Алюминий 4035: состав, свойства, показатели состояния и области применения

Общий обзор

4035 является представителем серии алюминиевых сплавов 4xxx, семейства, характеризующегося кремнием как основным легирующим элементом. Эта классификация относит 4035 к сплавам, разработанным для улучшенной текучести, износостойкости в отливках и для применения в сварке и пайке, а также умеренной прочности, достигаемой за счет твердого раствора и дисперсных фаз, а не классического упрочнения за счет выделений.

Основными легирующими элементами в 4035 являются кремний и контролируемые добавки магния, при этом присутствуют незначительные количества железа, марганца, титана и микроэлементов для контроля структуры зерна и поведения при литье и сварке. Такое сочетание обеспечивает материал, который не относится к упрочняемым при старении; его упрочнение обусловлено твердорастворным упрочнением за счет Si, мелкодисперсными фазами, образующимися в термических циклах, и упрочнением при деформации для деформированных состояний.

Ключевые характеристики 4035 включают умеренную статическую прочность, хорошую текучесть и смачиваемость для сварки и пайки, надёжную коррозионную стойкость в атмосферных и слабо морских условиях, а также хорошую обрабатываемость в отожженном или слабо упрочненном состоянии. Высокая свариваемость — одно из достоинств, особенно благодаря добавкам кремния, которые улучшают поток присадочного материала и снижают склонность к горячим трещинам, что делает 4035 привлекательным в автомобильной промышленности, бытовой технике и определённых конструкционных применениях, где требуется баланс формуемости, коррозионной стойкости и сварных свойств.

Инженеры часто выбирают 4035 вместо более чистых сплавов, когда приоритетом являются улучшенная свариваемость и надежность соединений без перехода на более мягкие и менее прочные материалы. Он предпочтительнее некоторых сплавов серии 6xxx при необходимости совместимости со сварочными присадками и снижении требований к последующей термообработке после сварки. Сочетание обрабатываемости, приемлемой прочности и коррозионной стойкости делает этот сплав рациональным выбором для сборочных конструкций и сварных изделий.

Варианты термообработки

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое, максимальная пластичность и формуемость
H14	Средне-высокий	Низкое-среднее	Хорошая	Отличная	Упрочнённое деформацией до четверти полного упрочнения, обычно для листового материала
H18	Средний	Средний	Хорошая	Отличная	Стабилизированное и частично снято напряжение, применяется при необходимости контроля упругого отгиба
H24	Средний	Средний	Хорошая	Отличная	Снятие напряжений после упрочнения деформацией, баланс прочности и пластичности
T4 (ограниченно)	Ограниченное повышение	Средний	Хорошая	Хорошая	Натуральное или частичное растворение; редко используется для сплавов 4xxx
T5/T6	Не характерно	–	Сниженная	Сниженная	Искусственное старение до максимальной твёрдости малоэффективно для сплавов 4xxx

Состояние термообработки сильно влияет на компромисс между формуемостью и прочностью. Отожжённое состояние (O) обеспечивает лучшую вытяжку и гибкость для глубокой штамповки, тогда как упрочненные состояния H повышают прочность за счет снижения пластичности и увеличения минимального радиуса сгиба.

Свариваемость сохраняется на хорошем уровне во всех состояниях, так как кремний сокращает диапазон затвердевания и снижает склонность к горячим трещинам; однако упрочнённые деформацией состояния могут иметь повышенный упругий отгиб и требовать больших усилий при формовке после сварки.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	5.5–8.5	Основной легирующий элемент; улучшает текучесть, снижает диапазон плавления и повышает износостойкость
Fe	0.3–0.8	Остаточная примесь; образует интерметаллиды, влияющие на пластичность и термостабильность
Mn	0.1–0.6	Модификатор структуры зерна; повышает прочность и снижает горячую хрупкость
Mg	0.3–0.9	Небольшие добавки стимулируют формирование Mg2Si и незначительно увеличивают прочность
Cu	≤0.2	Низкое содержание для сохранения коррозионной стойкости и уменьшения гальванической реакции
Zn	≤0.25	Низкое; большие количества не типичны для семейства 4xxx
Cr	≤0.1	Контролирует рост зерна и улучшает вязкость в некоторых состояниях
Ti	≤0.2	Зерноочиститель для отливок и экструдированных изделий
Другие (каждый)	≤0.05	Следовые элементы регулируются для поддержания свариваемости и механической однородности

