stringtranslate.com

Алюминиево-кремниевые сплавы

Алюминиево-кремниевые сплавы или силумины — общее название группы легких, высокопрочных алюминиевых сплавов на основе системы алюминий - кремний (AlSi), которые состоят преимущественно из алюминия, а кремний является количественно наиболее важным легирующим элементом . Чистые сплавы AlSi не могут быть закалены, обычно используемые сплавы AlSiCu (с медью ) и AlSiMg (с магнием ) могут быть закалены. Механизм закалки соответствует механизму закалки AlCu и AlMgSi .

Сплавы AlSi являются, безусловно, наиболее важными из всех литых алюминиевых материалов. Они подходят для всех процессов литья и обладают превосходными литейными свойствами. Важными областями применения являются детали автомобилей, включая блоки двигателей и поршни . Кроме того, в настоящее время основное внимание уделяется их использованию в качестве функционального материала для высокоэнергетического хранения тепла в электромобилях.

Легирующие элементы

Алюминиево-кремниевые сплавы обычно содержат от 3% до 25% кремния . [1] Литье является основным применением алюминиево-кремниевых сплавов, но они также могут использоваться в процессах быстрого затвердевания и порошковой металлургии . Сплавы, используемые в порошковой металлургии, а не в литье, могут содержать даже больше кремния, до 50%. [1] Силумин обладает высокой устойчивостью к коррозии , что делает его полезным во влажных средах.

Добавление кремния к алюминию также делает его менее вязким в жидкой форме, что в сочетании с его низкой стоимостью (поскольку оба компонента относительно дешевы в извлечении) делает его очень хорошим литейным сплавом. [2] Силумин с хорошей литейной способностью может давать более прочную готовую отливку, чем потенциально более прочный сплав, который сложнее отливать. [1]

Все алюминиевые сплавы также содержат железо в качестве примеси. Это, как правило, нежелательно, так как снижает прочность и удлинение при разрыве. Вместе с Al и Si он образует -фазу AlFeSi, которая присутствует в структуре в виде мелких иголок. Однако железо также препятствует прилипанию отливок к формам при литье под давлением, поэтому специальные сплавы для литья под давлением содержат небольшое количество железа, в то время как в других сплавах железа по возможности избегают.

Марганец также снижает склонность к слипанию, но влияет на механические свойства меньше, чем железо. Марганец образует фазу с другими элементами, которая находится в форме глобулярных (круглых) зерен.

Медь встречается почти во всех технических сплавах, по крайней мере, в качестве примеси. При содержании 0,05% Cu коррозионная стойкость снижается. Добавки около 1% Cu легируют для повышения прочности за счет упрочнения твердого раствора . Это также улучшает обрабатываемость . В случае сплавов AlSiCu также добавляются более высокие доли меди, что означает, что материалы можно закаливать (см. Сплав алюминия и меди ).

Вместе с кремнием магний образует фазу Mg2Si ( силицид магния ), которая является основой прокаливаемости, подобно сплавам алюминия, магния и кремния (AlMgSi). В них имеется избыток Mg, поэтому структура состоит из смешанных кристаллов алюминия с магнием и Mg2Si. В сплавах AlSiMg, с другой стороны, имеется избыток кремния, и структура состоит из смешанных кристаллов алюминия, кремния и Mg2Si . [ 3]

Кремниевые порошки используются в алюминиево-кремниевых сплавах для повышения прочности и литейных качеств, обеспечивая лучшую долговечность в условиях высоких напряжений. [4] Он также улучшает текучесть расплавленного алюминия, что позволяет легче отливать сложные формы с меньшим количеством дефектов. [5]

Небольшие добавки титана и бора служат для измельчения зерна. [6]

