Алюминий A390: состав, свойства, марки термообработки и области применения

Полный обзор

A390 — это гиперэвтектический алюминиево-кремниевый литейный сплав из семейства литых материалов Al‑Si‑Cu‑Mg типа 3xx/4xx, а не деформируемый сплав серий 6xxx или 7xxx. В его химическом составе преобладает очень высокий уровень кремния (обычно около 17–19 мас.% ) с медью и магнием в качестве вторичных упрочняющих элементов, дополненных малыми количествами железа, марганца и следами титана для контроля структуры зерен и модификации.

Основным механизмом упрочнения является упрочнение матрицы алюминия за счёт выделения интерметаллических соединений Cu/Mg после отжига и искусственного старения, а также микроструктурное упрочнение за счёт твёрдых первичных частиц кремния, равномерно распределённых в матрице. Это делает A390 термообрабатываемым литейным сплавом с микроструктурой и механическим откликом, отличным от упрочняемых холодной деформацией деформируемых сплавов.

Ключевые характеристики включают высокую износостойкость и прочность на сжатие в контактных условиях благодаря крупным твёрдым частицам кремния, хорошую размерную стабильность после термообработки, умеренную коррозионную стойкость, сниженную за счёт содержания меди, а также ограниченную пластичность и формуемость по сравнению с обычными деформируемыми сплавами. Типичные отрасли применения A390 — автомобилестроение (поршни, гильзы цилиндров, износоустойчивые вставки), гидравлические и пневматические компоненты, насосы, а также некоторые тяжёлые узлы двигателей, где критичны износостойкость и литейные свойства.

Инженеры выбирают A390, когда требуется сочетание гиперэвтектической износостойкости, литейной способности в сложные формы и возможность достижения упрочнённых состояний типа T6; он предпочитается перед сплавами с более низким содержанием кремния для случаев, когда приоритетом являются стабильность поверхности при трении или абразивном контакте и точный термический контроль размеров.

Варианты термообработки

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
Литое (F)	Низкий–Средний	Низкое (1–4%)	Плохая	Ограниченная	Литейная микроструктура; присутствуют первичные частицы кремния; минимальная пластичность
O / Отожженное	Низкий	Среднее	Улучшено по сравнению с F	Ограниченная	Размягчённая матрица после растворяющего отжига/отжига для снятия внутренних напряжений
T5 (Искусственно старенное в литом состоянии)	Средний	Низкое (1–3%)	Плохая	Ограниченная	Быстрое искусственное старение после охлаждения литья без предварительного растворяющего отжига
T6 (Растворяющая термообработка + искусственное старение)	Высокий	Низкое (0.5–3%)	Плохая	Ограниченная	Максимальная прочность для A390; типичное состояние для поршней и износоустойчивых деталей
T7 / Переустаренное	Средний	Низкое (1–4%)	Плохая	Ограниченная	Стабилизированное состояние с улучшенной термической стабильностью за счёт снижения максимальной прочности

Состояние термообработки сильно влияет на свойства A390, поскольку морфология кремния и распределение выделений Cu/Mg напрямую определяют прочность и вязкость. Растворяющая термообработка с последующим закаливанием и искусственным старением (T6) максимизирует прочность матрицы, но мало влияет на увеличение пластичности, так как крупные первичные частицы кремния продолжают ограничивать удлинение.

