Алюминий EN AW-7020: состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Общий обзор

EN AW-7020 — алюминиевый сплав серии 7xxx, главным образом упрочняемый за счёт добавок Zn-Mg и с ограниченным содержанием Cu. В стандартах он обычно обозначается как AlZn4.5Mg1 и относится к термически упрочняемым, высокопрочным сплавам на основе Al-Zn-Mg с контролируемым уровнем примесей для улучшения вязкости и коррозионной стойкости.

Основные легирующие элементы — цинк (основной), магний и незначительное количество меди, а также небольшие добавки марганца, железа, хрома и титана. Упрочнение достигается путём осаждающего упрочнения после закалки раствором и искусственного старения, хотя для некоторых состояний, например T651, допускается ограничённое упрочнение пластической деформацией с целью снятия внутренних напряжений.

Ключевые характеристики — высокая удельная прочность, конкурентная усталостная стойкость и относительно хорошая атмосферная коррозионная стойкость для сплава серии 7xxx за счёт пониженного содержания меди. Свариваемость и формуемость находятся на среднем уровне: сплав поддаётся формовке в более мягких состояниях и сваривается при использовании соответствующих присадок и последующей термообработке, однако требуется внимание к разжижению зоны термического влияния и склонности к межкристаллитной коррозии напряжения (SCC).

Типичные отрасли применения EN AW-7020 — авиационная структурная арматура, высокопроизводительные автомобильные компоненты, железнодорожные и морские конструкции, а также архитектурные элементы, изготовленные методом экструзии. Инженеры выбирают EN AW-7020, когда требуется баланс между повышенной прочностью, приемлемой коррозионной стойкостью и хорошей экструзируемостью, особенно в случаях, когда более высокая прочность 7075 не нужна или сплавы серии 6000 не обеспечивают достаточной прочности.

Варианты термического состояния

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полное отжиг; максимальная формуемость и обрабатываемость, минимальная прочность
H14	Средний	Средне-низкое	Хорошая	Хорошая	Упрочнён холодной деформацией, частичный контроль упругой отдачи; ограниченное применение для тонких листов
T5	Средне-высокий	Среднее	Средняя	Средняя	Охлаждён после горячей обработки и искусственно состарен; хорошая размерная стабильность
T6	Высокий	Низко-среднее	Средняя	Средне-низкая	Закалка раствором и искусственное старение; пиковая прочность для многих применений
T651	Высокий	Низко-среднее	Средняя	Средне-низкая	T6 + снятие остаточных напряжений растяжением; сниженные остаточные напряжения для критичных деталей

Термические состояния регулируют баланс между прочностью, пластичностью и формуемостью за счёт изменения микроструктуры и плотности дислокаций. Мягкие состояния, такие как O, максимизируют пластичность и допускают серьёзные операции формовки, в то время как T6/T651 обеспечивают максимальную прочность за счёт снижения удлинения и ухудшения холодной формуемости.

Химический состав

Элемент	Диапазон содержания, %	Примечания
Si	≤0.3	Контролируемая примесь; избыток Si может образовывать интерметаллики, снижающие вязкость
Fe	≤0.5	Типичная примесь; повышение Fe увеличивает хрупкость и снижает пластичность
Mn	0.05–0.5	Улучшает структуру зерна и вязкость при небольших добавках
Mg	0.8–1.3	Образует с Zn упрочняющие осадки (MgZn2) при старении
Cu	0.05–0.4	Снижено по сравнению с 7075 для улучшения коррозионной стойкости; способствует прочности
Zn	3.5–5.0	Основной легирующий элемент по прочности; определяет реакцию осаждающего упрочнения
Cr	0.05–0.25	Контролирует границы зерен и ингибирует рекристаллизацию; способствует вязкости
Ti	≤0.15	Уточнитель зерна для литых и деформированных изделий; небольшие добавки улучшают микроструктуру
Прочие (Al остальное)	Остальное	Алюминиевая матрица плюс следовые примеси; баланс до 100%

Комбинация Zn–Mg способствует формированию мелких метастабильных осадков MgZn2 при искусственном старении, что обеспечивает высокие временное сопротивление разрыву и предел текучести. Минорные элементы, такие как Cr и Mn, выступают как уточнители зерна и ингибиторы рекристаллизации, улучшая вязкость и усталостную стойкость, в то время как контроль уровня Cu ограничивает межкристаллитную коррозию и повышает атмосферную долговечность.