Чистые алюминиево-кремниевые сплавы

Алюминий-кремний [[фазовая диаграмма]]
Фазовая диаграмма алюминий-кремний

Алюминий образует эвтектику с кремнием, которая находится при 577 °C, с содержанием Si 12,5% [7] или 12,6%. [8] При этой температуре в алюминии может растворяться до 1,65% Si. Однако растворимость быстро уменьшается с температурой. При 500 °C он все еще составляет 0,8% Si, при 400 °C 0,3% Si и при 250 °C только 0,05% Si. При комнатной температуре кремний практически нерастворим. Алюминий вообще не может растворяться в кремнии, даже при высоких температурах. Только в расплавленном состоянии оба полностью растворимы. Увеличение прочности за счет упрочнения твердого раствора незначительно. [7]

Чистые сплавы AlSi выплавляются из первичного алюминия, тогда как сплавы AlSi с другими элементами обычно выплавляются из вторичного алюминия. Чистые сплавы AlSi имеют среднюю прочность, не закаляются, но устойчивы к коррозии даже в соленой воде. [9]

Точные свойства зависят от того, находится ли состав сплава выше, около или ниже эвтектической точки. Литейные свойства увеличиваются с увеличением содержания Si и достигаются наилучшим образом при содержании Si около 17%; механические свойства достигаются наилучшим образом при содержании Si от 6% до 12%.

В остальном сплавы AlSi, как правило, обладают благоприятными литейными свойствами: усадка составляет всего 1,25%, а влияние толщины стенки невелико. [10]

Гиперэвтектические сплавы с содержанием кремния от 16 до 19%, такие как Alusil , могут использоваться в изделиях с высоким износом, таких как поршни , гильзы цилиндров и блоки двигателей внутреннего сгорания . Металл протравливается после литья, обнажая твердые, износостойкие кремниевые осадки. Остальная часть поверхности становится слегка пористой и удерживает масло. В целом это обеспечивает превосходную опорную поверхность и более низкую стоимость, чем традиционные бронзовые втулки подшипников. [11]

Доэвтектические сплавы

Доэвтектические сплавы (также доэвтектические) имеют содержание кремния менее 12%. У них алюминий затвердевает первым. По мере понижения температуры и увеличения доли затвердевшего алюминия содержание кремния в остаточном расплаве увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута эвтектическая точка. Затем весь остаточный расплав затвердевает как эвтектика. Микроструктура, следовательно, характеризуется первичным алюминием, который часто присутствует в виде дендритов, и эвтектикой остаточного расплава, лежащей между ними. Чем ниже содержание кремния, тем крупнее дендриты .

В чистых сплавах AlSi эвтектика часто находится в вырожденной форме. Вместо тонкой структуры, которая в противном случае типична для эвтектики с ее хорошими механическими свойствами, AlSi принимает форму крупнозернистой структуры при медленном охлаждении, в которой кремний образует большие пластины или иглы. Иногда их можно увидеть невооруженным глазом, и они делают материал хрупким. Это не проблема при литье в кокиль, поскольку скорости охлаждения достаточно высоки, чтобы избежать вырождения. [7] [12]

В частности, при литье в песчаные формы с его медленными скоростями охлаждения в расплав добавляются дополнительные элементы для предотвращения дегенерации. Подходят натрий , стронций и сурьма. [ 13 ] [ 14 ] Эти элементы добавляются в расплав при температуре около 720 °C - 780 °C, вызывая переохлаждение , которое уменьшает диффузию кремния, в результате чего образуется общая тонкая эвтектика, что приводит к более высокой прочности и удлинению при разрыве. [15]

Эвтектические и околоэвтектические сплавы

Сплавы с содержанием Si от 11% до 13% относятся к эвтектическим сплавам. Отжиг улучшает удлинение и усталостную прочность. Затвердевание является оболочковым в необработанных сплавах и гладкостенным в очищенных сплавах, что приводит к очень хорошей литейной способности. Прежде всего, текучесть и способность заполнения формы очень хороши, поэтому эвтектические сплавы подходят для тонкостенных деталей. [16]