На практике конструкторы жертвуют пластичностью ради твёрдости и износостойкости: литое и T5 состояние применяют, когда минимальная термическая обработка предпочтительна, а T6 — когда необходимы повышенные предел текучести, временное сопротивление и улучшенная усталостная прочность.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	17.0–19.0	Основной упрочняющий и износостойкий компонент; гиперэвтектическое содержание даёт крупные первичные частицы кремния.
Fe	0.6–1.2	Формирует интерметаллиды; избыток вызывает хрупкие фазы Fe и снижает усталостную прочность.
Mn	0.2–0.6	Модифицирует интерметаллиды железа; незначительно повышает вязкость.
Mg	0.3–0.6	Участвует в упрочнении за счёт выделения с Cu в виде Mg2Si и более сложных фаз.
Cu	3.5–4.5	Основной элемент для выделительного упрочнения; повышает прочность, но снижает коррозионную стойкость.
Zn	≤0.25	Микроэлемент; обычно примесь, незначительно влияет на упрочнение.
Cr	≤0.2	Поглощает Fe и стабилизирует микроструктуру в некоторых плавках.
Ti	0.02–0.12	Зерноочиститель для литья; контролирует нуклеацию фаз в матрице алюминия.
Прочие (Ni, Sr, модификаторы Sr)	≤0.5 суммарно	Ni добавляют для стабильности температуры; Sr применяют для модификации кремния в некоторых плавках.

Высокое содержание кремния формирует двухфазную микроструктуру: алюминиевая матрица и твёрдые частицы кремния, что определяет износостойкость и жёсткость. Медь и магний образуют после термообработки выделения, значительно повышающие прочность и твёрдость, тогда как железо и марганец контролируют образование хрупких интерметаллидов, влияющих на усталость и разрушение. Небольшие добавки титана или стронция применяются в литейном процессе для улучшения структуры зерен и модификации морфологии кремниевых частиц, что улучшает литейные свойства.

Механические свойства

A390 сочетает относительно высокую прочность на сжатие и износостойкость с ограниченной пластичностью на растяжение из-за гиперэвтектической кремниевой фазы. В состоянии T6 алюминиевая матрица обеспечивает высокие предел текучести и временное сопротивление за счёт выделений Cu/Mg, но удлинение остаётся невысоким, а разрушение обычно инициируется хрупкими частицами кремния и интерметаллидами. Усталостная прочность сильно зависит от качества литья, пористости и размера/распределения частиц первичного Si; гладкая поверхность и термообработка могут улучшить усталостный ресурс, но не исключают характерную для кремния микротрещинообразующую опасность.

Толщина и размер сечения существенно влияют на свойства: скорость охлаждения при затвердевании определяет размер и распределение первичного кремния и эвтектическое расслоение; толстые сечения остывают медленнее, что приводит к более крупным Si-частицам и снижению механических свойств. Твёрдость зависит от состояния термообработки и микроструктуры: для литого состояния она умеренная и значительно возрастает после растворяющей термообработки и старения (T6), достигая значений HB, характерных для износоустойчивых деталей.

Свойство	Литое / Отожженное (F/O)	Типичное ключевое состояние (T6)	Примечания
Временное сопротивление разрыву (UTS)	140–220 MPa	280–360 MPa	Значения T6 зависят от времени и температуры термообработки; разброс обусловлен пористостью и морфологией Si.
Предел текучести (0,2% смещение)	70–140 MPa	220–320 MPa	Предел текучести резко повышается при T6; для литого состояния он низкий и вариабельный.
Относительное удлинение (A%)	1–6%	0.5–3%	Типично низкая пластичность; удлинение выше возможно в тонких литых образцах с улучшенной структурой.
Твёрдость (HB)	70–110 HB	110–160 HB	Твёрдость увеличивается с состариванием; высокий уровень HB коррелирует с износостойкостью.

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	~2.75 г/см³	Чуть выше, чем у чистого алюминия, за счёт меди; высокое содержание кремния немного снижает плотность.
Температура плавления (солидус–ликвидус)	~520–585 °C	Гиперэвтектический сплав с широким диапазоном затвердевания; первичный кремний кристаллизуется раньше.
Теплопроводность	~90–120 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия и низкокремнистых сплавов; снижена за счёт Cu и частиц кремния.
Электропроводность	~25–35 %IACS	Легирующие добавки и интерметаллиды снижают проводимость по сравнению с коммерческим алюминием высокой чистоты.
Удельная теплоёмкость	~0.88–0.95 кДж/кг·К	Типична для алюминиевых сплавов; незначительно меняется в зависимости от температуры и состава.
Коэффициент теплового расширения (20–200 °C)	~21–23 µм/м·К	Влияние высокого содержания кремния; общий коэффициент несколько ниже, чем у деформируемых алюминиевых сплавов.

