ГОСТ 1583-93: выбор литейных алюминиевых сплавов

Если оказалось, что проектируемая деталь должна быть литой и алюминиевой, правильный выбор сплава может оказаться проблемой, как для конструктора, так и для литейщика.

Литая алюминиевая деталь?

Обычно считается, что применение алюминиевого литья для нагруженных деталей оправдано только тогда, когда сложная форма литой детали дает существенное преимущество в массе по сравнению с простой по форме, например, кованой, деталью.

Обычно литейщики-производственники работают только несколькими литейными сплавами, что оправдано более экономичным использованием литейного оборудования, сокращением запасов сырья и снижением риска смешивания различных сплавов. С точки зрения качества литья более разумно работать со сплавом, который является технологичным, чем с тем, который может быть на бумаге и показывает несколько лучшие свойства, но более труден технологически. 

С точки зрения литейщиков эти сплавы являются частным случаем литейных сплавов и поэтому могут называться немного по-другому – алюминиевые литейные сплавы.

Методы литья алюминия

Наиболее важными методами литья изделий из алюминиевых сплавов являются:

• литье под высоким давлением;
• литье под низким давлением;
• литье в кокиль и
• литье в песчаные формы.

Литье под давлением, при котором расплавленный металл под действием давления «вдавливается» в стальную пресс-форму, обычно применяется при массовом производстве. Детали, отлитые под давлением, почти не требуют последующей механической обработки.

При литье в кокиль расплавленный металл разливается в, как правило, разъемные и обычно стальные формы многократного использования.

Технология литья в песчаные формы – это более медленный процесс, но обычно самый экономичный для малых партий, сложных конфигураций и больших отливок.

ГОСТ 1583-93: литейные алюминиевые сплавы

Отечественную классификацию литейных алюминиевых сплавов в настоящее время определяет ГОСТ 1583-93. Он включает системы с различными комбинациями алюминия с легирующими элементами Si, Cu, Mg, Mn и Zn:

• двойные сплавы Al–Si, Al–Cu, Al–Zn и Al–Mg;
• тройные сплавы Al–Si–Mg и Al–Si–Cu;
• четверные сплавы Al–Si–Mg–Cu.   

Каждый сплав в этом стандарте имеет двойное обозначение: первое – для чушек и второе (в скобках) – для отливок, например, АК12(АЛ2). Это связано с тем, что в свое время, в конце 1980-х, ГОСТ 1583-89 объединил и заменил в один три стандарта:

• ГОСТ 1583-73 на литейные алюминиевые сплавы в чушках,
• ГОСТ 2685-75 на литейные алюминиевые сплавы в отливках и 
• ГОСТ 1521-76 на силумин в чушках.

От ГОСТ 2685-75 и остались буквенно-цифровые обозначения типа АЛ2, АЛ4 или АЛ11. ГОСТ 1583-93 разрешает для отливок применять эти обозначения сплавов без дублирования обозначениями для чушек. Интересно, что ссылки на ГОСТ 2685-75, отмененный более 20 лет назад, все еще встречается, например, на сайтах некоторых литейных предприятий.     

Силумины нормальные

Из литейных алюминиевых сплавов наиболее часто применяют силумины – сплавы с большим содержанием кремния. Сплавы алюминия только с медью, магнием и цинком применяют значительно реже. Дело в основном в том, что для получения плотной структуры отливки необходим сплав с узким интервалом кристаллизации, а для этого лучше подходят сплавы эвтектической концентрации или близкой к ней. В этом смысле система Al–Si имеет решающее преимущество над другими системами – ее эвтектика имеет сравнительно низкое содержание кремния 11,7 %, тогда как в системе Al–Cu эвтектика имеет 33 % меди, а в системе Al–Mg – 34,5 %.

Двойные сплавы Al–Si имеют самые лучшие литейные свойства. К ним относится обычный (нормальный) силумин с содержанием кремния от 10 до 13 % (сплав АЛ2), который применяют для отливок сложной формы при отсутствии требований высоких механических свойств.

Силумины специальные

При более высоких требованиях к прочностным свойствам применяют специальные силумины – доэвтектические силумины с содержанием кремния от 4 до 10 % и добавками меди, магния и марганца в различных комбинациях и количествах. Сплавы АЛ4 и АЛ9 – силумины с пониженным содержанием кремния и с небольшим добавками магния и марганца (АЛ4) и магния (АЛ9), что улучшает их механические свойства. Низкокремнистые силумины, легируют медью, а также небольшими количествами магния – сплав АЛ5, магния и марганца (и титана) – сплав АК5М2. Они обладают худшими литейными свойствами, чем нормальный силумин, но превосходят его по механическим свойствам. Эти силумины после термической обработки имеют прочность от 200 до 250 МПа и относительное удлинение от 1 до 6 % – прочность близкая к прочности деформируемых сплавов, но при относительно низкой пластичности. Это связано с более грубой структурой, не раздробленной пластической деформацией. Сплав АЛ11 относится к цинковистым силуминам – добавка цинка таких больших количествах (10-14 %) улучшает его литейные свойства, что дает возможность отливать из него особо сложные детали.

