Алюминий 4045: состав, свойства, руководство по упрочнению и области применения

Общий обзор

Сплав 4045 входит в серию алюминиевых сплавов 4xxx, которые представляют собой кремнистые сплавы, где основным легирующим элементом является кремний. Сплавы серии 4xxx характеризуются добавлением кремния, что снижает диапазон плавления, улучшает текучесть и влияет на свариваемость и пайку; 4045 относится к этой группе, обладая существенно более высоким содержанием кремния по сравнению с почти чистыми сплавами и зачастую превышая его в сравнении с распространёнными припойными сплавами 4043.

Основным легирующим элементом в 4045 является кремний, обычно дополненный низкими уровнями железа, марганца и примесями в виде титана и хрома. Сплав 4045 практически не поддаётся термообработке; основными механизмами упрочнения выступают эффекты твёрдого раствора от кремния и наклёп, возникающий при холодной пластической деформации в состояниях с маркировкой H.

Ключевыми характеристиками 4045 являются хорошая свариваемость, повышенная текучесть для сварочных и паяльных применений, умеренная прочность и приемлемая коррозионная стойкость во многих атмосферных и слабоагрессивных средах. Сплав хорошо формуется в отожженном состоянии, но теряет пластичность при наклёпе; обрабатываемость на станках умеренная по сравнению с чистым алюминием, поскольку кремний способствует контролю формирования стружки.

Типичные отрасли применения 4045 включают автомобилестроение (как припой или для наплавки), HVAC и производство теплообменников, общую металлообработку, где нужна совместимость припоя или сварного шва, а также некоторые компоненты бытовой техники. Инженеры выбирают 4045, когда требуется улучшенная свариваемость, более низкий диапазон плавления и влияние кремния на смачивание и текучесть в сравнении с более прочными сплавами, поддающимися термообработке, или очень чистым алюминием с высокой электропроводностью.

Варианты термообработки

Темперамент	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожжённый, максимальная пластичность для формования
H12	Низко-средний	Умеренное	Хорошая	Хорошая	Слабый наклёп; ограниченная способность к изгибу
H14	Средний	Умеренно-низкое	Удовлетворительная	Хорошая	Распространённый коммерческий состояние с рабочим наклёпом листа
H16	Средне-высокий	Низкое	Ограниченная	Хорошая	Усиленный наклёп для повышения жёсткости
H18	Высокий	Низкое	Плохая	Хорошая	Максимальное упрочнение холодной деформацией, минимальное удлинение
T4 (если применяется)	Не применяется	Не применяется	Переменная	Переменная	Обычно не поддаётся термообработке; состояния, подобные T4, могут образовываться при растворяющей отжиге в некоторых процессах
T6/T651 (редко)	Не применяется	Не применяется	Не применяется	Не применяется	Сплавы серии 4xxx не являются классическими упрочняемыми осадочным твердым раствором; данные состояния нехарактерны

Темперамент существенно влияет на механическое поведение и способность к формовке 4045. Отожжённое состояние (O) обеспечивает максимальное удлинение и формуемость, допускает глубокую вытяжку и сильные изгибы, в то время как повышение степени холодной деформации по шкале H постепенно увеличивает прочность за счёт снижения пластичности и способности к изгибу.

Поскольку 4045 не является сплавом с упрочнением осадочным твердым раствором, температуры и состояния "T", связанные со старением, не дают тех же результатов, что в сплавах серий 6xxx или 7xxx; поэтому основной способ регулировки свойств готовых изделий — контроль холодной обработки и режимов отжига.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	9.0–12.5	Основной легирующий элемент; контролирует диапазон плавления, текучесть и свариваемость
Fe	0.2–0.7	Распространённая примесь; влияет на образование интерметаллидов и прочность
Mn	0.1–0.5	Небольшое добавление; улучшает структурную однородность и немного повышает прочность
Mg	≤0.10	Как правило, очень низкое содержание; ограничивает упрочнение твёрдым раствором от Mg
Cu	≤0.10	Обычно минимальное; снижает склонность к локальной коррозии и SCC
Zn	≤0.10	Трассовые количества; не является упрочняющим элементом
Cr	≤0.10	Примесь для контроля зерна при наличии
Ti	≤0.10	Рефайнер зерна при литье или деформационной обработке при целенаправленном добавлении
Прочие (каждый)	≤0.05	Другие контролируемые примеси; остальное — алюминий

Кремний играет основополагающую роль, снижая температуры солидуса и ликвидуса, а также повышая текучесть расплава, что улучшает течение сварочной ванны и снижает чувствительность к горячим трещинам. Примеси вроде железа и марганца влияют на образование интерметаллических частиц, которые оказывают влияние на прочность, технологичность и склонность к локальной коррозии.

