Алюминий 4028: состав, свойства, руководство по состоянию и области применения

Общий обзор

Сплав 4028 относится к алюминиевым сплавам серии 4xxx, семейству, характеризующемуся кремнием в качестве основного легирующего элемента. Это кремний-содержащий, микро-легированный сплав, который также содержит контролируемые количества магния и переходных элементов для достижения баланса между прочностью, свариваемостью и формуемостью.

Укрепление сплава достигается за счёт сочетания контролируемого эффекта твердых растворов, мелкодисперсных кремниевых включений и ограниченного выделения из кластеров Mg-Si; на практике он ведёт себя как полутермически упрочняемый сплав с хорошей реакцией на растворяющую термообработку и искусственное старение, а также хорошо поддаётся упрочнению при холодной деформации. Типичные характеристики включают умеренно высокую прочность при растяжении в закалённых состояниях, хорошую коррозионную стойкость в атмосферных условиях, отличную свариваемость с использованием алюминиево-кремниевых присадочных материалов и благоприятную формуемость в отожженном состоянии.

Отрасли, в которых широко применяют 4028, включают производство кузовных и отделочных элементов автомобилей, морские комплектующие и корпуса, бытовую технику, а также некоторые вторичные конструкции в авиастроении, где необходим баланс формуемости и прочностного веса. Сплав выбирается, когда проектировщикам требуется более высокая прочность по сравнению с чистыми алюминиевыми марками без ущерба для свариваемости и экструзионных свойств.

4028 часто предпочитают сплавам серий 1000/3000 при необходимости повышенной прочности и размерной стабильности, а по сравнению с серией 6xxx — при приоритете улучшенной свариваемости и кремний-ориентированного поведения при литье и экструзии. Его полутермическая упрочняемость делает этот сплав привлекательным там, где возможна последующая термообработка для старения, но не требуются экстремальные параметры максимальной прочности.

Варианты термообработки

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкая	Высокое (20–30%)	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое, максимальная пластичность и формуемость
H14	Средняя	Средняя (12–18%)	Хорошая	Отличная	Холодная деформация с одностадийным упрочнением для умеренной жёсткости
H24	Средне-высокая	Средняя (10–15%)	Удовлетворительная–хорошая	Отличная	Упрочнён и частично стабилизирован, хорошее управление отдачей при гибке
T4	Средняя	Средняя (12–18%)	Хорошая	Отличная	Растворяющая термообработка с естественным старением, сбалансированные свойства
T5	Средне-высокая	Ниже (8–14%)	Удовлетворительная	Очень хорошая	Охлаждение с повышенной температуры и искусственное старение, ускоренный производственный цикл
T6 / T651	Высокая	Ниже (8–12%)	Удовлетворительная – плохая	Очень хорошая	Растворяющая термообработка и искусственное старение для максимальной прочности; T651 включает снятие остаточных напряжений

Термообработка напрямую определяет соотношение прочности и пластичности для 4028 и контролирует формуемость при штамповке и глубокой протяжке. Отожжённое состояние O обеспечивает максимальное удлинение и минимальный предел текучести, тогда как состояния T6/T651 достигают максимальной прочности за счёт уменьшения гибкости и увеличения отдачи при гибке.

Химический состав

Элемент	Диапазон содержания, %	Примечания
Si	0.9–1.8	Основной легирующий элемент; улучшает текучесть расплава, снижает диапазон плавления и способствует свариваемости
Fe	0.4–1.0	Примесь, образующая интерметаллические соединения; контролируется для ограничения потери пластичности
Mn	0.05–0.50	Модификатор зеренной структуры и формирователь дисперсных включений для прочности и вязкости
Mg	0.15–0.60	Обеспечивает ограниченное упрочнение за счёт выделения (Mg-Si кластеры) и увеличивает прочность
Cu	0.02–0.30	Низкие уровни для повышения прочности, но ограничены для сохранения коррозионной стойкости
Zn	0.02–0.25	Минорный компонент, обычно ограничивается для снижения склонности к межкристаллитной коррозии (SCC)
Cr	0.01–0.10	Контролирует зеренную структуру и снижает рекристаллизацию при обработке
Ti	0.02–0.12	Зерноразмельчитель, используемый в первичной металлургии для мелкозернистой структуры
Прочие	Макс. 0.05 (каждый) / 0.15 (всего)	Включает следовые элементы, такие как Zr, Sr; поддерживается низкий уровень, чтобы избежать вредных фаз

Содержание кремния во многом определяет поведение 4028: он улучшает литейность и совместимость с присадочными материалами при сварке, а также сокращает диапазон затвердевания. Магний и марганец действуют синергетически для обеспечения умеренного упрочнения при старении и улучшения микроструктуры после обработки, тогда как железо и другие примеси строго контролируются, чтобы предотвратить образование крупных интерметаллических включений, снижающих пластичность и усталостную прочность.

