Алюминий EN AW-3003: состав, свойства, условие поставки и области применения

Подробный обзор

EN AW-3003 относится к серии 3xxx деформируемых алюминиевых сплавов, алюминиево-марганцевой группе, разработанной с учётом умеренной прочности и высокой коррозионной стойкости. В серии 3xxx элементом, обеспечивающим основное упрочнение, является марганец, обычно в количестве около 1,0–1,5 масс.%, который способствует равномерному распределению интерметаллических частиц, обеспечивая упрочнение твердым раствором и измельчение зерна без опоры на упрочнение за счёт выделений.

Сплав 3003 не подвергается термообработке для упрочнения и упрочняется холодной деформацией; упрочнение достигается механическим воздействием, а не термическим старением. Ключевые характеристики включают хорошую умеренную прочность, отличную формуемость в отожженном состоянии, очень хорошую коррозионную стойкость в атмосферных условиях и широкую совместимость с обычными методами сварки.

Отрасли, часто применяющие EN AW-3003, включают строительство и архитектуру (кровля и облицовка), производство бытовой техники и посуды, системы вентиляции и кондиционирования (HVAC), химическую промышленность при условиях, где не ожидается агрессивная локальная коррозия, а также общее листовое производство. Инженеры выбирают 3003 при необходимости сочетания низкой стоимости, хорошей формуемости и разумной прочности, а также когда высокая гальваническая или локальная коррозионная стойкость более высоколегированных систем не нужна.

Варианты термообработки (темпера)

Темпера	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожжённый, оптимален для глубокой вытяжки и штамповки
H12	Средний	Среднее	Хорошая	Отличная	Частичное упрочнение холодной деформацией для умеренной жёсткости
H14	Средне-высокий	Среднее	Хорошая	Отличная	Распространённый холоднообработанный температ для листовых изделий
H16	Высокий	Низкое-среднее	Удовлетворительная	Отличная	Более интенсивное упрочнение холодной деформацией для повышения предела текучести
H18	Очень высокий	Низкое	Плохая-удовлетворительная	Отличная	Максимальное упрочнение холодной деформацией
H22 / H24	Средний	Среднее	Хорошая	Отличная	Холодная обработка с частичным отжигом; баланс формуемости и прочности

Темпера оказывает первоочередное влияние на соотношение прочности и пластичности, поскольку 3003 упрочняется именно за счёт пластической деформации, а не возрастной твердости. Отожжённый (O) материал обладает лучшей формуемостью для глубокой вытяжки и сложных изгибов, тогда как H-серии жертвуют пластичностью ради повышения предела текучести и временного сопротивления разрыву, что полезно для конструкционных панелей и ребер жёсткости.

Химический состав

Элемент	Диапазон содержания, %	Примечания
Si	0,0 – 0,6	Примесь от переработки; небольшие количества снижают текучесть в литье, но мало влияют на деформируемые изделия
Fe	0,0 – 0,7	Образует интерметаллиды, которые при высоких концентрациях могут снижать пластичность
Mn	1,0 – 1,5	Основной легирующий элемент, обеспечивающий упрочнение и коррозионную стойкость
Mg	0,0 – 0,2	Небольшие добавки могут слегка повышать прочность; высокий Mg отсутствует в 3003
Cu	0,05 – 0,20	Минимальная добавка; modestно повышает прочность, но избыток снижает коррозионную стойкость
Zn	0,0 – 0,10	Следовые количества
Cr	0,0 – 0,05	Следовой элемент для контроля структуры зерна в некоторых спецификациях
Ti	0,0 – 0,15	Часто присутствует в малых количествах как зернообразователь
Другие	Остальное – Al + остатки	Типичные следовые примеси и контролируемые микроэлементы

Химия сплава сосредоточена на марганце как главном факторе упрочнения и коррозионной стойкости, при этом медь и железо ограничены низкими и средними значениями для сохранения пластичности и минимизации образования интерметаллидов. Небольшие добавки Ti или Cr применяются для контроля размера зерна при обработке, а Si и Fe контролируются по верхним пределам, чтобы избежать ухудшения формуемости и качества поверхности.

