Алюминий 319: состав, свойства, марки прочности и области применения

Общий обзор

319 — это литой алюминиевый сплав серии 3xx на основе Al-Si-Cu. Он в первую очередь разработан как термообрабатываемый алюминиевый литейный сплав с повышенным содержанием кремния, в который добавлен медь для повышения прочности и улучшения механической стабильности при повышенных температурах.

Основными легирующими элементами являются кремний и медь, с контролируемым содержанием железа, марганца, магния, хрома, а также следовыми количествами титана и других элементов. Упрочнение достигается преимущественно за счёт закалки раствором и искусственного старения (прекципитационного упрочнения фаз, богатых медью), в сочетании с микроструктурным улучшением эвтектического кремния и интерметаллидных включений.

Ключевыми характеристиками 319 являются относительно высокая прочность в литом и упрочненном состоянии, хорошая термостойкость, приемлемая коррозионная стойкость для автомобильных условий и отличная литьевая способность для сложных тонкостенных деталей. Свариваемость и обрабатываемость на станках с ЧПУ хорошие при использовании подходящих расходных материалов и технологий, в то время как пластичность ограничена по сравнению с деформируемыми сплавами; это делает 319 идеальным для литых деталей, а не для штампованного листа или профилей.

Типичные сферы применения включают автомобильные силовые агрегаты и конструкционные литые детали, компоненты двигателей и коробок передач, корпуса насосов и некоторые морские фитинги. Инженеры выбирают 319, когда требуются сложные геометрии и средняя или высокая прочность после термообработки, а также когда преимущества литейных технологий и интеграции размеров перевешивают выгоды использования деформируемых материалов.

Варианты термообработки

Закалка	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O (отжиг/литой)	Низкая	Умеренная	Ограниченная	Хорошая при ремонте	Состояние после литья или снятия напряжений; максимальная пластичность среди литых состояний
T5	Средне-высокая	Умеренно-низкая	Ограниченная	Хорошая с прогревом	Охлажден после литья и искусственно старен; повышает прочность без закалки раствором
T6	Высокая	Низко-умеренная	Ограниченная	Восстановимая; риск размягчения ЗТВ	Закален раствором и искусственно старен; наиболее распространенный производственный режим для 319
T7	Средняя	Умеренная	Ограниченная	Хорошая с правильным флюсом	Переотверждение для стабилизации и улучшения термической и размерной стабильности
Hxxxx (местная холодная деформация)	Переменная	Переменная	Плохая	Часто требует специальных процедур	Местная холодная деформация используется редко; в большинстве применений 319 задействована термообработка, а не обширная холодная деформация

Термообработка существенно контролирует баланс между прочностью и пластичностью для литейных изделий из 319. T6 обеспечивает наибольшую практическую прочность для многих компонентов, но снижает пластичность и увеличивает риск размягчения зоны термического влияния (ЗТВ) при сварочных ремонтах, тогда как T7 и T5 применяются там, где важна термостабильность или литая прочность без полной закалки раствором.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	5.5–7.5	Основной легирующий элемент для литья; улучшает текучесть и снижает усадку
Fe	≤1.3	Примесный элемент; формирует интерметаллиды, которые могут вызывать хрупкость и влиять на усталостные характеристики
Mn	0.2–0.6	Контролирует морфологию интерметаллидов Fe и повышает вязкость
Mg	0.05–0.45	Небольшой вклад в упрочнение при старении в некоторых состояниях; часто контролируется на низком уровне
Cu	2.5–4.0	Основной упрочняющий элемент за счёт образования фаз, богатых медью
Zn	≤0.2	Небольшое количество; обычно ограничено для контроля коррозионных свойств
Cr	0.04–0.25	Зернозакаливатель, стабилизирует микроструктуру против переотверждения
Ti	0.02–0.12	Упрочняющая добавка для контроля микро структуры при литье
Другие	≤0.15	Включая Ni, Pb, Sn, Bi и остаточные элементы; поддерживаются на низком уровне для сохранения литьевой способности и механических свойств

Диапазоны состава представлены для типичных спецификаций A319; фактические пределы зависят от используемого стандарта и производственной практики литейного завода. Кремний определяет литьевые свойства и эвтектическую морфологию, а медь обеспечивает упрочнение за счёт образования прекрипитатов после закалки раствором и старения; железо и марганец регулируют морфологию интерметаллидов, влияющих на пластичность и усталостную долговечность.

