Силуміни.

Як відомо[Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. Банных О. А., Будберг П.Б., Алисова С. П. и др. Металлургия, 1986 г.], сплави на основі Аl-Si, або силуміні, відносяться до числа найбільш поширених ливарних алюмінієвих сплавів.

Відповідно до класифікації за хімічним складом, силуміни поділяють на подвійні (або прості), леговані тільки кремнієм, і спеціальні, в яких, крім кремнію, містяться в невеликій кількості інші легуючі компоненти Mn, Cu, Mg, Ni). Силуміни відносяться до числа евтектичних або доевтекичних сплавів. Без урахування впливу інших компонентів (крім Si) їх структура представляє собою евтектику α. + Si [АК12 (АЛ2)], або первинні кристали α + евтектика α + Si [АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9), АК5М (АЛ5)].

Відповідно до діаграми стану Аl-Si (рис. 1.1) кремній має змінну розчинність в алюмінії, яка зростає від <0,1% при кімнатній температурі до 1,65% при евтектичній температурі (577 °С). Тому нагріванням Аl -Si сплавів до температури, близької до евтектичної, і швидким охолодженням, можна отримати пересичений твердий розчин кремнію в алюмінії, який при подальшому старінні розпадається з виділенням дисперсних частинок кремнію. Однак зміцнюючий ефект, пов'язаний з вказаною обробкою, вкрай малий і не має практичного значення. Таким чином, подвійні (прості) силуміни відносяться до числа термічно не зміцнювальних сплавів, що володіють невисокими характеристиками міцності.

Рис. 1.1 – Діаграма стану Аl-Si[Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. Банных О. А., Будберг П.Б., Алисова С. П. и др. Металлургия, 1986 г.]

Єдиний спосіб підвищення їх міцності і пластичності - подрібнення евтектичних кристалів кремнію, яке може бути досягнуто двома шляхами:

1) збільшенням швидкості охолодження при кристалізації,

2) введенням в сплави малих добавок (соті частки відсотка) лужних металів (натрію, літію, стронцію) .

Модифікування структури зазвичай називають зміну, поліпшення структури при введенні малих добавок не внаслідок утворення будь-яких нових структурних складових, а в результаті впливу цих добавок на величину і форму структурних складових, утворених іншими компонентами.

На практиці широко застосовують модифікування силумінів натрієм. Введення 0,01% натрію в Al-Si сплави призводить до різкого подрібнення кристалів евтектичного кремнію. На рис. 1.2зображено вплив натрію на структуру евтектичного силуміну.

Присутність натрію в силумінах викликає, крім того, зсув евтектичної точки в бік більш високих концентрацій кремнію, тому евтектичний до модифікування сплав після модифікування має структуру доевтектичного.

Рис.1.2 – Вплив натрію на структуру силуміну: а – сплав модифікований, б – сплав не модифікований[Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: «МИСИС», 1999. -416 с.]

Натрій зазвичай вводять в сплави у вигляді суміші солей, наприклад 2/3 NаF + 1/3 NaCl. Щоб в сплаві містилося 0,01% Na, необхідно ввести 2% зазначеної суміші[Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: «МИСИС», 1999. -416 с.]. Металевий натрій в рідкому сплаві утворюється в результаті взаємодії фтористого натрію з алюмінієм.

Ефект модифікування, ті поліпшення механічних властивостей внаслідок модифікування, тим більше, чим вищий вміст кремнію в сплаві. Це зрозуміло, оскільки при модифікуванні змінюються величина і форма кристалів евтектичного кремнію. для силуминів, що містять ≤5% Si, модифікування вже втрачає практичний сенс. Середній хімічний склад простого і деяких спеціальних силумінів представлений в табл. 1.

Таблиця 1.1 Хімічний склад силумінів [ДСТУ 2839-94 (ГОСТ 1583-93)]

З додаткових легуючих компонентів в силумінах найбільше значення мають магній і мідь, введення яких робить сплави термічно зміцненними. Магній утворює фазу М₂Si що являється як було показано стосовно деформованим сплавам, ефектним зміцнювачем при термообробці. У присутності великої кількості кремнію, розчинність фази Mg₂Si в алюмінії зменшуються, тому зміст Mg в силумінах менше, ніж в деформованих сплавах системи Аl-Мg-Si, і тим менше, чим вищий вміст кремнію

Спеціальні силуміни, що містять магній і мідь, піддають гартуванню та наступному штучному старінню. Зміцнення спеціальних силумінів при термічній обробці забезпечує їх значно більшу високу міцність, особливо межа плинності, при зниженій пластичності в порівнянні з простим силуміном.

