Алюминий 380: состав, свойства, рекомендации по термообработке и области применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Общий обзор
Сплав 380 (часто обозначаемый как A380 в практике литья под давлением) представляет собой литой алюминиево-кремниево-медный сплав, относящийся к семейству алюминиево-кремниевых литьевых сплавов, часто обозначаемых в группе «3xx». Он разработан для массового производства методом литья под давлением с акцентом на содержание кремния для обеспечения текучести и меди для повышения прочности в литом состоянии и термостойкости при повышенных температурах.
Основными легирующими элементами являются кремний (для текучести и эвтектического упрочнения), медь (для упрочнения за счёт осадочных фаз и при повышенных температурах), а также контролируемые количества железа, цинка, марганца и следов титана для рафинирования зерна. Механизмы упрочнения смешанные: образующаяся при литье микроструктура и содержащие медь интерметаллиды обеспечивают базовую прочность, а ограниченная термообработка (искусственное старение по типу T5/T6) позволяет дополнительно повысить прочность за счёт осадочного упрочнения.
Ключевые характеристики сплава 380 включают очень хорошую заполняемость формы, стабильность размеров, привлекательную поверхность и хорошую обработку по сравнению со многими литейными сплавами, умеренную коррозионную стойкость и разумные механические свойства для литых под давлением компонентов. Свариваемость ограничена по сравнению с деформируемыми алюминиевыми сплавами, а пластичность для последующей пластической деформации после литья невысока. Типичные сферы применения: автомобильная промышленность, корпуса бытовой электроники, электротехнические корпуса, механические корпуса и фитинги, где приоритет отдается получению близкой к конечной форме, массовому производству и точности размеров.
Инженеры выбирают сплав 380, когда требуется сочетание быстрой производительности литья под давлением, хорошей прочности в литом состоянии и экономичности по сравнению с альтернативными сплавами. Этот сплав выбирается вместо высокопрочных деформируемых сплавов, когда важна сложная геометрия и минимальная дополнительная обработка, а также предпочтителен по сравнению с менее легированными литейными сплавами при необходимости повышенной прочности в литом состоянии и термостабильности без значительного усложнения технологического процесса.
Варианты состояния (темпера)
| Темпера | Уровень прочности | Относительное удлинение | Обрабатываемость (формуемость) | Свариваемость | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Низкая | Умеренная (зависит от сечения) | Плохая | От плохой до удовлетворительной | Литое состояние, может применяться отжиг для снятия внутренних напряжений; максимальная пластичность в литом состоянии |
| T5 | Средне-высокая | Низкая–умеренная | Ограниченная | От плохой до удовлетворительной | Искусственное старение после закалки от литья или быстрой очистки; наиболее распространено для литых под давлением деталей |
| T6 | Высокая | Низкая | Ограниченная | Плохая | Отжиг раствором + искусственное старение повышают прочность, требует тщательного контроля пористости |
| T651 (менее распространенный) | Высокая | Низкая | Ограниченная | Плохая | Снятие внутренних напряжений и искусственное старение; применяется, когда критична стабильность размеров после механической обработки |
| H14 (наклёпанное; редко применяется) | Средняя | Низкая | Ограниченная | Плохая | Обычно не применяется для литья; используется для сравнительных целей |
Выбор температуры для 380 чаще определяется технологией литья и геометрией детали, а не традиционными режимами термообработки деформируемых сплавов. T5 — наиболее часто используемый технологический режим, так как он повышает прочность за счёт искусственного старения без чрезмерного термического воздействия и риска деформаций при полном отжиге раствором.
Применение полного отжига раствором и последующего старения (T6) возможно и улучшает механические свойства, но требует тщательного контроля пористости, содержания водорода и деформаций; поэтому многие литейные предприятия предпочитают T5 или литое состояние для оптимального баланса производительности, стоимости и стабильности размеров.
