Алюминий 413: состав, свойства, руководство по упрочнению и области применения

Общий обзор

Алюминиевый сплав 413 относится к серии 4xxx, семейству сплавов с кремнием в качестве основного легирующего элемента. Эта серия обычно ориентирована на улучшенную жидкотекучесть, сужение диапазона плавления и повышенную износостойкость, а не на высокую прочность за счёт термической обработки.

Сплав 413 в основном упрочняется за счёт твёрдого раствора кремния и упрочнения при холодной деформации; он не является типичным термообрабатываемым сплавом, как серии 6xxx или 7xxx. Типичные легирующие добавки помимо кремния включают контролируемые количества железа, марганца и микроэлементов, предназначенные для настройки литейных свойств, прочности и обрабатываемости резанием.

Основные характеристики 413 — умеренная прочность, хорошая коррозионная стойкость в многих атмосферных и слабоагрессивных средах, отличная свариваемость и приемлемая пластичность в более мягких состояниях. Эти свойства делают его привлекательным в отраслях, где требуются надёжное соединение и формование при разумных механических показателях, например, в автомобилестроении (вторичные конструкции), потребительских изделиях и некоторых морских крепёжных деталях.

Инженеры выбирают 413 среди прочих сплавов, когда необходима комбинация свариваемости, предсказуемого теплового поведения при соединении и экономичного производства (формовка, механическая обработка, сварка) без затрат и рисков деформации, присущих сплавам с упрочнением методом искусственного старения. Его стабильность в зоне термического влияния и совместимость с припойной металлургией часто определяют выбор для сварных конструкций и пайки.

Варианты состояний (темперов)

Темпер	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отжиженное состояние, максимальная пластичность для формовки
H14	Средний	Среднее	Хорошая	Отличная	Частичное упрочнение при холодной обработке, часто используется для листов
H18	Высокий (холодообработанный)	Низкое	Плохая	Отличная	Сильная холодная пластическая деформация для повышения предела текучести
T4*	Низко-средний	Среднее	Хорошая	Отличная	Не стандартная термообработка; природный темпер после выдержки в растворе в специальных вариантах
T5/T6/T651	Обычно не применимо	—	Ограниченная	Отличная	Обозначения термообработки обычно малоэффективны для серии 4xxx; механический отклик ограничен
Пользовательские Hx/Tx	Переменный	Переменный	Переменный	Отличная	Многие коммерческие партии имеют специальные темперы для экструзии или пайки

413 в первую очередь является не термообрабатываемым сплавом, поэтому «темпер» обычно означает степень холодной деформации (обозначения H) и специальные промышленные состояния, адаптированные под формовку или механическую обработку. Температуры O и легкие H предпочтительны для сложной формовки, тогда как более высокие H уменьшают пластичность в пользу повышения прочности и жёсткости.

Поскольку фазы с высоким содержанием кремния могут выделяться в процессе тепловых циклов, традиционное искусственное старение типа T5/T6 обеспечивает минимальное упрочнение; специализированные технологические приёмы (контролируемое охлаждение после растворения или адаптированные термомеханические обработки) применяются редко и не получили широкого распространения.

Химический состав

Элемент	Диапазон содержания, %	Примечания
Si	4,5–6,5	Основной легирующий элемент, снижающий диапазон плавления, улучшающий жидкотекучесть и упрочнение за счёт твёрдого раствора
Fe	0,4–1,2	Распространенный примесный элемент; образует интерметаллиды, влияющие на литейные свойства и обработку
Mn	0,1–0,6	Стабилизирует структуру зерна, улучшает прочность и коррозионную стойкость
Mg	0,05–0,40	Небольшие количества; могут повлиять на прочность и качество поверхности, но ограничиваются из-за влияния на свариваемость
Cu	0,05–0,25	Ограниченное содержание для предотвращения значительной потери коррозионной стойкости; повышает прочность при наличии
Zn	0,05–0,30	Типично низкое содержание; избыток цинка снижает коррозионную стойкость
Cr	0,03–0,20	Микродобавки для стабилизации микроструктуры и ограничения роста зерна при обработке
Ti	0,01–0,15	Зерноочиститель в отливках и экструзиях для улучшения механических свойств
Прочие	0,05–0,50	Включают микроэлементы и примеси (V, Zr, Sr); контролируемые добавки для адаптации литейных характеристик и микроструктуры

Баланс сплава — алюминий. Приведённые диапазоны характерны для коммерческих составов кованых и литейных сплавов 4xxx, маркируемых как 413. Кремний доминирует в свойствах, снижая интервал плавления/затвердевания и повышая износостойкость. Минорные элементы (Mn, Cr, Ti) вводятся для контроля размера зерна, изменения морфологии интерметаллидов и улучшения прочности или обрабатываемости без существенного ухудшения свариваемости и коррозионной стойкости.

