Литейные алюминиевые сплавы Литейные алюминиевые <a href=сплавы" title="Литейные алюминиевые сплавы" align="left" width="200" height="150" class=""/>

Современное машиностроение уже невозможно представить без литейных алюминиевых сплавов. Доля отливок из этих сплавов в среднем составляет 60–65 % от валового выпуска отливок из всех цветных сплавов.

В соответствии с ГОСТ 1583–93 все литейные алюминиевые сплавы подразделяются на пять групп:

-    I – сплавы на основе системы Al – Si – Mg;

-    II – сплавы на основе системы Al – Si – Cu;

-    III – сплавы на основе системы Al – Cu;

-    IV – сплавы на основе системы Al – Mg;

-    V – сплавы на основе системы Al – прочие компоненты. Химический состав алюминиевых литейных сплавов и основ

ные механические свойства приведены в табл. 9, а технологические и физические свойства – в табл. 10 и 11.

При комнатной температуре растворимость кремния снижается до 0,01 %. Эвтектика ? + Si содержит 12,5 % Si по массе, или 12,2 ат. %, и плавится при температуре 577 °С. Опыт показал, что эвтектические сплавы, точка эвтектики которых располагается близко к основному компоненту, имеют отличные литейные свойства. Это полностью подтверждается в системе алюминий–кремний. Эвтектический сплав АК12 (АЛ2) имеет лучшую жидкотекучесть из всех алюминиевых сплавов – 420 мм по прутковой пробе. Линейная усадка этого сплава менее 1 %. Горячие трещины в отливках из сплава АК12 не образуются даже в проблемных местах перехода от толстых сечений к тонким частям. Большинство сплавов І группы относится к доэвтектическим силуминам. Все они характеризуются узким интервалом кристаллизации. Литейные свойства лишь немного уступают сплаву АК12. Малая склонность к образованию трещин при затрудненной усадке и рассеянной усадочной пористости позволяют получать из них фасонные отливки с высокой герметичностью. Из сплавов АК7 и АК9 изготовляют корпуса изделий, работающих под повышенным давлением газовых и жидких сред, например, корпуса топливных насосов.

Механические свойства всех силуминов в первую очередь зависят от формы и размеров кристаллов кремния в эвтектике. При медленном охлаждении (литье в песчаноглинистые формы) образуются крупные кристаллы Si игольчатой формы. Это снижает механические свойства силуминов, особенно пластичность. Быстрое охлаждение (литье в кокиль) измельчает структуру, повышает прочность и пластичность. Еще более эффективно модифицирование расплава натрием, стронцием или другими модификаторами. Толстостенные отливки получают только из модифицированных силуминов.

Термическая обработка простых (двойных) силуминов упрочняющего эффекта не дает. Отливки из сплава АК12 используют либо без термической обработки, либо подвергают отжигу (режим Т2), который позволяет повысить пластичность. Введение в доэвтектические силумины магния в количестве 0,17–0,55 % приводит к образованию дополнительной фазы Mg2Si, с переменной растворимостью в твердом растворе ?Al, что повышает упрочняемость в процессе ТО по режимам Т4, Т5, Т6. Из тройной диаграммы Al – Si – Mg, приведенной на рис. 9, видно, что других соединений в приведенной части системы нет. Равновесная растворимость Mg не превышает 0,5–0,6 %. Фактическая растворимость при реальных скоростях охлаждения значительно ниже. Избыточное количество Mg (сверх растворимости) выделяется в виде крупных скоплений Mg2Si. Это приводит к росту прочности, но снижению пластичности силуминов. Если от сплава требуется высокая прочность, то содержание Mg выбирают на верхнем пределе, а если требуется сохранить пластичность, то его содержание ограничивают до 0,2–0,3 %.

Литейные алюминиевые <a href=сплавы" title="Литейные алюминиевые сплавы" width="403" height="257" class=""/>

1%                  10                         20                        30                       Si %

Рис. 9. Алюминиевый угол диаграммы состояния системы Al – Si – Mg

Упрочняющее влияние фазы Mg2Si растет при повышении содержания Si, однако это сопровождается повышением склонности к образованию газоусадочной пористости и концентрированных усадочных раковин. В связи с этим Mg вводят только в сплавы, содержащие не более 10 % Si. В сплаве АК12 магний не допускается даже в примесях.

Наиболее вредной примесью для силуминов является железо. Образующаяся тройная фаза AlFeSi кристаллизуется в форме грубых игольчатых включений, резко снижающих пластичность.

Для нейтрализации вредного влияния железа в сплавы вводят 0,2–0,5 % Mn (АК9) или 0,15–0,4 % Be (АК8), которые образуют более сложные фазы, кристаллизующиеся в компактной форме. Измельчение структуры, например, в результате увеличения скорости охлаждения также уменьшает вредное влияние Fe. В связи с этим в сплавах, предназначенных для литья в кокиль или ЛПД, допускается более высокое содержание Fe, чем в сплавах для литья в песчаные формы. Повышенное содержание Fe в расплаве при ЛПД даже полезно, так как способствует повышению стойкости прессформ.

