Алюминиевые литейные сплавы
Сплавы алюминиевые литейные. Зарубежные аналоги
По назначению конструкционные алюминиевые литейные сплавы можно условно разбить
на следующие группы:
* Здесь и далее в скобках приведены старые обозначения алюминиевых литейных сплавов.
Цифры после букв указывают среднее содержание элемента в процентах. Буквы в конце
марки обозначают:
Рафинированные сплавы в чушках обозначают буквой р, которую ставят после обозначения марки сплава. Сплавы, предназначенные для изготовления изделий пищевого назначения, обозначают буквой П, которую также ставят после обозначения марки сплава.
Алюминиевые литейные сплавы в чушках (металлошихта) и в отливках изготовляют для нужд народного хозяйства и на экспорт по ГОСТ 1583-93.
Для изготовления изделий пищевого назначения применяют сплавы АК7, АК5М2, АК9, АК12.
Применение других марок сплавов для изготовления изделий и оборудования, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами и средами, в каждом отдельном случае должно быть разрешено органами здравоохранения.
Аналоги алюминиевых литейных сплавов по ГОСТ 1583-93, стандартам США, Германии, Японии и Франции (табл. 97) подобраны путем сравнения массовой доли основных компонентов.
При этом учтено следующее: наличие примесей, способы литья, режимы термической обработки, механические свойства и области применения.
Алюминиевые литейные сплавы для отливок
Алюминиевые литейные сплавы (aluminium casting alloys) предназначены для производства отливок с высокими прочностными характеристиками, технологическими и эксплуатационными свойствами.
Стандарты
Алюминиевые литейные сплавы для производства отливок регламентируются ГОСТ 1583-93 «Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия».
Маркировка
Алюминиевые сплавы не имеют единой маркировки. Большинство сплавов маркируют буквой А, отображающей основу сплава — алюминий, за которой следует буква Л, означающая, что сплав литейный. За буквами следуют цифры, отображающие номер сплава, который не связан ни с его химическим составом, ни с его механическими свойствами. К примеру, АЛ34 следует понимать, как А — алюминиевый сплав, Л — литейный, номер — 34. Второй вариант маркировки алюминиевых сплавов базируется на отображении его химического состава. В этом случае, маркировка сплава также начинается буквой А, отображающей основу сплава — алюминий (при этом, содержание алюминия в сплаве не указывается), за которой следует буква обозначающая основной легирующий элемент, с последующими цифрами отображающими среднее содержание элемента в сплаве; далее следует буква, обозначающая следующий по величине содержания в сплаве легирующий элемент, с последующими цифрами отображающими среднее содержание элемента в сплаве и т.д. Если содержание легирующего элемента составляет 1%, то после его буквенного обозначения цифра 1 не пишется. К примеру, сплав АК5М7 содержит (в среднем) 5% Si, 7% Cu, Al — остальное.
Классификация
В соответствии с химическим составом различают пять групп алюминиевых литейных сплавов для изготовления отливок:
Химический состав
Химический состав и марки алюминиевых литейных сплавов для производства отливок должны удовлетворять требованиям ГОСТ 1583-93, приведенным в табл. 1.
Для производства изделий пищевого назначения применяют отливки из алюминиевых сплавов марок: АК7, АК5М2, АК 9, АК12. Применение других марок сплавов для производства изделий и оборудования, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами и средами, в каждом отдельном случае должно быть разрешено органами здравоохранения. В алюминиевых сплавах, предназначенных для производства изделий пищевого назначения, массовая доля свинца должна быть не более 0,15 %, мышьяка — не более 0,015 %, цинка — не более 0,3 %, бериллия — не более 0,0005 %.
Таблица 1: Химический состав литейных алюминиевых сплавов для отливок по ГОСТ 1583-93
Таблица 1: продолжение
Механические свойства
Механические свойства алюминиевых литейных сплавов в отливках должны удовлетворять требованиям ГОСТ 1583-93, приведенным в табл. 3
Таблица 3: Механические свойства алюминиевых литейных сплавов по ГОСТ 1583-93
1. Условные обозначения способов литья:
3 — литье в песчаные формы;
В — литье по выплавляемым моделям;
К — литье в кокиль;
Д — литье под давлением;
ПД — литье с кристаллизацией под давлением (жидкая штамповка);
О — литье в оболочковые формы;
М — сплав подвергается модифицированию.
2. Условные обозначения видов термической обработки:
Т1 — искусственное старение без предварительной закалки;
Т2 — отжиг;
Т4 — закалка;
Т5 — закалка и кратковременное (неполное) искусственное старение;
Т6 — закалка и полное искусственное старение;
Т7 — закалка и стабилизирующий отпуск;
Т8 — закалка и смягчающий отпуск.
3. Механические свойства сплавов АК7Ц9 и АК9Ц6 определяются спустя не менее одних суток естественного старения.
