Алюминий AlF357: состав, свойства, маркировка прочности и области применения

Обзор

AlF357 — это упрочняемый термической обработкой алюминиевый литейный сплав системы кремний–магний (обычно относят к семейству Al–Si–Mg и часто сопоставляют с марками A357/AlSi7Mg). Чаще всего из него изготавливают аноды методом литья в постоянные формы или под давлением, когда требуется высокая целостность отливки, повышенная прочность и хорошая усталостная стойкость. Основные легирующие элементы — кремний (Si), обеспечивающий литейные свойства и текучесть, магний (Mg), позволяющий проводить упрочнение за счет образования выделений Mg2Si, а также контролируемые уровни железа (Fe) и меди (Cu) для настройки прочности и вязкости. Упрочнение достигается в основном посредством солюционного отжига с последующим закаливанием и искусственным старением (термоварианты T6/T5) с возможностью дополнительной регулировки за счет модифицированных химических составов и режимов термообработки.

Ключевые характеристики включают сравнительно высокие статическую и усталостную прочность для литейного сплава, хорошую размерную стабильность после термообработки и удовлетворительную коррозионную стойкость в атмосферных условиях. Свариваемость приемлемая, но требует правильного подбора присадочного материала и контроля пористости; пластичность в ковком смысле ограничена, так как AlF357 оптимизирован для литья. Типичные отрасли применения: автомобилестроение (конструкционные отливки, компоненты колес, подвески), авиация (ненесущие конструкционные отливки и крепеж), морское оборудование, корпуса промышленного оборудования. Инженеры выбирают AlF357, когда сочетание литейной способности, упрочняемого состояния и усталостной стойкости обеспечивает оптимальное соотношение цена/качество по сравнению с коваными сплавами или более дешевыми алюминиевыми литейными марками.

Термические состояния

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость пластическим деформированием	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Плохая (хрупкое по сравнению с коваными)	Хорошая	Отожженное или снятое напряжение состояние отливки; максимальная пластичность для литейных сплавов
T5	Средне-высокий	Умеренное	Ограниченная	Хорошая	Охлаждение после литья с искусственным старением; типично для упрочнения отливок
T6	Высокий	Низкое-среднее	Ограниченная	Удовлетворительная	Солюционный отжиг, закалка и искусственное старение; состояние максимальной прочности
T7	Средний	Умеренное	Ограниченная	Удовлетворительная	Перезакаленное для повышения термической стабильности и сопротивления коррозии под напряжением
T651	Высокий	Низкое-среднее	Ограниченная	Удовлетворительная	Солюционный отжиг, снятие напряжений растяжением, затем старение; улучшенный контроль размеров

Выбор термического состояния AlF357 существенно влияет на баланс характеристик: T6 обеспечивает максимальную прочность и наилучшую усталостную выносливость ценой снижения пластичности и некоторого ухудшения обрабатываемости, тогда как T5 применяется при ограничениях бюджета или технологического процесса, исключающих солюционный отжиг. T7 и стабилизированные состояния выбирают, когда требуется сохранение свойств при повышенных рабочих температурах или повышенная стойкость к коррозии под напряжением и размерной нестабильности.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	6.5 – 7.5	Основной легирующий элемент, влияющий на литейность и прочность; образует эвтектику с Al
Fe	0.05 – 0.45	Контролируемое низкое содержание железа снижает образование хрупких интерметаллических фаз; повышение Fe уменьшает пластичность
Mn	0.05 – 0.25	Минорный модификатор; может уплотнять морфологию интерметаллидов
Mg	0.25 – 0.50	Обеспечивает упрочнение за счет выделений Mg2Si при старении
Cu	0.0 – 0.30	Повышает прочность и упрочнение при старении, но может снижать коррозионную стойкость
Zn	0.0 – 0.15	Как правило, остаточный элемент; усиление здесь незначительно
Cr	0.0 – 0.10	Зернообразователь / ингибитор рекристаллизации в некоторых плавках
Ti	0.02 – 0.15	Добавляется для измельчения зерна, особенно в отливках и слитках
Прочие	Баланс Al	Контроль примесей по литейной технологии; низкий уровень примесей улучшает пластичность и усталостную стойкость

Кремний задаёт литейные свойства и эвтектическую структуру, магний — упрочнение термической обработкой за счет выделений Mg2Si. Низкое содержание железа и контролируемые примеси повышают вязкость и усталостную стойкость за счёт минимизации грубых интерметаллических фаз и формирования мелкозернистой структуры при затвердевании и термообработке.

