Влияние основных легирующих элементов

Кремний до 12,5% сообщает сплавам алюминий-кремний хорошие литейные свойства, повышает механические и антикоррозионные свойства.

Медь до 5,6% повышает механические свойства, но снижает жидкотекучесть, повышает склонность к образованию горячих трещин. Сплавы с более высоким содержанием меди обладают достаточной жидкотекучестью, но имеют низкие механические свойства из-за образования большого количества хрупкого соединения CuAl2 (рис.2).Медь улучшает обрабатываемость сплавов резанием.

Рис.2. Диаграмма состояния системы Al-Cu

Магний хорошо растворяется в алюминии до17,4%, образует с ним химическое соединение Mg2Al3, повышает прочность и коррозионную стойкость алюминия, но ухудшает литейные свойства (жидкотекучесть, склонность к трещинообразованию, ликвация и др.), снижает пластичность и увеличивает чувствительность к примесям железа и кремния (рис.3).

Рис.3. Диаграмма состояния системы Al-Mg

Цинк хорошо растворяется в алюминии и находится в нём в виде α-твёрдого раствора. Цинк улучшает обрабатываемость алюминия, увеличивает прочность, особенно в сочетании с магнием, медью, марганцем и железом, но ухудшает литейные свойства, снижает жаропрочность и коррозионную стойкость.

Марганец ограниченно растворяется в алюминии, ухудшает литейные свойства, особенно жидкотекучесть, но повышает коррозионную стойкость, прочность и жаропрочность, устраняет вредное влияние железа.

Никель ограниченно растворяется в алюминии, повышает прочность, коррозионную стойкость и жаропрочность.

Хром и молибден мало растворяются в алюминии, повышают прочность и жаропрочность.

Титан, тантал, цирконий ограниченно растворяются в алюминии, являются хорошими модификаторами, повышают механические свойства, герметичность и изотропность отливки.

Эти элементы добавляются в алюминиевые сплавы в значительно меньшем количестве, чем основные легирующие элементы.

Олово, висмут, мышьяк, железо и сурьма являются вредными примесями.

4.2. Алюминиевые литейные сплавы

4.2.1.Общая характеристика, классификация, назначение.

Алюминиевые сплавы находят широкое применение в технике. По объёму производства и применения они занимают второе место после железных (чёрных) и первое место среди сплавов цветных металлов. В 2006г. в мире производится более 8,0 млн.т. отливок из алюминиевых сплавов, что составляет 11,4% всего объёма отливок. В России отливок из цветных сплавов произведено 1,1 млн. т. Из алюминиевых сплавов произведено 340 тыс.т. отливок.

Широкое распространение при производстве отливок алюминиевые сплавы получили благодаря следующим своим достоинствам:

- низкая температура плавления;

- хорошие литейные свойства;

- низкая плотность (небольшой удельный вес);

- высокая тепло - и – электропроводность;

- высокие механические и эксплуатационные свойства, удельная прочность некоторых алюминиевых сплавов приближается к прочности специальных сталей и составляет 13-14 км.;

- хорошая коррозионная стойкость;

- хорошая обрабатываемость режущим инструментом.

Сплавы на алюминиевой основе по способу дальнейшей обработки подразделяются на литейные и деформируемые. Литейные алюминиевые сплавы обладают хорошими литейными свойствами (жидкотекучестью, небольшой линейной и объёмной усадкой, герметичностью, низкой склонностью к образованию горячих трещин). Большая часть литейных свойств зависит от эффективного температурного интервала кристаллизации: чем больше интервал кристаллизации, тем меньше жидкотекучесть сплава, тем больше он склонен к образованию рассеянной усадочной пористости и горячих трещин.

Широкий диапазон механических, эксплуатационных, и технологических свойств алюминиевых сплавов достигается за счёт легирования различными элементами, применения различной скорости кристаллизации, различных способов литья, модифицирования и применения различных режимов термической и специальных видов обработки.

