Силумин: что это за сплав, состав, марки и свойства

Что такое силумин

Силумин — сплав алюминия с кремнием. Кремния в нём от 4 до 22 %, остальное — алюминий и небольшие добавки магния, меди, марганца, титана, а также примеси железа и цинка. Название составлено из латинских названий двух элементов: silicium — кремний и aluminium — алюминий.

Силумин — литейный сплав: детали из него не катают и не куют, а отливают в форму. Этот элемент делает расплав текучим, поэтому силумин заполняет тонкие стенки, рёбра и каналы, а при остывании мало садится и почти не трескается. По этим свойствам силумины лучшие среди алюминиевых литейных сплавов, и на них приходится основная часть алюминиевого литья. Подробнее о том, чем литейные сплавы отличаются от деформируемых, — в статье «Литейные сплавы».

Состав силумина и роль кремния

Алюминий и кремний образуют эвтектику — смесь, которая плавится и затвердевает при одной температуре, 577 °C, а не в интервале, как остальные составы. Эвтектика получается при 12,5–12,6 % кремния. От того, сколько кремния в сплаве, зависят его строение и свойства:

• Доэвтектические силумины — 4–10 % кремния: АК5М2, АК7ч, АК9ч. В структуре зёрна алюминия, между ними эвтектика. Пластичнее остальных и упрочняются термообработкой, если в составе есть магний или медь.
• Эвтектические — 10–13 % кремния: АК12, АК12М2. Почти вся структура — эвтектика, отсюда лучшая жидкотекучесть и наименьшая склонность к трещинам.
• Заэвтектические — больше 13 % кремния, обычно до 17–19 %, в поршневых сплавах — больше 20 %. Твёрдые кристаллы кремния в структуре дают высокую износостойкость и малое тепловое расширение; из него делают поршни и гильзы цилиндров.

При комнатной температуре кремний почти не растворяется в алюминии и выделяется отдельными кристаллами. В немодифицированном сплаве это крупные пластины и иглы, которые и делают силумин хрупким. Чтобы их измельчить, в расплав перед заливкой вводят модификаторы: натрий, стронций, сурьму — они меняют форму кристаллов кремния, — и титан, цирконий, бор — они измельчают зерно. Добавка 0,1 % натрия сдвигает эвтектику с 12 до 14 % Si. В марках по ГОСТ 1583-93 модифицирование отмечено буквой «М» в способе литья, и у модифицированного АК12 при литье в песчаную форму удлинение вдвое больше, чем в кокиле без модифицирования.

Остальные компоненты состава — легирующие элементы и примеси — меняют характеристики сплава так:

• Магний вместе с кремнием образует силицид магния Mg₂Si, и сплав упрочняется закалкой и старением — так работают АК9ч и АК7ч.
• Медь повышает прочность, в том числе при нагреве, и улучшает обработку резанием, но снижает стойкость к коррозии — сплавы II группы: АК5М, АК5М2, АК12М2.
• Марганец связывает железо и снижает его вредное влияние.
• Железо — вредная примесь: образует хрупкие игольчатые фазы. Но в сплавах для литья под давлением его оставляют до 1–1,5 %: железо не даёт отливке привариться к стальной пресс-форме. Отсюда в ГОСТ 1583-93 у каждого сплава свой предел железа для разных способов литья.

Как производят силумин

Силумин выплавляют на металлургических заводах и поставляют литейным участкам в чушках — слитках стандартной формы. В расплав алюминия вводят кристаллический кремний и легирующие элементы — магний, медь, марганец, титан, — затем расплав рафинируют от газов и неметаллических включений и разливают в изложницы. Часть силуминов выплавляют из вторичного сырья: лома алюминиевых отливок, литников, стружки. Требования к составу чушек и отливок, их маркировке и контролю излома задаёт ГОСТ 1583-93. На литейном участке чушки переплавляют, при необходимости модифицируют и заливают в форму.

Марки силуминов по ГОСТ 1583-93

Марку силумина читают по буквам и цифрам: А — алюминий, К — кремний, цифра после «К» — среднее содержание кремния в процентах. Дальше идут обозначения добавок: М — медь, Мг — магний, Н — никель, Ц — цинк, и их среднее содержание, если оно больше 1 %. Буква «ч» в конце означает «чистый» — сплав с меньшим количеством примесей, «пч» — «повышенной чистоты». Например, АК5М2 — около 5 % кремния и 2 % меди. В скобках ГОСТ сохраняет прежние обозначения: АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ5 — где АЛ означает «алюминиевый литейный», а цифра — номер сплава, а не содержание элемента.

ГОСТ 1583-93 делит алюминиевые литейные сплавы на пять групп. Силумины — это группа I (алюминий — кремний — магний) и группа II (алюминий — кремний — медь).