Механические свойства

Поведение при растяжении 319 заметно зависит от термообработки и толщины сечения. В литом или с минимальной обработкой состоянии сплав демонстрирует умерённое временное сопротивление разрыву при разумном удлинении, тогда как состояние с закалкой раствором и искусственным старением (T6) обеспечивает значительный рост предела текучести и предела прочности с определённым снижением пластичности.

Предел текучести существенно улучшен в состоянии T6 за счёт осаждения фаз, богатых медью; типичные соотношения предела текучести к пределу прочности указывают на сравнительно узкий переход от упругой к пластической деформации в сравнении с более пластичными деформируемыми сплавами. Удлинение часто ограничено в массивных литых сечениях из-за более крупного эвтектического кремния и сеток интерметаллидов, поэтому при проектировании следует учитывать низкую пластичность в толстостенных компонентах.

Твёрдость коррелирует с состоянием термообработки и микроструктурой, заметно увеличиваясь после закалки раствором и старения; значения по Бринеллю подтверждают это, при этом T6 значительно твёрже литого состояния. Усталостные характеристики умеренные и сильно зависят от дефектов литья, качества поверхности и присутствия интерметаллидов; распространённые методы улучшения усталости включают дробеструйную обработку, механическую обработку поверхности и корректную термообработку.

Свойство	O/Отожженное	Основное состояние (T6)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	180–240 MPa (примерно)	260–350 MPa (примерно)	Широкий разброс зависит от толщины сечения и метода литья
Предел текучести	90–140 MPa (примерно)	170–240 MPa (примерно)	Осаждение меди значительно повышает предел текучести в T6
Относительное удлинение	2–10 % (зависит от сечения)	1–6 % (зависит от сечения)	Удлинение снижается в состоянии T6 и с ростом толщины сечения
Твёрдость	60–90 HB (примерно)	90–130 HB (примерно)	Твёрдость соответствует состоянию упрочнения и морфологии кремния

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.68 г/см³	Типично для Al–Si литейных сплавов; хорошее соотношение прочности к массе
Диапазон плавления	~520–640 °C	Интервал твердофазного и жидкофазного перехода зависит от содержания Si и Cu; присутствуют эвтектические образования
Теплопроводность	~120 Вт/м·К (примерно)	Ниже, чем у чистого алюминия из-за легирования; достаточна для многих тепловых применений
Электропроводность	~30–40 % IACS (примерно)	Снижена по сравнению с чистым алюминием из-за состава и интерметаллидов
Удельная теплоёмкость	~900 Дж/кг·К	Типично для алюминиевых сплавов при комнатной температуре
Коэффициент теплового расширения	~22–24 мкм/м·К	Схож с другими литейными сплавами Al–Si

Набор физических свойств способствует выбору 319 для термически нагруженных литых деталей, где важна экономия массы и приемлемая теплопроводность. Поведение при плавлении и затвердевании критично для проектирования форм и контроля пористости, поскольку сплав имеет широкий интервал плавления и образует сложные интерметаллические фазы.

Формы выпуска

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение по прочности	Распространённые состояния	Примечания
Отливка (песчаная, металлическая форма, литьё под давлением)	От тонких стенок до массивных сечений (1 мм до >100 мм)	Сильно варьируется в зависимости от толщины и скорости охлаждения	O, T5, T6, T7	Основная форма выпуска; отлично подходит для интегрированных сложных геометрий
Плита / литейная плита	До нескольких десятков мм (в литом или гомогенизированном состоянии)	Поведение схоже с литьём; прокатка не распространена	O, T6 после термообработки	Редко выпускается как прокатный лист; обычно плиты отливаются под размер и обрабатываются
Экструзия	Не типично	Не применимо	—	319 не выпускается в виде стандартного экструзионного проката; состав не оптимизирован для экструзии
Труба	Ограниченно (литая труба или сборная)	Варьируется	O, T6	Используется литая труба или детали, изготовленные механической обработкой из отливок, для специализированных изделий
Пруток / круг	Ограниченно (литой пруток)	Варьируется	O, T6	Доступен в виде литых болванок или слитков для механической обработки; не распространён как деформируемый пруток

