Содержание:

Силуминовые изделия легко получать, а наличие в их составе кремния 98 %-ной чистоты приводит к улучшению химических характеристик продукта.

Что это за материал?

Химсостав силуминов отечественного производства определяется ГОСТ 1583-93. Рассматриваемые сплавы (алюминий – основа) содержат:

  • Кремния, % – 10…13;

  • Железа, % - 0,35…0,70;

  • Марганца, % - 0,03…0,50;

  • Титана, % - 0,03…0,25;

  • Меди, % - 0,02…0,03;

  • Цинка, % - 0,04…0,08.

Важно: в силуминах, которые используют для изготовления пищевой посуды и другой продукции аналогичного назначения, ограничивается содержание токсичных химических элементов – мышьяка (не выше 0,015 %), свинца (не более 0,15 %) и бериллия (не выше 0,0005 %).

Силумины имеют меньший вес, чем обычный алюминий или другие конкурирующие с ним, в частности, сталь или титан. Добавление кремния высокой чистоты обеспечивает металлу более низкие значения коэффициента теплового расширения, улучшая жидкотекучесть литейного расплава. Наконец, кремний уменьшает усадку в процессе затвердевания сплава, добавляя ему пластичности и прочности.

сварка силумина

Свойства силумина

Как правило, производство отливок из силумина включает несколько этапов:

  1. Плавление металла;

  2. Заливка расплава в форму;

  3. Охлаждение отливки с использованием различных охлаждающих сред, включая воздух.

Алюминиево-кремниевые сплавы образуют бинарную эвтектику при 11,7% кремния с температурой плавления 577 °C, причем две фазы представляют собой твердые растворы кремния в алюминии - максимум 0,8% при комнатной температуре. Интерметаллических соединений нет. Для улучшения эвтектики и повышения прочности за счет улучшенного дисперсионного твердения иногда в силумины добавляют небольшое количество натрия. Железо, даже в небольших количествах, может серьёзно ухудшить ударную вязкость сплавов, поэтому для уменьшения этого эффекта при литье добавляют повышенное количество марганца.

Особо высокой жидкотекучестью характеризуется силумин, состав которого содержит повышенный процент меди. Легированная медь с добавлением магния и никеля повышают степень дисперсионного твердения, что улучшает свойства силуминов при повышенных температурах.

Химические свойства

Остановимся только на свойствах ключевых элементов, которые в незначительном количестве присутствуют практически во всех марках алюминиево-кремниевых сплавов, хотя и не определяются стандартами. Ими являются медь, натрий и стронций.

Медь используется для дисперсионного твердения силуминов, если это необходимо. По возможности стараются избегать значительного количества железа, поскольку оно может образовывать пластинчатые выделения, которые охрупчивают отливку и могут блокировать поток жидкого металла в кристаллизаторе. 

силумин состав

Стронций, если он добавлен намеренно, помогает изменить форму кремния, как и натрий. Однако эффекты натрия относительно быстро исчезают, когда жидкий металл выдерживают при температуре в течение длительного периода перед затвердеванием. Переизбыток стронция приводит к большей пористости в окончательной отливке.

Кремний образует зародыши на частицах фосфида алюминия, присутствующих в расплаве в виде примесей. Добавление небольшого количества натрия в расплав поглощает фосфор, что затрудняет образование кремния. Таким образом, затвердевание подавляется до более низких температур, когда скорость зародышеобразования велика. Это приводит к значительному улучшению микроструктуры.

Физические свойства

Силумины состоят из мягкой сплошной матрицы (твёрдого раствора алюминия), которая содержит включения кремния различной морфологии. С увеличением количества таких включений твёрдость сплава возрастает. Коэффициент интенсивности напряжений зависит от упругости и пластичности матрицы и размера частиц хрупкой фазы.

Внутренние напряжения в структуре не зависят от температуры и выражают взаимодействие между дислокациями, выделениями.

