Алюминий 4044: состав, свойства, руководство по состоянию и области применения

Обзор

Сплав 4044 относится к алюминиевым сплавам серии 4xxx, в которых основным легирующим элементом является кремний (Si) и которые входят в группу деформируемых сплавов. Его содержание кремния относительно высоко по сравнению со сплавами серий 1xxx–3xxx, и он классифицируется как не подвергающийся термической обработке; повышение механических свойств здесь достигается в основном за счёт упрочнения твёрдым раствором и наклёпа.

Основными легирующими элементами являются кремний с небольшими контролируемыми добавками или ограничениями по содержанию железа, марганца и следовых элементов; содержание меди и магния обычно очень низкое. Кремнисодержащий состав улучшает литейные свойства и свариваемость, одновременно изменяя температуру плавления сплава и его характеристики при соединении.

Ключевые характеристики 4044 включают умеренную прочность, хорошую коррозионную стойкость во многих атмосферных и слабых водных средах, отличную свариваемость и удовлетворительную пластичность в отожженном состоянии. Типичные отраслевые применения — кузовные элементы автомобилей и паяльно-наплавочные работы, теплообменники, электрические компоненты и общие конструкционные экструдаты, в которых важно хорошее заполнение и совместимость с материалом припоя.

Инженеры выбирают 4044 по сравнению с другими сплавами, когда требуется баланс между свариваемостью, паяльными характеристиками и коррозионной стойкостью без дополнительных затрат, сложности обработки или снижения пластичности, характерных для многих термообрабатываемых сплавов. Его содержание кремния улучшает жидкотекучесть и снижает образование трещин при сварке и пайке, что является основной причиной выбора этого сплава для соединений и применения в качестве припоя.

Степени упрочнения (темперы)

Темпер	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожжённый, оптимальная пластичность и формуемость
H12 / H14 / H16	Умеренный	Умеренное	Хорошая	Очень хорошая	Упрочнённые наклёпом степени, доступно от лёгкого до умеренного наклёпа
H18 / H24	Высокий	Сниженное	Средняя	Хорошая	Более сильное упрочнение для повышения прочности при менее критичной формуемости
T (например, T4/T5/T6)	Не применимо / Ограничено	Н/Д	Ограниченная	Н/Д	Сплавы серии 4xxx обычно не термообрабатываются традиционно; термины T встречаются редко или связаны с определёнными технологическими процессами

Степень упрочнения существенно и предсказуемо влияет на характеристики 4044, поскольку это не термообрабатываемый сплав, и увеличение прочности достигается преимущественно холодной пластической деформацией. Переход от состояния O к H‑темперам повышает предел текучести и временное сопротивление разрыву за счёт снижения пластичности и формуемости, что напрямую влияет на минимальные радиусы гибки и пределы вытяжки.

Для сварочных и паяльных работ предпочтителен отожжённый материал (O) для удобства формовки до соединения и снижения остаточных напряжений в зонах сварки; H‑темпера применяются, когда требуется высокая прочность сразу после изготовления, а последующая формовка ограничена.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	4,0 – 6,0	Основной легирующий элемент; улучшает жидкотекучесть, снижает диапазон плавления
Fe	≤ 0,7	Типичная примесь; влияет на прочность и образование интерметаллидов
Mn	≤ 0,5	Небольшие добавки улучшают структуру зерна и умеренно повышают прочность
Mg	≤ 0,20	Как правило, низкое; высокий Mg нехарактерен для 4044
Cu	≤ 0,20	Низкое содержание для минимизации коррозии и сохранения свариваемости
Zn	≤ 0,10	Низкое; не является упрочняющим элементом здесь
Cr	≤ 0,10	Контроль следовых количеств для стабилизации зерна
Ti	≤ 0,20	Присутствует как зернодобавка в некоторых видах продукции
Прочие (каждый)	≤ 0,05	Остаточные и следовые элементы; баланс — алюминий

Концентрация кремния является доминирующим фактором, контролирующим микроструктуру 4044, поведение при плавлении (солидус-ликуидус) и образование кремниевых фаз. Небольшое содержание железа и марганца приводит к формированию интерметаллидов, влияющих на высокотемпературные свойства и обрабатываемость. Умышленно низкие уровни Mg и Cu обеспечивают коррозионную стойкость и свариваемость. Общие свойства определяются упрочнением твёрдым раствором за счёт кремния и микроструктурным контролем термомеханической обработкой.

Механические свойства

Поведение при растяжении для 4044 типично для не термообрабатываемых алюминиево-кремниевых сплавов: сравнительно высокая пластичность в отожженном состоянии и постепенное повышение пределов текучести и прочности с наклёпом. Предел текучести низкий в состоянии O, но значительно растёт при переходе к H‑темперам; относительное удлинение максимальное в O и снижается с упрочнением. Твёрдость изменяется по тому же тренду; H‑темпера обладают повышенной твёрдостью из-за накопления дислокаций и возможного мелкого осаждения фаз примесей.

