Алюминий EN AW-3004: состав, свойства, руководство по термоупрочнению и области применения

Обширный обзор

EN AW-3004 — это алюминиевый сплав серии 3xxx (семейство Al-Mn-Mg), относящийся к деформируемым алюминиево-марганцевым сплавам. Этот сплав не поддаётся термообработке, в нём марганец является основным легирующим элементом, а магний используется для повышения прочности по сравнению с базовыми сплавами AA3003/3000. Прочность обеспечивается преимущественно за счёт упрочнения при деформации (наклёпа) в процессе холодной обработки, при этом солидное упрочнение за счёт твёрдого раствора Mg и Mn ограничено. Типичные характеристики включают умеренно высокую прочность для неупрочняемого сплава, хорошую коррозионную стойкость во многих атмосферных условиях, отличную формуемость в отожженном состоянии и приемлемую свариваемость при использовании распространённых дуговых процессов.

Ключевые отрасли применения EN AW-3004 включают упаковку (особенно банки и контейнерные заготовки), системы отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC), элементы строительных ограждающих конструкций, архитектурные профили и общие листовые компоненты для бытовой техники и небольших конструктивных элементов. Инженеры выбирают 3004, когда требуется прочность выше, чем у чистого алюминия и сплавов 3003, при сохранении способности к глубокой вытяжке и прокатке, необходимой для изделий из тонколистового металла. Этот сплав часто предпочитают более прочным термообрабатываемым сплавам, когда важнее формуемость, качество поверхности и коррозионная стойкость, либо когда последующая термообработка после формовки невозможна.

EN AW-3004 востребован для производства листов и рулонов благодаря сочетанию марганца и магния, обеспечивающих оптимальный баланс повышения прочности и сохранения пластичности, что позволяет эффективно выполнять такие операции, как глубокая вытяжка, выравнивание и сложная гибка. Сплав занимает практическую нишу между чистым алюминием (отличная формуемость, но низкая прочность) и сплавами серий 5xxx или 6xxx (повышенная прочность, но иные особенности формуемости и коррозионной стойкости), становясь надёжным материалом для прокатных изделий.

Варианты упрочнения (ступени твердости)

Ступень	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое (20–35%)	Отличная	Отличная	Полный отжиг для максимальной пластичности
H12	Умеренный	Низкое (3–8%)	Ограниченная	Хорошая	Частичное упрочнение (умеренная формуемость)
H14	Умеренно-высокий	Среднее (6–12%)	Хорошая	Хорошая	Четверть упрочнения холодной обработкой, обычно для листов
H16	Высокий	Низкое (3–8%)	Ограниченная	Хорошая	Полувыдержанное состояние для повышения прочности
H18	Очень высокий	Низкое (2–6%)	Ухудшенная	Хорошая	Полное упрочнение, максимальная прочность после холодной обработки
H24	Умеренно-высокий	Среднее (6–12%)	Хорошая	Хорошая	Упрочнён и частично отожжен/стабилизирован

Ступень упрочнения существенно влияет на компромисс между прочностью и пластичностью: отожжённое состояние O обеспечивает наилучшие характеристики формуемости для глубокой вытяжки и сложных деформаций, тогда как ступени H, достигаемые контролируемой холодной деформацией, постепенно повышают предел текучести и временное сопротивление при снижении удлинения. Сварные соединения обычно требуют учета изменений свойств после сварки, так как H-ступени в зоне термического влияния локально размягчаются, поэтому выбор ступени упрочнения должен учитывать дальнейшие операции по формовке и сварке.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	≤ 0.6	Примесь; при высоком содержании снижает текучесть расплава
Fe	≤ 0.7	Примесь, образующая интерметаллиды, влияет на качество поверхности
Mn	1.0–1.5	Основной легирующий элемент, повышающий прочность и контролирующий рекристаллизацию
Mg	0.8–1.3	Вносит вклад в упрочнение твёрдым раствором и усиливает наклёп
Cu	≤ 0.2	Обычно низкое содержание; повышение снижает коррозионную стойкость
Zn	≤ 0.2	Незначительное количество, поддерживается на низком уровне для предотвращения ухудшения коррозии
Cr	≤ 0.1	Обычно не добавляется специально; малые количества контролируют структуру зерен
Ti	≤ 0.15	Зерноразмельчитель при незначительном содержании
Другие (каждый)	≤ 0.05; суммарно ≤ 0.15	Остаточные и примесные элементы

