Промышленные силумины, легированные медью и цинком («медистые» и «цинковистые»)

В этом разделе рассматриваются силумины, содержащие медь (до 8%) и цинк (до 12%), за исключением поршневых силуминов, которые выделены в отдельную группу. По концентрации кремния (4—13%) большинство сплавов относится к доэвтектическим. Это отечественные АК5М, АК5М2, АК5М7, АК8МЗ, АК9М2 и др. (табл. 4.3), а также американские аналоги А355.0, А354.0, А383.0 и др. Структуру, близкую к эвтектической, имеет только силумин АК12М2. Для анализа фазового состава большинства сплавов в состоянии Т4 следует воспользоваться диаграммой состояния системы А1—Si—Си—Fe—Mg. Лишь высокочистые сплавы могут быть проанализированы по четверной системе А1—Si—Си—Mg (например, АК8МЗч) и по тройной системе А1—Si—Си. Фазовый состав алюминиевой матрицы после старения (особенно по режиму Т7) в значительной мере можно проанализировать по диаграммам А1—Si—Си и А1—Si—Си—Mg. При наличии марганца некоторую информацию можно извлечь из соответствующих многокомпонентных фазовых диаграмм, которые к настоящему времени слабо изучены. Для анализа структур в литом состоянии следует воспользоваться неравновесными фазовыми диаграммами.

Таблица 4.3

Химический состав медистых и цинковистых силуминов.

Силумины этой группы отличаются от безмедистых пониженными литейными свойствами и коррозионной стойкостью, а также более высокой твердостью в литом состоянии. Высокочистые сплавы, термообработанные по режиму Тб, позволяют добиться максимальной для силуминов прочности (а_в — до 400 МПа), что реализовано в сплавах АК8МЗч и А354.0. Типичные механические свойства для характерных сплавов этой группы приведены в табл. 4.4, они могут быть существенно выше минимальных значений.

Таблица 4.4

Типичные механические свойства медистых силуминов.

В сплавах типа АК5М основными структурными составляющими являются дендриты (А1) и алюминиево-кремниевая эвтектика, которая при наличии примеси железа может содержать (3-фазу. Из-за малой концентрации кремния объемная доля первичных кристаллов (А1) превышает 70—80 об. %. Медь и магний образуют при кристаллизации (как правило, по различным эвтектическим реакциям) фаз Al₂Cu, Al₅Cu₂Mg₈Si₆ и Mg₂Si. Последние обычно располагаются по границам дендритных ячеек в виде прожилок или скелетов, а часто в составе сложных конгломератов вместе с (Si) и Fe-содержащими фазами. Объемная доля перечисленных фаз невелика, в кокильных отливках размеры кристаллов малы и последние выявляются лишь при детальном микроанализе.

Термическая обработка по режиму Т1 не вызывает структурных изменений, обнаруживаемых методами световой микроскопии (но при этом происходит образование упрочняющих вторичных выделений). При нагреве под закалку происходит полное растворение меди и магния в (А1), а также полное или частичное дробление кремниевого эвтектического скелета и сфероидизация его участков. Железосодержащие фазы не претерпевают таких изменений.

Сплав АК5М изготовляют из первичных материалов. У него средний уровень механических и литейных свойств, а также коррозионная стойкость хуже, чем у силуминов типа АК7 и АК9. Применяется ограниченно, в основном в автотракторной промышленности и самолетостроении: головки цилиндров двигателей, корпуса редукторов, приводы деталей топливной аппаратуры, детали приборов, работающих при температуре не выше 250 °C.

Сплав АК5Мч является модификацией силумина АК5М, отличаясь от него более строгим ограничением по примеси железа (0,4 против 1% для кокильного литья), суженным диапазоном по магнию, а также малой добавкой титана. Это позволяет существенно поднять гарантируемый уровень механических свойств, в частности а_в в состоянии Т5 с 240 до 300 МПа. Основное структурное отличие от базового сплава АК5М определяется строгой регламентацией содержания железа, в связи с чем объемная доля (3-фазы резко уменьшается. Это особенно проявляется после закалки, когда иглообразные включения железистой фазы становятся хорошо заметны на фоне глобулярных кремниевых частиц.