Механические свойства

При растяжении 4028 демонстрирует значительную разницу между отожжённым и стареющим состояниями. В отожженном состоянии (O) присутствуют низкие значения предела текучести и прочности, но высокая пластичность, что облегчает глубокую вытяжку и сложное формообразование; стареющие состояния (T5/T6) обеспечивают более узкий интервал между пределом текучести и прочностью и более высокую временную прочность, подходящую для конструкционных элементов.

Предел текучести значительно повышается после растворяющей термообработки и искусственного старения, обычно достигая 60–70% от временного сопротивления при растяжении в состояниях, аналогичных T6. Усталостные характеристики зависят от состояния поверхности и холодной обработки; отполированные и дробеструйные детали показывают улучшенную усталостную прочность, тогда как крупные интерметаллические включения, связанные с высоким содержанием Fe, могут служить местами зарождения микротрещин.

Твёрдость коррелирует с термообработкой: отожжённые детали мягкие и легко обрабатываются резанием, а поверхности в состоянии Т6 достигают более высоких значений по Бринеллю или Виккерсу, что связано с повышенной плотностью дислокаций и упрочнением осадками. Толщина влияет как на реакцию упрочнения, так и на скорость охлаждения при растворяющей обработке, поэтому детали толщиной свыше нескольких миллиметров требуют контролируемых тепловых циклов для достижения однородных свойств.

Свойство	О/Отожженное	Ключевое состояние (T6/T651)	Примечания
Временное сопротивление при растяжении	95–140 МПа	210–270 МПа	Значения Т6 зависят от толщины сечения и кривой старения
Предел текучести	35–60 МПа	140–200 МПа	Предел текучести значительно повышается при искусственном старении
Относительное удлинение	20–30%	8–12%	Удлинение уменьшается с ростом прочности
Твёрдость (HB)	25–40 HB	60–90 HB	Твёрдость соответствует прочности и влияет на обрабатываемость

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.70–2.73 г/см³	Типично для алюминиевых сплавов, хорошее соотношение прочности и веса
Диапазон плавления	~570–640 °C	Легирование понижает и расширяет интервал плавления по сравнению с чистым алюминием
Теплопроводность	120–150 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия; кремний и легирующие элементы умеренно снижают проводимость
Электропроводность	~28–42 % IACS	Зависит от термообработки и состава; ниже, чем у чистого алюминия и сплавов 1xxx серии
Удельная теплоёмкость	~900 Дж/кг·К	Типичное значение для алюминия, важно для теплового контроля
Коэффициент теплового расширения	22–24 мкм/м·К (20–100 °C)	Сопоставим с другими алюминиевыми сплавами; важен для проектирования соединений с разнородными металлами

Физические свойства 4028 делают его привлекательным для изделий, требующих эффективного теплового управления и лёгкости конструкции. Теплопроводность сплава достаточно высока для применения, подобных теплоотводам, при этом электропроводность снижена по сравнению с чистым алюминием, поэтому сплав редко применяется там, где требуется максимальная электропроводность.

Тепловое расширение и диапазон плавления следует учитывать при сварке и высокотемпературной обработке. Для предотвращения деформаций необходим учёт дифференциального расширения и точный контроль скоростей нагрева и охлаждения при термообработке.

Формы выпуска

Форма	Типичная толщина/размер	Особенности прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.2–6.0 мм	Равномерные свойства по толщине после прокатки; хорошая формуемость в состояниях O и T4	O, H14, T4, T5	Широко используется для штампованных деталей и корпусов
Плита	6–50 мм	Низкая эффективность закалки; требует более длительных циклов растворяющей термообработки	O, T4, T6 (ограниченно)	Толстолистовые изделия нуждаются в специальном старении для достижения целевых свойств
Экструзия	Профили до 200 мм	Хорошая прочность и размерная стабильность после старения	O, T5, T6	Кремний улучшает текучесть при экструзии и качество поверхности
Труба	Толщина стенки 0.5–10 мм	Похожее поведение с листом; гибка и гидроформовка в отожженном состоянии	O, H24, T6	Распространена в конструкциях шасси и трубопроводах
Пруток/Круг	Диаметр 3–100 мм	Хорошая обрабатываемость в состоянии O; упрочнённые прутки применяются для фитингов	O, T6	Тянут и выпрямляют для изготовления прецизионных деталей

Листы и экструдированные профили выигрывают от баланса текучести и прочности сплава; тонколистовые изделия могут подвергаться растворяющей обработке и быстрому охлаждению для лучшей реакции на старение. Толстолистовые изделия требуют более длительных циклов растворяющей термообработки и контролируемого охлаждения для предотвращения мягкой сердцевины и неоднородности свойств.