4. Механические свойства, указанные для способа литья В, распространяются также на литье в оболочковые формы.
Термическая обработка
Термическая обработка отливок из алюминиевых литейных сплавов способствует значительному повышению прочностных свойств материала отливки, улучшению обрабатываемости и возростанию коррозионной стойкости. Режимы термической обработки отливок из литейных алюминиевых сплавов, рекомендуемые ГОСТ 1583-93, приведены в табл. 4
Таблица 4: Рекомендуемые режимы термической обработки отливок из литейных алюминиевых сплавов
Алюминиевые сплавы
Среди всех сплавов своими эксплуатационными качествами выделяются алюминиевые. Их применяют при производстве летательных аппаратов, возведении домов, выпуске наземного транспорта и морских судов. При этом выделяют довольно много недостатков, которыми обладают алюминиевые сплавы: мягкость, не очень высокая прочный, относительно невысокая устойчивость к воздействию повышенной влажности. Однако всего несколько основных положительных качеств определяет широкое распространение алюминиевых сплавов в самых различных областях промышленности. Рассмотрим все особенности данного материала подробнее.
Характеристики алюминиевых сплавов
Сплавы на основе алюминия могут обладать самыми различными характеристиками, так как при их получении проводится смешивание различных примесей. Именно поэтому рассматривая механические свойства алюминиевых сплавов следует уделить внимание тому, какие именно элементы входят в состав.
Для начала отметим классификацию материалов, которые получаются при соединении меди и алюминия. Они делятся на три основные группы:
Последняя группа сегодня получила довольно большое распространение, так как температура плавления алюминиевых сплавов, входящих в нее, довольно высока. Сплавы последней группы называют дюралюминием.
Рассматривая дюралюминий уделим внимание нижеприведенным моментам:
Часто встречается сплав, представляющий собой сочетание алюминия и магния. Технические характеристики подобного алюминиевого сплава зависят от того, сколько магния в составе.
Среди основных особенностей можно отметить нижеприведенные моменты:
Сочетание алюминия с марганцем практически не подвергают термической обработке. Это связано с тем, что даже при соблюдении условий проведения закалки существенно изменить эксплуатационные качества сплава не получится. Плотность алюминиевого сплава может колебаться в достаточно большом диапазоне: от 2 до 4 грамм на кубический сантиметр.
Рассматривая слав, прочность которого имеет рекордные показатели, следует уделить внимание сплаву алюминия с цинком и магнием. При применении современных технологий производства можно добиться качеств, которые будут характерны для титана. Среди особенностей подобного сплава отметим:
В литейной промышленности весьма большое распространение получили алюминиевые сплавы, которые в своем составе имеют кремний. Тот момент, что при термической обработке кремний отлично растворяется в алюминии, позволяет использовать металл при фасонном или формовочном литье. Получаемые изделия хорошо обрабатываются резанием, а также обладают повышенной плотностью.
Очень редко встречаются смеси алюминия и железа, а также никеля. Это связано с тем, что подобные элементы зачастую применяются исключительно как легирующие вещества.
Примером можно назвать то, что железо добавляется в состав для упрощения процесса отделения детали от формы. В состав могут добавляться титан, который существенно повышает показатель прочности.
Подводя итоги по характеристикам алюминиевых сплавов можно отметить нижеприведенные моменты:
Из-за легкости и прочности, а также относительно высокой коррозионной стойкости алюминиевые сплавы получили достаточно широкое применение. Альтернативных материалов, которые обладают подобными свойствами и низкой стоимостью, практически нет.
Сферы применения
Алюминий и алюминиевые сплавы получили самое широкое применение, что связано с основными эксплуатационными качествами. Их применение во многом зависит от состава. Примером назовем следующие моменты:
Столь обширная сфера применения определена также тем, что процесс производства сплава весьма прост, получаемый материал не имеет высокой стоимости, а эксплуатационные качества могут быть изменены путем добавления различных легирующих элементов.
Классификация
Рассматривая виды алюминиевых сплавов следует отметить, что они могут классифицироваться по достаточно большому количеству признаков. Классификация алюминия его сплавов по типу вспомогательных элементов подразумевает выделение следующих основных групп:
Специальные алюминиевые сплавы могут состоять из огромного количества элементов. Их добавление проводится для придания материалу особых эксплуатационных качеств.
В зависимости от выбранного метода металлообработки можно выделить:
По степени прочности можно выделить несколько групп:
Кроме этого в отдельную группу принято выделять дуралюмины, которые обладают особыми эксплуатационными качествами.
Легкий алюминиевый сплав может иметь достаточно большое количество различных примесей. При этом химический состав отражается на маркировке.
