Литейные алюминиевые сплавы
Действующий в настоящее время ГОСТ 1583-93 «Сплавы алюминиевые литейные» предусматривает деление литейных алюминиевых сплавов на 5 групп:
I – сплавы на основе системы А1 – Si (А1 – Si – Мg)
II – сплавы на основе системы Al – Si – Сu
III – сплавы на основе системы Al – Сu
IV – сплавы на основе системы Al – Mg
V – сплавы на основе системы алюминий – прочие компоненты.
В таблице 7 приведены некоторые марки сплавов этой группы и их химический состав.
Таблица 7 – Марки и химический состав некоторых литейных алюминиевых сплавов
| Группа сплава | Марка сплава | Старая марка сплава | Массовая доля легирующих элементов, % | |||||
| Mg | Si | Mn | Cu | Ti | Прочие | |||
| I | АК12 АК8Л | АЛ2 АЛ34 | – – | 10 – 13 6,5 – 8,5 | – – | – – | – – | |
| II | АК5М АК8М | АЛ5 АЛ32 | 0,5 0,4 | 5,0 8,0 | – 0,4 | 1,2 1,2 | – 0,2 | |
| III | АМ5 АМ4,5Kд | АЛ19 ВАЛ10 | – – | – – | 0,8 0,6 | 5,0 4,8 | 0,3 0,3 | Cd – 0,2 |
| IV | АМг5к АМг10 | АЛ13 АЛ27 | 5,0 | 1,1 – | 0,3 – | – – | – 0,1 | – Be – 0,1 Zr – 0,12 |
| V | АК7Ц9 АЦ4Мг | АЛ11 АЛ24 | 0,2 | – | 0,3 | – | 0,15 | Zn – 9 Zn – 4 |
Характерным представителем алюминиевых литейных сплавов являются силумины – это сплавы алюминия с кремнием. Диаграмма состояния системы «алюминий – кремний» относится к эвтектическому типу (рисунок 13).
Микроструктура литых доэвтектических силуминов, содержащих до 12% Si, состоит из светлых дендритов α-твердого pacтворa кремния в алюминии и двойной (α + Si) эвтектики игольчатого типа, рис. 14, а.
Пояснение: поскольку растворимость Al в Si при комнатной температуре составляет 0,05 % , допустимо считать, что в структуре сплавов при низких температурах присутствует не β-твердый раствор алюминия в кремнии, а практически чистый кремний. Поэтому эвтектика и является механической смесью кристаллов α-твердого pacтворa и кристаллов Si.
Рисунок 13 – Диаграмма состояния “алюминий – кремний”:
а) общий вид;
б) после введения модификатора.
Рисунок 14 – Микроструктура силуминов (справа – схематическое изображение): а) доэвтектический, б) эвтектический
в) заэвтектический, г) модифицированный.
Микроструктура сплава эвтектического состава состоит из эвтектики (a + Si). При обычном способе литья эта эвтектика имеет грубое строение (рис. 14,б). Кремний в ней находится в виде грубых игл.
В силуминах заэвтектического состава первично кристаллизуются многогранные крупные кристаллы Siсветло-серого цвета (рис. 14,в). Кремний хрупок, поэтому силумины имеют низкие механические свойства (sв= 120–160 МПа,d=1–2 %).
Чтобы избавиться от грубой эвтектики и крупных кристаллов первичного Si, а, следовательно, повысить механические свойства, силумины модифицируют, т.е. перед разливкой в расплав вводят небольшое количество модификатора: натрия (0,05 – 0,08 % к массе сплава) или кальция, бора. В результате модифицирования (рис. 13 – пунктир) увеличивается концентрация кремния в эвтектике (с 11,7 % до 15 %) и сплавы переохлаждаются относительно равновесной эвтектической температуры 577°С. Силумины заэвтектического состава, содержащие 11,7 – 15 % Si, становятся доэвтектическими, и в их структуре вместо первичных хрупких кристаллов кремния имеются дендриты пластичного a-твердого раствора (рис. 14,г). Переохлаждение приводит также к формированию в структуре мелкозернистой эвтектики.
Модифицирование улучшает не только механические свойства силуминов (sв=170–200 MПа, d= 3–5 %), но и литейные. Модифицированные силумины хорошо свариваются и имеют высокую коррозионную стойкость.
Для повышения прочности двойные силумины легируют магнием, медью и подвергают термической обработке.
По назначению конструкционные литейные алюминиевые сплавы условно делятся на следующие группы: 1) сплавы, отличающиеся высокой герметичностью (АК12, АК8); 2) высокопрочные жаропрочные сплавы (АМ5, АК5М); 3) коррозионностойкие сплавы (АМг10; АЦ4Мг).
Задания
1. Начертите фрагмент диаграммы состояния Al – Сu (до 10 %Сu). Назовите ее тип и обозначьте фазовый состав областей диаграммы. Определите пределы растворимости меди в Аl по диаграмме состояния Аl – Сu при Ткомн и при Тэвтектики.
2. Нарисуйте схему микроструктуры образцов дуралюмина в закаленном и состаренном состояниях.
3. Начертите диаграмму состояния Al–Si – равновесную и после модифицирования (пунктиром).
4. Нарисуйте схему микроструктур четырех образцов силуминов: доэвтектического, эвтектического, заэвтектического состава и модифицированного. Поясните структурные изменения.
Контрольные вопросы
1. Какими наиболее характерными свойствами обладает алюминий?
2. В какой решетке кристаллизуется алюминий?
3. Какова коррозионная стойкость алюминия, что ее обеспечивает?
4. Где применяется алюминий технической чистоты?
5. Как маркируют алюминий?
6. Какие постоянные примеси содержит алюминий? Как влияют примеси на свойства алюминия?
7. Чем отличается микроструктура алюминия высокой и технической чистоты?
8. Для чего предназначен деформируемый алюминий?
9. От чего зависят механические свойства алюминия?
10. Какие технологические свойствами имеет алюминий?
11. Какие компоненты обычно используют для легирования алюминиевых сплавов?
12. Как классифицируют промышленные алюминиевые сплавы?
13. Какие деформируемые сплавы относятся к термически неупрочняемым, а какие – к термически упрочняемым?
14. Какова структура сплава АМц?
15. Что такое криогенное упрочнение?
16. Какие сплавы называют магналиями? В чем их преимущества?
17. Какие сплавы называют дуралюминами?
18. Какой упрочняющей термообработке подвергают дуралюмины?
19. Что такое закалка? Чем определяется необходимая скорость охлаждения при закалке? При какой температуре наблюдается максимальная скорость превращения при закалке алюминиевых сплавов?
20. Какую структуру имеют закаленные сплавы?
21. Что такое старение?
22. Чем естественное старение отличается от искусственного?
23. Как изменяется предел прочности в Аl – Сu сплавах после операций термической обработки?
24. Что такое инкубационный период в Аl – Сu сплавах и как он используется?
25. Как изменяется прочность дюралюминия при искусственном старении в зависимости от температуры?
26. Что такое перестаривание?
27. Что такое возврат в естественно состаренных сплавах?
28. Какие сплавы называют силуминами?
29. Что такое модифицирование?
30. С какой целью и чем модифицируют силумины?
31. Какова структура модифицированного силумина?
32. Какими компонентами легируют силумины?