Алюминий 4004: состав, свойства, режимы термообработки и области применения

Полный обзор

Сплав 4004 относится к серии алюминиевых сплавов 4xxx, представляющей собой кремнийсодержащие деформируемые композиции семейства Al-Si. Серия 4xxx характеризуется кремнием как основным легирующим элементом, который обычно сочетается с незначительными добавками железа, меди, марганца и других примесей для регулировки литейных и тепловых свойств.

Основной механизм упрочнения 4004 — это преимущественно твердофазное упрочнение кремнием и дисперсия интерметаллидных фаз с высоким содержанием кремния; сплав в основном не поддается термической обработке и опирается на упрочнение при работе (H-состояния) и контролируемое охлаждение для корректировки свойств. Ключевые особенности 4004 включают умеренную и хорошую прочность для неотверждаемого сплава, улучшенную износостойкость и термическую стабильность по сравнению с очень чистыми марками, высокую коррозионную стойкость в различных атмосферных условиях, а также благоприятную свариваемость и пластичность.

Основные сферы применения сплавов серии 4xxx, таких как 4004, — автомобилестроение (корпусные детали и присадочные проволоки), бытовая техника, теплообменники и электроника (где важны теплопроводность и литьевые свойства), а также транспорт, требующий баланса формуемости и повышенных тепловых характеристик. Инженеры выбирают 4004, когда необходимы улучшенная температурная стабильность размеров или тепловые свойства по сравнению с технически чистым алюминием, но без затрат и сложности обработки, характерных для более высокопрочных термообрабатываемых сплавов.

4004 часто предпочитают маркам с меньшим содержанием легирующих элементов, так как он обеспечивает рациональный компромисс: повышенное содержание кремния улучшает стабильность при высоких температурах и снижает тепловое расширение при сохранении хорошей холодной пластичности и свариваемости. Он предпочтителен в конструкциях, где требуются умеренная прочность в сочетании с теплопроводностью, снижение склонности к горячей хрупкости при сварке или пайке и стабильность характеристик в процессах формования и соединения.

Варианты термообработки

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожженное состояние для максимальной пластичности
H12	Низко-средний	Среднее	Очень хорошая	Очень хорошая	Легкое упрочнение деформацией, ограниченное восстановление при формовании
H14	Средний	Средне-низкое	Хорошая	Очень хорошая	Типичное холоднодеформированное состояние для листовых применений
H18	Высокий	Низкое	Плохая	Хорошая	Полностью упрочненное, применяется при требовании пружинных свойств
T4*	Низко-средний	Среднее	Очень хорошая	Очень хорошая	Ограниченное состояние растворенного твердого раствора; применение зависит от точного химического состава
T5*	Средний	Средне-низкое	Хорошая	Хорошая	Искусственное старение после охлаждения от литья; ограниченный потенциал упрочнения
T6*	Средний	Средне-низкое	Умеренная	Умеренная	Некоторые сплавы 4xxx показывают ограниченную реакцию на старение; преимущества умеренные

Выбор состояния упрочнения для 4004 в основном сводится к упрочнению деформацией или отжигу, при этом состояние O обеспечивает максимальную пластичность, а серия H постепенно повышает пределы текучести и временного сопротивления разрыву. При условии легкой термообработки (типы T) упрочнение ограничено по сравнению с термообрабатываемыми сплавами серий 2xxx или 6xxx и используется преимущественно для стабилизации микроструктуры или снятия остаточных напряжений, а не для существенного повышения прочности.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	0.7–1.6	Основной легирующий элемент; отвечает за твердофазное упрочнение и тепловые свойства
Fe	0.2–0.8	Примесь; образует интерметаллиды, влияющие на прочность и обрабатываемость
Mn	0.05–0.5	Модификатор зеренной структуры; слегка повышает прочность и коррозионную стойкость
Mg	0.02–0.25	Небольшие количества улучшают упрочнение при деформации; ограниченное упрочнение за счет выделений
Cu	0.02–0.25	Небольшие добавки повышают прочность, но большой ввод снижает коррозионную стойкость
Zn	0.02–0.15	Как правило, низкое содержание; ограничивают для предотвращения хрупкости и чувствительности к SCC
Cr	0.01–0.10	Трассовый элемент для контроля зеренной структуры и рекристаллизации при термообработке
Ti	0.01–0.10	Мелкие зерномодификаторы, особенно для литья или полуфабрикатов
Прочие	Остальное Al	Остаточные и загрязняющие элементы контролируются для соответствия механическим и коррозионным требованиям

Сочетание кремния с умеренными количествами железа и марганца определяет механические и тепловые характеристики сплава 4004; кремний снижает локально диапазон плавления и повышает прочность за счет твердофазного упрочнения и формирования интерметаллидов. Трассовые элементы, такие как Ti и Cr, используются для уменьшения размера зерна, улучшая вязкость и формуемость, в то время как повышенное содержание меди или цинка ограничено с целью сохранения коррозионной стойкости и обеспечения свариваемости.

