Алюминий EN AW-5005: состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Обзор

EN AW-5005 — это алюминиевый сплав серии 5xxx (семейство Al-Mg), в котором основным легирующим элементом является магний. Сплав обычно обозначается как EN AW-5005 или AlMg1 в европейской номенклатуре и является не подвергаемым термической обработке сплавом; его механическая прочность достигается главным образом за счёт холодной деформации (наклёп), а не за счёт старения (прекципитационного упрочнения).

Типичное содержание Mg составляет примерно 0,7–1,1% по массе, с низкими концентрациями Si, Fe, Cu, Mn, Cr, Zn и Ti, присутствующими в виде остаточных или контролируемых примесей. Механизм упрочнения — это упрочнение твердым раствором в сочетании с наклёпом; сплав не реагирует на традиционные термические методы обработки типа растворения и старения, как это происходит у сплавов серий 6xxx и 2xxx.

EN AW-5005 сочетает умеренную прочность, хорошую коррозионную стойкость (в том числе улучшенную после анодирования), очень хорошую формуемость в мягких состояниях и надёжную свариваемость по сравнению со многими другими алюминиевыми сплавами системы Al-Mg. Эти свойства делают его популярным в архитектурных фасадах, вывесках, декоративных элементах, облицовке для внутренних и наружных работ, а также в применениях, где основными факторами являются внешний вид после анодирования, малый вес и умеренные механические требования.

Конструкторы выбирают 5005, когда необходимо получить прочность выше, чем у чистого коммерческого алюминия, сохраняя при этом отличный внешний вид поверхности и хорошие характеристики для анодирования вместе с простой обработкой методом гибки, формовки и сварки. Он предпочитается по сравнению с более высокомагниевыми сплавами (например, 5052), если не требуется экстремальная коррозионная стойкость или повышенная прочность, а также выбирается вместо термически упрочняемых сплавов серии 6xxx, когда важна лучшая холодная формуемость и внешний вид после анодирования.

Типы термоведения (темпераментов)

Темперамент	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкая	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое состояние, максимальная пластичность для формовки
H12	Низко-средняя	Умеренная	Очень хорошая	Отличная	Легкий наклёп, сохраняет хорошую формуемость
H14	Средняя	Низко-умеренная	Хорошая	Отличная	Полуукреплённое состояние, распространено для листов и панелей
H16	Средне-высокая	Ниже	Удовлетворительная	Отличная	Более интенсивный наклёп для повышения жёсткости и прочности
H18	Высокая	Низкая	Ограниченная	Отличная	Полное упрочнение, ограниченная возможность формовки
H111	Низко-средняя	Умеренная	Очень хорошая	Отличная	Нестандартизированное частичное наклёпо для непрерывных рулонов
H22 / H24 / H26	Различается, средне-высокий	Ниже	Хорошо–удовлетворительно	Отличная	Промежуточные степени наклёпа, применяемые при обработке
T4 (редко)	Не применяется	—	—	—	5005 не поддаётся эффективному старению; типичные состояния T не используются
T5 / T6 / T651	Не применяется	—	—	—	Термическое упрочнение для 5005 обычно не применяется