Композитоподобная микроструктура A390 (матричный алюминий с твёрдыми частицами кремния) снижает теплопроводность и электропроводность по сравнению с чистым алюминием, но улучшает износостойкость и термостатическую стабильность размеров при трении. Особенности плавления и затвердевания важны для проектирования литейных процессов, поскольку кристаллизация первичного кремния может влиять на питание, усадочные процессы и износ инструмента при литье под давлением и в постоянные формы.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение по прочности	Распространённые состояния поставки	Примечания
Лист	Не типично	Н/Д	Н/Д	A390 не выпускается в виде тонколистового проката; непригоден для прокатки/формования.
Плита	Ограниченно / Толстые отливки (≥10 мм)	Переменная в зависимости от сечения	F, T5, T6	Толстые литые плиты могут изготавливаться методом литья под действием силы тяжести или в постоянные формы для тяжёлых деталей.
Экструзия	Неприменимо	Н/Д	Н/Д	A390 — литейный сплав, не используется для экструзии.
Труба	Редко в виде литых труб	Переменная	F, T6	Литые трубы возможны для специализированных гидравлических компонентов, но не распространены.
Пруток/Круг	Прутки из слитков/заготовки для ковки	Переменная	F, T6	Как правило, поставляется в виде отливок или слитков для дальнейшей мехобработки; прокатный пруток встречается редко.

A390 преимущественно поставляется и применяется в литой форме — обычными методами производства являются высоконапорное литьё под давлением, литьё под действием силы тяжести в постоянные формы и точное пескоструйное литьё. Высокое содержание кремния в сплаве способствует низкому коэффициенту теплового расширения и уменьшению усадки, но увеличивает износ инструмента и форм, поэтому технологии литья и выбор материалов для оснастки играют важную роль. Конструкторы должны проектировать изделия ближе к конечным размерам, чтобы минимизировать механическую обработку, а также выбирать метод литья в соответствии с требуемой толщиной сечения для контроля морфологии кремния и пористости.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	A390	США	Обозначение от Aluminium Association для гиперэвтектического алюминиево-кремниево-медно-магниевого сплава для литья.
EN AW / EN AC	AlSi17Cu4 / EN AC‑43400 (приблизительно)	Европа	Существуют приближённые европейские аналоги; необходимо проверять химический и механический состав по конкретному стандарту.
JIS	ADCxx (приблизительно)	Япония	Нет точного одноимённого эквивалента по JIS; некоторые марки ADC подобны, но отличаются балансом Cu и Si.
GB/T	A390 (или AlSi17Cu4)	Китай	В китайских стандартах могут использоваться аналогичные обозначения; уточняйте точные параметры в местных спецификациях.

Перекрёстные ссылки на международные стандарты являются приблизительными, так как стандарты на литьё имеют разные допуски, ограничения по примесям и требования к механическим испытаниям. Инженерам следует сравнивать полные таблицы химического состава и условия испытаний механических свойств (метод литья, термообработка, допустимый уровень пористости) при подборе заменителей из разных регионов.

Коррозионная стойкость

A390 обладает умеренной атмосферостойкостью, характерной для алюминиево-кремниевых литейных сплавов, но относительно высокое содержание меди снижает её по сравнению с низкомедными сплавами. В промышленных или слабоагрессивных сельских условиях сплав образует защитную оксидную плёнку, однако частицы меди и интерметаллические соединения могут выступать в роли локальных катодов, повышая риск точечной и локализованной коррозии, особенно если матрица не пассивирована должным образом.

Контакт с морской водой представляет большую сложность: хлоридосодержащие среды усиливают точечную и щелевую коррозию, а присутствие меди усугубляет локальные повреждения. Для работы в морской или агрессивной хлоридной среде обычно требуются защитные покрытия, анодирование (если применимо) или жертвенные конструктивные меры.

