Алюминий 3303: состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Общий обзор

3303 — это сплав из серии алюминиевых сплавов 3xxx, основным легирующим элементом в которых является марганец, добавляемый к технически чистому алюминию. Как сплав серии 3xxx, он не поддаётся термообработке, а основным способом упрочнения является наклёп, достигаемый холодной деформацией и контролируемыми операциями отпуска, а не упрочнение за счёт выделения фаз. Главные легирующие элементы включают марганец (который контролирует реакцию на наклёп и структуру зерна), с меньшими количествами железа, кремния и следами меди и хрома, которые влияют на прочность, пластичность и коррозионную стойкость.

Основные характеристики 3303 — умеренная прочность на разрыв в сочетании с отличной пластичностью и хорошей коррозионной стойкостью для многих атмосферных и слабоагрессивных сред. Сплав обладает хорошей свариваемостью с обычными методами плавления и отличной формуемостью в отожжённом состоянии, что делает его подходящим для изготовления листового металла и процесса рулонной формовки. Типичные области применения включают фасады зданий и архитектурные конструкции, компоненты систем отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC), упаковку напитков, лёгкие конструкционные рамы и общие изделия из листового металла, где требуется баланс между формуемостью, коррозионной стойкостью и стоимостью.

Инженеры выбирают 3303 там, где нужна повышенная прочность по сравнению с очень чистыми сплавами (например, 1100) без сложности обработки, связанной с термообрабатываемыми системами (серии 6xxx/7xxx). Его технологические характеристики привлекательны при умеренной прочности, глубокой растяжке и надёжной свариваемости, а также если условия эксплуатации не являются высокоагрессивными (например, погружение в морскую воду с высоким содержанием хлоридов). Сплав предпочтительнее термообрабатываемых марок с более высокой прочностью, когда приоритетами являются формовка, соединение и гибкость после изготовления, а также если ограничения по стоимости и доступности делают более выгодным использование широко производимых сплавов с содержанием марганца.

Состояния упрочнения (темперы)

Темпер	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое состояние; лучшее для глубокой вытяжки и сложной формовки
H111	Низко-средний	Средне-высокое	Очень хорошая	Очень хорошая	Практически наклёп с небольшим упрочнением от состояния O; используется для лёгкой формовки с небольшим увеличением прочности
H14	Средний	Средне-низкое	Хорошая	Очень хорошая	Четвертьтвёрдое состояние после холодной деформации; распространён для листов со средней прочностью
H16	Средне-высокий	Низко-среднее	Удовлетворительная	Очень хорошая	Полувтвёрдое состояние; используется, когда важны жёсткость и контроль упругой отдачи
H18	Высокий	Низкое	Плохая-средняя	Очень хорошая	Полновтвёрдое состояние после холодной прокатки; применяют для максимальной прочности и жёсткости в исходном состоянии
H24 / H26	Средне-высокий	Низкое	Удовлетворительная	Очень хорошая	Наклёп и частичная стабилизация; используется при необходимости термостабильности

Темпер оказывает сильное и предсказуемое влияние на механические свойства и поведение при формовании у 3303, так как сплав не поддаётся термообработке и упрочняется за счёт холодной деформации. Переход от состояния O к H18 значительно повышает предел текучести и временное сопротивление разрыву, снижая при этом относительное удлинение и формуемость, поэтому проектировщики выбирают темпер, балансируя между возможностями формовки и требованиями к жёсткости и прочности готовой детали.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Al	Баланс	Основной элемент; остальное после легирующих добавок
Si	≤ 0.6	Примесь, способная уменьшать пластичность и слегка повышать прочность
Fe	≤ 0.7	Распространённая примесь; формирует интерметаллические соединения, влияющие на вязкость и качество поверхности
Mn	0.8–1.5	Основной упрочняющий элемент в серии 3xxx; улучшает структуру зерна и способность к наклёпу
Mg	≤ 0.3	Небольшие количества могут немного повысить прочность без серьёзного снижения формуемости
Cu	≤ 0.2 (типично)	Следовые количества могут улучшать прочность, но повышать коррозионную восприимчивость при увеличении содержания
Zn	≤ 0.2	Обычно низкий уровень; повышенные значения не характерны для серии 3xxx
Cr	≤ 0.1	Следовая добавка для контроля роста зерна и улучшения стабильности зоны термического влияния
Ti	≤ 0.15	Зерностабилизатор в литых и деформируемых изделиях
Другие (по каждому)	≤ 0.05	Включая V, Ni, Sn; уровни поддерживаются низкими для исключения вредных фаз