Наиболее широко в качестве легирующих элементов применяют медь, магний, марганец, цинк, кремний, никель и в последнее время в ограниченном количестве литий.

Химический состав и механические свойства литейных алюминиевых сплавов в России регламентированы ГОСТ 1583-93. Этим же стандартом регламентирован химический состав и алюминиевых сплавов в чушках.

Алюминиевые литейные сплавы имеют обозначения, состоящие из первой буквы «А» (алюминий), далее идут буквы, обозначающие основной легирующий элемент (К─ кремний, Мг─ магний, Ц ─ цинк, Кд—кадмий), после букв—цифровое обозначение количества элемента в %. Второе обозначение—старое—означает порядковый номер сплава.

Компоненты литейных алюминиевых сплавов разделяют на пять групп (таблица 12):

первая группа - основные легирующие элементы (Mg, Cu, Si, Zn и др.), имеющие повышенную растворимость в алюминии и способствующие резкому изменению природы сплава. В сплавах системы Al-Mg, Al-Mg-Si образуются интерметаллиды, а в сплавах системы Al-Si образуется эвтектика. Сочетание интерметаллидов и эвтектики с переменной растворимостью элементов в твёрдом алюминии обеспечивает возможность использования различных методов упрочнения (термообработка, модифицирование);

вторая группа – макролегирующие (вспомогательные) элементы (Mn, Сr, V, Ti, Zr, Mo, Ni, Nb и др.). Эти элементы вводятся в сплавы в значительно меньшем количестве, они имеют ограниченную растворимость в матрице, образуют с алюминием эвтектические или перитектические блоки и устойчивые тугоплавкие интерметаллиды, улучшающие те или иные физикомеханические свойства двойных сплавов. Эти элементы оказывают следующее влияние на свойства алюминиевых сплавов:

─ дополнительное упрочнение по растворному типу;

─ улучшение технологической пластичности сплава за счёт измельчения структуры;

─ повышение жаропрочности алюминиевых сплавов за счёт образования сложных, термически устойчивых интерметаллидных фаз и структуры каркасного типа.

третья группа – микролегирующие элементы (Ti, Sb, B, Cd, Zr, Ве, Се, Cr и др.). При микролегировании сплава одним или несколькими элементами с малой растворимостью в матрице могут меняться растворимость основных элементов, морфология кристаллизующихся фаз, состояние границ раздела, что способствует повышению механических свойств сплава.

четвёртая группа - модифицирующие элементы (Na, К, Ве, Са, Sr, Вi, Сd). Эти элементы незначительно растворяются в твёрдом алюминии, используются они в виде небольших добавок (до 0,2%) для улучшения технологических свойств (повышения прочности, пластичности, измельчения структуры сплава и снижения тем самым вредного влияния железа).

Многокомпонентное легирование алюминиевых сплавов обеспечивает относительную стабильность твёрдого раствора и упрочняющих фаз. Чем сложнее по составу и строению твёрдый раствор, тем разнообразнее свойства сплавов, особенно, если в сплаве присутствуют элементы с низким коэффициентом диффузии (Mn, Сr, Ti, Zr) или с высокой поверхностной активностью (Cd, Be, В, Ce, Zr и др.).

пятая группа – примеси. Наиболее вредной примесью алюминиевых сплавов является железо. Железо накапливается в сплаве в процессе приготовления расплава за счёт инструмента и при использовании переплава.

Железо образует в сплавах нерастворимые хрупкие иглообразные интерметаллидные фазы, резко снижающие механические свойства. С повышением скорости кристаллизации отрицательное влияние этих фаз на свойства отливок уменьшается, поэтому при литье в металлические формы допускается более высокое содержание примеси железа.

Содержание примесей в сплавах оговаривается стандартом в зависимости от требований к отливкам и условий кристаллизации.

Влияние химических элементов на свойства алюминиевых сплавов приведено в таблице 12.