Заэвтектические сплавы

Сплавы с содержанием Si более 13% называются сверх- или гиперэвтектическими. Содержание Si обычно составляет до 17%, а в специальных поршневых сплавах также более 20%. Гиперэвтектические сплавы имеют очень низкое тепловое расширение и очень износостойкие. В отличие от многих других сплавов, сплавы AlSi не показывают свою максимальную текучесть вблизи эвтектики, а при содержании Si от 14 до 16%, в случае перегрева при содержании Si от 17% до 18%. Склонность к образованию горячих трещин минимальна в диапазоне от 10% до 14%. В случае гиперэвтектических сплавов кристаллы кремния сначала затвердевают в расплаве, пока оставшийся расплав не затвердеет как эвтектика. Для измельчения зерна используются медно-фосфорные сплавы. Твердый и хрупкий кремний приводит к повышенному износу инструмента при последующей обработке, поэтому иногда используются алмазные инструменты (см. также Обрабатываемость ). [17]

Сплавы алюминий–кремний–магни

Сплавы AlSiMg с небольшими добавками магния (менее 0,3–0,6% Mg) можно закаливать как в холодном, так и в теплом состоянии. Доля магния уменьшается с увеличением содержания кремния, которое составляет от 5% Si до 10% Si. Они родственны сплавам AlMgSi : Оба основаны на том, что осаждается силицид магния Mg 2 Si, который присутствует в материале в виде мелкодисперсных частиц и, таким образом, увеличивает прочность. Кроме того, магний увеличивает удлинение при разрыве. В отличие от AlSiCu, который также можно закаливать, эти сплавы устойчивы к коррозии и легко отливаются. Однако в некоторых сплавах AlSiMg в качестве примеси присутствует медь, что снижает коррозионную стойкость. Это касается прежде всего материалов, выплавленных из вторичного алюминия. [18] [19]

Сплавы алюминий-кремний-медь

Сплавы AlSiCu также закаливаемы при нагревании и, кроме того, обладают высокой прочностью, но подвержены коррозии и менее, но все же достаточно, литейные. Часто выплавляются из вторичного алюминия. Закалка основана на том же механизме, что и сплавы AlCu. Содержание меди составляет от 1% до 4%, кремния — от 4% до 10%. Небольшие добавки магния повышают прочность. [20] [21]

Составы стандартизированных сортов

Все данные указаны в процентах по массе. Остальное — алюминий.

Деформируемые сплавы [22]

Литейные сплавы [23]

Механические свойства стандартизированных и нестандартизированных марок

серия 4000

Серия 4000 легирована кремнием. Разновидности алюминиево-кремниевых сплавов, предназначенные для литья (и поэтому не входящие в серию 4000), также известны как силумин .

Приложения

В системе цифровых обозначений 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. [1]

В целом, сплавы AlSi в основном используются в литейном производстве, особенно в автомобилестроении. Кованые сплавы встречаются очень редко. Они используются в качестве присадочного металла ( сварочная проволока) или припоя при пайке . В некоторых случаях кованые поршни AlSi также изготавливаются для авиации. [25]

AlSi эвтектические литейные сплавы используются для деталей машин, головок цилиндров, картеров цилиндров, рабочих колес и ребристых корпусов. Гиперэвтектические (высококремниевые) сплавы используются для деталей двигателей из-за низкого теплового расширения и высокой прочности и износостойкости. Сюда также входят специальные поршневые сплавы с содержанием Si около 25%. [26]

Сплавы с добавками магния (AlSiMg) можно упрочнять термической обработкой. Примером использования являются колесные диски, изготовленные методом литья под низким давлением из-за их хорошей прочности, коррозионной стойкости и удлинения при разрыве. Сплавы с содержанием Si около 10% используются для головок цилиндров, корпусов переключателей, впускных коллекторов , трансформаторных баков, подвесок колес и масляных поддонов. Сплавы с содержанием Si от 5% до 7% используются для деталей шасси и колес. При содержании Si 9% они подходят для структурных компонентов и узлов кузова. [27]

Содержащие медь сплавы AlSiCu используются для корпусов коробок передач, картеров и головок цилиндров из-за их термостойкости и способности к закалке. [28]

