Алюминий 535: состав, свойства, руководство по состоянию и области применения

Обширный обзор

Алюминиевый сплав 535 принадлежит к серии 5xxx кованых алюминиево-магниевых сплавов, в которых магний является основным легирующим элементом. Сплавы серии 5xx не поддаются термообработке и в основном упрочняются за счёт твердого раствора и наклёпки, с добавками марганца и хрома для контроля структуры зерна и улучшения коррозионной устойчивости.

Основной элемент легирования в 535 — магний в среднем однозначном процентном содержании, поддерживаемый малыми количествами марганца и следовых элементов, которые улучшают микроструктуру и влияют на отклик на наклёпку. Ключевые характеристики включают хорошую средне-высокую прочность для не термически упрочняемого сплава, высокую общую и морскую коррозионную стойкость, благоприятную свариваемость с некоторыми видами присадочных материалов, а также хорошую холодную деформируемость в отожженном состоянии.

Отрасли применения 535 включают морское судостроение, транспорт и автомобильные конструкции, где важны снижение веса и коррозионная стойкость, а также общее изготовление изделий для сосудов высокого давления и архитектурных панелей. Сплав выбирают, когда требуется сочетание большей прочности, чем у чистого алюминия, и высокой атмосферостойкости без сложности и затрат, связанных с термообработкой.

По сравнению с термообрабатываемыми сплавами, 535 не требует циклов раствора и старения, сохраняет стабильные свойства после сварки и в длительной эксплуатации в хлоридсодержащих средах. Его выбор обусловлен балансом прочности, свариваемости и стоимости при необходимости умеренно-высокой статической прочности и хорошей усталостной стойкости в агрессивных условиях.

Варианты упрочнения (темперовка)

Темпер	Уровень прочности	Отдлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое (18–25%)	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое состояние для холодной штамповки и глубокой вытяжки
H111 / H112	Средне-низкий	Средне-высокое (12–18%)	Очень хорошая	Очень хорошая	Слабо наклёпанный, универсальный темпер
H14 / H18	Средний	Средний (8–14%)	Хорошая	Хорошая	Коммерчески наклёпанный для получения средней прочности
H22 / H24	Средне-высокий	Средний (8–12%)	Приемлемая	Хорошая	Усиленное упрочнение для конструкционных деталей
H32 / H116	Высокий	Ниже (6–12%)	Ограниченная	Хорошая	Стабилизированный или снятый наклёп для сварных и морских конструкций
T5 / T6 / T651	Неприменимо / редко	Переменное	Переменное	Переменное	Обозначения термообработки не применимы к сериям 5xxx; приведены для справки

Выбор темперовки для 535 напрямую влияет на соотношение прочности и пластичности: отжиг (O) максимизирует формуемость, тогда как уровни наклёпки H постепенно увеличивают предел текучести и временное сопротивление разрыву за счёт снижения elongation. Морские стабилизации, такие как H116 или H321, применяются для минимизации потери прочности после сварки и обеспечения стабильного поведения сварных конструкций.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	≤ 0.25	Поддерживается на низком уровне для предотвращения вредных интерметаллидов, улучшает совместимость с литьём
Fe	≤ 0.50	Примесный элемент; избыток Fe образует хрупкие интерметаллиды, снижающие пластичность
Mn	0.3–1.0	Рафинирует зерно, повышает прочность и снижает локальную коррозионную активность
Mg	3.0–4.5	Основной элемент упрочнения; улучшает прочность и коррозионную стойкость
Cu	≤ 0.10	Минимизируется для сохранения коррозионной стойкости и снижения риска SCC
Zn	≤ 0.25	Допускаются низкие уровни; повышенное содержание цинка снижает коррозионную устойчивость
Cr	0.05–0.25	Контролирует структуру зерна и улучшает стабильность прочности при термическом воздействии
Ti	≤ 0.10	Следовая добавка для рафинирования зерна в отливках или крупногабаритных изделиях
Прочие	Остальное Al	Алюминий составляет основу сплава с допустимыми следовыми элементами согласно спецификации

Умеренное содержание магния является главной причиной упрочнения твердым раствором в 535 и улучшает анодную коррозионную стойкость, особенно в хлоридных средах. Марганец и хром выступают как стабилизаторы микроструктуры, предотвращая чрезмерный рост зерна при обработке и сварке, сохраняя вязкость и снижая риск межзеренной коррозии.

