Введение

Алюминиево-кремниевые сплавы или силумин – общее название группы легких и высокопрочных алюминиевых сплавов на основе алюминиево-кремниевой системы (AlSi), состоящих преимущественно из алюминия, при этом кремний является количественно наиболее важным легирующим элементом. Чистые сплавы AlSi не поддаются упрочнению, в то время как широко используемые сплавы AlSiCu (с медью) и AlSiMg (с магнием) могут быть упрочнены. Механизм упрочнения соответствует механизму упрочнения сплавов AlCu и AlMgSi. Сплавы AlSi являются наиболее важными из всех литейных алюминиевых материалов. Они пригодны для всех процессов литья и обладают превосходными литейными свойствами. Важные области применения включают детали автомобилей, такие как блоки двигателей и поршни. Кроме того, в настоящее время активно исследуется возможность их использования в качестве функционального материала для накопления тепловой энергии в электромобилях.

Легирующие элементы

Алюминиево-кремниевые сплавы обычно содержат от 3% до 25% кремния. Основное применение алюминиево-кремниевых сплавов – литье, однако они также могут использоваться в процессах быстрой закалки и порошковой металлургии. Сплавы, предназначенные для порошковой металлургии, а не для литья, могут содержать еще больше кремния, вплоть до 50%. Силумин с хорошей текучестью может обеспечить более прочную готовую отливку, чем потенциально более прочный сплав, который сложнее лить. Небольшие добавки титана и бора используются для измельчения зерна.

Чистые сплавы алюминия и кремния

Алюминий образует эвтектику с кремнием, которая находится при 577 °C и содержит 12,5% или 12,6% кремния. При этой температуре в алюминии может быть растворено до 1,65% кремния. Однако растворимость быстро снижается с понижением температуры. При 500 °C она составляет еще 0,8% Si, при 400 °C – 0,3% Si, а при 250 °C – всего 0,05% Si. При комнатной температуре кремний практически нерастворим. Алюминий не растворяется в кремнии вообще, даже при высоких температурах. Полная растворимость достигается только в расплавленном состоянии. Увеличение прочности за счет упрочнения твердым раствором несущественно. Конкретные свойства зависят от того, находится ли состав сплава выше, вблизи или ниже эвтектической точки. Литейные свойства улучшаются с увеличением содержания кремния и оптимальны при примерно 17% Si; наилучшие механические свойства достигаются при содержании от 6% до 12% Si. Способность заполнять форму максимальна при 12% Si, но остается хорошей и при других концентрациях. Склонность к образованию усадочных полостей минимальна при содержании от 6% до 8% Si и в целом считается низкой. Склонность к горячим трещинам невелика при содержании менее 6% Si. В целом, сплавы AlSi обладают благоприятными литейными свойствами: усадка составляет всего 1,25%, а влияние толщины стенок незначительно. Гиперевтектические сплавы с содержанием кремния от 16 до 19%, такие как Alusil, могут применяться в условиях высокой изнашиваемости, например, для изготовления поршней, гильз цилиндров и блоков двигателей внутреннего сгорания. Металл подвергается травлению после литья, что обнажает твердые, износостойкие осадки кремния. Остальная поверхность становится слегка пористой и удерживает масло. В целом это обеспечивает отличную подшипниковую поверхность по более низкой цене, чем традиционные бронзовые втулки.