Механические свойства

При растяжении 413 обычно демонстрирует умеренное временное сопротивление разрыву с разумным удлинением в отожженном состоянии и снижением пластичности при увеличении степени холодной деформации. Предел текучести увеличивается с повышением уровней холодной обработки (темперов H), тогда как ударная вязкость и удлинение снижаются в результате компенсации. Реакция на упрочнение холодной деформацией прогнозируема и используется для достижения требуемой прочности в сформированных или вытянутых деталях.

Твёрдость коррелирует с темпером: материал в состоянии O показывает низкие значения по Брину или Виккерсу, тогда как закалка от H14 до H18 увеличивает твёрдость за счёт умножения дислокаций. Усталостные свойства обычно достаточны для некритичных циклических нагрузок; однако концентрация напряжений и качество поверхности существенно влияют на ресурс по сравнению с высокопрочными термообрабатываемыми сплавами. Толщина влияет на механические свойства через скорость охлаждения при литье/экструзии и возможную степень холодной деформации; более толстые сечения обычно показывают пониженную эффективную прочность и пластичность из-за крупнозернистой микроструктуры.

Проектировщикам следует ожидать плавные кривые «напряжение-деформация» с умеренными значениями показателя упрочнения и очевидным компромиссом между прочностью и пластичностью при переходе к более высоким температурам H.

Свойство	O / Отожженное	Основной темпер (например, H14/H18)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	~120–190 MPa	~180–260 MPa	Типичные диапазоны в зависимости от толщины, обработки и точного состава
Предел текучести	~60–120 MPa	~140–220 MPa	Предел текучести существенно увеличивается при холодной обработке
Относительное удлинение	~20–35%	~3–12%	Отожженное состояние характеризуется высокой пластичностью; сильное упрочнение снижает удлинение
Твёрдость	~30–55 HB	~60–95 HB	Твёрдость возрастает с увеличением холодной деформации и легирования

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2,65–2,70 г/см³	Типично для алюминиевых сплавов; умеренно варьируется в зависимости от легирования
Диапазон плавления	~570–650 °C	Кремний снижает температуру солидуса и сужает диапазон затвердевания по сравнению с чистым алюминием
Теплопроводность	120–160 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия, но остаётся высокой; подходит для применения в теплоотводе
Электропроводность	~30–45 % IACS	Снижена по сравнению с коммерчески чистым алюминием из-за легирующих добавок; достаточна для некоторых токопроводящих и контактных применений
Удельная теплоёмкость	~0,88–0,92 Дж/г·К	Типичные значения для алюминия, используемые при расчётах тепловой массы
Тепловое расширение	22–24 µm/м·К (20–100 °C)	Сопоставимо со многими деформируемыми сплавами; важно при тепловых циклах и контроле размеров

Физические свойства относят 413 к категории универсальных алюминиевых сплавов: лёгкий материал с высокой теплопроводностью относительно сталей и многих других сплавов, но с пониженной электропроводностью по сравнению с серией 1xxx. Тепловое поведение при сварке и пайке благоприятное, так как кремний уменьшает диапазон плавления и снижает склонность к горячим трещинам в большинстве процессов соединения.

Проектировщикам необходимо учитывать тепловое расширение и теплопроводность при совмещении компонентов из 413 с разнородными материалами; высокая теплопроводность сплава делает его полезным для отвода тепла, где допустима умеренная прочность.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Распространённые состояния упрочнения	Примечания
Лист	0.3–6.0 мм	Однородное; прочность варьируется с холодной деформацией	O, H14, H18	Широко используется для формованных панелей и сварных узлов
Плита	6–150 мм	Низкая производительность при толстых сечениях; более крупная микроструктура	O, лёгкое состояние H	Толстые плиты могут требовать специальной обработки для контроля размера зерна
Экструзия	Профили длиной до нескольких метров	Выпускается с различными сечениями; прочность обеспечивается упрочнением	O, Hxx	Хорошая экструзируемость за счёт кремния; важна доработка зерна
Труба	Внешний диаметр – от малого до большого	Прочность зависит от толщины стенки и степени деформации	O, H14	Распространена для конструкционных труб и паяных коллекторов теплообменников
Пруток/штанга	Диаметры до ~200 мм	Прочность увеличивается при холодной вытяжке	O, H	Используется для механически обработанных деталей и крепежа в некритичных узлах

Листы и тонколистовые изделия являются наиболее распространенной поставляемой формой для 413, обеспечивая возможность штамповки и глубокой вытяжки. Плиты и экструзионные изделия требуют контроля тепловой истории; богатое содержание кремния и интерметаллические фазы могут формировать крупные структуры в толстых сечениях, что влияет на вязкость и обрабатываемость.