Таблица 12. Влияние химических элементов на свойства алюминиевых сплавов [12].

Элемент	Характеристика влияния на свойства алюминиевых сплавов
Бериллий	Способствует рафинированию, снижает отрицательное действие примеси железа на механические свойства.
Бор	Способствует рафинированию, измельчает структуру и повышает пластичность.
Магний	Повышает прочность, но снижает пластичность сплавов, повышает коррозионную стойкость. Ухудшает литейные свойства. Увеличивает пористость.
Медь	Повышает механические свойства (до 5,6%), улучшает обрабатываемость сплавов резанием. Снижает коррозионную стойкость, снижает жидкотекучесть, повышает склонность к образованию горячих трещин.
Кадмий, литий, натрий.	Способствует измельчению структурных составляющих сплава (модифицирующий эффект). Резко увеличивает пористость и повышает вязкость.
Олово	Снижает коррозионную стойкость.
Цинк	Повышает механические свойства, но ухудшает литейные. Улучшает обрабатываемость сплава.
Кальций	Восстанавливает алюминий из оксида, образуя оксид кальция, который снижает жидкотекучесть и механические свойства, повышает теплопроводность.
Кремний	До 12,5% сообщает сплавам алюминий-кремний хорошие литейные свойства, повышает механические и антикоррозионные свойства.
Железо	Железо – вредная примесь, резко снижает пластичность, но повышает жаропрочность. Железо образует в алюминиевых сплавах нерастворимые хрупкие интерметаллические фазы. Размеры и распределение этих фаз в отливках зависит от скорости охлаждения при кристаллизации. Чем выше скорость охлаждения, тем мельче эти частицы, тем более равномерно они распределены по объёму отливки и тем меньше их отрицательное влияние на свойства, поэтому при литье сплавов в кокиль. А также при литье под давлением допускается более высокое содержание железа, чем при литье в песчаную форму.
Ванадий, хром, марганец, кобальт, молибден, никель.	Резко снижает отрицательное действие железа на механические свойства сплава, повышает жаропрочность и снижает пористость.
Титан, тантал, цирконий	Измельчают структурные составляющие сплава и, следовательно, повышают механическую прочность, повышают герметичность сплава. Применяются в качестве модификаторов.

Для литейных сплавов особенно велико значение технологических свойств, главными из которых являются литейные свойства.

Литейные свойства сплавов определяют не только возможность получения фасонных отливок, но и их качество.

В зависимости от содержания основных легирующих элементов и доминирующих технологических и эксплуатационных свойств литейные алюминиевые сплавы в соответствии с ГОСТ 1583-93 подразделяют на 5 групп (табл.13).

Таблица 13. Классификация литейных алюминиевых сплавов по видам легирующих компонентов

Груп- па спла- вов	Основная система	Макролеги -рующие элементы	Микролеги - рующие элементы	Моди- фи- каторы	Примеси	Примеры сплавов	Основные свойства сплавов
1	Al-Si-Mg (силумины)	Mn	Ti, Be, Sb	Na,Sr, Р,Li,К	Cu, Zn, Fe, Ni, Pb, Sn, B, Mn	АК12, АК 9, АК 7, АК7ч, АК10Су, АК8	Технологич ность, герметич- ность
2	Al-Si-Cu (медистые силумины)	Mg, Mn, Ni	Ti, Zr, Ве	-	Mn, Zn, Pb, Sn, Fe	АК12М2, АК12М2МгН, АК8М3, АК5М	Средняя прочность, повышен- ная жаро- прочность
3	Al-Cu	Mn	Ti, Сd, Zr, Се	Ti,Zr	Fe, Si, Mg, Pb, Sn	АМ5, АМ4,5Кд	Жаропроч-ность, высо- кая проч- ность
4	Аl-Mg (магналии)	Mn, Si, Сu	Ti, Zr, Be,Cr	Ca, Be, Ti, Zr	Fe,Zn, Сu, Si	АМг4К1,5М, АМг5К, АМг5Мц, АМг10	Коррозион- ная стой- кость, сваривае- мость
5	Аl-Si-Zn-Mg (цинковые силумины)	Cu, Mn, Si	Ti, Ni, Be	Bi	Fe, Si, Pb, Sn	АК7Ц9, АЦ4Мг	Высокая прочность
5 Допол ни-тель- ная	Al-Ni (никалины)	Zn, Мg, Cu	Zr, Mn	Cd	Fe, Si, Pb, Si	АЦ6Н4	Высокая прочность, технологичность, жаропроч-ность

