3.4. Ливарні алюмінієві сплави

Вироби з таких сплавів виготовляють методом лиття. Такі сплави повинні володіти високою рідкотекучістю, малою усадкою. Найбільш високими ливарними властивостями володіють сплави, в структурі яких формується евтектика.

Промислове застосування знаходять ливарні сплави наступних систем:

1) Al - Si - силуміни, які містять 6...13 % кремнию, а також до 0,5 % магнию і марганцю;

2) Al - Cu, які містять 4...5 % міді, а також 0-1 % марганцю;

3) Al - Mg, які містять 9...12 % магнію.

4) Жароміцні сплави системи Al-Cu-Ni-Mg, які містять 4...6 % Cu, 1...3 % Ni, 1...1,75 % Mg.

Склад і властивості деяких ливарних сплавів наведені в таблиці 3.2. Ливарні сплави маркують, як правило, літерами АЛ (алюмінієвий ливарний).

Сплави системи Al - Si – силуміни.

Сплави алюмінію з кремнієм - силуміни – володіють найкращими ливарними властивостями. Висока рідкотекучість, мала усадка, низька схильність до утворення гарячих тріщин і добра герметичність силумінів пояснюються наявністю великої кількості евтектики, що видно з діаграми стану (рис. 3.7, в). В подвійних сплавах алюмінія з кремнієм евтектика складається з твердого розчину і кристалів практично чистого кремнію (рисунок 3.9). В легованих силумінах, окрім подвійної евтектики можуть бути присутніми потрійні і більш складні евтектики.

Силуміны добре зварюються, добре обробляються різанням при їх легуванні міддю. В подвійних силумінах зі збільшенням вмісту кремнію до евтектичного складу знижується пластичність і підвищується міцність. Поява в структурі сплаву крупних кристалів первинного кремнію викликає зниження як міцності, так і пластичності.

Незважаючи на підвищення розчинністі кремнію в алюмінії від 0,05 при 200°С до 1,65 % при евтектичній температурі, подвійні силуміни не зміцнюються термічною обробкою внаслідок високої швидкості розпаду твердого розчину навіть уже в процесі гартування.

Зміцнити силуміни можна в результаті подрібнення структури шляхом модифікування. Силуміни звичайно модифікують натрієм, який у вигляді хлористих і фтористих солей вводять у рідкий сплав в кількості 2-3 % від маси. Окрім ефекту модифікування, натрій зсуває евтектичну точку в системі Al - Si в напрямку більшого вмісту кремнію і сприяє більшому переохолодженню розплаву при кристалізації (див. схему на рис. 3.10).

а б в

Рисунок 3.9 – Мікроструктура немодифікованих (а – сплав з 4...5% Si, б- сплав з 13% Si) і модифікованого заевтектичного силуміну з 13% Si (в): х200.

Таблиця 3.2 - Хімічний склад і механічні властивості деяких

ливарних алюмінієвих сплавів

Мар-ка	Вміст елементів, %	Механічні властивості				Стан сплаву
спла-ву	мас. (решта- Al)	в Н/мм2	т Н/мм2	, %	НВ
АЛ2 АЛ4 АЛ9 АЛ7 АЛ19 АЛ8 АЛ27	10-13% Si 8-10.5% Si, 0.17-0.3 %Mg, 0.3-0.5% Mn 6-8% Si, 0.2-0.4% Mg 4-5% Cu 4.5-5.3% Cu, 0.6-1.0% Mn, 0.15-0.35 % Ti 9.5-11.5% Mg 9.5-11.5 % Mg, 0.05-0.15% Ti, 0.05-0.2% Zr, 0.05-0.15% Be	130 180 260 220 220 260 360 320 360	20 80 200 120 160 200 250 - 180	2 6 4 2 3 3 3 12 18	50 50 75 50 75 70 100 - 99	Литий,немодифікований Литий, модифікований Литий, модифікований, після гартування і старіння Литий під тиском Литий, після гартування і старіння Після гартування і старіння Після гартування і старіння Литий Після гартування

Т

Без Na

З Na

Al C % Si

Рисунок 3.10 - Схема впливу модифікування натрієм на положення ліній

і точок діаграми стану сплавів системи Al - Si

Завдяки цьому заевтектичний за складом сплав набуває структуру доевтектичного, який характеризується наявністю дрібнокристалічної евтектики і первинних кристалів надлишкової  -фази. (рисунок 3.9, в). Це забезпечує підвищення кк пластичності, так і міцності сплаву. Модифікують як подвійні, так і леговані силуміни, які містять більше ніж 5...6 % кремнію.