Состав определяет характерные свойства 3004: марганец тонкодисперсно структурирует зерна и улучшает прочность без значительного снижения пластичности, а магний повышает предел текучести и временное сопротивление за счёт твёрдого раствора и усиленного наклёпа. Контролируемое содержание Fe и Si поддерживается для сохранения качества поверхности и ограничения образования хрупких интерметаллидов, которые могут ухудшать формуемость и декоративные свойства баночного материала.

Механические свойства

EN AW-3004 показывает профиль временного сопротивления и предела текучести, который сильно зависит от ступени упрочнения: отожжённый лист демонстрирует высокое удлинение и сниженный предел текучести, тогда как твёрдые H-ступени обеспечивают значительно повышенные показатели. В состояния холодной деформации для тонких листов, используемых в глубокой вытяжке, сплав демонстрирует хорошее равномерное удлинение, хотя общее удлинение снижается в полностью упрочнённом состоянии. Экспонента наклёпа (коэффициент n) благоприятна для растяжки в отожжённом и частично упрочнённом состояниях. Твёрдость пропорциональна прочности; стандартные значения по Бринеллю или Роквеллу увеличиваются с наклёпом, оставаясь ниже, чем у термообрабатываемых сплавов.

Усталостная прочность 3004 типична для алюминиево-марганцевых сплавов: базовая выносливость умеренная и чувствительна к качеству поверхности, толщине и остаточным напряжениям, возникающим при формовке или сварке. Более толстые сечения и интенсивная холодная обработка могут привести к анизотропии и локальным микроструктурным особенностям, влияющим на зарождение трещин. Толщина детали влияет на механические свойства главным образом через режим наклёпа при прокатке и формирование зернистой структуры; тонколистовые заготовки достигают более высоких рабочих деформаций, влияющих на баланс прочности и пластичности.

Свойство	O/Отожженный	Ключевые ступени (H14/H18)	Примечания
Временное сопротивление (MPa)	120–160	200–270	Значения зависят от толщины и уровня холодной деформации
Предел текучести (MPa)	40–80	120–190	Предел текучести значительно растёт с повышением ступени H
Относительное удлинение (%)	20–35	2–12	Высокое в O для глубокой вытяжки; низкое в H18 для жёстких деталей
Твёрдость (HB)	25–45	50–85	Твёрдость по Бринеллю растёт с интенсивностью холодной обработки

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.73 г/см³	Типична для алюминиево-марганцевых сплавов; важна при расчёте массы конструкций
Температура плавления	640–655 °C	Диапазон солидуса — ликвидуса примерно в этих пределах
Теплопроводность	~130–160 Вт/(м·К)	Ниже, чем у чистого алюминия из-за легирующих элементов
Электропроводность	~30–36 %IACS	Уменьшена по сравнению с чистым алюминием; зависит от состава и холодной обработки
Удельная теплоёмкость	~900 Дж/(кг·К)	Близка к чистому алюминию, зависит от температуры
Коэффициент теплового расширения	23–24 µm/(м·К) (20–100 °C)	Типичный для деформируемых алюминиевых сплавов

EN AW-3004 сохраняет благоприятную теплопроводность по сравнению со многими конструкционными металлами, что делает его полезным в приложениях, требующих эффективного рассеивания тепла при сохранении формуемости и коррозионной стойкости. Электропроводность снижена за счёт легирования и холодной деформации, поэтому 3004 редко выбирают для ответственных электрических приложений, но он остаётся пригодным для многих металлоконструкций с заземлением или экранированием.

