Промышленные силумины без меди и цинка («безмедистые»)

К этой группе относятся сплавы, содержащие 6—11% Si и небольшую добавку магния (0,2—0,6%): отечественные АК12, АК7, АК9 (вместе с модификациями), АК8л, АКЮСу (табл. 4.1) и их американские аналоги (А413.0, А356.0, А357.0 и др.), которые приведены в приложении 1. Для анализа фазового состава в состоянии Т4 следует воспользоваться фазовыми диаграммами следующих систем: А1—Si—Fe (АК12), A1— Si—Fe—Mn (AK13), Al—Si—Mg (АК7пч), Al—Si—Fe—Mg (АК7ч) и Al—Si—Fe—Mg—Mn (АК9ч). Фазовый состав алюминиевой матрицы в состояниях Т5 — Т7 (а также Т1) в значительной мере можно проанализировать по диаграмме А1—Si—Mg. При наличии примеси меди в количестве более 0,2—0,3% (АК7, АК9) требуется рассматривать соответствующие многокомпонентные фазовые диаграммы. Строго говоря, эти марки при содержании меди ближе к верхнему пределу, скорее, их стоило бы отнести к медистым силуминам типа АК8М.

Таблица 4.1

Химический состав безмедистых силуминов (ГОСТ 1583—93).

3 — литье в песчаные формы; К — в кокиль; Д — под давлением.

Для анализа фазового состава литых отливок следует воспользоваться неравновесными фазовыми диаграммами, в частности систем А1—Si—Mg и А1—Si—Fe—Mg. Типичные механические свойства для характерных сплавов этой группы приведены в табл. 4.2, они могут быть существенно выше минимальных значений.

Таблица 4.2

Типичные механические свойства безмедистых силуминов.

Эвтектический силумин АК12 содержит в качестве легирующего элемента только кремний, его основная структурная составляющая — алюминиево-кремниевая эвтектика. В связи со значительным концентрационным интервалом сплава АК12 по кремнию (10—13%) в структуре может наблюдаться небольшое количество первичных дендритов (А1), а также первичные кристаллы кремния в виде компактных полиэдров.

С ростом концентрации примеси железа увеличивается число иглообразных сечений пластинчатых кристаллов (3-фазы. Обычно эти кристаллы отличаются от пластинчатых ответвлений эвтектического кремния с более четкой огранкой и светлой окраской, однако при варьировании содержания примесей и режимов травления их окраска может изменяться до темно-коричневой. Самой надежной является их идентификация по контрасту при анализе нетравленых шлифов в сканирующем электронном микроскопе (в режиме отраженных электронов). Если частицы кремниевой фазы мало выделяются на фоне алюминиевой матрицы из-за близости атомных номеров А1 и Si, то иглы (3-фазы заметно светлее. Термическая обработка по режиму Т2, рекомендуемому ГОСТом 1583—89, не изменяет структуру сплава по сравнению со структурой, выявляемой световой микроскопией.

Сплав АК12 получают из первичных металлов. Он имеет невысокие прочностные характеристики, превосходные литейные свойства и хорошую коррозионную стойкость. Используется в различных отраслях машиностроения для получения герметичных отливок, а также литых деталей сложной конфигурации, работающих при температуре не выше 200 °C.

Вторым эвтектическим силумином, приведенным в ГОСТ 1583–93, является сплав АК13. Он отличается от предыдущего тем, что марганец и магний являются не примесями, а добавками. Этот силумин рекомендуется для литья под давлением, присутствующий в его составе марганец связывает большую часть железа в фазу Al₁₅(Fe, Mn)₃Si₂, позволяет несколько поднять гарантируемый уровень механических свойств по сравнению со сплавом АК12.

