Алюминий A413.0: состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Обзор

A413.0 относится к алюминиевому семейству 4xxx, кремниевая серия, ориентированная на свариваемость и литейную/ковочную ликвидность, а не на максимальную прочность закалённого состояния. Сплав разработан с кремнием в качестве основного легирующего элемента, дополненным контролируемыми добавками магния и меди для обеспечения упрочнения при старении и улучшения механических характеристик. Укрепление A413.0 достигается главным образом за счёт сочетания растворяющей термообработки с последующим искусственным старением (осадки), с ограниченной способностью к упрочнению холодной деформацией для холодноформованных деталей. Типичные характеристики включают умеренно-высокую прочность в термообработанных состояниях, хорошую коррозионную стойкость во многих средах, отличную свариваемость благодаря кремнию и достаточную формуемость в более мягких состояниях.

A413.0 широко применяется в конструктивных и кузовных компонентах автомобилей, корпусах и кронштейнах силовых агрегатов, морской фурнитуре и деталях, требующих баланса литейных/экструзионных свойств и механической прочности. Сплав выбирается там, где разработчикам необходим алюминий с лёгкой свариваемостью при достижении промежуточных уровней прочности после термообработки — практический компромисс между не подвергающимися термообработке сплавами 3xxx/5xxx и высокопрочными термообрабатываемыми 6xxx/2xxx. В производстве кремниевое содержание A413.0 повышает качество поверхности и снижает склонность к горячим трещинам при сварке и литье, что упрощает изготовление и уменьшает количество брака. Для применения, требующего хорошей обрабатываемости, стабильности размеров после термообработки и коррозионной устойчивости без стоимости и сложности обращения со сплавами 2xxx или 7xxx с высокой прочностью, A413.0 часто выбирается.

Привлекательность A413.0 обусловлена сбалансированным металлургическим дизайном: кремний обеспечивает узкий диапазон затвердевания и совместимость со сварочными наполнителями, магний и медь дают потенциал для упрочнения осадками, а переходные элементы (Ti, Cr) улучшают структуру и контролируют рост зерен. Сплав демонстрирует предсказуемую кинетику старения и сравнительно широкий технологический диапазон для растворяющей и старящей термообработок по сравнению с более чувствительными к скорости охлаждения высокопрочными сплавами. Это делает A413.0 привлекательным для OEM и производителей, ценящих технологическую стабильность, повторяемость механических свойств и низкий уровень брака при сварке и термообработке. Комбинация умеренной стоимости, доступности и технологичности часто склоняет выбор в пользу A413.0 для конструкций среднего класса по характеристикам.

Варианты состояния

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое (18–25%)	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое состояние для формовки и сварки
H14	Низкий–Умеренный	Умеренное (12–18%)	Хорошая	Отличная	Лёгкое упрочнение; подходит для простых формованных деталей
T5	Умеренный	Умеренное (8–14%)	Средняя	Отличная	Охлаждён после горячей обработки и искусственно состарен для снятия напряжений
T6	Высокий	Низкое–Умеренное (6–12%)	Сниженная	Хорошая	Расторжён и подвергнут старению для максимальной прочности
T651	Высокий	Низкое–Умеренное (6–12%)	Сниженная	Хорошая	Расторжён, сняты остаточные напряжения растяжением, искусственно состарен

Состояние сильно влияет на баланс между формуемостью и конечными механическими характеристиками A413.0. Мягкие состояния O и лёгкие состояния H применяются там, где необходима глубокая холодная формовка или вытяжка, тогда как состояния T5/T6/T651 выбирают при основных требованиях к прочности и стабильности геометрии после термообработки.

