Алюминий 4047: состав, свойства, руководство по состоянию и области применения

Общий обзор

Сплав 4047 относится к серии алюминиевых сплавов 4xxx, характеризующихся кремнием в качестве основного легирующего элемента. Серия 4xxx традиционно используется для присадочных материалов, сварки, пайки и там, где кремний улучшает текучесть и снижает диапазон плавления. 4047 содержит относительно высокое содержание кремния (обычно в двухзначном процентном диапазоне), с небольшими добавками или остатками железа, меди, марганца, титана и других микроэлементов. Этот состав относит 4047 к классу Al-Si сплавов, которые обычно не упрочняются упрочнением при старении.

Основным механизмом упрочнения у 4047 не является старение; свойства контролируются микроструктурой (распределением частиц кремния), структурой отливки/экструзии и холодной обработкой, если применимо. В отожженном состоянии сплав относительно мягкий и легко поддается формовке; холодная деформация (темперы H) увеличивает прочность за счёт снижения пластичности. Ключевые характеристики — отличная текучесть и сниженная склонность к горячим трещинам при сварке или пайке, хорошая коррозионная стойкость, типичная для Al-Si сплавов, и приемлемая обрабатываемость по сравнению с более прочными алюминиевыми сплавами.

Типичные отрасли, использующие 4047, включают автомобилестроение (в качестве присадочного материала для соединений и в литых компонентах), системы отопления, вентиляции и кондиционирования (теплообменники и пайка), строительство и изготовление оконных конструкций (сварные или паяные рамные конструкции), а также электронику (паяемые соединения и часть упаковки). 4047 часто выбирают среди других алюминиевых сплавов, когда требуется низкий диапазон плавления, высокая текучесть присадочного материала или кремнийсодержащая матрица для предотвращения горячих трещин при сварке или улучшения плавления при пайке. Разработчики выбирают 4047, когда наибольшим требованием является свариваемость, эффективность пайки или особенности присадочного материала, а не максимальная конструкционная прочность.

Варианты термообработки

Темпер	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полное отожженное состояние; оптимально для формовки и присадочной проволоки для пайки
H14	Средний	Низкое – умеренное	Средняя	Отличная	Упрочнение деформацией до полутвердого состояния для повышения жесткости
H18	Средне – высокий	Низкое	Ограниченная	Очень хорошая	Упрочнение деформацией до полностью твердого состояния для максимальной прочности
H32	Средний	Умеренное	Хорошая	Отличная	Упрочнение деформацией и стабилизация структуры; баланс прочности и пластичности
F	Переменный	Переменное	Переменное	Отличная	Как изготовлено или отлито; свойства зависят от обработки
ER4047 (присадочный)	Разработан для текучести, не для высокой прочности	—	—	Отличная	Продается как присадочная проволока/пруток для сварки и пайки

Темпер существенно влияет на механические свойства 4047, поскольку сплав не упрочняется при старении; основными факторами являются упрочнение при пластической деформации и контроль микроструктуры. Отожженный материал (O) имеет максимальную пластичность и хорошую формуемость, что делает его предпочтительным для операций формовки и в качестве присадочного материала для пайки; темперы H повышают предел текучести и временное сопротивление за счет холодной деформации, снижая при этом удлинение.

На практике выбор темперов представляет собой компромисс между формуемостью и прочностью для каждого этапа изготовления. Для сварных узлов, требующих последующей формовки, часто выбирают температуру O, тогда как для конструкционных деталей без термообработки, нуждающихся в повышенной жесткости, возможно применение H14 или H18.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	11.0–13.5	Основной легирующий элемент; снижает диапазон плавления и улучшает текучесть
Fe	≤ 0.95	Распространенный примесный элемент; образует интерметаллические соединения, влияющие на вязкость
Mn	≤ 0.20	Малая добавка; может уточнять зерно и стабилизировать микроструктуру
Mg	≤ 0.05	Практически отсутствует; незначительное влияние на прочность за счет выделений
Cu	≤ 0.30	Небольшие количества могут немного повышать прочность, но снижать коррозионную стойкость
Zn	≤ 0.10	Минимальная примесь; не используется для упрочнения
Cr	≤ 0.05	Микроэлемент; может подавлять рост зерна в отливках
Ti	≤ 0.10	Зерноочиститель в отливках и экструзионном материале
Другие (каждый)	≤ 0.05	Остаточные элементы; суммарно не более 0.15%