Доэвтектические силумины типа АК9 (кроме базового сплава к ним относятся модификации АК9с, АК9ч и АК9пч), легированные магнием (0,17—0,4%) и марганцем (0,2— 0,5%), содержат от 8,5 до 11% Si. Основные структурные составляющие в литом состоянии — это дендриты алюминиевого твердого раствора (А1) и алюминиево-кремниевая эвтектика. Среди железосодержащих фаз наиболее вероятно присутствие частиц фазы Al₁₅(Fe, Mn)₃Si₂. Примесь меди образует фазу Al₆Cu₂Mg₈Si₅, включения которой характеризуются изрезанными краями. Силицид магния наблюдается в виде дисперсных прожилок и включений, которые из-за малых размеров и количества с трудом выявляются в световом микроскопе даже при максимальном увеличении. Более строгие ограничения по примесям в сплаве АК9пч приводят к тому, что игольчатые сечения пластин (3-фазы обнаруживаются крайне редко, а количество скелетных образований Mn-содержащей фазы также мало.

При термической обработке по режимам Т4 — Т7 в процессе нагрева под закалку происходит частичная или полная фрагментация и сфероидизация пластинчатых отростков кремниевого скелета эвтектики (Al) + (Si). Кристаллы фаз Mg₂Si и Q полностью растворяются в матричном алюминиевом растворе. Морфология железистых фаз не претерпевает заметных изменений. В сплаве АК9пч, полученном литьем в тонкостенные металлические формы, происходит формирование практически глобулярных и равномерно распределенных частиц кремниевой фазы, что позволяет получить наиболее высокий уровень механических свойств. При старении образуются вторичные выделения метастабильных модификаций фазы Mg₂Si, которые являются очень сильным упрочнителем. Однако при этом сильно падает пластичность. Термическая обработка сплава по режиму Т1 не приводит к структурным изменениям, выявляемым с помощью световой микроскопии. Некоторое упрочнение связано с распадом пересыщенного (А1), который образовался в процессе литья.

Сплавы АК9 и АК9с получают из вторичного сырья. Обладают хорошими механическими и литейными свойствами при удовлетворительной коррозионной стойкости. Из-за несколько более узкого диапазона по составу сплав АК9с имеет более высокое гарантируемое значение относительного удлинения. Применяют для ответственных крупногабаритных деталей, от которых требуются повышенные прочностные свойства, например для картеров двигателей внутреннего сгорания. Основные потребители — автомобильная промышленность и сельскохозяйственное машиностроение.

Сплавы АК9ч и АК9пч изготовляют из первичных материалов. Они имеет хорошие механические и литейные свойства при удовлетворительной коррозионной стойкости, которая выше, чем у сплава АК9. Сплавы обладают хорошей герметичностью. Применяют их для ответственных крупногабаритных деталей, например картеров двигателей внутреннего сгорания, корпусных деталей и других сложных отливок, предназначенных для автомобильной промышленности и сельскохозяйственного машиностроения. Они используются также в самолетои ракетостроении при изготовлении деталей, работающих при температурах не выше 200 °C.

Доэвтектические силумины типа АК7 (кроме базового сплава к ним относятся модификации АК7ч и АК7пч), легированные магнием в количестве 0,2—0,4%, содержат от 6 до 8% Si. Основными структурными составляющими являются дендриты алюминиевого твердого раствора (А1) и алюминиево-кремниевая эвтектика, из-за примеси железа она обычно содержит значительное число пластинчатых кристаллов |3-фазы. Поэтому эвтектическую составляющую сплава можно квалифицировать как тройную эвтектику (Al) + (Si) + (3. Кристаллы (3-фазы, входящей в состав этой тройной эвтектики, имеют относительно небольшую длину (в пределах колонии), что делает их менее опасными по сравнению с частицами, сформировавшимися по двойной эвтектической реакции L —" (А1) + (3. Как следует из политермического разреза, показанного на рис. 4.1, при концентрации железа в количестве до 0,6% (3-фаза должна образовываться только по тройной эвтектической реакции. С другой стороны, при содержании более 0,2% Fe сплавы типа АК7 при температурах старения попадают в фазовую область (А1) + + (Si) + (3 + л. Из этого вытекает, что фаза-упрочнитель Mg₂Si является неравновесной, так как формирование четверного соединения п в твердом состоянии маловероятно из-за низкой диффузии Fe в (А1).