Состав указан для отливок; в чушках — слитках сплава, из которых плавят металл на литейном участке, — пределы чуть уже. Полностью марки всех пяти групп и их химический состав приведены в таблице 1 стандарта.

Свойства силумина

Физические свойства

• Плотность — от 2,5 до 2,94 г/см³ в зависимости от марки: почти как у алюминия, в три раза меньше, чем у стали и латуни. Как посчитать массу отливки по её объёму — в калькуляторе веса металла.
• Температура плавления — эвтектический силумин плавится при 577 °C, доэвтектические марки — в интервале от 577 °C и выше, но ниже, чем чистый алюминий (660 °C). Температуры плавления других металлов и сплавов — в статье «Температура плавления металлов».
• Цвет — светло-серый, матовый; на изломе — серое зернистое строение.

Механические свойства

Механические характеристики силумина — прочность, пластичность и твёрдость материала — зависят от марки, способа литья и термообработки. ГОСТ 1583-93 задаёт для каждого сочетания нижнюю границу: временное сопротивление разрыву σв, относительное удлинение δ и твёрдость по Бринеллю HB. Свойства определяют на образцах, отлитых отдельно тем же способом, что и детали.

Обозначения термообработки по ГОСТ 1583-93: Т1 — искусственное старение без закалки, Т2 — отжиг, Т4 — закалка, Т5 — закалка и неполное искусственное старение, Т6 — закалка и полное искусственное старение, Т7 — закалка и стабилизирующий отпуск, Т8 — закалка и смягчающий отпуск. Силумины с магнием после режима Т6 прочнее литых в полтора раза: у АК7ч в кокиле — 235 МПа против 157 МПа без обработки. У эвтектического АК12 упрочняющей обработки нет: стандарт даёт для него только отжиг Т2, который снимает напряжения после литья.

По таблице видна общая черта силуминов: удлинение — от 0,5 до 4 %. Сталь Ст3 растягивается на 20 % и больше, прежде чем разорвётся. Поэтому силуминовая деталь при перегрузке не гнётся, а раскалывается, и для деталей под ударом и вибрацией выбирают марки с магнием после термообработки или другой материал.

Литейные свойства и коррозионная стойкость

• Жидкотекучесть — наибольшая у сплавов с 12–16 % Si: в стальной пресс-форме они проливают стенки толщиной около 1 мм.
• Усадка — около 1,25 %, и она мало зависит от толщины стенки: размеры отливок стабильны. Склонность к усадочным раковинам наименьшая при 6–8 % Si, к горячим трещинам — мала у всех марок, кроме самых низколегированных.
• Пористость — главный недостаток силуминовых отливок: газ и усадка оставляют внутри мелкие поры, и от отливки к отливке прочность меняется. Для герметичных корпусов поры уменьшают вакуумированием формы и подпрессовкой.
• Коррозионная стойкость — высокая у силуминов без меди: они не корродируют во влажном воздухе, морской воде, слабокислой и щелочной среде, в отличие от дюралюминия. Медь коррозионную стойкость снижает, поэтому отливки из сплавов II группы для работы в агрессивных средах окрашивают или анодируют.
• Обработка резанием — силумин крошится, не давая длинной стружки; твёрдые кристаллы Si быстрее изнашивают инструмент. Медь улучшает обрабатываемость: корпуса с большим объёмом обработки льют из АК5М2 и АК9М2.

Силумин, алюминий, дюраль и латунь

Чистый алюминий мягок и пластичен, льётся плохо и как литейный материал почти не применяется. Силумин прочнее и износостойче алюминия, но уступает дюралям — деформируемым сплавам алюминия с медью, магнием и марганцем, из которых делают листы, профили и поковки. Латунь — сплав меди с цинком — тяжелее силумина втрое, но пластична и надёжна в деталях, которые держат напор воды.

Силумин или латунь в смесителе

Вопрос чаще всего задают о сантехнике. Корпус смесителя постоянно держит напор воды, его нагружают гайки и шланги, а при гидроударе нагрузка на короткое время резко растёт. Латунь при перегрузке деформируется, силумин трескается, и такой корпус уже не ремонтируют. Силуминовые смесители легче и дешевле латунных, их покрывают хромом или краской, и по внешнему виду их легко спутать.

• По весу. Латунь в три раза тяжелее силумина: смеситель того же размера из латуни заметно тяжелее в руке.
• По металлу без покрытия. На резьбе, внутри корпуса или на сколе латунь жёлтая, силумин — светло-серый.
• По маркировке. Производители латунной сантехники указывают марку латуни в паспорте изделия.

Магнит здесь не поможет: ни латунь, ни силумин к нему не притягиваются.

