2.1.4. Литейные алюминиевые сплавы

Современное машиностроение уже невозможно представить без литейных алюминиевых сплавов. Доля отливок из этих сплавов в среднем составляет 60 – 65 % от валового выпуска отливок из всех цветных сплавов.

В соответствии с ГОСТ 1583 – 93 все литейные алюминиевые сплавы подразделяются на пять групп:

I – сплавы на основе системы Al – Si – Mg

II – сплавы на основе системы Al – Si – Cu

III – сплавы на основе системы Al – Cu

IV – сплавы на основе системы Al – Mg

V – сплавы на основе системы Al – прочие компоненты.

Химический состав алюминиевых литейных сплавов и основные механические свойства приведены в таблице 7, а технологические и физические свойства в таблицах 8 и 9.

Сплавы I группы (АК12, АК9, АК8, АК7, АК10Су и их модификации), получившие название силумины, нашли наибольшее распространение в промышленности. Силумины обладают хорошими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, малой литейной усадкой, пониженной склонностью к образованию горячих трещин. Из них можно получать фасонные отливки любой сложности со стенками толщиной от 2 мм всеми видами литья

На рис.8 приведена диаграмма состояния системы алюминий – кремний. Как видно из этой диаграммы, алюминий с кремнием образуют весьма ограниченную область твердых растворов . Предельная растворимость кремния в алюминии составляет 1,65 % при температуре эвтектики. При комнатной температуре растворимость кремния снижается до 0,01 %. Эвтектика  + Si содержит 12,5 % Si (11,7 % – в справочной литературе прежних лет) и плавится при температуре 577 ^оС. Известно //, что эвтектические сплавы, точка эвтектики которых располагается близко к основному компоненту, имеют отличные литейные свойства. Это полностью подтверждается в системе алюминий – кремний. Эвтектический сплав АК12 (АЛ2) имеет лучшую жидкотекучесть из всех алюминиевых сплавов – 420 мм по прутковой пробе. Линейная усадка менее 1 %. Горячие трещины в отливках из сплава АК12 не образуются даже в проблемных местах перехода от толстых сечений к тонким частям. Большинство сплавов этой группы

Рис. 8. Диаграмма состояния системы Al - Si

относится к доэвтектическим силуминам. Все они характеризуются узким интервалом кристаллизации. Литейные свойства лишь немного уступают сплаву АК12. Малая склонность к образованию трещин при затрудненной усадке и рассеянной усадочной пористости позволяют получать из них фасонные отливки с высокой герметичностью. Из сплавов АК7 и АК9 изготовляют корпуса изделий, работающих под повышенным давлением газовых и жидких сред, например корпуса топливных насосов.

Механические свойства всех силуминов в первую очередь зависят от формы и размеров кристаллов кремния в эвтектике. При медленном охлаждении (литье в песчано-глинистые формы) образуются крупные кристаллы Si игольчатой формы. Это снижает механические свойства силуминов и, особенно, пластичность. Быстрое охлаждение (литье в кокиль)

измельчает структуру, повышает прочность и пластичность. Еще более эффективно модифицирование расплава натрием или стронцием.

Термическая обработка простых (двойных) силуминов упрочняющего эффекта не дает. Отливки из сплава АК12 используют либо без термической обработки, либо подвергают отжигу (режим Т2), который позволяет повысить пластичность. Введение в доэвтектические силумины магния в количестве (0,17 – 0,55 %) приводит к образованию дополнительной фазы Mg₂Si, с переменной растворимостью в твердом растворе _Al, что повышает упрочняемость в процессе ТО по режимам Т4, Т5, Т6. Из тройной диаграммы Al –– Si –– Mg приведенной на рис. 9, видно, что других соединений в приведенной части системы нет. Равновесная растворимость Mg не превышает 0,5 -0,6 %. Фактическая растворимость при реальных скоростях охлаждения значительно ниже. Избыточное количество Mg (сверх

Таблица 7

Химический состав и механические свойства алюминиевых литейных сплавов по ГОСТ 1583 -93

Марка сплава	Содержание, основных компонентов, %*1						Способы литья	Вид ТО*2	Механические свойства материала отливок*3
	Mg	Si	Mn	Cu	Ti	Ni			σв, Н/мм2 (кгс/мм2)	δ, %	НВ
Группа I: сплавы на основе системы Al–Si–Mg
АК12 (АЛ2)	–	10…13	–	–	–	–	3М,ВМ,КМ К Д 3М, ВМ,КМ К Д	– – – Т2 Т2 Т2	147(15,0) 157(16,0) 157(16,0) 137(14,0) 147(15,0) 147(15,0)	4,0 2,0 1,0 4,0 3,0 2,0	50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0
АК13 (АК13)	0,1… 0,2	11,0… 13,5	0,1…0,5	–	–	–	Д З, В, К, Д, ПД К, Д, ПД ЗМ, ВМ К, КМ	– – Т1 Т6 Т6	176(18,0) 157(16,0) 196(20,0) 235(24,0) 245(25,0)	1,5 1,0 0,5 1,0 1,0	60,0 60,0 70,0 80,0 90,0
АК9с (АК9с)	0,2… 0,35	8,0… 10,5	0,2…0,5	–	–	–	К, Д К К	– Т1 Т6	147(15,0) 196(20,0) 253(24,0)	2,0 1,5 3,5	50,0 70,0 70,0
АК9ч (АЛ4)	0,17… 0,3	8,0… 10,5	0,2… 0,5	–	–	–	З, В, К, Д К, Д, ПД, КМ, ЗМ ЗМ, ВМ К, КМ З	– Т1 Т6 Т6 Т6	147(15,0) 196(20,0) 225(23,0) 235(24,0) 225(23,0)	2,0 1,5 3,0 3,0 2,0	50,0 60,0 70,0 70,0 70,0
АК9пч (АЛ4-1)	0,23… 0,30	9,0… 10,5	0,2… 0,35	–	0,08… 0,0,15	–	З, В, К, Д К, Д, ПД ЗМ, ВМ К, КМ	– Т1 Т6 Т6	157(16,0) 196(20,0) 245(25,0) 265(27,0)	3,0 2,0 3,5 4,0	50,0 70,0 70,0 70,0
АК8л (АЛ34)	0,35… 0,55	6,5… 8,5	–	–	0,1… 0,3	Ве 0,15… 0,4	З З К К Д Д Д	Т5 Т4 Т5 Т4 – Т1 Т2	294(30,0) 255(26,0) 33(34,0) 274(28,0) 206(21,0) 225(23,0) 176(18,0)	2,0 4,0 4,0 6,0 2,0 1,0 2,5	85,0 70,0 90,0 80,0 70,0 80,0 60,0

