Сплавы алюминия и кремния

Алюминий-кремниевые сплавы или силумины — общее название группы легких, высокопрочных алюминиевых сплавов на основе системы алюминий - кремний (AlSi), состоящих преимущественно из алюминия, причем кремний является наиболее важным в количественном отношении легирующим элементом . Чистые сплавы AlSi не поддаются закалке, широко используемые сплавы AlSiCu (с медью ) и AlSiMg (с магнием ) можно закалить. Механизм закалки соответствует механизму упрочнения AlCu и AlMgSi .

Сплавы AlSi на сегодняшний день являются наиболее важными из всех материалов для литья алюминия. Они подходят для всех процессов литья и обладают отличными литейными свойствами. Важными областями применения являются детали автомобилей, включая блоки двигателей и поршни . Кроме того, в настоящее время основное внимание уделяется их использованию в качестве функционального материала для аккумулирования высокой энергии в электромобилях.

Легирующие элементы

Сплавы алюминия и кремния обычно содержат от 3% до 25% кремния . Литье — это основное применение алюминиево-кремниевых сплавов, но их также можно использовать в процессах быстрой затвердевания и порошковой металлургии . Сплавы, используемые в порошковой металлургии, а не в литье, могут содержать еще больше кремния, до 50%. Силумин обладает высокой устойчивостью к коррозии , что делает его пригодным для использования во влажной среде.

Добавление кремния к алюминию также делает его менее вязким в жидкой форме, что вместе с его низкой стоимостью (поскольку оба составных элемента относительно дешевы в извлечении) делает его очень хорошим литейным сплавом. Силумин с хорошей литейностью может дать более прочную готовую отливку, чем потенциально более прочный сплав, который труднее отливать.

Все алюминиевые сплавы также содержат примесь железа. Как правило, это нежелательно, поскольку снижает прочность и удлинение при разрыве. Вместе с Al и Si образует $\beta$-фаза AlFeSi, присутствующая в структуре в виде мелких иголок. Однако железо также предотвращает прилипание отливок к формам при литье под давлением, поэтому специальные сплавы для литья под давлением содержат небольшое количество железа, в то время как в других сплавах железа по возможности избегают.

Марганец также снижает склонность к прилипанию, но влияет на механические свойства меньше, чем железо. Марганец образует с другими элементами фазу, имеющую форму глобулитных (округлых) зерен.

Медь встречается почти во всех технических сплавах, по крайней мере, в виде примеси. С содержания 0,05% Cu снижается коррозионная стойкость. Добавки около 1% Cu легируются для увеличения прочности за счет упрочнения твердого раствора . Это также улучшает обрабатываемость . В случае сплавов AlSiCu также добавляется более высокое содержание меди, что означает, что материалы можно упрочнять (см. Алюминий-медный сплав ).

Вместе с кремнием магний образует фазу Mg ₂ Si ( силицид магния ), являющуюся основой прокаливаемости, подобно сплавам алюминий-магний-кремний (AlMgSi). В них имеется избыток Mg, поэтому структура состоит из смешанного кристалла алюминия с магнием и Mg ₂ Si. В сплавах AlSiMg, напротив, наблюдается избыток кремния и структура состоит из смешанного кристалла алюминия, кремния и Mg ₂ Si.

Небольшие добавки титана и бора служат для измельчения зерна.

Чистые сплавы алюминия и кремния

алюминий-кремний Фазовая диаграмма

Алюминий образует эвтектику с кремнием, температура которого составляет 577 °C, с содержанием Si 12,5%. или 12,6%. При этой температуре в алюминии можно растворить до 1,65% Si. Однако растворимость быстро снижается с повышением температуры. При 500 °C это все еще 0,8% Si, при 400 °C — 0,3% Si, а при 250 °C — только 0,05% Si. При комнатной температуре кремний практически нерастворим. Алюминий вообще не растворяется в кремнии, даже при высоких температурах. Только в расплавленном состоянии оба полностью растворимы. Увеличение прочности за счет твердорастворного упрочнения незначительно.

Чистые сплавы AlSi выплавляются из первичного алюминия, а сплавы AlSi с другими элементами обычно выплавляются из вторичного алюминия. Чистые сплавы AlSi имеют среднюю прочность, не закаливаются, но устойчивы к коррозии даже в среде соленой воды.

