Кіріспе

Алюминий-кремний қорытпалары немесе Силумин – алюминий-кремний жүйесіне (AlSi) негізделген, құрамында кремний басты қоспа элементі ретінде болатын, жеңіл және жоғары беріктікке ие алюминий қорытпаларының жалпы атауы. Таза AlSi қорытпаларын қатайту мүмкін емес, бірақ AlSiCu (мыс қосылған) және AlSiMg (магний қосылған) қорытпаларын қатайтуға болады. Қатайту механизмі AlCu және AlMgSi қорытпаларының механизміне ұқсас. AlSi қорытпалары – барлық алюминийден жасалған құйма материалдардың арасында ең маңыздысы. Олар кез келген құю процесіне жарамды және тамаша құю қасиеттеріне ие. Автокөлік өнімдері, оның ішінде қозғалтқыш блоктары мен поршеньдер жасауда кеңінен қолданылады. Сонымен қатар, қазіргі кезде электр көліктерінде жоғары энергиялы жылуды сақтауға арналған функционалдық материал ретінде қолдануына басымдық берілуде.

Құрастыру элементтері

Алюминий-кремний қорытпалары әдетте 3%-дан 25%-ға дейін кремний қорландырады. Алюминий-кремний қорытпаларының негізгі қолданылуы – құю, бірақ оларды жылдам қатаю процестерінде және ұнтақ металлургиясында да пайдалануға болады. Ұнтақ металлургиясында құюдан гөрі қолданылатын қорытпалардың құрамында кремнийдің мөлшері тіпті 50%-ға дейін болуы мүмкін. Жақсы құю қабілетіне ие силиум, құюға қиын, бірақ ықтимал күштірек қорытпаға қарағанда, берік құйманы қамтамасыз етеді. Титан мен бордың шағын қосымшалары дәннің құрылымын жақсартуға себімі тигізеді.

Таза алюминий-кремний қорытпалары

Алюминий 577 °C температурада кремниймен эутектика құрайды, оның Si құрамы 12,5% немесе 12,6% болады. Осы температурада алюминийде 1,65% дейін кремний еріте алады. Дегенмен, температураның төмендеуімен ерігіштік тез төмендейді. 500 °C температурада ол әлі де 0,8% Si, 400 °C температурада 0,3% Si және 250 °C температурада тек 0,05% Si құрайды. Бөлме температурасында кремний іс жүзінде ерімейді. Алюминий кремнийде тіпті жоғары температурада да ерімейді. Тек балқыған күйінде ғана екеуі де толық ерітеді. Қатты ерітіндінің арқасында беріктік артуы мардымсыз. Нақты қасиеттері қорытпаның құрамы эутектикалық нүктеден жоғары, жақын немесе төмен болуына байланысты. Кремний құрамының артуымен құю мүмкіндігі артады және шамамен 17% кремнийде ең жақсы; механикалық қасиеттері 6% - 12% кремнийде жақсы. Қалыпты толтыру қабілеті 12% Si кезінде максималды деңгейге жетеді, бірақ басқа да құрамында да жақсы. Бостықтардың пайда болу мүмкіндігі 6% - 8% Si кезінде ең төмен және жалпы алғанда төмен деп есептеледі. 6% кремнийден аз болғанда ыстық жарылуға бейімділік төмен. Ал, AlSi қорытпалары әдетте жақсы құю қасиеттеріне ие: ықшамдалу тек 1,25% құрайды және қабырға қалыңдығының әсері шағын. 16-19% кремний қамтитын гиперевтектикалық қорытпалар, мысалы, Alusil, поршеньдер, цилиндр қаптамалары және ішкі жану қозғалтқыштары блогы сияқты тозуға ұшырайтын қолдануларда қолданылуы мүмкін. Металл құюдан кейін кесіледі, осы арқылы қатты, тозуға төзімді кремний шөгінділері ашылады. Қалған беті сәл кеуекті болып, майды ұстап тұрады. Жалпы алғанда, бұл жақсы тіреу бетін қамтамасыз етеді және дәстүрлі қола тіреу бұтақтарынан арзан.

