Алюминий 4140: состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Обширный обзор

Обозначение «4140» широко известно в номенклатуре сталей как хромомолибденовый сплав; в то же время нет универсально принятого алюминиевого сплава с обозначением «AA 4140» в основных стандартах. Для ясности и инженерной полезности эта статья рассматривает «Алюминий 4140» как обобщённый представитель семейства Al‑Si 4xxx — класса деформируемых кремнийсодержащих сплавов, часто используемых для металлов заполнителей, пайки капиллярным припоем, лужения и некоторых конструкционных профилей.

Алюминиевые сплавы серии 4xxx преимущественно легируются кремнием (Si) и относятся к серии 4xxx Ассоциации алюминия. Основной механизм упрочнения данной группы — упрочнение твёрдого раствора за счёт кремния и холодной деформации; эти сплавы не поддаются классической термической обработке для упрочнения, как 2xxx/6xxx/7xxx серии, и поэтому не относятся к термообрабатываемым.

Ключевые свойства Al‑Si сплавов включают отличную жидкотекучесть расплава и смачиваемость (что делает их предпочтительными материалами для сварочных и пайочных заполнителей), умеренную статическую прочность по сравнению с чистым алюминием, хорошую коррозионную стойкость в различных атмосферных условиях и высокую свариваемость. Формуемость хорошая в отожженном состоянии, но снижается при упрочнении холодной деформацией; обрабатываемость резанием обычно благоприятна, поскольку кремний способствует формированию короткой стружки и повышает размерную стабильность.

Промышленности, использующие Al‑Si (4xxx) сплавы, включают автомобилестроение (заполнители для сварки и пайки теплообменников), системы отопления, вентиляции и кондиционирования (радиаторы и конденсаторы), бытовую технику, электрические проводники, где необходимы свойства заполнителя, а также некоторые непервичные аэрокосмические конструкции и крепления. Инженеры часто выбирают сплавы 4xxx при соединении разнородных алюминиевых сплавов или когда требуется превосходная жидкотекучесть/смачиваемость расплава; выбор такого сплава подразумевает компромисс между максимальной механической прочностью и технологичностью при соединении и экономической эффективностью.

Варианты термического состояния (темпера)

Темпера	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкая	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожженное состояние; оптимально для формования и пайки
H12 / H14	Средняя	Средняя	Хорошая	Отличная	Лёгкое холодное упрочнение; баланс прочности и формуемости
H18 / H24	Средневысокая	Низкое – среднее	Удовлетворительная	Отличная	Упрочнённое холодной деформацией или частично отожжённое для повышения прочности
H32	Средняя	Средняя	Хорошая	Отличная	Стабилизированное после упрочнения; применяется при необходимости размерной стабильности
T4 (где применимо)	Низкая	Высокое	Отличная	Отличная	Некоторые варианты 4xxx могут подвергаться низкотемпературному снятию внутреннего напряжения

Отожженные состояния (O) обеспечивают максимальную пластичность и лучшую формуемость и обычно выбираются для глубокого вытяжки и обширных операций холодного формования. Упрочнённые состояния (H1x/H2x) значительно повышают предел текучести и временное сопротивление разрыву за счёт повышения плотности дислокаций, однако снижают удлинение и повышают остаточную упругость (отскок); свариваемость остаётся высокой во всех состояниях благодаря снижению склонности к холодным трещинам в результате присутствия кремния.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	4.5–12.0	Основной легирующий элемент; регулирует температурный интервал плавления, жидкотекучесть и упрочнение твёрдого раствора
Fe	0.4–1.5	Распространённая примесь; образует интерметаллиды, снижающие пластичность и ухудшающие качество поверхности
Mn	0.05–0.6	Модификатор зеренной структуры; умеренно повышает прочность и снижает склонность к горячей хрупкости
Mg	0.0–0.5	Могут присутствовать малые количества; в сочетании с Si может способствовать образованию осадков в определённых составах
Cu	0.0–0.5	Как правило, низкое содержание; увеличивает прочность, но может снижать коррозионную стойкость
Zn	0.0–0.5	Обычно низкое содержание; влияет на электрохимическое поведение в узлах сборки
Cr	0.0–0.25	Следовые количества для контроля роста зерна и рекристаллизации в некоторых вариантах
Ti	0.0–0.2	Рефайнер зерна при целенаправленном добавлении в малых дозах
Прочие	Баланс (Al)	Могут вводиться следовые элементы (например, B, Sr) для модификации морфологии кремния

Кремний — ключевой элемент: повышение его содержания увеличивает жидкотекучесть и понижает температуру плавления (что выгодно для пайки и заполнения), но избыток кремния способствует образованию твёрдых, хрупких, кремниеобразных интерметаллидов, снижающих пластичность. Железо формирует пластинчатые или игольчатые интерметаллиды, ухудшающие формуемость и качество поверхности, поэтому его содержание строго контролируется. Небольшие добавки марганца, титана или хрома используются для рафинирования структуры отливок или экструзий и улучшения механической стабильности при термических циклах.

