Алюминий 3004: состав, свойства, марки твердости и области применения

Общий обзор

Сплав 3004 относится к серии 3xxx кованых алюминиевых сплавов, конкретно к группе 3xxx Mn-Mg. Основными легирующими элементами являются марганец (Mn) и магний (Mg), с небольшими контролируемыми добавками железа, кремния и следовых элементов.

3004 — это не подвергаемый термической обработке сплав с упрочнением деформацией; усиление достигается преимущественно за счёт холодной обработки (наклёпа), а не за счёт упрочнения выделением фаз. Этот механизм позволяет выбирать комбинации прочности и пластичности, изменяя состояние термообработки (степень наклёпа и/или отжига).

Ключевые характеристики 3004 включают умеренно высокую прочность для сплава серии 3xxx, улучшенную формуемость в отожженном состоянии, приемлемую коррозионную стойкость в типичных атмосферных условиях и, как правило, хорошие сварочные свойства. Часто применяется для корпусов алюминиевых банок, теплообменников, архитектурного листа и других изделий из листа, где требуется баланс между формуемостью и прочностью.

Инженеры выбирают 3004, когда необходим рост прочности по сравнению с 3003 без утраты глубокодеформационных свойств сплавов серии 3xxx. Он предпочтителен перед более прочными термообрабатываемыми сплавами, когда требуется интенсивная формовка или экономически эффективный лист с высокой технологичностью.

Варианты состояния (темпера)

Темпера	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое (20–30%)	Отличная	Отличная	Полный отжиг для максимальной формуемости
H14	Средний	Низкое–среднее (6–12%)	Хорошая	Хорошая	Наклёпанное состояние с степенью упрочнения в четверть твердости; часто для вытянутых и сформованных деталей
H18	Высокий	Низкое (3–8%)	Ограниченная	Хорошая	Полная твердость; применяется при необходимости более высокой прочности и жёсткости
H24	Средний	Среднее (10–18%)	Хорошая	Хорошая	Упрочнение деформацией с последующим частичным отжигом; баланс формуемости и прочности
H26	Средне-высокий	Среднее (8–14%)	Удовлетворительная	Хорошая	Двухступенчатый режим для получения промежуточных механических свойств
H28	Высокий	Низкое (4–10%)	Ограниченная	Хорошая	Более интенсивный наклёп для повышения предела текучести и прочности

Состояние термообработки оказывает заметное влияние на свойства 3004, так как усиление сплава происходит за счёт деформации. Переход от O к серии H повышает предел текучести и временное сопротивление разрыву, снижая при этом пластичность и тягучесть при растяжении, что необходимо учитывать при глубокодеформационном вытягивании и сложном гибочном процессе.

Свариваемость остаётся устойчивой во всех состояниях, так как 3004 не поддаётся термообработке; однако локальный отжиг в зоне термического влияния и пониженная прочность после сварки в упрочнённых состояниях следует принимать во внимание при проектировании сварных соединений.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	0.05–0.6	Контролируется для ограничения хрупких интерметаллидов; более высокий Si улучшает литьевые свойства в других сплавах.
Fe	0.2–0.7	Распространённый примесный элемент; повышенное содержание Fe формирует интерметаллические частицы, слегка снижая пластичность.
Mn	1.0–1.5	Основной упрочняющий элемент; способствует стабилизации зерна и увеличивает упрочнение деформацией.
Mg	0.8–1.3	Содействует упрочнению наклёпом и умеренному упрочнению твёрдым раствором.
Cu	0.05–0.2	Сдерживается для сохранения коррозионной стойкости; малые количества немного повышают прочность.
Zn	0.05–0.2	Незначительное содержание; малое влияние, но контролируется для предотвращения межкристаллитной коррозии.
Cr	0.05–0.20	Следовые количества улучшают структуру зерна и немного повышают коррозионную стойкость.
Ti	≤0.15	Деоксидант и рафинирующий зерно элемент, контролирует размер зерна в некоторых производственных практиках.
Другие	≤0.05 каждый, ≤0.15 общий	Остаточные и следовые элементы; остальное — алюминий (~96.2–98.8%).