Механические свойства

Растяжение AlF357 характеризуется заметным ростом предела текучести и временного сопротивления разрыву после правильной солюционной обработки и искусственного старения; в состоянии T6 достигаются максимальные значения прочности для данной серии сплавов. Относительное удлинение в T6 снижается по сравнению с отливкой или отожженным состоянием, но остаётся приемлемым для большинства конструкционных отливок благодаря относительно мелкой эвтектической структуре и контролю примесей. Твёрдость следует аналогичной тенденции и часто используется на производстве для контроля эффективности термообработки.

Усталостная прочность — важный фактор при выборе AlF357; сочетание высокой прочности и качественного литья (низкая пористость, правильный дизайн систем питания и выпоров) обеспечивают улучшенную усталостную долговечность по сравнению со стандартными алюминиево-кремниевыми литейными сплавами. Толщина и сечение изделия значительно влияют как на механические свойства, так и на отклик на термообработку — толстые сечения могут не полностью омологенизироваться при солюционном отжиге, что приводит к пониженной прочности и меньшему удлинению по сравнению с тонкими.

Свойство	Состояние O/Отожженное	Основное состояние (T6)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	150 – 240 МПа	300 – 380 МПа	Значения T6 зависят от толщины и качества солюционного отжига
Предел текучести	70 – 130 МПа	230 – 300 МПа	Опорный предел текучести; значительный рост после старения
Относительное удлинение	8 – 18%	4 – 10%	Удлинение снижается с ростом прочности и ограничениями сечения
Твёрдость	40 – 70 HB	90 – 120 HB	Твёрдость коррелирует с состоянием выделений и морфологией кремния

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	~2.65 г/см³	Типично для алюминиево-кремниевых литейных сплавов; хорошее отношение прочности к весу
Температура плавления	~555 – 595 °C	Диапазон эвтектики и кристаллизации зависит от содержания Si
Теплопроводность	~120 – 150 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия, но подходящая для многих приложений с рассеиванием тепла
Электропроводность	~30 – 45 %IACS	Ниже, чем у чистого алюминия, из-за легирования и содержания кремния
Удельная теплоёмкость	~0.90 Дж/г·К (900 Дж/кг·К)	Типичное значение для алюминиевых сплавов
Коэффициент теплового расширения	~20 – 23 µм/м·К	Влияется содержанием Si; важно учитывать при конструкторских расчетах

Физические свойства делают AlF357 привлекательным, когда требуется сочетание умеренной теплопроводности и низкой плотности. Особенности плавления и затвердевания обеспечивают качественные отливки с предсказуемой усадкой и минимальной пористостью при соблюдении правильной литейной практики.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение по прочности	Распространённые термоcостояния	Примечания
Лист	Ограниченно / только тонкие секции	Непостоянное — нехарактерно	T5 / как отлито	Не основная форма; ковка практически не применяется
Плита	Ограниченно	Зависит от сечения	T5/T6	Толстые плиты отливок могут подвергаться термообработке, но требуют длительного солюционного отжига
Экструзия	Редко	Не стандартизировано для литейного состава	—	AlF357 не предназначен для традиционных экструзионных процессов
Труба	Ограниченно (литая или полутвердая)	Зависит от толщины стенки	T5/T6	Как правило, изготавливается как литой гильзовый корпус или механической обработкой из заготовок; не тянется
Пруток/Круг	Литые заготовки/кованные	Может подвергаться термообработке до T6	T5/T6	Доступны обрабатываемые литые и кованные заготовки для изготовления деталей на ЧПУ

AlF357 является преимущественно литейным сплавом; наиболее распространены изделия, изготовленные методом литья в постоянные формы, литья под давлением и песчаного литья, а также заготовки для механической обработки. Отличия в способах производства (литьё в постоянные формы, под давлением или в песчаные формы) существенно влияют на микроструктуру, уровень пористости и достигаемые механические свойства. При проектировании необходимо учитывать толщину сечения, скорость охлаждения и последующую термообработку для определения геометрии и ожидаемых характеристик изделия.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	A357 / AlSi7Mg	США	Обозначение литья по ASTM/AA; AlF357 часто ссылается на этот химический состав
EN AW	EN AC-AlSi7Mg	Европа	Европейский эквивалент литья по номенклатуре EN 1706
JIS	ADC12 (не точное) / AlSi7Mg	Япония	ADC12 содержит больше меди и не является прямым аналогом; уточняйте детали JIS для вариантов с низким содержанием меди
GB/T	AlSi7Mg	Китай	Китайская стандартная марка литья, близкая по химическому составу к A357

