2. Специальные алюминиевые сплавы

Ряд деталей из алюминиевых сплавов изготавливают ковкой (например, лопасти винта). Кроме высоких механических свойств, от сплава требуется и хорошая пластичность в горячем состоянии. В таких случаях применяют или дюралюминий обычного состава или другие сплавы, по составу близкие к дюралюминию (АК6, АК8).

Состав этих сплавов приведен в табл. 4.4.

Таблица 4.4.

Состав сплавов АК

Марка сплава	Cu, %	Mn, %	Mg, %	Si, %	Fe, %
АК1	3,8 – 4,8	0,4 – 0,8	0,4 – 0,8	< 0,7	< 0,7
АК6	1,8 – 2,6	0,4 – 0,8	0,4 – 0,8	0,7 – 1,2	< 0,6
АК8	3,9 – 4,8	0,4 – 1,0	0,4 – 1,0	0,6 – 1,2	< 1,0

Несколько худшие свойства этих сплавов, чем у дюралюминия, являются следствием более мелкозернистой структуры дюралюминия в листах, в трубах профилях и тому подобных полуфабрикатах, чем в поковках. При термической обработке поведение этих сплавов почти как у дюралюминия, о чем отмечалось раньше.

Более грубая структура у сплавов АК требует больших выдержек при температурах закалки. Лучшие свойства у этих сплавов получаются обычно после искусственного старения.

Под группой алюминиевых сплавов, называемых силуминами, подразумевают сплавы с большим содержанием кремния.

Силумины — наиболее распространенные литейные алюминиевые сплавы, широко применяемые только в литом виде (например, в авто- и авиастроении). Реже, кроме силуминов, в качестве литейных алюминиевых сплавов применяют сплавы алюминия с медью, магнием и цинком. Силумин нашел широкое применение ввиду высокого сочетания литейных и механических свойств.

Успеху в области применения литейных алюминиевых сплавов способствовал ряд обстоятельств. Техника отливки сделала большой шаг вперед. Сейчас технически осуществима отливка деталей, весьма сложной по конфигурации и большой по размерам. Отливку проводят с большой точностью, часто без припусков на механическую обработку. Плотность литого металла приближается к плотности деформированного, что достигается применением кристаллизации под давлением и рядом других усовершенствований.

Термическая обработка литых деталей из алюминиевых сплавов существенно улучшает механические свойства этих сплавов. Предел прочности и относительное удлинение литейных алюминиевых сплавов после термической обработки (закалка с последующим искусственным старением) увеличиваются в два раза.

Термическая обработка алюминиевых литых сплавов, по сравнению с деформированными, имеет ряд особенностей, что объясняется различием в химическом составе, а также тем, что у литых сплавов структура более грубая и крупнозернистая, чем у деформированных.

Температура нагрева под закалку у литых сплавов обычно несколько выше, чем у деформированных, и выдерживать отливки при этой температуре следует более продолжительно. Это обусловлено необходимостью растворить грубые интерметаллические соединения, расположенные часто по границам зерна, и выровнять концентрацию по всему объему зерна.

Литые сплавы почти не подвержены естественному старению, и максимальную прочность получают после искусственного старения в течение 10—20 ч при 150—180° С.

Состав основных марок литейных сплавов приведен в табл. 4.5.

Таблица 4.5.

Химический состав (%) литейных алюминиевых сплавов

Марка сплава	Основные компоненты				Примеси
	Mg	Si	Mn	Cu	Fe	∑прим
АЛ2	—	10—13	—	—	0,8—1,5	2,2—2,8
АЛ4	0,17—0,30	8,0—10,5	0,25—0,50	—	0,6—1,2	1,1—1,7
АЛ9	0,2—0,4	6,0—8,0	—	—	0,3—1,0	1,0—1,9
АЛЗ	0,2—0,8	4,0—6,0	0,2—0,8	1,5—3,5	1,0—1,5	1,3—1,8
АЛ5	0,35—0,60	4,5—5,5	—	1,0—1,5	0,6—1,5	1,0—1,7
АЛ6	—	4,5—6,0	—	2,0-3,0	1,1—1,4	1,8—2,0
АЛ11	0,1—0,3	6,0—8,0	—	—	0,8—1,2	1,8—2,0
АЛ 7	—	—	—	4—5	<1,0	<2,2
АЛ12	—	—	—	9—11	1,0—1,2	2,8—3,0
АЛ8	9,2—11,5	—	—	—	<0,3	<1,1

Маркировка сплава АЛ: А — означает, что сплав алюминиевый, Л — литейный; цифра — порядковый номер в ГОСТе. АЛ2 — нормальный силумин, сплавы АЛ4 и АЛ9 — силумины с пониженным содержанием кремния и с небольшими добавками магния и марганца, что улучшает их механические свойства.

