Алюминий EN AW-5251: состав, свойства, руководство по состояниям поставки и области применения

Общий обзор

EN AW-5251 относится к серии алюминиево-магниевых сплавов 5xxx, для которой магний является основным легирующим элементом. Эта серия известна немодифицируемыми термически сплавами, у которых прочность достигается преимущественно за счет холодной деформации, а не термической обработки раствором и старением.

Типичные основные легирующие элементы в EN AW-5251 включают магний (главный упрочняющий элемент), незначительное количество марганца для контроля структуры зерна и небольшие примеси железа и кремния. Сплав сочетает умеренную прочность с очень хорошей коррозионной стойкостью, особенно в атмосферных и слабо морских условиях, а также обладает хорошей свариваемостью и удовлетворительной формуемостью в более мягких состояниях.

Сплав широко применяется в отраслях, которые требуют баланса формуемости, коррозионной стойкости и умеренной прочности без необходимости термической обработки, таких как кузовные детали автомобилей, архитектурные панели, морская арматура и некоторые корпуса электроники. Конструкторы предпочитают EN AW-5251, когда требуется экономичный, свариваемый сплав с лучшей прочностью по сравнению с коммерчески чистым алюминием и улучшенной стойкостью к коррозии в морской среде по сравнению с некоторыми сплавами серии 3xxx.

По сравнению с высокопрочными термоупрочняемыми сплавами, EN AW-5251 обеспечивает более простую обработку (без операций растворения и старения) и более предсказуемое поведение сварных конструкций, так как он менее подвержен хрупкому нарушению свойств зоны термического влияния (ЗТИ), характерному для некоторых стареющих сплавов. Это делает его привлекательным для сварных узлов, штампованных листов и экструзий, где важна коррозионная стойкость в эксплуатации.

Варианты термообработки (темпера)

Темпера	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое (20–35%)	Отличная	Отличная	Полностью отожженный, максимальная пластичность для глубокой вытяжки
H12	Низкий–средний	Среднее (10–20%)	Очень хорошая	Очень хорошая	Легкая упрочняющая деформация, подходит для умеренного формования
H14	Средний	Средне-низкое (8–15%)	Хорошая	Очень хорошая	Четверть упрочненный, баланс формуемости и прочности
H16	Средне–высокий	Низко–среднее (6–12%)	Удовлетворительная	Очень хорошая	Половина упрочнения, типично для наружных панелей
H18	Высокий	Низкое (4–10%)	Ограниченная	Очень хорошая	Полностью упрочненный, для листов с высокой жесткостью
H22	Средний	Средне-низкое	Хорошая	Очень хорошая	Упрочнен холодной деформацией с последующей стабилизацией; улучшена размерная стабильность
H24	Средне–высокий	Низко–среднее	Удовлетворительная	Очень хорошая	Упрочнен холодной деформацией и искусственно состарен (стабилизирован) для повышения предела текучести
H111	Низкий–средний	Высокое	Отличная	Отличная	Слегка деформирован после отжига, хорошая формуемость при умеренной прочности

Состояния закалки в сплавах серии 5xxx в основном связаны с уровнем холодной деформации, а не классическими последовательностями термообработки. Темпера O обеспечивает максимальную пластичность для штампования и глубокой вытяжки, тогда как повышение номера H указывает на возросший уровень холодной деформации и увеличенную прочность в ущерб удлинению и формуемости.

