Литейные алюминиевые сплавы

При рассмотрении литейных сплавов остановимся только на тех, которые используются в сварных или сварно-литых конструкциях. Кроме обычных технологических требований, как и для деформируемых сплавов (отсутствие горячих и холодных трещин, пористости, возможность дополнительной обработки резанием, свариваемость и т. п.), к литейным сплавам, что следует уже из их названия, предъявляются дополнительные требования — наличие оптимальных литейных свойств. К ним относятся жидкотекучесть, объемная и линейная усадка, склонность к ликвации. Большая часть литейных свойств зависит от эффективного интервала кристаллизации. Как правило, чем больше интервал кристаллизации, тем меньше жидкотекучесть сплава, тем больше он склонен к образованию усадочной пористости и горячих трещин. В эвтектических и заэвтектических сплавах, мало склонных к горячим трещинам, появляется возможность образования холодных трещин.

Алюминий-магниевые сплавы

Содержание магния в этой группе сплавов достигает 9,5—11,5%, т. е, в два раза выше, чем в деформируемых. Однако и в том и в другом случае основное упрочнение достигается за счет максимального сохранения магния в твердом растворе. Постепенный распад пересыщенного твердого раствора наблюдается уже при наличии в твердом растворе более 6,5—7% Mg. Тем не менее к дополнительному упрочнению это не приводит, но обусловливает снижение пластичности. Оптимальные свойства сплавов Аl—Mg могут быть обеспечены после закалки от 430±5°С в масло (выдержка при нагреве под закалку 12—20 ч). Процесс распада пересыщенного твердого раствора магния в алюминии протекает медленно при комнатной температуре и намного быстрее при 50—70°С. Однако и в этих условиях старение длится от нескольких месяцев до многих лет, вызывая охрупчивание материала. Для повышения исходной пластичности резко ограничивают содержание в сплаве примесей железа и кремния, а также вводят модификаторы — титан и цирконий. Основные структурные составляющие рассматриваемых сплавов — твердый раствор магния в алюминии и β-фаза (Mg5Al8). При наличии примесей кремния и железа выявляются Mg2Si, (Fe,Mn)Al6, (Fe,Mn)3Si2Al15 и другие фазы, в зависимости от соотношения примесей. При литье сплавов Аl—Mg легко образуется рыхлая поверхностная пленка, которая способствует газонасыщенности слитка. Поэтому рекомендуют до отливки подвергать расплав тщательной дегазации и рафинированию.

Алюминий-медные сплавы

Эти сплавы, в которых основным легирующим элементом является медь, представляют ограниченный интерес. К ним относятся А17, АЛ 19, АЛ23. Большее практическое значение имеют литейные сплавы более сложного легирования системы Аl—Si—Cu—Ni— Mg— Fe. На их основе выпускаются в массовом масштабе поршни двигателей внутреннего сгорания. Поршни изготавливаются не только из литейных сплавов, но и из деформируемого материала путем обработки давлением. В качестве литейных сплавов здесь используются преимущественно доэвтектические и заэвтектические силумины.

Принципы создания поршневых сплавов заключаются в том, чтобы, практически не влияя на свойства металла при комнатной температуре, повысить его длительную прочность при 300—350°С, остаточную прочность и износостойкость, особенно в районе первой канавки под компрессионное кольцо. Выделяющийся при кристаллизации каркас из фаз сложного состава типа Cu35NiAl6, СuМn2Аl12 обеспечивает достаточную жаропрочность материала и длительный ресурс работы даигателя.

Алюминий-кремниевые сплавы (силумины)

