Литейные сплавы цветных металлов

6.1. Алюминиевые сплавы

Алюминиевые литейные сплавы обладают высокой удельной прочностью (а_в/р) (большей, чем у углеродистых сталей), высо­кой коррозионной стойкостью, достаточно высокими тепло- и электропроводностью.

Кроме того, сплавы на основе алюминия имеют хорошие тех­нологические литейные свойства, легко обрабатываются.

Именно этими обстоятельствами объясняется применение алю­миниевых сплавов во всех отраслях промышленности, особенно в авиации и автостроении.

Рис. 6.1. Диаграмма состояния А1 - Si

Классификация литейных сплавов приведена в ГОСТ 1583— 93, в соответствии с которым они подразделяются на пять групп (в табл. 6.1 приведены их химический состав и механические свой­ства):

1. - сплавы на основе системы А1- Si-Mg;

2. - сплавы на основе системы А1-Si -Си;

3. - сплавы на основе системы А1 -Си;

4. - сплавы на основе системы А1-Mg;

5. - сплавы на основе системы А1-Э (прочие элементы, явля-

Сплавы I и II групп. Дан­ные сплавы являются наибо­лее распространенными и на­зываются «силуминами». Их можно подразделить на про­стые силумины (AJI2) и спе­циальные силумины, содер­жащие кроме А1 и Si допол­нительно Mg (десятые доли процента) или совместно Mg (в тех же количествах) и Си.

Химический состав и механические свойства алюминиевых литейных сплавов по гост 1583—93

Для изготовления отливок используют доэтвектические (до 9 % Si) и заэвтектические (до 25 % Si) сплавы (рис. 6.1)- Как видно из диаграммы фа­зового равновесия системы

Марка сплава

Содержание, мае. %, основных компонентов^1^1

Способ литья

Вид ТО*^2

Механические свойства материала отливок*^3

Mg

Si

Mn

Си

Ti

Ni

ав, Н/мм^2(кгс/мм^2)

5, %

НВ

АК9Ц6 (АК9Ц6р)

0,35... 0,55/ 0,3... 0,5

8,0... 10,0

0,1...0,6

0,3... 1,5

Zn 5,0... 7,0

Fe 0,3... 1,0

3 К, д _

—

147(15,0) 167(17,0)

0,8 0,8

70,0 80,0

АЦМг (AJI24)

1,55... 2,05/ 1,5... 2,0

0,2...0,5

Zn 3,5... 4,5

0,1... 0,2

3, в 3, В

Т5

216(22,0) 265(27,0)

2,0 2,0

60,0 70,0

Примечания: 1. Обозначение в марках сплавов: ч — чистый; пч — повышенной чистоты; оч — особой чистоты; л — литейные сплавы; с — селективный. В скобках приведены марки сплавов по ГОСТ 1583, ОСТ 48—178 и по техническим условиям для отливок.

2. 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 оболочковые формы; М — сплав подвергается модифицированию.

3. Условные обозначения видов термической обработки (ТО):

Т1 — искусственное старение без предварительной закалки; Т2 — отжиг; Т4 — закалка; Т5 — закалка и кратковременное (неполное) искусственное старение; Т6 — закалка и полное искусственное старение; Т7 — закалка и стабилизирующий отпуск; Т8 — закалка и смягчающий отпуск.

2. В заказе, в конструкторской документации, при маркировке отливок допускается указывать марку сплава без дополнительно­го обозначения марки в скобках или марку, обозначенную в скобках.

Al-Si, эвтектика содержит 11,7% Si и состоит из твердого ра­створа кремния в алюминии. Максимальная растворимость крем­ния в алюминии составляет 1,65 % при эвтектической температу­ре 577 °С.

По мере увеличения в доэвтектических сплавах содержания кремния в их структуре возрастает количество эвтектики и улуч­шаются литейные свойства.

Обычная структура доэвтектических силуминов состоит из ден­дритов твердого раствора кремния в алюминии и эвтектики: твер­дый раствор - кремний. Крупные выделения пластинок кремния в эвтектике, являясь концентраторами напряжений, сильно сни­жают пластичность сплава (подобно крупным пластинкам графи­та в чугуне). ^Цля измельчения включений кремния сплавы моди­фицируют солями натрия (NaF + NaCl). Эффект модифицирова­ния тем больше, чем выше содержание кремния, так как моди­фикатор действует только на кремний. В сплавах, содержащих ме­нее 8 % Si, применение модифицирования теряет смысл, так как улучшение свойств незначительное и может перекрываться влия­нием скорости охлаждения.

К простым двойным силуминам относится только один сплав AJI2 (АК12). Из-за отсутствия в составе интерметаллидов он являет­ся нетермообрабатываемым, но обязательно модифицированным.