Переключение между состояниями изменяет усталостную стойкость, уровень остаточных напряжений и склонность к отдаче упругих деформаций; поэтому конструкторы должны выбирать состояние, соответствующее операциям формовки и предполагаемым нагрузкам. Свариваемость лучше всего в мягких состояниях, хотя детали в состоянии T6 можно сваривать с использованием соответствующих сварочных материалов и последующей термообработкой для восстановления прочности в зоне термического влияния.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	6.0–12.0	Основной легирующий элемент; улучшает ликвидность, снижает диапазон плавления и повышает свариваемость
Fe	0.2–1.2	Примесный элемент, образует интерметаллиды; контролируется для ограничения хрупкости
Mn	0.05–0.6	Модификатор зерна и вкладчик в прочность в некоторых состояниях
Mg	0.3–1.4	Обеспечивает упрочнение осадками (Mg2Si) в сочетании с Si
Cu	0.2–1.5	Усиливает прочность за счёт осадков, может снижать коррозионную стойкость при избыточном содержании
Zn	0.05–0.5	Незначительный; может немного влиять на прочность и коррозионные свойства
Cr	0.05–0.3	Контролирует структуру зерна и ограничивает рекристаллизацию при термической обработке
Ti	0.02–0.2	Модификатор зерна для литья и экструзий; улучшает механическую надёжность
Прочие (включая остаток Al)	Баланс	Могут содержаться следовые добавки (B, Zr) для специальных технологических требований

Химический состав ориентирован на кремниевую матрицу с достаточным содержанием магния и меди для обеспечения предсказуемого упрочнения при старении за счёт Mg–Si и Cu-содержащих осадков. Кремний снижает температуру солидуса и уменьшает деформацию формы при затвердевании, что положительно сказывается на процессах литья и сварки. Небольшие количества переходных элементов, таких как Cr и Ti, выполняют роль модификаторов зерна и ингибиторов рекристаллизации, улучшая вязкость и стабильность размеров после теплового воздействия.

Контроль железа и других примесей важен, так как избыточное Fe образует хрупкие интерметаллиды, снижающие пластичность и ресурс по усталости. Баланс Mg и Si критичен для обеспечения правильного объёма и состава упрочняющих осадков, а добавки Cu улучшают прочность, требуя мер по защите от коррозии в морских и средах с высоким содержанием хлоридов.

Механические свойства

A413.0 в отожженном состоянии проявляет относительно низкий предел текучести и временное сопротивление разрыву с высокой пластичностью, что позволяет выполнять глубокую вытяжку и сложные операции формовки без растрескивания. В термообработанных состояниях (T5/T6/T651) сплав существенно повышает предел текучести и временное сопротивление разрыву за счёт образования мелкодисперсных осадков, что снижает относительное удлинение и гибкость. Усталостные характеристики сильно зависят от технологического процесса; образцы в состоянии T6 показывают улучшенную стойкость к зарождению трещин при высоких статических нагрузках, однако наличие дефектов литья или механической обработки и крупных интерметаллидов может определять поведение трещины при распространении.

Толщина и форма изделия существенно влияют на механические свойства, так как скорость охлаждения при закалке влияет на распределение осадков и размягчение зоны термического влияния в сварных соединениях. Тонкие сечения полностью упрочняются при старении T6, тогда как толстые могут проявлять градиенты механических свойств из-за замедленного охлаждения и различий в микроструктурном укрупнении. Твёрдость хорошо соотносится с прочностными характеристиками A413.0; измерения по Роквеллу или Бринеллю обычно используются для производственного контроля подтверждения состояния и степени старения.

Свойство	O/Отожжённое	Основное состояние (T6/T651)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	120–170 MPa	280–360 MPa	В состоянии T6 обеспечивается увеличение примерно в ~2,5 раза по сравнению с O; диапазон зависит от точного состава и толщины
Предел текучести	60–100 MPa	220–300 MPa	Предел текучести приближается к временно сопротивлению разрыву при переотожжённом состоянии; при проектировании следует использовать консервативные значения предела текучести
Относительное удлинение	18–25%	6–12%	Пластичность снижается с увеличением возрастного упрочнения и образования кремнийсодержащих интерметаллидов
Твёрдость	40–60 HB	90–130 HB	Твёрдость коррелирует с откликом на старение; используется для контроля качества состояния термообработки

