Алюминий 4043: состав, свойства, характеристики термообработки и области применения

Общий обзор

4043 относится к серии алюминиевых сплавов 4xxx, которые содержат кремний и предназначены в первую очередь для сварочных применений и улучшенной текучести в расплавленном состоянии. Серия 4xxx не относится к коррозионно-твердому классу сплавов; упрочнение достигается за счет твердого раствора легирующих элементов и наклёпом при холодной обработке.

Основным легирующим элементом в 4043 является кремний (Si) в количестве обычно от 4,5 до 6,0 мас.% при низком содержании железа и малых добавках титана и других элементов, применяемых для рафинирования зерна. Кремний снижает диапазон плавления, улучшает литьевые свойства и текучесть сварного металла, а также уменьшает склонность к образованию горячих трещин при контактной сварке.

Ключевые характеристики 4043 включают умеренную прочность на разрыв, отличную свариваемость, хорошую коррозионную стойкость и приемлемую формуемость в отожженном состоянии. Он широко используется как присадочный сплав для сварки MIG/TIG алюминия, а также поставляется в виде деформированного проката для неструктурных компонентов, где приоритетами являются свариваемость и коррозионная стойкость, а не максимальная прочность.

Основные отрасли применения 4043 — автомобилестроение (сварочная проволока и пайка), производство бытовой техники, общая металлообработка и электротехнические/электронные сборки, где важны хорошая электропроводность и чистота сварных швов. Инженеры выбирают 4043 вместо альтернатив, когда главным фактором являются текучесть расплава, низкая склонность к горячим трещинам и совместимость с управляемыми оксидами алюминия сварочными ваннами, а не максимальные механические свойства.

Варианты состаривания (темпера)

Темпера	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое (15–30%)	Отличная	Отличная	Полностью отожжённый, наилучшая пластичность и формуемость
H14	Умеренный	Низкое–умеренное (3–10%)	Удовлетворительная	Отличная	Холоднообработан до состояния четвертьтвёрдости, повышает предел текучести
H18	Умеренно высокий	Низкое (≈3%)	Ограниченная	Отличная	Полное холодное упрочнение для повышения прочности
T4	Низкий–умеренный	Умеренное	Хорошая	Отличная	Решеточная закалка и естественное старение; редко для 4043, но встречается у некоторых деформированных продуктов
T5 / T6 / T651	Не применяется / вариабельный	Нет данных	Нет данных	Отличная	Стандартные температуры T5/T6 обычно не применяются для 4043, так как этот сплав не подвергается классическому упрочнению старением; данные указывают на ограниченную или специализированную обработку

Темпера существенно влияют на пластичность, предел текучести и формуемость для 4043. Отожжённое состояние (O) обеспечивает наибольшее удлинение и простоту формовки, тогда как H-варинты и холодная обработка меняют пластичность в пользу более высокого предела текучести и твёрдости.

Обработка также влияет на поведение при сварке и чувствительность к остаточным напряжениям; более мягкие температуры снижают склонность к образованию трещин в сварных соединениях и предпочтительны для сложной формовки до сварки.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	4,5–6,0	Основной легирующий элемент; улучшает текучесть расплава и снижает диапазон плавления
Fe	≤0,8	Распространённая примесь; образует интерметаллиды, влияющие на внешний вид поверхности и разброс механических свойств
Mn	≤0,05	Минимальное содержание; мало влияет на упрочнение
Mg	≤0,05	Низкое содержание; 4043 не предназначен для упрочнения за счет выделения Mg-содержащих фаз
Cu	≤0,2	Сдерживается для сохранения коррозионной стойкости и свариваемости
Zn	≤0,25	Незначительное содержание; влияние на свойства минимально
Cr	≤0,05	Тройное содержание; может использоваться для подавления примесей
Ti	≤0,20	Часто добавляется как рафинатор зерна в литейной и сварочной проволоке
Прочие / Al остальное	Баланс	Алюминий составляет остальное, с учетом контроля следовых элементов по спецификации

Кремний доминирует в формировании рабочих свойств 4043: он снижает температуру ликвидуса и повышает текучесть жидкого металла, что улучшает контактную сварку и снижает склонность к образованию трещин при кристаллизации. Содержание других элементов строго контролируется для ограничения вредных интерметаллических фаз и поддержания коррозионной стойкости; Ti и малые добавки используются целенаправленно как рафинаторы зерна для улучшения микроструктуры отливок и сварных швов.

