Силумины и другие алюминиевые сплавы для фасонного литья

Под группойалюминиевых сплавов, называемых силуминами, подразумевают сплавы с большим содержанием кремния. Силумины – наиболее распространенные литейные алюминиевые сплавы, широко применяемые только в литом виде (например, в авто- и авиастроении). Реже, кроме силуминов, в качестве литейных алюминиевых сплавов используют сплавы алюминия с медью, магнием и цинком.

Для получения плотной отливки применяют сплавы с узким интервалом кристаллизации (см. рис. 1.11) и, естественно, для этого подходят сплавы эвтектической концентрации.

Эвтектика в системе Al – Si имеет сравнительно низкое содержание кремния, (11,7% Si, тогдакак эвтектика в системе А1 – Сu –33% Сu), и механические свойства эвтектических сплавов (особенно после модифицирования) оказываются достаточно высокими. Силумин нашел широкое применение ввиду такого сочетания высоких литейных и механических свойств.

Термическая обработка литых деталей из алюминиевых сплавов существенно улучшает механические свойства этих сплавов. Предел прочности и относительное удлинение литейных алюминиевых сплавов после термической обработки (закалка с последующим искусственным старением) увеличиваются в два раза.

Термическая обработка алюминиевых литых сплавов, по сравнению с деформированными, имеет ряд особенностей, что объясняется различием в химическом составе, а также тем, что у литых сплавов структура более грубая и крупнозернистая, чем у деформированных.

Температура нагрева под закалку у литых сплавов обычно несколько выше, чем у деформированных, и выдерживать отливки при такой температуре следует более продолжительно. Это обусловлено необходимостью растворения грубых интерметаллических соединений, часто расположенных по границам зерна, и выравнивания концентрации по всему объему зерна.

Литые сплавы почти не подвержены естественному старению, и максимальную прочность получают после искусственного старения в течение 10–20 ч при 150–180°С или при более высокой температуре, но тогда продолжительность старения меньше.

Двойные алюминиевокремнистые (и вообще высококремнистые) сплавы слабо упрочняются в результате закалки и старения, но механические свойства их можно существенно повысить с помощью особой обработки в жидком состоянии. Обычный силумин содержит 12–13% Si и по структуре является заэвтектическим сплавом. Структура его состоит из игольчатой грубой эвтектики А1 + Si и включений первичного кремния (рис. 1.16, а).

Если перед самой отливкой внести в сплав незначительное количество натрия или некоторых других веществ (например, 2/3 NaF + + 1/3 NaCl), то структура резко изменится. Сплав становится доэвтектическим, структура его состоит из светлых первичных выделений алюминия и мелкозернистой эвтектики (см. рис. 1.16, б). Такой процесс называется модифицированием.

Введение модификатора (т. е. указанных выше веществ в количестве до 1% от массы жидкого сплава) затрудняет кристаллизацию кремния. В результате температура выделения кремния и кристаллизации эвтектики понижается (рис. 1.17). Кристаллизация эвтектики происходит при более низких температурах и, следовательно, продукты кристаллизации становятся более мелкозернистыми. Заэвтектический сплав с 12–13% Si, как показано на рис. 1.17, в результате смещения линии начала кристаллизации кремния и кристаллизации эвтектики к более низкой температуре становится доэвтектическим.

Рис. 1.16. Микроструктура литейных сплавов алюминия, × 200: а – немодифицированный силумин; б – модифицированный силумин

Рис. 1.17. Влияние модифицирования на кристаллизацию в системе AI – Si:

1 – без модифицирования; 2 – после модифицирования

Измельчение структуры и отсутствие первичных выделений хрупкого кремния улучшают механические свойства. Так, немодифицированный сплав с 13% Si имеет s_в = 140 МПа при d = 3%. После модифицирования свойства этого сплава следующие: s_в = 180 МПа,
d = 8%.

Двойные алюминиево-кремниевые сплавы, несмотря на их превосходные технологические (литейные) свойства, не могут удовлетворить требованиям во всех случаях, предъявляемым к литейным сплавам в отношении механических свойств. Алюминиево-кремниевые сплавы с 10–13% Si (сплав АЛ2) применяют для отливок сложной формы (не нужны высокие механические свойства). При более высоких требованиях к прочностным свойствам используют специальные силумины – доэвтектические силумины с 4–10% Si с добавкой меди, магния и марганца: сплавы АЛЗ, АЛ4, АЛ5, АЛ6, АЛ9 (табл. 1.7, 1.8).

Механические свойства специальных силуминов в результате термической обработки следующие: s_в = 200–250 МПа, d = 1–6% (ниже механических свойств деформированных сплавов). Это является следствием более грубой структуры, не раздробленной пластической деформацией.

Среди литейных сплавов наиболее высокими механическими и антикоррозионными свойствами обладает сплав алюминия с магнием (АЛ8), содержащий 9,5–11,5 Mg. После закалки прочность его достигает 300 МПа при удлинении 12%. Однако он сплав обладает худшими литейными свойствами, чем другие алюминиевые сплавы.

Таблица 1.7