Алюминий 2004: состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Общий обзор

Сплав 2004 относится к серии алюминиевых сплавов 2xxx, которые содержат медь и поддаются термической обработке, специально разработанные для обеспечения высокой прочности при разумной вязкости. Серия 2xxx обычно жертвует некоторой естественной коррозионной стойкостью ради повышения механических свойств; 2004 соответствует этой тенденции и представляет собой алюминиево-медный сплав с средней и высокой прочностью, занимающий позицию между более старыми сплавами серий 2xx и 7xx по характеристикам.

Основными легирующими элементами в 2004 являются медь как главный элемент, повышающий прочность, с контролируемыми добавками магния и марганца для улучшения старения и контроля зернистой структуры, а также следовые элементы, такие как хром и титан, для контроля рекристаллизации. Основной механизм упрочнения — это выделительное упрочнение (старение) после растворяющей термообработки и закалки, хотя ограниченное упрочнение при холодной деформации также может влиять на свойства в определённых состояниях.

Ключевые характеристики 2004 включают высокую удельную прочность, хорошую обрабатываемость и приемлемую усталостную стойкость для конструкционных применений. Коррозионная стойкость средняя и обычно хуже сплавов серий 5xxx и 6xxx, если не применяется защитное покрытие или облицовка; свариваемость сложнее по сравнению с неспособными к термообработке сплавами и требует специального подбора сварочных материалов и пред/послетермической обработки для предотвращения размягчения зоны термического влияния. Типичные отрасли применения 2004 — аэрокосмическая промышленность для фитингов и конструктивных элементов, автоспорт и высокопроизводительные автомобили для компонентов, где важны вес и прочность, а также ряд общих инженерных задач с высоким требованием к обрабатываемости.

Инженеры выбирают 2004, когда требуется более высокое соотношение прочности к весу по сравнению с общераспространёнными коммерческими сплавами, при сохранении приемлемой усталостной стойкости и технологичности, и когда конструкция может допускать или компенсировать более низкую коррозионную стойкость. Он предпочтительнее 7xxx сплавов в ситуациях, где важнее сопротивление разрушению и производственные характеристики (механическая обработка/формовка), чем максимальная пиковая прочность.

Состояния термообработки

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое (12–20%)	Отличная	Отличная	Полное отжиг, максимальная пластичность
H14	Средне-низкий	Умеренное (8–12%)	Хорошая	Средняя	Слабое упрочнение холодной деформацией для умеренной прочности
T3	Средне-высокий	Умеренное (6–12%)	Средняя	Низкая–средняя	Растворяющая термообработка, холодная деформация, естественное старение
T4	Средний	Умеренное (8–14%)	Хорошая	Низкая–средняя	Растворяющая термообработка и естественное старение
T6	Высокий	Низкое–умеренное (6–10%)	Ограниченная	Плохая	Растворяющая термообработка и искусственное старение для достижения максимальной прочности
T7	Средний	Низкое–умеренное (6–12%)	Лучше, чем у T6	Плохая	Переостаривание для улучшения коррозионной стойкости под напряжением и размерной стабильности
T651	Высокий	Низкое–умеренное (6–10%)	Ограниченная	Плохая	T6 с расстройкой остаточных напряжений путём растяжения

Состояние термообработки сильно влияет на соотношение прочности и пластичности; состояния O и H максимизируют формуемость, но снижают предел текучести. Максимально прочные состояния, например T6, обеспечивают наивысшие предел текучести и временное сопротивление разрыву, однако уменьшают относительное удлинение и холодную деформируемость и создают склонность к размягчению в зоне термического влияния при сварке без специальной технологии.

