Алюминиевые литейные сплавы

Сплавы алюминиевые литейные регламентируются ГОСТ 1583-93, который распространяется на сплавы в чушках, используемых в качестве металлошихты, и сплавы в готовых отливках (всего 39 марок). В соответствии с ГОСТ1583-93 при маркировке сплава используется комбинированное (двойное) обозначение: сначала указывается марка сплава в чушках, затем в скобках — марка сплава для готовых фасонных отливок, например: АК12 (АЛ2), АК13 (АЛ13), АК5М (АЛ5).

Сплавы в чушках маркируются следующим образом. Вначале указывается буква "А", которая обозначает, что сплав алюминиевый. Затем буквами обозначают наименование основных или легирующих элементов, за которыми следует цифра, означающая среднее содержание в процентах этих компонентов. Принято следующее обозначение компонентов, входящих в состав алюминиевых литейных сплавов: К - кремний; Су - сурьма; Мц - марганец; М - медь; Мг - магний; Н - никель; Ц - цинк. Например: АК12 - это алюминиевый сплав со средним содержанием Si = 12%; АК10Су- содержит 10% кремния и в качестве легирующего элемента имеется сурьма, остальное - А1; АМг4К1, 5М - сплав, содержащий магния - 40%, кремния - 1,5, меди около 1,0%, остальные - А1.

Марка сплава в отливках обозначается двумя способами:

Первый - буквами АЛ (А - алюминий, Л - литейный), за которыми следуют цифры, показывающие номер сплава. Эти цифры условные, не имеющие никакой связи с химическим составом или механическими свойствами. Пример обозначения - АЛ2, АЛ4, АЛ19;

Второй — аналогично сплавам в чушках.

В конструкторской документации при маркировке фасонных отливок стандарт допускает указывать марку сплава без дополнительного обозначения марки в скобках или только марку, обозначенную в скобках.

В учебном процессе, когда указывается химический состав металла готовой отливки, допускается использовать обозначение по первому способу (АЛ...), когда речь идет о шихте (чушках), используемой для плавки, то можно указывать марку чушек по второму способу (АК...).

3.2.1. Классификация и свойства алюминиевых сплавов

По назначению конструкционные алюминиевые литейные сплавы можно условно разделить на следующие группы:

сплавы, отличающиеся высокой герметичностью: АК12 (АЛ2), АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9), АК8МЗч (ВАЛ8), АК7пч (АЛ9-1), АК8л (АЛ34), АК8М (АЛ32);

сплавы высокопрочные, жаропрочные: АМ5 (АЛ 19), АК5М (АЛ5), АК5Мч (АЛ5-1), АМ4,5 Кд (ВАЛ10);

сплавы коррозионно-стойкие: АМч11 (АЛ22), АЦ4Мг (АЛ24), АМг10 (АЛ27), АМг10ч (АЛ27-1).

Буквы в конце марки обозначают: ч - чистый; пч - повышенной чистоты; оч - особой чистоты; л - литейные сплавы; с - селективный.

Рафинированные сплавы в чушках обозначают буквой "р", которую ставят после обозначения марки сплава. Сплавы, предназначенные для изготовления изделий пищевого назначения, обозначают буквой "П", которую также ставят после обозначения марки сплава.

Алюминиевые литейные сплавы в чушках (металлошихта) и в отливках получают для нужд народного хозяйства и на экспорт по ГОСТ 1583-93.

Марки и химический состав алюминиевых литейных сплавов должны соответствовать приведенным в табл. 3.14.

Силумины в чушках изготовляют со следующим химическим составом:

АК12ч (СИЛ-1): кремний 10-13%, алюминий - основа; примесей, %, не более: железо 0,50, марганец 0,40, кальций 0,08, титан 0,13, медь 0,02, цинк 0,06;

АК12пч (СИЛ-0): кремний 10-13%, алюминий - основа; примесей, %, не более: железо 0,35, марганец 0,08, кальций 0,08, титан 0,08, медь 0,02, цинк 0,06;

АК12оч (СИЛ-00): кремний 10-13%, алюминий - основа; примесей, %, не более: железо 0,20, марганец 0,03, кальций 0,04, титан 0,03, медь 0,02, цинк 0,04;

АК12ж (СИЛ-2): кремний 10-13%, алюминий - основа; примесей, %, не более: железо 0,7, марганец 0,5, кальций 0,2, титан 0,2, медь 0,03, цинк 0,08.