Механические свойства

Поведение при растяжении EN AW-3003 характерно для холоднообработанного пластичного алюминиевого сплава. В отожженном состоянии сплав имеет относительно низкие предел текучести и временное сопротивление разрыву, но высокое равномерное удлинение, что подходит для глубокой вытяжки. Холодная обработка до температур H-серии значительно повышает предел текучести и временное сопротивление разрыву, снижая общее удлинение и повышая твёрдость за счёт умножения дислокаций и старения деформации.

Предел текучести и временное сопротивление зависят от температуры и толщины; тонкие листы обычно достигают несколько более высоких прочностных показателей после упрочнения благодаря эффектам наклёпа при прокатке и формовке. Твёрдость коррелирует с температурой и степенью холодной деформации; измерения по Бринеллю или Виккерсу показывают постепенный рост от состояния O к H18. Усталостная прочность умеренная и более зависит от состояния поверхности, толщины и остаточных напряжений после формовки, чем только от состава.

Свойство	O / Отожжённое	Основные температуры (H14/H16)	Примечания
Временное сопротивление разрыву (Rm)	≈ 80–120 MPa	≈ 150–220 MPa	Значения зависят от толщины и конкретной температуры H
Предел текучести (0,2% Rp0.2)	≈ 35–60 MPa	≈ 120–170 MPa	Холодная деформация значительно повышает предел текучести
Относительное удлинение (A50)	≈ 20–35%	≈ 2–12%	Отожжённое состояние обеспечивает высокую формуемость; H-темпера снижают пластичность
Твёрдость (HB)	≈ 20–35 HB	≈ 40–60 HB	Твёрдость растёт с увеличением степени упрочнения холодной деформацией

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2,73 г/см³	Типичная для алюминиево-марганцевых деформируемых сплавов
Диапазон плавления	~640–655 °C	Приблизительный диапазон от солидуса до ликвидуса
Теплопроводность	~130–150 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия из-за легирования; отлична для отвода тепла
Электропроводность	~30–40 % IACS	Снижена по сравнению с чистым алюминием из-за содержания марганца и других растворённых элементов
Удельная теплоёмкость	~900 Дж/кг·К	Типична для алюминиевых сплавов при комнатной температуре
Линейный коэффициент теплового расширения	~23,0–24,0 µм/м·К	Измерен в диапазоне 20–100 °C

Физические свойства делают EN AW-3003 подходящим для применений, где важны теплоотвод и масса, но максимальная электропроводность не требуется. Теплопроводность достаточно высока для многих применений в тепловых системах и вентиляции, тогда как умеренный коэффициент теплового расширения следует учитывать при многоматериальных узлах, чтобы избежать деформаций из-за разной термической усадки.

Формы выпуска продукции

Форма	Типичные размеры / толщина	Поведение по прочности	Типичные температуры	Примечания
Лист	0,2 – 6 мм	Хорошо формуется и предсказуемо упрочняется холодной деформацией	O, H14, H16	Наиболее распространённая форма для панелей бытовой техники, кровли, облицовки
Плита	6 – 25 мм	Меньшая формуемость, повышенная жёсткость	O, H12, H14	Применяется в конструкционных панелях и корпусах
Экструзия	Индивидуальные профили	Прочность зависит от сечения и упрочнения	O, H14	Ограничена по сравнению с сплавами серии 6xxx; используется там, где важны формуемость и коррозионная стойкость
Труба	Толщина стенки 0,4 – 6 мм	Хорошая свариваемость и формуемость	O, H14	Для вентиляционных систем и топливных линий в неответственных условиях
Пруток / Круг	Ø3 – Ø50 мм	Упрочнение только холодной деформацией, без термообработки	O, H14, H16	Применяется для холодной штамповки и механической обработки фитингов и крепежа