Химический состав
| Элемент | Диапазон, % | Примечания |
|---|---|---|
| Si | 7.5 – 10.5 | Основной легирующий элемент; улучшает текучесть, снижает усадку, формирует эвтектическую кремниевую сетку |
| Fe | 0.6 – 1.3 | Примесный элемент, образующий железосодержащие интерметаллиды, снижающие пластичность при высоком содержании |
| Mn | 0.0 – 0.5 | Контролирует морфологию интерметаллидов; незначительные добавки улучшают прочность и обрабатываемость литьем |
| Mg | 0.05 – 0.35 | Низкое содержание; ограниченная роль в осадочном упрочнении 380 |
| Cu | 2.5 – 4.5 | Основной упрочняющий элемент; способствует образованию фаз осадочного упрочнения и повышает прочность при повышенных температурах |
| Zn | 0.5 – 1.2 | Незначительный вклад в упрочнение; влияет на коррозионное поведение при повышенном содержании |
| Cr | 0.05 – 0.25 | Стабилизирует зерно и интерметаллиды; снижает склонность к растрескиванию в некоторых условиях |
| Ti | 0.01 – 0.25 | Рафинирующий зерно элемент для улучшенного заполнения формы и более мелкой микроструктуры |
| Прочие (Ni, Pb, Sn, B) | следы – максимально допустимые | Как правило, контролируются на низком уровне; свинец и олово иногда регулируются для улучшения обрабатываемости резанием; баланс — алюминий |
Свойства 380 во многом зависят от баланса Si и Cu, а также от следовых элементов, влияющих на химию и морфологию интерметаллидов. Кремний способствует формированию мелкодисперсного эвтектического состава, который улучшает обрабатываемость литьём и контроль размеров, тогда как медь отвечает за осадочное упрочнение и повышение твёрдости и прочностных характеристик. Контролируемое содержание железа и марганца критично для предотвращения образования крупных и хрупких интерметаллидов, снижающих пластичность и усталостную долговечность.
Механические свойства
Сплав 380 в литом состоянии демонстрирует прочность при растяжении и предел текучести, которые сильно зависят от толщины сечения из-за особенностей микроструктуры твёрдого раствора, пористости и распределения эвтектического кремния и интерметаллидов, обогащённых медью. Типичная прочность в литом состоянии достаточна для многих конструкционных компонентов, но относительное удлинение остаётся невысоким и зависит от пористости и дефектов литья. Усталостные характеристики ограничены качеством поверхности, дефектами литья и наличием хрупких интерметаллидов; распространённые методы снижения этих эффектов — абразивная обработка, мехобработка поверхности и конструктивное уменьшение концентрации напряжений.
При искусственном старении (T5) и особенно при контролируемой термообработке раствором с последующим старением (T6), содержащие медь фазы обеспечивают осадочное упрочнение, повышая предел текучести и временное сопротивление разрыву, но снижая пластичность. Твёрдость изменяется в том же направлении и часто используется как быстрый технологический показатель реакции на термообработку. Толщина и скорость охлаждения оказывают первоочередное влияние: тонкие сечения остывают быстрее, что приводит к более мелкой микроструктуре и более высокой прочности в литом состоянии, но и высоким остаточным напряжениям.
| Свойство | O/отожженное | Основная темпера (например, T5/T6) | Примечания |
|---|---|---|---|
| Временное сопротивление разрыву (UTS) | 180 – 260 MPa | 240 – 360 MPa | Широкий диапазон в зависимости от сечения, пористости и термообработки; типично для T5 ~250–320 MPa |
| Предел текучести (смещение 0,2%) | 90 – 170 MPa | 160 – 260 MPa | Значительное повышение предела текучести после старения; при проектировании следует использовать консервативные нижние значения для тонкостенных отливок |
| Относительное удлинение (A5) | 1 – 8% | 1 – 5% | Низкое по сравнению с деформируемыми сплавами, сильно зависит от пористости и толщины сечения |
| Твёрдость (HB) | 60 – 90 HB | 85 – 120 HB | Твёрдость по Бринеллю используется для контроля процесса; коррелирует с UTS для типичных состояний |
Физические свойства
| Свойство | Значение | Примечания |
|---|---|---|
| Плотность | 2.75 – 2.82 г/см³ | Чуть выше по сравнению с чистым алюминием из-за содержания Si и Cu |
| Температура плавления | ~500 – 640 °C | Диапазон эвтектики и твердой/жидкой фазы зависит от сплава; начало текучести понижается за счёт кремния |
| Теплопроводность | 110 – 140 Вт/(м·К) | Ниже, чем у чистого алюминия; зависит от легирования и микроструктуры |
| Электропроводность | ~20 – 35 %IACS | Медь и кремний снижают электропроводность по сравнению с чистым алюминием |
| Удельная теплоёмкость | ~880 – 900 Дж/(кг·К) | Близка к другим алюминиево-кремниевым литьевым сплавам |
| Коэффициент теплового расширения | 21 – 24 µm/(м·К) | Умеренное тепловое расширение, характерное для Al-Si сплавов; необходимо учитывать при проектировании в связке с другими материалами |
Физические свойства подчёркивают типичное применение в литье под давлением: плотность благоприятна для деталей с ограничением массы, теплопроводность достаточна для многих корпусов и эффективного рассеивания тепла, но ниже, чем у чистого алюминия. Поведение при плавлении и затвердевании, во многом определяемое кремнием, является ключевым для отличной заполняемости формы и низкой усадки, в то время как электропроводность играет второстепенную роль и обычно жертвуется ради улучшения механических и литейных свойств.