319 является в первую очередь литейным сплавом, и большинство форм выпуска — это литые компоненты, изготовленные методами песчаного, металлического литья или литья под давлением. Деформируемые формы и традиционные листовые/плитные/экструзионные продукты встречаются редко или нестандартны, поскольку состав сплава оптимизирован под литье и прекрипитационное упрочнение, а не для обширной холодной деформации.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	319	США	Обозначение литейного алюминиевого сплава Aluminum Association; распространённая базовая спецификация
EN	AlSi9Cu (примерно)	Европа	Приблизительное соответствие по составу и области применения; точные механические свойства зависят от стандарта
JIS	AC9x (примерно)	Япония	Японские литейные классы с сопоставимыми семействами Si–Cu; необходимо проверить конкретный номер JIS
GB/T	AlSi9Cu3 (примерно)	Китай	Распространённый китайский литейный сплав с похожим балансом Si и Cu; проверяйте местные допуски

Нет единого глобального стандарта с точным соответствием A319, поскольку семейства литейных сплавов варьируются регионально, а стандарты по-разному группируют сплавы. Перечисленные эквиваленты представляют собой приблизительные совпадения по составу или назначению, и инженеры должны сравнивать конкретные химические и механические пределы в каждом стандарте перед заменой.

Коррозионная стойкость

Атмосферная коррозионная стойкость 319 в целом хороша для автомобильных и промышленных условий благодаря кремнийсодержащей матрице и контролируемому содержанию меди, обеспечивающим разумное пассивное поведение. Однако медь снижает коррозионную стойкость по сравнению с алюминиевыми сплавами с очень низким содержанием легирующих элементов и повышает восприимчивость к локальному разрушению в агрессивных хлоридных средах.

В морских или высокохлоридных условиях 319 показывает умеренно хорошую работу, но не достигает показателей специализированных морских сплавов, таких как серии 5xxx (Al–Mg) или некоторых нержавеющих материалов; для длительной эксплуатации часто применяют жертвенные покрытия, анодирование или защитные краски. Устойчивость к коррозионному питтингу зависит от пористости литья, качества поверхности и термообработки, поэтому последующая герметизация или механическая обработка после литья часто улучшают долговечность.

Отсутствие напряженно-коррозионного растрескивания (SCC) — не основной вид разрушения для 319 при нормальных рабочих температурах, но присутствие меди и остаточных растягивающих напряжений (например, от сварки) может повысить риск SCC в сильно агрессивных средах. Гальванические взаимодействия с более благородными металлами (например, нержавеющая сталь, медь) могут ускорять локальную коррозию в точках контакта, поэтому рекомендуется изоляция или покрытия при наличии контакта разнородных металлов.

По сравнению с другими семействами сплавов, 319 обладает лучшей коррозионной стойкостью, чем вытянутые высокомедные сплавы, но уступает сплавам серии 5xxx (Al–Mg); 319 выбирают там, где приоритетом являются литьеобразуемость и термостойкость, при условии применения умеренных мер по защите от коррозии.

Свойства при обработке

Свариваемость

Сварка отливок 319 возможна методами TIG, MIG или пайки при правильном предварительном нагреве и выборе присадочного материала. Рекомендуются алюминиево-кремниевые присадки, такие как ER4043 или ER4047, для снижения склонности к горячей трещинообразованию и компенсации различий в коэффициентах теплового расширения и плавления.

Термообласть сварки может испытывать локальное размягчение из-за растворения или коалесценции выделений в закаленных компонентах, поэтому ремонтные швы должны сопровождаться соответствующей термообработкой при необходимости обеспечить стабильность размеров и механические свойства. Предварительный нагрев, контроль температуры межслоя и минимизация напряжений помогают уменьшить риск трещин и деформаций во время сварки.

Механическая обработка

319 считается хорошим материалом для механической обработки благодаря присутствию эвтектического кремния, который способствует раздроблению стружки, а износ инструмента незначителен. Рекомендуется использовать твердосплавный инструмент с положительным углом врезания и правильным охлаждением для высоких скоростей съёма материала и стабильного качества поверхности.

Скорости резания литейных алюминиевых сплавов выше, чем у сталей, но должны корректироваться в зависимости от содержания кремния и твёрдости сечения; срок службы инструментов увеличивается при эффективном удалении стружки и избегании длительного трения. Качество поверхности и точность размеров сильно зависят от пористости и неоднородности микроструктуры; чистовая обработка часто следует за отпуском или обработкой раствором.

