Алюминий 3103: состав, свойства, условие термообработки и области применения

Обширный обзор

Сплав 3103 относится к серии алюминиево-марганцевых сплавов 3xxx, представляет собой коммерчески легированный, не поддающийся термообработке деформируемый сплав. Основным микроэлементом легирования является марганец, с небольшими добавками и контролируемыми примесями кремния, железа, меди и магния для регулировки прочности и пластичности.

Прочность 3103 в основном обеспечивается эффектами твердых растворов и упрочнением за счет деформации при холодной обработке, а не за счет осадительного твердения. Сплав сочетает в себе умеренную прочность с очень хорошей пластичностью, отличной коррозионной стойкостью во многих атмосферных условиях, а также высокой свариваемостью и формуемостью для листовых и профильных изделий.

Отрасли, которые чаще всего используют 3103, включают архитектурные облицовки, общую металлообработку, компоненты систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также потребительские товары, где требуется глубокая вытяжка или значительное формование. Инженеры выбирают 3103 вместо более чистых сплавов, когда нужна умеренная прибавка к механическим характеристикам без ущерба для формуемости и без значительного увеличения стоимости по сравнению с распространёнными сплавами 1xxx и 3xxx серий.

Варианты термического состояния

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Отожженное состояние; максимальная пластичность для формования
H14	Средний	Среднее	Очень хорошая	Отличная	Слабое упрочнение деформацией; часто используется для вытянутых деталей
H18	Высокий	Ниже	Хорошая	Отличная	Более сильное упрочнение для повышения жесткости
H24	Средний	Среднее	Очень хорошая	Отличная	Упрочнён и частично отожжён для баланса свойств
H22 / H26	Средне–высокий	Средне–низкое	Хорошая	Отличная	Промежуточные уровни упрочнения, часто поставляются

Закалка 3103 изменяет свойства почти исключительно за счёт холодной деформации; состояние O (отожжённое) обеспечивает наилучшую пластичность и формуемость, тогда как варианты H-темпера постепенно повышают предел текучести и временное сопротивление разрыву. Термообрабатываемые состояния T в алюминиево-марганцевых сплавах серии 3xxx не применимы так же, как в системах Al-Mg-Si или Al-Cu, поэтому выбор термического состояния основан на сочетании пластической деформации и рекристаллизационного отжига.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	0.20–0.60	Примесь; увеличивает прочность, но снижает пластичность
Fe	0.40–1.20	Обычная примесь, образует интерметаллические соединения, может снижать удлинение
Mn	0.80–1.50	Основной легирующий элемент; обеспечивает упрочнение твердыми растворами и контроль зеренной структуры
Mg	0.05–0.50	Небольшие количества повышают прочность; не основной механизм упрочнения
Cu	0.05–0.20	Контролируемое низкое содержание для ограничения локальной коррозии
Zn	0.05–0.30	Малая добавка; поддерживается на низком уровне, чтобы избежать непреднамеренного осадительного упрочнения
Cr	до 0.05	Примесь для контроля рекристаллизации в некоторых изделиях
Ti	до 0.05	Рефинер зерна при литье или некоторых методах деформационной обработки
Прочие	Остальное — Al, остаточные элементы	Включая следовые количества Pb, Sn, контролируемые по спецификации

Уровень марганца является ключевым параметром состава для 3103 и определяет основное отличие механических свойств этого сплава от более чистых марок. Кремний и железо — типичные примеси, возникающие из исходного сырья и технологии, и их морфология, а также размер интерметаллидов влияют на пластичность и формуемость вытянутых или глубоко формованных деталей.

Механические свойства

В отожженном состоянии 3103 обладает умеренными значениями временного сопротивления разрыву и предела текучести при относительно высоком относительном удлинении, что делает его подходящим для операций формования и вытяжки. Холодная обработка до уровней H-темпера повышает предел текучести и прочность, снижая при этом пластичность, позволяя конструкторам выбирать компромисс между жёсткостью и формуемостью. Твердость коррелирует с термическим состоянием и обычно находится в низком диапазоне по Бринеллю для состояния O, увеличиваясь при более высоких H-состояниях; усталостная прочность средняя и зависит от качества поверхности и степени холодного упрочнения.