Стабилизированные состояния (H22/H24 и H111) часто применяются, когда после формования ожидается легкий тепловой режим или сварка, так как они обеспечивают более стабильные механические свойства и снижают риск нежелательного размягчения при обработке.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	≤ 0.25	Контролируемая примесь, может слегка снижать пластичность
Fe	≤ 0.40	Типичный интерметаллический компонент; избыток ухудшает коррозионную стойкость
Mn	≤ 0.40	Контроль микроструктуры, улучшает прочность и процессы рекристаллизации
Mg	2.0–3.0	Основной упрочняющий элемент твердого раствора и вклад в коррозионную устойчивость
Cu	≤ 0.10	Низкое содержание для предотвращения восприимчивости к коррозионному растрескиванию под напряжением
Zn	≤ 0.25	Минорное остаточное; более высокие уровни не характерны для этой серии
Cr	≤ 0.15	Добавляется в некоторых вариантах для контроля структуры зерна и ограничения рекристаллизации
Ti	≤ 0.15	Зерноочиститель в литых и некоторых деформируемых изделиях
Другие (каждый)	≤ 0.05	Примеси либо контролируемые добавки

Содержание магния является доминирующим фактором, влияющим на предел текучести и временное сопротивление разрыву EN AW-5251 за счет упрочнения твердым раствором и взаимодействия с дислокациями. Марганец и хром в малых количествах улучшают структуру зерна и помогают удерживать прочность при термическом воздействии, тогда как железо и кремний — это остаточные элементы, образующие интерметаллические частицы, которые могут влиять на усталостную прочность и коррозионный износ.

Химический состав строго ограничивает элементы (особенно медь и цинк), которые могут повысить восприимчивость к коррозионному растрескиванию или снизить общую коррозионную стойкость, что делает 5251 надежным выбором для наружных применений.

Механические свойства

EN AW-5251 демонстрирует классическое поведение для серии 5xxx: в отожженном состоянии сплав пластичный, а при холодной деформации прочность возрастает, но удлинение уменьшается. В состоянии O сплав характеризуется широким равномерным удлинением и низким отношением предела текучести к пределу прочности, что выгодно для формовочных операций, требующих больших пластических деформаций. В типичных состояниях H предел текучести значительно увеличивается, а пластичность уменьшается, локальное возникновение шейки происходит раньше.

Твердость коррелирует с уровнем холодной деформации и является полезным параметром контроля для достижения требуемых температурных состояний после прокатки или вытяжки. Усталостная прочность сильно зависит от состояния поверхности, толщины и наличия интерметаллических включений; полированные или анодированные поверхности значительно улучшают усталостный ресурс по сравнению с поверхностями в состоянии «как прокатано». Толщина оказывает заметное влияние на прочность и формуемость — более тонкие листы при холодной прокатке достигают более высокого упрочнения, и их легче сваривают без искажений кромок.

При проектировании изделий необходимо учитывать, что сплав является немодифицируемым термически: максимальная прочность достигается механическим упрочнением и стабилизацией, а не тепловым старением. В сварных узлах возможно локальное размягчение в зоне термического влияния, но оно обычно менее выражено, чем в сплавах с упрочнением при старении, при условии правильного выбора состояния и материала сварного присадочного прутка.

Свойство	O/Отожженный	Основное состояние (обычно H14/H24)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	120–155 MPa	200–260 MPa	Значения сильно зависят от степени холодной деформации и толщины
Предел текучести	50–90 MPa	140–210 MPa	Предел текучести значительно повышается с упрочнением; H24 показывает стабилизированный предел
Относительное удлинение	20–35%	6–16%	Пластичность уменьшается с упрочнением; отожженный сплав наиболее формуем
Твердость (HB)	30–45 HB	60–95 HB	Твердость коррелирует с прочностью и уровнем холодной деформации

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.68–2.70 г/см³	Типично для деформируемых алюминиево-магниевых сплавов
Температура плавления	~570–650 °C	Диапазон твердо-жидкостной фаз; при проектировании следует учитывать запас прочности
Теплопроводность	120–150 Вт/м·К	Чуть ниже, чем у чистого алюминия из-за легирования
Электропроводность	~28–38 % IACS	Снижается с ростом содержания магния по сравнению с чистым алюминием
Удельная теплоёмкость	~900 Дж/кг·К	Типично для алюминиевых сплавов при комнатной температуре
Коэффициент теплового расширения	23–24 µм/м·К (20–100 °C)	Важно учитывать при соединении с другими материалами и в конструкциях со связкой

Физические характеристики EN AW-5251 близки к другим алюминиево-магниевым сплавам по тепловым и электрическим параметрам; магний снижает электропроводность по сравнению с чистым алюминием, но сохраняет отличные тепловые свойства для приложений с распределением тепла. При проектировании следует учитывать коэффициент теплового расширения, особенно при сочленении 5251 с разнородными материалами в конструкциях и клеевых соединениях.

