Алюминий A1100: состав, свойства, руководство по термическим состояниям и области применения

Общий обзор

A1100 — алюминиевый сплав серии 1000, классифицируемый как коммерчески чистый алюминий с минимальным содержанием алюминия, обычно около 99,0%. Он относится к семейству «11xx», характеризующемуся очень низким содержанием легирующих элементов и минимальными целенаправленными добавками, помимо следовых количеств.

Основные легирующие элементы присутствуют лишь в небольших количествах и включают кремний, железо, медь, марганец, магний, цинк, хром и титан в виде остаточных примесей. Эти небольшие добавки влияют на контроль примесей, структуру зерна и механическую однородность, при этом материал не становится сплавом с термическим упрочнением.

A1100 — не поддающийся термообработке сплав, который получает прочность практически полностью за счёт наклёпа (холодной обработки) и выбранных операций отпуска. Основные характеристики — высокая электропроводность и теплопроводность, отличная свариваемость, формуемость и коррозионная стойкость, а также относительно низкие механические свойства по сравнению с легированными марками.

Типичные отрасли применения A1100 включают химическое оборудование, электротехнику и электронику (шины, фольгу, радиаторы), отражатели и архитектурные элементы, упаковку и контакт с пищевыми продуктами, а также общую листовую металлообработку. Инженеры выбирают A1100, когда требуются максимальная пластичность, качество поверхности, электропроводность и коррозионная стойкость, жертвуя при этом максимальной прочностью и жёсткостью по сравнению со сплавами 3xxx, 5xxx или 6xxx серий.

Варианты термообработки

Термообработка	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полный отжиг, максимальная пластичность
H12	Низко-средний	Средне-высокое	Очень хорошая	Отличная	Четвертькованный, умеренный рост прочности
H14	Средний	Умеренное	Хорошая	Отличная	Полукованный, распространён для умеренного формования
H16	Средне-высокий	Умеренно-низкое	Средняя	Отличная	Три четверти кованый, повышенная прочность
H18	Высокий	Низкое	Ограниченная	Отличная	Полностью кованый, максимальная прочность в состоянии после прокатки
H22/H24	Низко-средний	Хорошее	Очень хорошая	Отличная	Наклёпан и затем стабилизирован; сохраняет формуемость

Выбор состояния термообработки для A1100 зависит преимущественно от уровня наклёпа, а не от стадий выделения фаз, так как сплав не поддаётся упрочнению старением. Отожжённый O-состояние обеспечивает лучшую формуемость и максимальную пластичность для глубокой вытяжки и точения. Наклёпанные состояния H-серии уменьшают пластичность, увеличивая прочность, и используются при ограниченной формовке или когда требуется повышенная жёсткость без применения легированных сплавов.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	≤ 0.25	Обычно присутствует как остаток; незначительно влияет на литейные свойства
Fe	≤ 0.95	Основная примесь; влияет на прочность и внешний вид поверхности
Mn	≤ 0.05	Минимально; незначительное упрочнение
Mg	≤ 0.05	Очень низкое содержание; не оказывает значимого упрочняющего эффекта
Cu	≤ 0.05	Поддерживается на низком уровне для сохранения коррозионной стойкости и электропроводности
Zn	≤ 0.10	Остаточное; ограниченное влияние на механические свойства
Cr	≤ 0.05	Только следовые количества; контролирует структуру зерна
Ti	≤ 0.03	Рефинация зерна в процессе литья и обработки давлением
Другие	≤ 0.15 в сумме	Другие остаточные примеси поддерживаются в низком уровне для соответствия требованиям чистоты

Производительность A1100 определяется высоким содержанием алюминия; следовые примеси и небольшие целенаправленные добавки контролируются для сохранения электропроводности, теплопроводности и коррозионной стойкости. Железо является основной примесью, влияющей на анизотропию и качество поверхности, тогда как малые количества титана важны для рафинации зерна в литье и первичной обработке.