По соглашению изготовителя с потребителем в силумине марки АК12ж (СИЛ-2) допускается содержание железе до 0,9%, марганца до 0,8%, титана до 0,25%.

Для изготовления изделий пищевого назначения применяются сплавы АК7, АК5М2, АК9, АК12. Использование других марок сплавов для изготовления изделий и оборудования, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами и средами, в каждом отдельном случае должно быть разрешено органами здравоохранения.

В алюминиевых сплавах, предназначенных для производства изделий пищевого назначения, массовая доля свинца должна быть не более 0,15%, мышьяка не более 0,015%, цинка не более 0,3%, бериллия не более 0,0005%.

В рафинированных сплавах содержание водорода должно быть не более 0,25 см³/100 г металла для доэвтектических силуминов, 0,35 см^э/100 г - для заэвтектических силуминов, 0,5 см³/100 г - для алюминиево-магниевых сплавов; пористость должна быть не более трех баллов.

В зависимости от химического состава алюминиевые сплавы подразделяются на пять групп (табл. 3.14).

Первая группа - сплавы на основе А1-Si-Мg; для получения мелкозернистой структуры необходимо применять модифицирование.

Вторая группа - сплавы на основе системы А1-Si-Сu; хорошие литейные свойства объясняются оптимальным сочетанием содержания кремния и меди; такое содержание легирующих элементов позволяет применять термическую обработку для повышения механических свойств сплавов.

Третья группа - сплавы на основе системы А1-Сu; обладают способностью к термической обработке, после чего улучшаются их механические свойства, литейные свойства хуже, чем у силуминов.

Четвертая группа - сплавы на основе системы А1-Мg; имеют повышенные механические свойства за счет легирования титаном, бериллием, цирконием; сплавы этой группы выдерживают высокие статические и ударные нагрузки.

Пятая группа - сплавы на основе системы А1-прочие элементы (Ni-Тi и др.); обладают, жаропрочными свойствами, то есть хорошо работают при повышенных температурах; то же можно сказать и о давлениях.

Анализируя ГОСТ 1583-93, видно, что некоторые сплавы одной марки, используемые для металлошихты и фасонных отливок, имеют отличия в химическом составе: у сплавов для отливок допускается небольшое уменьшение содержания магния и увеличение содержания вредных примесей.

* Сумма учитываемых примесей зависит от вида литья.

Примечания:

1. В скобках указаны обозначения марок сплавов по ГОСТ 1583-89, ОСТ 48-178 и по техническим условиям.
2. В дробях в числителе приведены данные для чушек, в знаменателе - для отливок.
3. Допускается не определять массовую долю примесей в сплавах при производстве отливок из металлошихты известного химсостава (за исключением примеси железа).
4. При применении сплавов марок АК12 (АЛ2) и АМг3Мц (АЛ28) для деталей, работающих в морской воде, массовая доля меди не должна превышать: в сплаве марки АК12 (АЛ2) - 0,30%, в сплаве марки АМг5Мц (АЛ28) - 0,1%.
5. При применении сплавов для литья под давлением допускается в сплаве марки АК7Ц9 (АЛ 11) отсутствие магния; в сплаве марки АМг11 (АЛ22) содержание магния 8,0-13,0%, кремния 0,8-1,6%, марганца до 0,5% и отсутствие титана.
6. Сплавы марок АК5М7 (А5М7), АМг5К (АЛ13), АМг10ч (АЛ27), АМг10ч (АЛ27-1) не рекомендуются к использованию в новых конструкциях.
7. В сплаве АК8М3ч (ВАЛ8) допускается отсутствие бора при условии обеспечении уровня механических характеристик, предусмотренных настоящим стандартом. При изготовлении деталей из сплава АК8М3ч (ВАЛ8) методом жидкой штамповки массовая доля железа должна быть не более 0,4%.
8. При литье под давлением в сплаве АК8 (АЛ34) допускается снижение предела массовой доли бериллия до 0,06%, повышение допустимой массовой доли железа до 0,1% при суммарной массовой доле примесей не более 1,2% и отсутствие титана.
9. Для модифицирования структуры в сплавы АК9ч (АЛ4), АК9пч (АЛ4-1), АК7ч (АЛ9), АК7пч (АЛ9-1) допускается введение стронция до 0,08%.
10. Примеси, обозначенные прочерком, учитываются в общей сумме примесей, при этом содержание каждого из элементов не превышает 0,020%.
11. По соглашению с потребителем допускается изготовлять чушки, состав которых по массовым долям отдельных элементов (основных компонентов и примесей) отличается от указанного в табл. 3.14.
12. При применении сплавов для литья под давлением допускается в сплаве АМг7 (АЛ29) содержание примесей бериллия до 0,03% и кремния до 1,5%.
13. В сплаве марки АМг11 (АЛ22) допускается отсутствие титана.