Диапазоны плавления и размягчения требуют контроля параметров сварки и последующих термических циклов, чтобы избежать чрезмерного локального размягчения; стандартной практикой для панелей с жесткими допусками является контроль тепловложений и применение фиксации для ограничения деформаций.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0,3–6,0 мм	Сильная зависимость от толщины; тонкие листы легко подвергаются холодной деформации	O, H12, H14, H24	Наиболее распространён для кузовных панелей, фасадов и морских настилов
Плита	6–50 мм	Меньшая пластичность у толстых плит; используется там, где требуется жёсткость	H16, H18	Часто применяется для конструктивных элементов с акцентом на жёсткость при изгибе
Экструзия	Сечения до нескольких сотен мм²	Свойства зависят от коэффициента вытяжки и последующей холодной обработки	O, H111, H14	Подходит для профилей с умеренной прочностью и сложной геометрией
Труба	Диаметры 6–200 мм, толщина стенки 0,5–6 мм	Варианты: сварные и бесшовные; свойства зависят от технологии изготовления	O, H14, H16	Используется в трубопроводах, перилах и конструктивных элементах
Пруток/штанга	Диаметры до 50 мм	Изготавливается экструзией или протяжкой; прочность растёт с увеличением протяжки	O, H12, H14	Типично для изготовленных изделий и деталей, подлежащих механической обработке

Маршруты обработки листа и плиты различаются режимами прокатки и последующими этапами холодной обработки; листы обычно прокатываются в рулонах, затем разрезаются и формуются, а плиты прокатываются для больших толщин с иной термомеханической историей. При экструзии особое внимание уделяют температуре заготовки и конструкции матрицы для контроля качества поверхности и остаточных напряжений; распространены операции вытяжки после экструзии и старения (стабилизации) для уменьшения деформаций.

Сварные трубные изделия и обработанные прутки часто производятся из одного и того же сплава с разными состояниями; правильный выбор промежуточного состояния и припуска на мехобработку помогает сократить отходы и переделки в производстве.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA (Aluminum Association)	5251	США	Распространённое обозначение деформируемого сплава, соответствует химии и свойствам EN AW-5251
EN AW	5251	Европа	Стандартная европейская номенклатура для деформируемого Al-Mg сплава
JIS	— (ближайший: A5052)	Япония	Нет прямого эквивалента в JIS; A5052 часто считается ближайшим коммерческим аналогом
GB/T	5251	Китай	Китайский стандарт часто предусматривает 5251 как соответствующий сплав; рекомендуется проверять сертификаты производителя

Прямые однозначные эквиваленты встречаются не всегда, так как региональные стандарты допускают различия в пределах примесей и порядке подтверждения качества. При сопоставлении рекомендуется ориентироваться на конкретные химические и механические требования, а не только на номер сплава.

При замене следует сравнивать пределы прочности и текучести, доступные состояния и виды поверхностных обработок; 5052 и 5154 – часто применяемые альтернативы с немного отличающимся содержанием Mg, что отражается на прочности и коррозионной стойкости.

Коррозионная стойкость

EN AW-5251 обладает очень хорошей атмосферной коррозионной стойкостью, характерной для алюминиево-магниевых сплавов, формируя стабильный защитный оксидный слой, который ограничивает общую коррозию в городских и промышленных условиях. Содержание магния повышает устойчивость к питтинговой коррозии в хлоридсодержащих средах по сравнению с многими сплавами семейства 1xxx и 3xxx, что делает 5251 популярным выбором для наружной архитектуры и морских сред.