Незначительные различия между стандартами касаются в основном пределов загрязнений (Fe, Cu, Zn) и точности диапазонов Mg и Si; это влияет на отклик при термообработке и долгосрочные свойства, такие как коррозионная стойкость и усталостная долговечность. При сопоставлении стандартов обязательно проверяйте точный состав и дополнительные контрольные показатели качества (например, максимальное содержание железа, пределы газовых пороков), применяемые поставщиками.

Коррозионная стойкость

AlF357 обеспечивает хорошую общую атмосферную коррозионную стойкость, характерную для алюминиево-кремниево-магниевых литейных сплавов. Естественно формирующийся оксидный слой обеспечивает базовую защиту, а низкое содержание меди (при контроле) помогает сохранять стойкость в городских и слабоагрессивных промышленных условиях. В морской или хлоридосодержащей среде сплав умеренно подвержен точечной и локализованной коррозии; для долгосрочной эксплуатации рекомендуется использовать поверхностную обработку, анодирование или соответствующие покрытия.

Трещинообразование при напряжённой коррозии (SCC) менее выражено у алюминиево-кремниево-магниевых литейных сплавов, чем у некоторых высокопрочных деформируемых алюминиево-медных сплавов, но чувствительность возрастает при высоких растягивающих напряжениях и в присутствии хлоридов. Гальванические взаимодействия типичны для алюминия: AlF357 является анодным по отношению к нержавеющим сталям и медным сплавам, поэтому в смешанных металлических узлах следует предусматривать электрическую изоляцию или использование жертвенных анодов. По сравнению с деформируемыми сплавами 5xxx и 6xxx AlF357 несколько уступает по коррозионной стойкости, но превосходит их с точки зрения прочности в литом состоянии и усталостной долговечности; однако не достигает морской стойкости оптимизированных 5xxx сплавов.

Свойства обработки

Свариваемость

AlF357 можно сваривать методами TIG (GTAW) и MIG (GMAW), однако пористость литья, поглощение водорода и горячие трещины требуют тщательного контроля. В качестве присадочных материалов часто применяют алюминиево-кремниевые сварочные проволоки ER4043 (Al–Si) для оптимального смачивания и снижения склонности к трещинам; ER5356 (Al–Mg) используется с осторожностью, когда требуется более прочный сварной металл. Термообработка после сварки может восстановить прочность некоторых деталей, но не устраняет дефекты, связанные с литьём; для минимизации пористости важны предварительный подогрев и дегазация сварочной ванны.

Обрабатываемость резанием

Как гипоеутектический алюминиево-кремниевый литейный сплав, AlF357 обладает хорошей обрабатываемостью резанием: частицы кремния обеспечивают эффект дробления стружки и размерную стабильность, но повышают износ инструментов по сравнению с более мягкими деформируемыми сплавами. Рекомендуется применение карбидного инструмента с положительным углом заострения и интенсивным подводом охлаждающей жидкости для контроля температуры и отвода стружки; типичные скорости резания выше, чем для стали, но зависят от сечения и состояния термообработки. Высококачественная поверхность и точные допуски легко достигаются при стабильной фиксации и грамотно подобранных режимах подачи.

Обрабатываемость пластической деформацией

Холодная деформация AlF357 ограничена из-за особенностей литой микроструктуры и умеренно низкой пластичности в состоянии T6; минимальные радиусы гиба должны быть консервативными, так как часто возникают трещины. Горячее формование или кузнечная обработка отливок близкой к размеру заготовки являются более эффективными методами при необходимости значительной деформации. Лучшие показатели формуемости достигаются в отожженном или литом состоянии, однако эти состояния снижают прочность и редко используются для конструкционных деталей.

