Химический состав литейных алюминиевых сплавов (гост 1583-93)

Система сплава	Марка сплава	Содержание элементов, %
		Si	Mg	Mn	Cu	Zn
Al–Si	АЛ 2	10…13	–	–	–	–
	АЛ 4	8…10,5	0,17…0,3	0,25…0,5	–	–
Al–Si–Cu	АЛ 5	4,5…5,5	0,35…0,6	–	1…1,5	–
	АЛ 6	4,5…6	–	–	2…3	–
Al–Mg	АЛ 8	–	9,5…11,5	–	–	–
	АЛ 13	0,8…1,3	4,5…5,5	0,1…0,4	–	–
Al–Cu	АЛ 7	–	–	-	4…5	–
	АЛ 19	–	–	0,6…1	4,5…5,3	–
Al–Zn	АЛ 11	6…8	0,1…0,3	–	–	10…14

И

Рис. 77. Диаграммa состояния сплавов Al–Si

з этой группы сплавов важнейшую роль в промышленности играют силумины (система Al–Si), для которых характерны малые температурные интервалы кристаллизации и очень хорошие литейные свойства (рис. 77).

Как видно из табл. 12 и рис. 77 силумины относятся к эвтектическим или доэвтектическим сплавам. Без учета влияния других элементов (кроме кремния) их структура содержит либо эвтектику, состоящую из смеси кристаллов твердого раствора кремния в алюминии Al(Si) и вторичных кристаллов кремния Si_II, либо эвтектику и первичные кристаллы кремния Эвт[Al(Si) + Si_II] + Si. Первая структура характерна для сплава АЛ 2, вторая – для сплава АЛ 4.

Так как кремний имеет переменную растворимость в алюминии, возрастающую до 1,65 % при эвтектической температуре 574 С, то при нагреве сплава до температуры, близкой к эвтектической, и последующем быстром охлаждении можно получить перенасыщенный твердый раствор Al(Si), который при последующем старении распадается с выделением дисперсных частиц кремния.

Однако упрочняющий эффект при этом получается незначительным и практического значения не имеет. Следовательно, простые (двойные) силумины относятся к термически неупрочняемым сплавам. Несколько повысить их прочность и пластичность можно измельчением эвтектических кристаллов путем увеличения скорости охлаждения при кристаллизации или введением незначительных добавок щелочных металлов (натрия, лития, стронция).

Первый способ дает хорошие результаты, но находит ограниченное применение в основном для тонкостенных деталей, отливаемых в металлический кокиль или методом литья под давлением. Второй путь более универсален, так как в этом случае улучшение структуры происходит не от образования каких-либо новых структурных составляющих, а в результате влияния добавок на величину и форму структурных составляющих, образованных другими компонентами.

На практике широко применяется модифицирование силуминов натрием. Введение 0,01 % натрия в сплавы системы Al-Si ведет к резкому измельчению кристаллов эвтектического кремния.

Из других легирующих компонентов в силуминах наиболее часто используется магний и медь. При их введении сплавы становятся термически упрочняемыми. Магний образует фазу Mg₂Si являющуюся эффективным упрочнителем при термообработке. При одновременном введении в сплавы добавок магния и меди могут образовываться упрочняющие фазы Al₂Mg₅Cu₄Si₄ и Al₂Cu.

При закалке сплава АЛ 4 температура нагрева составляет 535±5 С с выдержкой 2…6 часов. Охлаждение осуществляется в горячей воде 50…95 С. Искусственное старение проводится в течение 15 часов при температуре 175 С.

Указанные режимы термообработки используются при необходимости получения максимальных прочностных характеристик. При необходимости получения других характеристик у готовых изделий, применяются другие режимы старения.

Сплавы АЛ 5 и АЛ 6 относятся к низкокремнистым силуминам термически упрочняемым. Кремний и медь в этих сплавах образуют упрочняющие интерметаллидные фазы Mg₂Si и Al₂Cu. Эти сплавы используются для производства методом литья крупных нагруженных деталей различных двигателей, головок и рубашек цилиндров, блоков и картеров двигателей и других ответственных деталей.