Темперамент оказывает прямое и предсказуемое влияние на механические свойства и свойства формовки: отожжённое состояние O обеспечивает максимальное удлинение для глубокой вытяжки и сложной формовки, тогда как H-степени пожертвуют пластичностью ради увеличения пределов текучести и временного сопротивления разрыву за счёт контролируемой холодной деформации. Свариваемость остаётся отличной во всех основных состояниях, поскольку сплав не поддаётся термообработке, и зона сварного шва, как правило, размягчается до прочности, близкой к основному металлу; конструкторы должны учитывать локальное размягчение после сварки в расчётах конструкций.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	≤ 0.30	Контролируется для ограничения хрупких интерметаллидов и сохранения внешнего вида после анодирования
Fe	≤ 0.70	Распространённая примесь; повышение Fe снижает пластичность и ухудшает качество поверхности
Mn	≤ 0.20	Малые добавки способствуют измельчению зерна; ограничено в 5005
Mg	0.7 – 1.1	Основной элемент упрочнения; обеспечивает коррозионную стойкость и упрочнение твёрдым раствором
Cu	≤ 0.20	Низкое содержание для снижения подверженности общей коррозии и межкристаллитной трещиностойкости
Zn	≤ 0.20	Содержится в малых количествах для сохранения возможности анодирования и коррозионной стойкости
Cr	≤ 0.10	Следовые количества помогают контролировать рост зерна во время обработки
Ti	≤ 0.10	Обеззараживатель и мелкозернистость; присутствует в малых количествах
Прочие (каждый)	≤ 0.05	Остаточные элементы, такие как V, Ni; суммарно обычно ≤0.15

Магний является ключевым фактором, определяющим механические и коррозионные свойства сплава, обеспечивая упрочнение твёрдым раствором и повышенную стойкость к морской и атмосферной коррозии. Кремний и железо ограничиваются во избежание образования крупных интерметаллидов, снижающих пластичность и ухудшающих качество поверхности, а медь и цинк содержатся в малых количествах для сохранения хорошей реакции на анодирование и снижения подверженности локальной коррозии.

Механические свойства

EN AW-5005 демонстрирует классическое поведение сплава, не поддающегося термообработке для упрочнения: прочность повышается за счёт холодной деформации, при этом удлинение уменьшается. В отожженном состоянии O сплав относительно мягкий и пластичный, пригоден для глубокой вытяжки и сложной формовки, а состояния H (H12–H18) последовательно увеличивают предел текучести и временное сопротивление и уменьшают пластичность, позволяя получать более жёсткие панели и декоративные элементы.

Значения предела текучести и временного сопротивления сильно зависят от температуры и формы изделия; умеренное увеличение толщины листа повышает нагрузочную способность, но может ограничить минимальные радиусы гибки и формуемость. Усталостные характеристики достаточны для многих архитектурных и потребительских применений с лёгкими и умеренными нагрузками, хотя пределы выносливости ниже, чем у некоторых термообрабатываемых сплавов; качество поверхности и остаточные напряжения после формовки и сварки существенно влияют на усталостную долговечность.

Твёрдость коррелирует с температурой: отожжённое состояние O даёт низкие значения по Бринеллю или Виккерсу, соответствующие высокой пластичности, а состояние H18 — максимальную твёрдость среди холоднодеформированных. Толщина, структура зерна и предыдущая обработка (прокатка, режимы отжига) влияют на локальные растягивающие и усталостные характеристики; проектирование должно базироваться на данных, специфичных для температуры, учитывая области, подвергшиеся влиянию сварки.

Свойство	O/Отожжённое	Ключевой темперамент (например, H14)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	~90 – 130 МПа	~160 – 210 МПа	Диапазон зависит от степени наклёпа, толщины листа и обработки поставщика
Предел текучести	~30 – 60 МПа	~110 – 160 МПа	Предел текучести существенно повышается с H-степенями; O очень пластичный
Относительное удлинение	~25 – 35%	~6 – 12%	Удлинение уменьшается с увеличением наклёпа; характер разрушения остаётся пластичным
Твёрдость	~30 – 45 HB	~55 – 80 HB	Твёрдость растёт с повышением температуры, связана с прочностью и износостойкостью

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2,70 г/см³	Типично для алюминиевых сплавов; используется в конструкциях с ограничением веса
Диапазон плавления	~640 – 655 °C	Сплав плавится в узком диапазоне; литьевая применимость не является основной
Теплопроводность	~130 – 165 Вт/(м·К)	Хорошая теплопроводность, но ниже, чем у чистого алюминия из-за легирующих элементов
Электропроводность	~34 – 40 % IACS	Ниже, чем у чистого алюминия; уменьшается с холодной деформацией
Удельная теплоёмкость	~900 Дж/(кг·К)	Типичное значение для алюминия, используется в расчётах тепловой массы
Коэффициент теплового расширения	~23.8 ×10^-6 /К (20–100 °C)	Высокий коэффициент расширения следует учитывать при соединении с материалами с разной тепловой деформацией