Поведение при термообработке

AlF357 поддаётся термической обработке с использованием растворно-старительной схемы. Типовые температуры раствора — 510–540 °C, с выдержкой достаточной для гомогенизации и растворения растворимых фаз в тонких сечениях, затем следует быстрое закаливание для сохранения пересыщенного твёрдого раствора. Искусственное старение проводится при 155–185 °C для образования выделений Mg2Si и достижения свойств уровня T6; время старения зависит от толщины детали и требуемого баланса свойств.

Состояние T5 достигается охлаждением от литья с последующим искусственным старением без промежуточного раствора, что увеличивает прочность при сниженных издержках обработки, но снижает максимальные свойства. Состояния T7 или перерастаривания используют более высокие или продлённые режимы старения для повышения термической стабильности и снижения чувствительности к стресс-коррозионному растрескиванию, жертвуя частью пиковых характеристик прочности. Если сплав эксплуатируется в не термически упрочнённых состояниях, упрочнение за счёт наклёпа малоэффективно из-за литой микроструктуры; отжиг облегчает внутренние напряжения и повышает пластичность.

Работа при повышенных температурах

AlF357 начинает значительно терять прочность T6 при температурах выше примерно 150 °C, с прогрессивным размягчением и коарсингом выделений с повышением температуры; длительная эксплуатация обычно ограничена значениями ниже этой температуры. Окисление не является основной причиной отказа при этих температурах, но перерастаривание и коарсинг микроструктуры снижают усталостную прочность, предел текучести и твёрдость. Зоны термического воздействия при сварке могут локально размягчаться и терять усталостную стойкость; проектировщикам необходимо учитывать градиенты свойств при сварке деталей после термообработки.

Для периодических или кратковременных воздействий до 200 °C часть свойств сохраняется при использовании состояния T7 перерастаривания, но для длительной эксплуатации при повышенных температурах лучше использовать специализированные сплавы, разработанные для таких условий.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Почему используется AlF357
Автомобильная	Конструкционные отливки, корпуса коробок передач	Хорошая литейность, высокая прочность в состоянии T6, усталостная стойкость
Морская	Корпуса насосов, неответственные крепёжные элементы	Умеренная коррозионная стойкость и экономичность литья
Аэрокосмическая	Фитинги, мелкие конструкционные отливки	Высокое отношение прочности к весу для среднесложных компонентов
Электроника	Корпуса и радиаторы отливок	Размерная стабильность и умеренная теплопроводность

AlF357 выбирается там, где сочетание экономичности литья и термически упрочняемого химсостава обеспечивает детали, удовлетворяющие требованиям по прочности и усталости без затрат на деформируемое производство. Сплав занимает практическую нишу между менее прочными литейными сплавами и дорогими высокопрочными деформируемыми материалами для среднесложных конструкционных деталей.

Рекомендации по выбору

AlF357 является привлекательным вариантом, когда требуется литая геометрия и свойства уровня T6 в экономичном алюминиевом сплаве. В сравнении с коммерчески чистым алюминием (1100) AlF357 уступает по электропроводности и высокой пластичности, но значительно превосходит по прочности и усталостной стойкости; он менее пригоден, если приоритетом является высокая электропроводность. В сравнении с распространёнными наклёпанными сплавами 3003 или 5052, AlF357 обычно обеспечивает большую прочность после обработки и лучшую усталостную долговечность, но уступает по холодной формуемости и иногда по коррозионной стойкости в агрессивных хлоридных средах. В сравнении с термически упрочняемыми деформируемыми сплавами 6061/6063 AlF357 может предложить более простое производство сложных литых форм и конкурентоспособную прочность в отдельных сечениях, несмотря на более низкую удельную пиковую прочность и иные возможности ковки/экструзии.

Используйте AlF357 при предпочтительном производстве методом литья, когда необходимы механические свойства уровня T6 в литом виде и когда проектировщики могут контролировать толщину сечений и условия термообработки для раскрытия потенциала сплава. Избегайте AlF357 там, где требуются глубокая пластическая холодная формовка, максимальная электропроводность или длительная эксплуатация при максимальных температурах.

Заключение

AlF357 остаётся актуальным, так как сочетает предсказуемость поведения при литье с термически упрочняемым упрочнением, обеспечивая высокую усталостную и статическую прочность сложных литых деталей при относительно невысокой стоимости. При правильном подборе технологии литья, состояния термообработки и методов защиты от коррозии AlF357 представляет собой надёжное решение для многих автомобильных, аэрокосмических, морских и промышленных применений, где необходимо сбалансировать литую геометрию и механические параметры.