Алюминиевые отливки

Алюминиевые отливки — фасонные заготовки или готовые детали, получаемые заливкой расплавленного алюминиевого сплава в разовую или постоянную форму. Главное преимущество алюминия перед сталью и чугуном — плотность около 2,7 г/см³ (примерно втрое ниже стальной) в сочетании с коррозионной стойкостью на воздухе и в ряде жидких сред.

Выбор сплава и метода литья определяет весь комплекс характеристик детали: прочность, герметичность, точность размеров и объём механической доработки. Состав всех стандартных российских литейных алюминиевых сплавов, нормы по примесям и механические свойства отливок регламентированы ГОСТ 1583-93 «Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия».

Литейные алюминиевые сплавы по ГОСТ 1583-93

ГОСТ 1583-93 охватывает более 40 марок, разбитых на несколько систем легирования. В машиностроении наиболее распространены две системы: Al–Si–Mg (силумины) и Al–Si–Cu. В маркировке сплавов буква «К» обозначает кремний, «М» — медь, строчная «г» — магний; «ч» и «пч» — «чистый» и «повышенной чистоты» по примесям. В скобках приводится старое обозначение по ранее действовавшим стандартам (АЛ2, АЛ4, АЛ9 и др.), которое часто встречается в чертежах изделий старого фонда.

Силумины Al–Si–Mg: АК12, АК9ч, АК7ч

Силумины — самая распространённая группа. Кремний повышает жидкотекучесть расплава, снижает литейную усадку и улучшает герметичность отливок. Магний образует упрочняющую фазу Mg₂Si, благодаря чему сплавы поддаются термическому упрочнению.

АК12 (АЛ2) — эвтектический силумин. Состав по ГОСТ 1583-93: Si 10–13 %, Al — основа, нормируемые примеси. Плотность 2,66 г/см³. Линейная усадка при литье — около 0,8 % — наименьшая среди алюминиевых литейных сплавов. Обладает максимальной жидкотекучестью в своей группе, практически не склонен к образованию горячих трещин при затвердевании, даёт плотные герметичные отливки. Термическому упрочнению не поддаётся. Применяется для малонагруженных тонкостенных и ажурных деталей: корпуса приборов, крышки насосов, фланцы, герметичные ёмкости — при рабочей температуре не выше 200 °С. Годится для всех методов литья: ПГФ, кокиль, ЛПД, ЛВМ. По ГОСТ 1583-93 разрешён для изделий пищевого назначения (при Cu ≤ 0,3 % — также для контакта с морской водой).

АК9ч (АЛ4) — основной конструкционный силумин. Состав: Si 8–10,5 %, Mg 0,17–0,30 % (в отливке), Al — основа. Доэвтектический состав обеспечивает более высокие, чем у АК12, механические свойства при несколько более сложной технологии (склонность к газовой пористости требует тщательного рафинирования расплава и, как правило, модифицирования). Термоупрочняем. Механические свойства по ГОСТ 1583-93:

Способ литья	ТО	σв, МПа, не менее	δ, %, не менее	HB, не менее
З, В, К, Д — без ТО	—	147	2,0	50
К, Д, ПД, КМ, ЗМ	Т1	196	1,5	60
К, КМ	Т6	235	3,0	70
З, ЗМ, ВМ	Т6	225	2,0–3,0	70

З — ПГФ; В — ЛВМ и оболочковые формы; К — кокиль; Д — под давлением; ПД — кристаллизация под давлением; М — с модифицированием. Т1 — искусственное старение без закалки; Т6 — закалка + полное искусственное старение.

Применяется для корпусов агрегатов, картеров, головок цилиндров, корпусов насосов. Отличается высокой герметичностью. Для модифицирования структуры ГОСТ допускает введение стронция до 0,08 %.