Производительность сплава в первую очередь определяется марганцем, который обеспечивает упрочнение за счёт твёрдого раствора и улучшенную способность к наклёпу. Железо и кремний допускаются как обычные примеси, влияющие на формуемость и качество поверхности; контроль их содержания улучшает качество поверхности и снижает риск появления хрупких интерметаллических включений. Следовые добавки, такие как хром и титан, используются для улучшения микроструктуры и стабилизации роста зерна во время термических циклов и механической обработки.

Механические свойства

3303 демонстрирует классическое поведение для не термообрабатываемого сплава: относительно низкий предел текучести в отожженном состоянии с широким диапазоном удлинения и постепенным повышением предела текучести и временного сопротивления по мере увеличения холодной деформации. Сплав способен обеспечить значительное равномерное удлинение в состоянии O, что делает его пригодным для глубокой вытяжки и поэтапной формовки; в состояниях H пластичность снижается из-за повышения плотности дислокаций и наклёпа. Твёрдость коррелирует с уровнем холодной деформации и является удобным индикатором состояния темпера; твёрдость растёт с номером H, обеспечивая лучшую усталостную выносливость до тех пор, пока потеря пластичности не начинает ускорять инициирование усталостных трещин.

Усталостная долговечность зависит от качества поверхности, толщины и среднего напряжения; полированные отожжённые листы превосходят по ресурсам холоднокатаные при одинаковой номинальной прочности за счёт снижения числа микроисточников трещин. Влияние толщины существенно: более тонкие листы как правило прочнее у прокатанных сплавов из-за большего уровня наклёпа при прокатке и меньшего количества дефектов. При проектировании деталей, чувствительных к усталостным нагрузкам, следует выбирать состояния темперов и способы обработки поверхности, минимизирующие наличие зарубок, избегать заусенцев после механической обработки и контролировать остаточные напряжения.

Свойство	O / Отожженное	Ключевой темпер (H14)	Примечания
Временное сопротивление (MPa)	100–140	150–200	Типичные диапазоны; зависят от толщины и уровня наклёпа
Предел текучести (MPa)	35–70	110–150	Предел текучести заметно растёт с упрочнением за счёт деформации
Относительное удлинение (%)	25–40	6–12	Пластичность снижается при упрочнении; для формовки предпочтительно состояние O
Твёрдость (HB)	30–45	55–80	Ориентировочные значения по Бринеллю; коррелируют с состоянием темпера и уровнем наклёпа

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.70–2.72 г/см³	Типична для деформируемых алюминиево-марганцевых сплавов
Температура плавления	~640–650 °C	Температуры солидуса и ликвидуса близки к чистому алюминию; локальная температура плавления варьируется в зависимости от примесей
Теплопроводность	120–160 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия из-за легирования; тем не менее значительно выше, чем у сталей
Электропроводность	~20–35% IACS	Снижена по сравнению с чистым алюминием; зависит от состояния темпера
Удельная теплоёмкость	~900 Дж/кг·К (0.90 Дж/г·К)	Типичное значение, используемое при тепловом расчёте и проектировании
Коэффициент термического расширения	23–24 µм/м·К (20–100 °C)	Довольно высокий линейный коэффициент расширения, типичный для алюминиевых сплавов