Механические свойства

4043 демонстрирует типичное для не термически упрочняемых алюминиевых сплавов на кремниевой основе поведение при растяжении: умеренные значения временного сопротивления и предела текучести при относительно высокой пластичности в отожженном состоянии. Предел текучести сильно зависит от температуры и холодной обработки; холоднообработанный материал (темпера H) может достигать достаточного уровня прочности для конструкций с невысокими требованиями, тогда как отожжённый продукт используется при необходимости формовки.

Относительное удлинение высоко в состоянии O и существенно падает с увеличением степени наклёпа. Твёрдость коррелирует с температурой — в отожженном состоянии она низкая, в H-подобных температурах твёрдость повышается, сопровождаясь уменьшением пластичности. Устойчивость к усталости умеренная и сильно зависит от состояния поверхности, зоны термического влияния сварки и наличия пористости в литье или сварных соединениях.

Толщина материала влияет: в тонких листах можно наблюдать несколько более высокие прочностные характеристики из-за холодной прокатки и производственной истории, тогда как толстые плиты и сварные швы могут иметь более низкие свойства и большую неоднородность микроструктуры. Состояние поверхности и остаточные напряжения, вызванные формовкой или сваркой, оказывают значительное влияние на ресурс усталости и инициирование трещин.

Свойство	O / Отожжённый	Основные температуры (например, H14/H18)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	≈80–140 MPa	≈120–200 MPa (в зависимости от степени холодной обработки)	Широкий разброс из-за способов обработки; прочность сварного металла может отличаться
Предел текучести	≈30–80 MPa	≈90–160 MPa	Предел текучести значительно повышается при холодной обработке
Относительное удлинение	≈15–30%	≈3–10%	Пластичность снижается с увеличением холодной обработки
Твёрдость (HB)	≈25–50 HB	≈50–85 HB	Твёрдость меняется в зависимости от температуры и предыдущей холодной обработки

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2,68 г/см³	Типичная для алюминиевых сплавов; важна для расчёта массы
Диапазон плавления	≈577–613 °C (твердое тело–жидкое тело)	Кремний снижает температуру начала плавления по сравнению с чистым алюминием; диапазон варьируется в зависимости от точного содержания Si
Теплопроводность	≈120–160 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия из-за легирования; всё равно хорошая для теплоотвода
Электропроводность	≈30–45 %IACS	Снижена относительно чистого алюминия; структура швов и осадочная микроструктура дополнительно влияют на проводимость
Удельная теплоёмкость	≈0,9 Дж/г·К (900 Дж/кг·К)	Типичное значение для алюминия; слабо зависит от легирования
Коэффициент термического расширения	≈23–24 мкм/м·К (20–100 °C)	Типичный линейный коэффициент для алюминиевых сплавов; важен для расчёта термических напряжений

Набор физических свойств 4043 определяет область его применения в тепловых и электрических системах, где умеренная электропроводность и низкая плотность являются преимуществами. Теплопроводность достаточна для многих применений в теплообменниках и теплоотводах, однако при точном тепловом моделировании следует учитывать снижение по сравнению с чистым алюминием.

Уменьшенный диапазон плавления и улучшенная текучесть, обусловленные содержанием кремния, являются ключевыми факторами, облегчающими сварку и литьё, а также влияют на кинетику кристаллизации и склонность к горячим трещинам при контактной сварке.

Формы выпуска

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Часто применяемые температуры	Примечания
Лист	0,3–6,0 мм	Низкая прочность в состоянии O; может быть упрочнён наклёпом	O, H14	Используется для панелей, корпусов и применений, требующих хорошей формуемости
Плита	6–50 мм	Умеренная прочность; толстые участки показывают микроструктурные градиенты	O, состояние после прокатки	Реже применяется для конструкционных плит из-за ограниченной максимальной прочности
Экструзия	Сложные профили, поперечные сечения 1–50 мм	Зависит от формы профиля и степени холодной обработки	O, H-процессы	Экструзии применяются там, где важны свариваемость и точность формы
Труба	Диаметр от нескольких мм до крупных	Прочность зависит от толщины стенки и температуры	O, H	Используется для транспортировки жидкостей, структурных неответственных труб
Пруток/проволока	2–50 мм	Как правило, умеренная прочность; часто используется как присадочный материал	O, тянутый	Распространённая форма для сварочной проволоки и припойных прутков

Деформированные формы 4043 обрабатываются с упором на свариваемость и формуемость; листы и экструзии часто отжигаются для облегчения формования и последующей сварки. Холодная обработка применяется для повышения прочности в конструкциях с невысокими требованиями, однако сопровождается снижением пластичности.