АК7ч (АЛ9) — силумин повышенной пластичности. Состав: Si 6–8 %, Mg 0,2–0,4 %, Al — основа. Пониженное содержание кремния обеспечивает более высокое относительное удлинение по сравнению с АК9ч (δ до 4 % при кокильном литье с Т6) и лучшую стойкость к вибрационным и знакопеременным нагрузкам. Термоупрочняем (Т1, Т6). Применяется для деталей, работающих в условиях вибрации и циклических нагрузок: картеры, кронштейны, корпуса карбюраторов. Разрешён для изделий пищевого назначения по ГОСТ 1583-93. Модификация АК7пч (АЛ9-1) — повышенной чистоты — применяется для деталей с повышенными антифрикционными требованиями.

Сплавы Al–Si–Cu: АК5М2, АК8М

Добавка меди повышает прочность и жаропрочность, но снижает пластичность и коррозионную стойкость по сравнению с чистыми силуминами. Сплавы этой группы применяются преимущественно в автомобилестроении, машиностроении, для деталей двигателей и трансмиссий.

АК5М2 — Si 4–6 %, Cu 1,5–3,5 %, Al — основа. Один из наиболее массово применяемых сплавов для фасонного литья деталей двигателей и агрегатов. По ГОСТ 1583-93 разрешён для изделий пищевого назначения. Подробнее о характеристиках и поставке — на странице сплав АК5М2.

АК8М (АЛ32) — Si 7–10 %, Cu 1–3 %, Al — основа. По механическим свойствам близок к АК9ч, хорошо работает при литье под давлением. Подробнее — на странице сплав АК8М (АЛ32).

Методы получения алюминиевых отливок

Метод литья выбирается исходя из требований к точности, толщине стенок, объёму выпуска, допустимой пористости и необходимости последующей термообработки.

Литьё в кокиль

Кокиль — разъёмная металлическая форма, рассчитанная на несколько тысяч заливок. Перед заливкой кокиль покрывают огнеупорным составом и прогревают до 250–300 °С. Ускоренный теплоотвод дробит зерно структуры и снижает газовую пористость: по пределу прочности кокильные отливки превосходят ПГФ-отливки примерно на 20–25 %. Структура силуминов в кокиле по дисперсности близка к модифицированной.

Технические параметры для алюминиевых сплавов:

• Минимальная толщина стенки — 3 мм (типовой диапазон 3–7 мм)
• Масса отливок — от 20 г до 250 кг
• Точность — 5–9-й класс по ГОСТ Р 53464-2009
• Шероховатость — Ra 4–20 мкм

Оптимален для серийного и крупносерийного производства: картеры двигателей, корпуса редукторов, головки блока цилиндров, ребристые корпуса электродвигателей.

Литьё под давлением (ЛПД)

Расплав запрессовывается в стальную пресс-форму под давлением 30–100 МПа при скорости впускного потока до 100 м/с. Это обеспечивает заполнение тонких полостей и высокое качество поверхности, которая практически не требует механической обработки. Масса отливок — до 200 кг, точность — 3–5-й класс.

Принципиальное ограничение ЛПД: при заполнении формы расплав захватывает газ из полости пресс-формы, образуя мелко рассеянную газовую пористость. Нагрев такой отливки выше ~200 °С (в частности, при закалке Т6) вызывает вспучивание поверхности. По этой причине ЛПД применяется со сплавами, не требующими высокотемпературного упрочнения, либо с вакуумным ЛПД, снижающим пористость до допустимого уровня.

Литьё под низким давлением (ЛНД)

Расплав подаётся в форму снизу давлением нейтрального газа 0,04–0,07 МПа. Ламинарное заполнение снизу вверх минимизирует газонасыщение металла и уменьшает пористость по сравнению с обычным ЛПД. Отливки пригодны для последующей термообработки Т6. Применяется для производства колёсных дисков, корпусных деталей сложной конфигурации с повышенными требованиями к прочности.