Трещинообразование под напряжением в коррозионной среде (SCC) менее распространено в сильно кремнистых литейных сплавах по сравнению с сильнонагруженными высокопрочными алюминиево-медными прокатными сплавами, но остаточные напряжения от литья и термообработки в сочетании с коррозионной средой могут вызывать трещины в дефектных зонах, таких как пористость или крупные частицы кремния. Важно учитывать гальванические взаимодействия: A390 является анодным по отношению ко многим нержавеющим сталям и никелевым сплавам и будет подвергаться предпочтительному коррозионному разрушению, поэтому рекомендуются изоляция или соответствующая система покрытий. По сравнению с прокатными сплавами 5xxx и 6xxx серий, A390 жертвует частью коррозионной стойкости в пользу износостойкости и прочности отливок.

Технологические свойства

Свариваемость

Сварка A390 сложна и обычно не рекомендуется из‑за наличия первичного кремния и интерметаллических включений, вызывающих горячие трещины и слабые зоны сплавления. Локальный плав в процессе TIG или MIG может привести к образованию хрупкого металла шва и значительному размягчению ЗТВ; сварочные припои следует подбирать с учётом баланса пластичности и коррозионной стойкости, при этом предварительная и последующая термообработка малоэффективны. Для ремонтной сварки требуются специальные припои на основе Al‑Si‑Cu, строгий контроль тепловложения, температуры между проходами и чистоты поверхности, но чаще предпочтительны механические и болтовые ремонтные способы.

Механическая обработка

Обрабатываемость в большинстве случаев хорошая, поскольку твёрдая кремниевая фаза действует как абразив, увеличивающий износ инструмента, но обеспечивающий высокую скорость съёма металла; рекомендуется применение твердосплавного инструмента и использование СОЖ для управления тепловыделением и эвакуации стружки. Типичные показатели механической обработки превосходят многие прокатные сплавы благодаря хрупкой матрице и хрупким кремниевым включениям, однако срок службы инструмента сильно зависит от морфологии частиц кремния и пористости отливки. Высокоскоростная обработка с использованием жёстких установок, пластин PCBN или твердосплавных покрытых пластин, а также прерывистый режим резания хорошо подходят для деталей из A390.

Пластическая деформация

Холодная деформация и стандартная гибка очень ограничены из‑за низкой пластичности и наличия крупных первичных кремниевых фаз, способствующих образованию трещин. Небольшие локальные деформации возможны в отожжённых или специально обработанных отливках, но обычно формовка должна осуществляться путём литья с близкой к конечной геометрией. Технологии горячей и полутвёрдой деформации существуют для алюминиево-кремниевых литейных сплавов, но требуют отдельных процессов и редко применяются для стандартных литых изделий из A390.

Поведение при термообработке

A390 — термообрабатываемый гиперэвтектический литейный сплав, где контролируемая растворяющая обработка и искусственное старение формируют заданную структуру выделений в алюминиевой матрице. Типичные температуры растворяющей обработки составляют 500–540 °C с выдержкой, зависящей от толщины сечения, для растворения компонентов меди и магния, после чего следует быстрое закаливание для сохранения пересыщенного твердого раствора. Искусственное старение обычно проводят при 150–200 °C в течение от 2 до 10 часов для достижения максимальной прочности по состоянию T6; время и температура подбираются в зависимости от размера детали и требуемых свойств.

Поскольку первичные частицы кремния устойчивы при температурах термообработки, она изменяет свойства матрицы без существенного изменения содержания хрупкого кремния; именно поэтому рост относительного удлинения ограничен.Перезакаливание (T7) вызывает коарснение выделений для улучшения термической стабильности и снятия напряжений ценой снижения максимальной прочности, что может быть полезным компромиссом для стабилизации размеров при высоких температурах. Для отливок практическими задачами являются управление режимом закалки и минимизация деформаций и остаточных напряжений, поэтому некоторые изделия требуют специальных фиксаторов при растворяющей обработке или модифицированных сред охлаждения.