Технологические свойства некоторых алюминиевых сплавов приведены в таблице 14.

Таблица 14.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА некоторых ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Марка Сплава	Интервал кристал- лизации, ºС				Темпера тура плавл. ºС	Темпера- тура литья, ºС				Линейная усадка, %	Герметич- ность						Обрабаты ваемость резанием					Свари- ваемость				Склон- ность к газо- насыще- нию								Корро- зион- ная стой- кость						Рабо- чая темпе- ра- тура,ºС
1 группа
АК12 (АЛ2)		600- 577			577	680- 720				0,9	Средняя						Понижен ная					Хорошая					Высокая												Хоро-шая			200												Хорошая											Высокая								Хоро- шая								200
АК9 (АК9)		600- 577			550	690- 760				1,0	То же						То же					Высокая					То же												То же			200
АК9ч (АЛ4)		601-569			550	690- 760				1,0	То же						То же					То же						То же										То же			200
АК9пч (АЛ4-1)		601-569			550	690- 750				1,0	То же						Удовле- твори-тельная					То же						То же										То же			200
АК8л (АЛ34)		609-572			550	690-750				1,1	Высокая						То же					То же						Повышенная										То же			200
АК7 (АК7)		610-577			550	690-750				1,0	То же						То же					То же						Высокая										То же			200
АК7ч (АЛ9)		620-577			550	690-750				1,0	Высокая						То же					То же						То же										То же			200
АК7пч (АЛ9-1)		610-577			550	690-750				1,0	То же						То же					То же						То же										То же			200
		2-я группа
										1,1			Средняя			Удовле-твори- тельная
АК5М (АЛ5)	627-577		535				700-750		Удовлетво- рительная													Сред няя		Удовле-твори- тельная									250
АК5Мч (АЛ5-1)	627-577				535	690-740				1,1	Высокая (23 МПа)						----					Хорошая									Сред няя			Низкая									250
АК5М7 (АК5М7)	620-577				535	690-730				1,2	Средняя						Удовле- твори-тельная					Удовлетво- рительная									Сред няя							Пони жен ная					250
АК8М (АЛ32)	637-603				550	710-730				1,0	Высокая						То же					Хорошая									Ни кая			То же									400
						3-я группа
АМ5 (АЛ19)	650-540				547,5	700-750				1,3				Низкая						Хорошая					Хорошая					Пони женная								Пони женная			300
4-я группа
АМг10ч (АЛ27-1)	610-450				449	1.2				1,2	Низкая							Хорошая					То же					То же								То же					80																											80
АМг11 (АЛ22)	568-445				447	650-730				1,2	Средняя								Хорошая					То же					Средняя								Хоро- шая					150
5-я группа
АК7Ц9 (АЛ11)	585-551				560	700-730				1,1	Средняя						Хорошая					Хорошая				Высокая												Пони женная			175
АЦ4Мг (АЛ24)	630-563				500	730-760				1,35	Понижен ная						То же					То же				Понижен ная												Хоро шая			200

4.2.2.Сплавы первой группы (силумины, табл.14). Силумины сочетают хорошие литейные свойства и удовлетворительные механические свойства, что определяет их широкое применение в промышленности. Хорошие литейные свойства обусловлены наличием в структуре эвтектики, а необходимые механические свойства достигаются введением упрочняющих элементов и модифицированием, а также термической обработкой. Силумины обладают:

хорошей жидкотекучестью, обеспечивающей получение тонкостенных отливок;

небольшой усадкой при затвердевании и охлаждении, что способствует уменьшению дефектов усадочного характера, снизить внутренние напряжения и повысить точность отливок;

минимальной склонностью к возникновению горячих трещин, обеспечивающих возможность получения отливок, как в разовые, так и в постоянные формы.