Поскольку сплавы типа АК7 не содержат добавки марганца, то скелетообразные частицы фазы Al₁₅(Fe, Mn)₃Si₂, как правило, отсутствуют. Главным отличием сплава АК7пч от других сплавов типа АК7 является резкое уменьшение количества (3-фазы, обусловленное строгой регламентацией содержания железа. В сплаве АК7 примесь меди образует четверную фазу Q, связывая в нее часть магния. Другие примеси оказывают незначительное влияние на фазовый состав сплавов этой группы. При термической обработке по режимам Т1 и Т4 — Т7 процессы протекают так же, как и в силуминах типа АК9.

Рис. 4.7. Политермический разрез диаграммы состояния AI—Si—Mg—Fe при 7% Si и 0,3% Mg.

Сплав АК7 изготовляют из вторичных шихтовых материалов. Он обладает удовлетворительными механическими и литейными свойствами, хорошей коррозионной стойкостью, которая выше, чем у сплава АК9. Применяется в различных областях промышленности для литья тонкостенных деталей средней нагруженности сложной конфигурации: корпусные детали, крышки, радиаторы отопительных систем и т. д. Сплавы АК7ч и АК7пч изготовляют из первичных материалов. Они имеют удовлетворительные механические и высокие литейные свойства, хорошую коррозионную стойкость и герметичность. Применяются для литья тонкостенных деталей средней нагруженности сложной конфигурации в различных областях техники, включая самолетеи ракетостроение.

Силумин АК8л, так же как и сплавы АК7пч и АК9пч, имеет строгое ограничение по примеси железа, но отличается от них повышенным содержанием магния (до 0,55%) и наличием добавки бериллия (0,15—0,4%). Основные структурные составляющие — дендриты алюминиевого раствора (А1) и алюминиево-кремниевая эвтектика. Согласно фазовой диаграмме А1—Si—Fe—Be железо практически полностью входит в состав железобериллиевых фаз эвтектического происхождения. Среди них наибольший объем в структуре сплава АК8л занимает фаза Al₄Be₅Fe₂, которая имеет глобулярную форму. Реже (при соотношении Fe: Be > 0,5) образуется четверное соединение (Al₈Fe₂BeSi), представляющее собой скелетообразные частицы. Термическая обработка по режимам Т1 и Т2 не вносит в структуру сплава видимых (в световом микроскопе) изменений. При нагреве под закалку и последующей выдержке происходят дробление и сфероидизация пластинчатых ответвлений эвтектического кремния. В связи с изменением морфологии Si-фазы более сложной становится идентификация в световом микроскопе глобулярных частиц фазы Al₄Be₅Fe₂.

Сплав АК8л изготовляют из первичных материалов. Благодаря повышенному содержанию магния сплав АК8л в состоянии Тб обладает наибольшей прочностью (о_в — до 350 МПа) среди стандартных безмедистых силуминов. Применяется в авиационной и автотракторной промышленности для производства сложных по конфигурации нагруженных деталей, таких как детали кабины самолетов, каркасы, панели, детали, работающие на герметичность, и др. Поскольку соединения бериллия высокотоксичны, сплав АК8л имеет ограниченное применение. Однако следует отметить, что, если примесь железа не превышает 0,1%, наличие добавки бериллия в этом сплаве представляется необоснованным.

Сплав АКЮСу предназначен для литья под давлением, отличается от других силуминов малой добавкой сурьмы. Имеет широкий интервал концентраций по магнию и допускает примеси меди и цинка до 1,8% (каждой), что делает его фазовый состав примерно таким же, как и силумина АК9.