Помимо использования сплавов AlSi в качестве конструкционного материала, в котором механические свойства имеют первостепенное значение, еще одной областью применения является хранение скрытого тепла . При фазовом изменении сплава при 577 °C тепловая энергия может храниться в форме энтальпии плавления . Поэтому AlSi также может использоваться в качестве металлического материала с изменяющейся фазой (mPCM). По сравнению с другими материалами с изменяющейся фазой металлы характеризуются высокой удельной плотностью энергии в сочетании с высокой теплопроводностью. Последнее важно для быстрого входа и выхода тепла в материале хранения и, таким образом, повышает производительность системы хранения тепла. Эти выгодные свойства mPCM, таких как AlSi, имеют особое значение для применения в транспортных средствах, поскольку здесь основными целями являются низкие массы и объемы, а также высокие тепловые характеристики. Используя системы хранения на основе mPCM, можно увеличить дальность действия электромобилей за счет термического хранения необходимой тепловой энергии для нагрева в mPCM вместо того, чтобы брать ее из тяговой батареи. [29]

Почти эвтектические расплавы AlSi также используются для горячего алюминирования. В процессе непрерывного полосового цинкования стальные полосы покрываются жаропрочным металлическим покрытием толщиной 10-25 мкм. Горячеалюминированная листовая сталь является недорогим материалом для термонапряженных деталей. В отличие от цинковых покрытий, покрытие не обеспечивает катодной защиты в атмосферных условиях. [30]