Химический состав

Элемент	Диапазон содержания, %	Примечания
Si	0.10–0.50	Кремний ограничен для минимизации хрупких интерметаллических фаз; улучшает свойства при литье
Fe	0.10–0.70	Железо является примесью, образует интерметаллиды и снижает пластичность
Mn	0.20–1.00	Марганец уточняет зернистую структуру, повышает прочность и вязкость
Mg	0.10–0.80	Магний способствует кинетике старения и конечной прочности совместно с медью
Cu	3.0–5.0	Основной элемент упрочнения; увеличивает прочность и снижает коррозионную стойкость
Zn	0.05–0.30	Цинк ограничен для предотвращения свойств, характерных для серии 7xxx
Cr	0.05–0.35	Хром помогает контролю рекристаллизации и улучшает стойкость к коррозии под напряжением
Ti	0.01–0.20	Титан используется как упрочнитель зерна в слитках и отливках
Другие	Максимум 0.15 суммарно	Включает ванадий, цирконий и остаточные примеси; жёсткий контроль для сохранения свойств

Медь является доминирующим легирующим элементом в 2004 и контролирует механизм выделительного упрочнения через образование фаз Al2Cu и связанных метастабильных фаз при старении. Магний и марганец изменяют кинетику образования выделений и структуру зерна, улучшая вязкость и уменьшая содержание крупных интерметаллических включений. Небольшие добавки хрома и титана применяются для контроля рекристаллизации и поддержания стабильного размера зерна в процессе термомеханической обработки.

Механические свойства

Поведение при растяжении 2004 сильно зависит от состояния: отожжённое состояние характеризуется хорошим относительным удлинением и умеренной прочностью, подходящей для формовки, тогда как термообработки типа T6 обеспечивают значительно более высокие значения временного сопротивления разрыву и соответствующее повышение предела текучести. Предел текучести сплава 2004 после термообработки существенно возрастает за счёт тонкодисперсного распределения выделений, и материал обычно демонстрирует относительно плоскую кривую упрочнения при деформации, когда выделения сформированы.

Относительное удлинение варьируется от высокой пластичности в состоянии O до умеренной в пиково-закаленных состояниях, влияя на пределы формовки и сопротивление инициации усталостных трещин. Твёрдость связана с состоянием старения: отожжённый материал имеет низкую твёрдость, тогда как T6 достигает высоких значений, характерных для алюминиево-медных сплавов авиационного класса, что улучшает износостойкость, но может затруднять холодную деформацию.

Усталостные характеристики 2004 обычно хороши для своего класса прочности при условии тщательной обработки поверхности и защиты от коррозии; коррозионные каверны значительно ухудшают усталостную долговечность. Влияние толщины заметно: толстые детали обычно имеют более крупную микроструктуру после затвердевания и требуют специально подобранных режимов термообработки для получения однородных свойств по сечению.

Параметр	O/Отжиг	Ключевое состояние (например, T6)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	180–280 MPa	350–480 MPa	Значения T6 зависят от точного соотношения Cu/Mg и режима старения
Предел текучести	80–150 MPa	250–400 MPa	Значительный рост за счёт растворяющей и искусственного старения
Относительное удлинение	12–20%	6–10%	Баланс между прочностью и пластичностью; зависит от толщины
Твёрдость по Бринеллю	40–70 HB	110–150 HB	Ориентировочные значения для различных сечений и состояний

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	~2.78 г/см³	Немного выше, чем у чистого алюминия, из-за содержания меди
Температура плавления	~500–640 °C	Диапазон между солидусом и ликвидусом зависит от состава и легирующих элементов
Теплопроводность	~110–130 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия; содержание меди снижает теплопроводность
Электропроводность	~28–38 % IACS	Снижена по сравнению с чистым алюминием и серией 1xxx
Удельная теплоёмкость	~0.88 Дж/г·К (880 Дж/кг·К)	Типично для алюминиевых сплавов при комнатной температуре
Коэффициент теплового расширения	~23–24 µм/м·К (20–100 °C)	Немного ниже, чем у некоторых сплавов серии 5xxx

Добавление меди снижает тепловую и электрическую проводимость по сравнению с чистыми алюминиевыми марками, но 2004 по-прежнему обладает достаточно высокой теплопроводностью для многих применений в системах отвода тепла и теплового менеджмента. Плотность выше, чем у низколегированных алюминиевых сплавов, но при этом обеспечивает выгодное соотношение прочности и веса по сравнению со многими ферросплавами.