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.68–2.74 г/см³	Незначительно зависит от легирующих элементов; близка к базовой плотности алюминия
Диапазон плавления	Твёрдая фаза (solidus) ≈ 555–575 °C; Жидкая фаза (liquidus) ≈ 615–645 °C	Кремний снижает температуру начала плавления по сравнению с чистым алюминием; влияет на условия литья и сварки
Теплопроводность	100–140 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия, но всё ещё высока по сравнению со сталями; зависит от содержания кремния и других примесей
Электропроводность	28–42 % IACS	Снижена по сравнению с чистым алюминием из-за растворённых элементов и осадков
Удельная теплоёмкость	0.85–0.92 Дж/г·К	Похожа на другие алюминиевые сплавы; полезна для расчётов теплового режима
Коэффициент линейного теплового расширения	22–24 µм/м·К (20–100 °C)	Типичен для алюминиевых сплавов; при проектировании сборок из разных материалов необходимо учитывать различные тепловые расширения

Марка A413.0 сохраняет благоприятные низкую плотность и высокую теплопроводность, характерные для алюминия, что делает её привлекательным выбором в случаях, где важны снижение веса и эффективное рассеивание тепла. Содержание кремния снижает электрическую и тепловую проводимость по сравнению с чистым алюминием, но не настолько, чтобы исключать использование в системах теплоотвода среднеэнергетической электронной аппаратуры. Диапазон температур плавления и сниженная температура начала плавления требуют тщательного контроля параметров сварки и литья для предотвращения горячих трещин и управления зоной термического влияния (ЗТВ).

Тепловое расширение значительно выше по сравнению со сталью или композитами, поэтому конструкции из разнородных материалов требуют компенсаций для различных термических деформаций. Совокупность удельной теплоёмкости и теплопроводности поддерживает выполнение теплового расчёта при временных нагрузках, например при импульсных нагревах деталей.

Формы выпуска продукции

Форма	Типовая толщина/размер	Механические характеристики	Распространённые состояния термообработки	Примечания
Лист	0.5–6.0 мм	Равномерная толщина обеспечивает надёжное упрочнение при термообработке T6	O, H14, T5, T6	Используется там, где важны качество поверхности и пластичность
Плита	6–100 мм	Толстостенные сечения могут быть недостаточно упрочнены из-за ограничений при закалке	O, T5, T6	Требуется контроль охлаждения для избежания размягчённых зон в центре толщины
Экструзия	Профили 1–100 мм	Высокая продольная прочность и контролируемое направление зерен	O, T5, T6	Добавки Ti и Cr улучшают стабильность процесса горячей экструзии
Труба	Толщина стенки 1–20 мм	Поведение аналогично листу и экструзии; возможна сварка соединений	O, T5, T6	Используется в конструкционных, гидравлических и морских трубопроводах
Пруток/штанга	Ø3–200 мм	Пруты могут подвергаться протяжке и старению; размер сечения влияет на скорость охлаждения	O, T6	Применяется для обработки и производства крепёжных элементов в некоторых случаях

Листы и плиты обычно выпускаются горячекатанными и подвергаются последующему растворно-воздушному отжигу и старению для достижения заданных состояний термообработки, тогда как профили экструзии выигрывают от улучшенного течения кремния, что позволяет изготавливать тонкие перемычки и сложные сечения. При производстве труб и прутков учитывается взаимосвязь между размером поперечного сечения и скоростью охлаждения; крупные сечения требуют специальных методик закалки или прерывистого старения для равномерного распределения механических свойств. Заготовки для механической обработки (прутки/штанги) обычно поставляются в мягких состояниях с последующей закалкой после черновой обработки для снижения износа инструмента и деформаций.

Операции деформационного формования наиболее экономичны в состояниях O или с лёгким наклёпом; окончательная термообработка применяется для установления требуемых механических свойств, когда критична стабильность размеров. Сварные конструкции проектируются с учётом минимизации деформаций после сварки и возможности местного или общего восстановления свойств после термообработки.