Формы продукции
| Форма | Типичная толщина/размер | Поведение прочности | Распространённые состояния | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Литые детали (литьё под давлением) | Толщина стенки 1–10 мм | Прочность в литом состоянии; более тонкие участки прочнее за счёт быстрого охлаждения | O, T5, T6 (редко) | Основная форма продукции; лучшее качество поверхности и точность размеров |
| Литые детали в металлических формах | 5–40 мм | Меньшая скорость охлаждения, более крупная микроструктура | O, T5 | Используется для больших деталей, когда литьё под давлением экономически невыгодно |
| Песчано-гравитационное литьё | 5–100+ мм | Более грубая микроструктура, ниже прочность | O | Менее распространено для 380; применяется при специфической геометрии или больших объёмах |
| Пруток / полуфабрикат для ковки | Ограниченно; специализированный | Не типично | — | Сплав 380 редко используют в виде деформируемого материала; прутки могут применяться в экспериментальных целях |
| Экструзия / лист / плита | Не стандартно | Не применяется | — | Сплав 380 обычно не выпускается в виде листа, плиты или стандартного профиля; для таких форм предпочтительны деформируемые сплавы |
Литьё под давлением является основным способом обработки сплава 380, что определяет доступные формы продукции и конструктивные нормы для инженеров. Толщина стенки, расположение впускного отверстия, скорость охлаждения и конструкция формы — основные параметры воздействия на свойства, а состав сплава оптимизирован с учётом особенностей высокопрессового литья под давлением. При необходимости листовых, плитных или профильных заготовок обычно переходят на деформируемые сплавы, поскольку 380 редко производят в этих формах.
Эквивалентные марки
| Стандарт | Марка | Регион | Примечания |
|---|---|---|---|
| AA | 380 / A380 | США / Международный | Распространённое обозначение литьевого сплава в Северной Америке и по нескольким литейным стандартам |
| EN AW | AlSi9Cu3(Fe) | Европа | Близкий эквивалент в европейских литейных стандартах; обозначение подчёркивает номинальное содержание кремния и меди |
| JIS | ADC12 | Япония | Широко используемый японский сплав для литья под давлением, близкий по составу и применению к A380 |
| GB/T | AlSi9Cu3 / ZL104 | Китай | Китайские литейные стандарты содержат аналогичные Al–Si–Cu марки, часто применяемые как заменители A380 |
Эквивалентность приблизительна, поскольку литейная практика допускает вариации содержания Fe, Mn и примесей, существенно влияющих на литейные свойства и механическое поведение. Спецификации различаются по допустимым уровням примесей, реакциям на термообработку и требуемым испытаниям, поэтому инженерам рекомендуется проверять точный состав и таблицы механических свойств перед применением альтернативной марки в ответственных применениях.
Коррозионная стойкость
Сплав 380 обладает умеренной общей атмосферной коррозионной стойкостью, характерной для алюминиево-кремниевых сплавов, с защитой обеспечиваемой пассивной плёнкой оксида алюминия. Содержание меди в сплаве снижает стойкость к питтинговой коррозии и может способствовать локальной коррозии в средах с высоким содержанием хлоридов, что требует применения покрытий, анодирования или конструктивных мер при эксплуатации в морских или агрессивных атмосферах. На критических деталях, работающих в прибрежных или очень влажных условиях, широко применяют защитные покрытия, герметики и катодную защиту.