Точные химические нормы зависят от продукта и спецификации; покупателям следует обязательно обращаться к регламентирующему стандарту (AA, EN, JIS или GB/T) для подтверждённых составов по конкретной партии или продукции заводского производства.

Механические свойства

В растяжении 4045 в отожженном состоянии обычно демонстрирует умерённое временное сопротивление разрыву и относительно высокое удлинение, что отражает особенности легирования и отсутствие упрочнения осадочным твёрдым раствором. При увеличении степени холодной деформации (темпераменты H) прочность на разрыв и предел текучести растут, в то время как удлинение и ударная вязкость уменьшаются — классическая картина наклёпа для не поддающихся термообработке сплавов.

Предел текучести в состоянии O невысок и достаточен для многих формованных деталей, тогда как температуры H14–H18 применяются при необходимости повышенной жёсткости или строгого контроля размеров. Твёрдость увеличивается с наклёпом; сплав сохраняет разумную усталостную прочность в мягких состояниях, но ресурс усталости может уменьшаться с ростом наклёпа из-за снижения пластичности и появления микроструктурных дефектов.

Толщина материала также влияет: тонкие листы обычно обладают большей прочностью в том же темпераменте за счёт большего наклёпа при прокатке, тогда как толстые сечения демонстрируют более низкую и более изотропную прочность и иную способность к изгибу. Сварные соединения обычно имеют размягчённую зону термического влияния (ЗТВ) по сравнению с основным металлом, что необходимо учитывать при проектировании ответственных деталей, работающих на усталость.

Свойство	O / Отожженное	Основной темперамент (например, H14/H16)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	90–150 MPa (типично)	140–220 MPa (типично)	Значения зависят от толщины, наклёпа и формы изделия; проверяйте данные завода-изготовителя
Предел текучести	30–70 MPa (типично)	80–160 MPa (типично)	Предел текучести по смещению 0,2%; холодная деформация значительно увеличивает предел
Относительное удлинение	20–35%	6–18%	Отжиг обеспечивает высокую пластичность; H18 характеризуется низким удлинением, подходит для жёстких деталей
Твёрдость	HB ~25–45	HB ~40–80	Диапазоны по Бринеллю ориентировочные; коррелируют с прочностью стандартными преобразованиями

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.68–2.70 г/см³	Типичная плотность алюминиево-кремниевых деформируемых сплавов; слегка возрастает с ростом содержания Si
Диапазон плавления	~577–615 °C	Кремний снижает эвтектическую температуру солидуса до примерно 577 °C для Al–Si сплавов; диапазон зависит от % Si
Теплопроводность	120–160 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия из-за легирования; остаётся высокой для деталей с рассеиванием тепла
Электропроводность	~30–45 % IACS	Снижена по сравнению с чистым алюминием из-за кремния и примесей
Удельная теплоёмкость	~900 Дж/кг·К	Приближённо при комнатной температуре, слегка варьируется в зависимости от состава
Коэффициент теплового расширения	22–24 µm/m·К	Типичный линейный коэффициент теплового расширения для алюминиево-кремниевых сплавов

Плотность и тепловые свойства 4045 делают его привлекательным для деталей, где важны снижение массы и тепловой менеджмент, таких как теплообменники и корпуса. Теплопроводность ниже, чем у чистого алюминия, но остаётся достаточной для многих теплообменных применений; проектировщикам следует учитывать сниженный показатель при расчёте радиаторных и тонкостенных элементов.

Электропроводность не является сильной стороной 4045; при необходимости высокой проводимости следует рассматривать более чистые сплавы серии 1xxx. Сниженный диапазон плавления по сравнению с чистым алюминием — ключевое технологическое преимущество для сварки и пайки.