Толщина влияет на механический отклик: тонколистовой прокат легче поддаётся вытяжке и упрочняется равномернее, тогда как толстолистовой прокат или профили сохраняют более крупнозернистую структуру и могут иметь повышенные остаточные напряжения после формования. Зона термического влияния при сварке обычно не склонна к хрупкости, поскольку сплав не использует осадительное упрочнение, однако местное размягчение за счёт отжига холодно-деформированных зон может возникать вблизи сварных швов.

Свойство	O / Отожженное	Основные состояния (например, H14 / H18)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	100–145 MPa	140–190 MPa	Зависит от толщины и точного состояния; H18 — ближе к верхнему пределу
Предел текучести	40–80 MPa	90–140 MPa	Серьёзный рост с упрочнением деформацией
Относительное удлинение	20–38%	6–18%	Отожженное состояние очень пластично; H-состояния снижают пластичность
Твердость	25–50 HB	50–85 HB	Приблизительные значения по Бринеллю; растёт с упрочнением

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.70 г/см³	Типично для деформируемых алюминиево-марганцевых сплавов; полезно для расчёта веса
Температура плавления	645–660 °C	Диапазон солидуса–ликвидуса, характерный для деформируемых алюминиевых сплавов
Теплопроводность	120–150 Вт/(м·К)	Ниже, чем у чистого алюминия, но всё ещё высокая для теплового контроля
Электропроводность	30–40 % IACS	Понижена по сравнению с чёмперифицированным алюминием из-за легирования; пригодна для некоторых шин и проводников
Удельная теплоёмкость	0.90 кДж/(кг·К)	Типичное значение при комнатной температуре для расчёта тепловой ёмкости
Тепловое расширение	23.5 ×10⁻⁶ /К	Коэффициент линейного расширения, близкий к другим алюминиевым сплавам

3103 сохраняет большую часть благоприятной теплопроводности и удельной теплоёмкости алюминия, что делает его пригодным для умеренных задач теплового управления, где также важна высокая формуемость. Его электропроводность ниже, чем у чистого алюминия, но остаётся достаточной там, где приоритетом являются механические свойства и формуемость больше, чем максимальная проводимость.

Формы выпуска

Форма	Типичная толщина / размер	Особенности прочности	Распространённые термо-состояния	Примечания
Лист	0.2–6.0 мм	Равномерное упрочнение тонкого проката	O, H14, H18	Широко используется для вытяжки, штамповки, фасадов
Плита	6–25 мм	Меньшая формуемость; более крупное зерно	O, H22	Используется для конструкционных панелей и изделий
Экструзия	Толщина стенки 1–10 мм	Направленная прочность; возможна анизотропия	O, H14	Профили для архитектурных обводок и каналов
Труба	Внешний диаметр 6–168 мм	Хорошая вытяжка для бесшовных и сварных труб	O, H14	Воздуховоды HVAC и декоративные трубы
Пруток / Штанга	Диаметр 3–50 мм	Менее распространён; средняя обрабатываемость	O, H14	Крепёж, детали токарной обработки при меньших требованиях к формуемости

Лист и рулон являются наиболее распространёнными формами продукции 3103, поскольку главные преимущества этого сплава — формуемость и простота поверхностной отделки. Экструзии и трубы используют пластичность сплава при горячей и холодной деформации, тогда как плиты и прутки применяются там, где требования к формованию ниже, а важнее стабильность размеров и жесткость.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	3103	США	Обозначение Американской алюминиевой ассоциации
EN AW	3103	Европа	Европейское обозначение деформируемого сплава, схожая химия и свойства
JIS	A3103	Япония	Обозначение согласно JIS, соответствующее семейству Al-Mn
GB/T	3103	Китай	Китайский стандарт для деформируемых алюминиево-марганцевых сплавов

Региональные стандарты для 3103 в целом гармонизированы по составу и допускаемым примесям, но могут различаться по допустимым границам элементов, таких как Fe и Si, а также по определению термических состояний. Эти тонкие различия влияют на конечную микроструктуру, особенно на морфологию интерметаллидов, что в свою очередь влияет на стойкость к глубокой вытяжке и внешний вид поверхности в архитектурных применениях.