Тепловое расширение и удельная теплоёмкость важны при проектировании соединений разнородных материалов или при жёстких допусках на размеры в условиях температурных циклов. Относительно высокий коэффициент термического расширения по сравнению со сталью необходимо учитывать при выборе крепёжных элементов и проектировании соединений.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Механические свойства	Распространённые упрочнения	Примечания
Лист	0,2–4,0 мм	Упрочняется в процессе холодной прокатки; тонкие толщины часто поставляются в упрочнении H14/H18	O, H14, H18	Широко используется в рулонах, для штамповок, баночной продукции
Плита	>4,0 мм	Меньшее упрочнение за проход; обычно поставляется отожжённой или с лёгким упрочнением	O, H12	Менее распространена, чем лист; применяется для более толстых конструкционных панелей
Экструдированные профили	Различные профили	Прочность зависит от последующей холодной деформации после экструдирования	O, H14	Ограниченное использование экструдированных изделий по сравнению с сплавами серии 6xxx
Труба	Толщина стенки 0,3–5,0 мм	Холоднотянутые трубы могут поставляться в упрочнении H18/H24	O, H14, H18	Применяется для воздуховодов HVAC, конденсаторов, декоративных трубок
Пруток/штанга	Диаметр ≤ 50 мм	Механические свойства зависят от состояния холодной деформации	O, H14	Менее распространены, используются для мелких профилей и крепежа

Различия в обработке между листами/рулонами и экструдированными изделиями значительны: лист преимущественно холоднокатаный и изготавливается с очень строгими допусками по толщине и качеством поверхности, тогда как экструдированные профили требуют иной подбор сплава и обычно ориентированы на сплавы серии 6xxx для обеспечения стабильности размеров. Для 3004 основным является производство листов/рулонов и холодная обработка; экструдированные и крупные сечения встречаются реже из-за более низкого соотношения прочности к весу по сравнению с термически упрочняемыми сплавами и иными характеристиками рекристаллизации.

Форма продукции определяет последующие операции: лист малой толщины в отожжённом состоянии O позволяет выполнять глубокую вытяжку и растяжку, тогда как упрочнения H лучше подходят для панелей, где важна размерная стабильность и жёсткость без дальнейшей сильной штамповки.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	3004	США	Широко используемое обозначение в Северной Америке
EN AW	3004	Европа	Идентичное обозначение в европейской системе для деформируемого сплава
JIS	A3004 (приблизительно)	Япония	Эквивалентное семейство; уточняйте конкретные пределы в местной JIS спецификации
GB/T	3004 (приблизительно)	Китай	В китайских стандартах подобные композиции Al-Mn-Mg включены в серию 3xxx

Идеальных однозначных соответствий между всеми стандартами нет, поскольку нормы по содержанию примесей и методы испытаний различаются, но AA3004 и EN AW-3004 по сути представляют одно и то же семейство в американской и европейской системах. Классы JIS и GB/T сопоставимы, однако перед заменой рекомендуется проверять точные химические пределы и требования к механическим свойствам в соответствующей спецификации; допуски по следовым элементам и требования к качеству поверхности могут различаться по регионам и производителям.

Коррозионная стойкость

EN AW-3004 демонстрирует общую высокую атмосферостойкость, типичную для сплавов серии 3xxx, образуя стабильный оксидный слой, который защищает основание при обычных условиях эксплуатации внутри помещений и в промышленных средах. Сплав хорошо сопротивляется равномерной коррозии и показывает удовлетворительные результаты в слабоагрессивных наружных условиях. Поверхностная отделка, упрочнение и остаточные напряжения от формовки или сварки влияют на практическую коррозионную стойкость, поэтому часто применяются защитные покрытия или поверхности улучшенного качества для эстетики или долговременной эксплуатации.

В морской и хлоридосодержащей среде EN AW-3004 работает умеренно хорошо, но уступает сплавам серии 5xxx (Al-Mg), специально оптимизированным для солёной воды. Появление точечной коррозии возможно при высоких концентрациях хлоридов, поэтому для длительной эксплуатации в агрессивной морской среде рекомендуется выбирать сплавы 5xxx или использовать защитные покрытия. Подверженность стресс-коррозионному растрескиванию ниже, чем у высокопрочных термически упрочняемых сплавов, но локальная коррозия и гальванические взаимодействия могут ускорять разрушение при контакте с разнородными металлами.