Экструдированные профили используют кремний для снижения износа штампа и улучшения качества поверхности, в то время как трубы и прутки часто поставляются в отожженном состоянии для последующей штамповки или в упрочнённом положении для механических компонентов. Выбор технологии обработки влияет на конечную микроструктуру и должен соответствовать геометрии детали и требуемому набору свойств.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	4028	США	Отраслевое обозначение для кованого варианта с микроалюминиевыми добавками серии 4xxx
EN AW	AlSi1MgMn	Европа	Приблизительно эквивалентное химическое состав; применяются региональные обозначения термообработки
JIS	A4028 (приблизительно)	Япония	Местные обозначения варьируются; циклы термообработки адаптируются регионально
GB/T	4028	Китай	Часто производится с аналогичными химическими составами, но с локальными допусками производства

Региональные стандарты могут использовать различные системы нумерации сплавов и допуски, поэтому прямая замена требует проверки точных диапазонов химического состава и гарантий механических свойств. Небольшие различия в пределах примесей, практике очистки зерна и допустимых следов элементов могут влиять на усталостную прочность и свариваемость, поэтому при техническом подборе следует учитывать спецификации и данные испытаний.

Коррозионная стойкость

В атмосферных условиях 4028 обладает хорошей общей коррозионной стойкостью благодаря кремнию и низкому содержанию меди, что снижает гальванический потенциал по сравнению с хлоридсодержащей средой. Защитный оксидный слой формируется быстро, и сплав сопротивляется равномерному истончению при типичном уличном воздействии.

Морская среда создает риски питтинговой и щелевой коррозии, особенно в зонах стоячей воды или концентрации хлоридов. Сплав устойчивее, чем медесодержащие сплавы, но требует поверхностной обработки или защитных жертвенных покрытий для длительного погружения или работы в зоне брызг.

Подверженность коррозионному растрескиванию под напряжением низкая по сравнению с высокопрочными сплавами серий 2xxx и 7xxx, благодаря умеренным остаточным напряжениям и ограниченному содержанию меди и цинка. Однако сварные узлы с растягивающими остаточными напряжениями и металлургической неоднородностью должны проектироваться и обрабатываться с осторожностью для минимизации риска КРН (коррозионного растрескивания под напряжением).

Гальванические взаимодействия необходимо учитывать при соединении 4028 с более благородными металлами, такими как нержавеющая сталь или медь; изоляция или жертвенные аноды помогут предотвратить ускоренную коррозию. По сравнению с Mg-содержащими сплавами серии 5xxx, 4028 обладает, как правило, лучшей свариваемостью и сопоставимой атмосферостойкостью, но может быть немного более чувствительным к локальному питтингу в средах с хлоридами.

Технологические свойства

Свариваемость

4028 отлично сваривается стандартными методами плавления, такими как TIG и MIG, и легко соединяется с алюминиево-кремниевыми присадочными сплавами (например, ER4043 или ER4047). Склонность к горячим трещинам низкая, поскольку кремний уменьшает интервал затвердевания, однако неправильный выбор присадочного материала или неудачная конструкция шва могут привести к пористости и размягчению в зоне термического влияния (ЗТВ). Ввод тепла должен контролироваться, чтобы ограничить переотверждение ЗТВ и потерю механических свойств около сварного шва.

Обрабатываемость

Сплав имеет среднюю до хорошей обрабатываемость в отожженном состоянии, с улучшением показателей при наличии небольших количеств безсвинцовых упрочняющих добавок в некоторых коммерческих вариантах. Твердосплавный инструмент с положительным углом режущей кромки и адекватным охлаждением обеспечивает стабильное управление стружкой и качество поверхности. Рекомендуемые скорости резания умеренные; повышение подачи снижает нарастание режущей кромки, но может увеличить шероховатость при неоптимальных режимах.

Формуемость

Формуемость отличная в состоянии O, что позволяет выполнять сложное штамповочное формообработка, глубокую вытяжку и гидроформование с малыми радиусами. С увеличением прочности в состояниях H и T минимальные радиусы гиба и остаточная деформация увеличиваются; детали в состоянии T6 обычно требуют больших фланцев и радиусов. Для операций поэтапного формирования можно применять предварительное старение в T4 с последующим окончательным старением для баланса формуемости и конечных свойств.