Гипоутектические сплавы

Гипоутектические сплавы (также гипоэвтектические) содержат менее 12% кремния. В них первым затвердевает алюминий. По мере понижения температуры и увеличения доли затвердевшего алюминия содержание кремния в оставшемся расплаве возрастает до достижения эвтектической точки. Затем весь оставшийся расплав затвердевает в виде эвтектики. Микроструктура, таким образом, характеризуется первичным алюминием, который часто присутствует в форме дендритов, и эвтектикой остаточного расплава, расположенной между ними. Чем ниже содержание кремния, тем крупнее дендриты. В чистых сплавах AlSi эвтектика часто имеет вырожденную структуру. Вместо тонкой структуры, обычно характерной для эвтектик с их хорошими механическими свойствами, AlSi при медленном охлаждении образует грубозернистую структуру, в которой кремний формирует крупные пластины или иглы. Их иногда можно увидеть невооруженным глазом, что делает материал хрупким. Это не представляет проблемы при литье под давлением, поскольку скорости охлаждения достаточно высоки, чтобы избежать вырождения. Особенно при литье в песчаные формы, с ее медленными скоростями охлаждения, в расплав добавляют дополнительные элементы для предотвращения вырождения. Подходят натрий, стронций и сурьма. Эти элементы добавляются в расплав при температуре примерно 720–780 °C, вызывая переохлаждение, которое снижает диффузию кремния, приводя к образованию обычной мелкозернистой эвтектики, что повышает прочность и относительное удлинение при разрыве.

Сплавы эутектические и почти эутектические

Сплавы с содержанием от 11% до 13% Si относятся к эвтектическим сплавам. Отжиг повышает относительное удлинение и предел выносливости. В необработанных сплавах затвердевание происходит с образованием поверхностной структуры, а в рафинированных – с формированием гладких стенок, что обеспечивает отличную литейность. Особенно выделяются высокая текучесть и способность заполнять форму, благодаря чему эвтектические сплавы пригодны для изготовления тонкостенных деталей.

Гиперутективные сплавы

Сплавы с содержанием более 13% Si называются сверхэвтектическими или гиперевтектическими. Содержание Si обычно составляет до 17%, при этом для специальных поршневых сплавов оно может превышать 20%. Гиперевтектические сплавы обладают очень низким тепловым расширением и высокой износостойкостью. В отличие от многих других сплавов, сплавы AlSi демонстрируют максимальную текучесть не вблизи эутектики, а при содержании 14–16% Si, и при перегреве – 17–18% Si. Склонность к образованию горячих трещин минимальна в диапазоне 10–14%. В гиперевтектических сплавах кристаллы кремния затвердевают первыми в расплаве, после чего оставшаяся часть расплава затвердевает в виде эутектики. Для измельчения зерна используются медно-фосфорные сплавы. Твердый и хрупкий кремний приводит к повышенному износу инструмента при последующей механической обработке, поэтому в некоторых случаях применяются алмазные инструменты (см. также "Обрабатываемость").

Сплавы алюминия-кремния-магния

Сплавы AlSiMg с небольшими добавками магния (ниже 0,3–0,6% Mg) могут упрочняться как в холодном, так и в теплом состоянии. Содержание магния уменьшается с увеличением содержания кремния, которое находится в диапазоне от 5% до 10%. Они связаны со сплавами AlMgSi: оба типа сплавов основаны на образовании силицида магния Mg2Si, который присутствует в материале в виде мелкодисперсных частиц и тем самым повышает прочность. Кроме того, магний увеличивает относительное удлинение при разрыве. В отличие от AlSiCu, которые также подлежат упрочнению, эти сплавы обладают коррозионной стойкостью и хорошо ливаются. Однако медь может присутствовать в качестве примеси в некоторых сплавах AlSiMg, что снижает их коррозионную стойкость. Это особенно актуально для материалов, полученных переплавкой вторичного алюминия.

Сплавы алюминия-кремния-медь

Сплавы AlSiCu также поддаются упрочнению термической обработкой и обладают дополнительно высокой прочностью, но восприимчивы к коррозии и, хотя и в меньшей степени, все же достаточно хорошо лиются. Их часто получают из вторичного алюминия. Упрочнение происходит по тому же механизму, что и у сплавов AlCu. Содержание меди составляет от 1% до 4%, кремния – от 4% до 10%. Небольшие добавки магния повышают прочность.