Марка сплава	Содержание основных компонентов,%						Способы литья	Вид ТО*2	Механические свойства материала отливок*3
	Mg	Si	Mn	Cu	Ti	Ni			σв, Н/мм2 (кгс/мм2)	δ, %	НВ
АК7 (АК7)	0,2… 0,5	6,0… 8,0	0,2…0,6	–	–	–	З К З К Д ПД	– – Т5 Т5 – –	127(13,0) 157(16,0) 176(18,0) 196(20,0) 167(17,0) 147(15,0)	0,5 1,0 0,5 0,5 1,0 0,5	60,0 60,0 75,0 75,0 50,0 65,0
АК7ч (АЛ9)	0,2… 0,4	6,0… 0,8	–	–	–	–	З, В, К Д З, В, К, Д КМ З, В К, КМ З, В ЗМ, ВМ ЗМ, ВМ ЗМ, ВМ ЗМ, ВМ К К К	– – Т2 Т4 Т4 Т5 Т5 Т5 Т6 Т7 Т8 Т6 Т7 Т8	157(16,0) 167(17,0) 137(14,0) 186(19,0) 176(18,0) 206(21,0) 196(20,0) 196(20,0) 225(23,0) 196(20,0) 157(16,0) 235(24,0) 196(20,0) 157(16,0)	2,0 1,0 2,0 4,0 4,0 2,0 2,0 2,0 1,0 2,0 3,0 1,0 2,0 3,0	50,0 50,0 45,0 50,0 50,0 60,0 60,0 60,0 70,0 60,0 55,0 70,0 60,0 55,0
АК7пч (АЛ91)	0,25… 0,40	7,0… 8,0	–	–	0,08… 0,15	–	З, В К, КМ З, В ЗМ, ВМ К, КМ ЗМ, ВМ К, ВМ Д Д ЗМ, ВМ ЗМ, ВМ	Т4 Т4 Т5 Т5 Т5 Т5 Т6 – Т2 Т7 Т8	196(20,0) 225(23,0) 235(24,0) 235(24,0) 265(27,0) 274(28,0) 294(30,0) 196(20,0) 167(17,0) 206(21,0) 167(17,0)	5,0 5,0 4,0 4,0 4,0 2,0 3,0 1,0 2,0 2,5 3,5	50,0 50,0 60,0 60,0 60,0 70,0 70,0 50,0 45,0 60,0 55,0

Марка сплава	Содержание основных компонентов,%						Способы литья	Вид ТО*2	Механические свойства материала отливок*3
	Mg	Si	Mn	Cu	Ti	Ni			σв, Н/мм2 (кгс/мм2)	δ, %	НВ
АК10Су (АК10Су)	0,1… 0,5	9…11	0,3…0,6	–	–	Sb 0,1… 0,25	К З К З К З К Д	– – – Т5 Т5 Т8 Т8 –	167(17,0) 118(12,0) 157(16,0) 196(20,0) 206(21,0) 147(15,0) 176(18,0) 147(15,0)	1,0 – 0,5 – 0,5 1,0 2,0 0,5	70,0 65,0 65,0 75,0 75,0 65,0 65,0 65,0
Группа II: сплавы на основе системы Al–Si–Cu
АК5М (АЛ5)	0,35… 0,60	4,5… 5,5	–	1,0… 1,5	–	–	З, В, К З, В К З, В З, В, К К	Т1 Т5 Т5 Т6 Т7 Т6	157(16,0) 196(20,0) 216(22,0) 225(23,0) 176(18,0) 235(24,0)	0,5 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0	65,0 70,0 70,0 70,0 65,0 70,0
АК5Мч	0,40… 0,55	4,5… 5,5	–	1,0… 1,5	0,08… 0,15	–	З, В, К З, В К, КМ З, В, К	Т1 Т5 Т5 Т7	176(18,0) 274(28,0) 294(30,0) 206(21,0)	1,0 1,0 1,5 1,5	65,0 70,0 70,0 65,0
АК6М2 (АК6М2)	0,30… 0,45	5,5… 6,5	–	1,8… 2,3	0,1… 0,2	–	К К К	Т1 – Т5	196(20,0) 230(23,5) 294(30,0)	1,0 2,0 1,0	70,0 78,4 75,0
АК8М (АЛ32)	0,3… 0,5	7,5… 9,0	0,3…0,5	1,0…1,5	0,1… 0,3	–	З К К Д Д З К З К З Д Д	Т6 Т1 Т6 – Т2…1 Т5 Т5 Т7 Т7 Т1 Т1 Т2	245(25,0) 196(20,0) 265(27,0) 255(26,0) 255(26,0) 235(24,0) 255(26,0) 225(23,0) 245(25,0) 176(18,0) 284(29,0) 235(24,0)	1,5 1,5 2,0 2,0 1,7 2,0 2,0 2,0 2,0 0,5 1,0 2,0	60,0 70,0 70,0 70,0 70,0 60,0 70,0 60,0 60,0 60,0 90,0 60,0