Механические свойства

Механические характеристики на растяжение сплава 535 сильно зависят от темперовки и технологической истории. В отожженном состоянии O сплав демонстрирует высокую пластичность и умеренную прочность, что позволяет применять глубокую вытяжку и сложные штамповые операции. Наклёп до уровней H значительно повышает предел текучести, но уменьшает удлинение, что важно для конструкций, требующих жёсткости и устойчивости к остаточной деформации.

Предел текучести и временное сопротивление разрыву также зависят от толщины; тонкие листы обычно имеют более высокий уровень упрочнения и несколько большую прочность после одинаковой холодной обработки по сравнению с толстолистовым прокатом, из-за особенностей обработки. Твёрдость коррелирует с темпером и служит удобной показательной величиной для оценки степени наклёпки и возможного размягчения после термического воздействия. Усталостная стойкость обычно хорошая для не термообрабатываемого алюминиевого сплава, особенно при деформациях, исключающих концентрацию напряжений и сохраняющих защиту от коррозии.

Свойство	O / Отожженное	Основной темпер (например, H32 / H116)	Примечания
Временное сопротивление разрыву (UTS)	200–260 MPa	320–360 MPa	Значительное увеличение UTS при наклёпке; точные значения зависят от толщины
Предел текучести (0,2% смещение)	80–120 MPa	210–260 MPa	Предел текучести наиболее чувствителен к темперу и истории холодной обработки
Отдлинение	18–25%	6–14%	Пластичность уменьшается с повышением степени упрочнения; характер разрушения остается пластичным
Твёрдость (HB)	40–55 HB	75–95 HB	Твёрдость растёт с наклёпкой, используется для контроля качества

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	~2.66–2.70 г/см³	Ниже, чем у многих сталей, что позволяет снизить вес конструкции
Температура плавления	~570–645 °C	Диапазон от солидуса до ликвидуса, типичный для кованых Al-Mg сплавов
Теплопроводность	~120–150 Вт/м·К	Хорошая теплопроводность; зависит от легирования и темперовки
Электропроводность	~28–42 % IACS	Снижена по сравнению с чистым алюминием из-за добавок; всё ещё пригодна для токопроводящих деталей
Удельная теплоёмкость	~0.90 Дж/г·К	Сопоставима с другими алюминиевыми сплавами; важна для расчётов теплоёмкости
Коэффициент теплового расширения	~23–24 µm/m·К (20–100 °C)	Умеренное тепловое расширение; требуется учёт при проектировании со смешанными материалами

Относительно высокая теплопроводность и умеренная электропроводность делают 535 разумным выбором для компонентов теплового управления с требованием коррозионной устойчивости. Плотность в сочетании с высокой удельной прочностью обеспечивает благоприятное соотношение прочности и веса для конструктивных элементов. Тепловое расширение следует учитывать в сборках с различными материалами, чтобы избежать деформаций или проблем с герметизацией при изменении температуры эксплуатации.

Формы выпуска продукции

Форма	Типичная толщина / размер	Поведение прочности	Распространённые темперы	Примечания
Лист	0.3–6.0 мм	Повышенная прочность в холоднокатаных листах	O, H111, H32	Широко применяется для формованных деталей и облицовок
Плита	6–150 мм	Снижение пластичности в толстых сечениях; важен тепловой режим при изготовлении	O, H116	Распространена для корпусов судов и конструкционных элементов
Экструзия	Толщина стенки >1 мм	Прочность варьируется в зависимости от сечения и охлаждения	O, H111	Используется для конструкционных профилей и рам
Труба	Толщина стенки 0.5–10 мм	Выпрямление и формовка влияют на окончательные свойства	O, H32	Трубы высокого давления и конструкционные трубы для морского применения
Пруток / Круг	Ø 6–100 мм	Ограниченное упрочнение в крупных сечениях	O, H112	Используется для механообработанных фитингов и крепежа