Сочетание относительно высокой теплопроводности и низкой плотности делает 5005 привлекательным для компонентов, где важны рассеивание тепла и малый вес, при этом высокая электропроводность не является критичной. Коэффициент теплового расширения должен учитываться в соединениях со сталью или композитами, чтобы избежать термических напряжений и деформаций.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Механические характеристики	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.3 – 6.0 мм	Контролируется состоянием и степенью холодного деформирования	O, H12, H14, H16	Широко используется для панелей, вывесок и декоративных целей
Плита	6 – 25 мм	Для более толстых сечений рост прочности от холодной обработки снижен	O, H14, H16	Используется там, где требуются жёсткость и большие сечения
Экструзия	Переменные сечения	Прочность зависит от последующей холодной обработки или отжига	O, H112	Экструдированные профили обычно требуют искусственного старения только для конструкционных сплавов с термической обработкой; 5005 обычно применяется в мягком состоянии
Труба	Толщина стенки 0.5 – 6 мм	Формуются из листа или на экструзионных/трубных станах	O, H14	Часто используются в архитектурных трубах и отделочных элементах
Пруток/Круг	Ø2 – 50 мм	Механическая обработка и изготовление определяют конечную прочность	O, H12	Менее распространены; используются для мелких фитингов и крепежа, требующих механической обработки

Листы и рулоны — наиболее распространённые коммерческие формы, обычно проходят прокатку с последующим отжигом и контролируемой холодной деформацией. Экструзия 5005 возможна, но сплав выбирают для профилей, где последующая холодная обработка или доработка не требует термообработки. Плиты и более толстые сечения имеют иные механические свойства из-за сниженной возможности упрочнения холодной деформацией после изготовления.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	5005	США	Распространённое обозначение для Северной Америки; формы материала и состояния стандартизированы по спецификациям AA
EN AW	5005	Европа	Европейское обозначение (AlMg1), эквивалент по химическому составу и типичным применениям
JIS	A5005 (приблизительно)	Япония	Существуют эквиваленты JIS для сплавов Al-Mg1; возможны незначительные отличия в химии и обработке
GB/T	3A21	Китай	3A21 (Al-Mg1) часто указывается как китайский аналог EN AW-5005

Эквивалентность между стандартами обычно близка по номинальному химическому составу, однако различия в пределах загрязняющих примесей, требованиях к поверхности и определениях состояния могут создавать тонкие отличия в эксплуатационных свойствах. При замене стандартов важно проверять сертификаты материалов и определения состояний у поставщика, чтобы гарантировать соответствие механических и коррозионных характеристик требованиям конструкции.

Коррозионная стойкость

EN AW-5005 демонстрирует хорошую устойчивость к атмосферной коррозии и хорошо себя ведёт как в сельской, так и в промышленной среде благодаря защитной плёнке оксида алюминия и присутствию магния, который повышает общую коррозионную стойкость. Сплав подвергается анодированию с получением привлекательного, однородного покрытия, что является одной из основных причин широкого использования в архитектуре и декоративных целях.

В морских и прибрежных условиях 5005 проявляет удовлетворительную устойчивость к точечной и щелевой коррозии, однако сплавы с более высоким содержанием Mg (например, 5052) обеспечивают лучшую стойкость в морской воде при некоторых условиях эксплуатации. Восприимчивость к коррозийному растрескиванию под напряжением (SCC) для алюминиево-магниевых сплавов, таких как 5005, низкая, если в сплаве нет повышенного содержания меди или других элементов, вызывающих сенсибилизацию; типичные условия эксплуатации не способствуют развитию SCC в этом сплаве.