Коррозионная стойкость

3103 обладает очень хорошей атмосферной коррозионной стойкостью, сопоставимой с другими алюминиево-марганцевыми сплавами, поскольку марганец не увеличивает существенно гальваническую восприимчивость. В сельской и городской среде сплав формирует стабильную оксидную плёнку, защищающую подложку; в условиях промышленной атмосферы стойкость приемлемая, хотя сульфидные и кислые загрязнители ускоряют локальную коррозию по сравнению с более мягкими условиями.

В морских или средах с высоким содержанием хлоридов сплав 3103 показывает умеренно хорошие эксплуатационные характеристики, однако он менее долговечен, чем алюминиево-магниевые сплавы серии 5xxx, специально разработанные для морских условий. Поверхностное напряжённое коррозионное растрескивание для 3103 встречается редко, так как сплав не подвергается упрочнению за счёт выделения фаз; однако гальванические взаимодействия с более благородными материалами, такими как нержавеющая сталь и медь, могут ускорять локальную коррозию при условии попадания электролита в конструктивные зазоры. По сравнению с семейством 1xxx (коммерчески чистый алюминий) сплав 3103 обычно демонстрирует улучшенные механические характеристики при сопоставимой или немного сниженной коррозионной стойкости, тогда как по сравнению со сплавами 5xxx он жертвует некоторой коррозионной устойчивостью ради лучшей формуемости.

Технологические свойства

Свариваемость

Сплав 3103 хорошо сваривается традиционными методами слияния (TIG/MIG) и характеризуется низкой склонностью к горячим трещинам благодаря своей не подвергающейся термообработке природе. Рекомендуемые присадочные проволоки часто относятся к серии 3xxx или общему классу алюминиево-магниевых флюсов с повышенной пластичностью; выбор присадки следует делать с учётом требований к последующей обработке формованием. Контроль тепловложений важен для предотвращения чрезмерного размягчения прилегающих холоднодеформированных зон, хотя смягчение зоны термического влияния (ЗТВ) менее критично по сравнению с сплавами, упрочняемыми старением.

Обрабатываемость

Обрабатываемость 3103 умеренная и немного ниже, чем у свободно обрабатываемых алюминиевых сплавов с добавками свинца или висмута. Использование острых твердосплавных резцов, умеренных скоростей резания и хорошее удаление стружки обеспечивают стабильное качество поверхности; скорость подачи влияет на образование заусенцев в тонких фрагментах. Геометрия режущего инструмента, способствующая непрерывному формированию стружки и минимизации наклёпа, повысит производительность, особенно при точении и сверлении.

Формуемость

Формуемость — одно из основных преимуществ 3103, низкий и умеренный предел текучести в состоянии O позволяют выполнять глубокую вытяжку, профилирование и сложную гибку. Минимальные радиусы гиба зависят от состояния термообработки и толщины; в состоянии O внутренний радиус гиба порядка 0,5–1,0× толщины часто достижим без образования трещин. Для тяжёлых операций формования можно выбирать состояния H14 или промежуточные H для контроля отскока, а промежуточные отжиги восстанавливают пластичность при многократном формировании.

Поведение при термообработке

3103 — не подвергающийся термообработке сплав; изменение прочности достигается холодной деформацией и контролируемым отжигом, а не растворением и последующим старением. Типичный отжиг (состояние O) проводится при температуре, достаточной для рекристаллизации и снятия наклёпа, что восстанавливает пластичность перед следующими этапами формовки. Искусственное старение, направленное на выделение упрочняющих фаз, неэффективно для этой серии, поэтому термическая обработка ориентирована на рекристаллизацию и контроль роста зерна.