Механические свойства

EN AW-7020 демонстрирует заметное изменение прочностных характеристик (временное сопротивление разрыву и предел текучести) между отожжённым и пиково состаренным состояниями, что отражает его термически упрочняемый характер. В отожженном состоянии (O) сплав имеет умеренную прочность и высокое удлинение, пригодные для формовки, тогда как в состояниях T6/T651 достигаются значительно более высокие пределы прочности с пониженной пластичностью. Усталостное поведение лучше, чем у многих сплавов серии 6xxx, благодаря стабилизированной осадками микроструктуре и более жёсткому контролю примесей.

Соотношение предела текучести к временно́му сопротивлению обычно находится в средней области, а удлинение в пиковых состояниях достаточно для конструктивных крепёжных изделий, но недостаточно для интенсивной растяжки. Твёрдость заметно возрастает после закалки раствором и старения; твердость по Бринеллю или Виккерсу хорошо коррелирует с прочностными характеристиками и часто используется для приёмочного контроля. Толщина заготовки влияет на достижимые свойства из-за различий в теплообработке и скорости охлаждения: тонкие сечения достигают почти пиковых свойств после стандартного термического режима, тогда как толстые сечения могут иметь ослабленную реакцию на старение и более низкую прочность.

Инициирование усталостных трещин чувствительно к качеству поверхности, остаточным напряжениям и гетерогенности микроструктуры, поэтому для высокоциклечных применений стандартны такие методы обработки, как дробеструйная обработка и контролируемое старение. Вязкость разрушения в состоянии T6 хорошая для данного уровня прочности, что обусловлено сниженным содержанием Cu и регулированием уровней примесей Fe и Mn, уменьшающих склонность к межкристаллитному расслоению.

Свойство	O/Отожженное	Ключевое состояние (T6 / T651)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	~210–260 MPa	~380–440 MPa	T6/T651 — закалка раствором и искусственное старение для достижения пиковых значений; зависит от толщины сечения
Предел текучести	~110–160 MPa	~320–380 MPa	Значительное повышение после старения; плато текучести зависит от режима старения
Относительное удлинение	~15–25%	~8–12%	Удлинение уменьшается с ростом прочности; зависит от размера образца и состояния
Твёрдость	~60–80 HB	~120–150 HB	Твёрдость по Бринеллю коррелирует с состоянием сплава; применяется для контроля качества партии и сечений

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	~2.78 г/см³	Типична для сплавов Al-Zn-Mg; ниже многих сталей для высокого удельного сопротивления
Температура плавления	~480–635 °C	Легирование расширяет диапазон ликвидус/солидус; важно избегать горячих трещин при литье
Теплопроводность	~130–150 Вт/м·К	Средне-высокая; чуть ниже, чем у сплавов серий 1xxx и 6xxx из-за легирования
Электропроводность	~30–40 % IACS	Ниже, чем у чистого алюминия; жертвует электропроводностью ради прочности
Удельная теплоёмкость	~880–910 Дж/кг·К	Типичная для алюминиевых сплавов при комнатной температуре
Коэффициент теплового расширения	~23–24 µм/м·К (20–100°C)	Похож на другие алюминиевые сплавы; важен при соединении с материалами с иными КТЛР

Относительно высокая теплопроводность и низкая плотность делают EN AW-7020 привлекательным при проектировании, где важны теплоотвод и снижение массы конструкции. Линейное термическое расширение типично для алюминиевых сплавов и должно учитываться при сопряжении с материалами с отличным коэффициентом теплового расширения.