Сплав АК5Мч применяется еще более ограниченно по сравнению с базовым сплавом, в основном используется в автотракторостроении, хотя механические свойства несколько лучше свойств сплава АК5М. Объем сплавов АК5М, АК5Мч в общем объеме производства литейных сплавов не превышает 3%.

Сплав АК5М2 характеризуется не только мягким ограничением по примесям (в частности, железа до 1,3%, цинка до 1,5%), но и большим диапазоном по легирующим элементам, особенно по меди (1,5—3,5%) и магнию (0,2—0,8%). Это делает очень удобным его приготовление из смешанных видов лома и отходов. Силумин АК5М2 — один из наиболее дешевых и распространенных, отливки из него используют в основном в литом состоянии. Как и в силумине АК5М, основными структурными составляющими являются дендриты первичного (А1) и алюминиево-кремниевая эвтектика (А1), вернее, несколько эвтектик, в состав которых кроме (Si) входят различные фазы, содержащие Fe, Mn, Си, Mg и другие элементы. В зависимости от конкретного состава микроструктура может сильно меняться.

При низком содержании марганца железо (а его количество, как правило, не ниже 1%) в основном входит в состав (3-фазы. Напротив, если концентрация марганца ближе к верхнему пределу, то иглообразные включения (3-фазы практически не встречаются, так как все железо связывается в фазу Al₁₅(Fe, Mn)₃Si₂. Более того, возможно образование, особенно при литье в землю, первичных кристаллов этой фазы. Количество фаз A1₂Cu, Al₅Cu₂Mg₈Si₆ и Mg₂Si существенно больше, чем в сплаве АК5М. Цинк, как правило, полностью входит в состав (А1). При нагреве под закалку, так же как и в сплаве АК5М, формируются более или менее глобулярные частицы кремниевой фазы, однако не все количество магния и меди может раствориться в (А1), как это следует из сечения диаграммы состояния А1—Si—Си—Mg при 10% Si и 500 °C (рис. 4.2). В микроструктуре термообработанных отливок часто можно обнаружить Mg-содержащие фазы кристаллизационного происхождения (Al₅Cu₂Mg₈Si₆, Mg₂Si и Al₈FeMg₃Si₆), поскольку концентрация магния обычно ближе к верхнему пределу.

Сплав АК5М2 изготовляют из вторичного сырья. Он имеет удовлетворительные литейные свойства и коррозионную стойкость. Его гарантируемые механические свойства невысоки, хотя при оптимизации состава и хорошей очистке от неметаллических включений, они могут быть не хуже, чем у силумина АК5М. Доля сплава АК5М2 в общем объеме производства литейных сплавов составляет около 15%. Применяется для изготовления средненагруженных деталей разнообразного назначения, в том числе и для культурно-бытовых товаров. Номенклатура отливок обширна: они используются при производстве бытовых и промышленных швейных машин, кабельных барабанов, строительных и отделочных машин, небольших корпусных деталей, втулок и т. д.

Рис. 4.2. Изотермические сечения диаграммы состояния AI—Si— Си—Мд при 8% Si:

сплошные линии — 500 °C; штриховые линии — 200 °C Сплав АК6М2 по составу аналогичен силумину АК5М2, но отличается от него существенно более узким концентрационным диапазоном по легирующим элементам, а также более строгой регламентацией примесей. Его микроструктура, особенно после термообработки (Т4 — Т7), близка микроструктуре силумина АК5М, отличаясь немного большей объемной долей частиц кремниевой фазы. Медь и магний при закалке практически полностью растворяются в (А1).