В специальных силуминах (AJI4, AJI9, AJI34) при введении в них магния образуется интерметаллид Mg₂Si, который является упрочняющей фазой. В литом состоянии крупные выделения Mg₂Si располагаются по границам зерен, придавая сплаву хрупкость. Для измельчения структуры и увеличения пластических свойств от­ливки из специальных силуминов подвергают закалке и искусст­венному старению.

В сплавы AJI5, АЛ32, ВАЛ8, АК5М2, АК5М7, АК6М2, АК5М4, АК8МЗ, АК9М2 дополнительно с магнием вводится медь от 1 до 7 %. При этом появляются новые упрочняющие фазы, в частности интерметаллид СиА1₂. Как уже отмечалось выше, сплавы с умень­шенным содержанием кремния не модифицируют, а подвергают термической обработке.

Эвтектические специальные силумины (AJI25, АЛЗО, АК12М2) содержат дополнительно 1,0...2,0% Ni, повышающего их жаро­стойкость. Взамен эвтектических силуминов разработаны сплавы, называемые «никалинами», в которых в качестве второй фазы эвтектики содержатся соединения А1₃№. Такая эвтектика обладает более дисперсным строением и более высокой температурой плав­ления (640 против 577 °С) по сравнению с алюминиево-кремни- евой. Заэвтектический силумин АК21М2,5Н2,5 (ВКЖЛС-2) харак­теризуется хорошими антифрикционными, антикоррозионными свойствами и низким температурным коэффициентом линейного расширения (у кремния он меньше, чем у алюминия).

Измельчение первичных кристаллов кремния осуществляется модифицированием жидкого расплава фосфором в виде фосфо­ристой меди, пятихлористого фосфора, в виде смеси красного фосфора, фтортитана и хлористого кальция. В отличие от доэвтек­тических и эвтектических силуминов, в которых фосфор является вредной примесью, в заэвтектических силуминах он действует подобно модификатору. С алюминием фосфор образует мелкие нерастворимые в расплаве частицы, которые служат центрами кри­сталлизации для кремния. Для получения мелкозернистой струк­туры в расплав вводится от 0,025 до 0,15 % Р.

В настоящее время заэвтектические силумины начинают широ­ко применять для изготовления поршней, головок блоков и бло­ков цилиндров, тормозных барабанов и др.

Сплавы III группы. Сплавы на основе системы А1-Сu можно отнести к числу первых промышленных алюминиевых сплавов, но их количество в настоящее время невелико. Для анализа спла­вов используется левый (алюминиевый) угол диаграммы состоя­ния А1-Сu до первого химического соединения СuА1₂ (рис. 6.2). Следует отметить низкую температуру (548 °С) образования эв­тектики с содержанием 33 % Си и, как следствие, широкий ин­тервал кристаллизации. Предельная растворимость при эвтекти­ческой температуре составляет С_р = 5,65 % Си, и практически ну­левая растворимость наблюдается при комнатной температуре.

Сплавы AJI19 содержат также марганец и титан, которые обра­зуют интерметаллидные фазы, в частности TiAl₃. Эти фазы совме­стно с CuA1₂ формируют твердый каркас по границам дендрит­ных зерен и придают сплаву повышенную жаростойкость.

Сплав ВАЛ 10 кроме меди и титана содержит кадмий в количе­стве 0,07...0,25 % и имеет более сложный, чем сплав АЛ 19, фазо­вый состав, и также обладает повышенной жаростойкостью.

Сплавы IV группы. Более многочисленна по числу сплавов IV группа на основе системы А1-Mg (рис. 6.3). Магний хорошо раство­рим в алюминии (С_р = 15,35 %). Для сплавов характерна низкая (449 °С) температура эвтектики и, как след­ствие, широкий интервал кристалли­зации (температура плавления магния 651 °С); при С_р = 15,35 % Mg интер­вал кристаллизации составляет 150 °С. Эвтектика почти целиком состоит из интерметаллида Al₃Mg₂, обладает вы­сокой хрупкостью и практически не применима.

Рис. 6.2. Диаграмма состояния Al-Cu

С увеличением количества магния до 13 % прочность сплавов системы А1-Mg возрастает, но при содержа-

Рис. 6.3. Диаграмма состояния А1—Mg

нии Mg свыше 11% резко уменьшается их пластичность. Поэтому именно в этих пределах используется концентрация магния в про­мышленных сплавах системы А1-Mg, которые выделяются из всех литейных алюминиевых сплавов наиболее высокой прочностью и пластичностью, но самой низкой жаропрочностью. Максималь­ная рабочая температура не превышает 100... 120 °С при условии, что вводят добавки кремния, несколько повышающие жаропроч­ность.