Механические свойства

Механическое поведение на растяжение 4004 соответствует неотверждаемому алюминиево-кремниевому сплаву: он обеспечивает умеренные значения временного сопротивления и предела текучести, которые могут быть увеличены холодной пластической обработкой, но не достигают уровней более прочных стареющих сплавов. Относительное удлинение в отожженном состоянии высокое, что позволяет сложное формование, и снижается закономерно с увеличением степени упрочнения при холодной обработке (H-состояния). Твёрдость и прочностные показатели зависят от толщины, истории обработки и присутствия кремнийсодержащих интерметаллидов, которые могут как упрочнять, так и служить зонами инициирования трещин при циклических нагрузках.

Усталостные характеристики достаточно хороши для многих конструкционных применений, однако инженерам следует проявлять осторожность при высокоцикловой усталости в присутствии обработанных надрезов или дефектов сварки, так как кремнийсодержащие интерметаллиды могут локализовать напряжения. Толщина оказывает значительное влияние: тонкие листы подвергаются более равномерной холодной деформации и достигают более высоких относительных прочностей в заданном состоянии упрочнения, тогда как толстые участки могут сохранять более мягкое ядро и демонстрировать уменьшенную пластичность при изгибе или глубокой вытяжке.

Параметр	O/Отожженное	Основное состояние (например, H14)	Примечания
Временное сопротивление разрыву (MPa)	90–140	140–220	Диапазоны прочности зависят от холодной деформации и толщины; приведены ориентировочные значения для листов
Предел текучести (MPa)	40–80	80–160	Предел текучести заметно растет с упрочнением; H14 типично для конструкционных листов
Относительное удлинение (%)	20–35	6–18	Отожженное состояние обеспечивает максимальную пластичность; H-состояния снижают пластичность ради прочности
Твёрдость (HB)	20–40	40–90	Твёрдость по Бринеллю/Виккерсу растет с упрочнением; коррелирует с прочностными свойствами

Физические свойства

Параметр	Значение	Примечания
Плотность	2.68–2.71 г/см³	Типичная плотность алюминиевого сплава, немного зависит от легирования
Диапазон плавления	~577–652 °C	Снижение локальной температуры плавления относительно чистого алюминия; диапазон солидус-ликуидус зависит от содержания кремния
Теплопроводность	120–165 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия, но все еще высокая по сравнению со сталями; выгодно для теплоотвода
Электропроводность	30–45 % IACS	Снижена по сравнению с чистым алюминием (60%+ IACS) из-за легирующих добавок
Удельная теплоемкость	~0.88–0.90 Дж/г·К	Сопоставима с другими алюминиевыми сплавами; полезна для расчетов тепловой массы
Тепловое расширение	22–24 µм/м·К	Немного ниже, чем у чистого алюминия в Al-Si сплавах, улучшая температурную стабильность размеров

Эти физические свойства делают 4004 привлекательным для областей применения, где требуется баланс между малым весом, высокой теплопроводностью и разумной электропроводностью. Теплопроводность остается достаточно высокой для многочисленных применений в виде теплоотводов и радиаторов, в то время как сниженное тепловое расширение и улучшенные характеристики затвердевания делают сплав пригодным для сварных и паяных конструкций, где необходимо контролировать деформации.

Формы изделий

Форма	Типичная толщина/размер	Механические характеристики	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0,3–6,0 мм	Свойства сильно зависят от толщины; лист подвергается предсказуемому наклёпу	O, H14, H18	Основная форма для кузовных панелей, теплообменников и облицовки бытовой техники
Пластина	6–50+ мм	Толстые сечения сохраняют мягкое ядро, если не подвергаются значительной обработке	O, H12, H14	Используется там, где требуется повышенная жёсткость; ограничена возможность глубокой вытяжки
Экструзия	Поперечное сечение 2–80+ мм	Экструдированные профили могут подвергаться старению и холодной деформации после экструзии	O, H11, H22	Широко применяется для конструкционных профилей и рам
Труба	Ø 6–300 мм	Сварные или бесшовные трубы; прочность зависит от толщины стенки и состояния	O, H14, H18	Используется для трубопроводов и лёгких конструкций
Пруток/Штанга	Ø 3–100+ мм	Прутки можно холодно волочить для повышения прочности; хорошая обрабатываемость	O, H12, H14	Применяется для деталей, подвергающихся мехобработке, и заготовок для крепежа

