Малокремнистые силумины. 
Металловедение: макро- и микроструктуры литейных алюминиевых сплавов

Во многих случаях, особенно в массовом производстве, требуются дешевые сплавы при среднем уровне эксплуатационных свойств. Стоимость определяется как составом, так и технологией производства. Первое предполагает максимальное использование вторичного сырья и отсутствие дорогостоящих добавок, второе — простую и производительную технологию. В частности, заманчиво иметь такие сплавы, состав которых при определенных технологиях литья обеспечивал бы в литом состоянии (Л) или после низкотемпературной термообработки.

(например, T1 — старение после литья) такую структуру, которой соответствуют механические свойства, близкие к свойствам известных сплавов в состояниях Т4 — Т7.

Принципиальная возможность создания таких сплавов следует из данных по вторичным сплавам системы А1—Mg—Zn (АМг4ЦЗ, АМг4Ц2), которые в литом состоянии могут обладать относительно высокими механическими свойствами. Однако сплавы системы А1—Mg—Zn, являясь широкоинтервальными с малым количеством эвтектики, отличаются низкими литейными характеристиками, что ограничивает их промышленное производство изготовлением сравнительно простых отливок литьем в металлические формы. В связи с этим требуется разработка подхода, который позволил бы создавать новые алюминиевые сплавы с заданным комплексом литейных и механических свойств без использования высокотемпературного нагрева и закалки. С учетом принципов оптимизации состава литейных алюминиевых сплавов применительно к состояниям Т4 — Т7 и очевидных ограничений, связанных с упрощением термообработки, желаемая литая структура должна в первом приближении характеризоваться следующими особенностями.

• 1. Алюминиевая матрица должна быть легирована таким образом, чтобы обеспечить заданный уровень прочности и некоторый запас пластичности.
• 2. Эвтектика должна обеспечивать достаточный уровень литейных свойств, в частности горячеломкости и жидкотекучести (за счет сужения эффективного интервала кристаллизации), без значительного снижения пластичности (за счет благоприятной морфологии эвтектических фаз).
• 3. Желаемая структура должна достигаться без использования дорогостоящих добавок (бериллий, кобальт и т. д.) и технологических процессов (например, с использованием ультразвуковой обработки расплава).

Кроме кремния, меди и железа многие силумины часто содержат в виде добавки или примеси магний, марганец, цинк, реже другие элементы: никель, хром, бериллий и др. Использование последних (т. е. Ni, Cr, Be) в контексте поставленной задачи исключается, так как эти добавки повышают стоимость сплава. Таким образом, базовые композиции для разработки сплавов нового поколения с улучшенными механическими свойствами в литом состоянии следует искать в системе А1—Si—Fe—Си—Mg—Zn—Mn.

Оптимальная структура доэвтектических силуминов представляет собой глобулярные, равномерно распределенные эвтектические частицы фазы (Si) и, реже, других фаз в алюминиевой матрице, содержащей до 3—4% Си и до 0,5—0,6% Mg. Такая структура может быть получена в термообработанных (по режимам Т4 — Тб) силуминах типа АК8л и АК8МЗч, приготовленных из первичного алюминия и содержащих добавку бериллия.

Однако типичная литая структура доэвтектических силуминов, приготовленных из вторичного сырья (типа АК5М2), выглядит иначе: по границам дендритных ячеек расположены колонии эвтектики (Al) + (Si) и более сложных эвтектик, в состав которых входят фазы, содержащие Fe, Си и Mg, причем внутри колоний каждая из фаз монокристальна. При отсутствии марганца или другого модификатора (или при их неоптимальной концентрации) образуются иглообразные (в сечении шлифа) включения фазы Al₅FeSi, которые оказывают наиболее сильное отрицательное влияние на механические свойства. Литая структура такого типа отвечает низким механическим свойствам, прежде всего это относится к пластичности. Учитывая, что получение структуры с глобулярными частицами в литом состоянии практически нереально, желаемая структура представляется в виде равномерно распределенных частиц эвтектических фаз с относительно компактной морфологией (например, овальной или скелетной).

Реализация желаемой структуры может быть достигнута в большинстве случаев только за счет выбора легирующих компонентов и оптимизации их концентраций. Возможности влияния на структуру через оптимизацию режимов плавки и литья весьма ограничены, так как существенные изменения по сравнению с промышленными технологиями могут свести на нет преимущества, связанные с отсутствием термообработки типа Т4 — Тб.

• 1. Содержание кремния должно находиться в пределах 2—4%, что обусловлено несколькими причинами:
  • а) по сравнению со стандартными силуминами (более 4% Si) уменьшается объемная доля эвтектических колоний (Al) + (Si) (или отдельных кристаллов кремния из вырожденной эвтектики), что может привести к отсутствию сплошной эвтектической сетки вокруг дендритных ячеек (А1) и, соответственно, благоприятно сказаться на характеристиках пластичности;

• б) в указанном диапазоне концентраций кремния согласно диаграмме А1—Si—Fe содержание железа, при котором начинают появляться первичные кристаллы Fe-содержащих фаз, превышает 1,5%, что является одним из главных условий использования железа как полезного легирующего элемента;
• в) нижний предел по кремнию обусловлен достижением необходимого уровня литейных свойств, учитывая, что в системе А1—Si—Си—Mg кремниевая фаза входит в состав всех эвтектик, которые кристаллизуются в последнюю очередь (с участием фаз Al₂Cu, Mg₂Si и Al₅Cu₂Mg₈Si₆).
• 2. Концентрацию меди и магния следует выбирать из следующих соображений:
  • а) нижний предел должен обеспечивать достаточную легированность (А1) и соответственно заданный уровень прочностных свойств;
  • б) верхний предел должен обеспечивать невысокую объемную долю образуемых ими эвтектических фаз и их компактную морфологию для достижения заданной пластичности;
  • в) количество низкотемпературной эвтектики должно быть достаточным для обеспечения удовлетворительных литейных свойств.
• 3. Цинк в количестве до 3% практически полностью растворяется в (А1) и не входит в состав других фаз, что определяет его допустимую концентрацию как примеси.
• 4. Железо (в качестве примеси или легирующей добавки) должно полностью входить в состав одной из фаз эвтектического происхождения, например Al₈Fe₂Si (а), обеспечивающей более благоприятную морфологию по сравнению с иглами фазы Al₅FeSi ((3).

Поскольку эвтектические реакции с участием Fe-содержащих фаз начинаются при более высоких температурах по сравнению с температурами образования всех других эвтектик, эти фазы могут располагаться в основном в центральной части дендритных ячеек, не образуя тем самым непрерывных прожилок по их границам. Верхний предел по железу (около 3%) обусловлен опасностью образования грубых первичных кристаллов Fe-содержащих фаз, которые снижают механические свойства, особенно в случае образования больших скоплений.

5. Марганец образует в системе А1—Si—Fe—Мп фазу Al₁₅(FeMn)₃Si₂, которая в составе эвтектик, так же как и фаза Al₈Fe₂Si, характеризуется скелетообразной морфологией. Наличие марганца позволяет расширить ограничение по концентрации кремния, связанное с необходимостью избежать появления игл фазы |3, однако при этом возникает опасность образования грубых первичных кристаллов фазы Al₁₅(FeMn)₃Si₂. Это вытекает из распределения фазовых областей, построенного для литого состояния.

Наиболее вероятное распределение всех перечисленных выше легирующих элементов между алюминиевой матрицей и эвтектическими фазами такое же, как и в других силуминах.