Сплавы AJI13, AJI23, AJI28 применяют без термической обра­ботки. Только для сплава AJI23 при литье в песчано-глинистые и металлические формы и при литье по выплавляемым моделям применяют закалку.

В некоторые сплавы (AJI23, AJI27) вводят добавки титана и циркония, которые образуют тугоплавкие интерметаллиды TiAl₃, ZrAl₃ и являются модификаторами. Добавку бериллия вводят для уменьшения окисляемости сплавов.

Широкое распространение сплавов IV группы сильно затруд­нено из-за низких (см. далее на с. 142) литейных свойств.

Сплавы V группы. К V группе сплавов относятся цинковистые силумины (AJI11), содержащие 6...8% Si и 7... 12% Zn, а также сплав АК9Ц6р. Сплавы этой группы имеют сравнительно высокие механические свойства (выше, чем у сплава AJI2) и способны самозакаливаться (левый алюминиевый угол диаграммы состоя­ния А1-Zn на рис. 6.4). Основным недостатком цинковых силу­минов является их повышенная плотность (2900...3100 кг/м³).

Особенности литейных свойств алюминиевых сплавов. Литей­ные свойства алюминиевых сплавов, как и других сплавов, опре­деляются интервалом кристаллизации.

о 20 40 60 80 Zn, %

Рис. 6.4. Часть двойной диаграммы состояния А1-Zn

Сплавы I и II групп, как правило, имеют интервал кристалли­зации, меньший или равный 50 °С, поэтому обладают высокой жидкотекучестью, хорошей стойкостью против горячих и холод­ных трещин, склонны к сосредоточенным усадочным раковинам. В отличие от них сплавы III, IV и V групп имеют широкий интер­вал кристаллизации, низкую жидкотекучесть, при литье в метал­лические формы склонны к горячим трещинам, к образованию усадочной пористости и ликвации.

Высокой склонностью к газонасыщению (особенно водородом) и образованию газовой и газоусадочной пористости характери­зуются все алюминиевые сплавы, особенно сплавы А1-Mg (IV группа).

Именно для алюминиевых сплавов А. А. Бочваром и А. Г. Спас­ским был предложен способ литья в автоклаве для уменьшения газовой пористости в отливках и повышения их плотности.

Повышенная окисляемость в расплавленном состоянии, а так­же взаимодействие с азотом воздуха и парами воды приводят к образованию неметаллических включений и оксидных плен, что требует дегазации, фильтрации расплавов и тщательного кон­струирования литниковых систем для спокойного заполнения формы.

6.2. Магниевые сплавы

Магниевые сплавы обладают рядом положительных свойств, в числе которых:

• малая плотность (1738 кг/м³) и меньший вес деталей из них: по сравнению с алюминиевыми сплавами на 20...30%, а со ста­лью и чугуном на 50...75 %;

• высокая удельная (а_в/р) прочность, выраженная способность воспринимать ударные вибрационные нагрузки и высокое сопро­тивление усталости;

• отличная обрабатываемость резанием, значительно превыша­ющая таковую как для алюминиевых, так и особенно для медных сплавов и стали.

Магниевые сплавы как высокопрочные конструкционные спла­вы применяются в тех случаях, когда выигрыш в весе имеет важ­ное значение (авиация, ракетостроение, автомобилестроение и др.). Из них могут изготовлять корпусные детали, так как магние­вые сплавы обладают высокой демпфирующей способностью.

Магний имеет высокую химическую активность (^ = 651 °С), воспламеняется при температуре 632 °С и горит ослепительно ярким светом. В связи с этим производство отливок из магниевых сплавов в отличие от обычно применяемых приемов для других сплавов требует соблюдения особых правил на всех стадиях тех­нологического процесса. Следует отметить также, что оксидная пленка MgO из-за своей пористости не обладает достаточными защитными свойствами.

Выпускают три марки первичного магния: Мг90, Мг95 и Мг96 (в зависимости от количества примесей - соответственно 0,1, 0,05 и 0,04 %). Вредными примесями для магниевых сплавов явля­ются Fe, Ni, Си. Их содержание не должно превышать, %: Fe 0,08; Ni 0,01; Си 0,1, так как эти элементы сильно снижают коррозионную стойкость.

Химический состав и механические свойства магниевых ли­тейных сплавов по ГОСТ 2856-79 (изм. в 1988 г.) приведены со­ответственно в табл. 6.2 и 6.3.

Для маркировки литейных магниевых сплавов используют бук­вы «МЛ» (магниевый литейный) и число, обозначающее номер сплава; буквы в конце марки указывают на следующее: «он» - общее назначение сплава, «пч» - его повышенная чистота.