3303 сочетает относительно низкую плотность с хорошей теплопроводностью, обеспечивая благоприятное соотношение удельной жёсткости и теплового управления в некритичных теплоотводящих применениях. Электропроводность снижается из-за легирования, но остаётся достаточной для некоторых применений в шинопроводах или проводящих листах, где механические характеристики важнее абсолютной электропроводности. Характеристики плавления и теплового расширения необходимо учитывать при пайке, сварке и многоматериальных сборках для контроля искажений и надёжности соединений.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение по прочности	Распространённые состояния термообработки	Примечания
Лист	0.2–6.0 mm	Прочность увеличивается при холодной прокатке	O, H111, H14, H16	Широко выпускается; применяется для панелей, корпусов и штампованных деталей
Плита	>6.0 mm (до 25 mm)	Меньшая равномерная холодная деформация по сравнению с тонким прокатом	O, H111	Продукт большей толщины может демонстрировать несколько пониженный отклик на упрочнение при деформировании
Экструзия	Сложные профили до 200 mm	Прочность зависит от коэффициента вытягивания и последующей холодной обработки	O, H14	Менее распространена по сравнению с экструзиями сплавов серии 6xxx, но используется для облегчённых сечений
Труба	Ø от малого до большого (бесшовные/сварные)	Упрочнение при сварке или протяжке	O, H14	Используется в системах ОВК и мебели; бесшовные варианты имеют лучшие показатели усталостной прочности
Пруток/штанга	Ø 3–50 mm	Прочность увеличивается при холодной протяжке	H14, H18	Применяется для крепёжных элементов, штампованных компонентов и заклёпок

Холоднокатаный лист отличается от экструзий и плит не только микроструктурой, но и достижимым упрочнением при деформировании; при производстве листа возникает значительная прокатная деформация, полезная для конечного закалочного состояния с индексами H. Экструзия возможна, но менее распространена, чем у упрочняемых термообработкой сплавов серии 6xxx, поскольку сплавы с содержанием Mn не подвергаются старению. При выборе экструзии 3303 конструкторы жертвуют максимальной прочностью ради пластичности и качества поверхности. Форма труб и прутков обычно предусматривает дополнительную холодную обработку (протяжка, правка), которая повышает прочность, снижая при этом пластичность, поэтому выбор состояния термообработки должен учитывать дальнейшую формовку и соединение.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	3303	США	Отраслевое обозначение кованого сплава семейства 3xxx
EN AW	3303	Европа	Общее европейское обозначение (EN AW-3303) для закупок; допускаемые отклонения по составу могут варьироваться
JIS	A3303 (примерно)	Япония	Японские стандарты используют иные обозначения, но химический состав сопоставим
GB/T	3303 (примерно)	Китай	Китайские национальные стандарты включают аналогичные Al-Mn сплавы; точные пределы могут отличаться

Эквивалентность по стандартам носит приблизительный характер, так как региональные спецификации устанавливают разные пределы по примесям и иногда иные требования к испытаниям механических свойств и номенклатуре состояний термообработки. Покупателям рекомендуется проверять точные химические и механические ограничения по сертификатам поставщика и использовать нормативную документацию по закупкам для ответственных изделий, особенно если коррозионная стойкость или свариваемость имеют критическое значение.

Коррозионная стойкость

3303 обеспечивает хорошую атмосферную коррозионную стойкость в большинстве внутренних условий эксплуатации благодаря защитной алюминиевой оксидной плёнке и отсутствию высокого содержания меди, которая способствует питтинговой коррозии. В слабоагрессивной морской атмосфере он приемлем для надпалубных компонентов и архитектурных элементов, но длительное погружение в хлоридсодержащую морскую воду ускорит локальную коррозию по сравнению с морскими сплавами серии 5xxx на основе Al-Mg. Поверхностные обработки и покрытия (анодирование, краски) значительно увеличивают срок службы, а анодированный 3303 улучшает эстетику и обеспечивает дополнительную барьерную защиту.

Восприимчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением низкая по сравнению с некоторыми высокопрочными упрочняемыми термообработкой сплавами, так как 3303 не содержит стареющие упрочняющие выделения, способствующие SCC; однако остаточные растягивающие напряжения, возникающие при формовании или сварке, следует минимизировать. Гальваническая коррозия значима: 3303 является анодным по отношению к нержавеющей стали и меди и будет преимущественно корродировать при электрическом контакте через проводящий электролит; в конструкциях с разнородными металлами рекомендуется использование изоляционных мер и совместимых крепёжных изделий. По сравнению с сериями 5xxx и 6xxx, 3303 немного уступает в стойкости к питтингу, но обладает лучшей формуемостью и упрощённым производственным процессом, что делает его рациональным выбором там, где приоритетны глубина вытяжки и свариваемость, а не максимальная коррозионная стойкость.

Свойства обработки

Свариваемость

3303 хорошо сваривается общепринятыми методами плавления (MIG/GMAW, TIG/GTAW, контактная сварка) и проявляет низкую склонность к горячей трещинообразованию при соблюдении правильных технологических приёмов. Рекомендуемые присадочные материалы схожи с теми, что применяются для других Al-Mn сплавов (например, присадки на основе Al-Mn); алюминиево-кремниевые присадки могут использоваться для обеспечения необходимой текучести шва, однако подбор должен учитывать коррозионную совместимость. Мягчение зоны термического влияния умеренно по сравнению с упрочняемыми термообработкой сплавами, поскольку упрочнение здесь базируется не на выделениях, а на работе холодной деформации, однако перегрев и чрезмерный рост зерна могут снизить усталостную прочность и изменить поведение при формовке вблизи сварных швов.

Обрабатываемость

Как относительно пластичный и мягкий сплав, 3303 обладает средней обрабатываемостью и при неподходящих режимах резания образует длинные непрерывные стружки. Для точения и фрезерования рекомендуется использование карбидного инструмента с положительным углом врезания и стружколомами для контроля формы стружки и снижения налипания; пониженные скорости резания и адекватное охлаждение предотвращают задирание. Индекс обрабатываемости ниже, чем у алюминиевых сплавов с повышенной технологичностью, но сопоставим с общепромышленными коваными сплавами Al-Mn; при обработке тонкостенных деталей следует учитывать износ инструмента и возможные деформации.

Формуемость

Формуемость в отожженном состоянии O превосходная, что позволяет выполнять глубокую вытяжку, растяжение и сложную гибку с малыми радиусами. Минимальные радиусы изгиба зависят от состояния и толщины; отожжённый лист обычно соответствует коэффициентам R/t значительно меньшим, чем для полутвёрдых или твёрдых состояний. Холодная обработка повышает прочность, но снижает пластичность и увеличивает остаточное упругое восстановление (отскок); поэтому технологам рекомендуется выполнять формовку до финального отпуска или снятия напряжений и выбирать состояния H только для ограниченных или отсутствующих последующих операций формовки.

Особенности термообработки

Как неупрочняемый теплом сплав, 3303 не реагирует на растворение и старение для повышения прочности за счёт выделений. Тепловая обработка сосредоточена на отжиге и стабилизации: полные циклы отжига обычно проводят при температурах 370–415 °C с последующим медленным или ускоренным охлаждением в зависимости от желаемого размера зерна и профиля остаточных напряжений. После отжига состояние O восстанавливает максимальную пластичность и формуемость; последующая холодная обработка переводит материал в состояния H, характеризующиеся увеличенной прочностью за счёт накопления дислокаций.