Кремний является главным фактором, влияющим на характеристики: он уменьшает разрыв ликвидуса и солидуса, улучшает текучесть расплава и смачивание при сварке и литье, а также способствует твердорастворному упрочнению. Магний в контролируемых количествах образует мелкодисперсные частицы Mg2Si при термическом воздействии, что немного повышает прочность без обеспечения полной упрочняемости термообработкой. Железо и марганец в основном влияют на формирование зерна и интерметаллидов, которые, в свою очередь, влияют на вязкость и формуемость.

Механические свойства

В эксплуатации 4035 демонстрирует умеренные показатели прочности, со сравнительно широким диапазоном в зависимости от состояния термообработки, толщины сечения и истории обработки. Отожжённый материал имеет низкий предел текучести и умеренную временную прочность с высокой пластичностью, тогда как упрочнённые деформацией состояния H значительно повышают прочность с соответствующим снижением пластичности. Твёрдость коррелирует со степенью упрочнения: отожжённые пластины мягкие и легко формуемые, а листы в состояниях H14/H24 достигают более высоких значений по шкалам Бринелля и Роквелла, что полезно для умеренных конструкционных нагрузок.

Поведение при усталости типично для кремнийсодержащих сплавов: усталостная прочность достаточна для циклических нагрузок при минимизации концентраций напряжений; поверхность и остаточные напряжения от формовки и сварки существенно влияют на ресурс. Влияние толщины заметно, поскольку крупные сечения сохраняют больше неоднородностей отливки или экструзии; тонкие заготовки более однородны и предсказуемо реагируют на холодную обработку и сварку. Зоны термического влияния при сварке могут проявлять локальное размягчение или изменения пластичности, но основные свойства всё же определяются составом и состоянием термообработки.

Технологический путь и история деформации после формовки в значительной степени определяют итоговые механические показатели. Проектировщикам следует ожидать более низкую максимальную прочность по сравнению с множеством 6xxx упрочняемых сплавов, но более высокую надёжность сварных соединений и сопоставимую коррозионную стойкость со сплавами 5xxx в ряде условий.

Свойство	O / отожжённое	Основное состояние (H14/H24)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	110–150 MPa	200–260 MPa	Диапазон зависит от степени упрочнения и толщины; значения ориентировочные для деформированного продукта
Предел текучести	55–90 MPa	120–180 MPa	Предел текучести заметно повышается при упрочнении деформацией
Относительное удлинение	18–28%	6–12%	Пластичность снижается с ростом прочности; у тонких листов удлинение выше
Твёрдость (HB)	30–50 HB	60–95 HB	Твёрдость зависит от состояния; указанные диапазоны зависят от технологии

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.66–2.70 г/см³	Типично для алюминиевых сплавов с кремнием; чуть меньше стали, что обеспечивает снижение массы
Диапазон плавления	577–640 °C	Эвтектическое смещение кремния снижает ликвидус по сравнению с чистым алюминием, обеспечивая более широкий плавкий диапазон
Теплопроводность	≈140–170 Вт/м·К	Снижена относительно чистого алюминия из-за легирования; все же хороша для теплоотвода
Электропроводность	≈25–35 %IACS	Легирование Si и Mg уменьшает проводимость по сравнению с коммерчески чистым алюминием
Удельная теплоёмкость	≈0.88–0.90 Дж/г·К	Типично для алюминиевых сплавов данного класса
Коэффициент теплового расширения	≈23–24 µм/м·К	Похож на другие деформированные алюминиевые сплавы

Наличие кремния и других легирующих элементов снижает тепловую и электрическую проводимость по сравнению с коммерчески чистым алюминием. Тем не менее, 4035 сохраняет благоприятные тепловые характеристики для теплоотводящих элементов и компонентов, где требуется умеренная проводимость и низкий тепловой расширение.