Марка сплава	Содержание основных компонентов, %						Способы литья	Вид ТО*2	Механические свойства материала отливок*3
	Mg	Si	Mn	Cu	Ti	Ni			σв, Н/мм2 (кгс/мм2)	δ, %	НВ
АК5М4 (АК5М4)	0,2… 0,5	3,5… 6,0	0,2…0,6	3,0… 5,0	0,05… 0,20	–	З К К	– – Т6	118(12,0) 157(16,0) 196(20,0)	– 1,0 0,5	60,0 70,0 90,0
АК8М3 (АКМ3)	–	7,5… 10,0	–	2,0… 4,5	–	–	К К	– Т6	147(15,0) 216(22,0)	1,0 0,5	70,0 90,0
АК8М3ч (ВАЛ8)	0,2… 0,45	7,0… 8,5	Zn 0,5…1,0	2,5… 3,5	0,1… 0,25	В 0,005… 0,1; Ве 0,05… 0,25	К, ПД К, ПД Д Д Д З В З К	Т4 Т5 – Т5 Т2 Т5 Т5 Т7 Т7	343(35,0) 392(40,0) 294(30,0) 343(35,0) 215(22,0) 345(35,0) 345(35,0) 270(27,0) 295(30,0)	5,0 4,0 2,0 2,0 1,5 1,0 2,0 1,0 2,5	90,01 110 75,0 90,0 60,0 90,0 90,0 80,0 85,0
АК9М2 (АК9М2)	0,2… 0,8	7,5… 10,0	0,1…0,4	0,5… 2,0	0,05… 0,20	–	К Д К К	– – Т6 Т1	186(19,0) 196(20,0) 274(28,0) 206(21,0)	1,5 1,5 1,5 1,4	70,0 75,0 85,0 80,0
АК12М2 (АК12М2)	–	11…13	–	1,8… 2,5	Fe 0,6… 1,0	–	К Д	– Т1	186(19,0) 260(26,5)	1,0 1,5	70,0 83,4
АК12ММгН (АЛ30)	0,8… 1,3	11…13	–	0,8… 1,5	–	0,8… 1,3	К К	Т1 Т6	196(20,0) 216(22,0)	0,5 0,7	90,0 100,0
АК12М2МгН (АЛ25)	0,8… 1,3	11…13	0,3… 0,6	1,5… 3,0	0,05… 0,20	0,8… 1,3	К	Т1	186(19,0)	–	90,0
АК12М2,5Н2,5 (ВКЖЛС-2)	0,2… 0,5	20…22	0,2… 0,4	2,2… 3,0	0,1… 0,3	2,2… 2,8; Cr 0,2… 0,4	К К	Т2 Т1	157(16,0) 186(19,0)	– –	90,0 100,0
Группа III: сплавы на основе системы Al–Cu
АМ5 (АЛ19)	–	–	0,6… 1,0	4,5… 5,3	0,15… 0,35	–	З, В, К З, В, К З	Т4, Т5 Т7	294(30,0) 333(34,0) 314(32,0)	8,0 4,0 2,0	70,0 90,0 80,0

Марка сплава	Содержание основных компонентов, %						Способы литья	Вид ТО*2	Механические свойства материала отливок*3
	Mg	Si	Mn	Cu	Ti	Ni			σв, Н/мм2 (кгс/мм2)	δ, %	НВ
АМ4,5Кд (ВАЛ10)	–	–	0,35… 0,8	4,5… 5,1	0,15… 0,35	Cd 0,07… 0,25	З, В К З, В К З, В К З	Т4 Т4 Т5 Т5 Т6 Т6 Т7	294(30,0) 314(32,0) 392(40,0) 431(44,0) 421(43,0) 490(50,0) 323(33,0)	10,0 12,0 7,0 8,0 4,0 4,0 5,0	70,0 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0 90,0
Группа IV: сплавы на основе системы Al–Mg
АМг5К	4,5… 5,5	0,8… 1,3	0,1…0,4	–	–	–	З, В, К Д	– –	147(15,0) 167(17,0)	1,0 0,5	55,0 55,0
АМг6л (АЛ23)	6,0… 7,0	Zr 0,05… 0,20	Be 0,02… 0,10	–	0,05…0,15	–	З, В К, Д З, К, В	– – Т4	186(19,0) 216(22,0) 225(23,0)	4,0 6,0 6,0	60,0 60,0 60,0
АМг6лч (АЛ23-1)	6,0… 7,0	Zr 0,05… 0,20	Be 0,02… 0,10	–	0,05… 0,15	–	З, В К, Д З, К, В	– – Т4	196(20,0) 235(24,0) 245(25,0)	5,0 10,0 10,0	60,0 60,0 60,0
АМг10 (АЛ27)	9,5… 10,5	Zr 0,05… 0,20	Be 0,05… 0,15	–	0,05… 0,15	–	З, К, Д	Т4	314(32,0)	12,0	75,0
АМг10ч (АЛ27-1)	9,5… 10,5	Zr 0,05… 0,20	Be 0,05… 0,15	–	0,05… 0,15	–	З, О, К, Д	Т4	343(35,0)	15,0	75,0
АМг11 (АЛ22)	10,5… 13,0	0,8… 1,2	Be 0,03… 0,07	–	0,05… 0,15	–	З, В, К З, В, К Д	– Т4 –	176(18,0) 225(23,0) 196(20,0)	1,0 1,5 1,0	90,0 90,0 90,0
АМг7 (АЛ29)	6,0… 8,0	0,5… 1,0	0,25… 0,60	–	–	–	Д	–	206(21,0)	3,0	60,0
Группа V: сплавы на основе системы Al–Э (прочие элементы)
АК7Ц9 (АЛ11)	0,15… 0,35/ 0,1… 0,3	6,0… 8,0	–	Zn 7,0… 12,0	–	–	З, В К Д З, В, К	– – – Т2	196(20,0) 206(21,0) 176(18,0) 216(22,0)	2,0 1,0 1,0 2,0	80,0 80,0 60,0 80,0

Марка сплава	Содержание основных компонентов, %						Способы литья	Вид ТО*2	Механические свойства материала отливок*3
	Mg	Si	Mn	Cu	Ti	Ni			σв, Н/мм2 (кгс/мм2)	δ, %	НВ
АК9Ц6 (АК9Ц6р)	0,35… 0,55/ 0,3… 0,5	8,0… 10,0	0,1…0,6	0,3… 1,5	Zn 5,0… 7,0	Fe 0,3… 1,0	З К, Д	– –	147(15,0) 167(17,0)	0,8 0,8	70,0 80,0
АЦМг (АЛ24)	1,55… 2,05/ 1,5… 2,0	–	0,2…0,5	Zn 3,5… 4,5	0,1… 0,2	–	З, В З, В	– Т5	216(22,0) 265(27,0)	2,0 2,0	60,0 70,0

Примечания: 1. Обозначение в марках сплавов: ч – чистый; пч – повышенной чистоты; оч – особой чистоты; л – литейные сплавы; с – селективный. В скобках приведены марки сплавов по ГОСТ 1583, ОСТ 48–178 и по техническим условиям для отливок.

