Алюминий-кремниевые сплавы или силумины — общее название группы легких, высокопрочных алюминиевых сплавов на основе системы алюминий - кремний (AlSi), состоящих преимущественно из алюминия, причем кремний является наиболее важным в количественном отношении легирующим элементом . Чистые сплавы AlSi не поддаются закалке, широко используемые сплавы AlSiCu (с медью ) и AlSiMg (с магнием ) можно закалить. Механизм закалки соответствует механизму упрочнения AlCu и AlMgSi . Редко используемые деформируемые сплавы серии 4000 и преимущественно используемые литейные сплавы стандартизируются в серии 4000.
Сплавы AlSi на сегодняшний день являются наиболее важными из всех материалов для литья алюминия. Они подходят для всех процессов литья и обладают отличными 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 аккумулирования высокой энергии в электромобилях.
Сплавы алюминия и кремния обычно содержат от 3% до 25% кремния . [1] Литье — это основное применение алюминиево-кремниевых сплавов, но их также можно использовать в процессах быстрой затвердевания и порошковой металлургии . Сплавы, используемые в порошковой металлургии, а не в литье, могут содержать еще больше кремния, до 50%. [1] Силумин обладает высокой устойчивостью к коррозии , что делает его пригодным для использования во влажной среде.
Добавление кремния к алюминию также делает его менее вязким в жидкой форме, что вместе с его низкой стоимостью (поскольку оба составных элемента относительно дешевы в извлечении) делает его очень хорошим литейным сплавом. [2] Силумин с хорошей литейностью может дать более прочную готовую отливку, чем потенциально более прочный сплав, который труднее отливать. [1]
Все алюминиевые сплавы также содержат примесь железа. Как правило, это нежелательно, поскольку снижает прочность и удлинение при разрыве. Вместе с Al и Si он образует -фазу AlFeSi, присутствующую в структуре в виде мелких иголок. Однако железо также предотвращает прилипание 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 прилипанию, но влияет на механические свойства меньше, чем железо. Марганец образует с другими элементами фазу, имеющую форму глобулитных (округлых) зерен.
Медь встречается почти во всех технических сплавах, по крайней мере, в виде примеси. С содержания 0,05% Cu снижается коррозионная стойкость. Добавки около 1% Cu легируются для увеличения прочности за счет упрочнения твердого раствора . Это также улучшает обрабатываемость . В случае сплавов AlSiCu также добавляется более высокое содержание меди, что означает, что материалы можно упрочнять (см. Алюминий-медный сплав ).
Вместе с кремнием магний образует фазу Mg 2 Si ( силицид магния ), которая является основой прокаливаемости, подобно сплавам алюминий-магний-кремний (AlMgSi). В них имеется избыток Mg, поэтому структура состоит из смешанного кристалла алюминия с магнием и Mg 2 Si. В сплавах AlSiMg, напротив, наблюдается избыток кремния и структура состоит из смешанного кристалла алюминия, кремния и Mg 2 Si. [3]
Небольшие добавки титана и бора служат для измельчения зерна. [4]
![Алюминий-кремний [[фазовая диаграмма]]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a7/Diagramme_binaire_al_si_fonderie.svg/1280px-Diagramme_binaire_al_si_fonderie.svg.png)
Алюминий образует эвтектику с кремнием, находящимся при температуре 577 °С, с содержанием Si 12,5% [5] или 12,6%. [6] При этой температуре в алюминии можно растворить до 1,65% Si. Однако растворимость быстро снижается с повышением температуры. При 500 °C это все еще 0,8% Si, при 400 °C — 0,3% Si, а при 250 °C — только 0,05% Si. При комнатной температуре кремний практически нерастворим. Алюминий вообще не растворяется в кремнии, даже при высоких температурах. Только в расплавленном состоянии оба полностью растворимы. Увеличение прочности за счет твердорастворного упрочнения незначительно. [5]
Чистые сплавы AlSi выплавляются из первичного алюминия, а сплавы AlSi с другими элементами обычно выплавляются из вторичного алюминия. Чистые сплавы AlSi имеют среднюю прочность, не закаливаются, но устойчивы к коррозии даже в среде соленой воды. [7]
Точные свойства зависят от того, находится ли состав сплава выше, вблизи или ниже эвтектической точки. Литейные качества увеличиваются с увеличением содержания Si и достигают наилучшего значения при содержании Si около 17%; механические свойства являются лучшими при содержании Si от 6% до 12%.
В остальном сплавы AlSi в целом обладают благоприятными литейными свойствами: усадка составляет всего 1,25 %, а влияние толщины стенки невелико. [8]
Заэвтектические сплавы с содержанием кремния от 16 до 19%, такие как Alusil , могут использоваться в быстроизнашивающихся изделиях, таких как поршни , гильзы цилиндров и блоки двигателей внутреннего сгорания . После литья металл подвергается травлению, обнажая твердые, износостойкие выделения кремния. Остальная поверхность становится слегка пористой и удерживает масло. В целом это обеспечивает превосходную опорную поверхность и меньшую стоимость, чем традиционные бронзовые втулки подшипника. [9]
Доэвтектические сплавы (также доэвтектические) имеют содержание кремния менее 12%. С ними 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 в виде эвтектики. Таким образом, микроструктура характеризуется первичным алюминием, который часто присутствует в виде дендритов, и лежащей между ними эвтектикой остаточного расплава. Чем ниже содержание кремния, тем крупнее дендриты .