Листы и тонколистовая продукция обычно холоднокатаные и могут быть подвергнуты естественному старению или стабилизации для улучшения стойкости к напряжённой коррозии, в то время как производство плит ориентировано на контроль режимов прокатки и состояния раствора для сохранения вязкости. Экструзии требуют тщательного проектирования пресс-форм для управления остаточными напряжениями и минимизации деформаций при выпрямлении, а сварка плит или экструзий обычно выполняется с подбором присадочных материалов по содержанию магния.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	535	США	Обозначение, используемое в некоторых каталогах поставщиков; относится к семейству Al-Mg
EN AW	~5xxx	Европа	Тесно связано с сплавами серии EN AW 5xxx; точное совпадение зависит от содержания Mg
JIS	серия A5xxx	Япония	Существуют эквиваленты в японских кованных алюминиевых сплавах семейства Al-Mg
GB/T	серия Al-Mg	Китай	Китайские стандартные марки приблизительно соответствуют составам серии 5xxx

Числовые эквиваленты по стандартам являются приблизительными, поскольку точные пределы содержания элементов и контроль примесей различаются в спецификациях. При замене материалов между стандартами инженерам следует проверить конкретные пределы содержания Mg, Mn и микроэлементов, а также состояние термической обработки, чтобы обеспечить эквивалентность механических и коррозионных характеристик.

Коррозионная стойкость

Алюминий 535 демонстрирует высокую общую коррозионную стойкость в атмосферных и промышленных условиях за счёт защитной плёнки из оксида алюминия, усиленной благоприятным влиянием магния на стабильность пассивной плёнки. В морской и хлорсодержащей среде 535 показывает хорошие результаты по сравнению со многими жаропрочными сплавами, хотя локальная питтинговая коррозия может возникать в местах повреждения защитных покрытий и при наличии щелевых конфигураций.

Восприимчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC) низкая по сравнению с высокопрочными медьсодержащими сплавами серии 2xxx и контролируется за счёт низкого содержания меди и правильного выбора состояния термической обработки; однако сильно подвергнутые холодной деформации состояния могут иметь повышенный риск в растянутом состоянии при агрессивных средах. Гальванические взаимодействия с более благородными материалами, такими как нержавеющая сталь, могут ускорять локальную коррозию 535, если не обеспечена электрическая изоляция или жертвенная защита.

В сравнении с семействами 6xxx и 7xxx, 535 обладает лучшей стойкостью к хлоридам, но уступает по максимальной прочности жаропрочным сплавам 6xxx/7xxx. Конструкторы часто выбирают 535 для морских конструкций, так как он сочетает коррозионную стойкость с хорошей свариваемостью и не испытывает значительного послесварочного размягчения, характерного для многих термически упрочняемых сплавов.

Технологические свойства

Свариваемость

Сплав 535 легко сваривается распространёнными методами плавления, такими как TIG и MIG, с низким риском горячих трещин при правильном подборе сварочной проволоки и конструкции соединения. Рекомендуются сварочные материалы, соответствующие составу Al-Mg (например, серии ER5356/5183), чтобы сохранить коррозионную стойкость и минимизировать образование межзеренных фаз. В зоне термического влияния возможны некоторые размягчения в сильно деформированных состояниях, поэтому для конструкционных применений часто используют релаксацию напряжений после сварки или выбирают стабилизированные состояния термообработки.

Обрабатываемость

Как нетеpмически упрочняемый Al-Mg сплав, 535 обладает средней обрабатываемостью, которая обычно легче, чем у многих высокопрочных сплавов, но уступает некоторым Al-Si литейным сплавам по легкости резания. Использование твердосплавного инструмента и умеренной скорости резания с обильным охлаждением обеспечивает оптимальное сочетание срока службы инструмента и качества поверхности. Образование стружки обычно непрерывное и пластичное; контроль и удаление стружки особенно важны при высокой подаче.

Формуемость

В отожжённом состоянии O сплав 535 обладает отличной формуемостью, позволяя выполнять глубокую вытяжку, гибку и сложное штамповочное формообразование с малыми радиусами изгиба относительно толщины листа. Холодная деформация до состояний H повышает прочность, но снижает пластичность; рекомендуется выбирать состояние O или H111 для изделий, требующих значительной формовки, и учитывать компенсацию обратного пружининия при использовании состояний H32/H116. Тёплое формование применяется редко, но может использоваться для улучшения вытягиваемости при значительной толщине.

