Алюминий 4145: состав, свойства, руководство по закалке и применение

Полный обзор

Сплав 4145 относится к серии 4xxx алюминиевых сплавов, семейство которых характеризуется кремнием как основным легирующим элементом. Серия 4xxx обычно применяется там, где важны повышенная текучесть расплава, пониженная температура плавления и улучшенная износостойкость; 4145 соответствует этим характеристикам и часто поставляется в виде деформированного изделия для конструкционных и соединительных применений.

Основным легирующим элементом в 4145 является кремний; также в контролируемом количестве присутствуют железо, марганец и микроэлементы, такие как титан и хром, которые влияют на структуру зерна и механические свойства. Прочность 4145 достигается в основном за счёт упрочнения твердым раствором за счёт кремния и упрочнения при деформации (наклёпа); это не классически подвергающийся термообработке алюминиевый сплав, поэтому методы старения, такие как T6, дают ограниченный эффект.

Основные характеристики 4145 включают умеренную до хорошей прочность для алюминиево-кремниевого сплава, отличную стойкость к размягчению в зоне сварки по сравнению с некоторыми термоупрочняемыми сплавами, хорошую теплопроводность для теплоотводящих применений и, как правило, хорошую формуемость в отожженном состоянии. Свариваемость обычно очень хорошая при использовании соответствующих присадочных материалов, а коррозионная устойчивость достаточна для атмосферных и слабоагрессивных морских условий, но уступает сплавам серии с высоким содержанием магния в агрессивной морской воде.

Типичные отрасли применения 4145 включают автомобильную промышленность (конструкционные и соединительные компоненты), сварочные и пайочные материалы, потребительские изделия с требованиями к тепловым характеристикам, а также лёгкие конструкционные приложения, где нужен экономичный баланс прочности и формуемости. Инженеры выбирают 4145, когда требуется баланс алюминия и кремния: он обеспечивает лучшую стойкость к высокотемпературному размягчению в зоне сварки по сравнению с многими термоупрочняемыми сплавами и предлагает компромисс между формуемостью и прочностью по сравнению с чистым алюминием или сплавами серии 5xxx.

Варианты состояния поставки

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкая	Высокая	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое состояние, оптимально для формовки и пайки
H12	Средняя	Средняя	Хорошая	Отличная	Частичный наклёп, умеренное повышение предела текучести
H14	Средне-высокая	Низко-средняя	Удовлетворительная	Отличная	Четверть наклёпа; распространено для листовых применений
H18	Высокая	Низкая	Плохая	Хорошая	Полный наклёп, используют там, где требуется максимальная прочность от холодной деформации
T4*	Не применяется	Не применяется	Не применяется	Не применяется	Классическая растворяющая и стареющая термообработка неэффективна для серии 4xxx
T5*	Не применяется	Не применяется	Не применяется	Не применяется	Искусственное старение после охлаждения с высокой температуры не характерно

Показанные категории состояния отражают практические состояния, встречающиеся в деформируемых алюминиево-кремниевых сплавах типа 4145. Серия 4xxx не реагирует на методы старения так, как сплавы серии 6xxx или 7xxx, поэтому основные производственные состояния — это состояния наклёпа (серия H) и отжиг (O). Выбор более твёрдого состояния H приводит к снижению пластичности и формуемости в пользу повышения предела текучести и временного сопротивления разрыву, но ограничивает дальнейшие операции формовки.

Химический состав

Элемент	Диапазон содержания, %	Примечания
Si	4,5–12,5 (типично)	Основной легирующий элемент; контролирует поведение при плавлении и упрочнение твердым раствором
Fe	0,4–1,3	Примесь, образует межметаллические соединения; влияет на прочность и пластичность
Mn	0,05–0,6	Модификатор структуры зерна, повышает прочность без существенного снижения коррозионной стойкости
Mg	0,05–0,6	Небольшие добавки улучшают прочность и отклик на наклёп
Cu	≤0,25	Как правило, поддерживается низким для сохранения коррозионной устойчивости
Zn	≤0,25	Поддерживается низким, так как укрепляет слабо, но может ухудшать коррозионную стойкость
Cr	≤0,25	Используется для контроля зерна и снижения рекристаллизации при обработке
Ti	≤0,15	Рафинирующий элемент для структуры зерна при литье и деформировании
Другие (в т.ч. остаточный Al)	Баланс	Алюминий — остальное, с контролем следовых остатков (например, Ni, V, Zr)

Содержание кремния во многом определяет поведение 4145: при уровне Si от средних одно- до низких двузначных процентов сплав демонстрирует эвтектические и околэвтектические особенности затвердевания, понижая температуру начала плавления и улучшая растекание при пайке и сварке. Железо и марганец влияют в первую очередь на морфологию межметаллических соединений и рекристаллизацию; их контроль важен для вязкости и формуемости. Небольшие добавки магния и хрома позволяют регулировать реакцию на холодную деформацию и стабильность зерна при термических циклах.