Механические свойства

Растяжение алюминиевых сплавов типа 4xxx характеризуется умеренными значениями временного сопротивления разрыву и относительно низким пределом текучести в отожженном состоянии; холодная деформация значительно повышает предел текучести, снижая при этом пластичность. Относительное удлинение в отожженном состоянии обычно высокое (что хорошо для формования), разрушение чаще всего пластичное с некоторым участием хрупких интерметаллидов при высоком содержании Si или Fe.

Твёрдость зависит от термического состояния и содержания кремния: отожжённые сплавы серии 4xxx мягче термообрабатываемых алюминиевых сплавов, однако упрочнённые холодной деформацией состояния достигают полезного уровня твёрдости для конструкционных применений. Усталостные характеристики обычно уступают пиковым значениям 6xxx или 7xxx сплавов; срок службы при усталости чувствителен к качеству поверхности, зонам термического влияния сварки и размеру, а также распределению интерметаллических частиц.

Толщина листа оказывает существенное влияние: тонколистовые материалы хорошо поддаются глубокому вытяжке и пайке, тогда как более толстые плиты или экструдаты сохраняют повышенную жёсткость после изготовления, но могут иметь более грубую структуру и сниженную вязкость; снижение твёрдости в зоне термического влияния сварки обычно не является критичным, поскольку эти сплавы не упрочняются осадками.

Свойство	O / Отожженное	Ключевое состояние (H14/H24)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	80–150 MPa	150–260 MPa	Широкий диапазон обусловлен содержанием Si и холодной деформацией; состояния H повышают прочность
Предел текучести	30–90 MPa	110–200 MPa	Значительное повышение предела текучести при упрочнении холодной деформацией
Относительное удлинение	20–35%	6–18%	Отожженное состояние обеспечивает максимальное удлинение для формования
Твёрдость (HB)	25–60 HB	60–100 HB	Твёрдость возрастает с содержанием кремния и уровнем упрочнения

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.68 г/см³	Типична для деформируемых алюминиево-кремниевых сплавов; немного легче стали
Диапазон плавления	577–660 °C	Эвтектический Al‑Si понижает температуру ликвидуса с увеличением содержания Si; жидкотекучесть варьируется с процентом Si
Теплопроводность	110–150 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия, но всё ещё хорошая для теплообмена
Электропроводность	30–45 % IACS	Снижена относительно чистых алюминиевых марок из-за кремния и других растворённых элементов
Удельная теплоёмкость	≈0.90 Дж/г·К (900 Дж/кг·К)	Типично для алюминиевых сплавов при комнатной температуре
Коэффициент теплового расширения	23–25 µm/m·К	Сходен с другими алюминиевыми сплавами; важен для сопрягаемых узлов

Относительно высокая теплопроводность и умеренная плотность делают Al‑Si сплавы выгодными там, где важны теплоотдача и масса, например, в теплообменниках и автомобильных радиаторах. Сниженная электропроводность по сравнению с более чистыми алюминиевыми марками ограничивает их использование в качестве основных электрических проводников, но они остаются приемлемыми для многих конструкционных и соединительных применений, где электропроводность вторична.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Механические свойства	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0,3–6,0 мм	Хорошие свойства в состоянии O; может подвергаться упрочнению деформацией	O, H14, H24	Широко используется для пайки, напыления, ребер теплообменников
Пластина	6–50 мм	Меньшая вязкость в толстолистовых элементах; более крупная микроструктура	O, H32	Менее распространена; используется для конструкционных деталей с приоритетом свариваемости
Экструзия	Профили длиной до нескольких метров	Хорошая геометрическая стабильность; прочность за счёт холодной деформации	O, H14, H18	Силиций улучшает текучесть при экструзии; применяется в архитектурных профилях
Труба	Ø 6–200 мм	Равномерная толщина стенки; хорошая свариваемость	O, H24	Широко используется в конденсаторах и теплообменных трубах
Пруток/Штанга	Ø 3–50 мм	Хорошая обрабатываемость резанием	O, H14	Часто поставляется как проволока или пруток для сварки и пайки