Силумины широко используют в авиационной, автомобильной, приборостроительной, судостроительной и электротехнической промышленностях, а также в бытовой технике. По содержанию кремния все они (кроме АК12) являются доэвтектическими, имеют узкий интервал кристаллизации и хорошие литейные свойства - небольшую литейную усадку, повышенную жидкотекучесть, малую склонность к образованию трещин и рассеянной усадочной пористости. Сплавы отличаются высокой коррозионной стойкостью во влажной атмосфере. Добавки марганца и магния дополнительно повышают её, а медь резко снижает.

Двойные алюминиево-кремнистые сплавы обладают наилучшими технологическими и удовлетворительными механическими свойствами. Из сплава АК12 изготавливают малонагруженные детали (корпуса приборов, бытовые изделия и др.), применяют различные способы литья.

Кремний имеет переменную растворимость в алюминии, которая возрастает от 0,1% при комнатной температуре до 1,65% при эвтектической температуре (577ºС). Поэтому нагревом силуминов до эвтектической температуры можно получить пересыщенный твёрдый раствор кремния в алюминии, который при последующем старении распадается с выделением дисперсных частиц кремния, однако упрочняющий эффект, связанный с указанной обработкой, крайне мал и не имеет практического значения.

Поэтому термической обработкой двойные Al-Si сплавы не упрочняются.

Магний образует фазу-упрочнитель (Mg2Si),что способствует упрочнению сплавов при термообработке (закалка + искусственное старение).

Повысить прочность и пластичность силуминов можно двумя путями: 1) увеличением скорости охлаждения при кристаллизации; 2) введением в сплавы малых добавок щелочных металлов (сотые доли процента) натрия, стронция. Натрий обычно вводится в расплав в виде смеси солей, например 2/3 NaF + 1/3 NaCl. Чтобы в сплаве содержалось 0,01%Na, необходимо ввести 2% указанной смеси. Металлический натрий в жидком сплаве образуется в результате взаимодействия фтористого натрия с алюминием.

Для упрочнения термообработкой в двойные алюминиево-кремниевые сплавы вводят 0,2-0,3% магния и марганца, которые эффективно нейтрализуют вредное влияние железа за счёт образования сложных интерметаллических фаз (Аl-Fe-Si-Mn), в меньшей степени снижающих пластичность.

Для измельчения структуры при литье в песчаные формы в сплав вводят в качестве модификатора титан (0,08-0,3%). При литье в металлические формы и под давлением сплавы можно не модифицировать. В этом случае механические свойства повышаются на 20…30%.

Примерами таких сплавов являются доэвтектические сплавы АК9пч, АК7пч. Эти сплавы несколько уступают по технологичности сплаву АК12, но имеют более высокие механические свойства. Для сплавов АК9ч применяют следующий режим упрочняющей термообработки: закалка от 535±5ºС, выдержка 2…6 час. охлаждение в горячей воде (50…100 ºС), старение при 175 ºС, 15 час. Применяют эти сплавы для ответственных высоконагруженных деталей (картер двигателя внутреннего сгорания и др.).