2. Условные обозначения способов литья: З – литье в песчаные формы; В – литье по выплавляемым моделям; К – литье в кокиль; Д – литье под давлением; ПД – литье с кристаллизацией под давлением (жидкая штамповка); О – литье в оболочковые формы; М – сплав подвергается модифицированию.

2. Условные обозначения видов термической обработки (ТО):

Т1 – искусственное старение без предварительной закалки; Т2 – отжиг; Т4 – закалка; Т5 – закалка и кратковременное (неполное) искусственное старение; Т6 – закалка и полное искусственное старение; Т7 – закалка и стабилизирующий отпуск; Т8 – закалка и смягчающий отпуск.

4. В заказе, в конструкторской документации, при маркировке отливок допускается указывать марку сплава без дополнительного обозначения марки в скобках или марку, обозначенную в скобках.¹

Таблица 8

Технологические свойства литейных алюминиевых сплавов

Марка сплава	tликв./ tсол.	Линейная усадка, %	Объемная усадка, %	Жидкотеку-честь, мм	Горячелом-кость (ширина кольца, мм)	Герме-тичность	Склонность к газонасы-щению	Рабочая температура-до, оС
АК12 АК9 АК7 АК5М АК8М АК12М2МгН АК12ММгН АМ5 АМг5К АМг6 АМг10 АМг11 АК7Ц9 АЦ4Мг	577/577 601/569 649/544 622/570 – – – 650/548 650/550 628/450 610 - 450 568/445 675/545 630/563	0,9 – 1,0 1,0 – 1,1 1,1 – 1,2 1,1 – 1,2 0,95 1,15 1,15 1,25 1,25 – 1,3 1,1 1,1 – 1,2 1,2 – 1,25 1,2 – 1,4 1,2	3,0 – 3,5 3,2 – 3,4 3,7 – 3,9 4,5 – 4,9 – – – 6,0 – – – 4,7 4,0 – 4,5 4,5 – 4,7	420 360 350 345 380 425 420 205 320 265 270 340 350 230	Трещин нет Трещин нет 5 7,5 – 32,5 12,5 15,0 16,5 17,5 5,0 22,5	Средняя Высокая Высокая Средняя Низкая Средняя Низкая Низкая Средняя Средняя Средняя	Высокая Высокая Высокая Средняя Пониженная Средняя Пониженная Пониженная Средняя Высокая Пониженная	200 200 200 250 150 300 200 100 80 150 175 200

растворимости) выделяется в виде крупных скоплений Mg₂Si. Это приводит к росту прочности, но снижению пластичности силуминов. Если от сплава требуется высокая прочность, то содержание Mg выбирают на верхнем пределе, а если требуется сохранить пластичность, то его содержание ограничивают до 0,2 – 0,3 %. Упрочняющее влияние фазы Mg₂Si растет при повышении содержания Si, однако это сопровождается повышением склонности к образованию газоусадочной пористости и концентрированных усадочных раковин. В связи с этим Mg вводят только в сплавы, содержащие не более 10 % Si. В сплаве АК12 магний не допускается даже в примесях.

Таблица 9

Физические свойства некоторых литейных алюминиевых сплавов

Марка сплава	Плотность ρ, г/см3	Удельная теплоемкость с (при 100 оС), кДж/(кг ∙ К)	Теплопровод-ность λ при 20 оС, Вт/(м ∙ К)	Коэффициент термического расширения α ∙ 10 6 (20 – 100 оС), 1/К
АК12 АК9 АК7 АК5М АК12ММгН АК7Ц9 АМ5 АМг5К АМг6 АМг10 АМг11 АЦ4Мг	2,65 2,65 2,66 2,68 2,70 2,94 2,78 2,63 2,63 2,55 2,50 2,74	0,838 0,755 0,880 0,838 - 0,880 0,838 0,964 1,05 0,880 0,880 -	168 147 151 159 144 112 121 105 113 94 84 100	21,1 21,7 21,9 23,1 20,0 24,4 19,5 22,0 24,4 24,5 24,5 23,2

Рис. 9. Алюминиевый угол диаграммы состояния системы Al – Si – Mg

Наиболее вредной примесью для силуминов является железо. Образующаяся тройная фаза AlFeSi кристаллизуется в форме грубых игольчатых включений, резко снижающих пластичность. Для нейтрализации вредного влияния железа в сплавы вводят 0,2 – 0,5 % Mn (АК9) или 0,15 – 0,4 % Be (АК8), которые образуют более сложные фазы, кристаллизующиеся в компактной форме. Измельчение структуры, например, в результате увеличения скорости охлаждения, также уменьшает вредное влияние Fe. В связи с этим в сплавах, предназначенных для литья в кокиль или ЛПД, допускается более высокое содержание Fe, чем в сплавах для литья в песчаные формы. Повышенное содержание Fe в расплаве при ЛПД даже полезно тем, что способствует повышению стойкости пресс-форм.

Микроструктура силуминов показана на рис. 10 / Мальцев/. У доэвтектических сплавов видны дендриты твердого раствора α и эвтектика α + Si (рис. 10, а). При увеличении содержания кремния растет количество эвтектики (рис. 10, б). В сплаве эвтектического состава (рис. 10, в) хорошо видны игольчатые кристаллы кремния, которые равномерно распределены в твердом растворе α. В завтектических силуминах появляются кристаллы первичного Si.

К недостаткам силуминов можно отнести повышенную склонность к насыщению водородом и, как следствие, повышенную склонность к образованию газовой пористости. Сплавы плохо обрабатываются резанием. Из-за выкрашивания частиц хрупкого кремния обработанные поверхности имеют повышенную шероховатость. Силумины плохо свариваются.

Механические свойства сплавов приведены в таблице 7, а технологические и физические свойства в таблицах 8 и 9.