Температуры плавления и термообработки требуют тщательного контроля в производстве для предотвращения перезакалки или частичного оплавления, особенно в деталях с тонкими переплетениями или большими сечениями, где существенны температурные градиенты.

Формы выпуска продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.5–6 мм	Тонкие сечения достигают полного состояния после стандартного старения	O, T5, T6, T651	Используется для панелей, экструдированных профилей и штампованных деталей
Плита	6–100+ мм	Толстые плиты могут иметь ослабленную реакцию на состояние T6 из-за ограничений охлаждения	O, Т6 (ограниченно)	Тяжёлые структурные компоненты; режимы закалки и старения требуют адаптации
Экструзия	Профили длиной до нескольких метров	Отличное равномерное сечение; хорошо реагирует на состояния T5/T6	T5, T6, T651	Типично для конструкционных профилей, рельсов и каркасов
Труба	Разные диаметры; толщина стенки 1–15 мм	Сварные или бесшовные трубы могут быть упрочнены старением до высокой прочности	O, T6	Применяется в лёгких конструктивных элементах
Пруток/круг	Диаметры до 200 мм	Массивные сечения требуют контролируемой термообработки для равномерных свойств	O, T6	Используется для крепёжных деталей, арматуры и мехобработанных компонентов

Листы и экструдированные изделия — наиболее распространённые формы EN AW-7020, которые выигрывают за счёт хорошей экструзируемости и качества поверхности для анодирования. Плиты и изделия крупного сечения требуют специализированных режимов термообработки и интенсивного контроля охлаждения для обеспечения равномерных механических свойств по сечению.

Выбор формы изделия влияет на способы обработки: экструдированные профили могут подвергаться искусственному старению inline до степени T5, в то время как ответственные авиационные комплектующие часто требуют растворяющей термообработки, закалки и растяжки с последующим старением по режимам T6/T651 для минимизации остаточных напряжений и обеспечения точности размеров.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	7020	США	Распространённое обозначение сплавной группы в Ассоциации алюминия США
EN AW	7020	Европа	Обозначение по стандарту EN; часто с последующими кодами состояния, например T6 или T651
JIS	A7020	Япония	Локальные стандарты с аналогичным составом и состояниями
GB/T	7020	Китай	Китайский стандарт с похожим числовым обозначением и локальными допусками

Эквиваленты по стандартам обычно прямые для деформируемых сплавов, таких как 7020, но при закупках необходимо учитывать региональные особенности спецификаций, такие как максимальные допустимые примеси, методы отпуска и требования к испытаниям. Небольшие различия в гарантированном составе или критериях приемки после термообработки могут привести к заметным отличиям в усталостной долговечности и стойкости к SCC.

При закупках через границу указывайте применимый стандарт, состояние, требуемые механические свойства и любые последующие операции (например, растяжку, анодирование) для обеспечения взаимозаменяемости и стабильности характеристик.

Коррозионная стойкость

EN AW-7020 обладает лучшей атмосферной коррозионной стойкостью по сравнению с многими коррозионно-опасными сплавами серии 7xxx с высоким содержанием меди, благодаря ограниченному содержанию Cu, что снижает чувствительность к локальной коррозии в обычных условиях. Сплав хорошо реагирует на поверхностные обработки такие как анодирование и хроматное преобразование, которые дополнительно повышают защиту и адгезию лакокрасочных покрытий. В промышленных атмосферах умеренная защита и периодическое техническое обслуживание обеспечивают долгий срок службы конструкционных деталей.

В морских условиях сплав показывает удовлетворительные результаты, но уступает более стойким магниевым сплавам 5xxx или правильно обработанным 6xxx для длительного погружения. Коррозионное точечное и межкристаллитное разрушение, вызванное ионами хлора, смягчается тщательным контролем закалки и старения, а также применением защитных покрытий. Потенциал трещинообразования под напряжением (SCC) присутствует для 7xxx сплавов при наличии растягивающих остаточных напряжений и агрессивной среды, однако снижение содержания меди и контроль примесей в 7020 уменьшают, но не полностью исключают риск SCC.