Усталостные характеристики умеренные и сильно зависят от качества поверхности, толщины листа и состояния остаточных напряжений, вызванных формовкой или сваркой. Материалы меньшей толщины обычно имеют сниженный ресурс усталости, если не прошли качественную обработку кромок и снятие напряжений; зоны термического влияния сварки и включения от обработки могут служить точками зарождения усталостных трещин. Проектировщикам следует учитывать изменения характеристик в зависимости от толщины и влияние сварных или паяных соединений на циклический ресурс.

Микроструктурные неоднородности, возникающие при литье или экструзии, например распределение частиц Si, влияющих на обрабатываемость и износостойкость; в толстых сечениях сохраняются более крупные частицы Si и сниженная пластичность по сравнению с тонколистовым материалом, производимым холодной прокаткой и упрочнённым наклёпом.

Свойство	O/Отожженное	Ключевой темпер (например, H14)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	70 – 110 MPa (типично)	130 – 180 MPa (типично)	Значения зависят от темпора и толщины; для H‑темперов значительно выше
Предел текучести	30 – 60 MPa (типично)	100 – 150 MPa (типично)	Предел текучести резко увеличивается при холодной деформации
Относительное удлинение	20 – 35%	5 – 15%	Пластичность уменьшается из-за наклёпа
Твёрдость (HB)	25 – 40 HB	55 – 75 HB	Твёрдость по Бринеллю для сравнительного анализа, варьируется с упрочнением

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2,70 г/см³	Типично для алюминиевых сплавов; важно для расчётов массы и жёсткости
Диапазон плавления	≈ 577 – 635 °C	Эвтектоидное влияние кремния; точный диапазон зависит от его содержания
Теплопроводность	≈ 120 – 160 Вт/(м·К)	Ниже, чем у чистого алюминия; кремний и примеси снижают проводимость
Электропроводность	≈ 35 – 55 % IACS	Легирование снижает электропроводность по сравнению с серией 1xxx
Удельная теплоёмкость	≈ 880 – 910 Дж/(кг·К)	Типично для алюминиевых сплавов при комнатной температуре
Коэффициент термического расширения	≈ 23 – 24 ×10⁻⁶ /К	Похож на другие алюминиевые сплавы, важен при проектировании термомеханически сложных конструкций

Физические свойства делают 4044 подходящим там, где требуется хорошая теплопроводность, но абсолютная электропроводность не критична. Показатели термического расширения и теплопроводности важны при проектировании теплообменников, корпусов электротехники или многоматериальных конструкций для компенсации термического расслоения. Относительно низкая температура начала плавления, обусловленная кремниевыми эвтектиками, также определяет технологические режимы сварки, пайки и литья/сращивания.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Механические характеристики	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.3 – 6.0 мм	Однородные; восприимчив к холодной деформации	O, H14, H24	Используется для панелей, теплоотводов, паяных листов
Плита	6 – 25 мм	Немного меньшая реакция на холодную обработку	O, H18	Толстолистовой прокат, крупнозернистое распределение Si может снижать пластичность
Экструзия	Профили длиной до нескольких метров	Хорошая направленная прочность	O, H14	Si улучшает текучесть и качество поверхности в штампах для экструзии
Труба	Различные комбинации наружного диаметра и толщины стенки	Поведение, аналогичное листам	O, H14	Используется для паяных теплообменников и конструкционных труб
Пруток/стержень	Диаметры до ~100 мм	Более высокая прочность после экструзии	O, H12	Часто используется для дальнейшей механической обработки или ковки

Различия в обработке листа, экструзии и плиты определяются скоростью охлаждения и режимами обработки, которые влияют на распределение частиц Si и размер зерна. Тонколистовые продукты, холоднокатаные до состояний H, демонстрируют более высокую прочность и меньшую относительную удлинённость по сравнению с отожжёнными плитами. Экструдированные профили используют улучшенную текучесть благодаря Si для производства сложных тонкостенных сечений с сохранением качества поверхности и размерной стабильности для последующей формовки или соединения.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	4044	США	Обозначение Aluminum Association
EN AW	4044	Европа	Распространённое европейское обозначение; составные лимиты могут незначительно отличаться
JIS	A4044 (примерно)	Япония	Местные стандарты могут использовать аналогичные алюминиево-кремниевые обозначения
GB/T	Al4044 (примерно)	Китай	Китайские стандарты могут указывать Al–Si сплавы с сопоставимым содержанием Si

Этикетки эквивалентных марок, как правило, обозначают схожий химический состав, но региональные стандарты могут отличаться допустимыми диапазонами примесей и микроэлементов. Эти допуски влияют на свойства, такие как электропроводность, обрабатываемость резанием и качество пайки; инженерам рекомендуется консультироваться с таблицами конкретных стандартов при заключении контрактов и квалификации. При замене или подборе аналогов необходимо проверять отчёты по сертификационным испытаниям для критичных параметров: содержание Si, данные на растяжение и влияние дополнительных легирующих элементов.

Коррозионная стойкость

Марка 4044 обладает хорошей общей атмосферостойкостью, сопоставимой с многими коммерческими алюминиевыми сплавами, благодаря защитной плёнке Al2O3, которая естественным образом образуется на поверхности алюминия. Добавки кремния практически не ухудшают пассивную плёнку, и 4044 хорошо работает в промышленных и сельских атмосферах со средней загрязнённостью.