Сплав АК6М2 обычно изготовляют из первичных материалов. Механические свойства его удовлетворительные. Применяется для средненагруженных деталей разнообразного назначения, в том числе в автомобилестроении, например для изготовления головки блока цилиндров.

В сплаве АК5М4 содержание меди примерно такое же, как и кремния, поэтому объемная доля фазы А1₂Си больше, чем других фаз (кроме кремниевой). Значительная часть меди (до 1,5%) при литье входит в состав (А1), что делает этот силумин более твердым по сравнению с рассмотренными ранее. Он имеет широкий диапазон по легирующим компонентам, мягкий допуск по примесям и преимущественно готовится из вторичного сырья. В зависимости от соотношения Fe и Мп железо может входить в состав одной из двух фаз: Р или Al₁₅(Fe, Mn)₃Si₂, имеющих игольчатую и скелетную морфологию соответственно. Магний в основном присутствует в виде соединения Al₆Cu₂Mg₈Si₅, образование силицида магния в литой структуре маловероятно.

Рекомендованный для кокильных отливок режим термической обработки, включающий нагрев под закалку, вызывает дробление и сфероидизацию пластин эвтектического кремния. Частично растворяются в твердом алюминиевом растворе кристаллы А1₂Си, в основном исчезает фаза Al₆Cu₂Mg₈Si₅. Сильное повышение твердости при старении обусловлено образованием вторичных выделений метастабильных модификаций фаз A1₂Cu, Mg₂Si, Q (Al₆Cu₂Mg₈Si₅) и S (Al₂CuMg). При этом относительное удлинение снижается почти до нуля, поэтому и гарантированный уровень прочности (<�з_в) даже в состоянии Тб довольно скромный (200 МПа).

Сплав АК5М4 производится из вторичного сырья. Разработан как жаропрочный сплав для изготовления поршней насосов, тормозной аппаратуры и др. При практически таких же свойствах, как у сплава АК5М7, он содержит меньшее количество меди, вследствие чего объем его выпуска увеличен почти вдвое взамен сплава АК5М7.

Силумин АК5М7 содержит меди больше, чем кремния, поэтому по формальным соображениям его можно было бы отнести к сплавам А1—Си, как это сделано в стандарте Алюминиевой ассоциации США (например, сплав А238.0 содержит 4% Si). Однако по фазовому составу и свойствам он очень похож на силумин АК5М4, отличаясь от него большей объемной долей фазы А1₂Си, что обусловлено его составом. Поскольку в сплаве АК5М7 значительная часть включений фазы А1₂Си не растворяется при нагреве под закалку, он более хрупок по сравнению с АК5М4.

Сплав АК5М7 изготовляют из вторичного сырья. Он применяется для изготовления поршней тракторных и автомобильных двигателей. В последнее время жаропрочный сплав АК5М7 заменяют сплавом АК5М4.

Сплав АК8М содержит медь и магний в довольно узких пределах (1—1,5 и 0,35—0,55% соответственно), ограничение по примеси железа также достаточно строгое (менее 0,6%). Кроме того, он содержит малые добавки марганца и титана. Этот силумин изготовляют преимущественно из первичных материалов. Он рекомендуется для литья под давлением, обеспечивая сравнительно высокие механические свойства без термообработки (а_в > 260 МПа, 8 > 2%).

Основными структурными составляющими в литом состоянии являются дендриты алюминиевого твердого раствора (А1) и алюминиевокремниевая эвтектика. Объемная доля других фаз невелика, и они, как правило, имеют компактную морфологию. В частности, благодаря наличию марганца железо полностью связано в скелетообразные включения фазы Al₁₅(Fe, Mn)₃Si₂.

Из-за низкого содержания меди количество фазы А1₂Си не превышает 1 об. %. Магний входит в состав фаз Al₅Cu₂Mg_gSi₆ и Mg₂Si, количество которых также мало. В кокильных отливках (не говоря уже о литье под давлением) они с трудом выявляются при световом микроанализе. Другие примеси существенного влияния на фазовый состав не оказывают.

