Алюминий 1100: Состав, Свойства, Таблица состояний и Области применения

Общий обзор

1100 относится к серии алюминиевых сплавов 1xxx, классифицируемых как коммерчески чистый алюминий с минимальным содержанием алюминия около 99%. Серия 1xxx характеризуется очень низким содержанием легирующих элементов и известна своей высокой химической чистотой по сравнению с другими сериями, такими как 3xxx или 6xxx.

Основные легирующие элементы в 1100 представлены лишь в виде контролируемых примесей: кремний, железо, медь, марганец, магний и цинк содержатся в следовых количествах до десятых долей процента. Поскольку в сплаве отсутствуют значимые элементы упрочнения, механическое укрепление достигается почти исключительно за счёт наклёпа (холодной обработки), а не осадочного термического упрочнения.

Ключевые свойства 1100 включают отличную формуемость, очень хорошую коррозионную стойкость в атмосферных и многих химических средах, а также выдающуюся теплопроводность и электропроводность по сравнению с более сильно легированными марками. Свариваемость обычно отличная в отожженном состоянии (темпер O), поскольку сплав пластичен и не требует последующей термообработки после сварки, но механическая прочность при этом низкая по сравнению с наклёпанными и термообрабатываемыми сплавами.

Типичные отрасли применения 1100 — химическая переработка, пищевое производство, изготовление знаков, архитектурные отделочные элементы, электроника (радиаторы охлаждения), а также применения, требующие высокой формуемости и коррозионной стойкости при низкой стоимости. Инженеры выбирают 1100, когда максимальная пластичность, проводимость и коррозионная стойкость на единицу стоимости важнее, чем высокие статические прочностные показатели.

Варианты состояния

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкая	Высокое (20–40%)	Отличная	Отличная	Полное отжиговое состояние коммерческой чистоты для максимальной пластичности
H12	Средняя	Среднее (10–20%)	Очень хорошая	Очень хорошая	Частичное наклёпывание с ограниченным снижением пластичности
H14	Средне-высокая	Низко-среднее (8–15%)	Хорошая	Очень хорошая	Распространённое состояние холодной обработки, балансирующее прочность и формуемость
H16	Высокая	Низкое (6–12%)	Достаточная — хорошая	Хорошая	Более интенсивный наклёп для повышения прочности при сниженной способности к формованию
H18	Очень высокая	Низкое (4–10%)	Ограниченная	Хорошая	Практически максимальная коммерчески достижимая прочность за счёт холодной обработки
H24	Средняя (стабильная)	Средняя	Хорошая	Очень хорошая	Наклёпанное и стабилизированное частичным отжигом/пассивацией

Состояние термообработки существенно влияет на свойства 1100, поскольку сплав не поддаётся упрочняющей термообработке. Холодная обработка повышает предел текучести и временное сопротивление разрыву, снижая при этом удлинение и диапазон формования. Выбор подходящего состояния H — компромисс между производственными этапами формования и конечной прочностью детали; многие изготовители используют O для глубокой вытяжки и H14/H16 для листовых конструкций с малым весом.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Al	Баланс (≥ 99.0%)	Основной компонент; обычно >99% по массе в коммерческом 1100
Si	≤ 0.95	Распространённая примесь; в малых количествах немного снижает проводимость и улучшает литьевые свойства
Fe	≤ 0.95	Примесь, образующая интерметаллиды, влияющие на прочность и качество поверхности
Mn	≤ 0.05	Минимальная примесь; практически не упрочняет при таких уровнях
Mg	≤ 0.05	Пренебрежимо мало в 1100; не является источником осадочного упрочнения
Cu	≤ 0.05	Поддерживается на очень низком уровне для сохранения коррозионной стойкости и проводимости
Zn	≤ 0.10	Следовые количества; более высокий уровень цинка снижал бы пластичность и коррозионную стойкость
Ti	≤ 0.15	Часто присутствует благодаря зернозащитным элементам; небольшие добавки улучшают контроль микро структуры
Прочие	≤ 0.05 каждый, суммарно ≤ 0.15	Следовые элементы в пределах коммерческих норм

Преобладание практически чистой алюминиевой матрицы оказывает основное влияние на свойства: тепловая и электрическая проводимость обратно пропорциональны концентрации примесей, а механическая прочность сильно зависит от наклёпа и присутствия интерметаллических частиц кремния и железа. Контроль малых добавок, таких как титан, используется главным образом для управления зеренной структурой при литье и прокатке, а не для общей упрочняющей функции.