Высокое содержание кремния определяет рабочие характеристики сплава: кремний формирует дисперсную вторую фазу (эвтектический и первичный Si), которая контролирует микроструктуру литья, текучесть и характеристики затвердевания. Железо и другие остаточные элементы образуют интерметаллические частицы, которые при недостаточном контроле могут становиться источниками образования трещин при циклических нагрузках или обработке резанием. Низкое содержание магния и меди означает минимальную пользу от упрочнения при старении, поэтому конструкторы ориентируются на упрочнение при холодной деформации и контроль микроструктуры для регулирования механических свойств.

Механические свойства

Поведение на растяжение у 4047 определяется морфологией кремния и степенью холодной деформации, а не классическим упрочнением при старении. В отожженном состоянии сплав демонстрирует умеренное временное сопротивление разрыву и относительно высокое удлинение, что облегчает операции формовки и использование в качестве присадочного материала при сварке. Холодная обработка существенно повышает предел текучести и временное сопротивление, но снижает пластичность; максимальная практическая прочность достигается в полностью упрочненных темперах, где взаимодействие частиц кремния и упрочнение деформацией доминируют.

Предел текучести в отожженном состоянии у 4047 невысок по сравнению с конструкционно термообрабатываемыми сплавами; однако ударная вязкость при пластичных условиях остаётся достаточной для многих соединительных и неконструкционных применений. Твёрдость тесно коррелирует с темпером: отожжённый материал мягкий (низкая твердость по Бринеллю/HV), а при темперах H наблюдается значительное её повышение в зависимости от степени холодной деформации. Усталостные характеристики умеренные; ресурс усталости чувствителен к состоянию поверхности, распределению частиц Si и наличию дефектов литья или интерметаллидов.

Толщина и геометрия сечения влияют на измеренную прочность: тонкий лист в отожженном состоянии демонстрирует более высокую кажущуюся пластичность и более низкую абсолютную прочность, тогда как более толстые отливки или экструзии могут содержать первичные частицы кремния и пористость, снижающие пластичность и ресурс усталости. При сварке и пайке обычно используется присадочный материал ER4047 для получения соединений с хорошей вязкостью и минимальной склонностью к горячим трещинам, при этом локальная микроструктура зоны роста (HAZ) должна учитываться при циклических или высоконагруженных условиях.

Свойство	O/Отожженное	Ключевые темперы (например H14/H18)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	~60–110 MPa	~120–170 MPa	Значения зависят от степени холодной деформации и сечения; приведены ориентировочные инженерные диапазоны
Предел текучести	~25–50 MPa	~90–140 MPa	Предел текучести заметно растет с упрочнением деформацией
Относительное удлинение	~10–25%	~2–8%	Пластичность снижается с повышением темперов; наилучшая формуемость в темпере O
Твердость	~20–35 HB	~35–70 HB	Твердость увеличивается с холодной деформацией и дисперсностью Si

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.67 г/см³	Типично для Al-Si сплавов; немного ниже, чем у многих железосодержащих материалов
Диапазон плавления	Температура солидуса ~555–565 °C; ликвидус ~615–625 °C	Кремний расширяет диапазон затвердевания по сравнению с чистым алюминием
Теплопроводность	~120–160 Вт/м·К	Снижена относительно чистого алюминия из-за кремния и интерметаллидов; зависит от темпера
Электропроводность	~30% IACS (≈17–18 МС/м)	Легирование снижает проводимость по сравнению с чистым алюминием
Удельная теплоёмкость	~900 Дж/кг·К	Типичная для алюминиевых сплавов при комнатной температуре
Коэффициент теплового расширения	~21–24 мкм/м·К	Близок к другим алюминиевым сплавам; немного варьируется в зависимости от содержания Si

Плотность и удельная теплоёмкость 4047 близки к другим алюминиевым сплавам, что делает его привлекательным там, где важны масса и тепловая ёмкость. Теплопроводность снижена по сравнению с чистым алюминием, но остаётся высокой по сравнению с большинством конструкционных металлов, что делает 4047 полезным в приложениях, где требуется передача тепла в сочетании с присадочными материалами с низким диапазоном плавления.