Сплавы АЛЗ, АЛ5 и АЛ6 — низкокремнистые силумины, дополнительно легированные медью (а также в небольших количествах магнием и марганцем), обладают худшими литейными, но лучшими механическими свойствами, чем нормальный силумин. Сплав АЛ11 — цинковистый силумин; присадка цинка в таком большом количестве улучшает литейные свойства. Этот сплав применяют для изготовления особо сложных отливок.

Остальные сплавы, не содержащие кремния как легирующей добавки, уже не могут быть причислены к силуминам.

Алюминиево-медные сплавы АЛ12 и АЛ7 — существенно различаются. Сплав с 4—5% Сu, по составу близкий к дюралюминию, обладает высокими механическими, но плохими литейными свойствами. Из этого сплава следует изготавливать небольшие отливки, подвергаемые значительным механическим воздействиям. Сплав АЛ12, наоборот, имеет высокие литейные и низкие механические свойства, однако по этим показателям он уступает нормальному силумину и его применение неоправданно (в серии алюминиевых литейных сплавов первым стали применять АЛ12).

Применение литых сплавов для нагруженных деталей целесообразно лишь в том случае, когда сложная форма литой детали дает преимущество в массе по сравнению с простой по форме кованой деталью или когда ковкой не удается получить заданную форму детали; в других случаях более целесообразно применение кованых, механических более прочных сплавов.

Наконец, сплав системы Al — Mg, так называемый магналий, представлен: маркой АЛ8. Сплав имеет высокую механическую прочность, но наименьшую по сравнению с другими алюминиевыми литейными сплавами, хорошей плотностью, высокими антикоррозионными свойствами, но в отношении технологических качеств (литейных свойств) он уступает другим сплавам.

Есть детали, изготавливаемые отливкой или штамповкой из алюминиевых сплавов, которые работают при температурах порядка 200—300°С и даже 350°С (например, поршень, головка цилиндра и т. п.).

Применяемые для этих целей алюминиевые сплавы легируют такими элементами, как медь, магний, никель, железо, титан.

Для получения необходимых свойств эти сплавы подвергают, закалке (перевод избыточных фаз в твердый раствор) и затем искусственному старению (стабилизация структурного состояния).

Чем сложнее состав сплава и состав выделяющихся фаз, тем медленнее происходит разупрочнение сплава при высоких температурах. Поэтому жаропрочные сплавы обычно имеют сложный химический состав и содержат специально вводимые присадки железа и никеля в отличие от остальных алюминиевых сплавов.

Состав деформируемых алюминиевых жаропрочных сплавов, применяемых в авиамоторостроении, приведен в табл. 4.6.

Термическая обработка жаропрочных кованых сплавов (АК2, АК4) заключается в закалке с 510—520°С с последующим искусственным старением в течение 15—20 ч при 100—180°С.

Таблица 4.6.

Состав жаропрочных алюминиевых сплавов, %

Марка сплава	Cu	Mg	Mn	Ni	Fe	Si
АК2	3,5—4,5	0,4—0,7	<0,2	1,8—2,3	0,5—1,0	<0,8
АК4	1,9—2,5	1,4—1,8	<0,2	1,0—1,5	1,1—1,6	<0,8
Примечание: Все сплавы содержат 0,05 – 0,12%Ti

Для поршневых сплавов важно иметь максимальную теплопроводность, минимальные коэффициент трения и плотность.

Литой сплав АЛ2 по сравнению с кованым сплавом АК2 обладает повышенной прочностью при высоких температурах, но пониженной пластичностью, а сплав АК4 превосходит по свойствам оба эти сплава.