Точные свойства зависят от того, находится ли состав сплава выше, вблизи или ниже эвтектической точки. Литейные качества увеличиваются с увеличением содержания Si и достигают наилучшего значения при содержании Si около 17%; механические свойства являются лучшими при содержании Si от 6% до 12%.

• Заполняющая способность формы достигает максимума при 12% Si, но также хороша и с другим содержимым.
• Склонность к образованию полостей самая низкая при содержании Si от 6% до 8% и в целом считается низкой.
• Склонность к горячему растрескиванию низкая при содержании Si менее 6%.

В остальном сплавы AlSi в целом обладают благоприятными литейными свойствами: усадка составляет всего 1,25 %, а влияние толщины стенки невелико.

Заэвтектические сплавы с содержанием кремния от 16 до 19%, такие как Alusil , могут использоваться в быстроизнашивающихся изделиях, таких как поршни , гильзы цилиндров и блоки двигателей внутреннего сгорания . После литья металл подвергается травлению, обнажая твердые, износостойкие выделения кремния. Остальная поверхность становится слегка пористой и удерживает масло. В целом это обеспечивает превосходную опорную поверхность и меньшую стоимость, чем традиционные бронзовые втулки подшипника.

Доэвтектические сплавы

Доэвтектические сплавы (также доэвтектические) имеют содержание кремния менее 12%. С ними алюминий затвердевает первым. По мере понижения температуры и увеличения доли затвердевшего алюминия содержание кремния в остаточном расплаве увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута эвтектическая точка. Затем весь остаточный расплав затвердевает в виде эвтектики. Таким образом, микроструктура характеризуется первичным алюминием, который часто присутствует в виде дендритов, и лежащей между ними эвтектикой остаточного расплава. Чем ниже содержание кремния, тем крупнее дендриты .

В чистых сплавах AlSi эвтектика часто находится в вырожденной форме. Вместо тонкой структуры, типичной для эвтектики с ее хорошими механическими свойствами, AlSi при медленном охлаждении принимает форму крупнозернистой структуры, в которой кремний образует большие пластины или иглы. Иногда их можно увидеть невооруженным глазом, и они делают материал хрупким. Это не проблема при литье в кокиль, поскольку скорости охлаждения достаточно высоки, чтобы избежать дегенерации.

В частности, при литье в песчаные формы , где скорость охлаждения низкая, в расплав добавляются дополнительные элементы, чтобы предотвратить дегенерацию. натрий , стронций и сурьма . Подходят Эти элементы добавляются в расплав при температуре от 720 до 780 °C, вызывая переохлаждение , которое уменьшает диффузию кремния, что приводит к образованию обычной мелкодисперсной эвтектики, что приводит к более высокой прочности и удлинению при разрыве.

Эвтектические и околоэвтектические сплавы

Сплавы с содержанием Si от 11% до 13% относятся к эвтектическим сплавам. Отжиг улучшает удлинение и усталостную прочность. Затвердевание происходит в форме оболочки в необработанных сплавах и гладкостенных в рафинированных сплавах, что приводит к очень хорошей литейности. Прежде всего, очень хорошая текучесть и способность к заполнению форм, поэтому эвтектические сплавы подходят для тонкостенных деталей.

• 
  Структура, нерафинированная
• 
  Структура, уточненная

Заэвтектические сплавы

Сплавы с содержанием Si более 13% называют заэвтектическими. Содержание Si обычно достигает 17 %, а в специальных поршневых сплавах — более 20 %. Заэвтектические сплавы имеют очень низкое тепловое расширение и очень износостойкие. В отличие от многих других сплавов, сплавы AlSi проявляют максимальную текучесть не вблизи эвтектики, а при 14–16 % Si, в случае перегрева – при 17–18 % Si. Склонность к горячему растрескиванию минимальна в пределах от 10% до 14%. В случае заэвтектических сплавов кристаллы кремния сначала затвердевают в расплаве, пока оставшийся расплав не затвердевает в виде эвтектики. Для измельчения зерна используются медно-фосфорные сплавы. Твердый и хрупкий кремний приводит к повышенному износу инструмента при последующей обработке, поэтому иногда используют алмазный инструмент (см. также «Обрабатываемость »).