Тепловое расширение характерно для алюминиевых сплавов и должно учитываться в многоматериальных конструкциях для предотвращения концентраций тепловых напряжений. Диапазон температур плавления важен для выбора режимов термообработки и учёта при пайке/сварке; растворяющая термообработка проводится ниже температуры солидуса во избежание локального плавления.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Механические характеристики	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0,2–6,0 мм	Хорошая однородность в тонких сечениях после T4/T6	O, H14, T3, T4, T6	Широко используется для штампованных и обработанных деталей
Плита	6–150 мм	Требуются более длительные режимы растворения; риск мягких сердцевин	O, T4, T6	Толстые сечения требуют индивидуальной термообработки для предотвращения градиентов свойств по толщине
Экструзия	Профили до крупных сечений	Умеренно хорошие; ответ на старение зависит от сечения	O, T4, T6	Дизайн фильеры экструзии критичен для равномерного течения металла; важен контроль зерна
Труба	Толщина стенки 1–20 мм	Поведение аналогично экструзии; возможны холоднодеформированные варианты	O, T4, T6	Используется для конструкционных труб и обработанных фитингов
Пруток/штанга	Диаметры до 200 мм	Высокая обрабатываемость; структура зависит от истории слитка	O, T6	Изготавливается методом экструзии или литья с прямым охлаждением; применяется для поковок и обработанных деталей

Листы и тонкие изделия являются наиболее распространёнными формами для 2004, что позволяет эффективно проводить растворяющую термообработку и быструю закалку для фиксации пересыщенных твёрдых растворов. Толстые плиты и крупные экструзии требуют более длительного отжига и контролируемых сред закалки для предотвращения образования мягких зон в сердцевине; это осложняет термообработку и может ограничивать достижимые свойства в очень толстых сечениях.

Прутки и штанги, предназначенные для высокоточной обработки, часто поставляются в состояниях T6 или T651, чтобы обеспечить стабильность размеров и высокую твёрдость для инструментальных операций. Трубы и экструзии применяются там, где необходима жёсткость профиля и локальная обработка, при этом выбор состояния балансевает пластичность при изготовлении и требуемую конечную прочность.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	2004	США	Обозначение внутри семейства Aluminum Association; основано на составе
EN AW	—	Европа	Прямые аналоги EN AW-2004 редки; часто используют 2024 или 2014 как функциональные замены
JIS	—	Япония	Прямого общего аналога в JIS нет; сходные применения закрываются сплавами класса 2014/2024
GB/T	—	Китай	Местные сплавы могут существовать, но 2004 не является универсально стандартизированной маркой во всех регионах

Прямые аналоги 2004 по стандартам встречаются редко, поскольку национальные стандарты склоняются к более распространённым сплавам семейства Al–Cu, таким как 2014 и 2024. Там, где требуется точный контроль состава и технологии, инженеры обычно указывают состав и состояние по Aluminum Association AA2004. Если стандарты требуют номера EN, JIS или GB/T, обычно ссылаются на марки 2014 или 2024 как наиболее близкие функционально аналоги с оговоркой о различиях в механических свойствах и коррозионной стойкости.

Коррозионная стойкость

Атмосферная коррозионная стойкость 2004 умеренная, но уступает сплавам серий 5xxx и 6xxx; непокрытое воздействие агрессивных промышленных или морских условий может привести к точечной и межкристаллитной коррозии, особенно в термообработанном состоянии, когда локализуются медесодержащие осадки. Применение обкладки из чистого алюминия или стойких органических/неорганических покрытий является обычной практикой для защиты конструкционных элементов в коррозионной среде.

В морских условиях 2004 следует использовать с осторожностью и при наличии адекватной защиты; зоны погружения или разбрызгивания способствуют ускоренной локальной коррозии и сокращают усталостную долговечность. Для контакта с морской водой сплавы 5xxx и анодные покрытия часто превосходят 2004. В многих авиационных и морских применениях, где необходимы прочностные свойства алюминиево-медных сплавов, применяются жертвенные покрытия, анодирование или катодная защита для продления срока службы.