В морских условиях сплав демонстрирует адекватную стойкость к равномерной коррозии, но локальная коррозия может возникать в щелях и застойных зонах морской воды при наличии гальванической пары с более благородными металлами (например, нержавеющей сталью или медными сплавами). Для долговременной эксплуатации в агрессивной морской среде необходима правильная подготовка поверхности, нанесение покрытий и учёт катодных/анодных эффектов.

Уязвимость к напряжённо-коррозионному растрескиванию у 4044 низкая по сравнению с высокопрочными, термически упрочняемыми сплавами серий 2xxx и 7xxx, так как её прочностные уровни умеренные, а кремний не способствует развитию межкристаллитной коррозии того же типа. Тем не менее, сварные и паяные соединения должны выполняться с особой внимательностью, так как гетерогенная микроструктура и остаточные растягивающие напряжения могут ускорять локальные процессы коррозии по сравнению с основным металлом.

Технологические свойства

Свариваемость

4044 хорошо сваривается и часто используется в качестве присадочного материала для алюминиевой сварки и пайки, поскольку кремний улучшает текучесть и снижает склонность к горячим трещинам. Распространённые процессы сварки GMAW (MIG) и GTAW (TIG) дают хорошие результаты при использовании соответствующей проволоки ER4043/ER4044; ER4044 широко применяется в автомобильной промышленности и при пайке. Зона термического влияния может иметь локальное размягчение в состояниях с высокой степенью деформации, поэтому иногда применяют предварительный нагрев или послесварочную термообработку для снижения остаточных напряжений.

Обрабатываемость резанием

Обрабатываемость 4044 средняя: частицы кремния повышают стабильность резания и управление стружкой по сравнению с чистым алюминием, но увеличивают износ инструментов в сравнении с очень мягкими сплавами. Рекомендуется использование твердосплавного инструмента с покрытием TiN или TiAlN и инструментальной геометрией с положительным углом режущей кромки для стабильной работы на средних скоростях. Качество поверхности хорошее при эффективном выведении стружки; образование нароста на режущей кромке менее проблематично, чем у некоторых медесодержащих сплавов.

Обрабатываемость давлением

Обрабатываемость отличная в состоянии O, что позволяет выполнять малые радиусы гибки и глубокую штамповку при контроле распределения частиц Si и размера зерна. Упрочнение при холодной обработке снижает пластичность в состояниях серии H, поэтому формовочные операции обычно проводят в отожженном состоянии с последующим, при необходимости, упрочнением для достижения требуемых прочностных характеристик. Минимальные рекомендуемые радиусы внутреннего изгиба зависят от толщины и состояния, но лучше определяются опытным путём для конкретного инструмента и партии сплава.

Поведение при термообработке

Сплав 4044 относится к категории не термически упрочняемых; его механические свойства нельзя существенно улучшить традиционной растворяющей обработкой и искусственным старением, как у сплавов серий 6xxx или 7xxx. Основной путь упрочнения — холодная обработка (наклёп) в сочетании с твёрдым раствором кремния. Попытки применять термообработки типа T приносят ограниченный эффект и связаны больше с технологическими требованиями, чем с упрочнением.

Отжиг и рекристаллизация эффективны для восстановления пластичности: полный отжиг (состояние O) растворяет структуры дислокаций, вызванных деформацией, и коагулирует любые мелкие осадки или диспергированные частицы Si, обеспечивая лучшие характеристики при формовании. Циклы стабилизации и снятия внутренних напряжений применяются в промышленности для контроля остаточных напряжений после сварки, пайки или обработки давлением, а не для повышения прочности.

Работа при повышенных температурах

Прочность 4044 снижается с ростом температуры, эксплуатационные характеристики конструкции обычно ограничены температурами ниже ~150 °C при длительных нагрузках. Выше этого диапазона подвижность дислокаций возрастает, вклад твёрдого раствора и упрочнения деформацией резко уменьшается, поэтому конструкторы должны ограничивать непрерывную эксплуатацию низкими температурами или использовать более толстые сечения для компенсации.

Окисление алюминиевых сплавов при умеренно высоких температурах не является серьёзной проблемой, так как оксидная плёнка Al2O3 защищает металл. Однако длительное воздействие высоких температур ускоряет рост оксида и диффузионное укрупнение микроструктурных фаз Si. Сварные и паяные соединения, эксплуатируемые при повышенных температурах, могут испытывать размягчение в зоне термического влияния и должны оцениваться на устойчивость к ползучести или релаксации напряжений при циклических или длительных нагрузках.

Применение

Отрасль	Пример компонента	Причины использования 4044
Автомобильная	Присадочные материалы для пайки и ребра теплообменников	Отличная текучесть, совместимость со сваркой/пайкой, коррозионная стойкость
Морская	Воздуховоды систем вентиляции и кондиционирования, второстепенные конструкционные элементы	Коррозионная стойкость и простота обработки
Аэрокосмическая	Отсутствует