Сплавы алюминий-кремний-магний

Сплавы AlSiMg с небольшими добавками магния (до 0,3–0,6 % Mg) могут закаляться как в холодном, так и в горячем состоянии. Доля магния уменьшается с увеличением содержания кремния, которое составляет от 5% Si до 10% Si. Они родственны сплавам AlMgSi : оба основаны на том, что выделяется силицид магния Mg ₂ Si, который присутствует в материале в виде мелкодисперсных частиц и тем самым увеличивает прочность. Кроме того, магний увеличивает удлинение при разрыве. В отличие от AlSiCu, который также можно закаливать, эти сплавы устойчивы к коррозии и легко отливаются. Однако в некоторых сплавах AlSiMg в виде примеси присутствует медь, что снижает коррозионную стойкость. Прежде всего это относится к материалам, полученным из вторичного алюминия.

Сплавы алюминий-кремний-медь

Сплавы AlSiCu также термоупрочняемы и, кроме того, высокопрочны, но подвержены коррозии и менее, но все же достаточно пригодны для литья. Его часто выплавляют из вторичного алюминия. Закалка основана на том же механизме, что и сплавы AlCu. Содержание меди составляет от 1% до 4%, кремния от 4% до 10%. Небольшие добавки магния улучшают прочность.

Композиции стандартизированных сортов

Все данные указаны в процентах по массе. Остальное алюминий.

Деформируемые сплавы

числовой	химический	кремний	железо	медь	марганец	магний
RU AW-4004	АлСи10Мг1,5	9.0-10.5	0.8	0.25	0.10	1.0-2.0
RU AW-4014	АлСи2	1.4-2.2	0.7	0.20	0.35	0.30-0.8

Литые сплавы

числовой	химический	кремний	железо	медь	марганец	магний
ЕН АС-42000	АлСи7Мг	6.5-7.5	0.45	0.15	0.35	0.25-0.65
ЕН АС-42200	АлСи7Мг0,6	6.5-7.5	0.15	0.03	0.1	0.45-0.7
ЕН АС-43400	АлСи10Мг(Фе)	9.0-11.0	1.0	0.10	0.001-0.4	0.2-0.5
ЕН АС-45000	АлСи6Ку4	5.0-7.0	1.0	3.0-5.0	0.20-0.65	0.55
ЕН АС-47000	АлСи12(Си)	10.5-13.5	0.8	1.0	0.05	0.35

Механические свойства стандартизированных и нестандартных марок

Химическая	Состояние	Предел прочности [МПа]	Предел текучести [МПа]	Удлинение при разрыве [%]	Твердость по Бринеллю [HB]
АлСи7Мг	Отливка в песчаные формы, состояние литья Отливка из песка, искусственно состаренная Гравитационное литье, состояние литья Гравитационное литье, искусственно состаренное.	140 220 170 260	80 180 90 220	2 1 2.5 1	50 75 55 90
АлСи7Мг0,6	Отливка из песка, искусственно состаренная	230	190	2	75
АлСи10Мг (Фе)	Литье под давлением, состояние литья	240	140	1	70
АлСи6Ку4	Отливка в песчаные формы, состояние литья	150	90	1	60
АлСи12(Си)	Отливка в песчаные формы, состояние литья	150	70	6	45
АлСи17Су4Мг (А390)	Гравитационное литье, состояние литья	200	200	<1	110

4000 серия

Серия 4000 легирована кремнием. Разновидности алюминиево-кремниевых сплавов, предназначенные для литья (и поэтому не входящие в серию 4000), также известны как силумины .

Номинальный состав алюминиевого сплава серии 4000 (% массы) и области применения

Сплав	Аль содержание	Легирующие элементы	Использование и ссылки
4006	98.3	Да 1,0; Вера 0,65	Закаленные в работе или состарившиеся
4007	96.3	Си 1,4; Мн 1,2; Фе 0,7; Ни 0,3; Кр 0,1	Закаленный работой
4015	96.8	Си 2.0; Мн 1,0; Мг 0,2	Закаленный работой
4032	85	См. 12.2; Си 0,9; мг 1; Ни 0,9;	Поковки
4043	94.8	И 5.2	Стержень
4047	85.5	Это 12,0; Фе 0,8; Си 0,3; Цинк 0,2; Мн 0,15; мг 0,1	Лист, облицовка, наполнители
4543	93.7	Си 6,0; Мг 0,3	архитектурные экструзии

Приложения

В системе числовых обозначений Алюминиевой ассоциации силумин соответствует сплавам двух систем: 3xxx — алюминиево-кремниевые сплавы, также содержащие магний и/или медь, и 4xx.x — бинарные алюминиево-кремниевые сплавы. Медь увеличивает прочность, но снижает коррозионную стойкость.