Механические свойства

Механическое поведение 1100 характеризуется как металл с низкой прочностью, высокой пластичностью и гранецентрированной кубической решёткой. В отожженном состоянии (темпер О) сплав имеет низкие предел текучести и временное сопротивление разрыву при удлинениях обычно в несколько десятков процентов, что позволяет достигать значительной пластической деформации без разрушения. Холодная обработка увеличивает плотность дислокаций и значительно повышает прочность, но снижает пластичность и формуемость.

Предел текучести и временное сопротивление сильно зависят от состояния термообработки и толщины; тонкие листы после холодной прокатки могут достигать более высоких прочностей за счёт большего накопления пластических деформаций в процессе. Твёрдость коррелирует с состоянием и часто используется для оперативного контроля качества листов с наклёпом; значения твёрдости по Бринеллю низки в O и предсказуемо возрастают с повышением степени наклёпа (H-состояния). Поведение при усталости обычно ограничено низкой статической прочностью и состоянием поверхности; шлифовка и дробеструйная обработка могут улучшать усталостную выносливость, но сплав уступает более прочным сериям для ответственных циклически нагруженных деталей.

Толщина оказывает практическое влияние, поскольку толстый прокат менее поддаётся холодной обработке до высоких уровней твердости и может сохранять больше свойств отожжённого состояния; при проектировании необходимо учитывать взаимосвязь состояния и толщины при выборе критериев прочности и формуемости.

Свойство	O / Отожжённое	Ключевое состояние (например, H14)	Примечания
Временное сопротивление (UTS)	~55–115 MPa (типично)	~110–180 MPa (типично)	Широкий диапазон в зависимости от толщины и степени наклёпа; значения ориентировочные
Предел текучести	~30–70 MPa (типично)	~90–150 MPa (типично)	Предел текучести значительно растёт с наклёпом; осадочного упрочнения нет
Относительное удлинение	~30–40%	~8–18%	Пластичность снижается с переходом от O к более высоким H-состояниям
Твёрдость (по Бринеллю)	~20–30 HB	~30–60 HB	Твёрдость связана с плотностью дислокаций от наклёпа

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.71 г/см³	Типичная для алюминия, близка к другим низколегированным алюминиевым сплавам
Температура плавления	~660 °C (солидус ≈ 657–660 °C)	Как почти чистый алюминий, температура плавления близка к элементарному металлу
Теплопроводность	~200–230 Вт/(м·К)	Высокая теплопроводность; немного ниже чем у чистого алюминия из-за примесей
Электропроводность	~53–60 % IACS (типично)	Очень хорошая электропроводность для нелегированных сплавов; зависит от уровня примесей
Удельная теплоёмкость	~0.9 Дж/(г·К)	Типичное значение, близкое к чистому алюминию при комнатной температуре
Коэффициент теплового расширения	~23–24 µm/(м·К)	Типичный для алюминиевых сплавов коэффициент теплового расширения

Высокие тепловая и электрическая проводимости 1100 обусловлены низкой концентрацией легирующих элементов; эти свойства делают сплав привлекательным для применения в теплоотводах и электропроводящих элементах. Относительно высокий коэффициент теплового расширения должен учитываться при сборках из разнородных материалов, чтобы избежать искажений и проблем с герметичностью, вызванных тепловыми напряжениями.

Формы выпуска продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0,2 мм – 6 мм	Прочность увеличивается при холодной прокатке	O, H12, H14, H16	Широко доступен; используется для глубокого вытяжки и декоративных применений
Плита	>6 мм – 50+ мм	Меньшая достижимая прочность при холодной обработке в толстом листе	O, H18	Толстый прокат обычно отожжён; ограничена холодная обработка после прокатки
Экструзия	Сложные сечения вплоть до крупных профилей	Прочность зависит от последующего холодного тягления/старения	O, H12, H14	Экструзии часто применяются там, где важна формуемость и коррозионная стойкость
Труба	Диаметры от малых до больших	Механические свойства зависят от метода формообразования	O, H14	Широко используется в архитектурном строительстве и химическом трубопроводе
Круглый пруток/пруток	Диаметры до 300 мм	Обычно низкий наклёп, если не подвергается холодному тяглению	O, H16, H18	Применяется для механической обработки и дальнейшего формообразования деталей