Поведение при плавлении и затвердевании — ключевая характеристика: сниженный диапазон плавления и улучшенная текучесть, обусловленные высоким содержанием кремния, активно используются в процессах пайки и ремонта. Электропроводность ниже, чем у коммерчески чистого алюминия, но остаётся приемлемой при необходимости умеренной проводимости вместе с хорошими соединительными свойствами.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение по прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0,3–6,0 мм	Низкая прочность в состоянии O; доступны состояния H	O, H14, H32	Широко используется для припойных заготовок и лёгких конструкций
Пластина	>6 мм	Прочность зависит от обработки и размера сечения	O, F	В толстых сечениях у отливок может образовываться первичный кремний и пористость
Экструзия	Профили длиной до нескольких метров	Прочность зависит от истории экструзии и старения	O, H32, H14	Используется для сложных профилей и совместимости с припоями
Труба	Вн 6 мм–200 мм	Похожее поведение с листом; свойства зависят от толщины стенки	O, H18	Трубы часто поставляются отожженными для формовки и гибки
Пруток/круг	Диаметры 1–25 мм	Часто продаётся как припойная проволока или пруток	F, O, ER4047	Распространён как сварочная/припойная проволока (ER4047) с контролем содержания Si для хорошей текучести

Форма влияет на микроструктуру и, соответственно, на механические свойства: литые компоненты могут содержать первичные кремниевые фазы и интерметаллиды, отсутствующие в деформированных листах и экструзиях. Листы и экструзионные формы более однородны и могут подвергаться упрочнению при холодной деформации до состояний H для повышения прочности. Припойные проволоки и прутки (ER4047) специально обрабатываются для обеспечения стабильного химического состава и поведения при плавлении для процессов сварки и пайки.

Выбор формы продукции зависит от баланса требований к формуемости, толщины сечения (которая влияет на охлаждение и сдерживание сегрегации кремния) и того, будет ли основное применение конструкционным или в виде припойного материала для соединений. Технологии обработки, такие как гибка, пробивка и сварка, имеют предпочтительные начальные состояния и толщины для минимизации дефектов.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	4047	США	Обозначение Aluminum Association, часто используемое для припойных и деформируемых материалов
EN AW	4047	Европа	Часто встречается как EN AW-4047 для эквивалентов деформируемых материалов или припойных марок
JIS	A4047 / A4047S	Япония	Обозначения припойных проволок/прутков по JIS для пайки и сварки
GB/T	4047	Китай	Китайские стандарты с аналогичной классификацией сплавов и типичными химическими составами

Различия между стандартами обычно незначительные и связаны с допустимыми лимитами примесей, возможными вариациями между партиями и требованиями к обработке в зависимости от формы. Для сварочных и припойных материалов региональные стандарты могут предъявлять немного разные требования к содержанию Si или остаточным элементам с целью оптимизации текучести и минимизации пористости. При замене марок по регионам всегда следует проверять точный технический паспорт (химические пределы, механические требования и сертификаты).

Коррозионная стойкость

В атмосферных условиях 4047 обычно демонстрирует хорошую коррозионную стойкость благодаря защитной оксидной плёнке алюминия и присутствию кремния, который не способствует значительной точечной коррозии. Сплав хорошо ведёт себя в умеренных уличных условиях, анодное поведение типично для многих алюминиевых сплавов без значительного содержания Mg или Cu. Локальная коррозия может возникать в областях с интерметаллидными скоплениями или литейной пористостью, но проявляется менее выражено, чем в некоторых сплавах с высоким содержанием меди.

