Алюминий 5150: состав, свойства, руководство по состоянию и области применения

Обзор

5150 — алюминиевый сплав серии 5xxx, основанной на магнии как основном легирующем элементе. Эта серия характеризуется нелегируемыми сплавами, упрочняемыми преимущественно за счёт твердого раствора и наклепа, в отличие от сплавов серий 6xxx и 7xxx, упрочняемых методом старения.

Основными элементами состава 5150 являются алюминий с существенным содержанием магния, а также незначительные количества марганца, хрома и железа как типичных остатков. Основной механизм упрочнения — наклеп и упрочнение твердым раствором магния; сплав не проявляет существенного отклика на традиционную термомеханическую обработку типа старения.

Ключевые особенности 5150: высокая прочность для нелегируемого сплава, отличная коррозионная стойкость в атмосферных и морских условиях, а также хорошая обрабатываемость при мягких состояниях. Свариваемость хорошая с применением методов MIG/TIG при использовании подходящих присадочных материалов. Сплав часто выбирают, когда необходим баланс прочности, свариваемости и коррозионной стойкости, например, в морском секторе, транспорте и конструкциях.

По сравнению с другими алюминиевыми сериями, 5150 применяется, когда требуется превышение прочности обычного алюминия или мягких сплавов серии 3xxx, но при этом хотят избежать высокой стоимости, повреждаемости деформированием и пониженной коррозионной стойкости высокопрочных легируемых сплавов. Его сочетание механических свойств и устойчивости к морской воде делает 5150 привлекательным для корпусов судов, несущих конструкций и деталей, требующих формовки и последующей сварки.

Варианты состояний (темперов)

Темпер	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость формованием	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое (20–35%)	Отличная	Отличная	Полностью отожжённый, максимальная пластичность
H111	Средний	Хорошее (15–25%)	Очень хорошая	Очень хорошая	Слабо холодно деформирован, универсальное состояние
H14	Средне-высокий	Умеренное (10–20%)	Хорошая	Очень хорошая	Одноступенчатый наклеп, распространённый состояния листа
H22	Высокий	Умеренное (8–15%)	Удовлетворительная	Хорошая	Наклепан и термически стабилизирован
H32	Высокий	Умеренное (8–12%)	Удовлетворительная	Хорошая	Наклепан и стабилизирован для сварки
H116	Высокий	Нижний диапазон (6–12%)	Ограниченная	Хорошая	Наклепан и снято напряжение для морского применения
H321	Высокий	Нижний диапазон (6–12%)	Ограниченная	Хорошая	Холодно обработан и стабилизирован низкотемпературной термообработкой

Темпер оказывает существенное влияние на механические свойства и поведение при формовании 5150. Мягкие состояния (O, H111) обеспечивают наилучшую растяжимость и глубокую вытяжку, тогда как более жёсткие состояния повышают прочность за счёт увеличения плотности дислокаций, но снижают удлинение и способность к гибке.

При выборе темпера учитывайте последующие операции, такие как гибка, вытяжка и сварка: для экстремального формообразования выбирайте мягкие состояния, а для сварных конструкций с повышенной прочностью и снижением деформаций после сварки — H32/H116.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	0.10–0.40	Примесь; повышенное содержание снижает пластичность и слегка увеличивает прочность
Fe	0.40–1.00	Типичный остаток; образует интерметаллиды, влияющие на качество поверхности
Mn	0.10–0.50	Улучшает прочность и контроль структуры зерна
Mg	3.0–5.5	Основной упрочняющий элемент; увеличивает прочность и коррозионную стойкость
Cu	0.00–0.20	Минимизирован для сохранения коррозионной стойкости; небольшие количества повышают прочность
Zn	0.00–0.25	Низкие уровни; повышенное содержание снижает коррозионную стойкость
Cr	0.05–0.30	Контролирует структуру зерна и улучшает устойчивость к рекристаллизации
Ti	0.00–0.10	Дозер-структурообразователь; используется в малых количествах для отливок и деформируемых сплавов
Прочие	0.05–0.15	Следовые элементы и примеси; остальное — алюминий

Содержание Mg — определяющий фактор механических и коррозионных свойств 5150: с ростом содержания магния усиливается упрочнение твердым раствором и улучшается жертвенное поведение в морских условиях. Незначительные добавки Mn и Cr контролируются для уточнения структуры зерна, стабилизации дислокаций в процессе обработки и снижения чувствительности к разрушениям по границам зерен.

Механические свойства

5150 демонстрирует характерные для алюминиевых сплавов серии 5xxx с повышенным содержанием Mg характеристики растяжения: относительно плоская кривая упрочнения после предела текучести и хорошее равномерное удлинение в мягких состояниях. Предел текучести и временное сопротивление разрыву увеличиваются с холодной обработкой и стабилизацией, в то время как пластичность и относительное удлинение уменьшаются — это позволяет прогнозировать компромиссы для оперативного контроля производства.