В чистых сплавах AlSi эвтектика часто находится в вырожденной форме. Вместо тонкой структуры, типичной для эвтектики с ее хорошими механическими свойствами, AlSi при медленном охлаждении принимает форму крупнозернистой структуры, 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 дегенерации. [5] [10]
В частности, при литье в песчаные формы , где скорость охлаждения низкая, в расплав добавляются дополнительные элементы, чтобы предотвратить дегенерацию. Подходят натрий , стронций и сурьма . [11] [12] Эти элементы добавляются в расплав при температуре от 720°C до 780°C, вызывая переохлаждение , которое уменьшает диффузию кремния, в результате чего образуется обычная мелкая эвтектика, что приводит к более высокой прочности и удлинению при разрыве. [13]
Сплавы с содержанием Si от 11% до 13% относятся к эвтектическим сплавам. Отжиг улучшает удлинение и усталостную прочность. Затвердевание происходит в форме оболочки в необработанных сплавах и гладкостенных в рафинированных сплавах, что приводит к очень хорошей литейности. Прежде всего, очень хорошая текучесть и способность к заполнению форм, поэтому эвтектические сплавы подходят для тонкостенных деталей. [14]
Сплавы с содержанием Si более 13% называют заэвтектическими. Содержание Si обычно достигает 17 %, а в специальных поршневых сплавах — более 20 %. Заэвтектические сплавы имеют очень низкое тепловое расширение и очень износостойкие. В отличие от многих других сплавов, сплавы AlSi проявляют максимальную текучесть не вблизи эвтектики, а при 14–16 % Si, в случае перегрева – при 17–18 % Si. Склонность к горячему растрескиванию минимальна в пределах от 10% до 14%. В случае заэвтектических сплавов кристаллы кремния сначала затвердевают в расплаве, пока оставшийся расплав не затвердевает в виде эвтектики. Для измельчения зерна используются медно-фосфорные сплавы. Твердый и хрупкий кремний приводит к повышенному износу инструмента при последующей обработке, поэтому иногда используют алмазный инструмент (см. также « Обрабатываемость »). [15]
Сплавы AlSiMg с небольшими добавками магния (до 0,3–0,6 % Mg) могут закаляться как в холодном, так и в горячем 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 выделяется силицид магния Mg 2 Si, который присутствует в материале в виде мелкодисперсных частиц и тем самым 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 медь присутствует в виде примеси, что снижает коррозионную стойкость. Это относится, прежде всего, к материалам, полученным из вторичного алюминия. [16] [17]
Сплавы AlSiCu также термоупрочняемы и, кроме того, высокопрочны, но подвержены коррозии и менее, но все же достаточно пригодны для литья. Его часто выплавляют 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 улучшают прочность. [18] [19]
Все данные приведены в процентах по массе. Остальное алюминий.
Деформируемые сплавы [20]
Литые сплавы [21]
Серия 4000 легирована кремнием. Разновидности алюминиево-кремниевых сплавов, предназначенные для литья (и поэтому не входящие в серию 4000), также известны как силумины .
В системе числовых 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 увеличивает прочность, но снижает коррозионную стойкость. [1]
В целом сплавы AlSi в основном используются в литейном производстве, особенно в автомобилестроении. Деформируемые сплавы встречаются очень редко. Они используются в качестве присадочного металла ( сварочная проволока) или в качестве припоя при пайке . В некоторых случаях кованые поршни AlSi также изготавливаются для авиации. [23]
Эвтектические литейные сплавы AlSi используются для изготовления деталей машин, головок цилиндров, картеров цилиндров, рабочих колес и ребристых корпусов. Заэвтектические (с высоким содержанием кремния) сплавы используются для деталей двигателей из-за низкого теплового расширения, высокой прочности и износостойкости. Сюда также входят специальные поршневые сплавы с содержанием кремния около 25%. [24]
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 кремния около 10% используются для изготовления головок цилиндров, корпусов переключателей, впускных коллекторов , баков трансформаторов, подвесок колес и масляных поддонов. Сплавы с содержанием Si от 5% до 7% используются для деталей шасси и колес. На уровне 9% они подходят для конструктивных элементов и узлов кузова. [25]
Медьсодержащие сплавы AlSiCu используются для изготовления корпусов редукторов, картеров и головок цилиндров из-за их жаростойкости и способности к закалке. [26]
Помимо использования сплавов AlSi в качестве конструкционного материала, в котором механические свойства имеют первостепенное значение, еще одной областью применения является аккумулирование скрытой теплоты . При фазовом переходе сплава при 577°С тепловая энергия может сохраняться в виде энтальпии плавления . Таким образом, AlSi также можно использовать в качестве металлического материала с фазовым переходом (mPCM). По сравнению с другими материалами с фазовым переходом металлы характеризуются высокой удельной плотностью энергии в сочетании с высокой теплопроводностью. Последнее важно для быстрого входа и выхода тепла в аккумулирующий материал и, таким образом, повышает производительность системы аккумулирования тепла. Эти выгодные свойства mPCM, таких как AlSi, имеют особое значение для транспортных средств, поскольку основными целями здесь являются малая масса и объем, а также высокие тепловые характеристики. За счет использования систем хранения на базе mPCM можно увеличить запас хода электромобилей за счет термического хранения необходимой для обогрева тепловой энергии в mPCM вместо отбора ее от тяговой батареи. [27]
Для горячего алюминирования применяют также почти эвтектические расплавы AlSi. В процессе непрерывного цинкования полос на стальные полосы наносится жаростойкое металлическое покрытие толщиной 10-25 мкм. Листовая сталь, алюминированная горячим погружением, является недорогим материалом для изготовления термически напряженных компонентов. В отличие от цинковых покрытий, покрытие не обеспечивает катодной защиты в атмосферных условиях. [28]