Проектировщикам необходимо учитывать снижение проводимости наряду с преимуществами в литейности, свариваемости и механической стабильности. Диапазон плавления и пониженный ликвидус способствуют надежному плавлению и смачиванию при сварке и пайке.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Распространённые состояния упрочнения	Примечания
Лист	0.3–6.0 мм	Равномерная, чувствительная к холодной обработке	O, H14, H18, H24	Широко применяется для панелей и штампованных деталей
Плита	>6.0–50 мм	Немного ниже прочность при том же номинальном состоянии из-за остаточных эффектов литья/проката	O, H32	Для обработки требуется более мощное оборудование; используется для конструкционных сегментов
Экструзия	Толщина стенки 1–20 мм; профиль варьируется	Прочность зависит от профиля и скорости охлаждения	O, H14	Экструзии с кремнием обеспечивают лучшее заполнение пресс-формы и качество поверхности
Труба	Ø10–400 мм	Типичные прочностные показатели труб совпадают с листом/плитой	O, H14	Доступны бесшовные и сварные трубы; используются в гидравлических и конструкционных системах
Пруток/штанга	Ø3–100 мм	Похожее поведение состояний упрочнения, как у экструдированных профилей	O, H14	Используется для механической обработки и крепежных элементов с требованием свариваемости

Методы формовки и обработки существенно влияют на механические показатели и состояние поверхности 4035. Листы и экструзии можно подвергать холодной деформации для повышения прочности, тогда как плиты и более толстые изделия могут требовать предварительного подогрева или более мощного оборудования для формовки. Сварка обычно выполняется без агрессивной постсварочной термообработки, однако проектировщикам следует учитывать влияние зоны термического воздействия (ЗТВ) на несущие соединения.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	4035	США	Обозначение Американской Ассоциации Алюминия для кованого состава серии 4xxx
EN AW	4035	Европа	Европейский стандарт соответствует химическому составу AA, но допуски и состояния могут немного отличаться
JIS	A4035	Япония	Японское обозначение; химический состав совместим, но производственные практики и пределы примесей отличаются
GB/T	4035	Китай	Китайский стандарт с похожим номинальным составом, но различным контролем микроэлементов

Прямое однозначное соответствие по всем стандартам существует по номинальному составу, однако пределы проверки, контроль примесей и микроограничения различаются. Европейские и японские стандарты, как правило, требуют более жёсткого контроля содержания железа и меди для обеспечения стабильной свариваемости и коррозионной стойкости. Покупателям рекомендуется всегда требовать соответствующий сертификат материала и перепроверять требования к состоянию упрочнения и механическим свойствам для ответственных применений.

Коррозионная стойкость

4035 обладает очень хорошей атмосферной коррозионной стойкостью, частично благодаря содержанию кремния и низкому уровню меди, что снижает гальваническую активность на воздухе и в слабо индустриальных условиях. В сельской и городской атмосфере поведение сопоставимо с большинством сплавов серий 5xxx и 6xxx, за счёт пассивной оксидной плёнки, защищающей поверхность при типичных эксплуатационных температурах.

В морской и хлорсодержащей среде 4035 демонстрирует приемлемую коррозионную стойкость для конструкционных элементов выше уровня брызгоизоляции, но, как и большинство алюминиевых сплавов, подвержен точечной и щелевой коррозии в застойной солёной воде или под отложениями. Рекомендуются защитные покрытия, анодирование или катодная защита в случаях продолжительного погружения или высокого содержания хлоридов.