Характеристики

Ссылки

  1. ^ abcd "Алюминиево-кремниевые сплавы". Ключ к металлам . Получено 18 апреля 2012 г.
  2. ^ Pezdn, J (2008). "Влияние модификации стронцием на обрабатываемость силумина АК9" (PDF) . Архивы литейного машиностроения . 8 (Специальный выпуск 1): 273–276. Архивировано из оригинала (PDF) 2 декабря 2017 г. . Получено 13 марта 2013 г. .
  3. ^ Aluminium-Taschenbuch – Группа 1: Grundlagen und Werkstoffe . Алюминий-Верлаг, Дюссельдорф, 16. Auflage, 2002, С. 145–151.
  4. ^ "Порошки диоксида кремния и кремния: руководство по их свойствам и использованию". Standford Powders . Получено 1 октября 2024 г.
  5. ^ Нафиси, Шахруз; Гомашчи, Реза (2005). «Эффекты модификации во время традиционной и полутвердой обработки металла сплава Al-Si A356». Материаловедение и машиностроение: A . 415 (1–2): 273–285. doi :10.1016/j.msea.2005.09.108.
  6. ^ Себастьян Ф. Фишер, Кристиан Обершельп: Aluminiumbasis-Gusswerkstoffe в: Андреас Бюринг-Полачек, Вальтер Михаэли, Гюнтер Шпор (Hrsg.): Handbuch Urformen, Hanser, 2014, S. 21.
  7. ^ abc Aluminium-Taschenbuch — Группа 1: Grundlagen und Werkstoffe . Алюминий-Верлаг, Дюссельдорф, 16. Auflage, 2002, с. 100.
  8. ^ Фридрих Остерманн: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. Ауфляж. Спрингер, 2014, С. 182.
  9. ^ Фридрих Остерманн: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. Ауфляж. Спрингер, 2014, С. 182.
  10. ^ Фриц, Шульце, 9. Ауфлаж, С. 36.
  11. ^ Марукович, Е.И.; Стеценко, В.Я. (2011). «Свойства и применение антифрикционного силумина» (PDF) . ИТМ НАН Беларуси. С. 51–53.
  12. ↑ Handbuch Urformen, S. 62.
  13. ^ Aluminium-Taschenbuch - Группа 1: Grundlagen und Werkstoffe . Алюминий-Верлаг, Дюссельдорф, 16. Auflage, 2002, С. 101.
  14. ^ Handbuch Urformen, S. 23, 62.
  15. ^ Aluminium-Taschenbuch - Группа 1: Grundlagen und Werkstoffe . Алюминий-Верлаг, Дюссельдорф, 16. Auflage, 2002, С. 101.
  16. ^ Себастьян Ф. Фишер, Кристиан Обершельп: Aluminiumbasis-Gusswerkstoffe в: Андреас Бюринг-Полачек, Вальтер Михаэли, Гюнтер Шпор (Hrsg.): Handbuch Urformen, Hanser, 2014, S. 63.
  17. ^ Себастьян Ф. Фишер, Кристиан Обершельп: Aluminiumbasis-Gusswerkstoffe в: Андреас Бюринг-Полачек, Вальтер Михаэли, Гюнтер Шпор (Hrsg.): Handbuch Urformen, Hanser, 2014, S. 66.
  18. ^ Aluminium-Taschenbuch - Группа 1: Grundlagen und Werkstoffe . Алюминий-Верлаг, Дюссельдорф, 16. Auflage, 2002, с. 146 ф.
  19. ^ Себастьян Ф. Фишер, Кристиан Обершельп: Aluminiumbasis-Gusswerkstoffe в: Андреас Бюринг-Полачек, Вальтер Михаэли, Гюнтер Шпор (Hrsg.): Handbuch Urformen, Hanser, 2014, S. 63.
  20. ^ Aluminium-Taschenbuch - Группа 1: Grundlagen und Werkstoffe . Aluminium-Verlag, Дюссельдорф, 16. Auflage, 2002, S. 149 и далее.
  21. ^ Себастьян Ф. Фишер, Кристиан Обершельп: Aluminiumbasis-Gusswerkstoffe в: Андреас Бюринг-Полачек, Вальтер Михаэли, Гюнтер Шпор (Hrsg.): Handbuch Urformen, Hanser, 2014, S. 63 f.
  22. ^ Aluminium-Taschenbuch - Группа 1: Grundlagen und Werkstoffe . Aluminium-Verlag, Дюссельдорф, 16. Auflage, 2002, S. 649ff.
  23. ^ Aluminium-Taschenbuch - Группа 1: Grundlagen und Werkstoffe . Aluminium-Verlag, Дюссельдорф, 16. Auflage, 2002, S. 659ff.
  24. ^ «Зачем работать с алюминием 4047?». Lynch Metals, Inc. 23 января 2019 г. Получено 25 июня 2019 г.
  25. ^ Фридрих Остерманн: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. Ауфляж. Спрингер, 2014, С. 152 ф.
  26. ^ Фриц, Шульце: Fertigungstechnik , 11. Auflage, S. 40 f.
  27. ^ Себастьян Ф. Фишер, Кристиан Обершельп: Aluminiumbasis-Gusswerkstoffe в: Андреас Бюринг-Полачек, Вальтер Михаэли, Гюнтер Шпор (Hrsg.): Handbuch Urformen, Hanser, 2014, S. 63.
  28. ^ Себастьян Ф. Фишер, Кристиан Обершельп: Aluminiumbasis-Gusswerkstoffe в: Андреас Бюринг-Полачек, Вальтер Михаэли, Гюнтер Шпор (Hrsg.): Handbuch Urformen, Hanser, 2014, S. 63.
  29. ^ "Erhöhte Reichweite von Elektrofahrzeugen im Winter" . Веб-сайт Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt . Архивировано из оригинала 12 июня 2018 г. Проверено 17 мая 2018 г.
  30. ^ "Charakteristische Merkmale 095: Schmelztauchveredeltes Band und Blech" (PDF) . Веб-сайт Wirtschaftsvereinigung Stahl . Архивировано из оригинала (PDF) 17 августа 2017 г. Проверено 11 октября 2019 г.
  31. ^ Лукач, И.; Шлесар, М.; Хрох, П. (июль 1976). «Структура и механические свойства силумина». Металловедение и термическая обработка . 7 (18): 624–626. Bibcode :1976MSHT...18..624L. doi :10.1007/BF00703820. S2CID  135830385.
  32. ^ Н. М. Барбин; И. Г. Бродова; Т. И. Яблонских; Н. А. Ватолин (2008). "Легирование и модифицирование расплавленного силумина в солевом расплаве". J. Phys.: Conf. Ser . 98 (7): 072014. Bibcode :2008JPhCS..98g2014B. doi : 10.1088/1742-6596/98/7/072014 . 98 072014.

Дальнейшее чтение