Формы изделий

Форма	Типичные размеры/толщина	Поведение по прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0,3–6,0 мм	Прочность увеличивается при холодной прокатке	O, H12, H14, H16	Основная форма для HVAC, панелей бытовой техники и облицовочных листов
Плита	>6,0 мм	Меньшая упрочняемость по сравнению с тонким листом	O, H14	Менее распространена, так как 4045 оптимизирован для тонких изделий
Экструзия	Профили длиной до нескольких метров	Прочность зависит от остаточной деформации после экструзии	O, лёгкие состояния H	Экструзии применяются для отделочных элементов и мелких конструктивных деталей
Труба	Ø от нескольких мм до свыше 100 мм	Аналогично листу; варианты с холодной обработкой	O, H14	Используется для теплообменников и трубопроводов HVAC
Пруток/штанга	3–100 мм	Увеличенный сечение снижает упрочнение от холодной деформации	O	Прутки часто применяются в качестве припойных или флюсовых проволок

Листы и рулоны являются наиболее распространёнными заводскими формами для 4045, поскольку его основные преимущества проявляются в сварочно-паянных свойствах и хорошей обрабатываемости в тонком исполнении. Формы экструзии и прутков применяются там, где требуются профили нестандартных сечений или присадочные прутки, однако сплав редко используется для толстолистовых плит, так как требования по отношению прочности к массе здесь удовлетворяют другие серии.

Различия в технологиях обработки определяют конечные свойства: прокатка с контролируемым отжигом листов обеспечивает хорошую поверхность и пластичность, тогда как экструзия требует тщательного температурного контроля, чтобы избежать сегрегации кремнийсодержащих фаз; производство припойной проволоки акцентирует внимание на стабильности химического состава и низком содержании включений для надёжности сварочных соединений.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	4045	США	Основное обозначение по Aluminum Association; уточняйте лимиты в спецификации AA
EN AW	AlSi9–12 (приблизительно)	Европа	Прямого точного аналога в EN AW нет; семействa AlSi9 или AlSi11 являются приближёнными аналогами
JIS	A4045 (приблизительно)	Япония	Местные стандарты могут использовать похожие обозначения 4xxx; уточняйте нормативы JIS по составу
GB/T	AlSi10–12 (приблизительно)	Китай	Китайские марки для литья и обработки могут соответствовать серии AlSi; проверяйте таблицы GB/T

Прямые взаимозаменяемые аналоги 4045 не всегда точны между региональными стандартами из-за разных допусков и назначений (катанный лист, припойная проволока или литьё). Инженерам рекомендуется сравнивать сертифицированные диапазоны состава, результаты механических испытаний и форму изделия (лист, пруток, припой), а не полагаться исключительно на название марки для обеспечения взаимозаменяемости.

Коррозионная стойкость

Сплав 4045 демонстрирует хорошую общую атмосферную коррозионную стойкость, типичную для алюминиевых сплавов, при этом добавки кремния существенно не ухудшают естественную оксидную защиту. В стандартных наружных и внутренних условиях правильно обработанные компоненты из 4045 показывают длительный срок службы без специальных активных мер защиты от коррозии.

В морской среде 4045 проявляет удовлетворительную стойкость, но уступает по коррозионной стойкости лучшим морским алюминиевым сплавам серии 5xxx с магнием. Питтинговая коррозия в присутствии хлоридов может возникать, особенно при наличии примесей или гальванических пар; проектировщикам рекомендуется применять защитные покрытия или жертвенные барьеры при длительном контакте с солёной водой.

Устойчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC) у низкокремниевых сплавов серии 4xxx обычно высокая; основные факторы SCC — значительные растягивающие напряжения, агрессивные хлориды и специфические микроструктурные особенности — менее выражены в 4045 по сравнению с некоторыми высокопрочными, термообрабатываемыми сплавами. Следует учитывать гальванические взаимодействия: алюминий является анодным по отношению к многим распространённым металлам, включая медь и сталь; при контакте алюминий разрушается в первую очередь, если не изолирован или не защищён катодной защитой.