Вероятность межкристаллитной коррозии под напряжением (SCC) низкая по сравнению с высокопрочными сплавами 7xxx серии, но не исключена; риск повышается при высоких растягивающих напряжениях, воздействии агрессивных галогенидов и определённых остаточных напряжениях после термо- и мехобработки. При электрическом контакте с более благородными металлами гальваническая пара может ускорять коррозию 4035 без применения изоляционных мер или совместимых крепёжных элементов.

По сравнению с магниевыми сплавами 5xxx, 4035 обычно показывает сходную или несколько лучшую локальную коррозионную стойкость из-за меньшего содержания Mg и Cu. В сравнении с 6xxx сплавами, 4035 часто предпочтительнее при требованиях к свариваемости и сниженной необходимости постсварочного отпуска, несмотря на немного более низкую максимальную прочность.

Технологические свойства

Свариваемость

4035 разработан для отличной работы при сварке и пайке плавлением; кремний снижает диапазон температур затвердевания и уменьшает склонность к горячей трещинообразованию. Хорошо подходит для TIG, MIG (GMAW) и контактной сварки с устойчивым профилем шва и хорошим смачиванием основного материала. Рекомендуемые расходные материалы соответствуют химии сплава (алюминиевые припои с содержанием Si) для сохранения пластичности и коррозионной стойкости; часто используются Al-Si припои. Требуется контроль тепловложения для предотвращения избыточного размягчения зоны термического воздействия и деформации тонколистовых изделий.

Механическая обработка

Механическая обрабатываемость 4035 в целом хорошая и превосходит многие высокопрочные алюминиевые сплавы благодаря умеренной прочности и содержанию кремния, обеспечивающему стабильное образование стружки. Рекомендуется использование стандартного твердосплавного инструмента с подходящими покрытиями (TiAlN, TiN) и умеренно высокими скоростями резания для оптимизации ресурса и качества поверхности. Контроль стружки простой, но может осложняться межметаллидными включениями Mg и Fe в толстых изделиях; завершительные проходы уменьшают заусенцы и повышают усталостную долговечность в местах концентрации напряжений. Использование СОЖ и жёсткая фиксация улучшают точность при съёме большого объёма материала.

Формуемость

Формуемость отожжённого 4035 отличная, позволяющая выполнять глубокую вытяжку, гибку и сложное штамповочное формование с относительно малыми минимальными радиусами изгиба по сравнению с более твёрдыми состояниями. Холодное упрочнение (техсостояния H) увеличивает прочность, но требует больших радиусов изгиба и компенсации упругого отжатия при разработке штампов. Для тяжёлой формовки или растяжения рекомендуется использовать состояние O или промежуточный отжиг для восстановления пластичности; для толстых профилей возможно применение тёплой формовки для снижения усилий. Поверхности инструментов должны быть чистыми и смазаны для предотвращения заедания, особенно при формовке тонких листов в состоянии H.

Поведение при термообработке

4035 не является классическим упрочняемым термообработкой сплавом (T6-подобным); не демонстрирует значительного улучшения свойств после раствора и искусственного старения, в отличие от сплавов 6xxx (Mg-Si) или 7xxx (Zn-Mg). Попытки последовательных циклов раствора и старения дают ограниченное дополнительное упрочнение, поскольку кремний в 4xxx сплавах образует преимущественно кремниевые фазы, а не непрерывную структуру старения.

Отжиг эффективно размягчает 4035 и восстанавливает пластичность после холодной обработки. Типичный отжиг проводится при температурах 350–415 °C с контролируемым охлаждением для минимизации роста зерен и сохранения хорошей отделки поверхности. Упрочнение достигается главным образом за счёт наклёпа (деформационного упрочнения); производители регулируют конечное состояние путём калиброванного холодного проката и облегчения остаточных напряжений, а не осадочного упрочнения.

При критичных характеристиках после сварки проектировщики ориентируются на конструкционные решения и выбор присадочных материалов для обеспечения прочности соединения, а не на существенное восстановление прочности с помощью термообработки. Для задач, требующих более высокой максимальной прочности, следует рассматривать замену на упрочняемые термообработкой сплавы.