Коррозионное растрескивание под напряжением встречается реже в алюминиево-кремниевых литейных сплавах, чем в высокопрочных деформируемых алюминиево-медных или высокопрочных сплавах серии 7xxx, но восприимчивость может увеличиваться с увеличением содержания меди, остаточных растягивающих напряжений и в определённых условиях эксплуатации. Гальванические взаимодействия важны при проектировании узлов: при сопряжении 380 со сталью, нержавеющей сталью или медными сплавами следует учитывать различия гальванического ряда и часто применять изоляцию алюминия или жертвенные аноды, особенно при повреждении покрытий. По сравнению с магниево-содержащими алюминиево-магниевыми сплавами (например, 5052), 380 более склонен к локальной коррозии из-за содержания меди, однако обладает лучшей литейной способностью и часто предпочтителен для сложных форм, где покрытия можно надёжно нанести.
Свойства обработки
Свариваемость
Сварка 380 затруднена из-за пористости при литье под давлением, захваченных газов и наличия кремний- и медных интерметаллических соединений, вызывающих горячие трещины и плохое качество сварного шва. Возможна дуговая сварка (MIG/TIG) при правильной подготовке и разделке деталей с использованием алюминиево-кремниевых присадочных проволок типа ER4043 (Al-Si), улучшающих текучесть шва и снижающих склонность к горячим трещинам; ER5356 применяется при необходимости в повышенной прочности, но с увеличенным риском растрескивания. Обычно требуются подогрев, тщательная очистка флюсов и зачистка до металла без дефектов; прочность и усталостная живучесть сварных соединений, как правило, ниже, чем у основного металла.
Обрабатываемость резанием
Сплав 380 признан хорошообрабатываемым по сравнению с большинством литейных сплавов благодаря наличию частиц кремния, образующих короткую и ломкую стружку, стабилизирующую режущий процесс. Рекомендуется инструмент с твердосплавными пластинами с положительным углом резания и хорошим охлаждением; для полуокончательных и окончательных операций характерны средние и высокие скорости резания. Срок службы инструмента повышается за счёт минимизации вибраций, контроля глубины резания и применения покрытий, оптимизированных для обработки алюминия; сплавы с содержанием свинца или олова могут обеспечить ещё лучшую обрабатываемость, но встречаются реже из-за экологических ограничений.
Обрабатываемость формованием
Холодное формование 380 (гибка, глубокая вытяжка или штамповка) сильно ограничено из-за низкой пластичности литья и хрупких интерметаллических фаз. Доминирующая стратегия — проектирование изделий близких к конечной форме: разрабатывать форму и литниковую систему, обеспечивающую окончательную геометрию и минимизировать последующую обработку. Локальная механическая обработка, обрезка и лёгкая гибка тонких участков возможны, но требуют выбора состояния (использование O или T5) и тщательного контроля упругого восстановления формы и трещинообразования. При необходимости значительного формования инженеры обычно переходят на деформируемые сплавы, специально разработанные для повышенной обрабатываемости формовкой.
Поведение при термообработке
Как алюминиево-кремниево-медный литейный сплав, 380 демонстрирует ограниченный, но полезный отклик на термообработку. Растворяющая обработка возможна в диапазоне 510–540 °C для растворения растворимых фаз с последующим быстрым закаливанием; однако её эффективность ограничена пористостью литья, захваченными газами и стабильностью интерметаллидов, которые не полностью растворяются. Избыточно длительная растворяющая обработка может вызвать деформации и усугубить проблемы с пористостью, поэтому технологические параметры уже, чем для деформируемых сплавов.
Искусственное старение (T5) при 150–220 °C является наиболее практичным промышленным способом повышения прочности для литьевого сплава 380, так как не требует полной растворяющей обработки. Состояние T5 даёт умеренную осадочную реакцию с образованием меднообогащённых фаз, улучшая предел текучести и твёрдость без изменений геометрии, сопутствующих полной растворяющей обработке. Состояние T6 (растворяющая обработка + искусственное старение) может обеспечить более высокую максимальную прочность, но требует тщательного контроля и встречается реже из-за стоимости, риска искажений и повышенной пористости, связанной с выделением водорода.