Алюминиевые литейные сплавы. Их марки, состав, свойства, применение. Модифицирование и термическая обработка силумина.

Химический состав и механические свойства некоторых промышленных литейных сплавов приведены в табл. 13.4. Для литейных алюминиевых сплавов наиболее распространена классификация по химическому составу (Аl-Si, Аl-Сu и Аl-Mg).

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Аl-Si (силумины). Высокая жидкотекучесть, малая усадка, отсутствие или низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов. В двойных сплавах А1 - Si эвтектика состоит из твердого раствора и кристаллов практически чистого кремния (рис. 13.6, а),
в легированных (АК9ч и др.) помимо двойной имеются тройные и более сложные эвтектики.

Плотность большинства силуминов 2650 кг/м3, т.е. меньше плотности чистого алюминия (2700 кг/м3). Они хорошо свариваются.
Механические свойства зависят от химического состава, технологии изготовления (модифицирования, способа литья и т.д.), а также термической обработки (см. табл. 13.4). В двойных силуминах с увеличением содержания кремния до эвтектического состава снижается пластичность и повышается прочность. Появление в структуре сплавов крупных кристаллов первичного кремния вызывает снижение прочности и пластичности (рис. 13.7). Несмотря на увеличение растворимости кремния в алюминии от 0,05% при 200°С до 1,65% при эвтектической температуре, двойные сплавы не упрочняются термической обработкой. Это объясняется высокой скоростью распада твердого раствора, который частично происходит уже при закалке, а также большой склонностью к коагуляции стабильных выделений кремния. Единственным способом повышения механических свойств этих сплавов является измельчение структуры путем модифицирования.

Силумины обычно модифицируют натрием, который в виде хлористых и фтористых солей вводят в жидкий сплав в количестве 2 - 3 % от массы сплава. Помимо модифицирующего действия натрий сдвигает эвтектическую точку в системе Аl-Si в сторону больших содержаний кремния (рис. 13.8). Благодаря этому эвтектический по составу сплав (АК12) становится доэвтектическим. В его структуре помимо мелкокристаллической эвтектики появляются первичные кристаллы мягкой пластичной фазы — твердого раствора (рис. 13.6, б). Все это приводит к увеличению
пластичности и прочности (см. рис. 13.7, табл. 13.4).

Модифицируют как двойные, так и легированные силумины, содержащие более 5 - 6 % Si. Для легирования силуминов часто используют Mg, Сu, Mn, Ti; реже — Ni, Zr, Сr и др. Растворяясь в алюминии, они повышают прочность и твердость силуминов. Кроме того, медь улучшает обрабатываемость резанием, титан оказывает модифицирующее действие. Медь и магний, обладая переменной растворимостью в алюминии, способствуют упрочнению силуминов при термической обработке, как правило, состоящей из закалки и искусственного старения. Температура закалки различных силуминов находится в пределах 515 - 535°С, температура старения — в интервале 150 - 180°С. Грубокристаллическая структура литейных сплавов требует больших выдержек при нагреве под закалку (5 - 10 ч) и при старении (10-20 ч). Переходные металлы, например, Mn, Ti, Zr, способствуют получению пересыщенных твердых растворов при кристаллизации в условиях больших скоростей охлаждения, что вызывает некоторое упрочнение сплавов при старении без предварительной закалки.

Из легированных силуминов средней прочности наибольшее применение в промышленности нашли сплавы с добавками магния (АК7ч), магния и марганца (АК9ч). Наибольшее упрочнение вызывает метастабильная β’-фаза (Mg2Si).

Легированные силумины применяют для средних и крупных литых деталей ответственного назначения: корпусов компрессора, картеров, головок цилиндров. Высокопрочный сплав АК8М, разработанный в МВТУ им. Н.Э. Баумана, предназначен для литья под давлением. Сплав обладает хорошими литейными свойствами, обрабатываемостью резанием, свариваемостью и коррозионной стойкостью Марганец и титан, а также большак скорость кристаллизации при литье пол давлением способствуют получению метастабильной структуры при отливке деталей. Это дает возможность упрочнять отливки путем искусственного старения без предварительной закалки. Упрочнение вызывают θ- и β-фазы (CuAl2 и Mg2Si). Наилучшим является старение при 175°С в течение 8 ч, когда выделяются метастабильные θ’- и β'-фазы; при этой σв увеличивается на 30 - 40 МПа, НВ - на 18.

При изготовлении деталей другими методами литья сплав АК8М подвергают полной упрочняющей термической обработке — закалке от 515 ± 5°С и старению при 175 °С.

Сплав АК8М применяют для литья иод давлением нагруженных деталей, например блоков цилиндров, головок блоков и других деталей автомобильных двигателей.

Сплавы системы AI-Сu (АМ4,5; AM5) характеризуются высокой прочностью при обычных и повышенных температурах; они хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Вместе с тем из-за отсутствия эвтектики сплавы обладают плохими литейными свойствами, имеют низкую герметичность. Кал и деформируемые сплавы этой системы, они имеют структуру твердого раствора, но отличаются повышенным содержанием меди (см. рис. 13 4, в). Эвтектика в данной системе (в отличие
от силуминов) образуется при высоком содержании меди (33%), поэтому имеет большое количество твердой и хрупкой θ-фазы (CuAl2), вызывающей хрупкость эвтектических сплавов.

Литейные и механические свойства сплавов системы Аl-Сu улучшаются в результате легирования титаном и марганцем (АМ5). Марганец, образуя пересыщенный твердый раствор при кристаллизации из жидкого состояния, способствует значительному упрочнению сплава. Во время нагрева сплава под закатку наряду с растворением θ-фазы из твердого раствора выпадают мелкодисперсные частицы фазы Al12Mn2Cu, увеличивающие прочность при обычных и повышенных температурах. Например, после закалки сплав АМ5 имеет следующие механические свойства:
σв = 320 МПа; σ0,2 = 180 МПа; δ = 9%; 80 НВ. При последующем искусственном старении происходит дальнейшее упрочнение сплава, вызываемое уже θ-фазой, так предел текучести увеличивается почти на 40%, достигая 250 МПа. Сплавы системы Аl-Сu используют для деталей, работающих при температурах до 300 °С.

Сплавы системы Аl-Mg (АМг, АМг10) обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошей обрабатываемостью резанием. Они не содержат в структуре эвтектики по той же причине, что и сплавы системы А1 - Си, и характеризуются невысокими литейными свойствами, пониженной герметичностью и, кроме того, повышенной чувствительностью к примесям Fe, Si, которые образуют в этих сплавах нерастворимые фазы, снижающие пластичность сплавов.

Для того чтобы предотвратить окисление, плавку и разливку двойных сплавов алюминия с магнием АМг необходимо вести под защитными флюсами. Легирование двойных сплавов Be, Ti, Zr не только устраняет их склонность к окислению и росту зерна, по и тормозит естественное старение, вызывающее снижение пластичности и вязкости сплавов. Наилучшие механические свойства сплавы системы Аl-Mg приобретают после закалки от 530 °С, когда весь магний находится в твердом растворе.

Сплавы системы Аl-Mg применяют для изготовления деталей, работающих в условиях высокой влажности, в су до-, самолето- и ракетостроении. Из них делают детали приборов, вилки шасси и хвостового оперения, штурвалы и др.