Сплав АК8 (АЛ34) для повышения прочности дополнительно легируют 0,1-0,3% титана и 0,15-0,45 бериллия. Этот сплав обладает хорошими литейными свойствами, прочность его превосходит прочность других алюминиевых сплавов 1 группы, отливки из этого сплава высокогерметичны, детали могут работать под высоким давлением. Вредными примесями сплавов первой группы являются Cd, Ba, Na, которые способствуют образованию усадочных раковин на поверхности отливок при литье в песчаные формы и образованию газовых раковин. При литье толстостенных отливок в кокиль или в песчаные формы сплавы 1 гр. необходимо модифицировать, т.к. немодифицированные сплавы имеют низкие пластические свойства, обусловленные грубыми выделениями эвтектического кремния. Модифицирование осуществляется введением в расплав 0,05-0,1% натрия или 0,06-0,08% стронция. Излишнее содержание натрия оказывает вредное воздействие. Механические свойства силуминов зависят от скорости кристаллизации. Высокая скорость кристаллизации приводит к измельчению структуры, что способствует повышению прочности и пластичности, поэтому при литье в кокиль или под давлением прочность на 20-30% выше, чем при литье в песчаные формы, при одновременном повышении пластичности.

Таблица 14.

Химический состав алюминиевых сплавов 1 группы (силумины), ГОСТ 1583-93

Марка сплава	Основные компоненты,%							Примеси, не более, %
	Mg	Si	Mn	Cu	Ti	Прочие	Mn		Cu	Zn	Zr	Pb	Sn	Прочие	Fe
															З, В	К	Д
АК12 (АЛ2)	-	10-13	-	-	-	-	0,5		0,6	0,3	0,1	-	-	0,1Ti, 0,1Mg	0,7	1,0	1,5
АК9ч (АЛ4)	0,17-0,30	8-10,5	0,2-0,5	-	-	-	-		0,3	0,3	0,15 (Zr+Ti)	0,05	0,01	0,1(Be)	0,6	0,9	1,0
АК9пч (АЛ4-1)	0,23-0,30	9-10,5	0,2-0,35	-	0,08-0,15	-	-		0,1	0,3	0,15	0,03	0,005	0,1Ве, 0,1В	0,3	0,3	0,3
АК8 (АЛ34)	0,35-0,55	6,5-8,5	-	-	0,1-0,3	0,15-0,4 (Ве)	0,1		0,3	0,3	0,1В,0,15Zr	-	-	0,1В	0,6	0,6	-
АК7ч (АЛ9)	0,2-0,4	6,0-8,0	-	-	-	-	0,5		0,2	0,3	0,15(Zr+Ti)	0,05	0,01	0,1Ве	0,6	1,0	1,5
АК7пч (АЛ9-1)	0,25-0,40	7,0-8,0	-	-	0,08-0,15	-	0,2		0,1	0,2	0,15	0,03	0,005	0,1Ве; 0,1В	0,3	0,4	0,5

Механические свойства некоторых алюминиевых сплавов 1 гр. и область их применения приведены в табл.15 и 16.

К недостаткам алюминиевых сплавов 1 группы относится высокая склонность к окислению, насыщению водородом в процессе плавки, что приводит к таким дефектам отливок, как газовая пористость, шлаковые и оксидные включения.

Таблица 15. Механические свойства некоторых алюминиевых сплавов 1 группы.

Сплав	Способ литья	Вид термической обработки	Прочность при растяжении, МПа, не менее	Удлинение, %	Твёрдость, НВ, не менее
АК12 (АЛ2)	ЗМ,ВМ,КМ К Д ЗМ,ВМ,КМ К Д	------ ------ ------ Т2 Т2 Т2	147 157 157 137 147 147	4,0 2,0 1,0 4,0 3,0 2,0	50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0
АК9ч (АЛ4)	З,В,К,Д, К,КМ	------- Т6	147 235	2,0 3,5	50,0 70,0
АК7 (АК7)	З К	Т5 Т5	176 196	0,5 0,5	75,0 75,0
АК7ч (АЛ9)	З,В,К КМ	----- Т4	157 186	2,0 4,0	50,0 50,0
АК8л	З	Т6	330	3,0

Таблица 16