Марганец и магний — основные факторы, определяющие свойства сплава: Mn стабилизирует и рафинирует микроструктуру, повышает сопротивление рекристаллизации, тогда как Mg усиливает упрочнение холодной деформацией и обеспечивает умеренное упрочнение твёрдым раствором. Примеси железа и кремния образуют интерметаллические фазы, которые могут снижать пластичность и влиять на поверхность; строгий контроль этих элементов особенно важен для листа, подлежащего глубокому протяжению или декоративной отделке.

Механические свойства

Механическое поведение при растяжении сплава 3004 типично для холоднодеформированных, не термообрабатываемых алюминиевых сплавов. В отожженном состоянии сплав демонстрирует относительно низкие предел текучести и временное сопротивление разрыву при высокой равномерной пластичности, что обеспечивает возможность глубокого вытягивания и формовки. После умеренного наклёпа предел текучести значительно возрастает, а удлинение уменьшается, образуя полезное окно прочности для конструкционных листовых компонентов.

Предел текучести и временное сопротивление разрыву чувствительны к толщине и состоянию термообработки. Тонкие листы обычно показывают более высокий видимый предел текучести за счёт поверхностного наклёпа и влияния текстуры, вызванной обработкой; наоборот, более толстый прокат или экструзии могут проявлять более низкую степень упрочнения и слегка снижение прочности при одинаковых состояниях.

Усталостная прочность умеренная и зависит от состояния поверхности и остатков напряжений после формовки или сварки; царапины и зарубки значительно снижают срок службы от усталости. ТВЕРДОСТЬ соответствует тенденциям прочности и полезна для оперативной проверки состояния термообработки и степени наклёпа.

Свойство	O / Отожженное	Основное состояние (H14)	Примечания
Временное сопротивление разрыву (UTS)	110–145 MPa	170–230 MPa	Зависит от толщины, истории обработки и точного состояния.
Предел текучести (0.2% смещение)	35–75 MPa	120–170 MPa	Предел текучести H14 существенно выше за счёт упрочнения наклёпом.
Относительное удлинение (A50 мм)	20–30%	6–12%	Удлинение заметно снижается с повышением степени наклёпа.
Твёрдость (по Бринеллю, приближённо)	30–45 HB	55–85 HB	Твёрдость коррелирует с состоянием сплава; полезна для контроля качества и эксплуатационного контроля.

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.70–2.73 г/см³	Типично для кованных алюминиевых сплавов; влияет на расчёт массы и жёсткости конструкций.
Температура плавления	~640–650 °C	Температуры солидуса и ликвидуса близки; поведение плавления схоже с коммерческими алюминиевыми сплавами.
Теплопроводность	~120–160 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия из-за легирующих добавок; тем не менее хорошая для теплообмена.
Электропроводность	~30–40 % IACS (~17–23 MS/m)	Снижена по сравнению с чистым алюминием; при проектировании электросхем следует учитывать повышенное сопротивление.
Удельная теплоёмкость	~900 Дж/кг·К	Типичное значение для алюминиевых сплавов, используемых в тепловом моделировании.
Коэффициент теплового расширения	~23–24 µм/м·К (20–100 °C)	Относительно высокий коэффициент; важно учитывать при проектировании соединений с разнородными материалами.

Данные физические свойства отражают применение 3004 там, где важны теплообмен и низкая плотность, но не требуется повышенная термостойкость. Теплопроводность и электропроводность ниже, чем у чистого алюминия, однако остаются благоприятными по сравнению со многими сталями, что делает 3004 пригодным для ребер теплообменников и корпусов с высокой проводимостью, где необходимы прочность и формуемость.