Листы и экструдированные изделия — наиболее распространённые формы поставки 4004. Их маршруты обработки — прокатка, отжиг, холодное упрочнение и стрейч-выравнивание — определяют конечные механические свойства. Плиты и более толстые сечения менее пластичны, часто требуют предварительной мехобработки или поэтапной формовки, тогда как экструзии используют контролируемое охлаждение и подготовку заготовок для управления структурой и поверхностью.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	4004	США	Обозначение Aluminum Association; используется в некоторых региональных каталогах
EN AW	4xxx (примерно)	Европа	EN объединяет Al-Si сплавы; конкретное обозначение может варьироваться
JIS	A4xxx (примерно)	Япония	Японские стандарты перечисляют семьи Al-Si со схожим химсоставом
GB/T	4xxx (примерно)	Китай	Китайские стандарты охватывают несколько кованных Al-Si сплавов с пересекающимися свойствами

Эквивалентность между стандартами следует рассматривать с осторожностью, так как семейство 4xxx включает сплавы с разным содержанием кремния и незначительными легирующими добавками, влияющими на характеристики. При кросс-ссылке важны точные химические диапазоны и определения состояний; прямая замена без проверки свойств может привести к неожиданным отличиям в свариваемости, пластичности и коррозионной стойкости.

Коррозионная стойкость

Атмосферная стойкость 4004 обычно хороша для типичных внутренних условий и слабо загрязнённой атмосферы на улице; относительно низкое содержание меди и цинка ограничивает ускорение коррозии за счёт гальванических процессов. Наличие кремния и интерметаллических соединений железа может создавать локальные катодные участки в агрессивных условиях, однако общий пассивный оксидный слой обеспечивает эффективную защиту от равномерной коррозии.

В морской и хлорсодержащей среде 4004 показывает лучшие результаты по сравнению с некоторыми медесодержащими сплавами, но более подвержен точечной коррозии в зонах механических повреждений или сварных швов, чем магниевые сплавы серии 5xxx. Рекомендуется применять соответствующие поверхностные обработки, герметики и проектировать отвод воды для снижения риска щелевой и точечной коррозии в морских условиях.

Подверженность 4004 межкристаллитной коррозии под напряжением (SCC) низкая относительно высокопрочных термообрабатываемых сплавов; однако локальные остаточные напряжения после сварки или холодной обработки в сочетании с коррозионной средой могут повышать риск разрушения. При проектировании узлов с разнородными металлами необходимо учитывать гальваническую совместимость — алюминий 4004 является анодным по отношению к нержавеющим сталям и благородным металлам, требует изоляции или жертвенной защиты для предотвращения ускоренной коррозии.

Свойства при обработке

Свариваемость

4004 хорошо поддаётся сварке плавлением стандартными методами MIG, TIG и контактной сваркой благодаря содержанию кремния, снижающему склонность к горячим трещинам. Выбор присадочного материала обычно ориентирован на схожие составы Al-Si (например, марки Al-5Si) для контроля затвердевания и уменьшения пористости; предварительный подогрев и контролируемый теплоотвод улучшают качество шва. В зоне термического влияния может наблюдаться размягчение, если основной материал был упрочнён наклёпом, поэтому часто требуется последующая термообработка или компенсация в конструкции.

Обрабатываемость резанием

Обрабатываемость 4004 оценивается от средней до хорошей по сравнению с более мягким коммерчески чистым алюминием; кремний и мелкие интерметаллические частицы способствуют раздроблению стружки, но увеличивают износ инструмента по сравнению с очень чистыми сплавами. Лучшие результаты достигаются с карбидным инструментом с положительным углом режущей кромки и высокой скоростью резания; умеренные и высокие скорости с обильным охлаждением снижают образование налипающей стружки. При сверлении и нарезании резьбы важно правильно подбирать подачу, чтобы избежать вибраций, а финишные проходы улучшают качество поверхности, что важно для усталостных характеристик.

Пластичность

Пластичность в состояниях O и лёгких H-х позволяет выполнять глубокую вытяжку и сложную гибку при контроле упругого восстановления. Минимальные радиусы изгиба зависят от состояния и толщины; отожженный лист допускает более малые радиусы (около 1–2× толщины), а состояние H18 или с сильной обработкой требуют больших радиусов (≥3–6× толщины). Для серьёзных формообработок рекомендуется использовать состояние O или H12 с последующей стабилизацией старением и снятием напряжений для оптимального контроля размеров и снижения риска разрывов.