Стабилизация или низкотемпературный отпуск применяются для частичного снятия наработанных напряжений без значительной потери твёрдости, когда требуются небольшие корректировки размеров или расслабление механических свойств. Термические воздействия при обработке, такие как сварка, локально меняют состояние в зоне термического влияния; поскольку 3303 упрочняется в основном холодной деформацией, сварные участки в предварительно деформированном материале будут обычно мягче, если не применяются механические обработки после сварки или локальная холодная деформация.

Поведение при высоких температурах

3303 демонстрирует прогрессирующее снижение прочности с ростом температуры; значительное уменьшение предела текучести и временного сопротивления разрыву обычно начинается выше 150 °C и становится выраженным свыше 200 °C. Сплав не предназначен для работы при повышенных температурах в ответственных конструкциях и будет испытывать размягчение и ползучесть под длительными нагрузками при высоких температурах. Устойчивость к окислению сопоставима с другими алюминиевыми сплавами: устойчивая оксидная плёнка образуется быстро, но защитное действие не предотвращает механическое ухудшение при повышенных температурах.

Для сварных или термически нагретых элементов основные проблемы — рост зерна в зоне термического влияния и потеря упрочнения, что влияет на усталостную долговечность и размерную стабильность. При проектировании деталей с прерывистым воздействием высоких температур следует использовать запас прочности и рассматривать альтернативные сплавы (например, определённые Al-Si или высокотемпературные сплавы) там, где требуется сохранение прочности выше 150 °C.

Применение

Отрасль	Пример компонента	Почему используется 3303
Автомобильная	Интерьерные отделочные панели и нехватные элементы	Хорошая формуемость и качество поверхности для штампованных деталей
Судостроение	Корпуса систем ОВК и архитектурная фурнитура	Приемлемая коррозионная стойкость и отличная обработка
Авиакосмическая	Некритические крепления, воздуховоды	Хорошее соотношение прочность/масса для второстепенных конструкций
Электроника	Панели теплоотвода и корпуса	Высокая теплопроводность и лёгкость обработки
Упаковка / Потребительские товары	Банки, декоративные отделочные элементы	Преимущества формуемости и отделки поверхности

3303 занимает прагматичную нишу для деталей, требующих сложной формовки, хорошей свариваемости и достойной коррозионной стойкости без затрат и ограничений, связанных с упрочняемыми термообработкой сплавами. Его сбалансированные свойства делают этот сплав особенно экономичным для массового производства штампованных деталей и архитектурных компонентов, где важны эффективность и удобство производства.

Рекомендации по выбору

При выборе 3303 отдавайте предпочтение конструкциям, требующим глубокой вытяжки или интенсивного формообразования, где конечные требования к прочности умеренные, а не максимальные. Сплав привлекателен, когда важны свариваемость и гибкость после формовки, а также при необходимости упрощения закупок и контроля затрат.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100), 3303 обеспечивает повышенную прочность при умеренном снижении электрической проводимости и при этом сохраняет хорошую формуемость. В сравнении с распространёнными упрочнёнными сплавами, такими как 3003 и 5052, 3303 обычно занимает промежуточное положение: он предлагает несколько более высокую прочность, чем очень чистые марки, при этом сохраняя лучшую формуемость, чем многие магниевые сплавы серии 5xxx; коррозионная стойкость хорошая, но не достигает уровня лучших морских сплавов Al-Mg. По сравнению с упрочняемыми термообработкой сплавами, такими как 6061 или 6063, у 3303 пик прочности ниже, однако он предпочтителен для сложного формообразования, обеспечивает превосходную свариваемость без ограничений на старение после сварки и снижает затраты на обработку.

Итоговое резюме

3303 остаётся актуальным и практичным сплавом для современной инженерии, где требуется сочетание формуемости, свариваемости и умеренной прочности; его марганцевая химия и способность к упрочнению при деформации обеспечивают надёжную базу для листового металла, труб и штампованных деталей во многих отраслях. Простой процесс обработки и сбалансированные свойства делают его разумным выбором для конструкторов, ориентированных на технологичность и экономичную эксплуатацию.