Твёрдость коррелирует с состоянием и степенью холодной обработки; отожжённый 5150 относительно мягкий и легко обрабатываемый, а состояния серии Hxx достигают уровней твёрдости, подходящих для конструкционных деталей со средними нагрузками. Усталостная прочность у нелегируемого сплава обычно хорошая, но чувствительна к состоянию поверхности и размягчению зоны термического влияния сварки (ЗТВ); проектирование должно учитывать контроль качества поверхности, наличие надрезов и профиль сварных швов.

Толщина материала влияет на свойства: при уменьшении толщины меняется достижимый наклеп при формовании, а скорость охлаждения во время термической стабилизации влияет на остаточные напряжения. Для толстолистовых форм показатель размера зерна и реакция на наклеп могут отличаться, что требует проверки свойств для каждого состояния.

Свойство	O / Отожжённый	Ключевой темпер (H116/H32)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	120–170 MPa	280–350 MPa	Широкий диапазон в зависимости от уровня Mg и холодной обработки; значения зависят от поставщика и толщины
Предел текучести	40–90 MPa	180–300 MPa	Предел текучести значительно возрастает с наклепом и стабилизацией
Относительное удлинение	20–35%	6–15%	Пластичность снижается при увеличении прочности; зависит от толщины
Твёрдость (по Бринеллю)	25–45 HB	80–120 HB	Твёрдость коррелирует с состоянием и холодной обработкой

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.66 г/см³	Типично для Деформируемых алюминиево-магниевых сплавов
Диапазон плавления	570–645 °C	Интервал между солидусом и ликвидусом, зависит от легирующих добавок
Теплопроводность	120–150 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия, но всё ещё высокая, подходит для тепловых радиаторов
Электропроводность	28–40 % IACS	Сниженная по сравнению с чистым алюминием из-за Mg и других растворённых элементов
Удельная теплоёмкость	~0.90 Дж/(г·К)	Приблизительно при комнатной температуре
Коэффициент теплового расширения	23–24 ×10^-6 /K	Похож на многие алюминиевые сплавы; учитывать при проектировании соединений

5150 сохраняет благоприятную теплопроводность и теплоёмкость алюминиевых сплавов, что делает его полезным для деталей, требующих эффективного отвода тепла. Электропроводность ниже, чем у чистого алюминия, но приемлема для многих конструкционных и шинных применений, где электропроводность не является ключевым требованием.

Коэффициент теплового расширения необходимо учитывать при сочетании 5150 с материалами с другими тепловыми характеристиками, особенно в морских и автомобильных конструкциях с циклическими температурными изменениями. Плотность и диапазон плавления соответствуют деформируемым алюминиево-магниевым сплавам и влияют на выбор технологии литья и сварки.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение при нагрузке	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.3–6.0 мм	Хорошо откликается на упрочнение деформацией	O, H111, H14, H32	Используется для кузовных панелей, корпусов и штампованных деталей
Плита	6–100+ мм	Сниженная пластичность в отожженном состоянии; толстые сечения	O, H111, H22	Конструкционная плита для морского и транспортного применения
Экструзия	Сечения от нескольких мм до более 200 мм	Направленность влияет на предел текучести и временное сопротивление по направлениям	O, H112, H32	Профили для каркасов, рельсов и конструкционных элементов
Труба	Наружный диаметр 10–300 мм	Холодное деформирование влияет на круглость и механические свойства	O, H111, H32	Сварные или бесшовные трубы для конструкционного применения
Пруток/Круг	Диаметр 5–200 мм	Типичные характеристики кованого прутка	O, H111	Применяется для точёных деталей и крепежа

Листы часто используются там, где необходима штамповка и последующая сварка; тонкие листы при формовке допускают большие деформации до начала старения. Плиты изготавливаются для конструкционных элементов; в более толстых сечениях требуется тщательный контроль прокатки и термической стабилизации для обеспечения равномерных свойств по толщине.

Экструзии позволяют получать сложные сечения, где допустима или специально используется анизотропия, вызванная прокаткой; прутки и круги обычно поставляются в мягких состояниях для механической обработки, затем упрочняются деформацией при необходимости повышения прочности.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	5150	США	Обозначение Aluminium Association для этого алюминиевого сплава с содержанием Mg
EN AW	5150	Европа	Обозначение по EN обычно соответствует серии AA, но рекомендуется сверять с данными поставщика
JIS	A5150	Япония	Японские аналоги с похожим уровнем Mg; следует проверять механические характеристики
GB/T	5150	Китай	Китайские стандарты могут иметь небольшие отличия по номерам; химический состав обычно сходен

Эквивалентность между стандартами в целом близка для кованных алюминиевых сплавов серии 5xxx, однако производители и стандартизирующие организации могут применять различные ограничения по примесям и механическим требованиям. Инженерам следует проверять сертификаты и последние редакции региональных стандартов для подтверждения допустимых химических и механических допусков в соответствии с проектными требованиями.