Поведение при термообработке

Как типичный представитель семейства 4xxx, 4004 считается мало термообрабатываемым; он не демонстрирует значительного укрепления после традиционного растворяющего отжига и искусственного старения, как сплавы серий 2xxx или 6xxx. Попытки применить термообработку по типу T6 дают лишь умеренное улучшение, поэтому нагрев обычно используют для гомогенизации структуры, снятия напряжений или небольшого изменения пластичности, а не для существенного повышения прочности.

Основной путь упрочнения — пластическая деформация: контролируемое холодное уменьшение толщины и различные пути деформирования (состояния H1x/H2x/H3x) позволяют предсказуемо повышать предел текучести и прочность на растяжение. Полный отжиг возвращает материал к пластичному состоянию и часто применяется перед формовкой; стабилизирующая термообработка (например, низкотемпературное старение) используется для минимизации изменения свойств после формовки или сварки.

Работа при повышенных температурах

При повышенных температурах 4004 постепенно теряет предел текучести и временное сопротивление в результате коарсения кремнистых фаз и снижения эффекта твердения твёрдым раствором; эксплуатационные возможности обычно сохраняются до умеренно высоких температур (приблизительно до ~150–200 °C) в зависимости от нагрузок и условий. Окисление минимально по сравнению с феррооснованными сплавами, однако долгосрочное нагревание может привести к размягчению и изменению размеров, что следует учитывать при проектировании — важно предусматривать ползучесть при длительных нагрузках.

Сварные соединения чувствительны к воздействию высоких температур, где остаточные напряжения и локальные микроструктурные изменения снижают прочность; типичной мерой является пост-сваривая термообработка или проектирование с перераспределением нагрузок. Для термоциклических применений относительно стабильный тепловой коэффициент расширения и хорошая теплопроводность 4004 снижают термомеханические градиенты, но необходимо учитывать возможность инициации термической усталости в концентраторах напряжений.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Причины применения 4004
Автомобильная	Внутренние панели кузова, теплоэкраны	Сбалансированная пластичность, тепловая стабильность и свариваемость
Морская	Некритичные конструкционные элементы, отделка	Хорошая коррозионная стойкость и технологичность для морской атмосферы
Авиакосмическая	Вспомогательные крепления, обтекатели	Выгодное соотношение прочности и веса, тепловая стабильность размеров
Электроника	Теплоотводы, корпуса	Высокая теплопроводность с более простой формовкой по сравнению с литейными Al-Si сплавами

4004 обычно выбирают, когда требуется сочетание пластичности, разумной прочности и улучшенного теплового поведения по сравнению с коммерчески чистым алюминием или сплавами с высоким содержанием меди. Его применение в автомобилестроении и электронике отражает потребность в удобстве производства (формовка, соединение) вкупе с термо- и коррозионной стабильностью.

Рекомендации по выбору

Кратко: выбирайте 4004, когда нужна умеренная прочность с превосходной пластичностью и тепловыми характеристиками по сравнению с коммерчески чистым алюминием, а также важна свариваемость и низкая склонность к горячим трещинам. Особенно полезен, если проект требует высокой теплопроводности и стабильности размеров при термоциклировании.

По сравнению с 1100 (коммерчески чистым алюминием) 4004 жертвует частью электропроводности и немного лучшей пластичностью ради значительного увеличения прочности и тепловой стабильности. По сравнению с упрочнёнными сплавами, такими как 3003 или 5052, 4004 обычно предлагает сопоставимую или чуть лучшую тепловую характеристику и аналогичную пластичность, но немного меньшую коррозионную стойкость в сильно хлорсодержащих средах по сравнению с магниевыми сплавами серии 5xxx. В сравнении с термообрабатываемыми сплавами типа 6061 или 6063, 4004 обычно имеет более низкую максимальную прочность, но лучшую свариваемость и тепловое поведение; его выбирают при отсутствии необходимости в пиковом упрочнении старением и когда приоритетом являются удобство соединения и формовки, а не максимальные прочностные показатели.

Заключение

Сплав 4004 остается актуальным, поскольку занимает практическую нишу: кремний-усиленный алюминий, не поддающийся термообработке, который сочетает хорошую формуемость, надежную свариваемость и благоприятные тепловые характеристики для широкого спектра промышленных применений. Его сбалансированный набор свойств и предсказуемое поведение при обработке делают его надежным выбором для конструкторов, ищущих технологичные и термически стабильные алюминиевые решения.