Коррозионное растрескивание напряжённого состояния (SCC) является проблемой для алюминиево-медных сплавов при сочетании растягивающих напряжений и агрессивных сред, особенно в состоянии пиковой выдержки. Перезакалка (T7) может улучшить стойкость к SCC ценой снижения максимальной прочности за счёт коарсения осадков и уменьшения локальных гальванических пар. В гальванических парах 2004 является анодным по отношению к нержавеющей стали и катодным по отношению к чистому алюминию в зависимости от конкретных условий; для предотвращения ускоренной коррозии необходимы тщательный подбор и изоляция материалов.

По сравнению с другими классами сплавов 2004 жертвует коррозионной стойкостью ради прочности относительно сплавов 5xxx и 6xxx, оставаясь при этом более прочным и лучше обрабатываемым по сравнению со сплавами серий 1xxx и 3xxx. Выбор 2004 требует учёта способов поверхностной обработки и циклов обслуживания при длительной эксплуатации на открытом воздухе или в морской среде.

Свойства обработки

Свариваемость

Сварка 2004 затруднена, так как алюминиево-медные сплавы подвержены горячим трещинам и значительному размягчению зоны термического влияния из-за растворения упрочняющих осадков. Дуговая сварка (MIG/TIG) требует осторожного подхода; для присадочных материалов могут использоваться сплавы 4043 или специально разработанные алюмимамедные проволоки в зависимости от требований к прочности и коррозионной стойкости, однако прочность сварного шва зачастую ниже базового металла, а зоны размягчения распространены. Для ответственных конструкций предпочтительны склейка, механические крепления или сварка трением с перемешиванием (FSW) для сохранения механических свойств и предотвращения значительных потерь в зоне термического влияния.

Обрабатываемость

2004 обычно обладает хорошей обрабатываемостью по сравнению со многими другими высокопрочными алюминиевыми сплавами благодаря формированию коротких управляемых стружек и высокой прочности, обеспечивающей стабильную резку. Рекомендуется использование карбидного инструмента с жёсткими креплениями и положительными углами заточки, а также умеренно высокие скорости резания и обильное охлаждение для предотвращения прироста кромки. Поверхностное качество после обработки может быть отличным, при необходимости применяются снятие внутренних напряжений или искусственное старение для восстановления и стабилизации свойств.

Формовка

Холодная пластическая деформация 2004 сильно зависит от состояния: состояния O и H подходят для сложных операций формовки с малыми радиусами изгиба, тогда как T6 и другие пиковой старости имеют ограниченную холодную пластичность и меньшую допустимую деформацию изгиба. Минимальные радиусы изгиба определяются экспериментально, но ориентировочно тонколистовые состояния O позволяют изгибать до 1–2× толщины без трещин, тогда как для T6 требуется радиус 3–6× толщины или предварительный нагрев/отжиг для достижения аналогичных результатов.

Особенности термообработки

Будучи упрочняемым тепловой обработкой алюминиево-медным сплавом, 2004 хорошо реагирует на традиционную растворяющую термообработку с последующей закалкой и искусственным старением для достижения максимальной прочности. Типичные температуры растворения находятся в диапазоне около 495–510 °C, время выдержки масштабируется по толщине для полной однородности состава без риска припайки. Для сохранения пересыщенного состояния необходима быстрая закалка в воде или контролируемых полимерных средах.

Искусственное старение для состояния T6 обычно проводится при 160–190 °C от 6 до 24 часов в зависимости от сечения и требуемого баланса свойств; при этом выпадают метастабильные фазы, такие как θ' (Al2Cu), ответственные за прочность. Естественное старение (T3/T4) обеспечивает умеренную твёрдость за счёт длительной выдержки при комнатной температуре, но не достигает уровней пиковой искусственной выдержки. Перезакалка (T7) при более высоких температурах или длительном времени приводит к коарсению осадков, снижая прочность, но улучшая сопротивление коррозионному растрескиванию и размерную стабильность.

