H18 увеличивает предел текучести и временное сопротивление разрыву за счет уменьшения пластичности и формуемости, поэтому выбор отпуска обычно балансирует между упругим возвращением (springback), сложностью формоизменения и требуемой прочностью.

Поскольку сплав не реагирует на циклы растворения и старения, выбор отпуска основывается на степени холодной обработки и промежуточном отжиге. Конструкторы контролируют процессы формования и конечную геометрию, указывая соответствующий H-отпуск или отожженное состояние O для сложных изгибов и глубокой вытяжки.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	≤ 0,10 (типично)	Содержание кремния снижено для сохранения пластичности и проводимости
Fe	≤ 0,40 (типично)	Железо — основной примесный элемент; немного повышает прочность, но снижает проводимость и пластичность
Mn	≤ 0,05	Очень низкое содержание для минимизации образования вторичных фаз
Mg	≤ 0,03	Минимально, чтобы избежать нежелательного упрочнения и потери проводимости
Cu	≤ 0,05	Минимальное содержание меди для сохранения коррозионной стойкости и проводимости
Zn	≤ 0,03	Ограничено для предотвращения интерметаллидов и склонности к напряженной коррозии
Cr	≤ 0,05	Присутствует в следовых количествах для контроля структуры зерна при некоторых способах обработки
Ti	≤ 0,03	Небольшие добавки для улучшения мелкозернистости при литье и экструдировании
Другие (каждый)	≤ 0,05; суммарно ≤ 0,15	Примеси тщательно контролируются для поддержания класса коммерчески чистого алюминия

Химический профиль 1090 определяется удержанием легирующих элементов на следовых уровнях, благодаря чему металл ведет себя практически как чистый алюминий. Железо и кремний имеют наибольшее влияние: железо образует интерметаллиды, которые слегка повышают прочность, но могут снижать пластичность и проводимость, в то время как кремний влияет на литьевые свойства и поведение при затвердевании. Контроль примесей крайне важен для сохранения электрических и тепловых свойств сплава при обеспечении приемлемой механической целостности.

Механические свойства

При растяжении 1090 показывает сравнительно низкие значения временного сопротивления разрыву и предела текучести в полностью отожженном состоянии, с высоким удлинением, что позволяет проводить глубокую вытяжку и сложное формование. При холодной деформации в H-отпусках прочность существенно возрастает, но пластичность и удлинение снижаются, что ведет к увеличению упругого возвращения и снижению гибкости в обработке.

Твердость напрямую связана со степенью холодной деформации: отожженный 1090 характеризуется низкими значениями твердости, типичными для чистого алюминия, тогда как отпуска типа H18 и аналогичные проявляют значительно более высокую твердость, подходящую для применения с повышенными требованиями к износостойкости и жесткости. Усталостная прочность у 1090 умеренная и сильно зависит от качества поверхности и отпуска; шлифованные участки с высокой проводимостью показывают лучшие результаты, чем шероховатые и упрочненные поверхности, но остаются ниже аналогичных показателей легированных алюминиевых серий, применяемых для ответственных конструкций с критической усталостью.

Толщина влияет на механические характеристики: очень тонкие фольги (микроны до десятых долей миллиметра) демонстрируют повышенную кажущуюся прочность за счет упрочнения при прокатке и особенностей производства, тогда как толстая плита близка к bulk-состоянию с отожженной структурой, если не была специально подвергнута холодной обработке. Поверхностные дефекты и остаточные напряжения от формования сильно влияют на растяжение и усталостную прочность данного сплава.

Свойство	O/Отожженное	Основной отпуск (например, H14/H18)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	~60–110 MPa (типичный диапазон)	~100–160 MPa (в зависимости от степени упрочнения)	Значения зависят от толщины и уровня холодной обработки
Предел текучести	~20–60 MPa	~70–130 MPa	Значительно увеличивается в H-отпуусках
Удлинение	~30–45%	~2–20%	Высокое в состоянии O, снижается при упрочнении
Твердость	~20–35 HV	~30–60 HV	Твердость растет с увеличением степени холодной деформации