Гипоэутектілік қорытпалар

Гипоэвтектикалық қорытпалар (сондай-ақ гипоэвтектикалық) кремнийдің құрамы 12%-дан кем. Оларда алюминий бірінші болып қатаяды. Температура төмендегенде және қатаятын алюминийдің үлесі артқанда, қалдық балқыманың кремний мөлшері эвтектикалық нүктеге жеткенше артады. Содан кейін барлық қалдық балқыма эвтектика ретінде қатаяды. Сондықтан микроқұрылым бастапқы алюминиймен сипатталады, ол көбінесе дендриттер түрінде кездеседі, ал олардың арасында қалдық балқыманың эвтектикасы орналасқан. Кремнийдің мөлшері неғұрлым аз болса, дендриттер соғұрлым ірі болады. Таза AlSi қорытпаларында эвтектика көбінесе дегенерацияланған түрінде кездеседі. Эвтектикаға тән жақсы механикалық қасиеттері бар ұсақ құрылымның орнына, AlSi баяу салқындағанда ірі түйіршікті құрылымға айналады, онда кремний үлкен пластиналар немесе инелер түзеді. Оларды кейде қалың көзбен көруге болады және материалды қанық етеді. Бұл суық құюда проблема емес, себебі салқындату жылдамдығы дегенерацияны болдырмау үшін жеткілікті. Әсіресе құм құюда, оның баяу салқындату жылдамдығымен, дегенерацияны болдырмау үшін балқымаға қосымша элементтер қосылады. Натрий, стронций және антимон жарамды. Бұл элементтер 720 °C-тан 780 °C-қа дейін балқымаға қосылады, бұл кремнийдің диффузиясын азайтатын артық салқындатуға (суперсауытуға) әкеледі, нәтижесінде ұсақ эвтектика пайда болады, соның салдарынан жоғары беріктік пен үзілу кезіндегі созылу пайда болады.

Эутектілік және етектілік жақындаған қорытпалар

11%-дан 13%-ға дейінгі кремний мөлшеріндегі қорытпалар эутектикалық қорытпалардың қатарына жатады. Термиялық өңдеу созу қабілетін және шаршау кезіндегі беріктікті арттырады. Өңделмеген қорытпаларда қатаю кезінде қабықша пайда болады, ал тазартылған қорытпаларда қабырғалары тегіс болады, бұл өте жақсы құю мүмкіндігін қамтамасыз етеді. Ең бастысы, олардың ағымдалу қабілеті мен қалыпты толтыру мүмкіндігі жоғары, сондықтан эутектикалық қорытпалар жұқа қабырғалы бөлшектерді құюға өте ыңғайлы.

Гипертектілік қорытпалар

13%-дан астам кремний бар қорытпалар "артық" немесе "гиперэвтектикалық" деп аталады. Кремнийдің мөлшері әдетте 17%-ға дейін, ал арнайы поршень қорытпалары 20%-дан да жоғары болуы мүмкін. Гиперэвтектикалық қорытпалар өте төмен жылулық кеңеюге ие және тозуға өте төзімді. Көптеген басқа қорытпалардан өзгеше, AlSi қорытпалары эвтектикалық нүктесіне жақын ең жоғары ағымдағылығын көрсетпейді, бірақ 14-16% кремнийде, қыздырғанда 17-18% кремнийде көрсетеді. 10%-дан 14%-ға дейінгі диапазонда ыстық жарылуға бейімділік ең төменгі деңгейде болады. Гиперэвтектикалық қорытпалардың жағдайында кремний кристалдары балқымада бірінші болып қатаяды, ал қалған балқыма эвтектикалық құрам ретінде қатаяды. Дәнді ұсақтау үшін мыс-фосфор қорытпалары қолданылады. Қатты және хрупқы кремний келесі өңдеу кезінде құралдың тозуын күшейтеді, сондықтан кейде алмаз құралдар қолданылады (Машинамен өңделуге де қараңыз).