Для легування силумінів часто використовують Mg, Cu, Mn, Ti, іноді - Ni, Zr, Cr та інші елементи. При розчиненні в алюмінії вони підвищують міцність і твердість сплавів (див. табл. 3.2). Мідь покращує обробляємість різанням, титан є модифікатором. Мідь і магній, які володіють змінною розчинністю в алюмінії (див. рис. 3.1, 3.8), сприяють зміцненню силумінів в результаті термічної обробки, яка включає гартування (від 515-535°С) і штучне старіння (150-180°С, тривалість до 10-20 год.). Легування силумінів марганцем, титаном, цирконієм сприяє зміцненню сплавів при старінні без попереднього гартування.

Силуміни, насамперед леговані, застосовують для виготовлення середніх і крупних деталей відповідального призначення: корпусів компресорів, картерів, головок циліндрів, блоків цилиндрів та ін.

Сплави системи Al – Cu.

Ці сплави (АЛ7, АЛ19 у табл. 3.2) характеризуються високою міцністю при звичайних і підвищених температурах, переважаючи за цими показниками силуміни. Вони добре обробляються різанням і зварюються. Однак внаслідок відсутністі евтектики ці сплави мають низькі ливарні властивості і низьку герметичність відливків. Структура сплавів складається з кристалів  -твердого розчину і часток зміцнюючих фаз, основною з яких є фаза  -CuAl₂ (див. рис. 3.1, 3.11).

а б

а – сплав АЛ7: кристали - твердого розчину з виділеннями на межах фази CuAl₂: х100;

б – жароміцний сплав АЛ19: на фоні - твердого розчину видно включення фаз CuAl₂, Al₁₂Mn₂Cu та титановой фази TiAl₃: х250

Рисунок 3.11 Мікроструктура ливарних сплавів АЛ7 (а) і АЛ19 (б) у литому стані.

Ливарні і механічні властивості сплавів алюмінія з міддю поліпшуються при їх легуванні Ti и Mn (АЛ19). Марганець сприяє зміцненню сплавів за рахунок виділення часток фази Al₁₂Mn₂Cu. Сплави зміцнюють гартуванням, або гартуванням зі штучним старінням, коли в якості зміцнюючої фази виділяється фаза  (CuAl₂).

Сплави системи Al - Cu застосовують в основному для виготовлення невеликих виробів простої форми, які працюють при температурах до 300°С.

Сплави системи Al – Mg.

Такі сплави (наприклад, АЛ8, АЛ27, табл. 3.2) володіють високими корозійною стійкістю, міцністю, в’язкістю і добре обробляються різанням. При звичайному вмісті магнію (9-12 %) сплави не мають в структурі евтектики (див. рис. 3.8, б), тому характеризуються невисокими ливарними властивостями, зниженою герметичністю відливків, а також підвищеною чутливістю до наявністі домішок (заліза, кремнію), які утворюють нерозчинні фази, які знижують пластичність сплавів. Зміцнення сплавів забезпечується за рахунок легування твердого розчину і виділення часток зміцнюючих фаз, насамперед, фази  - Mg₅Al₈ (рисунок 3.12).

Рисунок 3.12 – Мікроструктура ливарного сплаву системи Al-Mg АЛ8 (10% Mg) у литому стані; на фоні кристалів - твердого розчину видно світлі виділення фази  (Mg₅Al₈) і окремі включення Mg₂Si: х150.

Для запобігання окислення плавку і розливання сплавів алюмінія з магнієм необхідно вести під захисними флюсами. Легування подвійних сплавів Be, Ti, Zr не тільки усуває їх схильність до окислення і зростання зерна, але й гальмує природне старіння сплавів, яке викликає зниження їх пластичності і в’язкості. Найкращі механічні властивості сплави алюмінію з магнієм набувають після гартування від 530°С, коли увесь магній знаходиться у твердому розчині.

Сплави системи Al - Mg використовують для виготовлення деталей, які працюють в умовах высокої вологості, у судно-, літако- і ракетобудуванні. З них виготовляють деталі приладів, вилки шассі і хвостового оперення, штурвали та інші вироби.

Жароміцні ливарні сплави на основі алюміннія.

Це сплави системи Al - Cu - Ni – Mg, які звичайно містять 4...6 % Cu, 1...3 % Ni, 1...1.75 % Mg (например, сплав АЛ1), які можуть додатково вміщувати також Mn, Zr, Ce і інші елементи (наприклад, сплав АЛ33, який містить 5,8 % Cu, 0,8 % Mn, 1 % Ni, 0,2 % Zr, 0,2 % Ce ). Сплави зміцнюють гартуванням від 525С з подальшим старінням або відпуском (230-300°С). Такі сплави застосовують для відливання поршней, головок циліндрів, які працюють при температурах до 300°С.