Важно: степень дисперсности микроструктуры (в частности, размеры включений кремния) определяет её стойкость к внешним нагрузкам.

Увеличение прочности мягкой матрицы может быть достигнуто вследствие её упрочнения точечными дефектами, которые определяют силу межатомных связей в решетке кремния. В частности, имеют значение силы взаимодействия между двухфазной микроструктурой хрупкого, но твёрдого кремния и частицами, которые составляют мягкую и пластичную алюминиевую матрицу.

Снижение риска хрупкого разрушения в многофазных областях может реализовываться только за счет снижения интенсивности напряжений, на которые влияет концентрация частиц кремния и количество микрообластей, склонных к зарождению трещин. Поэтому при назначении режимов термообработки важны степень разрушения кремниевых включений и их сфероидизация.

силумин что это за материал

Механические свойства

Силумин – что это за материал и каковы его эксплуатационные свойства? Во многом они зависят от свойств кремния. Этот элемент имеет кристаллическую структуру алмаза и, следовательно, очень хрупкий. Поэтому большие пластины кремния ухудшают механические свойства. Они могут быть улучшены за счёт применения более совершенной технологии литья и процессов термообработки, которые обеспечивают:

  • Повышение прочности мягкой матрицы

  • Снижение риска хрупкого разрушения в многофазных областях.

  • Повышение степени дисперсности дендритной структуры.

Положительные механические свойства силуминов проявляются в превосходной стойкости к износу и коррозии, низким коэффициентам теплового расширения и в высокой прочности.

свойства силумина

Добавление композитов улучшает механические свойства данных сплавов в части повышения прочности на разрыв, модуля упругости, твёрдости, ударной вязкости, сопротивления и прочности на сжатие. Установлено, что для улучшения качественных характеристик алюминиево-кремниевых литейных сплавов для литья (при одновременном снижении температуры плавления) в состав исходного сырья необходимл вводить нанодобавки.

Литейные качества

Силумины легируются кремнием для простоты литья. Это связано с тем, что кремний увеличивает текучесть расплава, снижает температуру плавления, уменьшает усадку, связанную с затвердеванием, и в качестве сырья является очень дешёвым.

Кремний также имеет низкую плотность (2,34 г/ см3), что может быть преимуществом в снижении общего веса литой заготовки. Данный химический элемент имеет очень низкую растворимость в алюминии; поэтому он осаждается в виде практически чистых частиц, которые улучшают сопротивление истиранию.

Большинство силуминов образуют эвтектику при 11,7 % кремния, температура эвтектики составляет 577 oC. Такие температуры обуславливают высокую жидкотекучесть сплавов и малые затраты на образование расплава.

Области применения

Силумины используют:

  • В автомобильной промышленности, в частности, для замены стали в рамах автомобилей с электроприводом;

  • В авиации и железнодорожном транспорте, где они снижают аэробное трение, улучшают скорость подвижного состава, уменьшают затраты на топливо;

  • В строительстве, где меньшая плотность силуминов способствует снижению веса конструкций;

  • В пищевой промышленности, поскольку простота изготовления кухонной посуды уменьшает итоговые производственные затраты.

Важно: несмотря на свою термостойкость сварка силумина ограничена, поскольку эффективное соединение деталей может быть обеспечено лишь при сварке в аргоне или в других инертных газах. Но из-за высокой текучести и низкой чувствительности к жаростойкости данные сплавы обычно используются в качестве присадочного металла для сварных швов.

Особенности маркировки

Маркировка силуминов отечественного производства описана в ГОСТ 1583-93. Вначале идут буквы АК, которые определяют наличие алюминия и кремния соответственно. Затем следует число, указывающее на процент кремния, как дополнительного компонента в сплаве. После цифр могут вводиться дополнительные обозначения, касающиеся степени химической чистоты сплава, наличия дополнительных компонентов или указывающие на способ литья. Список таких обозначений лимитирует ОСТ 48-178.