Алюминий-кремний-магний қорытпалары

Магнийдің шағын мөлшердегі қосымшалары бар (0,3-тен 0,6%-ға дейін Mg) AlSiMg қорытпаларын суық және жылумен қатайтуға болады. Кремнийдің құрамы 5%-тан 10%-ға дейін артқан сайын магнийдің үлесі азаяды. Олар AlMgSi қорытпаларымен байланысты: екеуі де магний силициді Mg2Si-нің шөгіндіге түсуіне негізделген, ол материалда ұсақ дисперсті бөлшектер түрінде кездеседі және осылайша беріктікті арттырады. Сонымен қатар, магний созылу шегін де арттырады. AlSiCu қорытпалары да қатайтылғанымен, бұл қорытпалар коррозияға төзімді және құюға ыңғайлы. Дегенмен, кейбір AlSiMg қорытпаларында мыс қоспа ретінде кездеседі, бұл коррозияға төзімділікті азайтады. Бұл есімдік алюминийден қайта балқытылған материалдарға ерекше қатысты.

Алюминий-кремний-мыс қорытпалары

AlSiCu қорытпалары да жылумен қатайтылатын және қосымша жоғары беріктікке ие, бірақ коррозияға осал және құю мүмкіндігі төмен, бірақ әлі де жеткілікті. Көбінесе екінші алюминийден қорытылады. Қаттылу механизмі AlCu қорытпаларындағыдай. Мыс құрамы 1%-дан 4%-ға дейін, ал кремний құрамы 4%-дан 10%-ға дейін жетеді. Магнийдің шағын қосымшалары беріктікті жақсартады.

4000 сериясы

4000 сериясы кремниймен қорытылған. Құюға арналған алюминий-кремний қорытпаларының түрлері (сондықтан 4000 сериясына кірмейді) сондай-ақ силумин деп аталады. +4000 сериясы алюминий қорытпасының номиналды құрамы (салмақтық %) және қолданылуыҚорытпаAl құрамыҚоспа элементтеріҚолданылуы және анықтамалары400698.3Si 1.0; Fe 0.65Бекітілген немесе қартайтылған400796.3Si 1.4; Mn 1.2; Fe 0.7; Ni 0.3; Cr 0.1Бекітілген401596.8Si 2.0; Mn 1.0; Mg 0.2Бекітілген403285Si 12.2; Cu 0.9; Mg 1; Ni 0.9;Құймалар404394.8Si 5.2Трубка404785.5Si 12.0; Fe 0.8; Cu 0.3; Zn 0.2; Mn 0.15; Mg 0.1Парқалдар, қаптамалар, толтырғыштар454393.7Si 6.0; Mg 0.3Сәулеттік экструзиялар