Вторичные чушковые литейные сплавы получают при переработке стружки, отходов, металлического привозного лома. Химический состав вторичных алюминиевых литейных сплавов в чушках, используемых в качестве шихтовых материалов, должен соответствовать требованиям ГОСТ 1583-93.

Возможность применения того или иного сплава определяют по его механическим, физическим и технологическим свойствам, а также с учетом экономической характеристики сплава, которая во многих случаях является решающей.

Механические свойства алюминиевых литейных сплавов по ГОСТ 153-93 должны соответствовать приведенным в табл. 3.17.

Рекомендуемые режимы термической обработки сплавов в отливках по ГОСТ 1583-93 даны в табл. 3.19,

Примечания:

Условные обозначения способов литья: 3 — 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 оболочковой форме; М - сплав подвергается модифицированию.

Условные обозначения видов термической обработки: Т1 - искусственное старение без предварительной закалки; Т2 — отжиг; Т4 - закалка; Т5 - закалка и кратковременное (неполное) старение; Т6 - закалка и полное искусственное старение; Т7 - закалка и стабилизационный отпуск; Т8 - закалка и смягчающий отпуск.

Механические свойства сплавов АК7Ц9 и АК9Ц6 определяют спустя не менее одних суток естественного старения.

Механические свойства, указанные для способа литья В, распространяются также на литье в оболочковые формы.

Технологические свойства алюминиевых сплавов (табл. 3.24) влияют на качество отливок [19]. К этим свойствам сплавов относятся: жидкотекучесть, усадка (объемная и линейная), склонность к образованию пористости и раковин, склонность к образованию литейных напряжений и трещин, газопоглощение и образование неметаллических включений, пленообразование и склонность к образованию грубозернистой и столбчатой структуры.

3.2.2. Влияние химических элементов на свойства алюминиевых сплавов

Влияние отдельных химических элементов на свойства литейных алюминиевых сплавов приведено в табл. 3.25 [8].

3.2.3. Особенности алюминиевых сплавов и области их применения

Литейные алюминиевые сплавы имеют ряд особенностей: повышенную жидкотекучесть, обеспечивающую получение тонкостенных и сложных по конфигурации отливок; сравнительно невысокую линейную усадку; пониженную склонность к образованию горячих трещин. Кроме того, алюминиевые сплавы обладают высокой склонностью к окислению, насыщению водородом, что приводит к таким видам брака отливок, как газовая пористость, шлаковые включения и оксидные включения. Поэтому при разработке технологии плавки и изготовлении фасонных отливок любым из способов литья необходимо учитывать особенности отдельных групп алюминиевых сплавов [19].

Наибольшее распространение в промышленности имеют сплавы А1-Si-Мg, которые отличаются хорошими технологическими свойствами, определяемыми видом диаграммы состояния. Их структура - α-твердый раствор кремния в алюминии и эвтектика, состоящая из а-твердого раствора и зерен кремния. Литейные свойства обеспечиваются наличием в сплавах большого количества двойной эвтектики α + Si (40-75%) каркасно-матричного типа, основой которой является α-твердый раствор, что обусловливает высокую жидкотекучесть сплавов, а также низкую литейную усадку и пониженную склонность к образованию горячих трещин.

