3.4. Литейные алюминиевые сплавы

Изделия из таких сплавов изготавливают методом литья. Такие сплавы должны обладать высокой жидкотекучестью, малой усадкой. Высокими

литейными свойствами обладают сплавы, в структуре которых формируется эвтектика.

Промышленное применение находят литейные сплавы следующих систем:

1. Al - Si - силумины (АЛ2, АЛ4, АЛ9 и др.), содержащие 6 - 13 % кремния, а также до 0,5 % магния и марганца;

2. Al - Cu ( АЛ7, АЛ19 и др.), содержащие 4 - 5 % меди, а также 0-1 % марганца;

3. Al - Mg (АЛ8, АЛ27 и др.), содержащие 9 - 12 % магния.

4. Жаропрочные сплавы системы Al - Cu - Ni - Mg (АЛ1, АЛ33 и др.), содержащие 4-6 % Cu, 1-3 % Ni, 1-1.75 % Mg.

Состав и свойства ряда литейных сплавов приведены в таблице 3.2. Литейные сплавы маркируют буквами АЛ (алюминиевый литейный).

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы алюминия с кремнием -силумины. Высокая жидкотекучесть, малая усадка, низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики, что видно из диаграммы состояния (рис. 3.2, в). В двойных сплавах алюминия с кремнием эвтектика состоит из твердого раствора и кристаллов практически чистого кремния. В легированных силуминах (АЛ4 и др.) помимо двойной имеются тройные и более сложные эвтектики.

Силумины хорошо свариваются, хорошо обрабатываются резанием при их легировании медью. В двойных силуминах с увеличением содержания кремния до эвтектического состава снижается пластичность и повышается прочность. Появление в структуре крупных кристаллов первичного кремния вызывает снижение как прочности, так и пластичности.

Несмотря на повышение растворимости кремния в алюминии от

0,05 при 200°С до 1,65 % при эвтектической температуре, двойные силумины не упрочняются термической обработкой из-за высокой скорости распада твердого раствора даже уже в процессе закалки.

Упрочнить силумины можно в результате измельчения структуры путем модифицирования. Силумины обычно модифицируют натрием, кото-

рый в виде хлористых и фтористых солей вводят в жидкий сплав в количестве 2-3 % от массы. Кроме модифицирующего эффекта, натрий сдвигает эвтектическую точку в системе Al - Si в сторону больших содержаний кремния и способствует большему переохлаждению расплава при кристаллизации (см. схему на рис. 3.3). Благодаря этому заэвтектический по составу сплав приобретает структуру доэвтектического, характеризующуюся наличием мелкокристаллической эвтектики и первичных кристаллов избыточной  -фазы. Это приводит к повышению как пластичности, так и про-чности сплава. Модифицируют как двойные, так и легированные силумины, содержащие более 5-6 % кремния.

Таблица 3.2 - Химический состав и механические свойства ряда

литейных алюминиевых сплавов

Мар-ка	Содержание элементов, %	Механические свойства				Состояние сплава
спла-ва	мас. (осталь-ное - 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	Литой,немодифицир Литой,модифицир. Литой,модифицир., после закалки и старения Литой под давлен. Литой, после закалки и старения После закалки и старения После закалки и старения Литой Закаленный

Для легирования силуминов часто используют Mg, Cu, Mn, Ti, реже - Ni, Zr, Cr и другие элементы. Растворяясь в алюминии, они повышают прочность и твердость сплавов (см. табл. 3.2). Медь улучшает обрабатывае-

мость резанием, титан является модификатором. Медь и магний, обрадая переменной растворимостью в алюминии (см. рис. 3.1, 3.2), способствуют упрочнению силуминов в результате термической обработки, состоящей из закалки (от 515-535°С) и искусственного старения (150-180°С, длительностью до 10-20 ч.). Легирование силуминов марганцем, титаном, цирконием способствует упрочнению сплавов при старении без предварительной закалки.

Силумины, прежде всего, легированные, применяют для изготовления средних и крупных деталей ответственного назначения: корпусов компрессоров, картеров, головок цилиндров, блоков цилиндров и др.

T без Na

c Na

Al C % Si

Рисунок 3.3 - Схема влияния модифицирования натрием на положение

линий и точек диаграммы состояния сплавов системы Al - Si

Сплавы системы Al - Cu (АЛ7, АЛ19, табл. 3.2) характеризуются высокой прочностью при обычных и повышенных температурах, превосходя по этим показателям силумины. Они хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Однако, из-за отсутствия эвтектики эти сплавы обладают низкими литейными свойствами, имеют низкую герметичность. Структура сплавов состоит из кристаллов  -твердого раствора и упрочняющей фазы - CuAl₂ (см. рис. 3.1).

Литейные и механические свойства сплавов алюминия с медью улучшаются при их легировании Ti и Mn (АЛ19). Марганец способствует упрочнению сплавов за счет выделения частиц фазы Al₁₂Mn₂Cu. Сплавы упрочняют закалкой, либо закалкой и искусственным старением, когда в качестве упрочнителя выделяется фаза  ( CuAl₂ ).

Сплавы системы Al - Cu применяют в основном для изготовления небольших изделий простой формы, работающих при температурах до 300°С.

Сплавы системы Al - Mg (АЛ8, АЛ27, табл. 3.2) обладают высокой коррозионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошо обрабатываются резанием. При обычном содержании магния (9-12 %) сплавы не содержат в структуре эвтектики (см. рис. 3.2, б), поэтому характеризуются невысокими литейными свойствами, пониженной герметичностью, а также повышенной чувствительностью к наличию примесей (железа, кремния), образующих нерастворимые фазы, снижающие пластичность сплавов.

Для предотвращения окисления плавку и разливку сплавов алюминия с магнием необходимо вести под защитными флюсами. Легирование двойных сплавов Be, Ti, Zr не только устраняет их склонность к окислению и росту зерна, но и тормозит естественное старение сплавов, вызывающее снижение их пластичности и вязкости. Наилучшие механические свойства сплавы алюминия с магнием приобретают после закалки от 530°С, когда весь магний находится в твердом растворе.

Сплавы системы Al - Mg применяют для изготовления деталей, работающих в условиях высокой влажности, в судо-, самолето- и ракетостроении. Из них делают детали приборов, вилки шасси и хвостового оперения, штурвалы и т.д.

Жаропрочные литейные сплавы на основе алюминия применяют для отливки поршней, головок цилиндров, работающих при температурах до 300°С. Это сплавы системы Al - Cu - Ni - Mg (4-6 % Cu, 2-3 % Ni, 1-1.75 % Mg), например, сплав АЛ1, которые могут дополнительно легироваться Mn, Zr, Ce и другими элементами (например, сплав АЛ33 содержит 5,8 % Cu, 0,8 % Mn, 1 % Ni, 0,2 % Zr, 0,2 % Ce ). Сплавы упрочняют закалкой от 525 С с последующим старением либо отпуском (230-300°С).