Механические свойства

Поведение при растяжении 4145 определяется уровнем кремния и состоянием поставки. Отожжённый (O) материал обычно демонстрирует умеренную прочность при хорошей пластичности, обеспечивающей вязкое поведение при квазистатической нагрузке. Состояния наклёпа (серия H) повышают предел текучести и временное сопротивление разрыву за счёт уменьшения пластичности и могут вызывать анизотропию при сильной прокатке или экструзии.

Предел текучести в отожжённом состоянии 4145 умеренный, существенно повышается при холодной деформации; сплав не обладает заметным эффектом старения, поэтому улучшение свойств после обработки достигается пластической деформацией. Твёрдость следует той же тенденции: значения по шкале HB растут при наклёпе, но остаются ниже, чем у стареющих сплавов серии 6xxx. Усталостная прочность зависит от качества поверхности и наличия кремнийсодержащих межметаллических включений; дробеструйная обработка и полированные поверхности значительно увеличивают ресурс при усталостных нагрузках.

Толщина существенно влияет на механические свойства, так как скорость охлаждения при обработке определяет размер и распределение кремниевых частиц; тонкие листы, охлаждённые быстро или прокатанные холодным способом, имеют более мелкодисперсный кремний и несколько более высокую прочность. Сварка и тепловое воздействие могут локально размягчать состояния H в зоне термического влияния; правильный подбор параметров процесса и последующая механическая обработка снижают этот эффект.

Свойство	O/Отожжённое	Основное состояние (H14/H18)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	120–170 МПа (типично)	200–270 МПа (типично)	Диапазоны сильно зависят от содержания Si и уровня наклёпа
Предел текучести	60–110 МПа (типично)	140–220 МПа (типично)	Серия H существенно повышает предел текучести за счёт наклёпа
Относительное удлинение	18–30%	5–14%	Пластичность снижается с ростом наклёпа и количеством Si-интерметаллидов
Твёрдость (HB)	30–55	65–95	Твёрдость связана с состоянием поставки и морфологией кремния

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	~2,68–2,72 г/см³	Незначительно варьируется с содержанием кремния, близка к плотности чистого алюминия
Диапазон плавления	~577–640 °C	Эвтектический Al–Si при ~577 °C; ширина зоны твердых растворов зависит от %Si и легирующих элементов
Теплопроводность	~120–180 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия из-за присутствия кремния; хороша для теплоотводящих компонентов
Электропроводность	~25–45 % IACS	Снижена по сравнению с чистым алюминием из-за легирующих добавок
Удельная теплоёмкость	~880–910 Дж/кг·К	Типично для алюминиевых сплавов при комнатной температуре
Тепловое расширение	~22–24 µм/м·К (20–100 °C)	Соизмеримо с другими алюминиевыми сплавами; учитывать разницу расширения при соединении с разнородными металлами

Физические свойства отражают компромиссы, связанные с добавлением кремния: проводимость и плотность остаются выгодными по сравнению со многими металлами, но тепловая и электрическая проводимости снижены относительно чистого алюминия. Пониженная температура солидуса, обусловленная кремнием, улучшает литьевые свойства и характеристики пайки, однако требует тщательного температурного контроля при сварке и термообработке, чтобы избежать локального плавления или эвтектического формирования.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Механические свойства	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.3–6.0 мм	Прочность зависит от термообработки и степени прокатки	O, H12, H14	Широко выпускается; используется для формованных панелей и пайки
Плита	6–25 мм	Слегка ниже равнопрочность при упрочнении в толстых сечениях	O, H18	Толстые сечения могут содержать крупные частицы кремния, снижающие вязкость
Экструзия	Сечения до 200 мм	Прочность зависит от охлаждения и последующей протяжки	O, H12	Экструдированные профили применяются в конструкциях и теплообменниках
Труба	Наружный диаметр 6–150 мм	Толщина стенки влияет на механическую стабильность	O, H14	Часто используется для теплообмена и транспортировки жидкостей с последующей пайкой/сваркой
Пруток/штанга	Диаметр 3–60 мм	Холоднотянутый пруток улучшает прочность и качество поверхности	O, H18	Используется для точёных деталей и крепежа, кремний повышает износостойкость

