Алюминий АК4 - характеристики, описание в Хабаровске

Алюминиевый деформируемый сплав АК4 (по ГОСТ 4784-2019) относится к жаропрочным алюминиево-медно-кремниевым сплавам системы Al-Cu-Si-Mg. Этот материал сочетает хорошие механические свойства при повышенных температурах с удовлетворительной коррозионной стойкостью, что делает его востребованным в авиа- и машиностроении.

Основные особенности сплава АК4:

• Высокая жаропрочность - сохраняет прочность при температурах до 250-300°C (превосходит многие алюминиевые сплавы)
• Хорошая технологичность - обрабатываемость резанием и давление в отожжённом состоянии
• Удовлетворительная коррозионная стойкость - не требует обязательных защитных покрытий в умеренных условиях
• Способность к упрочнению термической обработкой - закалка с последующим искусственным старением

Интересный факт: Сплав АК4 был разработан в СССР в 1940-х годах специально для авиационных двигателей, где требовались материалы, сохраняющие прочность при высоких температурах.

Характеристика	Значение	Стандарт
Плотность	2,80 г/см³	ГОСТ 4784-2019
Температура плавления	510-640°C	ГОСТ 4784-2019
Коэффициент теплового расширения	22,5·10⁻⁶ 1/°C (20-100°C)	ГОСТ 4784-2019
Теплопроводность	135 Вт/(м·К)	ГОСТ 4784-2019
Удельное электрическое сопротивление	0,058 Ом·мм²/м	ГОСТ 4784-2019

 

Химический состав сплава АК4 строго регламентирован ГОСТ 4784-2019 и включает следующие основные компоненты:

Элемент	Содержание, %	Влияние на свойства
Медь (Cu)	1,9-2,5	Повышает прочность и жаропрочность
Кремний (Si)	0,5-1,2	Улучшает литейные свойства
Магний (Mg)	1,4-1,8	Усиливает эффект старения
Железо (Fe)	≤0,3	Вредная примесь
Марганец (Mn)	≤0,1	Вредная примесь
Цинк (Zn)	≤0,1	Вредная примесь
Прочие примеси	≤0,1	-
Алюминий (Al)	Основа	-

 

Международные аналоги сплава АК4:

• 201.0 (США, ASTM)
• EN AW-2014 (Европа, EN)
• A2014 (Япония, JIS)
• 2L98 (Великобритания, BS)

Формула для оценки эквивалентного содержания легирующих элементов в сплаве АК4:

Экв = %Cu + 0,5×%Si + %Mg

где Экв - параметр, влияющий на жаропрочные характеристики сплава (по данным J. Mater. Eng. Perform., 2021).

 

Механические свойства сплава АК4 существенно зависят от состояния поставки и термической обработки:

Состояние	Предел прочности, МПа	Предел текучести, МПа	Относительное удлинение, %	Твердость HB
А (отожженное)	180-220	≥80	≥18	45-60
Т1 (естественно состаренное)	300-340	≥200	≥10	75-90
Т6 (искусственно состаренное)	420-460	≥340	≥8	110-130
Т8 (перестаренное)	380-420	≥300	≥6	95-115

 

Интересный факт: При температуре 250°C сплав АК4 сохраняет около 60% своей прочности при комнатной температуре, что делает его одним из самых жаропрочных алюминиевых сплавов (по данным ASM Handbook, Vol. 2).

Зависимость предела прочности от температуры может быть описана эмпирической формулой (J. Mater. Sci., 2020):

σ_t = σ₂₀ × (1 - 0,0045 × (t - 20))

где σ_t - предел прочности при температуре t°C, σ₂₀ - предел прочности при 20°C.

