Алюминий A380: состав, свойства, руководство по состоянию и области применения

Общее описание

A380 — это коммерческий алюминиевый сплав для литья под давлением, относящийся к семейству Al-Si-Cu, а не к классической кузнечной серии, такой как 3xxx, 6xxx или 7xxx. Обычно его классифицируют как Al–Si литейный сплав (часто упоминают вместе с ADC12/EN AC‑46000) и разрабатывают для массового производства методом литья под давлением с требованием сложной геометрии и высокой точности размеров.

Основными легирующими элементами являются кремний (Si) в эвтектическом — гипоэвтектическом диапазоне и медь (Cu) в количестве, достаточном для обеспечения упрочнения за счёт выделений; железо (Fe), магний (Mg), а также следовые количества титана (Ti) и марганца (Mn) присутствуют для контроля технологичности литья и микроструктуры. Упрочнение достигается за счёт сочетания структуры отливки (эвтектический кремний и интерметаллиды), ограниченного упрочнения выделениями за счёт Cu/Mg и некоторого наклёпа при вторичных операциях; A380 не является полностью деформируемым, упрочняемым пластическим деформационным способом сплавом.

Ключевые особенности A380: хорошая технологичность литья, отличная размерная стабильность при литье под давлением, средне-высокая статическая прочность для литых сплавов, удовлетворительная теплопроводность и электрическая проводимость для многих применений в корпусах и оболочках, а также приемлемая коррозионная стойкость при общем атмосферном воздействии. Свариваемость и пластичность ограничены по сравнению с деформируемыми алюминиевыми сплавами; возможен ремонт сваркой и последующая термообработка, но они требуют строгого контроля технологического процесса.

Типичные области применения A380: автомобилестроение (корпуса коробок передач, корпуса, кронштейны), потребительская электроника (корпуса), малые двигатели и корпуса насосов, а также общие литые промышленные детали, где важны форма и экономичность. Инженеры выбирают A380, когда требуется баланс технологичности литья, точности размеров, достаточной прочности и низкой стоимости единицы продукции, и когда не приоритетны высокая пластичность или эксплуатация при высоких температурах.

Варианты степени упрочнения (темпера)

Темпера	Уровень прочности	Относительное удлинение	Пластичность	Свариваемость	Примечания
O (отожжённый)	Низкий	Высокое	Подходит для ограниченной пластической деформации	Хорошая (с осторожностью)	Мягкий после печной отжиг; редко используется для готовых отливок
Как отлито (AC)	Средний	Низкое — среднее	Ограниченное	Удовлетворительная — проблемы с пористостью	Типичное состояние при поставке после литья под давлением; прочность определяется микроструктурой
T5 (искусственно старённый)	Средне — высокое	Низкое	Ограниченное	Удовлетворительная — важен выбор присадочного материала	Применяется для улучшения механических свойств без полной растворяющей обработки
T6 (растворяющее упрочнение и старение)	Высокое	Низкое	Плохое	Сложная — размягчение зоны термического влияния	Максимальное упрочнение, но с риском деформаций и раскрытия пористости
H (холодно деформированный, ограниченно)	Средний	Ниже среднего	Плохое	Не применяется	Редко используется для литья; применяется при локальной деформации

Степень упрочнения влияет на баланс прочности и пластичности за счёт изменений микроструктуры и характера выделений. Материал как отлито обеспечивает лучшую точность размеров от формы, T5 повышает прочность с минимальными деформациями, а T6 позволяет максимизировать прочность ценой усложнения процесса, увеличенного риска деформаций и ограниченного эффекта из-за пористости литья.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	7.5–9.6	Основной легирующий элемент, контролирующий текучесть и усадку; формирует эвтектическую/мелкодисперсную кремниевую фазу.
Fe	0.6–1.3	Примесь, образующая интерметаллиды (β‑AlFeSi), влияющие на пластичность и устойчивость к пористости.
Mn	≤0.35	Контролирует морфологию интерметаллидов Fe; небольшое улучшение вязкости.
Mg	0.1–0.45	Обеспечивает упрочнение при старении в сочетании с Cu; незначительный вклад в прочность.
Cu	1.5–3.5	Основной фактор упрочнения за счёт выделений и прочности после старения.
Zn	≤0.2	Низкие уровни; слабый вклад в твердость раствора.
Cr	≤0.1	Следы для контроля зеренной структуры и рекристаллизации в некоторых вариантах.
Ti	0.02–0.2	Гранулообразующий элемент для контроля размера зерна при литье.
Прочие	Осново́й алюминий (с следами Pb/Sn ≤0.05)	Алюминий — остальное; следовые элементы контролируются для чистоты отливок.