Поведение при термообработке

4028 является полуобрабатываемым термически алюминиевым сплавом: контролируемая растворяющая закалка с последующим быстрым охлаждением и искусственным старением значительно повышает прочность. Растворяющую обработку обычно проводят при 510–540 °C в зависимости от толщины сечения для растворения растворимых фаз, затем закаливают в воде для сохранения пересыщенного твёрдого раствора.

Искусственное старение проводится при 160–190 °C в течение 4–10 часов для выделения мелких кластеров Mg-Si и дисперсных частиц кремния; кривые старения зависят от сечения, а перезакалка снижает прочность и улучшает пластичность. Т5 (охлаждение с высокой температуры с последующим искусственным старением) является производственно удобным вариантом, когда полная растворяющая закалка невозможна.

Для цеховой отпуска и отжига состояние O достигается нагревом до ~370–400 °C для снятия напряжений или размягчения с последующим контролируемым охлаждением в печи. Упрочнение деформацией остаётся эффективным методом повышения прочности при отсутствии термообработки, особенно в состоянии H.

Поведение при высоких температурах

Рабочая прочность начинает снижаться выше примерно 120–150 °C из-за уменьшения устойчивости выделений и ослабления взаимодействия между дислокациями и осадками. Для непрерывной эксплуатации обычно ограничиваются температурой ниже 150 °C, чтобы сохранить значительную долю прочности при комнатной температуре.

Оксидная стойкость сопоставима с другими алюминиевыми сплавами; защитные оксидные слои формируются быстро и ограничивают дальнейшее высокотемпературное разрушение при неагрессивной атмосфере. Длительное воздействие выше 200 °C ускоряет коарснение упрочняющих фаз и может вызвать необратимое размягчение и изменение размеров, особенно в тонких сечениях, где могут проявиться явления ползучести.

Зоны термического влияния (ЗТВ) сварных соединений особенно подвержены снижению прочности при воздействии повышенных температур после сварки; для восстановления свойств в зависимости от требований конструкции может применяться послесварочное старение или растворяющая обработка с последующим старением.

Применение

Отрасль	Пример компонента	Причины использования 4028
Автомобильная	Внутренние панели кузова, крепёжные кронштейны	Хорошая формуемость в состоянии O и повышенная прочность в состоянии T5/T6 для сборных конструкций
Морская	Кронштейны, корпуса, отделка	Умеренная устойчивая к хлоридам коррозионная стойкость и отличная свариваемость с алюминиево-кремниевыми присадками
Авиационная	Вторичные крепления, воздуховоды	Благоприятное соотношение прочности и массы, хорошая экструдируемость сложных профилей
Электроника	Радиаторы, корпуса	Достаточная теплопроводность и стабильность размеров после старения

4028 часто выбирают там, где требуется сочетание технологичности и свариваемости с более высокими механическими характеристиками по сравнению с мягкими коваными сплавами. Его сбалансированные свойства позволяют использовать сплав в различных транспортных и промышленных отраслях, где одновременно необходимы умеренные прочностные показатели, хорошая коррозионная стойкость и удобство обработки.

Рекомендации по выбору

Выбирайте 4028, если проект требует прочности выше, чем у коммерчески чистого алюминия (1100), сохраняя при этом значительную формуемость и превосходную свариваемость. По сравнению с 1100, 4028 уступает по электропроводности и теплопроводности, но значительно выигрывает по временной и предельной прочности.

В сравнении с распространёнными упрочняемыми деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 4028 обеспечивает большую прочность в упрочнённом состоянии и сопоставимую атмосферостойкость, хотя может быть чуть менее устойчив к механическим повреждениям в агрессивных хлоридных средах. По сравнению с типичными термообрабатываемыми сплавами, такими как 6061/6063, 4028 предлагает лучшую свариваемость и особенности экструдирования и формования с кремнием, но уступает по максимальной достижимой прочности.

Для закупок отдавайте предпочтение 4028, когда технологические процессы включают сварку плавлением с присадками на основе Al-Si, когда важна высокое качество поверхности экструдата или требуется полуобрабатываемый сплав для упрощения производства без необходимости максимальных циклов термообработки.

Заключение

Сплав 4028 занимает практическую нишу среди алюминиевых сплавов, сочетая преимущества кремния для технологичности с контролируемым содержанием магния, что позволяет получить полуобрабатываемый термически материал с балансом формуемости, свариваемости, коррозионной стойкости и умеренно высокой прочности. Он остаётся актуальным там, где проектировщики требуют надёжную технологичность и эксплуатационные характеристики без дополнительных затрат и рисков коррозионного растрескивания, связанных с высокопрочными медесодержащими или цинксодержащими сплавами.