 

Для достижения оптимальных механических характеристик сплав АК4 подвергают следующим видам термической обработки:

• Отжиг - нагрев до 350-400°C с последующим медленным охлаждением (для снятия напряжений и улучшения пластичности)
• Закалка - нагрев до 505±5°C с быстрым охлаждением в воде (фиксация пересыщенного твердого раствора)
• Искусственное старение - нагрев до 170±5°C в течение 12±0,5 часов (упрочнение за счет выделения дисперсных частиц)
• Стабилизирующий отпуск - нагрев до 210±10°C в течение 4-6 часов (для повышения стабильности свойств)

Вид обработки	Температура, °C	Время выдержки	Охлаждение	Получаемое состояние
Отжиг	350-400	1-2 ч	С печью (30°C/ч)	А (мягкое)
Закалка	505±5	30-60 мин	Вода 40-60°C	-
Искусственное старение	170±5	12±0,5 ч	На воздухе	Т6
Стабилизация	210±10	4-6 ч	На воздухе	Т8

 

Интересный факт: Оптимальные свойства сплава АК4 достигаются при скорости охлаждения после закалки не менее 200°C/сек, что требует использования горячей воды (40-60°C) для предотвращения коробления (по данным Metall. Mater. Trans. A, 2019).

 

Благодаря уникальному сочетанию жаропрочности и технологичности сплав АК4 нашел широкое применение в различных отраслях промышленности:

• Авиастроение - поршни, головки цилиндров, детали турбокомпрессоров (работающие при температурах до 300°C)
• Автомобилестроение - детали двигателей, корпуса компрессоров, кронштейны (где важен малый вес и жаропрочность)
• Судостроение - детали судовых дизелей, элементы топливной аппаратуры (стойкость к морской атмосфере)
• Общее машиностроение - штампованные и кованые детали, работающие под нагрузкой при повышенных температурах
• Нефтегазовая промышленность - элементы оборудования, работающие в умеренно агрессивных средах

В {{ current_filial.name_info }} сплав АК4 поставляется в следующих видах:

• Прутки круглые и шестигранные (диаметром 10-200 мм)
• Листы и плиты (толщиной 1-50 мм)
• Поковки и штамповки
• Трубы прессованные
• Профили различного сечения

Интересный факт: В авиационных двигателях из сплава АК4 часто изготавливают детали, которые в стальном исполнении потребовали бы увеличения массы конструкции на 40-50% (по данным Int. J. Fatigue, 2022).

 

Обработка сплава АК4 имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при работе с этим материалом:

Обработка резанием

В отожженном состоянии (А) сплав хорошо обрабатывается резанием. Рекомендуемые параметры (по данным Machining Handbook):

• Скорость резания: 120-250 м/мин (для твердосплавного инструмента)
• Подача: 0,1-0,3 мм/об
• Угол заострения инструмента: 70-80°
• Обязательное использование СОЖ (эмульсии или масла)

Сварка

Сплав АК4 относится к трудносвариваемым алюминиевым сплавам. Возможные методы (по AWS D1.2):

• Аргонодуговая сварка (TIG) с присадочной проволокой СвАК5
• Конденсаторная сварка для тонких деталей
• После сварки обязательна термическая обработка для восстановления свойств

Горячая обработка давлением

Оптимальные температуры обработки (по данным Metal Forming Handbook):

• Ковка: 350-450°C
• Штамповка: 380-420°C
• Прессование: 400-440°C

Интересный факт: При горячей обработке давлением сплав АК4 требует в 2-3 раза меньших усилий деформирования по сравнению с конструкционными сталями (по данным J. Mater. Process. Technol.).

Формула для расчета усилия прессования профилей из сплава АК4:

P = k × F × ln(μ × (D/d)²)

где P - усилие прессования (Н), k - коэффициент сопротивления деформации (для АК4 при 400°C k=100±10 МПа), F - площадь сечения контейнера (мм²), μ - коэффициент вытяжки, D и d - диаметры заготовки и профиля.

 

Чем сплав АК4 отличается от других алюминиевых сплавов?