Технологические маршруты влияют на микроструктуру и механические характеристики: прокатка и холодное тягление вызывают наклёп, повышающий прочность, тогда как отжиг восстанавливает микроструктуру для формовки. Выбор продукции должен учитывать необходимую последовательность формообработки; лист в состоянии O предпочтителен для глубокой вытяжки и центровки, тогда как состояния H выбираются для изделий, требующих дополнительной жёсткости и прочности без термообработки.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	1100	США	Основное американское обозначение для промышленно чистого алюминия
EN AW	1050A / 1100 (ближайшие аналоги)	Европа	Обозначения EN для промышленных чистых сплавов пересекаются; 1050A часто является наиболее близким по составу
JIS	A1050 / A1100 (ближайшие аналоги)	Япония	JIS имеет аналогичные категории чистых сплавов; прямое совпадение варьируется в зависимости от допустимых примесей
GB/T	1060 / 1100 (похожие)	Китай	Китайские стандарты предлагают сравнимые марки с немного отличающимися пределами по примесям

Отсутствует абсолютно точное однозначное соответствие между стандартами из-за разницы в максимально допустимых концентрациях примесей и конвенциях классификации в разных регионах. При замене по стандартам следует проверять конкретные химические ограничения, определения состояний и гарантии механических свойств, а не ориентироваться только на номинальные номера серий.

Коррозионная стойкость

1100 демонстрирует отличную универсальную коррозионную стойкость благодаря высокому содержанию алюминия, которое быстро формирует тонкую, защитную плёнку оксида алюминия (Al2O3). В атмосферных и слабоагрессивных промышленных средах 1100 проявляет хорошую стойкость и, как правило, лучше сопротивляется питтинговой коррозии по сравнению со многими более легированными сплавами за счёт отсутствия агрессивных легирующих элементов.

В морской и хлоридсодержащей среде 1100 устойчив к равномерной коррозии, но подвержен локальным повреждениям в местах щелей и катодного сопряжения; анодирование и защитные покрытия продлевают срок службы при сильных солевых воздействиях. Трещинообразование под напряжением не является серьёзной проблемой для 1100 из-за отсутствия высокопрочных микроструктур и химии сплава, способствующих SCC; тем не менее высокие напряжения в хлоридных средах могут инициировать возникновение трещин.

Гальванические взаимодействия типичны для алюминия: 1100 становится анодным при контакте с более благородными металлами, такими как нержавеющая сталь или медь, поэтому конструкторам необходимо использовать изолирующие прокладки или совместимые крепёжные элементы для предотвращения ускоренной гальванической коррозии. По сравнению с другими семействами 1100 жертвует некоторой механической прочностью ради коррозионной стойкости и электропроводности в отличие от сплавов серий 5xxx или 6xxx, которые обладают большей прочностью, но могут демонстрировать иное локальное коррозионное поведение.

Свойства обработки

Свариваемость

1100 легко сваривается методами TIG, MIG (GMAW) и контактной сваркой с очень низким риском горячих трещин при соблюдении правил. Обычно применяют сварочные проволоки ER1100, ER4043 и ER5356 в зависимости от требований эксплуатации; проволока ER1100 сохраняет проводимость и пластичность, в то время как 4043/5356 могут улучшать внешний вид и механические свойства шва. Смягчение зоны термического влияния (ЗТВ) не является серьёзной проблемой, так как сплав не укрепляется за счет выделений; однако наблюдаются локальные изменения прочности из-за утраты наклёпа в областях рядом со сваркой.

Обрабатываемость

Обрабатываемость 1100 оценивается как низкая — умеренная по сравнению с легкообрабатываемыми алюминиевыми сплавами, поскольку материал мягкий и вязкий, склонен к образованию длинных непрерывных стружек. Для контроля образования наслоений резца и улучшения качества поверхности рекомендуется использовать твердосплавный инструмент, высокие обороты шпинделя, малые глубины резания и обильное смазывание/охлаждение. Абразивный износ инструментов невысок, но требуется внимание при фиксации детали и контроле стружки для предотвращения вибраций и обрыва режущего инструмента.

Формуемость

Формуемость в состоянии O отличная, допускает экстремальный изгиб, глубокую вытяжку и центровку. Минимальный радиус изгиба часто достигает 1–2× толщину материала для листа в состоянии O; для состояний H необходимы большие радиусы и постепенная формовка. Холодная обработка повышает прочность за счёт наклёпа и рекомендуется для деталей, где термообработка невозможна.