Данные о тепловом расширении и теплопроводности критичны для многоматериальных конструкций; при склеивании или механическом креплении 3004 с металлами с существенно отличающимися коэффициентами расширения следует учитывать возможные деформации и напряжения.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0,2–4,0 мм	Хорошая способность к холодной деформации; тонкие толщины легко формуются	O, H14, H24	Широко используется в производстве корпуса для банок и архитектурных панелей.
Плита	>4,0 мм до примерно 12 мм	Сниженная степень наклёпа в расчёте на толщину; возможна снятие напряжений	O, H18, H26	Плита используется там, где допустимы крупные панели или неглубокие тянутые детали.
Экструзия	Профили средней площади сечения	Наклёп ограничен по сравнению с прокатанным листом; требуется термообработка после экструзии	H14, H26	Менее распространена, чем другие сплавы, для сложных экструзий; подходит для простых профилей.
Труба	Типичный наружный диаметр 6–200 мм	Холодная вытяжка и отжиг контролируют свойства стенки	O, H14	Используется для теплообменных трубок и конструкций; важна коррозионная стойкость.
Пруток/круг	Диаметры до примерно 100 мм	Прочность увеличивается при холодной вытяжке; обрабатываемость варьируется	H14, H18	Применяется для изготовления фитингов и механических деталей со средней прочностью.

Выбор формы продукции определяется склонностью сплава к наклёпу и предполагаемыми операциями формовки. Листы и тонкие прокаты преобладают, так как используют отличную деформируемость 3004 в отожженном состоянии и контролируемое упрочнение при холодной обработке.

Более толстые продукты, такие как плиты и прутки, часто требуют других технологических подходов (горячая прокатка, циклы растворения/отжига) для достижения однородных свойств; такие формы выбирают, когда требования к геометрии и жёсткости важнее глубокой формуемости.

Аналогичные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	3004	США	Обозначение Aluminium Association, часто используемое при закупках.
EN AW	3004	Европа	Эквивалент EN AW-3004; допускаемые отклонения по химсоставу и методы механических испытаний соответствуют стандартам EN.
JIS	A3004 (или похожие)	Япония	Японские стандарты содержат алюминиево-марганцево-магниевые сплавы с небольшими отличиями в обозначениях.
GB/T	3A04 / 3004	Китай	Китайское обозначение, часто выражается как 3A04; допуски по составу могут незначительно отличаться.

Эквивалентные стандарты в целом взаимозаменяемы, но могут различаться по предельно допустимым примесям, указанным состояниям и процедурам испытаний. Покупателям рекомендуется всегда запрашивать конкретный стандарт (AA, EN, JIS, GB/T) и сертификат состояния, так как критерии приёмки по механическим свойствам и диапазоны толщин листа могут различаться в разных регионах.

Технологические маршруты завода (схема прокатки, параметры отжига, окончательная обработка поверхности) также могут вызывать заметные отличия в текстуре и формуемости, даже если химический состав соответствует одной номинальной марке.

Коррозионная стойкость

В атмосферных условиях 3004 демонстрирует хорошую общую коррозионную стойкость, сопоставимую с другими алюминиево-марганцевыми сплавами; на поверхности образуется самовосстанавливающийся оксидный слой, который защищает основной металл при нормальном воздействии окружающей среды. Наличие магния слегка изменяет локальные тенденции коррозии, но не снижает значительно общую атмосферостойкость для таких применений, как архитектурная облицовка или корпуса банок.

В морской среде или в средах, содержащих хлориды, 3004 более подвержен точечной и щелевой коррозии по сравнению с алюминиево-магниевыми сплавами серии 5xxx; обнажённые кромки, сварные швы и щели требуют особого внимания к конструкции и, где возможно, защитных покрытий или анодирования. Для длительного погружения в морскую воду обычно предпочтительнее сплавы с более высоким содержанием магния (например, 5052) или защитные покрытия.