Механические свойства

Растягивающее поведение A1100 характеризуется относительно низкой временной прочностью и очень высоким относительным удлинением в отожжённом состоянии. Предел текучести низок в состоянии O и увеличивается пропорционально степени наклёпа в состояниях H; сплав не демонстрирует упрочнения старением. Относительное удлинение в состоянии O высоко и уменьшается с повышением номера H, поэтому состояние H18 или полностью упрочнённое состояние не подходит для глубокой вытяжки, но предпочтительно для жёстких компонентов.

Твёрдость следует той же тенденции, что и прочностные свойства, и тесно коррелирует с уровнем наклёпа; значения по шкале Роквелла и Виккерса умеренные в состоянии O и увеличиваются в состояниях H. Усталостные характеристики соответствуют типичным параметрам низкопрочных алюминиевых сплавов: усталостный предел выражен слабо, но усталостная прочность увеличивается с улучшением качества поверхности, холодной обработкой и уменьшением концентрации напряжений. Толщина листа значительно влияет на механические параметры; более тонкие толщины легче упрочняются холодной обработкой и могут показывать более высокую кажущуюся прочность после прокатки и наклёпа на кромках.

Свойство	O/Отожжённое	Ключевое состояние (H14 / H18)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	~65–110 MPa	~110–180 MPa	Широкий диапазон в зависимости от состояния и толщины; H18 приближается к верхним значениям
Предел текучести	~10–35 MPa	~40–150 MPa	Предел текучести существенно возрастает с наклёпом; состояние O имеет очень низкий предел текучести
Относительное удлинение	~35–45%	~3–20%	Высокая пластичность в O, снижается в более жёстких состояниях в зависимости от степени деформации
Твёрдость	~20–35 HB	~40–60 HB	Твёрдость увеличивается с холодной обработкой; значения зависят от шкалы и состояния

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.71 г/см³	Типично для коммерчески чистого алюминия
Температура плавления	~660 °C (солидус/ликвидус около 660 °C)	Поведение аналогично почти чистому алюминию; узкий интервал плавления
Теплопроводность	~220–235 Вт/м·К	Высокая среди конструкционных металлов; незначительно снижается с увеличением примесей
Электропроводность	~45–65 % IACS	Высокая проводимость; зависит от уровня примесей и холодной обработки
Удельная теплоёмкость	~0.897 Дж/г·К (897 Дж/кг·К)	Типичное значение при комнатной температуре
Коэффициент линейного расширения	~23–24 µм/(м·К) (20–100 °C)	Умеренное тепловое расширение, важное для расчёта конструкций

Высокие теплопроводность и электропроводность делают A1100 привлекательным для применения в системах теплового управления и электропроводниках, где важна формуемость. Невысокая плотность в сочетании с отличной теплопроводностью обеспечивает выгодное соотношение прочности к массе для неструктурных компонентов. Коэффициент теплового расширения следует учитывать при сборках из разнородных материалов во избежание возникновения напряжений при температурных циклах.

Формы выпуска

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.2–6.0 мм	Низкая до средней после холодной обработки	O, H14, H16, H18	Широко применяется для облицовки, отражателей и общей металлообработки
Плита	>6.0 мм	Низкая; трудно упрочняется холодной обработкой при больших толщинах	O, H22	Применяется реже; ограничены возможности механической обработки и формования
Экструзия	Толщина стенок варьируется	Низкая; экструзии можно упрочнять наклёпом	O, H12/H14	Ограниченно по сравнению со сплавами 6xxx; применяется, когда важны чистота и электропроводность
Труба	Тонкая и средняя толщина стенок	Низкая; может быть сварена и протянута	O, H14	Распространена в теплообменниках и трубопроводах
Круг/Пруток	Диаметры от малых до средних	Низкая; средняя обрабатываемость резанием	O, H14	Используется для стержней и штифтов, где важны коррозионная стойкость и электропроводность