Деформируемые алюминиевые сплавы
Довольно большое распространение деформируемых алюминиевых сплавов можно связать с тем, что при их применении процесс производства различных изделий существенно упрощается. Область применения следующая:
Деформируемые алюминиевые сплавы
В результате получаются различные заготовки или уже практически готовые детали с исключительными эксплуатационными качествами. После получения требующейся формы проводится отжиг, закалка или старение, которые позволяют существенно повысить показатель прочности. Данный типа алюминия применяют для получения труб, листа или профиля.
Литейные алюминиевые сплавы
Технологии получения деталей и заготовок путем литья применяются на протяжении многих лет. Они хороши тем, что позволяют получать самые различные формы, которые могут иметь сложные поверхности. Сплавы на основе алюминия могут переходить в текучее состояние при более низких температурах, чем другие металлы. Именно поэтому процесс изготовления различных деталей существенно упрощается.
Среди других особенностей материала данной группы отметим:
Литейные алюминиевые сплавы получили весьма широкое применение в различных отраслях промышленности, особенно тех, в которых нужно получать сложные корпусные детали. За счет литья по форме существенно упрощается дальнейшая механическая обработка.
Литейные алюминиевые сплавы
Основные требования, предъявляемые к литейным алюминиевым сплавом – сочетание хороших литейных свойств и оптимальных физико-механических качеств. Данную группу можно разделить на:
Последняя разновидность алюминиевых сплавов достаточно часто применяется при изготовлении деталей, которые будут эксплуатироваться при воздействии морской воды.
Принципы маркировки
Довольно большое количество сложностей возникает с определением марки материала. Маркировка алюминиевых сплавов проводится так, чтобы их можно было просто определить. Как правило, каждому составу присваивается свой номер, который может состоять из цифр и букв.
Среди особенностей маркировки можно отметить нижеприведенные моменты:
Разберем применяемые правила обозначений на конкретном примере сплава Д17П. Первая буква указывает на то, какой именно состав. В данном случае это дюралюминий. Все дюралюминии имеют определенный химический состав, однако концентрация основных элементов может существенно отличаться. Поэтому число 17 – порядковый номер, указывающий на конкретный материал (то есть с определенными качествами). В конце есть буква, которая применяется для обозначения полунагартованного сплава. Данный метод обработки предусматривает воздействие давления без предварительного нагрева сплава, а значит прочность будет вполовину меньше максимального значения.
В заключение отметим, что каждый состав обладает своими особыми физико-механическими качествами. Данные свойства определяют то, куда именно будет направлен материал для изготовления деталей или дальнейшей обработки. Наиболее важными свойствами принято считать пластичность, теплопроводность, электрическую проводимость и другие. Немаловажным фактором также является то, насколько качественно было проведено изготовление материала. Применение современных технологий позволяет с высокой точностью контролировать концентрацию тех или иных элементов, исключает вероятность появления различных дефектов. В большинстве случаев производство проводится в соответствии с ГОСТ и другими мировыми стандартами.
Литейные алюминиевые сплавы
Литейные сплавы содержат почти те же легирующие компоненты, что и деформируемые сплавы, но в значительно большем количестве (до 9— 13% по отдельным компонентам). Литейные сплавы предназначены для изготовления фасонных отливок.
Алюминиевые литейные сплавы маркируют буквами АЛ и цифрой, указывающей условный номер сплава.
Выпускают 35 марок литейных алюминиевых сплавов, которые по химическому составу можно разделить на несколько групп, например алюминий с кремнием (АЛ2, АЛ4, АЛ9) или алюминий с магнием (АЛ8, АЛ 13, АЛ22 и др.).
Сплавы на основе алюминия кремния называют силуминами. Силумин обладает высокими механическими и литейным свойствами: высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, достаточно высокой прочностью, удовлетворительной пластичностью. Сплавы на основе алюминия и магния имеют высокую удельную прочность, хорошо обрабатываются резанием и имеют высокую коррозионную стойкость.
Свойства алюминиевых литейных сплавов существенно зависят от способа литья и вида термической обработки. Важное значение при литье имеют скорость охлаждения затвердевающей отливки или скорость охлаждения при ее закалке. В общем случае увеличение скорости отвода тепла вызывает повышение прочностных свойств. Поэтому механические свойства отливок при литье в кокиль (металлические литейные формы) выше, чем при литье в песчано-глинистые формы (табл. 8).
В графе «Способы литья» введены следующие обозначения: 3 — в песчано-глинистые формы, В — по выплавленным моделям, К — кокиль, Д — под давлением. Буква М, следующая за первой буквой, обозначает, что сплав при литье подвергают модифицированию.
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 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
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:
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 – И имеет решающее преимущество над другими системами – ее эвтектика имеет сравнительно низкое содержание кремния 11,7 %, тогда как в системе Al – С эвтектика имеет 33 % меди, а в системе Al – Mg – 34,5 %.
Двойные сплавы Al – И 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
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:
«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 – С 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 – С и Al – Mg эта проблема весьма актуальна.