Старение после литья приводит к заметному упрочнению, поэтому для этого сплава во многих случаях (особенно после литья под давлением) оправдан экономный режим Т1. При нагреве под закалку формируются глобулярные частицы кремниевой фазы, а медь и магний полностью растворяются в (А1).

Силумин АК8М обладает хорошим сочетанием механических и литейных свойств, он применяется для литья деталей сложной конфигурации в различных отраслях промышленности.

Сплав АК8МЗ, кроме кремния и меди, не содержит других легирующих элементов, но он допускает большое количество примесей, в том числе Fe до 1,3% и Mg до 0,45%. Это делает сплав удобным для его приготовления из вторичного сырья. Однако в отличие от самого распространенного вторичного силумина АК5М2 выбор сырья для сплава АК8МЗ более ограничен, в частности из-за сравнительно низкого содержания магния.

Силумин АК8МЗ имеет многофазную структуру: кроме первичных кристаллов (А1) и эвтектического кремния она содержит железистые фазы (преимущественно (3), А1₂Си и Al₅Cu₂Mg₈Si₅.

В связи с высоким содержанием железа в кокильном литье из сплава АК8МЗ количество тонкопластинчатых, весьма протяженных кристаллов (3-фазы велико, и они придают микроструктурному облику сплава характерный вид: как бы рассеченная алюминиевая матрица.

Нагрев под закалку приводит к таким же изменениям, как и в других силуминах, однако из-за большого допуска по легирующим элементам и примесям применение термообработки нецелесообразно, так как гарантируемый уровень механических свойств довольно низок, особенно при кристаллизации отливок с малыми скоростями. В этом случае большая объемная доля иглообразных включений (3-фазы будет определять почти нулевую пластичность, практически независимо от других изменений. Сплав АК8МЗ предназначен в основном для литья под давлением, что способствует формированию дисперсной структуры. В этом случае уменьшается отрицательное влияние (3-фазы, а также увеличивается количество меди, входящей при кристаллизации в состав (А1). Применяется в автотракторостроении и электромашиностроении для изготовления сложных деталей.

Хотя сплав АК8МЗч по маркировке является модификацией рассмотренного выше сплава АК8МЗ, он сильно отличается от него по структуре и гарантируемым свойствам. Он характеризуется не только более узким диапазоном по меди и магнию, но и наличием в нем цинка и трех малых добавок (Ti, Be и В). Учитывая, что и предельно допустимое содержание примесей, в том числе и железа (< 0,4%), также мало, силумин АК8МЗч требует для приготовления только первичных материалов. Он является самым прочным среди всех стандартных силуминов (в состоянии Т5 а_в > 400 МПа, 8 > 4%).

Основными структурными составляющими сплава АК8МЗч являются первичные кристаллы (А1) и алюминиево-кремниевая эвтектика. Медь и магний кроме (А1) входят в состав фаз А1₂Си и Al₅Cu₂Mg₈Si₅. Примесь железа, допускаемая концентрация которой весьма мала, может присутствовать в виде трех фаз: Al₄Be₅Fe₂, AlBe₄Fe и Al₁₆Fe₄Be₃Si₂. Если отношение Be: Fe > 0,5, то железо полностью связано в одну из тройных фаз, обладающих глобулярной морфологией. При меньших значениях указанного отношения образуется четверное соединение, вероятно эвтектического происхождения, идентифицируемое по скелетной морфологии.

После термической обработки по рекомендованному в ГОСТе 1583—93 режиму Т5 реализуется структура, близкая к оптимальной для силуминов: глобулярные частицы кремниевой фазы, равномерно распределенные в алюминиевой матрице, дисперсионно упрочненной вторичными выделениями. Глобулярные частицы железобериллиевых фаз на фоне такой структуры в световом микроскопе выявляются с трудом. При строгом ограничении по примеси железа (до 0,1%) наличие добавки бериллия в силумине АК8МЗч представляется необоснованным. Сплав АК8МЗч применяется в автомобильной и электротехнической промышленности для производства тонкостенных, крупногабаритных, сложных по конструкции герметичных деталей ответственного назначения.