Гальванические взаимодействия характерны для алюминиевых сплавов: при электрическом соединении с более благородными металлами (например, нержавеющая сталь, медь) алюминий может подвергаться ускоренной коррозии при наличии электролита. Правильная изоляция, выбор совместимых крепежных элементов и защитных покрытий или анодирование снижают риск гальванической коррозии. По сравнению с алюминиевыми сплавами серии 3xxx (Al-Mn) 5005 предлагает несколько более высокую прочность и сопоставимую коррозионную стойкость, а по сравнению с более высокомагниевыми сплавами серии 5xxx устойчивость в суровых морских условиях может быть ниже.

Свойства обработки

EN AW-5005 легко поддаётся обработке распространёнными методами; отсутствие термообрабатываемости упрощает последующую обработку, так как прочность и пластичность регулируются преимущественно холодной деформацией и режимами отжига. Чистота и качество поверхности перед формовкой или сваркой существенно влияют на итоговый вид анодированного покрытия и коррозионные свойства.

Свариваемость

EN AW-5005 хорошо сваривается методами TIG и MIG, демонстрирует хорошие характеристики сплавления с минимальной склонностью к горячей трещинообразованию по сравнению с некоторыми высокопрочными алюминиевыми сплавами. Часто используют присадочные материалы с сопоставимой или меньшей прочностью (например, 5356 или 4043); 5356 выбирают благодаря сочетанию прочности и коррозионной стойкости в семействе Al-Mg.

Термически изменённая зона сварки будет размягчаться по сравнению с основным материалом в H-состоянии, так как сплав не термообрабатываемый. Проектировщикам необходимо учитывать локальное снижение предела текучести. Для восстановления поверхности и жёсткости в архитектурных изделиях после сварки могут потребоваться шлифовка и последующая механическая обработка (например, холодная деформация).

Обрабатываемость резанием

Обрабатываемость 5005 оценивается как удовлетворительная, но ниже, чем у легкосъёмных алюминиевых сплавов; он хорошо поддаётся обработке твердосплавным инструментом на средних скоростях. Геометрия режущего инструмента должна предусматривать положительный задний угол, высокую подачу для получения непрерывной стружки, рекомендовано использование охлаждения или продувки воздухом для отвода тепла и стружки.

Скорости подачи и резания подбирают с целью баланса между ресурсом инструмента и качеством поверхности; поскольку 5005 относительно мягкий в состоянии O, вибрации и налипание стружки могут быть проблемой при тонких сечениях. Предварительное упрочнение (состояния H) увеличивает силу резания и слегка изменяет поведение стружки, но не требует значительных изменений в типовых режимах резания.

Формуемость

В состояниях O и лёгких H отличная формуемость для гибки, глубокой вытяжки и рулонной формовки; минимальные радиусы гиба могут быть очень малы в состоянии O, при условии учёта геометрии и толщины заготовок. Для состояний H14 и H16 радиус гиба должен быть увеличен с учётом упругой отдачи; операции обжатия и отбортовки обычно выполняются на листах в состоянии H14.

Тёплая формовка редко требуется для 5005 благодаря хорошей способности к холодной деформации, однако промежуточные отжиги применяют для восстановления пластичности после значительных холодных деформаций. Для надёжного производства конструкторам рекомендуется использовать таблицы формуемости, ориентированные на конкретные состояния, для установки радиусов пуансона/матрицы и давления удерживающего устройства.

Поведение при термообработке

Поскольку это не термообрабатываемый сплав, EN AW-5005 не приобретает значительного упрочнения при растворяющем отжиге и искусственном старении. Попытки традиционных Т-состояний не дают эффекта упрочнения за счёт образования осадков, как в сплавах серий 6xxx и 2xxx.

Отжиг (размягчение) достигается нагревом до промежуточных температур (обычно около 300–420 °C в зависимости от формы продукта и рекомендаций поставщика) для восстановления пластичности и рекристаллизации структуры. Контролируемый печной отжиг с медленным охлаждением позволяет получить состояние O, подходящее для глубокой вытяжки.