Содержание Si контролирует технологичность литья — текучесть, питание и усадку, а размер и морфология силиконовых частиц влияют как на прочность, так и на усталостную стойкость. Медь и магний обеспечивают упрочнение за счёт выделений при искусственном старении, однако эффективность термообработки ограничена дефектами литья и интерметаллидами, снижающими пластичность и усталостную долговечность по сравнению с деформируемыми сплавами.

Механические свойства

A380 демонстрирует характерные для среднепрочных литейных сплавов показатели прочности при растяжении: сравнительно высокую временную прочность для литого материала с низким или средним пределом текучести и ограниченным относительным удлинением. Показатели растяжения и текучести сильно зависят от параметров литья, уровня пористости и степени упрочнения; плотные отливки с контролем водорода и оксидных включений показывают более высокую выносливость и прочностные характеристики.

Относительное удлинение обычно низкое по сравнению с деформируемыми алюминиевыми сплавами и варьируется в диапазоне 1–6% для состояния «как отлито» и термообработанных вариантов, улучшить пластичность можно лишь умеренно после отжига. Твёрдость коррелирует со степенью упрочнения и термообработкой — твердость по Бринеллю увеличивается от умеренных значений в отожженном состоянии до более высоких после старения T5/T6, однако наличие хрупких интерметаллидов и крупного кремния ограничивает ударную вязкость и усталостную выносливость.

Усталостные характеристики чувствительны к состоянию поверхности и дефектам литья; усталостный ресурс обычно ниже, чем у деформируемых сплавов с аналогичной статической прочностью, и улучшается термообработкой под изостатическим давлением, дробеструйной обработкой или механической обработкой для удаления дефектов поверхности. Толщина и сечение влияют на скорость охлаждения и микроструктуру: тонкие сечения быстро охлаждаются, образуя более мелкозернистую структуру и несколько лучшие механические свойства, тогда как толстые сечения более подвержены пористости и крупной эвтектической структуре.

Свойство	O / Отожжённое	Основной темпера (Как отлито / T5 / T6)	Примечания
Временное сопротивление (UTS)	135–220 MPa	250–340 MPa	Широкий диапазон из-за практики литья и пористости; T5/T6 — в верхнем диапазоне.
Предел текучести (0.2% смещение)	55–125 MPa	110–210 MPa	T6 увеличивает предел текучести за счёт выделений; в состоянии как отлито зависит от микроструктуры.
Относительное удлинение	4–12%	1–6%	Пластичность ограничена в литых формах; отжиг помогает, но снижает прочность.
Твёрдость (HB)	50–85 HB	75–110 HB	Твёрдость увеличивается при искусственном старении; локальная вариативность из-за интерметаллидов.

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	~2.78 г/см³	Чуть выше, чем у чистого алюминия, из-за содержания Si, Cu и Fe.
Температура плавления	~500–575 °C	Начальный расплав / эвтектический старт около эвтектической температуры; солидус‑ликвидус зависит от состава.
Теплопроводность	~90–120 Вт/м·К (25 °C)	Ниже, чем у чистого алюминия вследствие Si и интерметаллидов; достаточно хорошая для корпусов и рассеивающих элементов.
Электропроводность	~20–35 % IACS	Снижена относительно чистого алюминия; падает при увеличении содержания Cu и Si.
Удельная теплоёмкость	~0.88–0.92 Дж/г·К	Типична для алюминиевых сплавов; важна для теплового моделирования.
Коэффициент теплового расширения	~21–23 µm/м·К	Сопоставим с другими Al–Si литейными сплавами; важно учитывать термическое несоответствие в сборках.