АК12 (АЛ2) является наименее прочным ( =140 – 160 Мпа). Эвтектический состав обеспечивает ему лучший комплекс литейных свойств. Он нашел самое широкое применение в машиностроении и приборостроении для литья деталей любой сложности, не несущих больших нагрузок. Рабочие температуры не выше 200 ^оС.

АК7 (АЛ9) может применяться в литом, закаленном, закаленном и искусственно состаренном состоянии. Эффективность ТО достигается за счет появления дополнительной фазы Mg₂Si. В литом состоянии в структуре сплава присутствуют , эвтектика  + Si, Mg₂Si и Al₄Si₂Fe (железо, как примесь всегда присутствует в силуминах). При температуре закалки Mg₂Si полностью переходит в твердый раствор. Если не проводить искусственное старение то постепенно произойдет естественное старение, при этом возможно коробление деталей. Большое количество эвтектики определяет хорошие литейные свойства сплава. Кроме того, он обладает высокой герметичностью, хорошей коррозионной стойкостью, свариваемостью газовой и аргонно-дуговой сваркой. Сплав рекомендуется применять в модифицированном состоянии. Механические свойства сплава средние, обрабатываемость резанием удовлетворительная. Механические и некоторые другие свойства, например герметичность, повышаются при снижении количества примесей. Высокая технологичность сплава способствует его широкому применению в различных отраслях промышленности для литья сложных по конфигурации средненагруженных деталей приборов, агрегатов и двигателей, работающих при температурах не выше 200 ^оС. Сплавы АК7ч и АК7пч используют для деталей ответственного назначения.

АК9 (АЛ4)отличается от АК7 повышенным содержанием кремния и наличием марганца. Марганец введен для нейтрализации вредного влияния примеси железа. Железосодержащая фаза Al₄Si₂Fe кристаллизуется в виде крупных пластинчатых частиц (рис. 11, а), которые снижают прочность и особенно пластичность сплава. При наличии марганца образуется четверное соединение AlSiMnFe в более благоприятной компактной форме (рис. 11, б). Сплав АК9 и его модификации АК9ч, АК9пч являются одними из наиболее прочных силуминов. Для устранения грубокристаллического строения эвтектики сплав необходимо модифицировать. Эффект модифицирования можно увидеть сравнив структуру сплава в литом состоянии (рис. 10, б) со

Рис.10. Микроструктура силуминов в литом состоянии х200:

а – доэвтектический силумин (4,5 % Si); б – доэвтектический силумин (10 % Si);

в – эвтектический силумин (12 % Si); г – заэвтектический силумин (13 % Si)

структурой сплава, модифицированного натрием (рис. 11, б, в). Модификатор измельчает кристаллы кремния в эвтектике и железистую фазу. Для устранения склонности к газовой пористости процесс кристаллизации крупногабаритных отливок осуществляется под повышенным давлением в автоклаве, что предотвращает выделение растворенного водорода и способствует получению плотных отливок. Из сплава отливают крупные и средние детали сложной конфигурации (корпуса насосов, картеры, блоки цилиндров двигателей и т.д.), работающие в условиях значительных нагрузок и внутренних давлений при температурах не выше 200 ^оС.

АК8л(АЛ34) и АК10Су применяются реже, чем другие силумины. Они имеют более сложную технологию плавки и литья. В сплав АК8л введен бериллий, который обладает лучшей способностью к нейтрализации железа, снижает окисляемость сплава, но одновременно приводит к росту зерна. Для измельчения структуры в сплав добавлен титан. По прочности АК8л существенно превосходит сплавы АК7 и АК9. Он предназначен для литья сложных по конфигурации и крупных корпусных деталей, работающих под большим внутренним давлением газа или жидкости и испытывающих большие напряжения при эксплуатации.

Сплавы II группы (АК5М, АК5Мч, АК5М2, АК5М7, АК6М2, АК8М, АК5М4, АК8М3, АК8М3ч, АК9М2, АК12М2, АК12ММгН, АК12М2МгН, АК21М2,5Н2,5) в качестве основных компонентов содержат кремний от 4 до 22% и медь от 0,5 до 8 %. Медистые силумины представляют собой наиболее многочисленную группу алюминиевых сплавов. В зависимости от состава свойства этих сплавов меняются в широких пределах. По сравнению с обычными силуминами, с одинаковым содержанием кремния, эти сплавы отличаются повышенной прочностью и твердостью, что объясняется большим пересыщением твердого раствора _Al. По этой же причине медистые силумины могут работать при более высоких температурах, чем простые силумины. Повышению жаропрочности способствует и появление новых упрочняющих фаз, таких как CuAl₂. В ГОСТ 1583- 93 остался только один сплав АК8М3 тройной системы Al – Si – Cu. Все остальные содержат еще одну – две добавки: магний, марганец и др.

В связи с более сложным составом все сплавы II группы имеют многофазную структуру. Основными структурными составляющими являются первичные кристаллы твердого раствора , двойная эвтектика  + Si и тройная эвтектика  + Si +CuAl₂. В сплавах, содержащих Mg, появляется и четверная эвтектика  + Si +CuAl₂+Mg₂Si. Примеси железа образуют игольчатые включения железистой составляющей (AlFeSi). Добавки

Рис. 11. Эффективность модифицирования силуминов: а – немодифицированный сплав, содержащий 1,5 % Fe; б – модифицированный сплав АК9; в – железомарганцовистая фаза AlMnFeSi в модифицированном сплаве АК9.

марганца, как в простых силуминах, придают железистой составляющей (AlFeSiMn) более компактную форму, в меньшей степени снижающую пластичность.

Структура заэвтектического силумина АК21М2,5Н2,5 содержит кристаллы кремния и эвтектику  + Si. Добавки никеля в этом сплаве создают своеобразный каркас из дополнительной никелевой фазы, которая существенно повышает жаропрочность.

Все сплавы II группы, несмотря на существенные различия в химическом составе, имеют узкий интервал кристаллизации и сохраняют отличные литейные свойства. Жидкотекучесть лишь немного хуже, а линейная усадка чуть больше, чем у простых силуминов. Сплавы более склонны к образованию усадочных дефектов и горячих трещин при затрудненной усадке. Краткая характеристика некоторых медистых силуминов приведена ниже.