Термическая обработка литейных алюминиевых сплавов

Термическая обработка литейных алюминиевых сплавов, по сравнению с деформированными, имеет свои особенности. Это связано в первую очередь с различиями в химическом составе, а также более грубой и крупнозернистой структурой литых сплавов. Литые сплавы почти не подвержены естественному старению, поэтому максимальная прочность обычно достигается за счет искусственного старения в течение 10-20 часов при 150-180 °С. Упрочнение происходит за счет выделения из пресыщенного твердого раствора  интерметаллических соединений CuAl₂,Mg₂Si, Al₃Mg₂ и т.д. Нередко уже одна закалка повышает прочность и пластичность за счет растворения интерметаллических соединений, которые в литом состоянии скапливаются на границах зерен. Старение еще больше повышает прочность, но чаще всего в ущерб пластичности.   

Выбор литейных алюминиевых сплавов

К факторам, которые принимают во внимание при выборе литейного сплава для конкретного конструкторского решения, относятся следующие.

Примеси в алюминиевых сплавах

Каждый литейный алюминиевый сплав по ГОСТ 1583-93 и для чушек, и для отливок имеет в целом одинаковый состав основных  легирующих элементов. Требования же по содержанию примесей могут значительно отличаться для чушек и отливок, с одной стороны, и для применяемых способов литья – с другой. При этом ограничения по каждой из таких примесей как марганец, медь, цинк, никель, свинец, олово и кремний, как правило, одинаковы для чушек и отливок. Однако ограничения по их сумме, а также отдельно по содержанию железа различаются как для чушек и отливок, так и для способов литья: в песчаные формы, в кокиль, под давлением. Для чушек требования по примесям выше, чем для отливок. Для литья под давлением допускается максимальное содержание железа и суммы примесей, для литья в песчаные формы – минимальное.

Вторичные алюминиевые сплавы

Количество примесей, особенно железа, является одним из важных качеств литейного сплава. С понижением количества примесей  в сплаве повышается его коррозионная стойкость и пластичность. Однако надо принимать во внимание и то, что более чистый сплав и стоить будет дороже. Вторичные литейные сплавы обычно изготавливают из лома по тому же ГОСТ 1583-93 и они могут иметь более низкий по сравнению с первичными сплавами уровень пластичности и коррозионной стойкости именно из-за большего количеств примесей. Однако существует множество изделий, для которых эти механические свойства и коррозионная стойкость вполне приемлемы, и поэтому вторичные сплавы широко применяются. Как видно из требований ГОСТ 1583-93 более «грязный» сплав может потребовать более сложного способа литья.

Прочностные свойства алюминиевых сплавов

В зависимости от требований к механическим свойствам будущей отливки сплав выбирают из следующих условных «прочностных» категорий:

«Прочные и пластичные». В эту группу входят наиболее важные упрочняемые старением сплавы, например, Al–Cu. С помощью различных видов термической обработки их свойства «регулируют» или на высокую прочность или на высокое относительное удлинение.  

«Твердые». Литейные сплавы этой группы имеют определенную прочность при растяжении и твердость без особых требований к относительному удлинению. Прежде всего, это сплавы Al–Si–Cu.

«Пластичные». Сплавы с повышенной пластичностью – это, в основном, нормальные  и низкокремнистые силумины.

Литейные свойства алюминиевых сплавов

Литейные свойства сплава, такие как жидкотекучесть и особенности затвердевания, ставят литейщику определенные ограничения. Не каждую отливку можно отлить из любого сплава. Выбор оптимального сплава для конкретной детали обычно требует взаимодействия конструктора и литейщика.

Жидкотекучесть металлического расплава определяют с помощью технологической пробы, например, длины заполнения расплавом специальной спирали. Казалось бы при низкой жидкотекучести надо просто увеличить температуру разливки. Однако в этом случае обычно сталкиваются с другими проблемами, такими как окисление расплава, насыщение его водородом или повышенный износ литейной формы. Эвтектические силумины имеют самую высокую жидкотекучесть, низкокремнистые силумины – среднюю, а сплавы Al–Cu и Al–Mg – самую низкую.

Склонность к горячему растрескиванию является почти противоположностью жидкотекучести. Под горячим растрескиванием понимают отделение друг от друга уже кристаллизовавшихся фаз, например, при усадке. Эти трещины или разрывы могут залечиваться при подаче в форму оставшегося металла. У эвтектических алюминиевых литейных сплавов почти нет проблем с образованием трещин, тогда как для алюминиевых литейных сплавов Al–Cu и Al–Mg эта проблема весьма актуальна.     

Источники:

1. Гуляев А.П. Металловедение, 1986.
2. Aluminum and Aluminum Alloys, ASM International, 1993.