Гальванические взаимодействия соответствуют стандартному поведению алюминия: сочетание с благородными металлами, такими как нержавеющая сталь или медь, может ускорять локальную коррозию при наличии электрической проводимости и электролита. Для соединений из разнородных металлов рекомендуется использование изолирующих прокладок, жертвенных анодов или селективных покрытий. По сравнению с 6xxx сплавами, 7020 обеспечивает небольшое снижение коррозионной устойчивости в обмен на повышение прочности и улучшенную усталостную живучесть.

Свойства обработки

Свариваемость

EN AW-7020 сваривается методами TIG и MIG, но сплав чувствителен к горячим трещинам и размягчению зоны термического влияния (ЗТВ); поэтому сварка обычно проводится в более мягких состояниях с последующим локальным или полным повторным старением там, где это возможно. Рекомендуемые присадочные проволоки обеспечивают достаточную пластичность и коррозионную стойкость, обычно это Al-Mg сплавы (например, 5356) или Al-Si для определённых типов соединений; выбор присадки влияет на прочность после сварки и устойчивость к SCC. Для авиационных или ответственных конструкций сварка часто избегается в пользу механического соединения из-за потери прочности в ЗТВ.

Обрабатываемость резанием

Обрабатываемость EN AW-7020 оценивается как средняя и хорошая в отожженном состоянии и несколько снижается в состоянии T6 из-за большей твёрдости и прочности. Карбидный инструмент с положительным углом режущей кромки и контролируемыми подачами обеспечивает наилучший ресурс; для более мягких состояний допустимо применение быстрорежущей стали. Контроль стружки обычно хороший, но может ухудшаться при изменениях сечения и термообработке; применение СОЖ и жёсткое закрепление заготовки улучшают качество поверхности и ресурс инструмента.

Формуемость

Холодная формуемость превосходная в отожженном состоянии (O) и уменьшается при старении до более прочных состояний; для сложных гибов и глубоких вытяжек предпочтительны состояния O или серии H. Минимальные радиусы гиба зависят от толщины и состояния, но обычно в T6 требуются большие радиусы для предотвращения трещин; предварительный разогрев или теплое формование улучшают пластичность при умеренной формовке. Отскок упругой деформации более выражен при повышенной прочности и должен учитываться при разработке оснастки.

Поведение при термообработке

Как упрочняемый термообработкой сплав, EN AW-7020 реагирует на растворяющую закалку, закалку и искусственное старение для формирования оптимальной структуры упрочняющих фаз. Типичные температуры растворяющей обработки составляют 470–480 °C, время регулируется толщиной сечения для полного растворения фаз. Быстрая закалка (водяное охлаждение или аналогичное) необходима для сохранения растворенных элементов в пересыщенном твердом растворе перед старением.

Искусственное старение для состояния T6 обычно проводится при 120–160 °C в течение 8–24 часов в зависимости от требуемого баланса прочности и вязкости. Состояние T5 обозначает охлаждение на воздухе или воде после горячей обработки с последующим искусственным старением. T651 означает состояние T6 с контролируемой операцией растяжки для снижения остаточных напряжений и повышения размерной стабильности. Некорректная термообработка или медленные скорости закалки приводят к крупным упрочняющим фазам, пониженной прочности и ухудшению усталостных и вязкостных свойств.

Для операций без термообработки упрочнение за счёт деформации обеспечивает лишь ограниченное повышение прочности по сравнению с полным упрочнением за счёт выделения фаз, а отжиг (состояние O) используется для восстановления пластичности перед формованием или механической обработкой.