Упрочнение холодной обработкой с контролируемой степенью деформации приводит к образованию состояний H; между этапами формовки возможен промежуточный отжиг для регулировки свойств. Для производственного контроля степень холодной деформации коррелирует со значениями временного сопротивления и предела текучести более надёжно, чем режимы термообработки.

Работа при повышенных температурах

Механические свойства EN AW-5005 постепенно снижаются с ростом температуры; рабочая прочность для конструкций обычно рассматривается до примерно 100–125 °C при длительных нагрузках. Выше этого температурного диапазона снижения прочности и ползучесть становятся всё более значимыми, ограничивая возможности применения при высоких температурах.

Окисление на воздухе ограничено образованием стабильного слоя оксида алюминия, который защищает сплав при умеренных температурах, однако длительное воздействие выше ~200 °C может изменять внешний вид поверхности и механические свойства. В сварных соединениях зона термического влияния может подвергаться росту зерна и локальному снижению прочности при воздействии высоких температур; проектировщикам рекомендуется проверять эксплуатационные характеристики при повышенных температурах с помощью целенаправленных испытаний для ответственных деталей.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Причины выбора EN AW-5005
Архитектура	Фасадные панели, облицовка, отделка	Хорошая анодируемость, эстетичный внешний вид, формуемость
Морская и offshore промышленность	Лёгкие конструктивные элементы, отделка	Достаточная стойкость к коррозии в морской воде и низкий вес
Автомобилестроение	Декоративные панели интерьера и экстерьера	Хорошее качество поверхности, умеренная прочность, свариваемость
Потребительские товары	Вывески, панели бытовой техники	Анодированное покрытие, простота изготовления
Электроника	Корпуса, мелкие радиаторы	Теплопроводность и коррозионная стойкость для корпусов

EN AW-5005 широко используется в отраслях, где важны внешний вид поверхности, анодируемость и сочетание умеренной прочности с хорошей формуемостью и свариваемостью. Он редко конкурирует там, где требуется высокая прочность или экстремальная морская стойкость, но является экономичным и легко обрабатываемым материалом для многих задач средней категории.

Рекомендации по выбору

Выбирайте EN AW-5005, когда требуется лёгкий материал с отличной анодной обработкой, хорошей общей коррозионной стойкостью и превосходными характеристиками холодной деформации и сварки. Он особенно подходит для архитектурных, декоративных и лёгких конструкционных деталей, где приоритетом являются качество поверхности и технологичность изготовления.

По сравнению с технически чистым алюминием (1100), 5005 обеспечивает более высокую прочность при умеренном снижении электропроводности и незначительном уменьшении пластичности, что делает его лучшим конструкционным решением при необходимости некоторой механической нагрузки. В сравнении с упрочнёнными деформацией сплавами, такими как 3003 и 5052, 5005 обычно занимает промежуточное положение: прочнее и с более качественной поверхностью, чем 3003, но обычно уступает по коррозионной стойкости и прочности в агрессивных морских условиях высокомагниевому 5052.

По сравнению с подвергаемыми термической обработке сплавами 6061 или 6063, 5005 предпочтителен в случаях, когда важнее глубокая вытяжка, высококачественная анодная обработка или более простое изготовление и сварка, чем максимальные прочностные показатели, достигаемые термообработкой T6; кроме того, стоимость и доступность делают 5005 выгодным выбором для тонколистовых архитектурных применений.

Итоговое заключение

EN AW-5005 остаётся актуальным инженерным алюминиевым сплавом, так как сочетает умеренную прочность, отличную пластичность и высококачественную анодную поверхность в сплаве, не поддающемся термообработке и легко поддающемся обработке. Его сбалансированные свойства делают его надёжным и экономичным выбором для архитектурных, декоративных и лёгких конструкционных применений, где ключевыми факторами проектирования являются внешний вид, свариваемость и технологичность.