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2,71 г/см³	Типична для алюминия; важна для расчета массы и жесткости
Температура плавления	~660 °C (температура плавления)	Температура плавления чистого алюминия; легирующие примеси немного изменяют поведение при затвердевании
Теплопроводность	~220–235 Вт/м·К	Очень высокая; одна из лучших среди коммерческих алюминиевых сплавов
Электропроводность	~55–65% IACS	Высокая проводимость делает 1090 подходящим для шин и проводников
Удельная теплоемкость	~0,90 Дж/г·К (900 Дж/кг·К)	Хорошая теплоемкость для теплового проектирования
Коэффициент линейного расширения	~23–24 µm/м·К	Типичное линейное расширение алюминия при комнатной температуре

Физические свойства 1090 делают его привлекательным там, где главным драйвером конструкции является рассеивание тепла или электрическая проводимость. Тепловые и электрические проводимости лишь незначительно снижаются из-за допустимых следовых примесей, поэтому 1090 ведет себя очень похожим образом на чистый алюминий в большинстве приложений теплового менеджмента.

Сочетание низкой плотности и хороших тепловых характеристик обеспечивает отличное удельное теплопроводность и удельную жесткость для легких тепловых конструкций. При проектировании следует учитывать относительно высокий коэффициент теплового расширения алюминия при соединении разнородных материалов или когда требуется точный контроль размеров при температурных циклах.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Механические свойства	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0,2–6,0 мм	Чувствителен к холодной обработке; толщина проката влияет на прочность	O, H14, H16	Широко применяется для облицовки, отражателей и декоративных покрытий
Плита	>6,0 мм	Как правило, поставляется отожжённой или с лёгкой холодной обработкой	O, H12	Толстые плиты используются там, где важна проводимость и коррозионная стойкость
Экструзия	Профили длиной до нескольких метров	Ограничено низким содержанием легирующих элементов; упрочнение холодной деформацией при экструзии	O, H12	Часто для простых сечений; контроль зерна достигается термообработкой
Труба	Сварные и бесшовные, различные диаметры	Механические свойства зависят от формовки и сварки	O, H14	Трубки для лёгких рам, конденсаторов, HVAC-компонентов
Пруток/шток	Диаметр 2–50 мм	Холоднотянутый для повышения прочности	O, H14, H18	Используется для проводящих выводов, крепёжных элементов и механообработанных деталей

Особенности обработки разных форм обусловлены реакцией сплава на холодную деформацию и отжиг. Прокатка листа и фольги обеспечивает высокую пластичность в отожженном состоянии и повышенную прочность при контролируемом холодном упрочнении, в то время как экструзии и профили могут требовать специальных тепловых циклов для контроля роста зерна и качества поверхности.

Применение каждой формы продукции определяется экономикой производства и требованиями к механическим свойствам: тонкие листы и фольга используют высокую проводимость и формуемость, а более толстые плиты и экструзии — коррозионную стойкость при умеренных нагрузках. Методы сварки, пайки и формовки варьируются в зависимости от формы и состояния, чтобы избежать трещин и значительных потерь свойств.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	1090	США	Обозначение ASTM/AA для коммерчески чистого алюминия с номинальным содержанием Al 99,90%
EN AW	1090	Европа	Европейское обозначение, обычно совпадает по химическому составу; уточнять варианты EN стандарта
JIS	A1090	Япония	Японская марка с подобными требованиями к чистоте; незначительные отличия по допускам
GB/T	Al99.9	Китай	Китайские аналоги с номинальной чистотой алюминия 99,9% по стандартам

Незначительные отличия региональных спецификаций касаются допустимых примесей, требований к состоянию поверхности и методам выборочного контроля механических свойств. Инженерам рекомендуется проверять действующие стандарты для контрактов, поскольку допустимые концентрации железа и кремния, а также контроль микроэлементов влияют на проводимость и формуемость. Для критичных электрических или тепловых компонентов следует запрашивать заводские сертификаты, соответствующие конкретному стандарту, и рассматривать проведение предварительных испытаний на квалификацию для деталей высокой надёжности.

Коррозионная стойкость

1090 обладает отличной атмосферной коррозионной стойкостью благодаря быстрому образованию стабильной защитной плёнки оксида алюминия. В сельской и городской атмосфере сплав демонстрирует высокую устойчивость, а незначительное увеличение содержания примесей обычно не влияет на долговременную стабильность поверхности, если отсутствуют агрессивные загрязнители.