Применяют силумины доэвтектические, легированные только кремнием либо имеющие также небольшие количества других примесей (Сu, Мn). Структура их представляет собой α-твердый раствор и эвтектику (α+Si). Эвтектика содержит 12,5% Si, Максимальное содержание кремния в твердом растворе при эвтектической температуре (577°С) составляет 1,65%. Закалкой такого насыщенного твердого раствора можно на непродолжительный период времени удержать его в пересыщенном состоянии (растворимость кремния при комнатной температуре — около 0,1%). При старении выделяются тонкодисперсные частицы легирующего компонента, однако упрочняющий эффект незначителен. Очень быстрой закалкой можно кратковременно удержать в твердом растворе около 16% Si и сдвинуть эвтектическую точку до 17% Si. Эффективный модификатор силуминов — натрий в количестве 0,01%. Модифицированный силумин не рекомендуется применять в сочетании со сплавами Аl — Mg. Возможна также модификация силумина фосфором. Силумины, не содержащие кроме кремния других примесей, термически не упрочняемы. Небольшие количества магния вследствие образования его силицида дают возможность осуществлять термическое упрочнение сплава. В отличие от технического алюминия и сплава АМц, небольшие количества примеси железа оказывают на силумины отрицательное влияние, которое частично нейтрализуется марганцем. Железо с кремнием дает хрупкие пластинчатые образования — α-фазу (Fe2SiAl8) и β-фазу (FeSiAl5). При большом содержании кремния возможно образование δ-фазы (FeSi2Al4) и γ-фазы (FeSiAl3). При большом содержании железа возможно появление наиболее тугоплавкого соединения FeAl3 (Тпл =655°С). Марганец с железом дает смешанные менее хрупкие кристаллы (Fe,Mn)3Si2Al5. Легирование медью наряду с магнием позволяет получать более сложные упрочняющие фазы (например, Cu2Mg8Si6Al5) и соответственно достигать большего эффекта в результате термического упрочнения.

Из всех литейных сплавов силумины отличаются наивысшей жидкотекучестью. Вслед за ними идут алюминий-магниевые и алюминий-медные сплавы.

Как указывалось выше, при изготовлении различных авиационных узлов и деталей преимущественно применяются деформируемые сплавы. Объем применения литейных сплавов в связи с их меньшей технологичностью ниже. Вместе с тем в летательных аппаратах используются сварно-литые конструкции и узлы, например, в поршнях с галерейным охлаждением, насосах и др.

Сплавы на основе меди

Если проводник должен иметь повышенную прочность, или стойкость к истиранию, то используют сплавы меди — латунь и бронзу, хотя удельное электросопротивление их выше.

Латунь — это сплавы системы Си—Zn, содержащие иногда 1—2% Мп или Fe. В марках латуни цифры указывают на процентное содержание меди (например, латунь Л80, Л68). Латуни системы Си—Zn отличаются хорошими механическими и коррозионными свойствами, поддаются ковке, штамповке, прокатке (листы, лента, полуфабрикаты) в горячем и холодном состоянии. Удельная электрическая проводимость латуни при содержании 30% Zn составляет примерно 40% от проводимости меди. Структура практически применяемых латуней при комнатной температуре представляет собой либо кристаллы а-раствора цинка в меди, либо смесь а+р’-кри-сталлов, где р’— кристаллы фазы, представляющей собой упорядоченный р-твердый раствор на базе соединения CuZn с электронным типом связи и электронной концентрацией 3/2.

Бронзы — сплавы меди с оловом, кадмием, бериллием, алюминием, кремнием и другими элементами. Бронзы превосходят медь по механическим свойствам, химической стойкости, стойкости к истиранию, антифрикционным и другим свойствам, но имеют более низкую удельную проводимость. Наилучшими свойствами отличаются бронзы с добавками бериллия и кадмия. Бронзу маркируют начальными буквами Бр, затем следуют буквы, показывающие, какие легирующие элементы содержит бронза, и цифры, указывающие на количество этих элементов в целых процентах (например, БрОЦ4—3 содержит Sn 3,5—4,0%, Zn 2,7—3,3%, а также сотые и тысячные доли процента Fe, Pb, Sb, Al, Si, P). Структура бронз определяется типом диаграммы состояния медь— легирующий элемент и видом термической обработки. Лучшие марки бронз, например бериллиевую (табл. 1), применяют для токоведущих пружин, контактов, различных мембран.

В основном это латуни, т.е. медные сплавы, содержащие от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20–36% Zn – желтой (альфа-латунью). Латуни применяются в производстве различных мелких деталей, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Сплавы меди с оловом, кремнием, алюминием или бериллием называются бронзами. Например, сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы. Фосфористая бронза (медь с 5% олова и следовыми количествами фосфора) обладает высокой прочностью и применяется для изготовления пружин и мембран.