Работа при повышенных температурах

Воздействие повышенных температур постепенно снижает твёрдость, предел текучести и прочность EN AW-7020, при этом значительная потеря прочности начинается выше примерно 120–150 °C. Эксплуатация при температурах выше типичных режимов искусственного старения вызывает перенасыщение, коагуляцию упрочняющих фаз и снижение механических свойств и усталостной стойкости. Для деталей, подвергающихся длительному нагреву, рекомендуется выбор альтернативных сплавов или внедрение защитных конструктивных мер.

Окисление минимально при обычных атмосферных условиях благодаря пассивной оксидной плёнке алюминия, но длительное нагревание может изменить поверхность и снизить коррозионную защиту, особенно в средах с хлоридами. Зона термического влияния сварки может характеризоваться локальным размягчением и снижением жаропрочности; послесварочная термообработка частично восстанавливает свойства, но иногда непрактична для крупных узлов.

Устойчивость к ползучести при повышенных температурах ограничена по сравнению с сталями и никелевыми сплавами; конструкция должна учитывать возможные длительные изменения размеров при работе близко к верхнему температурному пределу сплава.

Области применения

Отрасль	Пример детали	Причина использования EN AW-7020
Автомобильная	Конструкционные экструдированные направляющие и элементы управления ударом	Высокое отношение прочности к массе и хорошая экструдируемость сложных профилей
Судостроение	Компоненты надстройки и крепеж	Сбалансированная прочность и улучшенная атмосферная коррозионная стойкость по сравнению со 7xxx с высоким содержанием Cu
Авиация	Оборудование, тяги и второстепенные конструкционные элементы	Высокое удельное сопротивление с хорошими усталостными свойствами и возможностью точной термообработки
Электроника	Корпуса и тепловые распределители	Хорошая теплопроводность в сочетании с жёсткостью для лёгких корпусов

EN AW-7020 выбирается для изделий, требующих большей прочности по сравнению с 6xxx сплавами при сохранении разумной коррозионной стойкости и хорошей экструдируемости. Его применение в экструдированных конструкционных профилях и механически обработанных деталях использует способность сплава достигать высокой прочности в состояниях T6/T651 при при этом приемлемой вязкости и усталостной долговечности.

Рекомендации по выбору

Выбирайте EN AW-7020, если вам нужен упрочняемый алюминиевый сплав с более высокой прочностью, чем у 6xxx серий, но с лучшей коррозионной устойчивостью по сравнению со 7xxx сплавами с повышенным содержанием меди. Это надёжный выбор для экструдированных профилей и механически обработанных деталей, когда приоритетом являются прочность в состояниях T6/T651 и усталостная живучесть, а максимальная свариваемость не является критичной.

По сравнению с 1100 (коммерчески чистый алюминий) EN AW-7020 жертвует электрической и теплопроводностью и превосходной формуемостью ради значительно повышенной прочности и жёсткости. В сравнении с упрочненными деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 7020 предлагает значительно более высокую прочность с некоторым ухудшением формуемости и повышенной уязвимостью к трещинообразованию под напряжением (SCC). В сравнении с распространёнными термообрабатываемыми сплавами 6061/6063, 7020 обеспечивает более высокий пик прочности и усталостных характеристик для конструкционных применений, хотя 6061 может быть предпочтительнее там, где важнее свариваемость и коррозионная стойкость в морской среде.

При выборе 7020 следует учитывать требования к прочности, условия коррозионной среды, потребности по сварке и возможности последующей обработки (термообработка и механическая обработка). Этот сплав особенно выгоден, когда решающими являются геометрия профиля экструзии и соотношение прочности к массе в состоянии T6/T651.

Заключение

EN AW-7020 остаётся актуальным конструкционным сплавом, предлагая сбалансированное сочетание высокой удельной прочности, хорошей усталостной стойкости и приемлемой коррозионной стойкости для конструкционных применений, где важна технологичность при экструзии или механической обработке. Контролируемый состав и реакция на термообработку делают его практичной альтернативой сплавам серии 7xxx с более высоким содержанием меди и материалам серии 6xxx с более низкой прочностью в сложных конструкциях с пониженной массой.