Особенности термообработки

Как представитель семейства 5xxx, сплав 535 не реагирует на классические технологии растворения и старения и не проявляет значительного упрочнения по типу T6. Регулировка прочности достигается в основном за счёт контролируемой холодной деформации и выбора соответствующих состояний H, иногда в сочетании с низкотемпературной стабилизацией для снижения чувствительности к сенсибилизации.

Полный отжиг до состояния O достигается нагревом до температуры отжига, характерной для данного сплава, обычно в диапазоне 300–415 °C, с последующим контролируемым охлаждением для восстановления пластичности и размягчения материала. Конструкторы часто используют циклы стабилизации с напряжённостарением или умеренное термическое воздействие для снятия остаточных напряжений при сохранении коррозионной стойкости, а не для повышения максимальной прочности.

Поведение при высоких температурах

Сохранение прочности 535 ухудшается с повышением температуры; заметное снижение предела текучести и временного сопротивления разрыву происходит выше примерно 100–150 °C при длительном воздействии нагрузки. Для периодического использования до ~200 °C короткие воздействия допустимы, но длительная эксплуатация при повышенных температурах способствует рекристаллизации холодно-деформированной структуры и снижению механических свойств.

Окисление при высоких температурах ограничено защитным слоем из оксида алюминия, но при длительном нагреве может возникнуть образование окалины и укрупнение микроструктуры, что ухудшает усталостную стойкость. Зоны сварки особенно чувствительны к тепловым циклам, поэтому для конструкций, работающих при повышенных температурах, следует применять терморегулирование и постобработку для стабилизации свойств.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Почему используется 535
Автомобильная	Конструкционные панели и усилители	Хорошее сочетание прочности и массы, высокая формуемость для штампованных деталей
Морская	Обшивка корпуса, элементы надстройки	Отличная стойкость к коррозии в морской воде и хорошая свариваемость
Авиакосмическая	Второстепенные крепления и кронштейны	Высокая коррозионная стойкость при конкурентной прочности для неответственных узлов
Электроника	Корпуса и панели теплоотвода	Разумная теплопроводность и коррозионная устойчивость

Марка 535 часто выбирается для изделий, требующих высокой коррозионной долговечности в сочетании с хорошей технологичностью. Возможность сварки, формования и обработки без сложных термических циклов делает её привлекательной как для морских конструкций, так и для общего назначения там, где важны долговечность и оптимальные затраты на весь жизненный цикл.

Рекомендации по выбору

Выбирайте 535, когда требуется алюминиевый сплав средней прочности с коррозионной устойчивостью, который легко сваривается и формуется без термообработки. Это практичный выбор для морских и транспортных конструкций, где приоритетами являются стойкость к хлоридам и целостность сварных соединений.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием, например 1100, 535 жертвует некоторой электрической и теплопроводностью и немного худшей формуемостью, но выигрывает значительным увеличением прочности и улучшенной конструкционной надёжностью. По сравнению с популярными упрочнёнными работой сплавами, такими как 3003 или 5052, 535 обычно имеет более высокую прочность и сопоставимую или лучшую коррозионную стойкость, хотя в некоторых состояниях может уступать по формуемости 3003. В сравнении с термически упрочняемыми сплавами 6061 или 6063, 535 предпочтительнее там, где важны послесварочные свойства и морская коррозионная стойкость, а не максимальная пиковая прочность.

При выборе отдавайте предпочтение сварке и коррозионной стойкости в эксплуатации, учитывайте выбор состояния H для баланса формуемости и конечной прочности. Стоимость и доступность 535 в целом выгодны, но рекомендуется уточнять у локальных поставщиков предлагаемые состояния и размеры листов/пластин в соответствии с технологическим процессом.

Заключение

Алюминиевый сплав 535 остаётся актуальным инженерным материалом, сочетая упрочнение растворённым магнием с высокой коррозионной стойкостью и отличной свариваемостью. Он представляет собой рациональную альтернативу как низкопрочным коммерческим сплавам, так и термически упрочняемым высокопрочным маркам. Его предсказуемый отклик на наклёп и наличие в разнообразных состояниях делают его универсальным выбором для морских, транспортных и общих конструкций, где важны долговечность и технологичность.