Различные формы выпуска отражают требования дальнейшей обработки и области применения: лист и плита получают прокаткой и поставляются с разными температурами, оптимизированными под формовку или прочность, тогда как экструзии и трубы требуют внимания к конструкции пресс-формы и последующему охлаждению для контроля свойств. Толстые сечения не всегда равномерно упрочняются холодной обработкой и могут нуждаться в пред- или пост-отжиге для достижения требуемой пластичности.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	3003	США	Распространённое обозначение в стандартах ASTM/AA
EN AW	3003	Европа	Эквивалентный деформируемый сплав по европейской номенклатуре
JIS	A3003	Япония	В японской системе ближайший аналог – A3003
GB/T	3A21	Китай	Китайское обозначение, эквивалентное 3003 по многим спецификациям

Эквивалентные марки по различным стандартам основаны на схожем химическом составе и характеристиках, но допускаемые пределы и требования к испытаниям могут отличаться. Покупателям рекомендуется внимательно изучать технические листы конкретных стандартов на предмет ограничений по примесям, обязательных температур и протоколов испытаний, поскольку даже небольшие различия могут влиять на качество поверхности, успешность штамповки и сертификацию для регламентированных применений.

Коррозионная стойкость

EN AW-3003 обладает хорошей общей атмосферной коррозионной стойкостью благодаря пассивной оксидной пленке алюминия и относительно нейтральному влиянию марганца как основного легирующего элемента. Сплав хорошо себя показывает при эксплуатации в помещениях и в сельской/городской атмосфере, устойчив к мягким промышленным условиям, где сернистые соединения не являются агрессивными.

В морской среде или в условиях с хлоридами сплав 3003 приемлем для многих второстепенных морских компонентов, но уступает по стойкости к точечной и щелевой коррозии алюминиево-магниевым сплавам серии 5xxx. Для основных морских конструкций или сильно хлоридно-нагруженных деталей обычно предпочтительны сплавы класса 5xxx (например, 5083, 5052) или защитные покрытия.

Подверженность коррозионному растрескиванию под напряжением у 3003 низкая, поскольку его максимальные прочностные показатели умеренны по сравнению с высокопрочными закаливаемыми сплавами; однако локальная гальваническая коррозия может возникать при контакте с более благородными металлами, такими как медь или нержавеющие стали, если отсутствует соответствующая изоляция. Правильный подбор материалов и методы изоляции снижают риск гальванической коррозии в сборках из различных металлов.

Технологические свойства

Свариваемость
EN AW-3003 легко сваривается стандартными методами дуговой сварки плавлением, такими как GTAW (TIG) и GMAW (MIG), с низким риском появления трещин горячего растрескивания. Распространённые присадочные материалы — ER4043 (Al–Si) и ER4047 для лучшей текучести, а также ER5356 (Al–Mg) при необходимости повышения прочности сварного соединения; выбор зависит от конструкции соединения и требований к коррозионной стойкости после сварки. Зона термического влияния будет иметь локальное размягчение по сравнению с холодно деформированным основным металлом, но не проявит хрупкости, связанной с отпуском, так как сплав не поддаётся упрочнению вторым фазовым выделением.

Обрабатываемость резанием
Обработка 3003 среднемерной сложности по сравнению с алюминиевыми сплавами с повышенной обрабатываемостью; индекс обрабатываемости ниже, чем у сплавов на базе Al–Cu или Al–Si из-за получения пластичных стружек и тенденции к образованию забоин на режущей кромке. Рекомендуются карбидные инструменты с острой геометрией, положительным углом врезания и достаточным смазыванием/охлаждением. Скорости вращения шпинделя должны подбираться с учётом предотвращения размазывания материала и улучшения дробления стружки. При сверлении и нарезании резьбы глубоких отверстий необходимы циклы «затыкания» (pecking) и эффективная эвакуация стружки.

Возможности пластической деформации
Возможность формовки — одно из ключевых преимуществ 3003, особенно в полностью отожженном состоянии (темперамент O), где доступны глубокая вытяжка, растяжение и сложное гибание без образования трещин. Минимальные радиусы гибов обычно составляют 1–2 толщины материала в состоянии O, но увеличиваются для термов H-серии по мере снижения пластичности; конструкторам рекомендуется проверять радиусы гиба для конкретных толщин и геометрий. Упрочнение при холодной деформации повышает прочность, но ограничивает дальнейшие операции формовки; для сложных последовательностей часто применяют промежуточный отжиг.