Наиболее прочными алюминиевыми сплавами являются сплавы системы Al–Mg (магналии). При высокой прочности эти сплавы обладают значительной пластичностью и имеют высокую коррозионную стойкость.

Основным легирующим элементом магналий является магний, большая часть которого находится в твердом растворе. Фазовый состав состоит из твердого раствора Al(Mg) и интерметаллидов Al₃Mg₂. Cплавы, содержащие магния до 7…8 %, при термообработке не упрочняются. Незначительное упрочнение наблюдается только у сплавов с более высоким содержанием магния. Поэтому сплавы АЛ 13 обычно используются в литом состоянии без термической обработки. Для улучшения литейных свойств в сплав АЛ 13 вводится кремний.

Сплав АЛ 8 при термообработке упрочняется вследствие растворения магния в алюминии. При последующем старении прочность изменяется незначительно, а пластичность снижается существенно. Поэтому он подвергается только закалке при температуре 430±5 С с выдержкой 12…20 часов и последующим охлаждением в масле. После закалки сплавы АЛ 8 естественно стареют. Процесс старения идет длительное время (в течение многих лет), что отрицательно сказывается на пластичности при небольшом приросте прочности.

Сплавы на основе системы Al–Cu (АЛ 7, АЛ 19), в которых содержится 4…5,5 % меди, имеют двухфазную структуру ( + Al₂Cu) и используются в качестве жаропрочных.

Сплав АЛ 7 имеет широкий температурный интервал кристаллизации (90…100 С), что ухудшает литейные свойства. В связи с присутствием в сплаве примесей железа и кремния, помимо упрочняющей фазы Al₂Cu, содержатся нерастворимые фазы Al₇Cu₂Fe и Al(Fe, S), которые располагаются по границам дендритных ячеек и повышают прочность при повышенных температурах. В сплавах АЛ 19 эту роль играет фаза Al₁₂Mn₂Cu.

Закалка сплава АЛ 7 проводится от температуры 515±5 С с выдержкой 10…15 часов и последующим охлаждении в горячей воде. Искусственное старение проводится в течение 2…4 часов при температуре 150±5 С. В тех случаях, когда максимальной прочности не требуется, но необходимо сохранить повышенную пластичность, сплав старению не подвергается.

Сплав АЛ 19 при закалке нагревается до температуры 545± 5 С, выдерживается 5…9 часов и охлаждается в горячей воде. Затем следует старение при температуре 175±5 С в течение 3…5 часов. Поскольку температура нагрева под закалку значительна, а в сплаве могут быть неравновесные эвтектики, плавящиеся при более низкой температуре, нагрев следует проводить ступенчато.

Сплавы АЛ 7 и АЛ 19 используются для изготовления высоконагруженных ответственных деталей, работающих при температурах до 300 С.

К группе цинковистых силуминов относится сплав АЛ 11 со значительным количеством цинка (10…14 %). Цинк, растворяясь в алюминии, упрочняет твердый раствор и значительно повышает механические свойства. Присутствие в сплаве кремния обеспечивает хорошие литейные свойства. Кроме того, сплав модифицируется натрием. Он используется для изготовления крупных тяжелонагруженных изделий.

При создании подшипниковых алюминиевых сплавов используются такие основные легирующие элементы, как медь, никель, сурьма, кремний. Введение в составы сплавов компонентов с низкой температурой плавления (олово, кадмий) или графита повышает сопротивление к схватыванию при сухом или полужидком трении. Цинк и магний увеличивают прочность сплавов и их нагрузочную способность.

Подшипниковые сплавы на основе алюминия обладают рядом до-стоинств, благодаря которым они находят широкое применение в промышленности:

– низкий модуль упругости обеспечивает хорошие условия работы машин и механизмов с повышенным прогибом вала;

– высокая теплопроводность обеспечивает высокую сохранность смазочных материалов в узлах трения;

– относительно высокая прочность;

– широкий диапазон легирования дает возможность создания широкой номенклатуры подшипников для разнообразных технических устройств;

– хорошая технологичность позволяет изготавливать подшипники методами литья, прокатки, прессования и т. д.

Порошковые алюминиевые сплавы относятся к группе сплавов, изделия из которых не могут быть получены традиционными технологиями – литьем слитка с последующей его обработкой давлением, или фасонным литьем. Для обеспечения заданных свойств таких сплавов применяются специальные технологические процессы – гранульная или порошковая металлургия.