Сплав АК5М (АЛ5) обладает достаточно высокой прочностью при комнатной температуре (не менее 235 МПа, ТО по режиму Т6) и повышенной жаропрочностью. К недостаткам сплавов относится низкая пластичность и пониженная коррозионная стойкость, которую можно повысить более чем в 2 раза путем снижения содержания железа. Сплав обладает хорошими литейными свойствами. Герметичность несколько хуже, чем у простых силуминов. Сплав почти не склонен к образованию горячих трещин. Он хорошо обрабатывается резанием, удовлетворительно сваривается аргонно-дуговой сваркой. Сплав предназначен для литья средненагруженных деталей, работающих при температурах не выше 250 ^оС (головки цилиндров, детали агрегатов и т.д.).

Аналогичный по составу сплав АК5Мч отличается от прототипа добавкой титана, который измельчает зерно и повышает его прочность и пластичность.

АК8М (АЛ32) характеризуется сочетанием достаточно высоких значений прочности и пластичности при комнатной и повышенных температурах. Для него характерны хорошие литейные свойства и удовлетворительная коррозионная стойкость. Герметичность сплава близка к герметичности сплава АК12. Горячеломкость, линейная и объемная усадки такие же, как у сплава АК9. Сплав применяют для изготовления деталей агрегатов и приборов, работающих при температуре до 150 ^оС.

АК8М3ч (ВАЛ8) относится к группе высокопрочных. Высокая прочность достигнута в результате дополнительного многокомпонентного макро (медь, цинк) – и микролегирования (бериллий, титан и бор) базовой системы Al – Si – Mg. Огромное влияние на прочностные характеристики этого сплава оказывают и термовременные параметры термической обработки. Совместное введение меди и цинка обеспечивает существенный прирост прочности при сохранении пластичности. Медь и магний влияют на эффективность ТО. Бериллий нейтрализует вредное влияние железа и снижает окисляемость сплава в жидком состоянии и повышает коррозионную стойкость. Бор и титан оказывают модифицирующий эффект. Наибольшая прочность (выше 400 МПа) достигается при термообработке по режиму Т5 (закалка и старение при 160 ^оС, 8 ч). Сплав рекомендуется для производства силовых и герметичных деталей с рабочими температурами до 250 ^оС. Он может заменить (унифицировать) собой все остальные медистые силумины. По комплексу технологических свойств сплав АК8М3ч превосходит все другие сплавы этой группы. Приготовление сплава не требует специального оборудования, но все же технология его плавки и литья более трудоемка. Из экономических соображений использование только сплава АК8М3ч нецелесообразно. Отливки менее ответственного назначения нужно изготовлять из более простых сплавов.

Поршневые сплавы составляют важнейшую часть всех сплавов II группы. В нашей стране и за рубежом производится огромное количество двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и, соответственно, миллионы поршней для этих двигателей. При работе поршни подвергаются значительным нагрузкам. Они движутся в цилиндрах с высокими скоростями и ускорениями в условиях одностороннего нагрева. Чтобы рабочий цилиндр не перегревался, поршень должен быть из материала с высокой теплопроводностью. Сплав должен иметь малое тепловое расширение, чтобы его не заклинило в цилиндре при рабочих температурах, и не требовался большой предварительный зазор в холодном состоянии. При эксплуатации поршень должен сохранять свои геометрические размеры. От массы поршня зависят размеры и масса остальных деталей двигателя: шатунов, коленчатых валов с противовесами и т.д. Чем меньше масса двигателя, тем выше его экономичность (меньше расход топлива).

Таким образом, к поршневым сплавам предъявляются следующие требования:

1. Высокая статическая и динамическая прочность,

2. Высокий предел выносливости,

3. Достаточная твердость при высоких температурах,

4. высокая теплопроводность,

5. Низкий коэффициент термического расширения,

6. Малая плотность,

7. Хорошие антифрикционные свойства и высокая износостойкость,

8. Высокая коррозионная стойкость,

9. Удовлетворительная технологичность.

Наиболее полно удовлетворяют приведенным требованиям медистые силумины с добавками магния, никеля, марганца, титана и хрома.

В течение длительного времени большинство поршней ДВС различного назначения изготовляли из вторичного чушкового сплава АК5М7 (АЛ10В). Уровень свойств этого сплава удовлетворял лишь условиям эксплуатации ДВС малой мощности. В настоящее время он включен в ГОСТ 1583, но не рекомендуется для использования в новых конструкциях. Из новых поршневых материалов с лучшей стороны проявили себя сплавы АК12М2МгН (АЛ25), АК12ММгН (АЛ30) и АК21М2,5Н2,5 (ВКЖЛС-2).Эти сплавы имеют более сложный состав, чем у сплава АК5М7, и меньшее содержание примесей. По всем характеристикам, включая литейные, физические свойства и коррозионную стойкость, они превосходят своего предшественника.

АК12М2МгН (АЛ25), АК12ММгН (АЛ30) имеют эвтектическую концентрацию кремния. Они дополнительно легированы магнием, медью, никелем, а в сплав АК12М2МгН введены еще марганец и титан. Сплавы имеют сложный фазовый состав. Кроме пересыщенного твердого раствора, устойчивого при повышенных температурах, в сплавах присутствуют частицы таких сложных фаз, как Al_xMg₅Si₄Cu₄, Al₁₂Mn₂Cu, Al₆Cu₃Ni и др., которые располагаются по границам зерен и придают сплавам высокую жаропрочность.

Сплавы обладают высокими литейными свойствами, хорошей коррозионной стойкостью и мало склонны к объемным изменениям при эксплуатации. Коэффициент термического расширения у них составляет (19,0 – 20,0) ·10^6 1/К против 24,4·10^6 1/К у сплава АК5М7. Сплавы могут работать при температурах до 300 ^оС.

