Алюминий 6013: состав, свойства, степень упрочнения и области применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Общий обзор
Сплав 6013 относится к алюминиевым сплавам серии 6xxx, которые в основном основаны на Al-Mg-Si с добавками, обеспечивающими упрочнение при старении. В составе присутствуют кремний и магний — основные компоненты для упрочнения при возрастном старении, а также значительные добавки меди и марганца по сравнению с обычными сплавами серии 6xxx, что даёт возможность регулировать прочность, вязкость и отклик на термообработку.
6013 является термообрабатываемым сплавом, в котором основным механизмом упрочнения служит осадкообразующее упрочнение (возрастное упрочнение) за счёт выделений Mg2Si и фаз, содержащих Cu, что увеличивает максимальную прочность и изменяет вязкость. Вторичные эффекты обеспечивают распределённые дисперсовые частицы (Mn/Cr/Ti), которые уточняют структуру зерна и повышают сопротивление деформации и инициированию разрушения.
Ключевые характеристики 6013 включают более высокую удельную прочность по сравнению с базовыми сплавами серии 6000, хорошую общую коррозионную стойкость, типичную для материалов Al-Mg-Si, и удовлетворительную свариваемость при использовании правильных технологий и присадочных материалов. Сплав предлагает баланс формуемости и прочности, что делает его подходящим для конструкционных элементов в автомобилестроении, второстепенных авиационных конструкциях и точных промышленных применениях, где необходим высокий уровень прочности при малой массе и стойкость к повреждениям.
6013 выбирается вместо других сплавов, когда инженерам требуется лучшая максимальная прочность и усталостная надёжность по сравнению с 6061 при сохранении приемлемой формуемости и стойкости к коррозии. Часто выбирается для компонентов, требующих возрастного упрочнения с более высоким пределом текучести и временным сопротивлением разрыву, без перехода к более дорогим сплавам серии 7xxx, которые характеризуются худшей коррозионной стойкостью и свариваемостью.
Варианты состояния
| Состояние | Уровень прочности | Относительное удлинение | Формуемость | Свариваемость | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Низкий | Высокое | Отличная | Отличная | Полное отжиг, максимальная пластичность для формовки |
| T4 | Средний | Средне-высокое | Хорошая | Хорошая | Решеточно-твердоcтное состояние с естественным старением |
| T5 | Средне-высокий | Среднее | Удовлетворительная–хорошая | Хорошая | Охлаждение с повышенной температуры и искусственное старение |
| T6 | Высокий | Средне-низкое | Удовлетворительная | Хорошая | Решеточно-твердоcтное состояние с искусственным старением до максимальной прочности |
| T651 | Высокий | Средне-низкое | Удовлетворительная | Хорошая | T6 с растяжением для снятия внутренних напряжений, снижены остаточные напряжения |
| H14 | Средний | Среднее | Хорошая | Хорошая | Лёгкое упрочнение при холодной деформации, для деталей со средней прочностью |
Выбор состояния оказывает прямое и прогнозируемое влияние на механические свойства; состояния O и T4 предпочтительны для операций формовки, в то время как T6/T651 обеспечивают максимальную прочность для конструкционных нагруженных деталей. T5 и H14 предоставляют промежуточный компромисс, когда необходим частичный рост прочности без полного цикла термообработки с растворением.
Термообработка и последовательность старения влияют также на обрабатываемость и усталостное поведение: перезакаливание или неправильное старение снижают предел текучести и вызывают микроструктурную неоднородность. Тщательное задание состояния (включая снятие напряжений, как в T651) важно для контроля деформаций, особенно для механически обработанных авиационных деталей.