Листы и трубы из алюминиевых сплавов Al‑Si оптимизированы для соединения и теплообмена, а не для максимальной статической прочности. Экструзии выигрывают от способности кремния улучшать текучесть через фильеры, что позволяет изготавливать сложные сечения. Прутки и штанги часто применяются как сырьё для производства присадочных проволок, где важны характеристики расплава.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	— (AA‑4140 отсутствует)	США	4140 не является стандартизированной маркой AA для алюминия; используйте AA‑4043/4047 для распространённых Al‑Si присадочных материалов
EN AW	EN AW‑4043 / EN AW‑4047	Европа	Распространённые кремнийсодержащие присадочные сплавы; обозначение EN AW соответствует семействам AlSi5 и AlSi12
JIS	A4043	Япония	Широко используемый присадочный материал для сварки, эквивалент AlSi5
GB/T	AlSi5 / AlSi12	Китай	Национальные стандарты на кремнийсодержащие присадочные сплавы для сварки и пайки

Поскольку "4140" не является установившимся обозначением Aluminum Association, инженеры обычно выбирают стандартизированные AlSi сплавы (например, AA‑4043 или EN AW‑4047), у которых определены содержание кремния и пределы по примесям. Основные различия между стандартами связаны с более строгими ограничениями по примесям (Fe, Cu) и допусками на микроэлементы; это влияет на пластичность, смачивание и качество поверхности конечных изделий.

Коррозионная стойкость

Al‑Si сплавы обычно демонстрируют хорошую атмосферную коррозионную стойкость благодаря природной оксидной плёнке алюминия. В сельской и промышленной атмосфере они работают эффективно, однако локализованная коррозия может возникать в местах концентрации интерметаллидных частиц (обогащённых железом фаз), формирующих микрогальванические пары, способные инициировать точечную коррозию при воздействии хлоридов.

В морских условиях Al‑Si сплавы обладают умеренной стойкостью, но, как правило, уступают сплавам Al‑Mg серии 5xxx при длительном воздействии морской воды. Для защиты от точечной и щелевой коррозии, вызванной хлоридами, часто применяют анодирование, органические покрытия и катодную защиту.

Подверженность коррозионному растрескиванию под напряжением у Al‑Si сплавов относительно низкая по сравнению с высокопрочными Al‑Zn (7xxx) и Al‑Cu (2xxx); однако локальное SCC может быть проблемой в агрессивных коррозионных средах при наличии длительного растягивающего напряжения. Следует внимательно управлять гальваническими взаимодействиями: при контакте Al‑Si с нержавеющими сталями или медными сплавами алюминий может выступать в анодной роли и подвергаться ускоренной коррозии без электрической изоляции.

Свойства обработки

Свариваемость

Al‑Si (4xxx) сплавы относятся к наиболее свариваемым алюминиевым семьям. Кремний уменьшается проблемы с интервалом затвердевания и снижает склонность к горячим трещинам, что делает их отличным выбором для присадочных материалов (например, 4043, 4047) при TIG и MIG сварке многих алюминиевых базовых сплавов. Рекомендуемые присадки для соединения алюминиевых узлов обычно подбираются в соответствии с химией основного сплава, чтобы оптимизировать смачивание и минимизировать трещинообразование; контроль прогрева и скорости сварки помогает снизить пористость, а смягчение зоны термического влияния не является серьёзной проблемой, поскольку эти сплавы не подвергаются упрочнению осадочным твердением.

Обрабатываемость резанием

Обрабатываемость Al‑Si сплавов хорошая благодаря кремнию, вызывающему формирование короткой ломкой стружки; рекомендуется использование карбидного инструмента с положительным углом врезания и высокими скоростями резания. Подачу и скорость подбирают для предотвращения нароста на режущей кромке; охлаждение или воздушная струя способствуют удалению стружки и улучшению качества поверхности. При высоком содержании кремния инструмент быстро изнашивается, поэтому материал инструмента подбирается с учётом износостойкости.

Обрабатываемость при деформировании

Обработка лучше всего проводится в отожжённом (O) состоянии, при котором достигается максимальное удлинение и пластичность при гибке. Типичные минимальные радиусы внутреннего изгиба для листа составляют 1–2×T (толщина), в зависимости от содержания кремния и состояния; упрочнённые деформацией состояния требуют больших радиусов и поэтапного формоизменения. Горячее формоизменение возможно для сложных геометрий, однако необходимо контролировать рост зерна и окисление поверхности, которые могут ухудшить качество последующих соединений.