Экструзия выгоды достигает благодаря высокой текучести кремния, но часто требует доработки зерна (добавки Ti, B) и тщательного охлаждения для обеспечения стабильных механических свойств по всей длине профиля.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	413	США	Обозначение коммерчески деформируемого сплава серии 4xxx; составы могут различаться у разных поставщиков
EN AW	прямого однозначного аналога нет	Европа	Нет точного соответствия в EN AW; поведение сходно с серией EN AW-4043/4047 по некоторым параметрам
JIS	прямого однозначного аналога нет	Япония	В JIS нет прямого соответствия 413; сравнения должны основываться на составе
GB/T	прямого однозначного аналога нет	Китай	Китайские стандарты предлагают близкие составы серии 4xxx, но прямого однозначного соответствия редко

Отсутствие универсальных совпадений по маркировке 413 в международных стандартах связан с тем, что сплавы серии 4xxx часто разрабатываются под специфические задачи (наплавочные проволоки, паяльные сплавы, деформируемое применение). При замене следует сравнивать подробный химический состав и подтверждённые механические свойства, а не полагаться только на цифровое обозначение. Небольшие отличия в содержании кремния и железа могут влиять на особенности плавления и поведение зоны термического влияния при сварке.

Коррозионная стойкость

413 обладает хорошей общей атмосферной коррозионной стойкостью, подобной многим сплавам серии 4xxx, благодаря образованию защитного слоя оксида алюминия и относительно низкому уровню вредных примесей. В условиях умеренно агрессивной среды сплав показывает хорошую устойчивость, однако хлоридсодержащие морские условия требуют продуманного проектирования, чтобы избежать локальной питтинговой коррозии, особенно при гальванической паре с более благородными металлами.

В морских применениях 413 может использоваться для конструкционных креплений при наличии коррозионных запасов, защитных покрытий или жертвенных анодов; содержание кремния обычно не снижает коррозионную стойкость заметно по сравнению с магниевыми сплавами серии 5000. Устойчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением ниже, чем у высокопрочных сплавов серии 2xxx и 7xxx, но остаточные напряжения и концентрация напряжений могут вызывать локальные повреждения при циклической нагрузке и агрессивной среде.

Гальванические эффекты следует учитывать: при контакте со нержавеющими сталями или медными сплавами 413 становится анодом и корродирует предпочтительно, если не обеспечена электрическая изоляция или защита. По сравнению с деформируемыми сплавами серий 1xxx/3xxx, 413 жертвует частью пластичности в пользу лучшей термостойкости сварных соединений и повышенной износостойкости в условиях трения.

Свойства при обработке

Свариваемость

413 хорошо сваривается традиционными методами плавления (TIG, MIG/GMAW) и часто применяется там, где важны отличное поведение при сварке и низкая склонность к горячим трещинам. Кремний снижает температурный интервал плавления и улучшает текучесть сварочной ванны; обычно рекомендуются присадочные материалы, подобранные к основанию или сплавам серии 4xxx. Риск горячих трещин невысок по сравнению с высокомедными или цинковыми сплавами, однако выбор проволоки должен учитывать условия эксплуатации и коррозионные требования. Зона термического влияния может частично размягчаться в зависимости от степени предварительного упрочнения; для контроля допусков по конструкции возможна мехобработка после сварки или снятие напряжений.

Обрабатываемость

Обрабатываемость 413 среднего уровня, обычно лучше, чем у многих высококремнистых литейных сплавов; чистая обработка возможна в отожженных и среднеупрочнённых состояниях при использовании подходящего инструмента и режимов резания. Для серийного производства рекомендуется использовать твердосплавный инструмент с умеренной скоростью резания и положительным углом в плане для контроля формирования стружки. Кремнийсодержащие интерметаллические фазы повышают абразивный износ режущих кромок, поэтому материал и покрытия инструмента подбираются с учётом срока службы. Поверхностная отделка и точность соблюдаются при правильных подачах и использовании СОЖ.

Пластичность

Лучшая пластичность наблюдается в состоянии O или с лёгким упрочнением H, снижается с увеличением степени наклёпа. Минимальный радиус изгиба в листах от 1 до 2 × толщины достижим для простых изгибов; сложные операции штамповки и глубокой вытяжки требуют тщательного проектирования штампов и смазки для предотвращения поверхностных трещин в областях с кремнийсодержащими фазами. Холодная деформация повышает прочность за счёт наклёпа и является стандартным способом достижения требуемых механических свойств в деталях.

Поведение при термообработке

Будучи сплавом серии 4xxx, 413 в основном не поддаётся традиционной термообработке для упрочнения за счёт выделений. Попытки растворения и искусственного старения дают минимальный прирост прочности по сравнению со сплавами 6xxx и 7xxx. Специальные термомеханические обработки (контролируемое охлаждение из околоплавкого состояния или специализированное распылительное закаливание) могут дать небольшой эффект, но не применяются в стандартном производстве.