АК21М2,5Н2,5 (ВКЖЛС-2) является завтектическим силумином. Он имеет еще более сложный состав (добавлен хром) Ранее использовался и заэвтектический сплав АЛ26 с близким составом. Высокое содержание кремния способствует уменьшению коэффициента термического расширения до 18·10^6 1/К (у кремния он ниже, чем у алюминия). Жаропрочность несколько выше, чем у эвтектических сплавов. Поршни могут работать при температурах 300 – 320 ^оС.

В структуре сплава присутствуют первичные кристаллы кремния, обладающие большой твердостью, что ухудшает обработку резанием. Для измельчения кристаллов кремния рекомендуется проводить модифицирование расплава фосфором.

Сплавы III группы АМ5, АМ4,5Кд системы Al – Cu характеризуются повышенной прочностью и жаропрочностью. Они хорошо обрабатываются резанием. Литейные свойства, герметичность и коррозионная стойкость пониженные.

Как видно из диаграммы состояния системы Al – Cu, приведенной на рис. 12, растворимость Cu возрастает при повышении температуры и достигает 5,6 %. Это указывает на возможность проведения упрочняющей ТО сплавов, содержащих менее 5,6 %. Упрочняющей фазой при закалке и старении служит интерметаллическое соединение CuAl₂. Дисперсионный механизм твердения (выделение мелкой хрупкой фазы) способствует повышению жаропрочности сплавов этой системы (рис. 13).

Рис.12. Диаграмма состояния системы алюминий – медь

Так как эвтектическая точка сильно сдвинута вправо (33 %) и в ее состав входит хрупкий интерметаллид, то эвтектические сплавы не нашли практического применения из-за низких механических свойств. Температура плавления эвтектики ниже, чем у силуминов, поэтому интервал кристаллизации больше. Это указывает, что литейные свойства сплавов данной группы будут хуже, чем у силуминов. Практика показала, что сплавы системы Al – Cu склонны к образованию горячих трещин и рассеянной усадочной пористости. Они имеют меньшую жидкотекучесть, хуже заполняют литейную форму.

Рис. 13. Микроструктура двойных сплавов Al – Cu

АМ5 (АЛ19) кроме основы содержит марганец и титан. Mn упрочняет твердый раствор и задерживает его распад при нагреве, а Ti оказывает модифицирующее действие, измельчает зерно.

Фазовый состав сплава достаточно сложен (рис.14). Кроме твердого раствора α меди и марганца в алюминии в сплаве присутствуют интерметаллиды CuAl₂, Al₃Ti, и более сложная фаза Al₁₂Mn₂Cu. Такая структура сплава повышает его жаропрочность до 300 ^ос. Сплав АМ5 очень чувствителен к примесям железа. Для получения максимальной прочности его содержание должно быть не более 0,2 %. Наибольшая прочность(до 450 МПа) достигается после термической обработки по режиму Т5, а максимальная пластичность (10 – 20 %)может быть получена в закаленном состоянии (Т4).

Сплав применяют для силовых деталей, работающих в условиях повышенных статических и динамических нагрузок при повышенных температурах. Коррозионная стойкость может быть повышена анодированием деталей.

АМ4,5Кд (ВАЛ10) является наиболее прочным из алюминиевых сплавов и при этом сохраняет высокую пластичность. По составу он отличается от сплава АМ5 добавкой кадмия. Он используется для наиболее нагруженных деталей, работающих при температурах до 300 ^оС

Рис.14. Микроструктура сплава АМ5

Сплавы АМ5 и АМ4,5Кд в настоящее время полностью вытеснили другие сплавы системы Al – Cu (АЛ1, АЛ7, АЛ12, АЛ21 и АЛ33), которые были включены в прежние стандарты.

Сплавы IV группы (магналии) легкие высокопрочные конструкционные материалы с высокой коррозионной стойкостью. Они хорошо обрабатываются резанием и полируются. К недостаткам сплавов IV группы можно отнести пониженные литейные свойства и герметичность. Сплавы в расплавленном состоянии имеют повышенную склонность к окислению, а также к образованию горячих трещин и усадочной рыхлоты. По жидкотекучести уступают силуминам, но превосходят сплавы системы Al – Cu.

Из диаграммы состояния системы Al – Mg (рис.15) следует, что растворимость магния в твердом растворе весьма значительна и достигает 17,4 %. В системе наблюдается образование нескольких химических соединений. Первое из них Al₃Mg₂ (β – фаза) появляется при 38 % магния. Эвтектика образуется при содержании Mg более 30 % и содержит вышеуказанный хрупкий интерметаллид, поэтому эвтектические сплавы не применяются. Низкая температура плавления эвтектики (449 ^оС) приводит к увеличению интервала кристаллизации сплавов. Сплавы системы Al – Mg еще более широкоинтервальные, чем сплавы системы Al – Cu и они обладают низким комплексом литейных свойств.

Рис.15. Диаграмма состояния системы алюминий - магний

При длительной эксплуатации при повышенных температурах магналии разупрочняются, поэтому двойные сплавы рекомендуется использовать при температурах не выше 80 ^оС. Однако в изделиях разового назначения эти сплавы, особенно сложнолегированные магналии, в течение нескольких минут могут работать при температурах до 400 ^оС, что объясняется медленным распадом твердого раствора.

Механические свойства возрастают при увеличении концентрации до 13 % Mg, но при 11 % Mg начинается резкое уменьшение пластичности. Для литейных сплавов используют две области концентрации: 4,5 – 7 % Mg и 9,5 – 13 % Mg. Первая группа – это сплавы средней прочности и пластичности, не упрочняемые ТО, а вторая – сплавы, закалка которых приводит к достижению высокой прочности и пластичности.

Сплавы системы Al – Mg могут быть дополнительно легированы кремнием, марганцем, медью, но наиболее благоприятное воздействие на повышение технологических и механических свойств оказывают небольшие добавки титана, циркония и бериллия. Ниже дана характеристика некоторых наиболее известных сплавов этой системы.

АМг5К (АЛ13) дополнительно легирован кремнием, марганцем и цирконием. Кремний несколько улучшает литейные свойства и повышает жаропрочность. Образующаяся фаза Mg₂Si входит в состав тройной эвтектики α + β + Mg₂Si (рис. 16) и увеличивает ее общее количество, тем самым повышает жидкотекучесть и снижает горячеломкость. Однако фаза Mg₂Si не оказывает упрочняющего действия, а пластичность сплава снижает, что и ограничивает концентрацию кремния (не более 1,5 %). Добавки марганца улучшают коррозионную стойкость и также повышают жаропрочность.