Особенности термообработки

Al‑Si (4xxx) сплавы в общем случае не поддаются классической термической обработке для упрочнения осадкой, характерной для сплавов серии 6000/7000. Они не реагируют на растворение и искусственное старение для значительного увеличения прочности; кремний остаётся преимущественно в твёрдом растворе или в виде эвтектических частиц Si. Термическая обработка применяется, как правило, для снятия внутренних напряжений, дробления зерна или изменения морфологии кремния с помощью модификаторов, таких как Sr или Na.

Упрочнение происходит главным образом за счёт работы холодной деформацией: контролируемая холодная прокатка или протяжка повышает плотность дислокаций и предел текучести, жертвуя пластичностью. Отжиг (полное распрямление) используется для восстановления пластичности при необходимости; типичные циклы отжига проводят ниже температуры плавления Al‑Si, чтобы избежать начального расплава. Некоторые присадочные Al‑Si сплавы могут подвергаться коротким тепловым циклам для гомогенизации микроструктуры и улучшения свойств пайки, однако такие обработки специфичны для технологии и не дают долговременного улучшения механических свойств.

Работа при высоких температурах

Al‑Si сплавы начинают терять полезную статическую прочность при температурах выше примерно 150–200 °C; долговременная ползучесть ограничена по сравнению с специально разработанными для высокотемпературной эксплуатации алюминиевыми или деформируемыми сплавами. Наличие кремниевых частиц несколько улучшает размерную стабильность при нагреве, выполняя роль упрочняющей дисперсии, но сохранение прочности при температурах свыше 250 °C неэффективно.

Окисление на воздухе обычно ограничивается формированием защитного слоя Al2O3, который замедляет дальнейшее разрушение; однако при высоких температурах образование масштабов или воздействие агрессивных сред (содержащих сульфур, расплавленных солей) может ускорить поверхностную коррозию. Зоны термического влияния сварных соединений не подвергаются циклам растворения/выделения, характерным для осадочно-твёрдённых алюминиевых сплавов, но продолжительное воздействие высоких температур может вызвать коарснение микроструктуры и снижение вязкости.

Области применения

Отрасль	Пример изделия	Преимущества использования 4140
Автомобильная промышленность	Паяные радиаторы и конденсаторы	Отличное смачивание и текучесть при пайке; хорошая теплопроводность
Вентиляция и кондиционирование воздуха	Рёбра и трубки теплообменников	Низкая плотность и высокая теплопроводность с хорошей формовкой в состоянии отжига
Авиакосмическая отрасль (второстепенные элементы)	Воздуховоды, фитинги, кронштейны	Малый вес, хорошая коррозионная стойкость и лёгкость соединения для неответственных деталей
Бытовая техника	Плиты, компоненты духовок, корпуса	Экономичное производство и хорошая теплопередача
Сварочные материалы	Присадочные прутки и проволока	Контролируемый интервал плавления и смачивание при алюминиево-алюминиевых соединениях

В заключение, Al‑Si (4xxx) сплавы превосходны там, где важна свариваемость, текучесть расплава и умеренные механические свойства, а не максимальная прочность. Они широко применяются в качестве присадочных материалов и в тепловых системах благодаря сбалансированным тепловым, химическим и механическим характеристикам.

Рекомендации по выбору

Рассматривайте "4140" как сплав класса 4xxx (Al‑Si): выбирайте его, когда ключевыми факторами являются свариваемость, текучесть расплава и хорошие тепловые свойства, а не максимальная статическая прочность. Для сборок, требующих пайки или соединения разнотипных алюминиевых материалов, присадочный 4xxx сплав зачастую является наиболее надёжным и экономичным выбором.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100), сплав 4xxx жертвует частью электропроводности и пластичности ради существенно большей прочности и лучшего поведения расплава — что важно при соединении и передаче тепла. По сравнению с упрочнёнными холодной деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 4xxx сплавы обычно обладают сходной или немного меньшей коррозионной стойкостью, но улучшают смачивание и удобство пайки; они занимают промежуточное положение по прочности и удобству соединения. По сравнению с термообрабатываемыми сплавами, такими как 6061/6063, 4xxx обеспечивают меньшую максимальную прочность, но лучшие свойства соединения/пайки и зачастую меньшую...