4.1.3. Литейные алюминиевые сплавы Сплавы на основе системы Al – Si

Литейные алюминиевые сплавы относятся к трем системам легирования: Al – Si, Al – Cu, Al – Mg, из которых силумины, сплавы Al – Si, за счет большого количества эвтектики (рис. 4.4), обладают наилучшими литейными свойствами.

Рис. 4.4. Диаграмма состояния Al – Si

Силумины являются наиболее дешевыми и широко распространенными литейными алюминиевыми сплавами. Большинство силуминов обладает хорошей коррозионной стойкостью, свариваемостью. Сплавы содержат от 5 до 21 % кремния, а также дополнительные легирующие элементы (медь, магний, марганец, титан).

Единственным промышленным силумином, не содержащим помимо крем­­ния других легирующих элементов, является сплав АК12 эвтектического состава. Сплав не упрочняется термической обработкой. Прочность и пластичность силумина повышают, применяя модифицирование (введение в расплав небольших добавок щелочных металлов – натрия, лития). Модифицирование приводит к двум эффектам: диспергированию (уменьшению размеров) эвтектического кремния; сдвигу эвтектической точки в сторону больших концентраций кремния; при этом сплав, не меняя химического состава, становится доэвтектическим и содержит эвтектику и первичные кристаллы α - твердого раствора (рис. 4.5).

Такие структурные изменения приводят к повышению как временного сопротивления со 140 до 180 МПа, так и пластичности от 3 до 8 %.

Рис. 4.5. Микроструктура силумина: а – немодифицированного [α + Si];

б – модифицированного (светлые дендриты α + эвтектика [α + Si]

Другим способом повышения прочности является повышение скорости кристаллизации при изменении технологии литья: при переходе от литья в землю к литью в кокиль или литью под давлением.

Медь и магний, обладая переменной растворимостью в алюминии, способствуют упрочнению при термической обработке, состоящей, как правило, из закалки и искусственного старения. Термически упрочняемые силумины АК9, АК7 (сплавы системы Al – Si – Mg) применяют для отливок средненагруженных деталей. Сплав АК8М3ч – наиболее прочный из всех силуминов (σ_в = 400 МПа).

Высоколегированные заэвтектические силумины АК12М2МгН и АК21М2, 5Н2,5 относятся к группе поршневых сплавов и применяются для отливки поршней двигателей внутреннего сгорания. Сплавы предназначены для работы при повышенных температурах (250 - 270ºС), отличаются высокой жаропрочностью, износостойкостью и низким коэффициентом термического расширения.

Фазовый состав: в литом состоянии сплав АК12 эвтектического состава содержит эвтектику [α + Si], сплавы доэвтектического состава – α - твердый раствор кремния в алюминии и эвтектику; заэвтектического состава – кристаллы первичного кремния Si и эвтектику (рис. 3.5, а). В сплавах, легированных магнием, при старении образуется фаза Mg₂Si; в сплавах, легированных одновременно медью и магнием, – фазы θ-Al₂Cu и W -(Al_xMg₅Cu₄Si₄).

Механические свойства: более прочный силумин АК9ч, упрочняемый термообработкой, применяют для ответственных крупногабаритных деталей, например, картеров двигателей внутреннего сгорания. Сплав АК8Л предназначен для литья сложных по конфигурации деталей, работающих под давлением. Высоколегированный заэвтектический силумин АК12М2МгН применяют для отливок поршней двигателей внутреннего сгорания, работающих при повышенных температурах, до 250–270ºС.