В морской среде 1090 хорошо противостоит общей коррозии, однако подвержен локальному поражению в условиях застойных хлоридсодержащих сред или при электролитическом контакте. При использовании в морской воде или зонах брызг применяются конструктивные меры: промывка, покрытия, изоляция от других металлов для минимизации точечной и щелевой коррозии.

Трещинообразование под воздействием напряжений для 1090 редкость из-за низкой прочности и отсутствия чувствительных осадков; однако водород embrittlement и механизмы SCC, характерные для высокопрочных алюминиевых сплавов, не являются основной проблемой. Электрохимические взаимодействия важны: 1090 выступает анодом по отношению к многим нержавеющим сталям и медным сплавам, поэтому в узлах из разных металлов рекомендуется применять изоляцию или жертвенные аноды.

По сравнению с более легированными сериями семейство 1xxx, включая 1090, обеспечивает превосходную общую коррозионную стойкость, но не обладает улучшенной защитой от локальной коррозии, характерной для специализированных коррозионностойких сплавов. Выбор материала должен основываться на конкретных условиях эксплуатации и методах соединения.

Свойства при обработке

Свариваемость

1090 хорошо сваривается распространёнными методами плавления (TIG, MIG) и контактной сваркой, демонстрируя низкую склонность к горячим трещинам благодаря высокой чистоте. Для улучшения механического баланса и снижения пористости иногда рекомендуется использование сварочных проволок с соответствующим или более высоким уровнем легирования; популярными являются ER4043 и ER4047 в зависимости от геометрии соединения и условий эксплуатации.

Термически обработанная зона при сварке 1090 не подвергается размягчению за счёт осадков, однако возможно рост зерна и локальные изменения свойств; параметры сварки следует выбирать с минимальным тепловложением для тонких деталей, чтобы снизить деформации. Предварительная очистка и контроль флюса важны для предотвращения поглощения водорода и образования пористости, особенно для изделий с высокими требованиями к электропроводности.

Механическая обработка

Механическая обработка 1090 схожа с чистым алюминием: материал достаточно легко обрабатывается, но при высоких подачах без оптимизации инструмента образуются тянущиеся стружки. Рекомендуемый инструмент — острые твердосплавные или быстрорежущие с полированными канавками; повышенные скорости резания и малые глубины реза обеспечивают хорошую поверхность, но увеличивают нагрев инструмента и образование забоин.

Из-за мягкости 1090 важна эффективная эвакуация стружки и геометрия инструмента для предотвращения закупорки и рисок; использование СОЖ и положительных углов режущей кромки улучшает производительность. Индексы обрабатываемости умеренные по сравнению с специально легированными легкообрабатываемыми марками; некоторые производители добавляют минимальные легирующие элементы для улучшения обрабатываемости, однако это снижает проводимость.

Формуемость

Формуемость 1090 в состоянии O отличная: сплав хорошо поддаётся глубокой вытяжке, растяжке и сложной штамповке без возникновения трещин. Минимальные радиусы гиба малы в отожженном состоянии и увеличиваются при упрочнении; для критичных гибов предпочтительны состояния O или H12 для контроля упругого восстановления и минимизации растрескивания.

Реакция на холодную обработку предсказуема: контролируемые уменьшения сечения обеспечивают необходимое повышение прочности, а промежуточные отжиги восстанавливают пластичность при многоступенчатой формовке. Для интенсивных операций формовки возможно применение подогрева для снижения напряжений текучести и отсрочки формирования шейки при сохранении качества поверхности.

Поведение при термообработке

1090 — это нелегируемый сплав, не поддающийся классической упрочняющей термообработке растворением и старением, так как содержание легирующих элементов недостаточно для образования упрочняющих фаз. Поэтому контроль свойств осуществляется за счёт пластической деформации и восстановления/рекристаллизации при отжиге.