В морской среде характеристики приемлемы для множества применений, однако уступают морским сплавам серии 5xxx (с магнием), которые специально оптимизированы для эксплуатации в солёной воде. Для погружных и прибрежных зон рекомендуется предусматривать жертвенную защиту, покрытия или использовать другие сплавы при длительном контакте с морской водой. Гальванические взаимодействия соответствуют обычным правилам для алюминия: при соединении с более благородными металлами (нержавеющая сталь, медь) алюминий корродирует предпочтительно, если не обеспечена электрическая изоляция или защита.

Устойчивость к коррозийному растрескиванию под напряжением у 4047 с высоким содержанием кремния и без термообработки выше, чем у высокопрочных сплавов на основе Al-Zn-Mg. Однако остаточные напряжения от сварки, холодной деформации и поверхностных дефектов могут снижать долговременную надёжность под растяжением и в агрессивных средах. По сравнению с типичными алюминиевыми группами 4047 обладает лучшей свариваемостью и пайкой, но несколько уступает специально адаптированным морским сплавам по устойчивости к точечной коррозии в хлоридных средах.

Свойства для обработки

Свариваемость

4047 широко применяется как припойный сплав (ER4047) благодаря высокому содержанию кремния, снижающему температуру плавления и улучшающему текучесть, что уменьшает склонность к горячим трещинам во многих алюминиевых основах. Особенно эффективен как припой для сплавов серии 6xxx, где кремний в припойном металле снижает риск трещинообразования при затвердевании шва. Обычно применяется сварка TIG и MIG/GMAW с проволокой ER4047, а также пайка и припоевание, где требуется контролируемый диапазон плавления. Риск горячих трещин ниже, чем у многих других припойных материалов, однако чрезмерная сегрегация Si или плохая подгонка соединений могут вызвать появление хрупких фаз или пористости — важна правильная подготовка шва и оптимальная скорость сварки.

Обрабатываемость

Обрабатываемость 4047 средняя: наличие твёрдых кремниевых частиц повышает износ инструментов по сравнению с чистым алюминием, но улучшает измельчение стружки относительно мягких сплавов. Рекомендуется применение карбидного инструмента с острыми режущими кромками для операций с высокой подачей и скоростью. Скорости резания могут превышать таковые для черных металлов, но должны быть умеренными по сравнению с высокоскоростной обработкой деформируемого алюминия; использование СОЖ и эффективный отвод стружки важны для предотвращения прироста свёрнутого слоя и наклёпки поверхности. Литые и экструзионные формы с крупной первичной формой кремния более абразивны и требуют более частой смены инструмента по сравнению с мелкозернистым деформируемым листом.

Формуемость

Формуемость отличная в отожженном состоянии (O), обеспечивая хорошую гибкость и вытяжку для листов и тонкостенных сечений. Минимальные радиусы гиба зависят от состояния и толщины материала; для состояния O ориентировочно 2–3× толщина материала при типичной V-гибке, тогда как состояния H требуют больших радиусов и при острых изгибах могут возникать трещины. Холодная пластическая деформация упрочняет материал, поэтому при многократной формовке применяют промежуточные отжиги. Для жесткой формовки рекомендуется выбирать состояние O и контролировать радиусы инструментов и смазку во избежание поверхностных трещин вокруг кремниевых частиц.

Особенности термообработки

4047 классифицируется как не поддающийся термообработке сплав, поскольку традиционные процессы растворно-старения не дают значительного упрочнения за счёт выделения фаз. Попытки провести термообработку типа T6 не имеют заметного эффекта из-за недостаточного содержания легирующих элементов (Mg, Cu) для образования упрочняющих выделений. Растворяющая обработка и искусственное старение не изменяют механические свойства существенно, кроме возможного гомогенизирующего влияния на микроструктуру и снижения сегрегации литья.

Основной термической обработкой является отжиг: полный отжиг проводят при повышенных температурах (например, 350–420 °C в зависимости от сечения и спецификации) с последующим контролируемым охлаждением для восстановления пластичности и размягчения упрочнённых холодной деформацией состояний. Могут применяться стабилизирующие обработки (например, H32), чтобы минимизировать эффекты естественного старения и установить предсказуемый баланс прочности и пластичности. Для припойных и сварочных применений важнее контролировать тепловложение в процессе соединения, так как свойства сплава в основном определяются микроструктурой и упрочнением холодной деформацией.