Порошковые алюминиевые сплавы в качестве легирующих компонентов содержат либо Al₂O₃, либо в значительном количестве тугоплавкие малорастворимые или не растворимые в твердом алюминии металлы (хром, цирконий, железо, никель и т. д.). Нерастворимые твердые фазы таких элементов (Al₃Zr, Al₇Cr, Al₃Fe), в том числе и Al₂O₃ при их достаточной дисперсности и равномерном распределении в матрице позволяют получать уникальные свойства, которые невозможно достичь при обычном механизме упрочнения – с помощью дисперсных фаз, выделяющихся из твердого раствора в результате закалки и старения.

Для изготовления порошковых алюминиевых сплавов (САП) применяется предварительно окисленная алюминиевая пудра, получаемая спеканием и состоящая из чешуек толщиной 1 мкм. Ее количество составляет от 6 до 22 %. Каждая частичка пудры покрыта тонким слоем окиси алюминия. Поэтому чем тоньше пудра, тем больше суммарная поверхность частиц, тем больше в САПе окиси алюминия.

Порошковые алюминиевые сплавы значительно прочнее деформированного алюминия. Однако многие алюминиевые сплавы при нормальной температуре прочнее САПа. Значит при нормальной температуре последние большого интереса не представляют. Основное преимущество порошковых сплавов – их высокая жаропрочность, которая сохраняется при температурах выше 350 С, т. е. таких температурах, при которых жаропрочные алюминиевые сплавы (Д 16, Д 19, АК 4-1) разупрочняются настолько, что их использование становится невозможным. Сплав САП может работать кратковременно при температуре 1000 С и длительно – при 550 С.

По коррозионной стойкости САП равноценен алюминию с добавками железа и никеля и может длительно эксплуатироваться в паровоздушной среде при 350 С. Он сваривается аргонодуговой сваркой, хорошо обрабатывается резанием. Используется для изготовления дисков компрессоров, лопастей вентиляторов и турбин, болтов, винтов и других изделий.

Гранулированными алюминиевыми сплавами называются сплавы, получаемые из мелких частиц (гранул), отлитых со сверхвысокой скоростью кристаллизации (10³…10⁶) С/с. Такие высокие скорости охлаждения дают возможность легирования алюминиевых сплавов компонентами, малорастворимыми или нерастворимыми в твердом алюминии. В сплавах, имеющих в составе переходные металлы, образуются пересыщенные твердые растворы, содержащие легирующие элементы в количестве значительно превышающем (4…5 раз) их предельную растворимость. Например, предельная растворимость марганца в алюминии составляет 1,4 %. При охлаждении алюминиево-марганцевых сплавов из жидкого состояния со скоростью 10⁴ С/с образуются твердые растворы, содержащие марганца до 5 %. Такие твердые растворы называются аномально пересыщенными. Если обычно при получении алюминиевых сплавов, содержащих марганец, хром, титан, цирконий, ванадий их количество составляет десятые, а иногда и сотые доли процента; то в аномальных пересыщенных твердых растворах содержание увеличивается в несколько раз.

Для получения новых композиций гранулированных сплавов наиболее перспективными являются:

– сплавы алюминия, легированные марганцем, хромом, цирконием, титаном и некоторыми другими переходными металлами, которые имеют в твердом алюминии незначительную растворимость, но при больших скоростях кристаллизации образуют с алюминием аномально пересыщенные твердые растворы:

– сплавы, легированные практически нерастворимыми в алюминии железом, никелем, кобальтом;

– высоколегированные сплавы алюминия с легкоплавкими, практически нерастворимыми в алюминии компонентами – оловом, свинцом, кадмием. Метод гранулирования дает возможность получить в таких сплавах диспергированную гетерогенную структуру с равномерными включениями легирующих компонентов, что важно для подшипниковых материалов;

– термически упрочняемые сплавы на основе систем Al–Zn–Mg–Cu и Al–Cu–Mg с повышенным содержанием переходных металлов. На сплавах этого типа можно получить наиболее высокие значения прочности при хорошей коррозионной стойкости.