Различия в обработке влияют на конечные свойства: листовая продукция подвергается более равномерной прокатке и разрежению, что обеспечивает мелкодисперсное распределение кремния, в то время как плиты и толстые экструдаты сохраняют более крупнозернистую структуру, уменьшающую пластичность. Экструзии и трубы часто подвергаются постэкструзионной протяжке для снижения остаточных напряжений и повышения размерной стабильности. Выбор формы изделия определяется требуемой жёсткостью сечения, этапами формовки и процессами соединения после изготовления.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	4145	США	Обозначение в системе Aluminum Association для алюминиево-кремниевого деформируемого сплава
EN AW	Нет прямого аналога	Европа	Нет точного соответствия; ближайшие семейства Al–Si – AW‑4043/4047
JIS	Нет прямого аналога	Япония	Локальные обозначения для Al–Si сплавов существуют, но точного аналога 4145 нет
GB/T	Нет прямого аналога	Китай	В китайских стандартах есть Al–Si деформируемые марки, 4145 может поставляться по собственным спецификациям

Не всегда существует однозначное перекрёстное соответствие 4145 в международных стандартах, так как химические составы и назначение могут значительно различаться между регионами. При необходимости точной взаимозаменяемости инженерам рекомендуется сравнивать подробные таблицы химического состава и механических свойств или запрашивать сертификацию у поставщиков. Во многих случаях Al–Si марки, например EN AW‑4043 или 4047, функционально близки для сварки и припойных применений, но отличаются содержанием кремния и балансом механики.

Коррозионная стойкость

В атмосферных условиях 4145 демонстрирует хорошую стойкость благодаря естественной пассивной плёнке из оксида алюминия; небольшое содержание кремния и легирующих элементов не снижает эксплуатационные характеристики в общем. Местная коррозия в виде питтинга выражена меньше, чем у высококремнистых литейных сплавов, но не достигает уровня моря коррозионной стойкости высокомагниевых сплавов серии 5xxx.

В морской среде сплав приемлем для компонентов выше брызговой зоны или элементов с жертвенной защитой и регулярным контролем. В условиях постоянного увлажнения и высокой концентрации хлоридов 4145 чувствителен к локальному атакующему воздействию и гальванической коррозии при контакте с катодными металлами; стандартные меры защиты включают нанесение покрытий и соответствующую изоляцию.

Расположение напряжённой коррозии не является основной причиной отказов для алюминиево-кремниевых сплавов с низким содержанием меди, таких как 4145; однако остаточные напряжения от холодной деформации или сварки в агрессивной среде могут вызывать поведение, похожее на SCC, в сильно закреплённых зонах. Гальванические взаимодействия следует учитывать при соединении 4145 с более благородными материалами, например, нержавеющими сталями или медными сплавами, особенно в морской воде, где алюминий будет корродировать предпочтительно без изоляции.

По сравнению с тепловообрабатываемыми сплавами 6xxx и 7xxx серий, 4145 лучше сопротивляется разупрочнению в зоне термического воздействия сварки, но обычно уступает по общей коррозионной стойкости сплавам серии 5xxx в морских условиях. Сплав представляет собой практический компромисс между коррозионной стойкостью и сваростойкостью.

Свойства при обработке

Свариваемость

Свариваемость 4145 в целом очень хорошая при применении процессов TIG и MIG с подходящей защитой и наполнителями. Содержание кремния способствует смачиванию и растеканию при сварке и пайке, уменьшая дефекты недостаточного провара. Рекомендуемые наполнители – алюминиево-кремниевые прутки/проволока (например, AlSi-сплавы) для сохранения баланса кремния и предотвращения горячих трещин; медесодержащие наполнители нежелательны. Размягчение зоны термического воздействия менее выражено, чем у сплавов с упрочнением при старении, однако перегрев может вызвать локальное плавление или евтектическое расслоение, поэтому важен контроль температуры.

Обрабатываемость

Обрабатываемость 4145 умеренная; присутствие кремния увеличивает износ инструмента по сравнению с чистым алюминием, но улучшает контроль стружки и стабильность обработки. Рекомендуется использование твердосплавного инструмента с полированными режущими кромками и положительными углами резания; скорости резания аналогичны другим алюминиевым сплавам, однако подачу следует контролировать, чтобы избежать налипания кромки. Для высоких содержаний Si часто требуется смазка для увеличения ресурса инструмента и качества поверхности.

Обрабатываемость листом

Обрабатываемость в отожженном состоянии O отличная; 4145 годится для глубокой вытяжки, гибки и формовки стандартным инструментом с малыми радиусами сгиба по сравнению с толстыми алюминиевыми марками. Холодная деформация до термических состояний H существенно снижает пластичность и увеличивает упругий отскок, поэтому операции формовки обычно выполняются в мягких состояниях с последующим лёгким упрочнением. Для критичных сгибов рекомендуемые минимальные внутренние радиусы составляют 1–2× толщины в состоянии O, но фактические допуски зависят от толщины и инструмента.