Типичный отжиг 1090 проводят при температурах примерно 300–415 °C для рекристаллизации и полного размягчения, время выдержки корректируют в зависимости от толщины и сечения. Частичные отожиги (например, процессы типа H24) обеспечивают баланс между пластичностью и остаточной прочностью для промежуточных состояний, а полный отжиг (O) восстанавливает максимальную формуемость.

Инженерам не рекомендуется стремиться к повышению прочности термическим старением; оптимальными методами являются режимы холодной обработки, промежуточные отжиги снятия напряжений или изменение конструкции для достижения требуемых механических характеристик. Стабилизирующие обработки после формовки позволяют снизить упругое восстановление и минимизировать остаточные напряжения.

Поведение при высоких температурах

При повышенных температурах 1090 теряет жёсткость и прочность; свыше примерно 100–150 °C прочностные характеристики заметно снижаются, становится существенным ползучесть при длительных нагрузках. Сплав не рекомендован для эксплуатации в конструкциях при температурах выше ~150 °C в течение длительного времени.

Окислительная стойкость при высоких температурах хорошая благодаря быстрому образованию защитного оксидного слоя, однако возможны поверхностное шелушение и изменение цвета, что может влиять на внешний вид и электрическое сопротивление контактов. Тепловая стабильность механических свойств ограничена отсутствием упрочнения осадками, поэтому восстановление твёрдости методом старения при высоких температурах не применимо.

Термически обработанные зоны сварных соединений при работе на повышенной температуре не испытывают значительной деградации от осадков, но необходимо учитывать рост зерна и размягчение при длительном нагреве при конструировании. В условиях циклических температурных нагрузок следует принимать во внимание разницу теплового расширения и тепловой усталости, так как высокий коэффициент теплового расширения 1090 может вызывать напряжения в ограниченных структурах.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Почему используется 1090
Электротехника	Шины, проводники, фольга для конденсаторов	Высокая электрическая проводимость и хорошая формуемость
Судостроение и химическая промышленность	Выходные покрытия резервуаров, воздуховоды, облицовка	Коррозионная стойкость и удобство изготовления
Освещение и отражающие покрытия	Отражатели, компоненты ламп	Высокий коэффициент отражения и качественная поверхность
Электроника и теплообмен	Радиаторы, тепловые распределители	Высокая теплопроводность и низкая плотность
Архитектура	Декоративные панели, фасадные элементы	Формуемость, хорошие возможности отделки и коррозионная стойкость

Сплав 1090 находит нишевое применение там, где высокое качество поверхности, проводимость и чистота алюминия важнее высокой конструкционной прочности. Низкая плотность и лёгкость в формовании делают этот материал экономичным вариантом для изделий с тонким сечением и компонентов, где часто применяются сварка и пайка.

Рекомендации по выбору

Для задач, где приоритетом являются электрическая или тепловая проводимость совместно с хорошей формуемостью, сплав 1090 предпочитают коммерчески чистому 1100, так как он содержит больше алюминия, что обеспечивает немного лучшую проводимость и улучшенный внешний вид поверхности при сохраняющейся приемлемой формуемости. В то же время рост прочности ограничен по сравнению с целенаправленным легированием.

В сравнении с распространёнными упрочнёнными холодной деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 1090 обеспечивает превосходные электрические и тепловые характеристики, а также лучше выдерживает коррозионное воздействие во многих средах, однако имеет более низкую прочность и меньшую стойкость к определённым видам механического износа. Выбирайте 1090, когда важнее проводимость и качество отделки, чем несущая способность.

По сравнению с термообрабатываемыми сплавами, например 6061 или 6063, 1090 не достигает предельных значений прочности, присущих сплавам с упрочнением за счёт выделений, но превосходит их по проводимости, формуемости и зачастую стоит дешевле. Используйте 1090, если для вас важнее лёгкость, высокая электропроводность и хорошая формуемость, а не максимальная структурная прочность.

Итог

Алюминиевый сплав 1090 остаётся актуальным инженерным материалом, когда приоритетами являются высокая электрическая и тепловая проводимость, отличная формуемость и высокая коррозионная стойкость при минимальных затратах. Его предсказуемое поведение при холодной деформации и широкая совместимость с обычными методами изготовления делают 1090 надёжным выбором для электротехнических, теплообменных, декоративных и химических компонентов.