В производственных процессах производителей применяют последовательности отжига и холодной деформации для получения желаемых состояний H; частичные отжига (типа H24) обеспечивают баланс между сохранением формуемости и увеличением предела текучести за счёт частичной рекристаллизации. Тщательный контроль теплового воздействия во время изготовления и сварки необходим для избежания непреднамеренного размягчения или коарсения зерна, что может снизить механические характеристики и качество поверхности.

Работа при высоких температурах

Сохранение прочности 3103 ухудшается с повышением температуры; значительное размягчение начинается примерно при 150–200 °C, и сплав обычно считается непригодным для несущих конструкций при повышенных температурах. Окисление в этом диапазоне ограничено за счёт защитной пленки из оксида алюминия, но длительное воздействие ускоряет рост зерна и коагуляцию интерметаллидов, снижая пластичность и сопротивление усталости. Сплав подходит для кратковременных термических воздействий и умеренных рабочих температур, но не предназначен для длительного применения при высоких температурах.

Термическая зона сварки может испытывать локализованное отпускание; поскольку сплав не упрочняется за счёт выделения фаз, эти изменения выражаются в основном в снижении упрочнения холодной деформацией и локальных изменениях структуры зерна, а не классическом переносе максимума свойств. Конструкторы должны учитывать снижение допустимых нагрузок для деталей, эксплуатируемых при постоянных температурах выше 200 °C, и рассматривать использование альтернативных сплавов.

Области применения

Отрасль	Пример детали	Причины использования 3103
Архитектура	Облицовочные и софитные панели	Отличная формуемость и качество поверхности для сложных форм
Вентиляция и кондиционирование (HVAC)	Воздуховоды и камеры рассеивания	Лёгкость обработки, коррозионная стойкость и низкий вес
Потребительские товары	Корпуса кухонной техники и посуды	Хорошая вытяжка и совместимость с поверхностными обработками
Автомобильная промышленность	Внутренние отделочные панели, неструктурные кузовные элементы	Баланс формуемости и повышенной прочности по сравнению с КП-алюминием
Электроника	Корпуса теплопроводящих элементов	Хорошая теплопроводность и удобство штамповки

Сочетание формуемости, умеренной прочности и коррозионной стойкости делает 3103 практичным выбором для многих неструктурных компонентов, требующих интенсивного формования и презентабельной поверхности. Простота обработки снижает сложность производства и затраты на массовое изготовление штампованных или вытяжных деталей.

Рекомендации по выбору

Инженерам, выбирающим между 3103 и коммерчески чистым алюминием (например, 1100), следует учитывать, что 3103 предлагает более высокие пределы прочности и текучести с небольшим снижением электрической и теплопроводности. Выбирайте 3103, если важны сложность формования и умеренное повышение прочности, а не максимальная проводимость.

По сравнению с другими упрочняемыми холодной деформацией сплавами, такими как 3003 и 5052, 3103 находится по прочности и коррозионной устойчивости между ними: обладает улучшенной прочностью по сравнению с 1100/3003 и при этом сохраняет лучшую формуемость по сравнению с магниевыми сплавами серии 5xxx. Используйте 3103, когда требуется прочность выше, чем у 3003, но нужно сохранить глубокую вытяжку и качество поверхности.

В сравнении с термически упрочняемыми сплавами, такими как 6061 или 6063, 3103 не достигает их максимальных значений прочности, но часто предпочтителен при необходимости сложного формования, снижении стоимости или улучшении баланса коррозионной стойкости и формуемости. Выбирайте 3103 для штампованных или вытяжных изделий, для которых послеформовочная термообработка невозможна.

Итоговое резюме

Сплав 3103 остаётся практичным инженерным алюминием для деталей, где важны формуемость, коррозионная стойкость и экономичное производство при умеренном повышении прочности по сравнению с коммерчески чистыми сортами. Его не подвергаемый термообработке характер упрощает производственные процессы и делает его стандартным выбором для штампованных, вытяжных и экструзионных компонентов в архитектуре, HVAC и потребительском секторе.