При певних вмістах домішок заліза в структурі сплавів системи Аl-Si з'являються первинні кристали фази β(Аl-Fe-Si) у вигляді сірих крихких пластин (в евтектичному сплаві при вмісті > 0,7% Fe), що обумовлює зниження пластичності, особливо небезпечне для термічно зміцнювальних спеціальних силумінів. Негативний вплив заліза на властивості силумінів ефективно знижує добавка марганцю (десяті частки відсотка). У присутності марганцю замість пластинчастої фази β(Al-Fе-Sі) утворюється четверна фаза α(Аl-Fе-Sі-Мn), яка кристалізується у вигляді більш-менш рівноосних поліедрів, менш негативно впливають на пластичні властивості сплаву.

Типові механічні властивості найбільш широко застосовуваних силумінів, отримані на окремо відлитих зразках, після оптимальної термообробки наведені в табл. 2.

Таблиця 2. Механічні властивості силумінів [ДСТУ 2839-94 (ГОСТ 1583-93)]

Силуміни відрізняються малою щільністю, так як в їх склад входить кремній - більш легкий елемент, ніж алюміній. Так, густина евтектичного силуміну АК12 (АЛ2) становить 2,66 г/см³. Сплави системи Аl-Sі характеризуються високою корозійною стійкістю, причому добавки марганцю і магнію додатково підвищують її. Мідь же різко знижує корозійну стійкість. Так, у сплаву АК5М (АЛ5), що містить 1,0 ... 1,5% Sі, корозійна стійкість нижче, ніж у інших силумінів.

Високі ливарні властивості силумінів визначають їх хорошу зварюваність плавленням.

Міцнішим силуміном є сплав АК9ч (АЛ4), зміцнює термообробкою. При деякому зниженні вмісту кремнію в сплаві АК9ч (АЛ4) в порівнянні з АК12 (АЛ2) досягається сприятливе поєднання ливарних властивостей: відносно мала усадкова пористість і значно менша (ніж у АК12 (АЛ2)) концентрована усадкова раковина. Це дозволяє застосувати сплав АК9ч (АЛ4) для найбільш відповідальних великогабаритних деталей, наприклад картерів двигунів внутрішнього згоряння.

Сплав АК7ч (АЛ9), який не піддають ні модифікації перед литтям, ні штучному старінню (виливки тільки гартують), досить широко застосовують завдяки поєднанню задовільною міцностю, високої пластичності і хороших ливарних властивостей.

Високоміцний сплав АК5М (АЛ5), як уже зазначалося, відрізняється трохи пошаженной корозійну стійкість через присутність в ньому міді. Разом з тим мідь, приводячи до утворення складної інтерметаллідним фази W(Alᵪ Mg₅Cu₄Si₄), обумовлює поліпшення механічнихвластивостей сплаву при підвищених температурах. Сплав АК5М (АЛ5) не відноситься до жароміцних ливарним алюмінієвих сплавів, але серед силумінів він найміцніший при підвищених температурах.

Сплав АК8л (АЛЗ4), що відноситься, так само як сплави АК9ч (АЛ4) і АК7ч (АЛ9), до системи Аl-Si-Мg, перевершує їх по міцності, має хороші ливарні властивості і відрізняється високою герметичністю. Ці властивості забезпечуються більш високим вмістом магнію і додатковим легуванням титаном і берилієм. Сплав АК8л (АЛ34) призначений для лиття складних по конфігураціі корпусних деталей, що працюють під великим внутрішнім тиском.

Високолеговані заевтектичні силуміни АК12М2МгН (АЛ25) і АК21М2,5Н2,5 відносяться до групи поршневих сплавів (застосовується тільки для відливання поршнів двигунів внутрішнього згоряння). Маючи невисоку міцність, ці сплави, призначені для роботи при підвищених температурах (250 ... 270 ° С) , відрізняються високою жароміцних, зносостійкість і низьким коефіцієнтом термічного розширення