При увеличении количества эвтектики в сплавах уменьшается склонность к образованию усадочных микрорыхлот, что повышает герметичность отливок.

Процесс кристаллизации этих сплавов протекает в узком температурном интервале и идет сплошным фронтом от периферийной зоны (стенок формы) к внутренним зонам отливок, что вызывает образование между первичными кристаллами сплошного слоя мелкозернистой эвтектики. Это препятствует образованию сквозных усадочных каналов между зернами твердого раствора.

С повышением содержания кремния в сплавах понижается коэффициент термического расширения и получается более грубая структура, что приводит к охрупчиванию сплава и ухудшению обрабатываемости резанием. Для измельчения включений кремния в эвтектике используют модифицирование Nа, Li, Ка, Sr, повышающее пластические свойства (δ = 5-8 %).

Для модифицирования силуминов применяют смеси хлористых и фтористых солей натрия и калия различного состава, при этом сплавом усваивается около 0,01% Na. При модифицировании Nа отмечается переохлаждение эвтектики на 15-30 °С, а эвтектическая точка сдвигается к 13-15% Si. Эффект модифицирования тем больше, чем выше содержание кремния в сплаве, так как модификатор воздействует только на эту фазу. Для силуминов, содержащих менее 5-7% Si, модифицирование не оказывает влияние на механические свойства.

Железо в сплавах А1-Si образует соединение β(А1-Fе-Si) в виде хрупких пластин, которые резко снижают пластичность. Отрицательное влияние железа эффективно снижает добавка 0,2-0,5% Мп, при этом образуется новая фаза а (А1-Fе-Si-Мn) в виде компактных равноосных полиэдров, которые в меньшей степени влияют на пластичность.

Сплав АЛ2 (эвтектический) - единственный двойной сплав первой группы, относится к простым силуминам. Эвтектический состав сплава (10-13% Si) обеспечивает высокую жидкотекучесть, отсутствие склонности к пористости и образованию трещин. Из сплава получают плотные, герметичные отливки с концентрированной усадочной раковиной. Применяют сплав в модифицированном состоянии, в основном без термической обработки. Изготовляют мало­нагруженные детали различными способами литья. Наиболее низкие свойства получаются при литье в песчаные формы, при литье в кокиль или под давлением прочностные и пластические свойства заметно увеличиваются.

Доэвтектические специальные силумины (АЛ4, АЛ9, АЛ4-1, АЛ9-1) имеют более высокие механические свойства, но уступают по технологическим свойствам эвтектическому сплаву АЛ2. Упрочнение достигается за счет образования соединения Мg₂Si. Пониженное содержание кремния позволяет использовать сплавы при литье под давлением и в кокиль без модифицирования. При литье в песчаные формы и по выплавляемым моделям сплавы рекомендуется модифицировать.

Сплавы АК7 и АК9 отличаются от сплавов АЛ4 и АЛ9 повышенным содержанием примесей, но меньшей пластичностью.

Достоинством сплавов на основе системы А1-Si-Мg является повышенная коррозионная стойкость во влажной и морской атмосфере - АК12 (АЛ2), АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9).

Недостатки этих сплавов - повышенная газовая пористость и пониженная жаропрочность. Технология литья этих сплавов более сложная и требует применения операций модифицирования и кристаллизации под давлением в автоклавах. Особенно это относится к сплаву АК9ч (АЛ4).

Сплавы на основе системы А1-Si-Сu, которые отличаются высокой жаропрочностью (рабочие температуры 250-270 °С), но уступают сплавам А1-Si-Мg по литейным свойствам, коррозионной стойкости и герметичности; не требуют модифицирования и кристаллизации под давлением.

Жаропрочность сплавов обеспечивается содержанием устойчивых тугоплавких фаз, которые кристаллизуются в тонкой разветвленной форме и хорошо блокируют границы зерен твердого раствора, что тормозит развитие диффузионных процессов.