Набор физических свойств делает A380 привлекательным для деталей, требующих размерной стабильности, умеренного отвода тепла и электропроводности при сохранении небольшой массы. Теплопроводность и теплоёмкость подходят для применения в теплоотводах средней эффективности, однако проектировщикам следует учитывать пониженную теплопроводность по сравнению с чистым алюминием, если основная задача — теплоотвод. Коэффициент теплового расширения типичен для алюминия и должен учитываться в многоматериальных узлах, чтобы избежать термических напряжений и гальванической коррозии.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Механические свойства	Распространённые состояния	Примечания
Лист	Редко поставляется	Нетипично	Н/Д	A380 редко производится в виде деформируемого листа; листовые изделия обычно из серий 5xxx/6xxx.
Плита	Ограничено (тонкие литые плиты)	Зависит от толщины	В литом виде / T5	Существуют некоторые отлитые или тиксокастовые плиты, но они редко встречаются; часто требуется механическая обработка.
Экструзия	Не применяется	Н/Д	Н/Д	A380 — это сплав для литья под давлением и не предназначен для производства экструзий.
Труба	Редко поставляется	Н/Д	Н/Д	Трубные формы из литья под давлением крайне ограничены; иногда используют сварные трубы из литых заготовок.
Пруток/шестигранник	Отливки в виде прутков/слитков для переплавки	Похожи на литые	В литом виде	Поставляются в основном в виде слитков или гранул для переплава при литье под давлением, не в виде деформируемых прутков для изготовления.

A380 по сути является сплавом для литья под давлением, и его основная форма продукции — литые компоненты, изготовленные непосредственно из высоконапорных пресс-форм. Деформируемые формы, такие как лист, плита и экструзии, встречаются редко, так как химический состав и микроструктура литья не оптимизированы для деформируемой обработки; для таких форм обычно выбирают деформируемые сплавы. Когда функциональные требования требуют, отливки проходят механическую обработку с достижением окончательных допусков или комбинируются с вставками и вторичными операциями, вместо использования формовки.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	A380	США	Распространённое обозначение для индустрии литья под давлением и стандартов литейных заводов.
EN AW	EN AC‑46000 (AlSi8Cu3(Fe))	Европа	Приблизительный эквивалент; номенклатура отражает химическую группу и содержание Fe.
JIS	ADC12	Япония	Широко признанный эквивалент в Азии с похожим содержанием Si/Cu и поведением при литье.
GB/T	AlSi9Cu (примерно)	Китай	Местные стандарты могут включать AlSi9Cu3 или подобные как практические эквиваленты; химический состав может слегка отличаться.

Тонкие различия между региональными эквивалентами обусловлены допусками на Cu, Si и Fe, разрешёнными уровнями примесей и методами испытаний механических свойств. ADC12 и EN AC‑46000 часто рассматриваются как близкие по характеристикам A380 для проектирования и закупок, однако производителям следует подтверждать химический диапазон, варианты временной термообработки и сертификаты механических свойств перед переклассификацией изделий.

Коррозионная стойкость

A380 обладает приемлемой общей атмосферной коррозионной стойкостью за счёт формирующейся естественной плёнки оксида алюминия и хорошо ведёт себя в закрытых, контролируемых условиях с минимальным воздействием агрессивных веществ, вызывающих точечную коррозию. Наличие меди снижает общую коррозионную стойкость по сравнению с низко-медными деформируемыми сплавами; локальная коррозия может проявляться особенно в средах с хлоридами и в местах со скоплениями влаги.

В морских или высокохлоридных условиях A380 более подвержен питтингу и щелевой коррозии, чем деформируемые сплавы серий 5xxx/6xxx с низким или нулевым содержанием меди; для долговременной эксплуатации обычно рекомендуют защитные покрытия и герметики. Трескостойкость от коррозионного напряжения для A380 в типовых условиях эксплуатации не характерна, однако риск увеличивается при одновременном воздействии растягивающих напряжений, высокой активности хлоридов и повышенных температур; дизайнеры должны проявлять осторожность при проектировании конструкций для морских применений.

Гальваническая коррозиия приводит к тому, что A380 является анодным по отношению к многим сталям и медным сплавам; при контакте в морской воде или агрессивных электролитах алюминий корродирует предпочтительно, если не применена изоляция или защита с помощью покрытий и жертвенных анодов. В сравнении с другими группами сплавов A380 жертвует частью коррозионной стойкости ради высокой литьевой способности и точности размеров; при критичных требованиях к коррозионной стойкости рекомендуется выбирать низко-медные сплавы или системы защиты.