Работа при повышенных температурах

При высоких температурах 4047 как и другие алюминиевые сплавы испытывает прогрессивное снижение прочности; существенное снижение предела текучести и временного сопротивления разрыву начинается примерно при 150–200 °C. Устойчивость к ползучести ограничена по сравнению со специализированными высокотемпературными сплавами, поэтому 4047 не рекомендуется для длительной работы под нагрузкой при повышенных температурах. Окисление ограничено формированием оксидной плёнки алюминия, но длительное воздействие высоких температур в окислительной среде может ухудшать внешний вид и прочность соединений.

В сварных конструкциях зона термического влияния обычно ведёт себя без осложнений, так как сплав не упрочняется выделениями, однако возможны размягчение и коарсирование микроструктуры при длительном нагреве. Для процессов пайки и низкотемпературного соединения 4047 подходит хорошо, однако не рекомендуется эксплуатировать вблизи плавления сплава или в условиях многократного термического цикла, что может вызвать рост зерен и хрупкость, связанные с кремниевыми фазами.

Области применения

Отрасль	Пример детали	Причина использования 4047
Автомобильная промышленность	Паяные теплообменники, припой для сварки кузовных деталей	Отличная текучесть припоя и сниженная чувствительность к образованию горячих трещин при сварке
Отопление, вентиляция и кондиционирование / холодильная техника	Испарители и конденсаторы (пайка)	Низкий температурный диапазон плавления и хорошая растекаемость для производства паяных соединений
Строительство / остекление	Сварные рамки для окон и дверей	Хорошая свариваемость и коррозионная стойкость для сборочных конструкций
Электроника	Паяемые соединения, некоторые компоненты теплоотводов	Хорошая теплопроводность и свойства припоя для соединения
Общее производство	Проволока/пруток для ремонта и изготовления алюминиевых изделий	ER4047 широко доступен как припой с предсказуемым поведением при плавлении

Сплав 4047 особенно ценен там, где приоритетом являются качество соединения и свойства припоя. Комбинация высокого содержания кремния, хорошей текучести и низкой чувствительности к горячим трещинам делает его предпочтительным выбором для производителей теплообменников, паяных сборок и сервисных мастерских, требующих надёжного припоя. Его использование в качестве конструкционного сплава ограничено по сравнению с термообрабатываемыми сплавами, поэтому он часто применяется в качестве вспомогательного материала в сборках из различных материалов.

Рекомендации по выбору

Выбирайте 4047, когда основными требованиями являются качество соединения или пайки и высокая текучесть припоя, а не максимальная конструкционная прочность. Это основной припой при сварке основного металла серии 6xxx для снижения риска горячих трещин или в случаях, когда кремнистый припой улучшает качество соединения.

В сравнении с технически чистым алюминием (например, 1100), 4047 жертвует частью электропроводности и базовой формуемости ради улучшенной текучести при плавлении и превосходных свойств припоя для пайки и сварки. По сравнению с упрочнёнными холодной деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 4047 обладает сопоставимой или несколько меньшей прочностью, но лучшей совместимостью с процессами сварки/пайки и меньшей склонностью к горячим трещинам. В сравнении с распространёнными термообрабатываемыми сплавами типа 6061/6063, 4047 не достигает их максимальной прочности, но предпочтителен, когда необходим припой с низкой температурой плавления или кремнистый сплав для обеспечения надёжности соединения и хорошей растекаемости.

Итог

Алюминий 4047 остаётся актуальным как специализированный Al-Si сплав, отлично подходящий в качестве припоя и материала для пайки, а также в применениях, где критичны кремниевое улучшение текучести и низкая склонность к горячим трещинам. Его непригодность для термообработки направляет использование на операции соединения, ремонта и определённые прокатные или литые изделия, а не на высокопрочные конструкционные узлы, что делает его практичным и широко доступным решением для многих производственных задач по соединению металлов.