Сплавы на основе системы А1-Сu характеризуются высокими механическими свойствами. Фазовый состав в литом состоянии: α-твердый раствор меди в алюминии + СuА1₂. При наличии в сплаве примесей кремния и железа могут образовываться фазы А1₇Сu₂Fе, АlCuFеSi и тройная эвтектика α + Si + А1Сu₂ с температурой плавления 525 °С. Увеличение содержания кремния в сплавах до 3% приводит к повышению количества эвтектики и улучшению литейных свойств, но к значительному снижению прочности. Наличие 0,05% Мg сильно снижает свариваемость сплавов и их пластичность.

Прочность сплавов на основе системы А1-Мg с увеличением концентрации магния до 13% возрастает, но пластичность начинает снижаться при содержании более 11% Мg; основной упрочняющей фазой является химическое соединение β (А1₃Мg₂).

Для литейных сплавов используют сплавы с содержанием Мg, % (маc. доля):

4,5-7 - сплавы средней прочности, применяемые без термической обработки АКМг5К (АЛ13), АМг6л (АЛ23);

9,5-13 - сплавы повышенной прочности, применяемые в закаленном состоянии АМг10 (АЛ27), АМг11 (АЛ22).

Для улучшения технологических свойств в большинство сплавов вводят до 0,15-0,2% титана и циркония. Образующиеся на их основе интерметаллиды ТiА1₃ и ZrА1₃ более тугоплавкие, чем основа сплава, и являются модификаторами первого рода. Механические свойства возрастают на 20-30%.

Сплавы на основе системы А1-Мg обладают повышенной склонностью к образованию газовой и газоусадочной пористости, а при взаимодействии с азотом и парами воды образуются неметаллические включения и оксидные плены. Плавку сплавов следует проводить под слоем флюса, а если в их состав входит Ве, - без флюса.

К сплавам на основе системы А1 и прочих компонентов (сложнолегированные сплавы) относятся сплавы: жаропрочные многокомпонентные и самозакаливающийся коррозийно-стойкий АЦ4Мг (АЛ24), поршневые АК12М2МгН (АЛ25), а также цинковый силумин АК7Ц9 (АЛ11).

Сплав АЦ4Мг (АЛ24) относится к системе Аl-Zn-Мg, основной упрочняющей фазой является Т (А1₂Мg₃Zn₃). Высокая устойчивость твердых растворов цинка и магния в алюминии обеспечивает "самозакалку" сплава в процессе охлаждения отливки. Сплав может применяться без специальной закалки, в литом и естественно или искусственно состаренном состоянии. Сплав обладает удовлетворительными свойствами, которые улучшаются добавкой титана (0,1-0,2%). Его рекомендуется применять для литья в песчаные формы, оболочковые формы по выплавляемым моделям, свариваемых деталей, а также для деталей с повышенными стабильностью размеров и коррозионной стойкостью.

Эвтектические специальные силумины АК12М2МгН (АЛ25), обладая хорошими литейными свойствами, отличаются более высокой жаропрочностью, так как содержат 0,8-1,3% Ni, образующего сложные фазы в виде жесткого каркаса; добавка титана улучшает технологические свойства. Сплавы имеют малую склонность к объемным изменениям в процессе эксплуатации при повышенных температурах; применяются для изготовления поршней; в этом случае отливки используют без закалки. Для снятия внутренних напряжений поршни термически обрабатывают по режиму Т1.

Цинковый силумин АК7Ц9 (АЛ11), содержащий 7-12% Zn, который хорошо растворим в твердом алюминии, создает растворное упрочнение, что позволяет использовать сплав в литом состоянии (без термической обработки). Он обладает хорошими технологическими свойствами, способность сохранять прочность, твердость и сопротивление действию знакопеременных нагрузок после кратковременных и длительных нагревов до температур 300-500 °С. Применяют сплав для литых деталей в моторостроении и других отраслях про­мышленности, используют при литье в песчано-глинистые формы, кокиль и под давлением. Имеет пониженную коррозионную стойкость и сравнительно высокую плотность.