В условиях морского погружения или брызг сплав демонстрирует хорошее поведение, однако локальные очаги питтинга могут появляться на шероховатых или повреждённых поверхностях и в застойных зазорах. Конструктивные меры, такие как обеспечение дренажа, избегание щелей и применение соответствующих финишных покрытий (анодирование, конверсионные покрытия или лакокрасочные материалы) существенно продлевают срок службы.

Риск коррозионного растрескивания под напряжением у сплавов Al–Mg увеличивается с ростом содержания магния и повышенных растягивающих напряжений; при уровне Mg как у 5251 риск средний и может быть снижен выбором более мягких состояний в сильно нагруженных сварных узлах. Следует учитывать гальванические взаимодействия: при контакте с более благородными материалами (нержавеющая сталь, медные сплавы) 5251 действует как анод и требует изоляции или защитных покрытий для предотвращения ускоренной коррозии. По сравнению с термообрабатываемыми сплавами 6xxx и 7xxx EN AW-5251 обычно обладает лучшей общей коррозионной стойкостью, но меньшей максимальной прочностью.

Свойства изготовления

Свариваемость

EN AW-5251 хорошо сваривается распространёнными процессами плавления, такими как TIG и MIG, демонстрируя хорошие характеристики стыка и низкую склонность к горячей трещинообразованию при использовании правильных присадочных материалов. Обычно применяются присадки на базе Al–Mg с содержанием Mg 4–5% (например, ER5356) для сохранения коррозионной стойкости и минимизации размягчения зоны сварки. Важно контролировать ввод тепла, чтобы ограничить размягчение зоны термического влияния; при необходимости применяют предварительную или последующую термообработку (легкая холодная деформация или отпуск) для стабилизации свойств.

Обрабатываемость

Обработка EN AW-5251 средней сложности; он обрабатывается легче, чем высокопрочные стареющие сплавы, но хуже, чем устаревшие свинцовые марки. Карбидный инструмент с положительным углом резания, правильным дроблением стружки и умеренными скоростями резания обеспечивает хорошую поверхность. Возможна наклёпка материала в зоне реза при слишком лёгких подачах, поэтому рекомендуется равномерное подачу и использование охлаждения для предотвращения налипания и вибрации инструмента.

Формуемость

Формуемость в отожженном (O) состоянии отличная, позволяя выполнять глубокую вытяжку, рулонную профилировку и сложные штамповки с малыми радиусами сгиба. При повышении жесткости (H12–H18) радиусы сгибов должны увеличиваться, а упругий отжиг становится заметнее, поэтому требуется компенсация инструмента. Для холодной обработки рекомендуется начинать с максимально мягкого состояния, подходящего для задачи, и использовать поэтапное формование, чтобы минимизировать риск трещин.

Особенности термообработки

EN AW-5251 — нетермообрабатываемый сплав; механическая прочность достигается за счёт холодной деформации и контроля микроструктуры, а не за счёт растворения и осаждения фаз. Полное отжигание для восстановления пластичности осуществляется нагревом в диапазоне 350–415 °C с выдержкой, достаточной для рекристаллизации, затем медленное охлаждение во избежание остаточных напряжений. Переходы состояний описываются в терминах уровней холодной деформации и циклов стабилизации (H22/H24), а не классических T-состояний.

Искусственное старение неэффективно для повышения прочности в сплавах серии 5xxx, но контролируемое термическое воздействие при умеренных температурах может изменить пластичность и снизить остаточные напряжения. Следует избегать технологических и эксплуатационных температур, способных случайно отжечь или переотжечь детали с наклёпом, если не предполагается контролируемое размягчение. Для сварных конструкций выгодно выбирать состояния, устойчивые к частичному тепловому воздействию (H22/H24, H111), чтобы снизить риск ухудшения свойств после изготовления.