Микроструктура силуминов показана на рис. 10. В доэвтектических сплавах видны дендриты твердого раствора ? и эвтектика ? + Si (рис. 10, а). При увеличении содержания кремния растет количество эвтектики (рис. 10, б). В сплаве эвтектического состава (рис. 10, в) хорошо видны игольчатые кристаллы кремния, которые равномерно распределены в твердом растворе ?. В завтектических силуминах (рис. 10, г) появляются компактные кристаллы первичного Si.

К недостаткам силуминов можно отнести повышенную склонность к насыщению водородом и, как следствие, повышенную склонность к образованию газовой пористости. Сплавы плохо обрабатываются резанием. Изза выкрашивания частиц хрупкого кремния обработанные поверхности имеют повышенную шероховатость. Силумины плохо свариваются.

Сплав АК12 (АЛ2) является наименее прочным из силуминов (см. табл. 9). Эвтектический состав обеспечивает ему лучший комплекс литейных свойств. Он нашел самое широкое применение в машиностроении и приборостроении для литья деталей любой сложности, не несущих больших нагрузок. Рабочие температуры не выше 200 °С.

полностью переходит в твердый раствор. Если не проводить искусственное старение, то постепенно произойдет естественное старение, при этом возможно коробление деталей. Большое количество эвтектики определяет хорошие литейные свойства сплава. Кроме того, он обладает высокой герметичностью, хорошей коррозионной стойкостью, свариваемостью газовой и аргоннодуговой сваркой. Сплав рекомендуется применять в модифицированном состоянии. Механические свойства сплава средние, обрабатываемость резанием удовлетворительная. Механические и некоторые другие свойства, например герметичность, повышаются при снижении количества примесей.

Высокая технологичность сплава способствует его широкому применению в различных отраслях промышленности для литья сложных по конфигурации средненагруженных деталей приборов, агрегатов и двигателей, работающих при температурах не выше 200 °С. Сплавы АК7ч и АК7пч (АЛ91) используют для деталей более ответственного назначения.

Сплав АК9 (АЛ4) отличается от АК7 повышенным содержанием кремния и наличием марганца. Марганец введен для нейтрализации вредного влияния примеси железа. Железосодержащая фаза AlSiFe кристаллизуется в виде крупных пластинчатых частиц (рис. 11, а), которые снижают прочность и особенно – пластичность сплава. При наличии марганца образуется четверное соединение AlSiMnFe в более благоприятной компактной форме (рис. 11, б).

Сплав АК9 и его модификации АК9ч, АК9пч являются одними из наиболее прочных силуминов. Для устранения грубокристаллического строения эвтектики сплав необходимо модифицировать. Эффект модифицирования можно заметить, сравнив структуру сплава в литом состоянии (см. рис. 10, б) со структурой сплава, модифицированного натрием (см. рис. 11, б).

Литейные алюминиевые <a href=сплавы" title="Литейные алюминиевые сплавы" width="418" height="196" class=""/>

а                                                    б

Рис. 11. Эффективность модифицирования силуминов:

а    немодифицированный сплав, содержащий 1,5 % Fe Ч 250;

б модифицированный сплав АК9

Модификатор измельчает кристаллы кремния в эвтектике и железистую фазу. Для устранения склонности к газовой пористости процесс кристаллизации крупногабаритных отливок осуществляется под повышенным давлением в автоклаве, что предотвращает выделение растворенного водорода и способствует получению плотных отливок. Из сплава отливают крупные и средние детали сложной конфигурации (корпуса насосов, картеры, блоки цилиндров двигателей и т.д.), работающие в условиях значительных нагрузок и внутренних давлений при температурах не выше 200 °С.

Сплавы АК8л (АЛ34) и АК10Су применяются реже, чем другие силумины. Они имеют более сложную технологию плавки и литья. В сплав АК8л введен бериллий, который обладает лучшей способностью к нейтрализации железа, снижает окисляемость сплава, но одновременно приводит к росту зерна. Для измельчения структуры в сплав добавлен титан. По прочности АК8л существенно превосходит сплавы АК7 и АК9. Он предназначен для литья сложных по конфигурации  и  крупных  корпусных  деталей,  работающих  под

большим внутренним давлением газа или жидкости и испытывающих большие напряжения при эксплуатации.