Химический состав
| Элемент | Диапазон % | Примечания |
|---|---|---|
| Si | 0.4–0.8 | Обеспечивает осадкообразование Mg2Si; контролирует прочность и поведение при экструзии |
| Fe | ≤0.7 | Примесный элемент; высокий Fe формирует интерметаллиды, влияющие на вязкость |
| Mn | 0.3–0.8 | Уточняет зерно и улучшает прочность/вязкость за счёт дисперсовых частиц |
| Mg | 0.8–1.2 | Основной элемент для осадкообразования с Si (Mg2Si), обеспечивающий старение |
| Cu | 0.6–1.6 | Увеличивает прочность и реакцию на старение; влияет на коррозию и SCC |
| Zn | ≤0.2 | Незначительный элемент; при низких уровнях ограниченное влияние |
| Cr | 0.04–0.35 | Контролирует структуру зерна и рекристаллизацию, улучшает вязкость |
| Ti | ≤0.15 | Уточнитель зерна для литых и деформируемых продуктов |
| Прочие (каждый) | ≤0.05 | Слитки и остаточные элементы с ограниченным влиянием при низкой концентрации |
Матрица легирования 6013 настроена для обеспечения осадкообразующего упрочнения (Mg + Si), при этом добавки меди смещают состав выделений, обеспечивая более высокую максимальную прочность и изменённую кинетику старения. Элементы, такие как Mn и Cr, образуют дисперсные частицы и интерметаллические включения, стабилизирующие зеренную структуру во время обработки и повышающие сопротивление локальной деформации и разрушению.
Контроль уровней Fe и Zn важен для предотвращения избыточного образования крупных интерметаллических фаз, которые могут стать источниками усталостных трещин и ухудшать качество поверхности листа. Совокупный химический состав обеспечивает баланс реакции на упрочнение при старении, обрабатываемости и приемлемой коррозионной стойкости для многих конструкционных применений.
Механические свойства
Механическое поведение 6013 в основном зависит от состояния термообработки и толщины сечения; прочность при растяжении значительно увеличивается от состояния отжига к максимально упрочнённому состоянию за счёт тонкодисперсного распределения выделений. Предел текучести в состояниях T6/T651 значительно выше, чем в отожженном состоянии, что позволяет использовать более тонкие сечения при эквивалентной нагрузке, хотя пластичность при этом уменьшается.
Относительное удлинение в состояниях O и T4 достаточно высоко для большинства операций формовки, тогда как в максимальных упрочнённых состояниях (T6) удлинение снижается, но увеличивается усталостная стойкость при циклических нагрузках. Твёрдость меняется параллельно с прочностью, с ростом по Бринеллю или Виккерсу при приближении к пиковому упрочнению. Усталостные характеристики выигрывают за счёт мелкодисперсных выделений и контролируемого распределения частиц; обработка и качество поверхности важны для долговечности при усталости.
Толщина и форма изделия влияют на достигаемые свойства из-за различий в скорости охлаждения и естественном старении; тонкие листы имеют более равномерные свойства и быстрее стареют естественным способом, тогда как толстые сечения требуют индивидуальной настройки термообработки для равномерного растворения и старения.
| Свойство | Состояние O/отожжённое | Ключевое состояние (T6/T651) | Примечания |
|---|---|---|---|
| Временное сопротивление разрыву | 120–180 MPa | 330–380 MPa | Значения T6 зависят от толщины и режима старения |
| Предел текучести | 40–90 MPa | 300–340 MPa | Определённый предел текучести для T6 доходит до 300+ MPa в типичных листах/экструзиях |
| Относительное удлинение | 20–30% | 8–14% | Пластичность уменьшается с ростом прочности; зависит от формы изделия |
| Твёрдость (HB) | 30–60 HB | 95–130 HB | Твёрдость коррелирует с состоянием выделений и упрочнением при работе |
Физические свойства
| Свойство | Значение | Примечания |
|---|---|---|
| Плотность | 2.70 г/см³ | Типична для деформируемых алюминиевых сплавов; способствует хорошему соотношению прочность/масса |
| Температура плавления | ~555–650 °C | Температура солидуса и ликвидуса зависит от локального состава сплава |
| Теплопроводность | ~150–170 Вт/(м·К) | Ниже, чем у чистого алюминия из-за растворённых элементов и выделений; всё же хороша для теплоотвода |
| Электропроводность | ~30–45 % IACS | Снижена по сравнению с чистым алюминием; зависит от состояния и состава |
| Удельная теплоёмкость | ~900 Дж/(кг·К) | Типичное значение для алюминиевых сплавов при комнатной температуре |
| Коэффициент теплового расширения | ~23–24 µм/(м·К) | Схож с другими алюминиевыми сплавами; важен для теплового проектирования и соединений |
Физические свойства 6013 делают его лёгким конструкционным материалом с хорошей теплопередачей по сравнению со многими конструкционными сплавами. Теплопроводность и тепловое расширение должны учитываться при проектировании теплообменников и клеевых соединений, где возможна дифференциальная деформация или локальный нагрев.
