Литейные сплавы на основе алюминия

Группа ювелирных изделий, такие как предметы быта, курительные наборы, столовые приборы, оружейные накладки, элементы перьевых и шариковых ручек, а также бижутерия, поверхность которых анодируется или обрабатывается катодно-импульсной бомбардировкой (под золото), выполняются методом литья из алюминиево-кремниевых сплавов (силуминов) с высокими литейными свойствами.

Согласно диаграмме состояния системы А1—Si (рис. 9.3) кремний не образует с алюминием химических соединений и присутствует в сплавах алюминия в элементарном виде. Но по своим физическим свойствам кремний близок к химическим соединениям; он обладает высокой твердостью (HRC 106) и так же, как и они, хрупок.

Несмотря на заметную и переменную растворимость, кремний не сообщает алюминию способность к упрочнению термической обработкой, что связано с неблагоприятным характером распада твердого раствора кремния в алюминии. Растворяясь в алюминии, кремний несколько упрочняет его, незначительно снижая при этом пластические свойства. Алюминиевый сплав, содержащий даже 10—12% Si, остается достаточно пластичным.

Рис. 9.3. Диаграмма состояния системы AI—Si.

Силумины подразделяют на двойные (или простые), легированные только кремнием, и специальные, в которых, помимо кремния, содержатся в небольшом количестве другие легирующие компоненты (Mg, Си, Mn, Ni). Силумины относятся к числу эвтектических или доэвтектических сплавов. Без учета влияния других компонентов (кроме Si) их структура представляет собой либо эвтектику, а + Si (АЛ2), либо первичные кристаллы, а + эвтектика, а + Si (АЛ4, АЛ9, АЛ5).

Кремний имеет переменную растворимость в алюминии, которая возрастает от < 0,1% при комнатной температуре до 1,65% при эвтектической температуре (577°С). Поэтому нагревом А1—Si сплавов до температуры, близкой к эвтектической, и быстрым охлаждением можно получить пересыщенный твердый раствор кремния в алюминии, который при последующем старении распадается с выделением дисперсных частиц кремния. Однако, упрочняющий эффект, связанный с указанной обработкой, крайне мал и не имеет практического значения. Таким образом, двойные (простые) силумины относятся к числу термически неупрочняемых сплавов, обладающих невысокими прочностными характеристиками.

Единственный способ несколько повысить их прочность и пластичность — измельчение эвтектических кристаллов кремния, которое может быть достигнуто двумя путями: 1) увеличением скорости охлаждения при кристаллизации, 2) введением в сплавы малых добавок (сотые доли процента) щелочных металлов (натрия, лития, стронция). Первый путь дает хорошие результаты. Однако он находит ограниченное применение — для тонкостенных ювелирных отливок с мелкими деталями рельефа, которые могут не залиться при литье в металлический кокиль или при литье под давлением. Второй путь — модифицирование структуры силуминов малыми добавками — более универсален. Модифицированием структуры обычно называют изменение, улучшение структуры при введении малых добавок не вследствие образования каких-то новых структурных составляющих, а в результате влияния этих добавок на величину и форму структурных составляющих, образованных другими компонентами.

На практике широко применяют модифицирование силуминов натрием или смесью его солей (60% NaF + 25% NaCl + 15% Na₃AlF₆ или 40% NaF + 45% NaCl + 15% Na₃AlF₆ и др., которые одновременно используют в качестве рафинирующих флюсов).

Введение

0,01% Na в А1—Si сплавы приводит к резкому измельчению кристаллов эвтектического кремния, поскольку присутствующий в расплаве натрий при кристаллизации адсорбируется на поверхности кристаллов кремния и препятствует их дальнейшему росту.

Присутствие натрия в силуминах вызывает, кроме того, сдвиг эвтектической точки в сторону более высоких концентраций кремния, поэтому эвтектические и заэвтектические до модифицирования сплавы после модифицирования становятся доэвтектическими и в них вместо кремния появляются дендриты a-твердого раствора, которые при кристаллизации становятся ведущей фазой. На рис. 9.4 показаны структуры немодифицированного и модифицированного силумина с 11,7% кремния.

На рис. 9.5. показано влияние способа охлаждения при кристаллизации и модифицирования натрием на механические свойства двойных алюминиево-кремнистых сплавов.

Рис. 9.4. Структура эвтектического силумина (11,7% Si):

а — сплав не модифицирован; б — сплав модифицирован натрием.

Эффект модифицирования, т. е. улучшение механических свойств вследствие модифицирования, тем больше, чем выше содержание кремния в сплаве, поскольку при модифицировании меняются величина и форма кристаллов кремния. На силумины, содержащие менее 5% Si, модифицирование положительного действия не оказывает.

