Алюминий обладает г.ц.к-решеткой, не испытывает аллотропических превращений, имеет невысокую температуру плавления (660 °С) и небольшую плотность (2,7 г/см3), обладает высоким относительным удлинением при растяжении (до 60% для первичного алюминия), хорошей электропроводностью и высокой, удельной прочностью. Алюминий широко применяют в электротехнике, авиации, пищевой промышленности, в автомобилестроении, в строительстве.
Для литья под давлением наиболее широко используют алюминиевые сплавы, имеющие хорошее сочетание физических, механических и технологических свойств. Производство отливок из алюминиевых сплавов в разных странах колеблется от 30 до 50 % от общего выпуска дутья под давлением. В табл.1 дана сравнительная оценка различных литейных сплавов по 5-балльной шкале, основанная на их физических, механических и литейных свойствах»
Значения физических, механических свойств и эксплуатационных характеристик процесса для различных сплавов приведены в табл.2.
В производстве литья под давлением используют около десяти марок алюминиевых сплавов (табл.З). Однако каждое предприятие ограничивает применение до 3-5 марок алюминиевых сплавов.
Сплав типа AISi8Cu4 принят в большинстве стран в качестве основного. Он обладает хорошей жидкотекучестью и высокими механическими свойствами, легко обрабатывается резанием. Однако коррозионная стойкость его более низкая, чем у сплавов, не содержащих меди. В целях улучшения заполняемости пресс-форм для отливок крупногабаритных ответственных деталей (типа блоков цилиндров автомобильных двигателей) в сплавах AlSiCu стремятся повысить содержание кремния. Увеличение содержания кремния до 10% относительно мало понижает пластичность, но значительно повышает жидкотекучесть. В Германии применяется сплав AlSi12Cu3, имеющий еще большую жидкотекучесть, но обладающий значительной усадкой и низким удлинением (до 1 %). На Волжском автомобильном заводе принят сплав AlSi12Cu2 (АК12М2) (табл.4). Широко применяется сплав AIS18Cu1MgO,3, который, благодаря малому содержанию меди, обеспечивает более высокую коррозионную стойкость отливок.
Таблица 2. Физико-механические свойства сплавов и эксплуатационные характеристики процесса литья под давлением
Таблица 3. Химический состав некоторых алюминиевых литейных сплавов, используемых при литье под давлением
Примечание.1.Обозначение Ал2 (АК12) согласно ГОСТ 1583-89«производится отливка (чушка). 2. Остальное AI.
Сплав типа AlSi12, эвтектического состава, обладает высокой жидкотекучестью, хорошими коррозионной стойкостью, тепло- и электропроводностью, является самым дешевым из литейных сплавов. Его используют главным образом для крупных, сложных и тонкостенных отливок. К недостаткам сплава относятся плохая обрабатываемость резанием и более низкие механические свойства, чем у сплавов, легированных медью и другими компонентами.
Сплав типа AtSi9Mg0,3 незначительно уступает сплаву AISM2 по литейным свойствам, но обладает более высокими механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием и высокой коррозионной стойкостью.
Сплав типа АlМд8 (или А1Мд10) имеет низкие технологические свойства и применяется в тех случаях, когда высокая коррозионная стойкость является решающим фактором. Он отлично сопротивляется коррозии в растворах щелочей и в кислотах, а также обладает высокими механическими свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием. Возможность его применения ограничивается сложностью конфигурации отливки. Поэтому данный сплав, в отличие от рассмотренных сплавов, является скорее дополняющим и не может играть роль основного.
По результатам исследований, проведенных в Германии, для условий сухого и влажного тропического климата могут быть использованы сплавы AlSi8Cu1, AISi8Cu3. При высоких требованиях, когда не допускаются даже слабые следы коррозии, рекомендуется специальная защита поверхности деталей. Очень хорошие результаты получены при изготовлении из сплава А1Мg8 деталей, работающих в условиях морского и индустриального климата (с дымовыми газами S02, СI2, СO2).
Физические, технологические и эксплуатационные свойства рассмотренных сплавов приведены в табл.5. К группе сплавов системы Al-Si-Cu относится также вторичный сплав Ал10В.