Электропроводность умеренная и снижается после осадкообразующего упрочнения, поэтому 6013 не является оптимальным выбором в случаях, где требуется высокая электрическая проводимость, однако остаётся полезным для конструкционных компонентов с дополнительными тепловыми или электрическими функциями.
Формы выпуска продукции
| Форма | Типичная толщина/размер | Поведение прочности | Распространённые состояния термообработки | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Лист | 0.3–6 мм | Однороден при малой толщине; быстрое естественное старение | O, T4, T5, T6, T651 | Широко применяется для наружных панелей автомобилей и конструкционных листов |
| Плита | >6 мм до 100 мм | Может иметь немного пониженный предел прочности из-за особенностей охлаждения | O, T4, T6 | Толстые плиты требуют контролируемой закалки раствором для получения гомогенности |
| Экструзия | Сечения 5–200 мм | Хорошие свойства по толщине при правильной термообработке | T5, T6, T651 | Профили для конструкционных рам и усилителей |
| Труба | Внешний диаметр 10–200 мм | Зависит от толщины стенки и термообработки после формовки | O, T6 | Используется для конструкционных труб и элементов шасси |
| Пруток/штанга | Диаметр 5–100 мм | Хорошая обрабатываемость в полутвердом и растворно обработанном состоянии | O, T6 | Обычно применяется для фитингов, крепежа и деталей обработки |
Наиболее распространены листовые и экструзионные формы для 6013, поскольку они максимизируют соотношение прочности и массы, а также обеспечивают эффективную термообработку. Для плит и изделий с большой толщиной необходим тщательный контроль технологического процесса, чтобы избежать нерастворённых эвтектических фаз или областей, ухудшающих механические свойства.
Экструзии и трубы могут иметь достаточно сложные сечения благодаря хорошей пластичности сплава при горячей обработке, однако конечные механические свойства зависят от применяемых циклов растворения и старения, а также от механической выправки и снятия напряжений.
Эквивалентные марки
| Стандарт | Марка | Регион | Примечания |
|---|---|---|---|
| AA | 6013 | США | Официальное обозначение Aluminium Association для данной группы сплавов |
| EN AW | 6013 | Европа | Общее европейское обозначение; состав и состояния обработки обычно совпадают |
| JIS | Нет прямого аналога (ближайший: 6061) | Япония | Каталоги JIS не всегда содержат прямой аналог 6013; 6061 часто наиболее близок по свойствам |
| GB/T | Нет прямого аналога (ближайший: 6061A) | Китай | Китайские стандарты иногда используют серии 6061 как практическую замену в некоторых спецификациях |
Прямые однозначные аналоги не всегда присутствуют в региональных стандартах, так как состав 6013 разработан под специфические механические и технологические требования. При отсутствии EN AW-6013 инженеры часто заменяют близкими сплавами серии 6xxx (например, 6061), учитывая различия в содержании меди и марганца, влияющие на старение и конечную прочность.
Всегда проверяйте требования к свойствам и последовательности термообработки при замене; закупки и спецификации должны соответствовать механическим характеристикам, а не только маркировке при кросс-ссылках стандартов.
Коррозионная стойкость
6013 обеспечивает хорошую общую атмосферную коррозионную стойкость благодаря защитной алюминиевой оксидной плёнке, которая обладает способностью самовосстановления в типичных условиях эксплуатации. Производительность в промышленных и городских атмосферах удовлетворительна при правильном анодировании или покрытии, при этом сплав устойчив к коррозионному растрескиванию напряжённостью лучше, чем многие высокопрочные сплавы серии 7xxx.
В морской среде 6013 демонстрирует разумную стойкость, однако уступает специализированным алюминиево-магниевым сплавам серии 5xxx, разработанным для воздействия хлоридов. Добавки меди повышают восприимчивость к локальной коррозии и несколько снижают устойчивость к питтингу по сравнению с низкомедными сплавами 6xxx; в морских условиях часто применяют защитные покрытия или жертвенную катодную защиту для долговременной эксплуатации.