Поведение при термообработке

Как преимущественно алюминиево-кремниевый сплав, 4145 не поддаётся эффективному упрочнению традиционными методами старения; растворяющая термообработка и искусственное старение дают незначительный прирост прочности. Попытки применять термообработку типоразмера T6 показывают ограниченный эффект, так как кремний не выпадает в упрочняющую фазу аналогично Mg2Si в сплавах 6xxx.

Поэтому термообработка направлена на размягчение (отжиг) и контроль структуры зерна при нагреве. Полный отжиг (состояние O) достигается продолжительным выдерживанием выше температуры рекристаллизации с последующим контролируемым охлаждением для получения пластичной микроструктуры. Упрочнение достигается в основном при холодной деформации, а переходы состояний получают механическим воздействием и стабилизацией (например, H14 из O через контролируемую холодную обработку).

Поведение при высоких температурах

Потеря прочности у 4145 становится значительной при температурах выше примерно 150–200 °C, из-за процессов рекристаллизации и восстановления, вызывающих размягчение и укрупнение кремниевых фаз. Продолжительная эксплуатация выше 200 °C обычно не рекомендуется для ответственных нагрузок, хотя переходное воздействие при пайке и сварке допускается благодаря благоприятным характеристикам плавления сплава.

Окисление при высоких температурах ограничено наличием оксидной плёнки алюминия, однако кремниевые фазы могут локально изменять адгезию оксида; длительное воздействие высоких температур способствует хрупкости и отслаиванию оксидного слоя при циклических термических нагрузках. Зоны термического влияния сварки могут демонстрировать другую высокотемпературную реакцию из-за микроструктурных изменений, поэтому эти участки требуют особого внимания при работе компонентов на предельных температурах.

Области применения

Отрасль	Пример детали	Причины выбора 4145
Автомобилестроение	Ребра и крепления теплообменников	Хорошая теплопроводность и обрабатываемость; пригоден для пайки и сварки
Судостроение	Крепления и несущие непервые структуры	Достаточная коррозионная стойкость при экономичной прочности
Космическая отрасль	Второстепенные конструктивные крепления, фиксаторы	Хорошее соотношение прочности и массы, сваримость для неответственных частей
Электроника	Радиаторы и корпуса	Теплопроводность и легкость формования в ребра и сборки
Бытовая техника	Корпуса кухонных приборов и теплообменники	Оптимальное сочетание формуемости и тепловых характеристик

Комбинация термического поведения, обусловленного кремнием, сварных свойств и приемлемых механических характеристик делает 4145 практичным выбором для компонентов с требованиями теплоотвода при экономичном изготовлении. Баланс свойств позволяет минимизировать мехобработку и использовать формованные или пайки сборки.

Рекомендации по выбору

Выбирайте 4145, если нужен алюминиево-кремниевый сплав с хорошей сваряемостью и пайкой, высокой теплопроводностью, а также средним балансом формуемости и прочности. Особенно подходит для теплообменных компонентов, формованных корпусов и сварных конструкций, где не требуется упрочнение термообработкой T-состояния.

По сравнению с промышленно чистым алюминием (1100), 4145 обладает несколько сниженной электро- и теплопроводностью, но обеспечивает более высокую прочность и лучшие характеристики износостойкости и пайки. По сравнению с упрочненными деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 4145 обычно демонстрирует более высокие тепловые показатели и аналогичную или немного меньшую коррозионную стойкость, при этом обеспечивая конкурентоспособную прочность после холодной обработки. По сравнению с термообрабатываемыми сплавами, такими как 6061 или 6063, 4145 предпочтителен, когда важнее высокая стабильность сварного шва и зоны термического влияния (HAZ), а также хорошая пайка, чем достижение максимальной пиковой прочности.

При закупках необходимо учитывать доступность и стоимость относительно требуемых состояний поставки (темперамента); поскольку у 4145 упрочнение происходит за счет холодной деформации, а не старения, на складе обычно достаточно иметь сплав в состояниях O и одного из H, что может упростить логистику снабжения.

Заключение

Алюминиевый сплав 4145 остается практичным инженерным выбором там, где необходимы преимущества кремния — улучшенная паяемость, хорошая теплопроводность и высокая надёжность сварной зоны — в сочетании с приемлемыми механическими свойствами и пластичностью. Его ниша определяется применениями, требующими долговечного компромисса между алюминием и кремнием, а не максимальной прочности после старения, и он продолжает оставаться значимым в отраслях, где востребованы экономичные, свариваемые и теплопроводные алюминиевые решения.