Устойчивая к трещинообразованию под напряжением (SCC) 3004 не является значительной проблемой по сравнению с высокопрочными сплавами, поддающимися термообработке; не термообрабатываемая природа и относительно низкая прочность снижают восприимчивость к SCC. При гальваническом контакте 3004 является анодным относительно нержавеющих сталей и благородных металлов, поэтому рекомендуется применять электрическую изоляцию либо совместимые крепёжные элементы и покрытия для предотвращения гальванической коррозии.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием 1xxx 3004 имеет немного сниженную электропроводность при повышенной прочности и сохраняет аналогичное общее коррозионное поведение. В отношении сплавов 5xxx 3004 обычно обладает меньшей стойкостью к точечной коррозии, но лучшей формуемостью в отожженном состоянии.

Свойства при обработке

Свариваемость

3004 хорошо сваривается распространёнными методами плавления, включая GTAW (TIG) и GMAW (MIG); также возможна сварка точечным сопротивлением для сборок из листа. Типичные присадочные материалы включают Al-Mg-Si или Al-Si (например, ER4043 или ER5356), выбранные для баланса свариваемости, коррозионной стойкости и механической совместимости с основным металлом.

Вероятность горячих трещин у 3004 ниже, чем у высокопрочных термообрабатываемых сплавов, однако необходимо внимательно подходить к конструкции шва и тепловложению, чтобы избежать избыточного локального отжига наклёпанных состояний. Механические свойства после сварки отражают размягчение зоны термического влияния при наличии предварительно наклёпанного материала; проектировщикам следует учитывать локальное снижение предела текучести в сильно деформированных деталях.

Обрабатываемость резанием

Обрабатываемость 3004 умеренная и обычно ниже, чем у алюминиевых сплавов с добавками свинца или висмута, обеспечивающими улучшенную резку. Сплав склонен к высокой пластичности и образованию длинных тянущихся стружек, если не использовать специальные режущие инструменты и прерывистый режим резания; рекомендуется применение твердосплавных инструментов с положительным углом заострения и ломающей стружку геометрией.

Параметры резания (скорость подачи и скорость вращения) следует подбирать с учётом конкретного состояния и сечения; использование смазочно-охлаждающих жидкостей улучшает ресурс инструмента и качество поверхности. Для точных компонентов с высокими требованиями к скорости обработки могут предпочесть термообрабатываемые сплавы с улучшенной технологичностью.

Формуемость

Формуемость является одним из ключевых достоинств 3004 в отожженном состоянии (состояние O), обеспечивая возможность глубокой вытяжки, двустороннего обжатия и сложных операций штамповки, широко применяемых в производстве контейнеров. Минимальные внутренние радиусы изгиба зависят от состояния и толщины, но для состояния O обычно допускаются радиусы в диапазоне 1–2×толщины (t), тогда как наклёпанное состояние H14 требует более крупных радиусов 2–4×t для предотвращения трещинообразования.

Холодная деформация повышает прочность, но снижает удлинение; величина упругого восстановления (отпружинивания) умеренная и должна учитываться при проектировании штампов. Применение промежуточных отжигов, контролируемое смазывание и растяжка улучшает качество формовки сложных деталей.

Особенности термообработки

3004 не поддаётся термообработке и не реагирует на растворение и искусственное старение так, как сплавы серии 6xxx или 7xxx. Попытки термообработки решением обеспечивают ограниченное упрочнение, так как содержание Mn и Mg в основном влияет на наклёп и твёрдый раствор, а не на образование упрочняющих фаз при старении.

Контроль свойств достигается путём холодной деформации и отжига: полный отжиг (состояние O) обычно проводят нагревом до соответствующих температур (часто в диапазоне 300–420 °C, в зависимости от технологии завода), выдержкой для рекристаллизации и последующим охлаждением для максимальной пластичности. Частичные отжиги (состояния H2x, H3x) применяются для установления промежуточных сочетаний прочности и пластичности после холодного деформирования.

Обозначения термов T-типа (например, T5/T6) в общем случае не применимы и неэффективны для 3004, поскольку упрочнение за счёт осадочных фаз минимально; спецификация и выбор состояний рекомендуется ограничить семействами H и O для прогнозируемого результата.