Рис. 9.5. Механические свойства сплавов AI—Si в зависимости от скорости охлаждения:

1 — сплав модифицированный, литье в землю; 2 — сплав^{модифицированный,} литье в землю; 3 — сплав немодифицироваанный, литье в кокиль Для ювелирного литья применяют сплав АЛ2. Плотность эвтектического силумина АЛ2 составляет 2,66 г/см³. Он имеет высокую коррозионную стойкость в воздушной атмосфере, включая атмосферу морского воздуха. Небольшие добавки марганца и магния дополнительно повышают коррозионную стойкость. Высокие литейные свойства силуминов определяют их хорошую свариваемость, что важно при сборке ювелирных изделий. Термически неупрочняемый эвтектический силумин АЛ2 имеет высокую пластичность, но невысокие прочностные характеристики.

Важное преимущество сплава АЛ2 — малый интервал кристаллизации (близкий к нулю), поэтому в отливках не образуется усадочной пористости, что очень важно при доводочных операциях ювелирных отливок (шлифовке и полировке), так как при механической обработке усадочная пористость вскрывается и ухудшает поверхность изделия. В ювелирном литье указанные дефекты не допускаются. В художественном литье образование концентрированных усадочных раковин (что характерно для сплавов с малым интервалом кристаллизации) вызывает трудности при отливке средних и сложных по конфигурации отливок. При их отливке применяют упрочняемый термообработкой сплав АЛ4, который по сравнению со сплавом АЛ2 имеет значительно меньшую концентрированную усадочную раковину, что важно при отливке барельефов, скульптур и пр.

Отливки из сплава АЛ4 подвергаются закалке и отпуску. В процессе нагрева происходят некоторое укрупнение частиц кремния в эвтектике, переход в раствор (при закалке) и выделение (при отпуске) в высокодисперсной форме частиц фазы Mg₂Si, которая вызывает дополнительное упрочнение сплава.

В ювелирном и художественном литье часто применяют сплав АЛ9 (система А1—Si—Mg). Сплав содержит 6—8% Si, 0,2—0,4% Mg. Перед заливкой форм его не модифицируют, а также не проводят искусственное старение (отливки только закаливают). В сплаве сочетаются удовлетворительная прочность, высокая пластичность с хорошими литейными свойствами. В табл. 9.2 приведены составы алюминиевых сплавов, применяемых в ювелирном и художественном литье.

Сплавы второй группы имеют низкую линейную усадку (1—1,4%), высокую жидкотекучесть (350—420 мм), склонность к образованию горячих трещин равна нулю. Сплавы хорошо обрабатываются резанием, шлифуются и полируются. С помощью анодирования и конденсации ионной бомбардировкой (КИБ) имитируют золото различных проб.

Технология анодирования сплавов на основе алюминия следующая. Алюминиевую отливку с хорошо подготовленной поверхностью (обезжиривание, шлифовка, полировка) и свинцовый катод помещают в охлаждаемую ванну с раствором серной кислоты (плотность 200— 300 г/л). Процесс протекает при плотностях тока 10—50 мА на 1 см² отливки (требуемое напряжение источника — до 50—100 В). Температура электролита — до +20°С. Образующаяся при повышенных температурах оксидная пленка бесцветная, что позволяет окрашивать ее любыми красителями. При пониженных температурах пленка окрашивается в золотистый цвет (под золото).

Таблица 9.2

Состав алюминиевых литейных сплавов, применяемых в ювелирном и художественном литье.

Получить золотистую поверхность на отливках или деталях можно с помощью применения электродугового метода, получившего название конденсации ионной бомбардировкой (КИБ).

В вакуумной камере размещен катод (рис. 9.6). Между корпусом камеры и катодом возникает электрическая дуга. Из катодного пятна вылетают ионы, электроны и нейтральные частицы, которые направленным потоком летят к изделию, расположенному внутри камеры. Вначале частицы «разрыхляют» поверхностный слой изделия, эффективно очищая его и нагревая до 300—500°С. Далее происходит насыщение поверхностного слоя ионами того материала, из которого изготовлен катод. Если в камеру ввести азот, то на поверхности изделия формируется нитридное покрытие.

Рис. 9.6. Схема нанесения покрытий методом КИБ:

1 — катод; 2 — нейтральные частицы; 3 — электроны; 4 — ионы; 5 — отливка Широкое распространение получили покрытия из нитрида титана, которые удачно имитируют позолоту. Причем, регулируя параметры процесса, можно добиться полного сходства с золотом различных проб. Такие покрытия отличаются прочным сцеплением с материалом изделия и высокой износостойкостью. При нанесении покрытий методом КИБ предъявляются очень жесткие требования к качеству поверхности изделий: на поверхности не должно быть посторонних загрязнений, таких как ржавчина, масло, и других неметаллических материалов.

Вопросы для самоконтроля

• 1. Какие деформируемые сплавы на основе алюминия вы знаете?
• 2. Какие литейные сплавы на основе алюминия вы знаете?
• 3. Для чего и чем модифицируют литейные алюминиевые сплавы?
• 4. Почему силумины имеют высокую жидкотекучесть?
• 5. Что такое КИБ и для чего она производится?