Листы и фольга — наиболее распространённые формы выпуска A1100, особенно в упаковке, облицовке и теплообменных устройствах, поскольку прокатка обеспечивает отличное качество поверхности и тонкие толщины. Экструзии и прутки выпускаются, когда важны электропроводность и коррозионная устойчивость сплава, но для высокопрочных конструкционных экструзий обычно предпочитают сплавы 6061 или 6063. Плиты и толстые сечения редко используются, если прочность является основным параметром проектирования из-за низкого предела текучести.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	A1100	США	Основное обозначение для коммерчески чистого алюминия с содержанием 99%
EN AW	1100 / 1050A*	Европа	Эквиваленты EN приблизительны; AW-1050A и AW-1100 часто используются взаимозаменяемо на практике
JIS	A1050 / A1100*	Япония	JIS использует семейства A1050 и A1100 для высокочистого алюминия; химический состав пересекается
GB/T	1100	Китай	Обозначения GB/T близки по составу и назначению к AA A1100

Эквивалентность между стандартами является приблизительной, поскольку в разных регионах установлены немного разные пределы по примесям и допустимым малым элементам. При перекрестном сравнении инженерам следует проверять фактические химические спецификации и таблицы механических свойств, а не полагаться исключительно на наименования марок. Для критически важных электрических, тепловых или пищевых применений рекомендуется запрашивать сертификаты завода-изготовителя для подтверждения состава и состояния термообработки.

Коррозионная стойкость

A1100 обладает отличной общей атмосферной коррозионной стойкостью благодаря образованию самовосстанавливающейся оксидной пленки, которая защищает поверхность. Он устойчив во множестве химических сред и поэтому широко применяется в химическом оборудовании и для контакта с пищевыми продуктами. В морских условиях A1100 достаточно хорошо проявляет себя при атмосферном воздействии, однако уступает по коррозионной стойкости сплавам с более высоким содержанием магния, таким как серии 5xxx, при полном погружении в морскую воду; локальная точечная коррозия может возникать при высокой концентрации хлоридов.

Сплав обладает низкой склонностью к коррозионному растрескиванию под напряжением за счёт невысоких прочностных показателей и отсутствия высокопрочных микроструктурных фаз, способствующих SCC. Необходимо контролировать гальванические взаимодействия: A1100 является анодным относительно многих нержавеющих сталей и медных сплавов и будет корродировать предпочтительно при электрическом контакте в электролите. Для снижения гальванической коррозии в конструкциях из различных металлов часто применяют покрытия, изолирующие материалы или жертвенные аноды.

Технологические свойства

Свариваемость

A1100 прекрасно сваривается общераспространёнными методами, такими как TIG (GTAW), MIG (GMAW) и контактная сварка, благодаря высокой чистоте и низкому содержанию легирующих элементов. Рекомендуемые присадочные материалы включают 1100, 4043 или 5356 в зависимости от требований к соединению и условий эксплуатации; выбор присадочного материала влияет на коррозионную стойкость сварных швов и их пластичность. Высокотемпературные трещины при сварке A1100 случаются редко, а размягчение зоны термического влияния не представляет опасности, так как сплав не поддается упрочняющей термообработке; сварные соединения, как правило, сохраняют пластичность основного металла.

Обрабатываемость резанием

Обрабатываемость A1100 оценивается как средняя и хорошая; низкая прочность уменьшает силы резания, но высокая пластичность может приводить к образованию длинных сплошных стружек, требующих контроля. Предпочтительно использование карбидного инструмента с острой геометрией для прерывистых резов, а для лёгкой обработки подходит быстрорежущая сталь. Типичная практика — применение умеренных скоростей резания, положительных углов наклона зубьев и использование лома стружки или циклических подходов для предотвращения нарастания режущего клина и обеспечения стабильности размеров.

Обрабатываемость деформацией

A1100 является одним из наиболее пластичных алюминиевых сплавов, особенно в состоянии O, когда распространены глубокая вытяжка, волочение и сложная гибка. Минимальные радиусы сгиба в отожженном листе могут быть очень малы; типичное эмпирическое правило для листов в состоянии O — внутренний радиус сгиба от 0,5 до 1,0 толщины материала для многих технологий. Холоднообработанные состояния H имеют сниженное удлинение и требуют больших радиусов сгиба или поэтапных формовочных операций; для восстановления пластичности в сложных производственных циклах применяются подогрев при формовке и промежуточная отжиг.

