Литейные алюминиевые сплавы.

Сплавы алюминия фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин, а также прочностью в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии.

Высокими литейными свойствами обладают сплавы, содержащие эвтектику в структуре. Поэтому содержание легирующих элементов в литейных сплавах Al выше, чем в деформируемых. В настоящее время применяют сплавы следующих систем Al-Si, Al-Cu, Al-Mg, т.е. системы с узким интервалом кристаллизации.

Однако у систем Al-Cu, Al-Mg механические свойства сплавов эвтектической концентрации неудовлетворительны и поэтому такие сплавы (по химическому составу близкие к эвтектической) применяются редко.

Исключение составляет система Al-Si, сплавы которой получили название силуминов. Эвтектика в этой системе имеет сравнительно низкое содержание кремния (11,6%) в то время как в системе Al-Cu эвтектика содержит 33%Сu, а в системе Al- Mg 34,5% Mg.

Поэтому силумины обладают достаточно высокими механическими свойствами особенно после модифицирования.

Маркируются литейные алюминиевые сплавы буквами АЛ, после которых ставится цифра, обозначающая порядковый номер сплава по ГОСТ 1583-93: АЛ1, АЛ2, АЛ3, АЛ4…..АЛ9, АЛ11, АЛ12.

Сплав АЛ2 является типичным силумином, содержащим 10-13% кремния. Структура его представляет собой грубую игольчатую эвтектику Al-Si и включения первичного кремния. Механические свойства АЛ2 с такой структурой σ_В=140 МПа, δ=3%.

Для получения необходимых механических свойств технический силумин АЛ2 модифицируют незначительным (0,01%) количеством Na в виде смеси 2/3 NaF+1/3NaCl. Модифицирование понижает температуру эвтектического превращения и смещает вправо концентрацию эвтектического сплава. Т.е. сплав АЛ2 с концентрацией кремния 10-13% становится доэвтектическим со структурой – первичные выделения Al и мелкозернистая эвтектика. Измельчение эвтектики при модифицировании объясняется образованием силицида натрия (Na₂Si), который «обволакивает» кристаллы кремния и затрудняет их рост. Отсутствие первичных выделений кремния и более мелкая структура эвтектики позволяют повысить σ_В до 180 МПа, а δ до 8%.

При более высоких требованиях к прочностным свойствам применяют специальные доэвтектические силумины с 4-10% кремния и добавками меди, магния, марганца (АЛ3, АЛ4, АЛ5, АЛ6, АЛ9).

При добавлении Mg в сплавы Al-Si образуется соединение Mg₂Si, и сплав приобретает способность упрочняться при термической обработке. К таким сплавам относятся специальные силумины АЛ4 и АЛ9, которые содержат несколько пониженное (по сравнению с АЛ2) количество кремния, соответственно 8,0 – 10,5% и 6,0-8,0%, а также 0,2 – 0,4% Mg и до 0,5% Mn. Повышенное содержание Mn позволяет уменьшить вредное влияние железа, понижающего пластичность сплавов.

Силумины АЛ4 и АЛ9 обладают хорошими литейными и механическими свойствами, например, АЛ4 после модифицирования, закалки с 535⁰С в горячей (50-100⁰С) воде и старения при 175⁰С в течение 15 часов имеет σ_В =260 МПа, σ_0,2 =200 МПа, δ =4%.

Сплавы АЛ4 и АЛ9 применяют для изготовления крупных и средних деталей, испытывающих большие нагрузки, а также деталей, работающих при температурах до 200⁰С (например, головки цилиндров двигателей жидкостного охлаждения).

Силумины АЛ3, АЛ5, АЛ6 – низкокремнистые (4,0-6,0%) сплавы, дополнительно легированные медью (от 1,5 до 3,5%), а также Mn и Mg в небольших (до 0,5-0,8%) количествах. Они обладают худшими литейными, но лучшими механически свойствами по сравнению с АЛ2.

И, наконец, последний из силуминов АЛ11 – цинковистый силумин, в который вводят 6,0-8,0% Si и от 10 до 14% цинка, который существенно улучшает литейные свойства. Сплав АЛ11 используют при изготовлении особо сложных отливок.

Силумины хорошо сопротивляются коррозии во влажной атмосфере и морской среде, удовлетворительно обрабатываются резанием, обеспечивают герметичность отливок, свариваются газовой и аргонно-дуговой сваркой. К их недостаткам можно отнести склонность к образованию газовой порочности в крупных отливках.

Остальные сплавы на основе алюминия не содержат кремний как присадку и к силуминам не относятся.

Сплавы системы Al-Cu АЛ12 и АЛ7 существенно различаются между собой не только содержанием меди – у АЛ7 – 4-5%, а у АЛ12 – 9-11%, но и механическими и технологическими свойствами после закалки и старения.

Для литых деталей, продолжительно работающих при 275-320⁰С (поршни, головки цилиндров, детали реактивных двигателей и т.д.), применяют сплавы, содержащие в качестве упрочняющих фаз Al₆Cu₅Ni, Al₃(Cu, Ni)₂ и другие. Эти фазы обладают малой склонностью к коагуляции и образуют дисперсные разветвленные выделения, блокирующие зерна твердого раствора. Так, в качестве жаропрочного сплава широко используют сплав АЛ1 (3,75 – 4,5% Cu; 1,25-1,75% Mg; 1,75-2,25% Ni).

Сплав обладает удовлетворительными литейными свойствами, хорошей свариваемостью и обрабатываемостью резанием, но пониженной герметичностью и коррозионной стойкостью. После закалки с 515⁰С и старения при 220⁰С механические свойства после нагрева в течение 100 ч при температуре испытания 250⁰С составляют σ_В =160 МПа и δ=2%, а при 300⁰С σ_В =130 МПа и δ=6%.

Для литья деталей, несущих высокие нагрузки и подверженных действию морской и воздушной атмосферы, применяют коррозионно-стойкий сплав АЛ8, содержащий 9,5-11,5% Mg. После закалки с 430⁰С сплав представляет собой однородный твердый раствор магния в алюминий, что предопределяет его высокую коррозионную стойкость. Временное сопротивление растяжению сплава АЛ8 составляет 300 МПа, относительное удлинение 10-11%. Сплавы алюминия с магнием хорошо обрабатываются резанием, свариваются, но имеют пониженные литейные свойства. В расплавленном состоянии сплав легко окисляется. Для уменьшения окисления в него вводят 0,05-0,07% Ве, а для измельчения зерна такое же количество титана.

В отдельную группу можно выделить антифрикционные алюминиевые сплавы (ГОСТ 14113-78), которые применяют для изготовления монометаллических и диметаллических подшипников методом литья. Основными компонентами сплавов являются олово, медь, никель, кремний, образующие с алюминием гетерогенные структуры.

Чем больше в сплаве олова, тем выше его антифрикционные свойства. Однако в литых сплавах содержание Sn не должно превышать 10-12%, т.к., образующаяся грубая сетка оловянистой составляющей снижает износостойкость и сопротивление усталости при повышении температуры.

Сплавы АО3-1 (2-4% Sn и 0,8-1,2% Cu) и АО9-2 (8-10% Sn и 2,0-2,5% Cu) применяют для отливки манометрических вкладышей и втулок толщиной более 10 мм в транспортном и общем машиностроению, причем при работе в тяжелонагруженных скоростных шинах на рабочую поверхность наносится слой (0,02-0,03 мм) олова или другого мягкого металла.