Сплав АК9М2 характеризуется широким диапазоном легирующих элементов и большим допуском по примесям, поэтому наряду с силуминами АК5М2 и АК8МЗ он преимущественно готовится из вторичного сырья. Его микроструктура близка микроструктуре последнего, отличаясь в деталях: меньшее количество фазы А1₂Си и возможное наличие силицида магния, а также четверного соединения Al₈FeMg₃Si₆. Однако в целом в структуре доминируют частицы эвтектического кремния и иглообразные включения (3-фазы. После нагрева под закалку по режиму Тб происходит полная или частичная фрагментация и сфероидизация Si-фазы и почти полное растворение Сии Mg-содержащих фаз. Сплав АК9М2 имеет хорошие литейные свойства и средний уровень (для литого состояния) механических свойств. Используется при производстве деталей для автомобилестроения.

В сплаве АК12М2 в отличие от других силуминов железо является не примесью, а легирующим элементом в количестве 0,6—1,0%. Согласно фазовой диаграмме А1—Si—Fe при такой концентрации большая часть (3-фазы входит в состав тройной эвтектики (А1)—(Si)—(3, которая является основной структурной составляющей сплава.

Сплав рекомендуется для получения фасонных отливок сложной формы литьем под давлением, что обеспечивает благоприятную (дисперсную) морфологию эвтектических фаз, а также достаточно высокое содержание меди в (А1). Такая структура позволяет получить сравнительно высокие механические свойства в состоянии Т1 (о_в > 260 МПа, 8 > 1%). При содержании кремния ближе к верхнему пределу в структуре могут встречаться первичные кристаллы (Si). Сплав АК12М2 обычно не подвергают нагреву под закалку, хотя такая обработка может существенно повысить пластичность. Этот сплав изготовляют в основном из первичных материалов, хотя в последнее время увеличен объем его производства из лома и отходов. Применяется на предприятиях автомобильной промышленности, в том числе и для изготовления поршней.

Несколько особняком от рассмотренных сплавов стоят цинковистые силумины (АК9Ц6, АК7Ц9), которые имеют весьма ограниченное применение, поэтому их обзор дается очень кратко. Хотя эти сплавы в ГОСТе 1583—93 выделены в отдельную 5-ю группу, они по структуре очень близки другим силуминам. Цинковистые силумины изготовляют из вторичного сырья, они имеют невысокие механические свойства, но хорошую жидкотекучесть. Цинковистые силумины являются самозакаливающимися после литья и упрочняются при последующем вылеживании в результате естественного старения. Упрочняющий эффект заметен, но не очень велик. К тому же при больших концентрациях цинка растет плотность силуминов. В результате в последние годы эти сплавы применяются довольно редко. Они используются в сельскохозяйственном машиностроении и электротехнической промышленности для отливки элементов топливной арматуры и корпусных деталей средней нагруженности.

В литом состоянии, как и во всех силуминах, основную часть поверхности излома занимают плоские фасетки хрупкого разрушения кремниевой и других фаз. При высокой концентрации примеси железа могут выделяться иглообразные или пластинчатые участки, связанные с разрушением (3-фазы. После термообработки изломы маломедистых первичных силуминов (с низким содержанием железа) приобретают ямочный характер. Это особенно заметно для состояния Т4. В зависимости от способа литья может сильно меняться размер элементов излома, в том числе и следы пористости: наиболее грубый излом характерен для литья в землю. Изломы наиболее качественных силуминов типа АК8МЗч в термообработанном состоянии практически такие же, как и у безмедистых высокочистых силуминов.