По сравнению со сплавами серии 5xxx, 4045 уступает в локальной коррозионной стойкости в морской среде, но часто обеспечивает лучшую свариваемость и меньшую склонность к образованию трещин при сварке; по сравнению со сплавами 6xxx или 7xxx 4045 имеет меньшую максимальную прочность, но может быть менее чувствительным к некоторым сварочным коррозионным явлениям благодаря содержанию кремния.

Свойства обработки

Свариваемость

4045 высоко ценится для сварки плавлением и часто используется в виде присадочной проволоки для GTAW и GMAW. Кремний снижает диапазон плавления и улучшает смачивание и текучесть сварочной ванны, уменьшая риск горячих трещин по сравнению со многими другими алюминиевыми сплавами. Рекомендуемые присадочные прутки для общего алюминий-к-алюминию включают сплавы, аналогичные 4043/4045, в зависимости от требуемого содержания кремния; для сварки с разнородными металлами могут потребоваться пайка или специальные присадочные материалы.

Сварные соединения могут проявлять размягчение зоны термообработки (ЗТВ) относительно сильно упрочнённой холодной обработкой основной металла; однако поскольку 4045 не поддаётся термообработке, потеря прочности связана преимущественно с отжигом упрочнения, а не с растворением выделений. Важными моментами до и после сварки являются контроль деформаций, предотвращение загрязнений (окислы, масла) и подбор химии присадочного материала с учётом коррозионных и механических требований.

Обрабатываемость

Обрабатываемость 4045 средняя и зачастую лучше, чем у менее легированных и близких к чистому алюминию сплавов, поскольку кремний улучшает формирование стружки и снижает склонность к прилипанию. Обычно используется режущий инструмент с положительным углом режущей кромки из твёрдого сплава, умеренные скорости резания и интенсивное охлаждение для управления теплом и предотвращения налипания. Стружка обычно непрерывная и требует эффективной эвакуации; параметры подачи и глубины резания выбираются для минимизации вибраций и сохранения качества поверхности.

Точение и фрезерование достигают хорошей поверхности в состоянии O; более твёрдые состояния H увеличивают силы резания и ускоряют износ инструментов. При сверлении толстых деталей необходимо учитывать наличие твёрдых частиц кремния, которые могут вызывать абразивный износ инструмента; рекомендуется применять инструменты с покрытием на базе твёрдого сплава и использовать циклы сверления с отбивками.

Обрабатываемость пластической деформацией

Пластичность отличная в отожжённом состоянии O; 4045 хорошо подходит для глубокой вытяжки, гибки и растяжки с малыми радиусами изгиба относительно толщины. По мере увеличения холодной деформации (H14–H18) пластичность снижается, а упругий отскок возрастает, что требует более жёсткого контроля процесса и увеличения радиусов изгиба. Рекомендуемые минимальные внутренние радиусы изгиба в состоянии O обычно составляют 1–2× толщины для простых изгибов и увеличиваются при сложных формах или большем сечении.

Холодная обработка повышает прочность, уменьшает удлинение и увеличивает риск трещинообразования по кромкам; при интенсивной пластической деформации рекомендуется использовать состояние O или выполнять промежуточные отжиги. Горячая обработка применяется редко и в основном в специализированных процессах экструзии или гибки для предотвращения разрушений при больших деформациях.

Особенности термообработки

4045 классифицируется как сплав, не поддающийся упрочнению термообработкой; традиционные операции растворяющего отжига и старения не обеспечивают значительного повышения прочности, характерного для серий 6xxx или 7xxx. Попытки классической термообработки типа T6 не дают заметного эффекта упрочнения, так как сплав не содержит значительных количеств магния и/или меди.

Контроль механических свойств достигается преимущественно посредством холодной обработки и отжига. Отжиг (рекристаллизация) выполняется нагревом в соответствующем диапазоне температур (обычно 300–415 °C в зависимости от изделия и технологии завода) для восстановления пластичности. При сварке важно учитывать локальное отжигание холодного упрочнения, чтобы избежать зон с пониженной твердостью.

При использовании термической обработки для снятия внутренних напряжений или гомогенизации сформованных изделий контролируются время выдержки и скорость охлаждения во избежание коагуляции кремнийсодержащих фаз, что может ухудшить пластичность и качество поверхности.