Поведение при термообработке

A1100 не поддается упрочняющей термообработке; он не реагирует на растворение и искусственное старение для достижения упрочнения за счет выделения фаз. Основной механизм упрочнения — пластическая деформация (холодная обработка), которая увеличивает плотность дислокаций и повышает прочность в состояниях H. Отжиг (состояние O) смягчает сплав за счёт процессов рекристаллизации и восстановления, восстанавливая пластичность и снимая остаточные напряжения, возникающие при формовании или сварке.

Типичные технологические циклы включают отжиг → холодную обработку → стабилизацию (для некоторых состояний H2x) вместо растворения и старения. Стабилизированные состояния H22/H24 используют лёгкую термообработку для снижения эффектов старения при деформации и обеспечения стабильности размеров без фазового упрочнения. Для применения, требующих повышенной прочности, необходим выбор состояния с упрочнением деформацией или переход на легированные, поддающиеся термообработке сплавы.

Работа при высоких температурах

A1100 заметно теряет прочность при повышении температуры, практические пределы эксплуатации при нагрузках обычно не превышают 150 °C. При более высоких температурах процессы восстановления снижают упрочнение от холодной обработки и могут приводить к размягчению даже без сознательного отжига. Окисление на воздухе минимально по сравнению с ферросплавами благодаря защитной оксидной пленке, но длительное воздействие высоких температур ухудшает качество поверхности и незначительно снижает теплопроводность и электропроводность.

Зоны термического влияния сварки не подвергаются растворению упрочняющих фаз, как в сплавах с искусственным старением, однако локальное размягчение может возникать при достижении температуры рекристаллизации. Для конструкций с повышенными рабочими температурами или циклическими термическими нагрузками необходимо учитывать ползучесть, тепловые деформации и потерю остаточной прочности при использовании упрочнённых деформацией состояний.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Причина выбора A1100
Автомобильная	Внутренние панели, отражатели	Отличная пластичность и качество поверхности для видимых деталей
Судостроение	Воздуховоды, фитинги	Хорошая коррозионная стойкость при атмосферном морском воздействии
Авиакосмическая	Неструктурные крепления, кожухи	Высокая электропроводность и коррозионная стойкость при малом весе
Электроника	Теплоотводы, шины, фольга	Высокая тепло- и электропроводность при хорошей обрабатываемости

A1100 остаётся востребованным сплавом, когда требуются высокая электропроводность, теплопроводность, качество поверхности и хорошая формуемость, преобладающие над необходимостью высокой прочности. Его простота обработки и стабильные характеристики при распространённых операциях формовки и сборки делают его экономичным решением для многих неответственных по нагрузке деталей.

Советы по выбору

Рекомендуется выбирать A1100, когда основными требованиями являются максимальная пластичность, проводимость и коррозионная стойкость, а проект допускает низкие пределы текучести и прочности на разрыв. Обычно он применяется для фольги, облицовки, теплоотводов и в химически чувствительных средах, где легирование негативно сказывается на свойствах.

В сравнении с более чистыми коммерческими вариантами (например, 1050 или 1060) A1100 предлагает сходные проводимость и формуемость, но может содержать чуть больше допустимых примесей, влияющих на качество поверхности и механическую однородность. По сравнению с закалёнными коммерческими сплавами, такими как 3003 или 5052, A1100 обеспечивает лучшую проводимость и иногда лучшую коррозионную стойкость, жертвуя значительно более низкой прочностью и усталостной долговечностью. В сравнении с легированными термообрабатываемыми сплавами, как 6061 или 6063, A1100 выбирают когда важнее формуемость, стоимость и проводимость, а не высокая конструкционная прочность и жёсткость.

Итоговое резюме

A1100 сохраняет своё практическое значение как сплав, в котором чистота, пластичность, формуемость и проводимость ценятся выше максимальных механических характеристик. Его экономичная обработка, предсказуемое поведение при холодной обработке и широкая совместимость с типовыми технологическими процессами делают его надёжным выбором для тепловых, электрических и коррозионно чувствительных применений в современной инженерии.