Поведение при высоких температурах

Механические свойства A390 ухудшаются с ростом температуры из‑за коарснения выделений и снижения прочности матрицы; эксплуатационная структурная прочность обычно уменьшается выше примерно 150–200 °C. Для длительной работы при повышенных температурах более стабильным является состояние T7 или перезакаленное, хотя прочность при комнатной температуре ниже, а кратковременное воздействие высоких температур может приводить к частичному возврату старения и снижению прочности. Окисление алюминия минимально по сравнению с ферrous металлами, однако наличие меди содержащих интерметаллических фаз влияет на коррозионное поведение при высоких температурах в окислительных и хлоридсодержащих средах.

Зона термического влияния при локальном нагреве (сварка, трение) может испытывать размягчение и хрупкость; при проектировании следует учитывать ползучесть, снятие напряжений и изменение размеров при высокотемпературной эксплуатации. При циклическом тепловом воздействии дифференциальное тепловое расширение между алюминиевой матрицей и твёрдыми частицами кремния может вызывать микрорастрескивание с течением времени, поэтому геометрию деталей и опорные конструкции нужно проектировать для снижения концентрации тепловых напряжений.

Области применения

Отрасль	Пример детали	Причины выбора A390
Автомобильная промышленность	Поршни и юбки поршней	Гиперэвтектический кремний обеспечивает износостойкость и снижает тепловое расширение; хорошая размерная стабильность.
Автомобильная промышленность / Трансмиссия	Гильзы цилиндров, кольца износа	Высокая твёрдость поверхности и хорошие антифрикционные свойства при скольжении.
Гидравлика / Пневматика	Корпусы клапанов, насосов	Хорошая литейность для сложных геометрий и высокая прочность после термообработки T6.
Промышленное оборудование	Подшипники и втулки	Износостойкость и прочность при нагрузках повторного контакта.
Электроника / Теплообмен	Термостойкие корпуса (ограниченно)	Хорошая тепловая стабильность и механическая обрабатываемость для прецизионных деталей.

A390 выбирают для изделий, требующих высокой износостойкости, стабильности размеров при термических циклах и возможности литья сложных деталей с близкой к конечной формой. Его сочетание гиперэвтектической кремниевой микроструктуры и упрочняющей осадительными выделениями матрицы особенно хорошо подходит для колеблющихся и скользящих компонентов, где критична долговечность при контактных нагрузках.

Выбор материала

A390 подходит в случаях, когда сопротивление износу и литейные свойства приоритетнее пластичности и электрической проводимости; выбирайте A390 для поршней, гильз и износостойких вставок, где гиперэвтектический кремний обеспечивает долговечные скользящие поверхности. По сравнению с технически чистым алюминием (1100), A390 значительно уступает по электрической проводимости и формуемости, но обеспечивает гораздо более высокую твердость, износостойкость и прочность на сжатие при контактных нагрузках.

В сравнении с упрочненными пластической деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, A390 обладает значительно большей износостойкостью и более высокой достигаемой прочностью после термообработки T6, однако обычно уступает им по коррозионной стойкости и имеет значительно ниже формуемость; эти деформируемые сплавы предпочтительнее, если основной задачей являются формовка и устойчивость к коррозии. По сравнению с распространёнными деформируемыми сплавами, поддающимися термообработке, такими как 6061/6063, A390 обеспечивает лучшее сопротивление абразивному и пригоранию, а также превосходную стабильность размеров при температурных изменениях в литых деталях. Его предпочитают в случаях, когда сложность литейных форм и износостойкость важнее более высокой прочности на растяжение и пластичности деформируемых сплавов серии 6xxx.

Заключение

A390 остаётся важным инженерным литейным сплавом, в котором морфология гиперэвтектического кремния, хорошие литейные свойства и упрочнение матрицы за счёт выделений сочетаются для обеспечения высокой износостойкости и стабильности размеров. Его специфические преимущества делают его частым выбором для ответственных скользящих и возвратно-поступательных деталей в автомобильной и промышленной отраслях при условии, что разработчики учитывают ограниченную пластичность и компромиссы по коррозионной стойкости.