Как отличить силумин от алюминия

По весу и цвету — никак: плотности почти одинаковые, оба металла серебристо-серые. Различает поведение металла: алюминиевая пластина гнётся, силуминовая отливка ломается, и на изломе видно зернистое строение. При сверлении и точении алюминий даёт длинную вьющуюся стружку, силумин крошится мелкой. Точно определить марку можно только химическим анализом — спектральным, на участке входного контроля или в лаборатории.

Сварка, пайка и склеивание силумина

Отремонтировать треснувшую силуминовую деталь труднее, чем стальную. Мешают три вещи: прочная оксидная плёнка на поверхности, которая плавится при температуре выше 2000 °C, тогда как сам сплав — около 600 °C; поры в литом металле, где скапливаются газ и масло; хрупкость, из-за которой от местного нагрева рядом со швом идут новые трещины.

• Сварка. Силумин варят аргонодуговой сваркой неплавящимся вольфрамовым электродом на переменном токе: в полупериод обратной полярности дуга разрушает оксидную плёнку. Присадка — проволока из сплава алюминия с кремнием, например Св-АК5 с 4,5–6 % кремния. Перед сваркой трещину разделывают и засверливают на концах, место сварки обезжиривают и зачищают до металла, крупную отливку подогревают, чтобы уменьшить напряжения. Газовая сварка и сварка покрытыми электродами для силумина дают худший шов.
• Пайка. Обычный оловянно-свинцовый припой с канифолью к силумину не пристаёт. Нужен активный флюс для алюминия, который снимает оксидную плёнку, и припой для алюминиевых сплавов — на основе цинка или алюминия с кремнием. Пайкой заделывают небольшие трещины и герметизируют поры.
• Склеивание и холодная сварка. Эпоксидный клей или холодная сварка — двухкомпонентная паста на эпоксидной основе с металлическим наполнителем — подходят для неответственных деталей без нагрузки и давления: ручки, декоративные элементы, крышки. Поверхность перед этим зачищают и обезжиривают.

Ответственную отливку — корпус насоса или арматуры, кронштейн, деталь с посадочными размерами — после трещины обычно заменяют: шов на силумине по прочности и герметичности уступает целой отливке.

Где применяют силумин

• Автомобили и мототехника — блоки и головки цилиндров, картеры, поршни, корпуса коробок передач, колёсные диски.
• Авиация — корпуса агрегатов и приборов, кронштейны.
• Электротехника и приборостроение — корпуса электродвигателей, генераторов, электронных блоков, светильников, радиаторы охлаждения.
• Насосы и арматура — корпуса насосов, помп, задвижек, крышки.
• Бытовая техника и сантехника — корпуса мясорубок, теплообменники, смесители и запорная арматура дешёвого сегмента.
• Прочее — скульптура и художественное литьё, корпуса пневматических реплик оружия, фурнитура.

Общее у этих деталей — сложная конструкция с рёбрами, каналами и тонкими стенками, умеренная нагрузка без ударов и требование малой массы. Там, где деталь испытывает удар, высокую нагрузку или напор жидкости, материал выбирают другой: сталь, чугун, латунь, деформируемые алюминиевые сплавы.

Литьё силумина

Силумины льют всеми способами, и ГОСТ 1583-93 для каждой марки указывает, какими: в песчаные формы, в кокиль — многоразовую металлическую форму, по выплавляемым моделям, под давлением, с кристаллизацией под давлением. Способ выбирают по размеру серии, сложности детали и требованиям к точности.

• Литьё под давлением — поршень машины впрыскивает расплав в стальную пресс-форму за сотые доли секунды. Получаются тонкие стенки, точные размеры и чистая поверхность, но пресс-форма дорогая и окупается на серии в тысячи отливок. Основные марки — АК12, АК12М2, АК9М2, АК5М2.
• Кокиль — металлическая форма с заливкой самотёком. Подходит для средних серий и для марок, которые упрочняют термообработкой.
• Песчаные формы и газифицируемые модели — для крупных отливок, новых изделий и небольших партий, где пресс-форма не окупится.

В технопарке ЗЭМ в Челябинске силумины льют двумя способами. Литьё алюминия под давлением — сплавы АК12, АК9, АК5М2, АК8М, отливки по 5–6 классу точности массой до 4,5 кг и размером до 500 × 500 × 200 мм, с вакуумированием пресс-форм против пористости. Литьё по газифицируемым моделям — АК12 и АК7, отливки до 500 × 500 × 500 мм и 30 кг, для новых изделий и небольших партий. Механическая обработка и покрытия отливок — на той же площадке. Все способы и материалы участка — на странице литейного производства.

В заявке укажите марку сплава из чертежа, массу и габариты отливки, годовую потребность и требования к герметичности и поверхности. Если марка не задана, технолог предложит сплав по условиям работы детали и способу литья.