Аналоги по маркировке

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	A413.0	США	Обозначение Aluminum Association, используется в североамериканских спецификациях
EN AW	Нет прямого аналога	Европа	Нет единого кода EN AW, точно совпадающего с A413.0; близки EN AW-4032 или EN AW-4047 в зависимости от соотношения Si/Mg/Cu
JIS	Нет прямого аналога	Япония	Существуют похожие литейные и экструзионные сплавы, но точный состав варьируется у разных производителей
GB/T	Нет прямого аналога	Китай	Могут использоваться сравнимые отечественные сплавы; необходим тщательный контроль свойств

Нет единого международного аналога, полностью идентичного A413.0, так как региональные стандарты часто делят кремнийсодержащие сплавы на несколько более узко определённых марок. Европейские и азиатские стандарты предлагают сплавы с похожим содержанием Si и Mg (например, семейство 4032 или модифицированные варианты 4047), приближённые к балансу свариваемости и термообрабатываемой прочности A413.0, однако различия в содержании Cu, Ti и микроэлементах ведут к заметным различиям в кинетике старения и коррозионной стойкости. При замене следует сравнивать фактические диапазоны состава, кривые отклика на термообработку и сертифицированные механические свойства, а не полагаться только на названия марок.

Сопоставление осуществляется на основе протоколов испытаний материалов и сравнительных механических испытаний для ответственных деталей, особенно при наличии проектных требований по усталостной долговечности, вязкости разрушения или коррозионной стойкости. Если требуется регуляторная сертификация или одобрение в аэрокосмической отрасли, необходимо использовать точную указанную марку или подтверждённый аналог.

Коррозионная стойкость

A413.0 демонстрирует хорошую атмосферную коррозионную стойкость, сходную с многими алюминиево-кремниевыми сплавами, благодаря пассивной оксидной плёнке алюминия и умеренному влиянию кремния на электрохимическую стабильность. В морских и хлоридных средах сплав ведёт себя приемлемо, но подвержен локальной точечной коррозии больше, чем сплавы серии 5xxx с высоким содержанием магния; для длительной службы обычно применяются защитные покрытия или анодирование. Склонность к стресс-коррозионному расслоению (SCC) низкая или средняя в зависимости от состояния термообработки; в состояниях T6 при остаточных растягивающих напряжениях и агрессивных средах рекомендуется осторожность и возможно проведение после-сварочной термообработки или внесение конструктивных изменений для снижения риска SCC.

Гальванические взаимодействия соответствуют стандартному поведению алюминия: при контакте с более благородными металлами (нержавеющая сталь, медные сплавы) A413.0 корродирует предпочтительно, если не обеспечена электрическая изоляция или меры жертвенного анода. В сравнении со сплавами серии 5xxx (Al–Mg) A413.0 характеризуется несколько сниженной стойкостью к щелевой и точечной коррозии, но улучшенной свариваемостью и термообрабатываемой прочностью. По сравнению со сплавами серии 6xxx, A413.0 может иметь сопоставимую атмосферную коррозионную стойкость и большую толерантность к сварке без несоответствия по присадочному металлу за счёт положительного влияния кремния на кристаллизацию.

Обработки поверхности, такие как анодирование, хроматирование и органические покрытия, значительно увеличивают срок службы и являются стандартными для морских и внешних применений. Проектировщикам рекомендуется учитывать локальный химический состав и состояние термообработки, так как небольшие изменения содержания Cu и Mg существенно влияют на коррозионные свойства в агрессивных условиях.

Технологические свойства

Свариваемость

A413.0 хорошо сваривается стандартными процессами TIG и MIG благодаря благоприятному воздействию кремния на снижение горячих трещин и образование текучей сварочной ванны. Рекомендуемые присадочные материалы включают ER4043 (Al–Si) для универсальных сварных соединений и ER5356 (Al–Mg) там, где требуется повышенная прочность шва при совместимости с основным сплавом. Риск возникновения горячих трещин невысок по сравнению со многими сплавами серий 6xxx и 2xxx, однако необходим контроль подгона кромок, продувки и тепловложений для минимизации пористости и оксидных включений.