Работа при повышенных температурах

EN AW-5251 сохраняет полезные механические свойства при умеренно повышенных температурах, однако прочность существенно снижается выше примерно 100–150 °C, а длительное пребывание выше ~200 °C обычно не рекомендуется для несущих конструкций. Окисление ограничено за счёт защитного слоя оксида алюминия, но длительная высокая температура ускоряет диффузию магния и рост микроструктурных элементов, что снижает прочностные характеристики.

Сварные зоны и зоны термического влияния чувствительны к тепловым циклам; избыточный ввод тепла при изготовлении или эксплуатации может снизить местный предел текучести и повысить восприимчивость к ползучести под длительной нагрузкой. Для циклических термомеханических нагрузок при высоких температурах рекомендуется применять более термостойкие сплавы или предусматривать повышенный запас прочности.

Области применения

Отрасль	Пример изделия	Причины применения EN AW-5251
Автомобильная промышленность	Внутренние кузовные панели, облицовка	Хорошая формуемость в состояниях O/H12; свариваемость и коррозионная стойкость
Морская индустрия	Настилы, фитинги	Повышенный уровень Mg обеспечивает улучшенную устойчивость к питтингу в морской атмосфере
Авиастроение	Второстепенные конструкции, обтекатели	Выгодное соотношение прочности и веса, хорошее утомительное поведение для неосновных узлов
Электроника	Корпуса, теплоотводные панели	Хорошая теплопроводность и коррозионная стойкость для наружных корпусов

EN AW-5251 занимает полезную нишу, сочетая умеренную прочность, отличную коррозионную стойкость и хорошие технологические характеристики. Благодаря этим свойствам сплав широко используется в транспортной, архитектурной и морской сферах, где требуется экономичный, свариваемый и формуемый материал.

Конструкторы часто выбирают 5251 для изделий, которые изготавливаются стандартными операциями листового металла и эксплуатируются под открытым небом или в прибрежных условиях без необходимости сложной термообработки с растворением и старением.

Рекомендации по выбору

EN AW-5251 следует выбирать, когда требуется лучшая прочность и коррозионная стойкость по сравнению с алюминием коммерческой чистоты (1100), при этом сохраняя хорошую формуемость и свариваемость. В сравнении с 1100, 5251 уступает несколько в электрической и теплопроводности, но значительно превосходит по пределу текучести и временном сопротивлению разрыву, что позволяет проектировать изделия с меньшей толщиной при той же жёсткости.

По сравнению с армированными холодной деформацией сплавами, такими как 3003 и 5052, 5251 обычно обеспечивает большую прочность при сопоставимой или улучшенной коррозионной стойкости в морской и атмосферной среде. Если необходима максимальная коррозионная стойкость, связанная с содержанием Mg, или конкретные типы упрочнения, следует внимательно сравнить 5251 с 5052/5154, поскольку различия в химическом составе и обработке влияют на соотношение свойств.

В сравнении с сплавами, упрочняемыми термообработкой, такими как 6061 или 6063, EN AW-5251 предпочтителен при изготовлении изделий, требующих обширной сварки или деформации без возможности или необходимости проведения операций растворения и искусственного старения. Хотя 6061 достигает более высоких максимальных прочностных характеристик после термообработки, 5251 обеспечивает более предсказуемые характеристики сварных соединений и упрощённую обработку крупных формованных конструкций.

Итог

EN AW-5251 остаётся практичным и широко применяемым алюминиево-магниевым деформируемым сплавом, который обеспечивает баланс коррозионной стойкости, свариваемости и умеренной прочности без необходимости термообработки. Его универсальность в виде листа, плиты и профиля, вместе с предсказуемостью при обработке, сохраняет актуальность для автомобильной, морской, архитектурной и общей инженерной сферы, где требуются долговечные и экономичные алюминиевые решения.