В основном магниевые сплавы относятся к системам Mg-А1- Zn (МЛЗ, МЛ4, МЛ5, МЛ6) и Mg-Zn (МЛ8, МЛ12, МЛ15). При температуре эвтектики 436 °С в магнии растворяется 12 % А1 (пра­вый угол двойной системы А1-Mg на рис. 6.3) и 8,5 % Zn при температуре эвтектики 335 °С (также в двойной системе Mg-Zn), что свидетельствует о широком интервале кристаллизации спла­вов этой системы (150...250°С).

Химический состав литейных магниевых сплавов по ГОСТ 2856—79 (изм. в 1988 г.), мае. %

Марка сплава	Основные компоненты (Mg — основа)
	А1	Мп	Zn	Zr	Cd	In	IP3M	La	Nd	Y
млз	2,5...3,5	0,15...0,5	0,5... 1,5	—	—	—	—	—	—	—
МЛ4	5,0...7,0	0,15 ...0,5	2,0...3,5	—	—	—	—	—	—	—
МЛ4пч	5,0...7,0	0,15...0,5	2,0...3,5	—	—	—	—	—	—	—
МЛ5	7,5...9,0	0,15 ...0,5	0,2...0,8	—	—	—	—	—	—	—
МЛ5пч	7,5 ...9,0	0,15...0,5	0,2...0,8	—	—	—	—	—	—	—
МЛ5он	7,5 ...9,0	0,15 ...0,5	0,2...0,8	—	—	—	—	—	—	—
МЛ6	9,0... 10,2	0,1...0,5	0,6... 1,2	—	—	—	—	—	—	—
МЛ 8	—	—	5,5 ...6,6	0,7... 1,1	0,2...0,8	—	—	—	—	—
МЛ9	—	—	—	0,4... 1,0	— .	0,2 ...0,8	—	—	1,9 ...2,6	—
МЛ10	—	—	0,1...0,7	0,4... 1,0	—	—	—	—	2,2 ...2,8	—
МЛ 11	—	—	0,2...0,7	0,4... 1,0	—	—	2,5 ...4,0	—	—	—
МЛ 12	—	—	4,0...5,0	0,6 ...1,1	—	—	—	—	—	—
МЛ 15	—	—	4,0...5,0	0,7... 1,1	—	—	—	0,6... 1,2	—	—
МЛ19	—	—	0,1...0,6	0,4 ...1,0	—	—	—	—	1,6...2,3	1,4...2,2

Механические свойства* отливок из магниевых сплавов по ГОСТ 2856-79 (изм. в 1988 г.)

Марка сплава	Способ литья	Вид ТО	стВ5 Н/мм^2(кгс/мм^2)	стТ5 Н/мм^2(кгс/мм^2)	5 при / = 5d, %
			не менее
млз	3	—	160 (16,0)	—	6
МЛ4	3, О, К	—	160 (16,0)	80 (8,0)	3
	3, О, К	Т4	220 (22,0)	80 (8,0)	5
	3, О, К	Т6	225(22,5)	100 (10,0)	2
МЛ4пч	3, О, К	—	160 (16,0)	80 (8,0)	3
МЛ5	3, О, К	Т4	220 (22,0)	80 (8,0)	5
	3, О, К	Т6	225 (23,0)	100 (10,0)	2
	3, О, К	—	160 (16,0)	90 (9,0)	2
	3, О, К	Т2	160 (16,0)	85 (8,5)	2
	3, О, к	Т4	235(23,5)	90 (9,0)	5
	3, О, к	Т6	235(23,5)	110 (11,0)	2
	д	—	175(17,5)	110 (11,0)	1
МЛ5пч	3, О, в, г, к	—	160 (16,0)	90 (9,0)	2
	3, О, в, г, к	Т2	160 (16,0)	85 (8,5)	2
	3, О, в, г, к	Т4	235 (23,5)	90 (9,0)	5
	3, О, в, г, к	Т6	235(23,5)	110 (11,0)	2
	д	—	175(17,5)	110 (11,0)	1
МЛ 5 он	3, О, к	—	160 (16,0)	90 (9,0)	2
	3, О, к	Т4	230 (23,0)	85 (8,5)	5
	3, О, к	Т6	230 (23,0)	105(10,5)	2
МЛ6	3, к	—	150 (15,0)	—	1
	3, к	Т4	225(22,5)	110 (11,0)	4
	3, к	Т6	225 (22,5)	140 (14,0)	1
	3, к	Т61	230 (23,0)	140 (14,0)	1
МЛ8	3, О, к, в, г	Т6	265 (27,0)	170 (17,0)	4