Продукция сварочного класса и сварочная/припойная проволока 4043 выпускаются с контролируемым химическим составом и рафинированием зерна для максимизации текучести расплава, снижения пористости и управления склонностью к горячим трещинам при сварке и пайке.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	4043	США	Обозначение Aluminum Association; часто используется в спецификациях
EN AW	4043	Европа	Часто обозначается как EN AW-4043 или AlSi5 с подобным химическим составом
JIS	A4043 / AlSi5	Япония	Японские промышленные стандарты используют похожие описания Al–Si; точное обозначение может варьироваться
GB/T	4043	Китай	Китайские обозначения GB/T близки к AA/EN по химическому составу для алюминиевых сварочных сплавов Al–Si

Эквивалентность является приблизительной, поскольку производственные практики, пределы содержания примесей и разрешённые микроэлементы могут отличаться в зависимости от регионального стандарта. Инженерам рекомендуется проверять сертификаты анализа поставщика для критически важных применений и учитывать небольшие допустимые вариации по Fe, Ti и микроэлементам, которые могут влиять на поведение при сварке и литье.

Коррозионная стойкость

4043 демонстрирует хорошую общую атмосферостойкость, типичную для алюминиевых сплавов, при контакте со свежим воздухом или слабоагрессивными средами. Сплав образует стабильную плёнку оксида алюминия, обеспечивающую пассивацию, и наличие кремния при нормальных условиях не ухудшает пассивный слой.

В морских или средах с содержанием хлоридов 4043 обладает умеренной стойкостью, но остаётся восприимчив к локальным повреждениям при наличии гальванических пар с более благородными металлами или при повреждении покрытий. Устойчивость к питтингу лучше, чем у некоторых прочных сплавов благодаря низкому содержанию меди, однако он уступает специализированным морским сплавам при активном воздействии солевого тумана.

Склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением у 4043 низкая по сравнению с прочными упрочняемыми алюминиевыми сплавами; однако зоны термического влияния сварки и остаточные растягивающие напряжения могут локализовать коррозионную трещинообразование. При проектировании следует предусматривать покрытия, катодную защиту и изоляцию при наличии разнородных металлов для снижения риска гальванической коррозии.

По сравнению со сплавами серий 2xxx и 7xxx, 4043 обладает более высокой общей коррозионной стойкостью за счёт низкого содержания Cu и высокого содержание Si; по сравнению со сплавами 5xxx его свойства схожи в большинстве атмосферных условий, но сплавы 5xxx с повышенным Mg обычно имеют лучшую стойкость в морской воде при конструкционном применении.

Свойства изготовления

Свариваемость

4043 является одним из предпочтительных плавящихся присадочных материалов для сварки алюминия благодаря высокому содержанию кремния, обеспечивающему отличную текучесть и низкую склонность к горячим трещинам. Сплав хорошо подходит для процессов MIG (GMAW) и TIG (GTAW) и является стандартным выбором для сварки алюминий–алюминий, когда приемлем металл шва с более мягкими и пластичными свойствами. Риск появления горячих трещин в наплавленном металле 4043 относительно невысок по сравнению с многими другими присадочными или основными сплавами, однако необходимо контролировать пористость шва и поглощение водорода.

Обрабатываемость резанием

Прокатанный 4043 обладает средней обрабатываемостью; он обрабатывается легче, чем упрочняемые термической обработкой сплавы, но несколько жестче, чем чистый алюминий, из-за абразивности кремния. Рекомендуется применение твердых и пластичных карбидных инструментов с положительным углом в плане и жёсткими креплениями для прогнозируемой стружкообразования. Скорости резания и подачи нужно оптимизировать, чтобы избежать прироста режущего лезвия и справляться с абразивными частицами кремния в микроструктуре.

Обрабатываемость гибкой

Обрабатываемость гибкой отличная в отожжённом состоянии O, с возможностью получения малых радиусов сгиба при малых толщинах; типичные минимальные внутренние радиусы сгиба составляют приблизительно 1–3× толщины в зависимости от инструмента и состояния. Холодная деформация повышает прочность, но снижает пластичность