Упрочнение нелетучими методами (наклёп) ограничено в 2004, так как значительная часть прочности достигается за счёт осадочного упрочнения; однако контролируемая холодная деформация до или после растворения позволяет варьировать свойства в некоторых состояниях. Полный отжиг восстанавливает пластичность и снимает прежнее упрочнение для осуществления формовочных операций.

Работа при повышенных температурах

При эксплуатации при повышенных температурах 2004 существенно теряет прочность вследствие растворения или коарсения осадочных фаз, ослабляющего эффект упрочнения. Выше ~150 °C длительная эксплуатация ускоряет перезакалку и ведёт к заметному снижению предела текучести и временного сопротивления разрыву; для непрерывной структурной службы рекомендуемая верхняя температура составляет обычно 100–120 °C для сохранения большинства механических свойств.

Окисление на воздухе минимально благодаря защитной оксидной плёнке алюминия, но длительное воздействие при высоких температурах способствует образованию окалины и ускоряет коарсение осадков. В зонах сварных соединений и термического влияния тепловые циклы в сочетании с повышенной температурой могут усиливать размягчение и сокращать усталостный ресурс. Для высокотемпературных конструкций обычно предпочитают никелевые или стальные сплавы, а также специализированные алюминиевые сплавы, устойчивые к высоким температурам.

Области применения

Отрасль	Пример детали	Почему используется 2004
Автомобильная	Конструкционные кронштейны, усиленные подрамники	Высокое соотношение прочности к массе и хорошая обрабатываемость для прецизионных деталей
Судостроение	Фурнитура, конструкционные элементы без погружения	Преимущество по прочности при защите/покрытии; применяется в зонах с менее агрессивной средой
Аэрокосмическая	Фурнитура, компоненты шасси (некритичные)	Высокая удельная прочность и усталостная стойкость после старения
Электроника	Радиаторы охлаждения, конструкционные крепления	Хорошая теплопроводность в сочетании с обрабатываемостью

Сплав 2004 применяется там, где его повышенная прочность и обрабатываемость оправдывают дополнительные меры по защите от коррозии или когда компоненты находятся в защищённых от агрессивных условий средах. Баланс механических свойств и лёгкость механической обработки делают его привлекательным для прецизионных деталей, выпускаемых в умеренных объёмах.

Рекомендации по выбору

Выбирайте 2004, когда к конструкции предъявляются требования высокой прочности в сочетании с отличной обрабатываемостью, а коррозия может быть снижена с помощью покрытий, облицовки или контролируемых условий эксплуатации. Он особенно подходит для конструкционных деталей, подлежащих механической обработке и термообработке с твердением для соответствия нагрузочным требованиям.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100), 2004 обладает значительно большей прочностью, но сниженной электрической проводимостью и меньшей общей пластичностью. По сравнению с наклёпанными сплавами типа 3003 или 5052, 2004 обеспечивает более высокий предел прочности и текучести за счёт ухудшения коррозионной стойкости и свариваемости. По сравнению с распространёнными термически упрочняемыми сплавами 6061 или 6063, 2004 часто достигает более высокой максимальной прочности в определённых состояниях термообработки и характеризуется лучшей обрабатываемостью, что делает его предпочтительным, когда важнее высокая прочность и усталостная характеристика, чем выдающаяся коррозионная стойкость и сварные свойства алюминиево-магниево-кремниевых сплавов.

Практическое правило выбора: используйте 2004 для высокопрочных механически обработанных или старённых деталей при возможности нанесения защитных покрытий; используйте сплавы серии 5xxx/6xxx для открытых морских и архитектурных конструкций, где решающими факторами являются коррозионная стойкость и свариваемость.

Итог

Сплав 2004 остаётся актуальным инженерным материалом, обеспечивающим за счёт упрочнения при старении выгодное соотношение прочности и массы, а также отличную обрабатываемость, при условии, что проектировщики компенсируют сниженную коррозионную стойкость и ограничения свариваемости надёжной защитой поверхности и правильными методами сборки.