Қолданбалар

Алюминий қауымдастығының сандық белгілеу жүйесі бойынша, Силумин екі жүйедегі қорытпаларға сәйкес келеді: 3xxx, алюминий-кремний қорытпалары, сондай-ақ магний және/немесе мыс қосылған, және 4xx.x, екілік алюминий-кремний қорытпалары. Мыс беріктікті арттырады, бірақ коррозияға төзімділікті азайтады. AlSi эутектикалық құйма қорытпалары машина бөліктеріне, цилиндрлер басына, цилиндрлер картерлеріне, импеллерлерге және қабырғалы корпустарға қолданылады. Гипереутектикалық (силиций құрамы жоғары) қорытпалар төмен жылулық кеңеюі және жоғары беріктігі мен тозуға төзімділігі болғандықтан қозғалтқыш бөліктерінде қолданылады. Бұған шамамен 25% Si құрамындағы арнайы поршень қорытпалары да кіреді. Магний (AlSiMg) қосылған қорытпалар жылумен өңдеу арқылы қатайтылуы мүмкін. Мысалы, төмен қысымпен құю арқылы жасалған дөңгелек дискілері, олардың жоғары беріктігі, коррозияға төзімділігі және үзілген кездегі созылу қасиеттеріне байланысты. 10% шамасындағы кремний құрамы бар қорытпалар цилиндрлер басына, коммутатор корпустарына, сорғы коллекторларына, трансформатор резервуарларына, дөңгелек аспаларына және майлы табаларға қолданылады. 5% -тан 7% -ға дейінгі кремний құрамы бар қорытпалар шасси бөліктеріне және дөңгелектерге қолданылады. 9% деңгейінде олар құрылымдық элементтерге және корпус түйіндеріне жарамды. Мыс қосылған AlSiCu қорытпалары ыстыққа төзімділігі мен қатаю қабілетіне байланысты берістік корпустарына, картерлерге және цилиндрлер басына қолданылады. AlSi қорытпаларын механикалық қасиеттері басты орын алатын құрылымдық материал ретінде пайдаланудан басқа, тағы бір қолданыс аймағы – жасырын жылуды сақтау. 577 °C температурадағы қорытпаның фазалық өзгеруінде жылу энергиясы балқыту энталпиясы түрінде сақталады. Сондықтан AlSi металл фазалық өзгеру материалы (mPCM) ретінде де қолданылуы мүмкін. Басқа фазалық өзгерістерге ие материалдармен салыстырғанда металдар жоғары жылу өткізгіштігімен біріктірілген жоғары меншікті энергия тығыздығымен сипатталады. Соңғысы жылуды сақтау материалдарына тез жылу беру және алу үшін маңызды, соның арқасында жылу сақтау жүйесінің тиімділігі артады. AlSi сияқты mPCM-нің бұл артықшылықты қасиеттері көлік құралдарында қолдану үшін ерекше маңызды, себебі төмен салмақ пен көлем, сондай-ақ жоғары жылу тиімділігі – басты мақсаттар. mPCM негізіндегі жинақтау жүйелерін пайдалану арқылы электр көліктердің жүріс диапазонды кеңейтуге болады, себебі қажетті жылу энергиясын тарту батареясынан алудың орнына mPCM-де жылумен сақтауға болады. Аллюминийдің эутектикалық деңгейі жоғары балқымалары ыстық суға батыру арқылы алюминийлендіруге де қолданылады. Ұзындығы үздіксіз болатын болат жолақтарды гальвандау процесінде болат жолақтар 10-25 мкм қалыңдықтағы жылуға төзімді металл қабығымен жабылады. Ыстық алюминийленген болат парақтары термиялық жүктемеге ұшырайтын компоненттер үшін қолжетімді материал болып табылады. Цинкпен жабылғаннан айырмашылығы, бұл қаптама атмосфералық жағдайда катодтық қорғаныс қамтамасыз етпейді.

Сипаттамалары

Жоғары құю қабілеті, ағымдылық, коррозияға төзімділік, соғымдылық және төмен тығыздық. Үлкен көлемді құймаларға қолданылады, олар ауыр жүктеме жағдайында жұмыс істей алады. Жылумен өңдеуге жарамды қорытпа деп есептелмейді, бірақ Mg және Cu қосылуы оны жылумен өңдеуге мүмкіндік береді, мысалы, AΠ4 қорытпалары. Ерітіндімен өңдеу арқылы нығайтылады, мысалы, құю алдында 0,01% натрий (натрий фториді [NaF] және натрий хлориді [NaCl] түрінде) қосу арқылы. Кемшілігі – құймада газды кедірлердің пайда болуы, яғни құйма көбіктейтін болуы мүмкін. Бұл автоклавтардағы қысыммен құю арқылы болдырмауға болады.