Формуемость

Формование 319 ограничено, поскольку это литейный сплав, не предназначенный для значительных пластических деформаций; гибка, растяжение и глубокая вытяжка обычно выполняются только на тонких или специально подготовленных участках. Рекомендуется проектировать детали с учётом литейных особенностей, чтобы избежать последующей деформации и использовать преимущества литья для сложных форм.

Местное холодное формование или механическая гибка могут применяться для незначительных корректировок, но низкая пластичность в старённых состояниях и хрупкость некоторых интерметаллидов ограничивают объём деформаций. Для формованных элементов следует рассмотреть использование альтернативных деформируемых сплавов или интегрированных литейных решений.

Особенности термообработки

319 — термообрабатываемый литейный сплав, хорошо реагирующий на растворяющую обработку и искусственное старение для формирования упрочнённых осадками микроструктур. Растворяющая обработка обычно проводится при температурах около 505–545 °C в течение нескольких часов в зависимости от толщины сечения с быстрым охлаждением для сохранения растворённого состояния легирующих элементов.

Искусственное старение (Т6) осуществляют при 150–200 °C в течение нескольких часов для выделения богатых медью фаз (θ' и связанных интерметаллидов), повышающих прочность и твёрдость. Т5 (прямое старение) применяется, когда полное растворение непрактично; обеспечивает улучшение свойств, но обычно менее выраженное, чем при Т6.

Режимы Т7 или перезакалки применяются для обеспечения термоустойчивости и стабильности свойств в эксплуатации; перезакалка увеличивает размер осадков, снижает максимальную прочность, но улучшает стабильность размеров и сопротивление термомускульству. Контроль скоростей охлаждения, профилей старения и времени выдержки по сечению важен для равномерных свойств и предотвращения деформаций или остаточных напряжений.

Работа при повышенных температурах

319 сохраняет полезные механические характеристики при умеренных повышенных температурах, но упрочняющие осадки начинают коалесцировать при температурах выше 150–200 °C. При продолжительном воздействии таких температур следует ожидать постепенное снижение прочности и рассматривать режимы перезакалки или сплавы с повышенной термостойкостью.

Окисление алюминия при высоких температурах относительно невелико и формирует защитный оксидный слой, однако условия эксплуатации и наличие хлоридов могут изменить характер окисления и ускорить деградацию. Термообласти сварных швов и локально перегретые зоны могут терять твёрдость и прочность при высоких температурах или повторном нагреве.

Для деталей, испытывающих термальную усталость или циклические тепловые нагрузки, выбор соответствующего состояния (Т7 или стабилизированные состояния), контроль остаточных напряжений и применение покрытий или анодной защиты улучшает срок службы. Для длительных высокотемпературных нагрузок могут потребоваться специально разработанные высокотемпературные сплавы или иные классы материалов.

Области применения

Отрасль	Пример детали	Причина выбора 319
Автомобильная	Корпусы трансмиссий и двигателей	Хорошая литейная способность, точность размеров и прочность после старения
Морская	Корпуса насосов и литые конструкционные фитинги	Разумная коррозионная стойкость при хорошем качестве литейных элементов
Аэрокосмическая	Некритичные фитинги и кронштейны	Высокое отношение прочности к массе для литых сложных деталей и термостабильность
Электроника	Корпуса и радиаторные кожухи	Достаточная теплопроводность и возможность литья интегрированных элементов

319 часто выбирают там, где необходима сложная геометрия, интегральные монтажные пяты, тонкостенные отливки и последующее консолидационное фрезерование для снижения сборочных операций и веса. Сплав сочетает литейную форму, прочность после термообработки и цену, что выгодно для массового производства деталей в автотранспортном секторе.

Рекомендации по выбору

При выборе 319 предпочтение отдаётся сложным литым геометриям с умеренной и высокой прочностью после термообработки, а также там, где интегрированные элементы уменьшают объем сборочных операций. Литьеобразуемость и механические характеристики после режима Т6 делают его практичным выбором для автомобильных и промышленных корпусов, где кованые аналоги неприемлемы.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100), 319 жертвует электропроводностью, теплопроводностью и формуемостью ради значительно более высокой прочности и стабильности при тепловых и механических нагрузках. По сравнению с упрочнёнными холодной деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 319 обладает более высокой прочностью после старения, но обычно уступает по коррозионной стойкости в некоторых средах; необходимы проектные компенсации через покрытия или запасы коррозии.

По сравнению с распространёнными термообрабатываемыми вытянутыми сплавами, такими как 6061/6063, 319 может иметь более низкую максимальную прочность