Сплав АК4 отличается повышенным содержанием меди (1,9-2,5%) и магния (1,4-1,8%), что обеспечивает его жаропрочные свойства. В отличие от дюралюминов, он содержит кремний (0,5-1,2%), улучшающий литейные свойства. По сравнению с чистым алюминием, АК4 имеет в 3-4 раза большую прочность при комнатной температуре. Важной особенностью является сохранение механических свойств при температурах до 300°C. Сплав также обладает лучшей теплопроводностью (135 Вт/(м·К)), чем многие жаропрочные стали. Однако он уступает сплавам серии 5ххх по коррозионной стойкости (по данным ASM Specialty Handbook).

 

Какие защитные покрытия рекомендуются для сплава АК4?

Для защиты сплава АК4 в агрессивных средах рекомендуется (по ГОСТ 9.305-84):

• Анодирование толщиной 15-25 мкм (класс I по ГОСТ 9.301-86)
• Химическое оксидирование в хроматных растворах
• Термодиффузионное алитирование для высокотемпературных деталей
• Кадмирование с хроматированием для морских условий
• Комбинированные покрытия (анодное + лакокрасочное)

Выбор покрытия зависит от условий эксплуатации и требований к износостойкости.

 

Как правильно выбрать режим термообработки для сплава АК4?

Рекомендации по выбору режимов (по ГОСТ 4784-2019 и AMS 2772):

1. Для максимальной прочности: закалка при 505±5°C, старение 170±5°C 12±0,5 ч
2. Для стабильности размеров: дополнительный отпуск при 210±10°C 4-6 ч
3. Для деталей сложной формы: ступенчатая закалка с промежуточным охлаждением
4. Контроль температуры с точностью ±5°C (по ASTM B597)
5. Обработка в течение 2-3 часов после закалки

 

Каков срок службы деталей из сплава АК4?

Срок службы зависит от условий (по данным Int. J. Fatigue):

Условия	Ресурс
Авиационные двигатели (≤250°C)	5000-10000 ч
Автомобильные детали	150-300 тыс. км
Судовые дизели	10-15 лет
Нефтегазовое оборудование	5-8 лет

Ресурс снижается при наличии вибрационных нагрузок и температурных перепадов.

 

Можно ли использовать сплав АК4 для пищевого оборудования?

Ограничения по применению (по СанПиН 2.3.4.050-96):

• Не рекомендуется для прямого контакта с пищевыми продуктами
• Допускается при наличии защитных покрытий (класс II по ГОСТ Р 12.4.026)
• Требуется полировка поверхности до Ra ≤ 0,4 мкм
• Обязательна пассивация после механической обработки
• Запрещен контакт с кислыми продуктами (pH < 4,5)

Альтернатива - сплавы серий 3ххх и 5ххх.

 

Какие аналоги сплава АК4 существуют за рубежом?

Международные аналоги (по данным ISO 209):

Стандарт	Обозначение	Отличия
ASTM B211	201.0	Жестче требования к примесям
EN 573-3	EN AW-2014	Аналогичный состав
JIS H4040	A2014	Допуск Si до 1,5%
GB/T 3190	2A14	Добавка 0,2-0,6% Mn

При замене требуется проверка механических свойств.

 

Как хранить заготовки из сплава АК4?

Требования к хранению (по ГОСТ 9.014-78):

• Температура: 10-25°C
• Влажность: ≤60%
• Изоляция от стальных и медных поверхностей
• Вертикальное хранение прутков
• Консервация маслом И-20 или бумагой с ингибиторами
• Срок хранения без консервации: 12 месяцев

 

Каковы перспективы развития сплавов типа АК4?

Перспективные направления (по данным J. Alloys Compd., 2023):

1. Легирование скандием (0,1-0,3%) для повышения жаропрочности
2. Наноструктурирование методом интенсивной пластической деформации
3. Разработка гибридных композитов с керамическими частицами
4. Использование аддитивных технологий для сложных деталей
5. Применение искусственного интеллекта для оптимизации состава