Рис. 16. Микроструктура сплава АМг5К

К недостаткам сплава можно отнести низкую прочность, поэтому его применяют для получения всеми видами литья ненагруженных деталей, работающих в условиях атмосферного коррозионного воздействия при температурах не выше 150 ^оС.

АМг7 (АЛ29) по составу отличается от АМг5К только повышенным содержанием магния и меньшим допустимым содержанием примесей. Сплав предназначен для литья под давлением. Он более прочный, применяется для деталей, работающих при средних статических и динамических нагрузках в условиях влажного климата. Детали из сплава АМг7 длительное время могут работать при температурах до 150 ^оС.

АМг6л (АЛ23) и АМг6лч (АЛ23 – 1) используются в литом и закаленном состоянии. Они предназначены для литья в кокиль и песчаные формы средненагруженных корпусных деталей, подвергающихся коррозионным воздействиям при температурах от – 60 до + 80 ^оС. Добавки циркония и титана оказывают модифицирующее действие и способствуют повышению прочности и пластичности. Бериллий снижает окисляемость расплава. Кремний несколько улучшает литейные свойства.

АМг10 (АЛ27) и АМг10ч (АЛ27-1) являются наиболее прочными из магналий. Они применяется только в закаленном состоянии. В литом состоянии сплавы очень хрупкие, так как по границам зерен выделяется хрупкая β фаза Mg₂Al₃. (рис. 17, а). Крупные выделения этой хрупкой составляющей, часто образующей сплошную сетку, служат причиной трещинообразования в отливках, снижают механические свойства. При нагреве под закалку β фаза растворяется, и сплав принимает строение близкое к гомогенному. На границах зерен могут оставаться железосодержащие фазы и Mg₂Si, если есть примеси кремния. Однако процесс растворения крупных включений β фазы протекает медленно (до 70 часов) поэтому в двойных сплавах хрупкое действие β фазы может сохраняться и после закалки. Под воздействием добавок Ti, Zr, В в литом состоянии β фаза измельчается (рис. 17, б) и процесс растворения значительно ускоряется. После закалки предел прочности сплавов с высоким содержанием Mg за счет комплексного легирования малыми добавками титана, бериллия и циркония возрастает до 400 МПа, а относительное удлинение не ниже 20 %.

Рис. 17. Микроструктура сплава с 10 % Mg (а) и сплава с добавкой 0,01 % В (б) в литом состоянии (х70)

По коррозионной стойкости сплавы превосходят все другие алюминиевые сплавы. Сплав отлично обрабатывается резанием, полируется, удовлетворительно сваривается. Его применяют для корпусных деталей, станин, шпангоутов, работающих в условиях высоких статических и ударных нагрузок и подвергающихся коррозионному воздействию атмосферы и морской воды.

Сплавы V группы представлены в стандарте двумя сплавами системы Al – Zn – Si и одним сплавом системы Al – Zn – Mg. Из диаграммы состояния Al – Zn (рис. 18) видно, что растворимость цинка в алюминии очень велика (84 % при температуре образования эвтектики 382 ^оС). В твердом состоянии при температуре 275 ^оС наблюдается своеобразное расслоение твердого раствора (монотектическое превращение) на два твердых раствора, отличающихся содержанием цинка. Однако при комнатной температуре растворимость цинка составляет лишь 2 %. Продуктами распада твердого раствора при понижении температуры являются частицы цинка. Двойные сплавы Al – Zn на практике не применяются. Растворное упрочнение при растворении цинка в алюминии незначительно. Даже при содержании до 20 % Zn сплавы обладают низкими механическими свойствами.

Рис. 18. Диаграмма состояния системы Al – Zn

Литейные свойства плохие из-за широкого интервала кристаллизации и отсутствия эвтектики. При более высоком содержании цинка сплавы имеют слишком высокую плотность, что сводит к минимуму одно из достоинств алюминиевых сплавов – легкость. Более удачными оказались попытки дополнительного легирования этой системы кремнием и магнием. Высокая устойчивость твердых растворов цинка и магния в алюминии сообщают сплавам склонность к самозакалке. Они обладают сравнительно высокими механическими свойствами и хорошо обрабатываются резанием. Их можно использовать в литом состоянии без термообработки.

АК7Ц9 (АЛ11) и АК9Ц6 (АК9Ц9р) называют цинковистыми силуминами. Они содержат небольшое количество магния, образующего фазу Mg₂Si. Кремний образует эвтектику со сложным твердым раствором цинка и кремния в алюминии α_(Zn,Si) + Si и обеспечивает хорошие литейные свойства. Механические свойства в литом состоянии выше, чем у обычных силуминов. Со временем прочность возрастает в процессе естественного старения. Сплавы имеют удовлетворительную герметичность, хорошо обрабатываются резанием и свариваются. К недостаткам относится высокая плотность и низкая коррозионная стойкость.

Сплав АК7Ц9 был предназначен для применения в автомобилестроении для изготовления сложных по конфигурации средненагруженных деталей, работающих при температурах не выше 150 ^оС.

АЦ4Мг (АЛ24) дополнительно легирован марганцем и титаном. Марганец улучшает коррозионную стойкость сплава. Титан способствует измельчению зерна и вместе с марганцем повышает прочность. Наибольшая прочность сплава (до 400 Мпа) достигается после закалки и искусственного старения. Сплав имеет пониженные литейные свойства и герметичность, склонен к образованию горячих трещин. Это связано с широким интервалом кристаллизации. Из других особенностей сплава можно отметить структурную стабильность и небольшую склонность к размерным изменениям при длительной эксплуатации. Он обладает хорошей коррозионной стойкостью и обрабатываемостью резанием. Хорошо полируется и удовлетворительно сваривается.

Рекомендуется для изготовления деталей точных приборов, радио – и электроаппаратуры, а также для сварных конструкций, работающих в условиях средних статических нагрузок при температурах до 200 ^оС.