Гальванически 3004 является анодным относительно нержавеющих сталей и медных сплавов, поэтому необходимо соблюдать осторожность при проектировании соединений и выборе крепежа во избежание ускоренной коррозии. Обычно алюминий изолируют от более благородных металлов или применяют совместимые крепежные элементы и защитные барьеры; во многих архитектурных и упаковочных применениях его коррозионная стойкость и качество поверхности обеспечиваются стандартным анодированием или покрытием.

Свойства обработки

Свариваемость

EN AW-3004 хорошо сваривается стандартными методами дуговой сварки плавлением, такими как TIG (GTAW) и MIG (GMAW), при правильной подготовке соединений и подборе присадочных материалов. Рекомендуемые присадочные проволоки — алюминиево-кремниевые (например, ER4043) и алюминиево-магниевые (например, ER5356), в зависимости от требуемой коррозионной стойкости и механических свойств сварного шва; ER5356 обеспечивает более высокую прочность, но немного хуже плавится по сравнению с ER4043. Так как 3004 не поддаётся термическому упрочнению, размягчение зоны термического влияния не связано с термическим переотжигом, но зоны, подвергшиеся холодной деформации, могут локально размягчаться в ЗТВ, снижая твёрдость и прочность; контроль деформаций и последующая механическая обработка должны планироваться заранее. Склонность к трещинообразованию при сварке у сплавов Al-Mn-Mg низкая, но может увеличиваться при плохой подгонке, загрязнениях или чрезмерных зажимах.

Обрабатываемость

Обрабатываемость 3004 оценивается как средняя или ниже средней по сравнению со свободно обрабатываемыми алюминиевыми сплавами; она лучше, чем у высокопрочных алюминиевых сплавов, но уступает специализированным сплавам с улучшенной обрабатываемостью. Для механической обработки обычно используют твердосплавный инструмент при умеренных скоростях резания и повышенных подачах во избежание налипания стружки; точение, сверление и фрезерование требуют учёта образования вязкой стружки при некоторых режимах и типах пластин. Использование СОЖ и эффективное удаление стружки важны для обеспечения качества поверхности и ресурса инструмента, а упрочнённые состояния ухудшают обрабатываемость по сравнению с отожжённым материалом.

Формуемость

Формуемость — одна из сильных сторон EN AW-3004 в отожженном состоянии и частично отожжённых (умеренно упрочнённых) состояниях; сплав пригоден для глубокой вытяжки, растяжки и сложного штамповочного формоизменения с относительно малыми радиусами изгиба. Рекомендуемые минимальные внутренние радиусы гиба зависят от толщины и упрочнения и обычно лежат в диапазоне 0,5–1,5× толщины материала для состояний O и H24, при полностью упрочнённом H18 требуются более крупные радиусы. Холоднокатаные состояния реагируют предсказуемо при последовательных гибах, но отскок (упругое восстановление формы) и анизотропия должны учитываться при проектировании инструмента; для увеличения формуемости толстых листов иногда применяется тёплая обработка.

Поведение при термообработке

EN AW-3004 — это не термически упрочняемый сплав; изменение прочности достигается практически исключительно холодной деформацией (наклёпом) и операциями отжига. Для него отсутствует циклы растворения с последующим искусственным старением, обеспечивающие значительные повышения прочности, как у сплавов серии 6xxx или 7xxx. Циклы отжига для снятия внутренних напряжений и восстановления пластичности обычно проводят при температурах около 300–415 °C с выдержкой, зависящей от толщины и требуемой степени рекристаллизации.

Упрочнение достигается холодной прокаткой, тягой или гибкой и является основным способом получения упрочнений H; стабилизация или частичный отжиг (состояния H2x/H24) применяются для получения промежуточных характеристик и контроля остаточных напряжений. Для строгого контроля размеров и механических свойств производители обычно задают состояние упрочнения и процент холодной деформации, а не полагаются на термические обработки.