Особенности термообработки

Будучи нетермообрабатываемым сплавом, 1100 не реагирует на циклы растворения и старения для упрочнения выделениями. Попытки применения термообработки типа T не дают эффекта, характерного для сплавов серий 6xxx и 7xxx. Типовой термический режим — отжиг для восстановления пластичности после холодной обработки: полный отжиг (состояние O) проводят при температуре, обеспечивающей рекристаллизацию и снятие внутренних напряжений без расплава.

Наклёп — основной способ повышения свойств; контролируемые последовательности холодной обработки и снятия напряжений (например, состояние H24) применяются для оптимального сочетания прочности и размерной стабильности. Термическую стабилизацию нужно подбирать с учётом предотвращения нежелательного роста зерен или деформаций, а детали, требующие стабильных механических свойств после сварки, проектировать с учётом возможного смягчения ЗТВ.

Поведение при высоких температурах

1100 быстро теряет прочность с ростом температуры, так как механизмы дислокационного упрочнения и низкое легирование не обеспечивают сохранение прочности выше комнатной температуры. Для длительных нагрузок обычно рекомендуют ограничивать эксплуатационные температуры уровнем около 100–150 °C для поддержания механической целостности; кратковременные воздействия до 200 °C допускаются, но сопровождаются заметным размягчением. Окисление ограничено благодаря быстрой регенерации защитного оксидного слоя, однако хрупкость поверхностных оксидов может повлиять на процессы формования при нагреве.

При высоких температурах происходит релаксация остаточных напряжений и изменения в зоне сварного шва; элементы, применяемые для гальванической защиты, могут менять анодные/катодные связи при изменении микроструктуры. Для работы при повышенных температурах предпочтительнее использование термообрабатываемых или специальных жаропрочных сплавов, а не 1100.

Области применения

Отрасль	Пример изделия	Причины применения 1100
Автомобильная	Отделка салона, тепловые экраны	Отличная формуемость и коррозионная стойкость для неструктурных деталей
Морская	Архитектурная отделка, химические резервуары	Высокая стойкость к коррозии и удобство обработки в агрессивной среде
Авиационная	Фитинги, химические трубопроводы	Хорошее сочетание формуемости, коррозионной стойкости и малого веса для вторичных конструкций
Электроника	Радиаторы, экраны от электромагнитных помех	Высокая теплопроводность и электропроводность, хорошая поверхность для теплоотвода
Пищевая промышленность и напитки	Столешницы, ёмкости, посуда	Нетоксичность оксидного слоя, лёгкость очистки и высокая коррозионная стойкость в разнообразных технологических жидкостях

Комбинация формуемости, проводимости и коррозионной стойкости при низкой стоимости делает 1100 популярным выбором для многих вторичных конструктивных и функциональных компонентов. Когда изделие не требует высокой статической прочности, но важно формование или проводимость, 1100 часто является наиболее эффективным материалом.

Рекомендации по выбору

Выбирайте 1100, когда основными требованиями проекта являются максимальная пластичность, коррозионная стойкость и тепловая/электрическая проводимость при умеренных механических нагрузках. Для глубокой вытяжки, центровки и сложных формованных деталей обычно наиболее экономичным и технически оправданным является состояние 1100-O.

По сравнению с другими коммерчески чистыми сплавами (например, 1050), 1100 имеет незначительно отличающиеся пределы содержания примесей и может обеспечивать немного отличающуюся электропроводность или качество поверхности; выбор зачастую определяется наличием на складе и сертификацией поставщика, а не заметным ростом характеристик. По сравнению с распространёнными упрочненными сплавами, такими как 3003 или 5052, 1100 обычно обладает меньшей прочностью, но лучшей электрической и тепловой проводимостью, а также часто превосходной пластичностью; выбирайте 3003/5052 при необходимости более высокой прочности или упрочнения при деформации. По сравнению с сплавами, поддающимися термообработке, такими как 6061 или 6063, 1100 выбирают там, где важнее электропроводность, формуемость или коррозионная стойкость, чем пиковая прочность; 6061 предпочтительнее, когда требуется более высокая конструкционная прочность или упрочнение с возрастом.

Заключение

1100 остаётся широко используемым недорогим алюминиевым сплавом, поскольку уникально сочетает отличную формуемость, коррозионную стойкость и высокую тепловую и электрическую проводимость в коммерчески чистой матрице. Для изделий, в которых приоритет отдается удобству обработки и долговечности в эксплуатации, а не максимальной прочности, 1100 продолжает оставаться рациональным инженерным выбором.