Особенности термообработки

EN AW-3003 не поддаётся упрочнению за счёт растворения и искусственного старения из-за отсутствия существенных элементов для выделения вторичных фаз; классифицируется как не поддающийся термообработке. Тепловой отжиг при температурах примерно 350–450 °C используется для полной рекристаллизации и восстановления пластичности после холодной деформации, при этом время выдержки и скорость охлаждения контролируются для предотвращения деформаций и сохранения качества поверхности.

Рабочее упрочнение является основным механизмом изменения свойств: контролируемая холодная деформация формирует термы H-серии с прогнозируемым повышением предела текучести и временного сопротивления разрыву. Переходы между термами (например, O → H14) достигаются заданной степенью холодной обработки или частичным отжигом для получения промежуточных термов типа H22/H24.

Работа при повышенных температурах

При высоких температурах EN AW-3003 постепенно теряет прочность, поскольку тепловая активация облегчает движение дислокаций и процессы рекристаллизации; значительное снижение прочностных характеристик наблюдается при температурах выше ~125–150 °C при длительной эксплуатации. Окисление ограничено формированием стабильного слоя алюминиевого оксида и обычно не является ограничивающим фактором при умеренных температурах, но длительное воздействие высоких температур ухудшает механические свойства и размерную стабильность.

Сварные зоны и сильно деформированные участки могут проявлять термическое размягчение при службе на повышенных температурах; разработчикам следует учитывать ползучесть и релаксацию напряжений при длительных нагрузках и предпочитать сплавы с более высокой температурной устойчивостью для постоянной эксплуатации выше 100–150 °C.

Области применения

Отрасль	Пример изделия	Причины выбора EN AW-3003
Автомобильная	Теплоизоляционные экраны, декоративные элементы, воздуховоды систем вентиляции	Хорошая формуемость, коррозионная стойкость, экономичность
Морская	Несущие панели, внутренние компоненты	Коррозионная устойчивость в атмосферной морской среде
Авиакосмическая	Фитинги, обтекатели (несущие части)	Оптимальное соотношение прочность/масса для второстепенных компонентов
Электроника	Радиаторы, корпуса	Хорошая теплопроводность в сочетании с формуемостью
Бытовая техника	Посуда, панели холодильников	Качественная отделка поверхности, формуемость и коррозионная стойкость

EN AW-3003 предпочитают в приложениях, где требуется баланс низкой стоимости, технологичности и коррозионной устойчивости, но при этом высокая конструкционная прочность не является ключевым фактором. Универсальность сплава в виде листа, трубы и профильных заготовок делает его востребованным материалом для многих производителей и OEM.

Рекомендации по выбору

EN AW-3003 выбирают, когда необходимы умеренная прочность, отличная формуемость и хорошая атмосферная коррозионная стойкость, а также важны цена и доступность. Для сложной формовки и глубокой вытяжки применяется состояние O, для повышения жёсткости или предела текучести — термы серии H.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100) 3003 обладает значительно более высокой прочностью при некотором снижении электрической и теплопроводности; 1100 предпочтительнее, когда критична максимальная проводимость и мягкость. В сравнении со сплавами серии 5xxx, например, 5052, 3003 уступает в стойкости к хлоридной и точечной коррозии, а также по прочностным характеристикам, но выигрывает в простоте формовки и обычно стоимости, что делает 3003 предпочтительным для общего формообразования и облицовки. В отличие от закаливаемых сплавов, таких как 6061 или 6063, 3003 обеспечивает лучшую холодную формуемость и более низкую цену, но меньшую максимальную прочность; 3003 выбирают, когда приоритетом является сложность формовки и коррозионная устойчивость, а не максимальные механические характеристики.

Итоговое резюме

EN AW-3003 остаётся широко используемым практичным алюминиевым сплавом в современной инженерии благодаря сочетанию хорошей формуемости, приемлемой прочности после холодной деформации, отличной свариваемости и надёжной коррозионной стойкости в различных средах. Этот баланс свойств и экономичность делают его материалом первого выбора для HVAC, бытовой техники, архитектурных облицовок и общего листового металлообработки, где максимальное временное сопротивление разрыву не является главным параметром проектирования.