Работа при высоких температурах

При повышенных температурах эксплуатации прочность и модуль упругости EN AW-3004 постепенно снижаются по сравнению с комнатными значениями, однозначное значительное размягчение начинается примерно при 150–200 °C. Продолжительное выдерживание выше этих температур ускоряет процессы восстановления и рекристаллизации, снижающие прочность наклёпа, поэтому применение для высокотемпературных конструкций ограничено. Окисление на типичных рабочих температурах происходит медленно и не приводит к быстрому образованию чешуек, но длительное воздействие в окислительной атмосфере при высоких температурах вызывает утолщение поверхностного слоя, характерное для алюминиевых сплавов.

Зоны термического влияния сварных соединений показывают локальное размягчение, так как холоднокатаные участки рекристаллизуются при нагреве; конструкция должна учитывать снижение местной прочности и возможные деформации. При периодических кратковременных воздействиях высоких температур (коротких циклах или термических ударах) 3004 сохраняет разумную размерную стабильность, однако частые циклы ускоряют микроcтруктурные изменения и ухудшение механических свойств.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Почему используется EN AW-3004
Автомобильная промышленность	Отделочные панели, внутренние компоненты	Хорошая формуемость и умеренная прочность для штампованных и сформованных деталей
Упаковка	Материал для изготовления банок, крышки	Комбинация тягучести, качества поверхности и повышенной прочности по сравнению с 3003
Отопление, вентиляция, кондиционирование / Строительство	Воздуховоды, облицовка, софиты	Коррозионная стойкость и простота в рулонной формовке и соединении швов
Бытовая техника	Наружные панели, корпуса	Экономичная эстетика и технологичность производства
Электроника	Рассеиватели тепла, корпуса	Теплопроводность в сочетании с формуемостью для тонких частей

EN AW-3004 широко применяется там, где требуется формовка листового металла, коррозионная стойкость и благоприятная поверхность без необходимости максимальной предела прочности при растяжении. Его совместимость с обычными покрытиями и анодированием также поддерживает применение в архитектуре и видимых для потребителей изделиях.

Рекомендации по выбору

Выбирайте EN AW-3004, если вам нужна более высокая прочность, чем у коммерчески чистого алюминия (1100), при сохранении большей части пластичности и коррозионной стойкости, которые делают алюминий привлекательным материалом. По сравнению с 1100, сплав 3004 жертвует частью электрической проводимости и максимальной пластичности в обмен на значительное увеличение предела текучести и временного сопротивления разрыву, что делает его более подходящим для конструкционных листов и материала для банок.

По сравнению с близкими упрочнёнными сплавами, такими как 3003 и 5052, EN AW-3004 занимает промежуточное место: он обеспечивает большую прочность, чем 3003 за счёт добавления магния, и часто лучшую формуемость, чем более магниевые 5052, при этом 5052 превосходит 3004 в агрессивной морской среде с хлоридами. В сравнении с термически упрочняемыми сплавами, такими как 6061 или 6063, 3004 предпочтителен для глубокого вытяжки и ответственных по поверхности листовых изделий, несмотря на более низкие максимальные прочности, поскольку исключает деформацию при термообработке и сохраняет отличные свойства формования на тонких листах.

При закупках и проектировании отдавайте предпочтение 3004, если технологический процесс предусматривает интенсивную холодную деформацию и планируется нанесение покрытий или анодирование; рассматривайте альтернативы из серий 5xxx или 6xxx только в случае требования высокой коррозионной стойкости к морской воде или значительно большей статической прочности соответственно.

Итог

EN AW-3004 остаётся практичным и универсальным сплавом для прокатных листов и рулонов, где требуется баланс формуемости, коррозионной стойкости, качества поверхности и умеренной прочности. Его упрочнение холодной деформацией вместо термообработки упрощает обработку в большинстве производственных цепочек с преобладанием формования и сохраняет актуальность в упаковочной, архитектурной и общей листообрабатывающей промышленности.