Работа при повышенных температурах

Прочность 3004 снижается с ростом температуры, причем значительное размягчение наступает задолго до температуры плавления сплава; при температуре выше примерно 100–150 °C прочность усталости падает, а ползучесть становится более заметной. Для кратковременного воздействия повышенных температур 3004 может применяться до умеренных значений, но для непрерывной эксплуатации при температурах выше ~150 °C не рекомендуется.

Окисление минимально при типичных условиях повышенной температуры, поскольку алюминий образует защитный оксид; однако применение защитных покрытий и уплотнений стыков оправдано при длительном воздействии горячей влажности или агрессивных атмосфер. Термическое воздействие может снижать степень наклёпа и изменять механические свойства ранее деформированных состояний, поэтому тепловая история должна учитываться при использовании изделий вблизи их температурных пределов.

Зона термического влияния при сварке проявляет локальное размягчение в местах предварительного наклёпа; это локальное снижение прочности следует учитывать при проектировании сварных конструкций для работы в условиях повышенных температур.

Применение

Отрасль	Пример изделия	Почему используется 3004
Упаковка / Напитки	Корпуса и обечайки банок	Отличная способность к глубокому вытягиванию и оптимальный баланс прочности для изготовления тонкостенных банок
Отопление, вентиляция и кондиционирование (HVAC) / Теплообмен	Ребра, змеевики, трубы	Хорошая теплопроводность и формуемость для изготовления ребер и труб
Архитектура	Отделка фасадов, софиты	Формуемость, потенциал качественной поверхности и умеренная коррозионная стойкость
Автомобильная отрасль	Внутренние панели, неструктурный декор	Формуемость и снижение веса в штампованных деталях
Электроника	Теплоотводы, корпуса	Тепловое управление в сочетании с технологичностью и экономической эффективностью

Сплав 3004 широко используется там, где необходима хорошая формуемость листа и умеренное повышение прочности по сравнению с 3003 без ущерба для технологичности и значительного увеличения стоимости. Его применение в корпусах банок для напитков иллюстрирует требования высокопроизводительного производства, где критично стабильное вытягивание, качество поверхности и стоимость за килограмм.

Для изделий, требующих повышенной коррозионной стойкости или устойчивой прочности при повышенных температурах, могут быть выбраны другие группы сплавов, но для массового производства формуемых листов 3004 остаётся экономичным и надёжным вариантом.

Рекомендации по выбору

Выбирайте 3004, когда требуется более высокая прочность при формовке по сравнению с чистым алюминием 1100, сохраняя при этом большую часть технологичности и высокое качество поверхности 1100. По сравнению с 1100, 3004 уступает в электропроводности и максимальной пластичности, но обеспечивает улучшенные предел текучести и временное сопротивление разрыву, что позволяет использовать более тонкие листы в изделиях с формовкой.

Относительно близких калиброванных сплавов, таких как 3003 и 5052, 3004 занимает промежуточное положение: он прочнее 3003 при аналогичных операциях формовки и обычно обладает лучшей общей коррозионной стойкостью, чем некоторые партии 3003, в то время как 5052 обеспечивает превосходную морскую коррозионную стойкость и большую прочность, но с компромиссом по глубокой вытяжке. По сравнению с закаливаемыми сплавами, например 6061 или 6063, 3004 выбирают, когда приоритетны формуемость и низкая стоимость производства листа, а максимальная прочность не требуется; он предпочтителен для глубокой вытяжки и серийного производства, где термическая обработка нецелесообразна.

Итог

Сплав 3004 сохраняет актуальность, так как занимает практическую нишу: это деформируемый алюминиево-марганцево-магниевый сплав, который сочетает надёжную способность к глубокой вытяжке с заметным повышением прочности по сравнению с базовыми 3xxx сплавами. Его сбалансированная коррозионная стойкость, хорошие свариваемость и соединяемость, а также выгодная стоимость производства делают его основным материалом для изготовления напиточных упаковок, компонентов HVAC и архитектурных формуемых листов, где важны технологичность и контроль затрат.