Зона термического влияния после сварки может подвергаться размягчению, если основный металл был в состоянии пикового старения; в таких случаях возможно локальное повторное растворение или искусственное старение для восстановления свойств при условии геометрической и технологической возможности. Предварительный нагрев редко требуется, но для крупных сварных конструкций рекомендуется контролировать температуру между проходами и применять методы снятия напряжений для снижения деформаций.

Обрабатываемость

Обрабатываемость A413.0 средняя и обычно лучше, чем у высокопрочных сплавов серии 2xxx, благодаря абразивному, но способствующему дроблению стружки эффекту кремния. Режущие инструменты следует выбирать с учётом износостойкости — обычно карбидные или с напылением. Рекомендуется высокая подача при умеренных скоростях резания для улучшения дробления стружки и контроля температуры инструмента; обязательным является применение охладителей для удаления стружки и снижения тепловых нагрузок. Качество поверхности и износ инструмента во многом зависят от размера и распределения частиц кремния: мелкие и равномерно распределённые частицы обеспечивают лучшую отделку и меньший износ инструмента.

Для компонентов с жёсткими допусками рекомендуется сначала выполнять черновую обработку в более мягких состояниях, а затем проводить окончательное старение и чистовую мехобработку — это позволяет снизить деформации и повысить точность размеров. Нарезание резьбы, зенкерование и глубокое сверление требуют соответствующей смазки и зачастую снижения скорости подачи во избежание наклёпа или поломки инструмента.

Обрабатываемость

Обрабатываемость отлично проявляется в состояниях O и H14, что позволяет выполнять глубокие вытяжки и сложные изгибы с относительно малыми внутренними радиусами по сравнению с состоянием T6. Типичные минимальные радиусы изгиба для отожженного листа составляют от 0,5 до 1,0 толщины материала при простых изгибах, при этом для условии T6 и сложных геометрий радиусы увеличиваются. Холодная деформация повышает прочность, но снижает пластичность; при интенсивном деформировании рекомендуется формировать в отожженном состоянии, а затем проводить окончательную термообработку для восстановления или повышения прочности.

Отскок в состоянии T6 выражен сильнее и должен учитываться при проектировании и проверке штампов. При необходимости растяжки или интенсивного холодного деформирования применение смазки и постепенные этапы формовки снижают риск возникновения трещин в интерметаллидных областях с высоким содержанием кремния.

Особенности термообработки

Растворяющая закалка для сплава A413.0 обычно проводится при температуре 510–540 °C для растворения фаз, содержащих Mg и Cu, в пересыщенной алюминиевой матрице. Необходима быстрая закалка до комнатной температуры для сохранения растворённых элементов в твердом растворе; особенно критично контролировать скорость охлаждения в толстостенных деталях, чтобы избежать образования крупных выделений и снижения эффекта старения. Искусственное старение выполняется при 150–190 °C для получения характеристик T5/T6, при этом максимальная твёрдость и прочность достигаются после выдержки определённого времени, зависящего от точного состава сплава.

Перестаривание снижает прочность, но улучшает вязкость и коррозионную стойкость против напряжений, поэтому может использоваться преднамеренно для деталей, требующих сбалансированных свойств. Состояние T651 предусматривает контролируемую растяжку или снятие внутренних напряжений после растворяющей обработки для минимизации остаточных напряжений и деформаций, что повышает размерную стабильность обработанных деталей. Сплав A413.0 обладает достаточно широким диапазоном старения по сравнению с более чувствительными к закалке сплавами серии 2xxx, что снижает критичность процесса, но всё же требует контроля для повторяемого качества.

Для необрабатываемых термически процессов или в случаях, когда термообработка невозможна, усиление достигается за счёт наклёпа при холодном формовании — это обеспечивает постепенное повышение прочности, но не позволяет достичь максимальных значений, доступных при упрочнении за счёт выделений. Циклы отжига применяются для