В целом сплавы AlSi в основном используются в литейном производстве, особенно в автомобилестроении. Деформируемые сплавы встречаются очень редко. Они используются в качестве присадочного металла ( сварочная проволока) или в качестве припоя при пайке . В некоторых случаях кованые поршни AlSi также изготавливаются для авиации.

Эвтектические литейные сплавы AlSi используются для изготовления деталей машин, головок цилиндров, картеров цилиндров, рабочих колес и ребристых корпусов. Заэвтектические (с высоким содержанием кремния) сплавы используются для деталей двигателей из-за низкого теплового расширения, высокой прочности и износостойкости. Сюда также входят специальные поршневые сплавы с содержанием кремния около 25%.

Сплавы с добавками магния (AlSiMg) можно упрочнять термической обработкой. Примером использования являются колесные диски, изготовленные методом литья под низким давлением из-за их хорошей прочности, коррозионной стойкости и удлинения при разрыве. Сплавы с содержанием кремния около 10% используются для изготовления головок цилиндров, корпусов переключателей, впускных коллекторов , баков трансформаторов, подвесок колес и масляных поддонов. Сплавы с содержанием Si от 5% до 7% используются для деталей шасси и колес. На уровне 9% они подходят для конструктивных элементов и узлов кузова.

Медьсодержащие сплавы AlSiCu используются для изготовления корпусов редукторов, картеров и головок цилиндров из-за их термостойкости и способности к закалке.

Помимо использования сплавов AlSi в качестве конструкционного материала, в котором механические свойства имеют первостепенное значение, еще одной областью применения является аккумулирование скрытой теплоты . При фазовом переходе сплава при 577°С тепловая энергия может сохраняться в виде энтальпии плавления . Таким образом, AlSi также можно использовать в качестве металлического материала с фазовым переходом (mPCM). По сравнению с другими материалами с фазовым переходом металлы характеризуются высокой удельной плотностью энергии в сочетании с высокой теплопроводностью. Последнее важно для быстрого входа и выхода тепла в аккумулирующий материал и, таким образом, повышает производительность системы аккумулирования тепла. Эти полезные свойства mPCM, таких как AlSi, имеют особое значение для транспортных средств, поскольку основными целями здесь являются малая масса и объем, а также высокие тепловые характеристики. За счет использования систем хранения на базе mPCM можно увеличить запас хода электромобилей за счет термического накопления необходимой для обогрева тепловой энергии в mPCM вместо отбора ее от тяговой батареи.

Для горячего алюминирования применяют также почти эвтектические расплавы AlSi. В процессе непрерывного цинкования полос на стальные полосы наносится жаростойкое металлическое покрытие толщиной 10-25 мкм. Листовая сталь, алюминированная горячим погружением, является недорогим материалом для изготовления термически напряженных компонентов. В отличие от цинковых покрытий, покрытие не обеспечивает катодной защиты в атмосферных условиях.

Характеристики

• Высокая литейность, текучесть, коррозионная стойкость, пластичность и низкая плотность.
• Используется для крупных отливок, которые могут работать в условиях тяжелых нагрузок.
• Считается нетермообрабатываемым сплавом, но добавление Mg и Cu позволяет его подвергать термической обработке, например, сплавы AΠ4.
• Усиление путем обработки раствором, например, добавлением 0,01% натрия. (в форме фторида натрия [NaF] и хлорида натрия [NaCl]) в расплав непосредственно перед отливкой.
• Недостатком является склонность к пористости отливки, т.е. отливка может стать пенообразной. Избежать этого можно путем литья под давлением в автоклавах .

Дальнейшее чтение

• Роблес Эрнандес, Франциско К.; Эррера Рамирес, Хосе Мартин; Маккей, Роберт (2017). Сплавы Al-Si . Чам: Международное издательство Springer. дои : 10.1007/978-3-319-58380-8 . ISBN  978-3-319-58379-2 .