Работа при повышенных температурах

4035 постепенно теряет прочность с повышением температуры, заметное размягчение начинается выше примерно 150–200 °C. Для длительной эксплуатации в конструкциях рекомендуемая максимальная непрерывная температура не превышает 125 °C, чтобы избежать необратимой потери механических свойств и стабильности размеров. Повышенные температуры также ускоряют коагуляцию дисперсных фаз и межметаллидов, что сокращает усталостную выносливость и сопротивляемость ползучести.

Окисление при рабочих температурах ограничено защитной плёнкой Al2O3; однако длительное воздействие высоких температур может привести к образованию окалины и изменению химии поверхности, что влияет на последующую сварку или клеевые соединения. Зоны термического влияния при сварке могут иметь местные микроструктурные изменения, но общее поведение по окислению менее выражено, чем у ферросплавов при аналогичных условиях. Рекомендуется проводить специфические испытания для циклической и длительной высокотемпературной эксплуатации.

Области применения

Отрасль	Пример детали	Почему используется 4035
Автомобильная	Кузовные панели, сварные узлы	Хорошая формуемость и свариваемость; улучшенное качество соединений по сравнению с некоторыми другими сплавами
Судостроение	Перегородки, кронштейны выше брызгоизоляции	Коррозионная стойкость и свариваемость для изготовленных компонентов
Авиастроение	Вторичные детали и обтекатели	Оптимальное сочетание прочности и массы, хорошая свариваемость для некритичных конструкций
Электроника	Рассеиватели тепла, корпуса	Достаточная теплопроводность и простота изготовления корпусов
Бытовая техника	Панели стиральных/сушильных машин, теплообменники	Хорошая поверхность, формуемость и экономичность изготовления

4035 особенно подходит для изделий, где сварные сборки требуют надёжного смачивания и минимальной склонности к горячим трещинам, а постсварочная термообработка нежелательна или невозможна. Его сбалансированные механические, тепловые и технологические свойства делают его универсальным вариантом для многих среднетяжёлых конструкционных и изготовительных задач.

Рекомендации по выбору

Используйте 4035, когда важны свариваемость и простота обработки, а также необходим баланс умеренной прочности и хорошей коррозионной стойкости. Это прагматичный выбор для сварных панелей, экструзионных профилей и труб, где приоритетом являются совместимость с материалом заполнителя и прочность соединений.

По сравнению с технически чистым алюминием (1100), 4035 жертвует частью электропроводности и теплопроводности, а также немного сниженной формуемостью, обеспечивая при этом значительно более высокую прочность и улучшенные износостойкость и свариваемость. По сравнению с распространёнными упрочненными холодной деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 4035 обычно обеспечивает сопоставимую коррозионную стойкость с улучшенной свариваемостью и немного более высокой достижимой прочностью за счёт холодной обработки. По сравнению с термообрабатываемыми сплавами, такими как 6061 или 6063, 4035 не достигает таких же максимальных значений прочности, но предпочитается там, где требуется сварка без последующего старения или улучшенная текучесть сварочной ванны.

Для покупателей выбирайте 4035 в тех случаях, когда важнее стоимость, доступность и скорость изготовления (меньше послесварочных обработок), чем максимальная прочность после термообработки. Указывайте состояние поставки и заводские сертификаты, соответствующие процессам штамповки и сварки, для обеспечения прогнозируемых эксплуатационных характеристик.

Итог

4035 остаётся актуальным как кремнийсодержащий сплав серии 4xxx, сочетающий хорошую свариваемость, надёжную формуемость в отожжённом состоянии и стабильную коррозионную стойкость для многих изготовленных изделий. Его прагматичный баланс свойств делает его предпочтительным выбором там, где эффективность изготовления и прочность соединений важнее максимальной прочности после термообработки.