Следует учитывать, что сплавы с узким интервалом температуры кристаллизации обеспечивают получение структуры отливок с мелкозернистой эвтектикой. Литейщики обычно отдают предпочтение этим сплавам из-за их хороших литейных свойств. Однако создание машин с механизмами, обеспечивающими подпрессовку, позволяет изготовлять качественные отливки и из широкоинтервальных сплавов, причем более продолжительный период затвердевания дает возможность полнее использовать давление подпрессовки для уплотнения отливки.
Разработанный в России специально для литья под давлением алюминиевый сплав Ал32 относится к системе Al-Si-Cu-Mg с добавками марганца и титана.
Ниже приведено содержание основных компонентов в сплавах системы At—Si—Си—Мд:
Сплав CSN 424338 (Словакия) применяют для литья под давлением высокопрочных деталей, в том числе блока цилиндров автомобильных двигателей. На Нижегородском автозаводе для литья сложных деталей после опробования пятидесяти различных алюминиевых сплавов был выбран сплав, по составу близкий к сплаву Ал32. Детали из этого сплава обладают достаточной жесткостью, износостойкостью и герметичностью.
Сплав Ал32 содержит то же количество кремния, что и весьма широко распространенный в зарубежных странах сплав типа AISi8Cu4, но из-за меньшего содержания меди обладает более высокой коррозионной стойкостью. По литейным и механическим свойствам эти сплавы примерно равны.
В сплавах системы Al-Si-Cu-Mg при температуре солидуса присутствуют фазы, показанные на диаграмме (рис.1). При более низких температурах выпадает p-фаза (Al3Mg2), не указанная на диаграмме.
На примере сплава Ал32 и подобных ему сплавов рассмотрен механизм влияния легирующих элементов на структуру и свойства отливок.
Кремний и магний. Кремний и магний увеличивают количество двойной α + Si и тройной α+Si + Mg2Si эвтектик и оказывают решающее влияние на прочностные свойства сплава. Характерная для сплава Ал32 микроструктура состоит из кристаллов, твердого раствора и окружающей их эвтектики (рис.1). Увеличение количества эвтектики способствует повышению прочности и твердости сплава при некотором понижении пластичности. Вводить более 8,5 % Si и 0,5 % Мg нецелесообразно из-за резкого снижения пластичности. Увеличение содержания магния повышает склонность сплава к старению вследствие выпадения фаз из твердого раствора в мелкодисперсном состоянии. Соединение Mg2Si растворимо в a-твердом растворе алюминия. Другие же соединения кремния практически нерастворимы. При быстром охлаждении отливки фиксируется состояние, присущее высоким температурам, т.е. происходит закалка. Выпадающие частицы Mg2Si и CuAI2 мелкодисперсны. Старение сопровождается повышением прочности и снижением пластичности. Твердость сплава типа AlSi12Cu3, содержащего около 0,3% Мд, в процессе естественного старения в течение 30 сут увеличивается на 10-20 НВ, причем наибольшее увеличение твердости наблюдается в первые 5 сут.
Медь. Медь упрочняет алюминиевый сплав, однако снижает коррозионную стойкость изделия, образуя по границам зерен химическое соединение. При малом содержании медь находится в твердом растворе. Рекомендуется при отсутствии высоких требований по коррозионной стойкости повышать содержание меди в сплаве, так как это увеличивает прочность и твердость, а также, что особенно важно при литье под давлением, уменьшает вероятность появления ’’мороза” на поверхности отливок. Медь (и кремний) уменьшает усадку сплава. При литье отливок под давлением из-за больших скоростей охлаждения и сопротивления стальной пресс-формы усадка значительно меньше, чем при других способах литья.
Марганец. Марганец вводят для устранения вредного влияния железа, образующего с алюминием и кремнием химические соединения игольчатой формы, увеличивающие хрупкость сплава. Марганец измельчает эти соединения и придает им округлую форму, что снижает влияние железа. При чрезмерном содержании марганца, т.е. при избытке его по отношению к железу, образуется химическое соединение МпА16, ухудшающее пластические свойства сплава. Поэтому целесообразно содержание марганца держать на нижнем пределе, а именно не более 0,3 %.
Титан. Титан (0,1-0,3%) оказывает модифицирующее действие, повышая пластичность сплава. Сплав Ал32, содержащий 0,1… 0,3 % и до 1,5% Ti, имеет лучшие прочностные характеристики, чем сплав Ал2. Эти характеристики проверены механическими испытаниями производственных деталей, полученных литьем под давлением при оптимальных технологических режимах.