Свойства обработки

Свариваемость

Сварка литьевого A380 возможна, но сопряжена с трудностями: пористость, газы и оксиды в структуре увеличивают риск дефектов шва. Часто рекомендуются TIG и MIG сварка с алюминиево-кремниевыми присадочными проводами (например, ER4043 или ER4047) для согласования с кремнийсодержащей матрицей и снижения склонности к горячим трещинам; ER5356 может применяться для повышения прочности, но повышает риск возникновения трещин в Al–Si отливках. Предварительный нагрев до 150–200 °C, шлифовка до чистого металла, а также последующая термообработка или обмятые операции улучшают качество сварного соединения; однако снижение твёрдости в области термического влияния (HAZ) и раскрытие пористости часто ограничивают прочность ремонтных швов.

Машиностойкость

A380 считается достаточно обрабатываемым сплавом для литья; эвтектические частички кремния снижают налипание металла на режущие кромки и способствуют дроблению стружки, а умеренная твёрдость позволяет применять более высокие подачи по сравнению с мягким чистым алюминием. Карбидные режущие инструменты с положительным углом заделки и достаточным охлаждением являются стандартом для массовой обработки; скорости резания сопоставимы с другими алюминиевыми сплавами, но срок службы инструмента зависит от содержания Si и абразивных интерметаллидов. Для получения гладких поверхностей необходим контроль подачи и геометрии инструмента, чтобы избежать вибраций и вырыва частиц кремния.

Обрабатываемость давлением (гибка, формовка)

Формовка A380 ограничена, так как отливки не обладают пластичностью, характерной для деформируемого алюминия. Радиусы гибки должны быть консервативными, и локальные операции часто приводят к трещинам или разрушению из-за низкого удлинения; инженеры обычно избегают интенсивной холодной деформации литых изделий из A380. Лучший результат достигается за счёт проектирования необходимых элементов непосредственно в форму, использования вставок или выбора более пластичных деформируемых сплавов для окончательной обработки; отжиг повышает пластичность, но значительно снижает прочность.

Особенности термообработки

Хотя в составе A380 имеются Cu и Mg, позволяющие некоторую упрочняющую осадку, реакция на термообработку ограничена исходной литой микроструктурой и пористостью. Отжиг раствором проводится при температурах обычно в диапазоне 495–540 °C для растворения растворимых фаз, за которым следует быстрое закаливание и искусственное старение при 150–200 °C для выделения упрочняющих фаз; это обеспечивает состояния T6 или T5 в зависимости от полного или частичного растворения.

Практические ограничения включают деформацию, раскрытие пористости и окисных пленок во время отжига раствором, что уменьшает точность размеров и усталостную стойкость; поэтому большинство производителей литья под давлением предпочитают T5 (прямое старение) или контролируемое старение для баланса между прочностью и стабильностью размеров. В нерезинотвердеющем состоянии A380 может быть размягчён печным отжигом для повышения пластичности при ограниченной формовке, а локальное холодное деформирование слегка повышает твёрдость, но не заменяет полноценные деформируемые сплавы.

Работа при повышенных температурах

Прочность A380 снижается с ростом температуры, и сплав рекомендуется для непрерывной эксплуатации при нагрузках при температурах ниже примерно 150 °C. Работа при повышенных температурах ускоряет размягчение упрочнённых структур и способствует укрупнению осадков, снижая статическую прочность и усталостную долговечность; длительные температуры выше ~200 °C нехарактерны для компонентов из A380. Оксид алюминия обеспечивает защиту, но при высоких температурах интерметаллиды и различия в термическом расширении могут вызывать микротрещины и ухудшать герметичность в узлах сборки.

В местах сварки и ремонта образуются зоны термического воздействия (HAZ), где происходит переупрочнение или размягчение; температурные воздействия усугубляют снижение твёрдости в HAZ и уменьшают несущую способность узлов, поэтому проектировщикам следует учитывать пониженную прочность и избегать размещения критичных болтовых или сварных соединений в зонах высоких температур.

Области применения

Отрасль	Пример изделия	Причины использования A380
Автомобильная	Корпуса трансмиссий, корпуса клапанных узлов, кронштейны	Отличная литейная способность, точность размеров, экономичность при высоких объемах производства
Морская