Небольшие различия часто встречаются по остаточным содержаниям Fe/Si/Mn, определениям состояний и допускаемым диапазонам толщин; они могут влиять на формуемость, сварные характеристики и пороги коррозионной стойкости в критичных применениях.

Коррозионная стойкость

5150 обладает очень хорошей атмосферной коррозионной стойкостью, характерной для высокомагниевых сплавов серии 5xxx, и улучшенными характеристиками в морской и прибрежной среде по сравнению с алюминиево-медными сплавами. Устойчивость к точечной и общей коррозии благоприятна при чистоте сплава и правильной поверхности, особенно при применении защитных покрытий или анодирования.

В морской среде 5150 демонстрирует хорошую устойчивость к воздействию морской воды; однако при проектировании необходимо учитывать гальванические взаимодействия с более благородными материалами. Соединения с нержавеющей сталью или медесодержащими сплавами без надлежащей изоляции могут приводить к ускоренной коррозии алюминиевого компонента.

Чувствительность к межкристаллитной коррозии при напряжении (SCC) у сплавов серии 5xxx обычно увеличивается с ростом содержания Mg и с повышением прочности в закалённых состояниях; стабилизированные состояния, такие как H116, разработаны для снижения SCC в условиях сварки и эксплуатации. По сравнению со сплавами 6xxx и 7xxx, 5150 в исходном состоянии обычно более устойчив к межкристаллитной коррозии, но менее устойчив к равномерной коррозии, чем чистый алюминий.

Гальваническая совместимость, защитные покрытия и конструкция соединений являются ключевыми факторами контроля в морском и промышленном применении. При правильном использовании 5150 обеспечивает отличный баланс коррозионной стойкости и механических свойств по сравнению с многими коммерческими аналогами.

Характеристики обработки

Свариваемость

5150 хорошо сваривается распространёнными газозащитными методами (MIG/GMAW, TIG/GTAW) при использовании соответствующих присадочных материалов серии 5xxx (например, аналоги ER5356 или ER5183). Риск горячих трещин низкий или умеренный; контроль тепловложения и применение стабилизационных обработок до и после сварки снижают размягчение зоны термического влияния (ЗТИ) и деформации, связанные с остаточными напряжениями.

В сварных соединениях может наблюдаться локальное снижение прочности из-за размягчения ЗТИ по сравнению с холодно упрочнённым основным металлом; применение стабилизационных обработок (подобных H116) и механизированных процедур сварки снижает разброс свойств. Следует избегать присадочных материалов с высоким содержанием меди, если приоритетна коррозионная стойкость.

Обработка резанием

Обрабатываемость 5150 средняя; сплав обрабатывается лучше, чем многие старые, более вязкие алюминиево-магниевые сплавы, но хуже, чем технические алюминиевые сплавы с улучшенной обрабатываемостью, специально разработанные для токарной обработки. Рекомендуются твердосплавный инструмент с положительным углом режущей кромки и жёсткие крепления; умеренные скорости резания и обильное охлаждение уменьшают налипание стружки и улучшают качество поверхности.

Образование стружки склонно к формированию непрерывных лент; на тонких и длинных деталях могут потребоваться стружколоматели или прерывистая резка. Угол заточки сверла и ступенчатое сверление помогают контролировать образование заусенцев и качество отверстий в тонколистовых компонентах.

Формуемость

Холодная формуемость отличная в мягких состояниях (O, H111), что позволяет выполнять глубокую вытяжку, гибку и гидроформовку с малыми радиусами при условии учёта отскока. При переходе в состояния H32/H116 радиусы гиба необходимо увеличивать, а зазоры между пуансоном и матрицей корректировать из-за уменьшения относительного удлинения.

Тёплая формовка расширяет пределы формуемости для сложных конфигураций, а контролируемые этапы предварительного деформирования повышают повторяемость. Для серьёзных операций формовки рекомендуется использовать состояния O или H111 и рассматривать последующую стабилизацию, если деталь планируется к сварке.

Особенности термообработки

5150 — не подвергающийся упрочняющей термообработке сплав; повышение механической прочности достигается преимущественно за счёт холодной деформации (упрочнения деформацией) и сохранения магния в твёрдом растворе. Тепловая стабилизация (низкотемпературный отпуск или снятие напряжений) применяется после формовки или сварки для закрепления механических свойств и уменьшения остаточных напряжений без старения, типичного для сплавов серии 6xxx.