Необходимо учитывать гальванические эффекты при сочленении 6013 с более благородными материалами (например, нержавеющими сталями); рекомендуются изолирующие материалы или покрытия для предотвращения ускоренной коррозии алюминиевого сплава. В целом 6013 занимает промежуточное положение по коррозионной стойкости и устойчивости к растрескиванию между высококоррозионно-стойкой серией 5xxx и более прочной, но склонной к коррозионному растрескиванию серией 7xxx.
Свойства при обработке
Свариваемость
6013 может свариваться распространёнными методами плавления, такими как TIG и MIG, при грамотной конструкции соединений и выборе присадочного материала. Из-за наличия меди требуется внимание к химии присадочных сплавов для снижения риска горячих трещин и последующего размягчения сварного шва. Часто применяют присадки с добавками кремния (например, Al-Si), улучшающие прокатку шва и уменьшающие склонность к трещинообразованию; выбор зависит от требований к прочности и коррозионной стойкости после сварки.
Термически изменённая зона (ТОЗ) сварного соединения обычно демонстрирует некоторое размягчение относительно базового металла в состоянии T6 из-за коагуляции и растворения выделений, что снижает локальный предел текучести. Для критичных применений иногда проводят послесварочную термообработку для восстановления прочности, при этом необходимо контролировать деформации и остаточные напряжения.
Обрабатываемость
6013 обладает хорошей обрабатываемостью по сравнению со многими высокопрочными алюминиевыми сплавами благодаря умеренной твёрдости в состояниях после растворения и отжига. Карбидный инструмент с положительным геометрическим углом и покрытием TiAlN (PVD) обеспечивает высокую скорость резания; режимы резания должны быть умеренными по сравнению с легкообрабатываемыми алюминиевыми сплавами, чтобы избежать наклёпа и образования задиров.
Контроль стружки в целом обеспечивается, однако возможно образование непрерывной стружки; рекомендуется использование подачи СОЖ и стружколомов для поддержания точности размеров и ресурса инструмента. Тонкая поверхность, достижимая после старения, делает 6013 подходящим для прецизионных деталей для авиационной и машинной промышленности.
Формуемость
Формовочные операции предпочтительны для состояний O и T4; в этих состояниях обеспечиваются меньшие радиусы гиба и сложные штамповочные операции без трещин. В состоянии максимального старения (T6) сниженная пластичность ограничивает возможность глубокого формования; в таких случаях детали часто формуют в более мягких состояниях с последующей растворной обработкой и старением либо формуют после частичного старения.
В качестве ориентира минимальные наружные радиусы гиба для тянутая или гнутая детали обычно составляют от 2× до 4× толщины материала в правильно подобранных состояниях в зависимости от инструмента, смазки и ориентации зерна. Возврат пружинения умеренный и должен учитываться при разработке штампов для точных деталей.
Поведение при термообработке
Как сплав, поддающийся термообработке, 6013 приобретает прочность путём закалки раствором, охлаждения и искусственного старения, в результате чего формируются мелкодисперсные выделения. Типичные температуры растворной обработки находятся в диапазоне 525–555 °C, выбираются для растворения Mg, Si и Cu без начала плавления легкоплавких компонентов; для закрепления пересыщенного раствора перед старением применяется водяное охлаждение.
Искусственное старение до состояния T6 обычно проводится при 150–180 °C в течение нескольких часов, формируя когерентные и полукогерентные выделения, повышающие предел текучести и временное сопротивление разрыву; медь изменяет последовательность выделений и иногда ускоряет процесс достижения максимальной прочности по сравнению с бинарными системами Mg-Si. Состояние T5 (охлаждение с высокой температуры и искусственное старение) применяется, когда полное растворение невозможно, но обеспечивает несколько меньшие максимальные свойства.
Перестарение повышает пластичность и снижает прочность, используется для повышения устойчивости к коррозионному растрескиванию напряжённо-деформированного состояния или для улучшения размеровой стабильности. Обозначения T651 и аналогичные указывают на снятие остаточных напряжений (растяжение или низкотемпературный отжиг) после растворения для обеспечения контроля стрессов в точных деталях.