Серия 4000

Сплавы серии 4000 легированы кремнием. Варианты алюминиево-кремниевых сплавов, предназначенные для литья (и, следовательно, не входящие в серию 4000), также известны как силумины. Номинальный состав (% масс) и применение алюминиевых сплавов серии 4000СплавСодержание AlЛегирующие элементыПрименение и ссылки400698,3Si 1,0; Fe 0,65Закаленный или состаренный400796,3Si 1,4; Mn 1,2; Fe 0,7; Ni 0,3; Cr 0,1Закаленный401596,8Si 2,0; Mn 1,0; Mg 0,2Закаленный403285Si 12,2; Cu 0,9; Mg 1; Ni 0,9;Поковки404394,8Si 5,2Пруток404785,5Si 12,0; Fe 0,8; Cu 0,3; Zn 0,2; Mn 0,15; Mg 0,1Лист, обшивка, припои454393,7Si 6,0; Mg 0,3Архитектурные профили

Приложения

В системе цифрового обозначения Алюминиевой ассоциации, силумин соответствует сплавам двух систем: 3xxx – алюминиево-кремниевые сплавы, также содержащие магний и/или медь, и 4xx.x – бинарные алюминиево-кремниевые сплавы. Медь повышает прочность, но снижает коррозионную стойкость. Эвтектические сплавы AlSi используются для деталей машин, головок цилиндров, блоков цилиндров, рабочих колес и ребристых корпусов. Гиперевтектические (высокосилициевые) сплавы применяются для деталей двигателей благодаря низкой тепловой экспансии, высокой прочности и износостойкости. Это также включает в себя специальные поршневые сплавы с содержанием около 25% Si. Сплавы с добавлением магния (AlSiMg) могут упрочняться термической обработкой. Примером применения служат колесные диски, изготовленные методом литья под низким давлением, благодаря их хорошей прочности, коррозионной стойкости и относительному удлинению при разрыве. Сплавы с содержанием около 10% Si используются для головок цилиндров, корпусов выключателей, впускных коллекторов, баков трансформаторов, подвесок колес и масляных поддонов. Сплавы с содержанием от 5% до 7% Si применяются для деталей шасси и колес. При содержании 9% они подходят для конструкционных элементов и узлов кузова. Медьсодержащие сплавы AlSiCu используются для корпусов редукторов, блоков цилиндров и головок цилиндров благодаря их термостойкости и способности к закалке. Помимо использования сплавов AlSi в качестве конструкционного материала, где важны механические свойства, существует и область применения, связанная с накоплением скрытой теплоты. При фазовом переходе сплава при 577 °C тепловая энергия может накапливаться в виде теплоты плавления. Таким образом, AlSi также может использоваться в качестве металлического материала с фазовым переходом (mPCM). По сравнению с другими материалами с фазовым переходом, металлы характеризуются высокой удельной энергией в сочетании с высокой теплопроводностью. Последняя важна для быстрого поглощения и отдачи тепла материалом для хранения, что повышает эффективность системы хранения тепла. Эти преимущества mPCM, такие как AlSi, особенно важны для применения в транспортных средствах, поскольку здесь основными задачами являются малый вес и объем, а также высокая тепловая эффективность. Использование систем хранения на основе mPCM позволяет увеличить запас хода электромобилей за счет теплового накопления необходимой тепловой энергии для обогрева вместо отбора ее от тяговой батареи. Почти эвтектические сплавы AlSi также используются для горячего алюминирования. В процессе непрерывного оцинкования стальных полос на стальные полосы наносится термостойкое металлическое покрытие толщиной 10–25 мкм. Алюминированная листовая сталь является экономичным материалом для деталей, подвергающихся термическим нагрузкам. В отличие от цинковых покрытий, это покрытие не обеспечивает катодную защиту в атмосферных условиях.

Характеристики

Высокая литейность, текучесть, коррозионная стойкость, пластичность и низкая плотность. Применим для крупных отливок, способных работать в условиях высоких нагрузок. Сплав не считается поддающимся термической обработке, однако добавление Mg и Cu может обеспечить возможность термической обработки, например, в сплавах АΠ4. Упрочнение достигается обработкой раствором, например, путем добавления 0,01% натрия (в форме фторида натрия [NaF] и хлорида натрия [NaCl]) в расплав непосредственно перед заливкой. Недостатком является склонность к образованию пористости в отливке, то есть отливка может приобрести пористую структуру, напоминающую пену. Этого можно избежать, проводя литье под давлением в автоклавах.