Схемы растворения и старения, применяемые к термообрабатываемым сплавам, не вызывают значительного упрочнения в 5150, поэтому технологии T6/T7 не актуальны. Отжиг восстанавливает пластичность за счёт рекристаллизации; контролируемый отжиг с последующим быстрым охлаждением создаёт мягкое состояние O, пригодное для интенсивной формовки.

Упрочнение деформацией повторяемо и может включаться в технологический процесс: детали обычно формуют в состояниях O или H111, затем подвергают холодной обработке до достижения требуемой прочности в Hxx с возможной стабилизацией для минимизации естественного старения и релаксации напряжений в эксплуатации.

Работа при повышенных температурах

5150 сохраняет умеренную прочность при повышенных температурах, но демонстрирует прогрессивное снижение прочности при нагреве до 150–200 °C, с заметным размягчением выше этих значений. При кратковременных воздействиях до ~150 °C сплав сохраняет рабочие механические свойства; для непрерывной эксплуатации при более высоких температурах применение в нагруженных элементах не рекомендуется.

Окисление для алюминиевых сплавов при типичных рабочих температурах минимально, однако при агрессивном тепловом воздействии или длительном нагреве возможны образование окалины и изменение поверхности. Зона термического влияния у сварных швов может дополнительно раздробиться при локальном перегреве, поэтому контроль тепловложения и последующая стабилизация важны при термических циклах.

Предел ползучести при повышенной температуре ограничен по сравнению с специализированными жаропрочными сплавами, поэтому 5150 не рекомендуется для длительного нагружения при высокотемпературной эксплуатации. Следует рассматривать другие сплавы или конструктивные решения при значительном совмещении высоких температур и напряжений.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Почему выбирают 5150
Морская промышленность	Панели корпуса, палубные конструкции	Отличная стойкость к коррозии в морской воде и хорошая формуемость
Автомобильная промышленность и транспорт	Лёгкие компоненты шасси, топливные баки	Высокое отношение прочности к массе и хорошая свариваемость для сборок
Авиастроение (второстепенные элементы)	Фитинги, кронштейны	Хорошие прочностные и коррозионные свойства для непервичных конструкционных деталей
Электроника и тепловая обработка	Корпуса, тепловые распределители	Достаточная теплопроводность в сочетании с хорошей формуемостью
Архитектура	Фасады, облицовка	Долговечная отделка и коррозионная стойкость в прибрежных условиях

5150 выбирают, когда необходим алюминий с хорошей коррозионной стойкостью и свариваемостью, обладающий большей прочностью, чем чистый алюминий или сплавы серии 3xxx, но без технологических сложностей, присущих высокопрочным термообрабатываемым сплавам. Его универсальность при формовке, сварке и умеренной механической обработке делает сплав подходящим для изготовленных конструкционных элементов.

Рекомендации по выбору

При выборе 5150 отдавайте приоритет применениям, требующим коррозионной стойкости морского уровня, хорошей свариваемости и умеренно высокой прочности, достигаемой при упрочнении холодной деформацией. Для сложных операций формовки выбирайте более мягкие состояния, а для сварных конструкций, требующих предсказуемых эксплуатационных характеристик, — состояния H32/H116.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (например, 1100) сплав 5150 жертвует большей прочностью в пользу немного пониженной электропроводности и умеренного снижения пластичности; выбирайте 1100, если приоритетом являются электропроводность и легкость формовки. По сравнению с обычными упрочненными холодной деформацией сплавами (например, 3003 / 5052) 5150 обычно обеспечивает более высокую прочность при сопоставимой или улучшенной коррозионной стойкости, но в тех же состояниях может уступать 3003 по способности к формовке. По сравнению с сплавами, подвергаемыми термической обработке (например, 6061 / 6063), 5150 не достигает максимальных прочностных характеристик старения серии 6xxx, но обеспечивает лучшую коррозионную стойкость в морской воде и более простое изготовление (меньшая деформация, отсутствие циклов закалки и старения), что делает его предпочтительным для сварных морских или транспортных конструкций.

Практический чек-лист по выбору: - Используйте состояния O или H111 для интенсивных операций формовки и переходите к состояниям H32/H116, если необходима сварка и эксплуатационная прочность. - Указывайте соответствующие сварочные материалы (припои серии 5xxx) для обеспечения коррозионной совместимости сварных соединений. - Проверяйте сертификаты завода-изготовителя на содержание Mg и определения состояний, чтобы контролировать восприимчивость к межкристаллитной коррозии (SCC) и ожидаемые механические свойства.

Итог

Сплав 5150 остается актуальным и рациональным выбором, когда проектировщикам требуется коррозионно-стойкий, свариваемый алюминий с повышенной прочностью, достигаемой холодной обработкой. Его оптимальное сочетание формуемости (в более мягких состояниях), предсказуемого упрочнения при холодной деформации и коррозионной стойкости морского класса делает его надежным сплавом для транспортных, морских и конструкционных изделий.