Литьё в песчано-глинистые формы (ПГФ)

Старейший и по-прежнему широко применяемый метод. Форма разовая, изготавливается из формовочной смеси, что снимает практически все ограничения по массе и конфигурации отливки. Используется как для единичных крупногабаритных отливок (сотни килограммов), так и в мелкосерийном производстве. Точность — 8–14-й класс; припуски на механическую обработку больше, чем у кокиля; зерно металла крупнее, механические свойства ниже при прочих равных. При литье силуминов в ПГФ обязательно модифицирование расплава для измельчения эвтектики Al–Si.

Литьё по выплавляемым моделям (ЛВМ)

Восковая или пластиковая модель обволакивается керамической оболочкой; после выплавления модели в полученную форму заливают расплав (в ряде случаев — под вакуумом). Позволяет получать сложные тонкостенные детали точностью 3–5-го класса практически без механической обработки. Применяется для ответственных деталей с мелкосерийным выпуском. Стоимость оснастки и цикл производства выше, чем у кокиля и ЛПД.

Рафинирование и дегазация расплава

Алюминиевые расплавы активно поглощают водород из влаги атмосферы и шихты: при затвердевании растворимость водорода резко падает, и выделяющийся газ образует поры. Параллельно при перемешивании в расплав втягиваются оксидные плёнки. Оба фактора снижают механические свойства и герметичность отливок.

Стандартный комплекс мер перед заливкой:

• Рафинирование флюсами — хлоридно-фторидные флюсы связывают оксиды алюминия и переводят их в шлак. Состав флюса подбирается под конкретную марку сплава.
• Продувка инертным газом (азот или аргон) — пузырьки переносят растворённый водород на поверхность, откуда он удаляется со шлаком.
• Фильтрация через пенокерамические фильтры — задерживает механические включения и мелкодисперсные оксиды непосредственно перед заливкой.
• Модифицирование — введение стронция (до 0,08 % по ГОСТ 1583-93) или натрия в доэвтектические силумины АК9ч, АК7ч измельчает иглообразную эвтектику Al–Si до округлой, повышая пластичность и прочность без изменения химического состава по основным компонентам.

Термическая обработка алюминиевых отливок

Для сплавов, содержащих магний или медь, ГОСТ 1583-93 регламентирует несколько видов термообработки:

• Т1 — искусственное старение без предварительной закалки. Снижает остаточные напряжения, умеренно повышает прочность. Для АК9ч при кокильном литье даёт σв ≥ 196 МПа.
• Т2 — отжиг. Применяется для снятия литейных напряжений в сложных тонкостенных деталях, склонных к короблению.
• Т6 — закалка + полное искусственное старение. Максимальное упрочнение. Для АК9ч при кокильном литье с модифицированием даёт σв ≥ 235 МПа. Режим по ГОСТ 1583-93: нагрев под закалку 535±5 °С, выдержка 2–6 ч, охлаждение в воде 20–100 °С; старение при 175±5 °С, 10–15 ч. Для крупных и сложных отливок рекомендуется закалка в воду 80–100 °С для снижения внутренних напряжений.
• Т7 — закалка + неполное искусственное старение. Компромисс между прочностью и пластичностью; остаточные напряжения меньше, чем после Т6.

Сплав АК12 термическому упрочнению не поддаётся. Отливки, полученные методом обычного ЛПД, как правило, не подвергают высокотемпературной закалке (см. ограничения ЛПД выше).

Формы поставки литейных алюминиевых сплавов

По ГОСТ 1583-93 литейные сплавы поставляются в виде чушек. Каждая марка имеет установленную цветовую маркировку: АК9ч — коричневый треугольник, АК7ч — жёлтый треугольник, АК12 — белая и зелёная полосы, АК5М2 — чёрная и синяя полосы. Стандартная масса чушки — 13–15 кг. Партия сопровождается сертификатом с результатами химического анализа.

При разработке технологии важно выбирать степень чистоты сплава (ч, пч) в соответствии с методом литья: ГОСТ 1583-93 устанавливает для ЛПД и кокиля повышенный допустимый предел по железу по сравнению с ПГФ и ЛВМ. Избыток железа снижает пластичность и ухудшает герметичность — особенно критично для сплавов группы Al–Si–Mg.