Поведение при высоких температурах
6013, как и другие сплавы серии 6xxx, испытывает заметное снижение прочности при температурах выше примерно 125–150 °C из-за коалесценции выделений и потери когерентности; проектирование изделий, работающих при длительном нагружении и высоких температурах, должно основывать расчет на консервативных допускаемых напряжениях. Кратковременное воздействие более высоких температур допускается, но длительная эксплуатация выше температуры старения приведёт к необратимому снижению прочности и возможным изменениям размеров.
Окисление при рабочих температурах ограничено, поскольку алюминий формирует защитный оксидный слой; однако при повышенных температурах окисление может усиливать шероховатость поверхности и осложнять термоприсоединение. Термически изменённая зона сварных или паяных соединений особенно чувствительна к изменениям свойств при циклических тепловых нагрузках, что требует послетехнологических отпуска или учета в конструкции.
Области применения
| Отрасль | Пример изделия | Преимущества использования 6013 |
|---|---|---|
| Автомобильная | Каркасы сидений, конструкционные усилители | Высокое соотношение прочности и массы, хорошая усталостная прочность |
| Морская | Мелкие конструкционные крепления и фитинги | Сбалансированная коррозионная стойкость и прочность |
| Авиационная | Вторичные конструкционные фитинги, корпуса приводов | Высокая удельная прочность и хорошая обрабатываемость |
| Электроника | Корпуса и теплопроводящие элементы | Достаточная теплопроводность и размерная стабильность |
6013 выгоден там, где требуется более высокая прочность, чем у стандартных сплавов 6xxx, но нужно избежать ухудшения коррозионной стойкости и технологичности, присущего высокопрочным сплавам серии 7xxx. Комбинация упрочнения при старении и хорошей обрабатываемости делает его ценным для средненагруженных конструкционных компонентов в автомобильной, авиационной и промышленной технике.
Рекомендации по выбору
Выбирайте 6013, когда необходим более прочный, поддающийся термообработке сплав серии 6xxx с улучшенными характеристиками усталостной прочности и обрабатываемости по сравнению с базовыми сплавами. Особенно актуален при умеренном повышении максимальной прочности и улучшенной стойкости к разрушению без жертв свариваемости и общей коррозионной стойкости.
По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100) сплав 6013 жертвует электропроводностью и очень высокой пластичностью в обмен на значительно повышенное временное сопротивление разрыву и предел текучести, что позволяет создавать более лёгкие и жёсткие конструкционные изделия. В сравнении с деформированными сплавами, такими как 3003 или 5052, 6013 обеспечивает более высокую максимальную прочность и лучшую усталостную стойкость, однако требует термообработки и контролируемого отпуска, а также немного более чувствителен к локальной коррозии.
По сравнению с распространёнными термообрабатываемыми сплавами, такими как 6061 или 6063, 6013 выбирается там, где добавки меди и марганца обеспечивают индивидуальный отклик на старение и расширенное сочетание характеристик по усталости и прочности, несмотря на частичное совпадение режимов термообработки. Используйте 6013, когда приоритетом является целевой баланс обрабатываемости, достижимой прочности по состоянию T6 и приемлемой коррозионной стойкости, а не минимальная стоимость или максимальная электропроводность.
- Выбирайте 6013 для деталей средней и высокой прочности, обрабатываемых механически или штамповкой, требующих хорошей усталостной долговечности.
- Отдавайте предпочтение состояниям O/T4 для сложной формовки и T6/T651 для окончательной структурной прочности.
- Подтверждайте наличие и способность поставщика обеспечить необходимые состояния и формы до окончательного утверждения конструкции.
Заключение
Сплав 6013 остаётся практичным выбором, когда инженерам необходим термообрабатываемый алюминий с более высокой прочностью и улучшенной усталостной характеристикой по сравнению с базовыми сплавами серии 6xxx при сохранении хорошей пластичности и свариваемости. Его оптимизированный химический состав и варианты термообработки делают его универсальным для автомобильной, авиационной, морской и промышленной отраслей, где критично сбалансированное сочетание прочности, коррозионной стойкости и технологичности.