Сплавы II группы (АК5М, АК5Мч, АК5М2, АК5М7, АК6М2, АК8М, АК5М4, АК8М3, АК8М3ч, АК9М2, АК12М2, АК12ММгН, АК12М2МгН, АК21М2,5Н2,5) в качестве основных компонентов содержат кремний от 4 до 22 % и медь от 0,5 до 8 %. Медистые силумины представляют собой наиболее многочисленную группу алюминиевых сплавов. В зависимости от состава свойства этих сплавов меняются в широких пределах. По сравнению с обычными силуминами с одинаковым содержанием кремния, эти сплавы отличаются повышенной прочностью и твердостью, что объясняется большим пересыщением твердого раствора ?. По этой же причине медистые силумины могут работать при более высоких температурах, чем простые силумины. Повышению жаропрочности способствует и появление новых упрочняющих фаз, таких как CuAl2. В ГОСТ 1583–93 остался только один сплав АК8М3 тройной системы Al – Si – Cu. Все остальные содержат еще однудве добавки: магний, марганец и др.

В связи с более сложным составом все сплавы II группы имеют многофазную структуру. Основными структурными составляющими являются первичные кристаллы твердого раствора ?, двойная эвтектика ? + Si и тройная эвтектика ? + Si + CuAl2. В сплавах, содержащих Mg, появляется и четверная эвтектика ? + Si + CuAl2 + Mg2Si. Примеси железа образуют игольчатые включения железистой составляющей (AlFeSi). Добавки марганца, как и в простых силуминах, придают железистой составляющей (AlFeSiMn) более компактную форму, в меньшей степени снижающую пластичность.

На рис. 12 приведена микроструктура сплава АК5М2. Она представляет собой дендриты ? – твердого раствора с игольчатой эвтектикой ? + Si. Кроме того, заметны включения фазы CuAl2 и железосодержащие фазы.

Литейные алюминиевые <a href=сплавы" title="Литейные алюминиевые сплавы" width="254" height="252" class=""/>

Рис. 12. Микроструктура сплава АК5М2

Структура заэвтектического силумина АК21М2,5Н2,5 содержит кристаллы первичного кремния и эвтектику ? + Si. Добавки никеля в этом сплаве создают своеобразный каркас из дополнительной никелевой фазы, которая существенно повышает жаропрочность.

Все сплавы II группы, несмотря на существенные различия в химическом составе, имеют узкий интервал кристаллизации и сохраняют отличные литейные свойства. Жидкотекучесть лишь немного хуже, а линейная усадка чуть больше, чем у простых силуминов. Сплавы более склонны к образованию усадочных дефектов и горячих трещин при затрудненной усадке. Краткая характеристика некоторых медистых силуминов приведена ниже.

Сплав АК5М (АЛ5) обладает достаточно высокой прочностью при комнатной температуре (не менее 235 МПа, ТО по режиму Т6) и повышенной жаропрочностью. К недостаткам сплава относится низкая пластичность и пониженная коррозионная стойкость, которую можно повысить более чем в 2 раза путем снижения содержания железа. Сплав обладает хорошими литейными свойствами. Герметичность его несколько хуже, чем у простых силуминов. Сплав

практически не склонен к образованию горячих трещин. Он хорошо обрабатывается резанием, удовлетворительно сваривается аргоннодуговой сваркой. Сплав предназначен для литья средненагруженных деталей, работающих при температурах не выше 250 °С (головки цилиндров, детали агрегатов и т.д.).

Аналогичный по составу сплав АК5Мч отличается от прототипа низким содержанием примесей и добавкой титана, который измельчает зерно и повышает прочность и пластичность.

Сплав АК8М (АЛ32) характеризуется сочетанием достаточно высоких значений прочности и пластичности при комнатной и повышенных температурах. Для него характерны хорошие литейные свойства и удовлетворительная коррозионная стойкость. Герметичность сплава близка к герметичности сплава АК12. Горячеломкость, линейная и объемная усадки такие же, как у сплава АК9. Сплав применяют для изготовления деталей агрегатов и приборов, работающих при температуре до 150 °С.

Сплав АК8М3ч (ВАЛ8) относится к группе высокопрочных. Высокая прочность достигнута в результате дополнительного многокомпонентного макро(медь, цинк) и микролегирования (бериллий, титан и бор) базовой системы Al – Si – Mg. Огромное влияние на прочностные характеристики этого сплава оказывают и термовременные параметры термической обработки. Совместное введение меди и цинка обеспечивает существенный прирост прочности при сохранении пластичности. Медь и магний влияют на эффективность ТО. Бериллий нейтрализует вредное влияние железа, снижает окисляемость сплава в жидком состоянии и повышает коррозионную стойкость. Бор и титан оказывают модифицирующий эффект. Наибольшая прочность (выше 400 МПа) достигается при термообработке по режиму Т5 (закалка и старение при 160 °С, 8 ч). Сплав рекомендуется для производства силовых и герметичных деталей с рабочими температурами до 250 °С. Он может заменить (унифицировать) собой все остальные медистые силумины. По комплексу технологических свойств сплав АК8М3ч превосходит все другие сплавы этой группы. Приготовление сплава не требует специального

оборудования, но все же технология его плавки и литья более трудоемка. Из экономических соображений использование только сплава АК8М3ч нецелесообразно. Отливки менее ответственного назначения можно изготовлять из более простых сплавов.

  • Читать все новости