Основной способ повышения прочности — упрочнение холодной обработкой: холодная прокатка, вытяжка, гибка надёжно повышают предел текучести и временное сопротивление, а выбор состояния определяется степенью деформации. Отжиг возращает сплав в состояние O, восстанавливая пластичность и улучшая формуемость; типичные циклы отжига сходны с другими алюминиевыми сплавами, но необходимо избегать чрезмерного роста зерна регулируя температуру и время.

Работа при повышенных температурах

Прочность 413 постепенно снижается при температуре выше примерно 100–150 °C, рекомендуемый рабочий диапазон как правило не превышает ~150 °C для несущих конструкций. Окисление при высоких температурах ограничено защитной плёнкой оксида алюминия, но длительное воздействие тепла ускоряет коагуляцию кремнийсодержащих частиц и снижает механические свойства.

В сварных узлах в зоне термического влияния возможно локальное размягчение и укрупнение фаз, особенно в областях с предварительной холодной деформацией; проектировщикам следует учитывать уменьшение прочности зоны термического влияния в расчётах сварных соединений. Для длительного использования при высоких температурах или циклическом нагреве предпочтительнее применять сплавы других серий (например, высокопрочные сплавы 2xxx/7xxx с специальной термообработкой или высокотемпературные алюминиевые сплавы).

Области применения

Отрасль	Пример изделия	Почему используется 413
Автомобильная	Вторичные конструкционные панели, сварные кронштейны	Хорошая свариваемость, разумная прочность, экономичная формуемость
Судостроение	Кронштейны, такелажные детали	Коррозионная стойкость и лёгкость обработки; стабильность зоны термического влияния
Аэрокосмическая	Некритичные крепления, кожухи	Оптимальное соотношение прочность/масса и свариваемость для вторичных конструкций
Электроника	Рассеиватели тепла, корпуса	Теплопроводность и формуемость для шасси и корпусов
Потребительские товары	Панели бытовой техники, рамы	Баланс формуемости, возможности отделки и стоимости

413 часто выбирается для применения с промежуточным уровнем механических свойств и стабильностью технологических процессов (сварка, формовка). Сочетание кремния, влияющего на тепловые и плавильные характеристики, и предсказуемого отклика на упрочнение холодной обработкой делает его универсальным выбором для многих некритичных конструкций и корпусов.

Проектировщики часто используют свароспособность и обрабатываемость 413 для упрощения сборки и сокращения количества операций по сравнению со сплавами, требующими упрочнения за счёт выделений.

Рекомендации по выбору

413 логично выбирать, когда приоритетом являются свариваемость и хорошая формуемость в мягких состояниях, а не максимальная прочность. По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100) 413 уступает по электропроводности и слегка по формуемости, но значительно превосходит по прочности и износостойкости; 1100 предпочтительнее использовать, когда важны электропроводность и коррозионная стойкость без требования высокой прочности.

По сравнению с распространёнными упрочненными холодной деформацией сплавами, такими как 3003 и 5052, 413 обычно обладает несколько большей прочностью при данном состоянии термообработки при сохранении аналогичной или немного сниженной коррозионной стойкости; выбирайте 5052 для превосходной коррозионной устойчивости в морской воде и 3003 для отличной формуемости, если электропроводность и соединение менее критичны. По сравнению с сплавами, поддающимися упрочняющей термообработке, такими как 6061 и 6063, 413 предпочтительнее в случаях, когда сварка и стабильность зоны термического влияния важнее достижения максимальных свойств, обусловленных осадочным упрочнением; 6061 даст более высокую прочность, но может потребовать более сложного теплового контроля при сварке.

Выбирайте 413, когда производственные процессы ориентированы на сварные узлы, пайку или значительные операции формовки, и требуется сплав средней прочности с высокой экономической эффективностью, способный выдерживать тепловые циклы без деформаций или хрупкости в зоне термического влияния, характерных для некоторых высокопрочных сплавов.

Заключительное резюме

Алюминий 413 остаётся актуальным практичным сплавом серии 4xxx, который обеспечивает хороший уровень свариваемости, надёжную формуемость в отожженном состоянии и умеренную механическую прочность для широкого спектра промышленных применений. Его кремнеземная направленность плавления и тепловые характеристики упрощают процессы соединения и обработки, в то время как контролируемая холодная деформация позволяет конструкторам регулировать прочностные показатели без необходимости осадочной термообработки. Когда инженерные компромиссы делают приоритетом технологичность, стабильность зоны термического влияния и экономичность вместо максимумов прочности, 413 является надёжным выбором материала.