Поведение при высоких температурах

При повышенных температурах 4045 постепенно теряет прочность, что характерно для алюминиевых сплавов; выше примерно 150–200 °C механические свойства значительно снижаются, а длительный ползучий износ может стать критичным параметром для проектирования. Низкотемпературный эвтектик и кремнийсодержащие фазы ограничивают применение сплава при длительных высокотемпературных нагрузках по сравнению с некоторыми жаропрочными алюминиевыми или железными сплавами.

Окисление умеренное и, как правило, ограничивается тонким слоем оксида алюминия; однако продолжительное воздействие высоких температур в агрессивных атмосферных условиях может привести к образованию окалины и изменению внешнего вида поверхности. Зона термообработки в сварных деталях будет иметь изменённую микроструктуру при эксплуатации в высокотемпературных условиях, что может привести к снижению усталостной прочности и изменению размерной стабильности.

Для применений с непрерывной работой выше 150 °C или при циклических термомеханических нагрузках могут потребоваться альтернативные сплавы, специально разработанные для высокотемпературной эксплуатации, либо металлические системы, отличные от алюминия.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Почему используется 4045
Автомобильная промышленность	Заполняющие проволоки для сварки кузова и отделки	Хорошая текучесть сварочной ванны и сниженная склонность к горячим трещинам; совместимость с алюминиевым листом
Морская промышленность / HVAC	Ребра и трубки теплообменников	Высокая теплопроводность и хорошая формуемость для тонких толщин
Аэрокосмическая промышленность (второстепенные узлы)	Вспомогательные фитинги, обтекатели	Умеренное соотношение прочности к массе и хорошая коррозионная стойкость для неответственных деталей
Электроника	Радиаторы и корпуса	Хорошие тепловые характеристики в сочетании с простотой формовки и соединения
Общее производство	Панели бытовой техники, отделочные элементы, паяные конструкции	Экономичный сварочный / наплавочный сплав с сочетанием формуемости и текучести

Практическая ценность 4045 чаще связана с поведением при сварке и изготовлении, нежели с максимальной прочностью конструкционного сплава. Его выбирают там, где необходим баланс между хорошей свариваемостью, текучестью расплава и адекватными механическими свойствами для изготавливаемых и эксплуатируемых компонентов.

Рекомендации по выбору

Выбирайте 4045, когда приоритетами являются свариваемость и текучесть расплавленного металла, а характеристики кремнебогатого, не поддающегося термообработке сплава соответствуют требованиям детали. Особенно подходит для проволоки наплавки и тонкостенных формованных изделий, требующих хорошей смачиваемости и текучести в соединениях.

По сравнению с технически чистым алюминием (1100), 4045 жертвует частью электрической проводимости и предельной пластичности ради улучшенной сварки/пайки и несколько повышенной прочности в состоянии холодной деформации. По сравнению с сплавами упрочнёнными холодной обработкой, такими как 3003 или 5052, 4045 обеспечивает сопоставимую или немного меньшую пластичность, но улучшенную текучесть сварочной ванны и повышенную устойчивость к определённым видам горячих трещин. По сравнению с термообрабатываемыми сплавами, например 6061 или 6063, 4045 имеет более низкий максимальный уровень прочности, но часто предпочтителен там, где важна отличная свариваемость и более низкая температура плавления либо не требуется совместимость с процессом упрочняющей термообработки.

Выбирайте материал, исходя из потребностей производства (сварка/пайка или конструкционная прочность), коррозионной среды и возможностей последующей обработки (возможна ли отжиг или можно рассчитывать на эффект холодного деформирования). Обязательно уточняйте наличие и стоимость у поставщиков, так как некоторые варианты серии 4xxx выпускаются преимущественно для наплавки или специализированных применений и могут иметь ограниченный ассортимент форм поставки.

Краткое резюме

Алюминий 4045 остаётся практичным инженерным сплавом, когда требуются высокая свариваемость за счёт содержания кремния, контролируемые параметры плавления и хорошая формуемость в отожженном состоянии. Его не поддающаяся термообработке природа направляет конструкторов на холодную деформацию и управление производственным процессом для достижения требуемой прочности, что делает его востребованным выбором для наплавочных материалов, компонентов HVAC и сборок, где предпочтительнее технологичность и коррозионная совместимость, чем высокая прочность при нагреве.