Заэвтектические силумины AlSi18–AlSi50

Что такое заэвтектический силумин

В двойной системе Al–Si эвтектическая точка расположена при содержании кремния около 12,6 % (масс.) и температуре 577 °C. Сплавы с содержанием кремния выше этого порога называют заэвтектическими (гиперэвтектическими). В англоязычной литературе закрепился термин hypereutectic Al‑Si alloy, в русскоязычной практике используют обозначения «заэвтектический силумин», «гиперсилумин» или «силумин высококремнистый».

При кристаллизации таких сплавов первыми из расплава выделяются крупные первичные кристаллы кремния, а затем остаточная жидкость затвердевает в виде эвтектики (α‑Al + Si). Именно первичный кремний — твёрдая фаза с микротвёрдостью около 10 ГПа — определяет ключевые свойства заэвтектических силуминов: пониженный коэффициент линейного термического расширения (КЛТР), высокую износостойкость и повышенную жёсткость. Вместе с тем грубые пластинчатые и звездчатые кристаллы первичного Si резко снижают пластичность и обрабатываемость, поэтому модифицирование структуры является обязательным технологическим этапом.

В промышленности заэвтектические силумины разделяют на две группы. Первая — сплавы с содержанием кремния 17–25 %, легированные медью, никелем и магнием; их применяют главным образом для поршней двигателей внутреннего сгорания, цилиндровых гильз и блоков. Вторая группа — сплавы с содержанием кремния 30–50 %, предназначенные для электронной теплоотводящей упаковки и оптических несущих конструкций, где требуется согласование КЛТР с полупроводниковыми и керамическими материалами.

Химический состав заэвтектических силуминов

Ниже приведены составы наиболее распространённых марок — российских и зарубежных. Помимо кремния в состав вводят медь (повышение прочности и жаропрочности), никель (стабильность структуры при рабочих температурах), магний (дисперсионное упрочнение через фазу Mg₂Si), хром и марганец (подавление роста железосодержащих фаз и улучшение жаропрочности).

Российские марки: АК18 и АК21М2,5Н2,5

Сплав АК18 регламентирован ГОСТ 30620‑98 и предназначен для производства поршней. Алюминий с высоким содержанием кремния (17–19 %) дополнительно легирован медью, никелем и магнием в равных пропорциях (по 0,8–1,3/1,5 %). Этот поршневой сплав алюминиевый АК18 поставляется в виде чушек из первичных металлов.

Сплав АК21М2,5Н2,5 (старое обозначение ВКЖЛС‑2) регламентирован ГОСТ 1583‑93. Содержание кремния повышено до 20–22 %, а легирование медью (2,2–3,0 %) и никелем (2,2–2,8 %) значительно усилено по сравнению с АК18. Дополнительно введены хром (0,2–0,4 %) и марганец (0,2–0,4 %) для повышения жаропрочности. Сплав предназначен для фасонных отливок, в том числе высоконагруженных поршней дизельных двигателей.

Зарубежные марки заэвтектических силуминов

В британском стандарте BS 1490 заэвтектические поршневые силумины представлены марками LM28 (17–20 % Si) и LM29 (22–25 % Si). Во французской системе NF используются обозначения A‑S18UNG (18 % Si, Cu, Ni, Mg), A‑S22UNK (22 % Si, Cu, Ni) и A‑S25UNG (25 % Si, Cu, Ni, Mg). В немецкой традиции DIN применяется описательная формула состава: AlSi20Cu2NiMgMn, AlSi20CuNi, AlSi21CuNi, AlSi23CuMgNi, AlSi25CuMgNiCr.

Отдельную категорию составляют двойные лигатуры (мастер-сплавы) алюминий–кремний, выпускаемые по EN 575 / EN 576: AlSi20(A), AlSi20(B), AlSi30, AlSi50(A) и AlSi50(B). Буквы «A» и «B» обозначают уровень допустимых примесей. Эти лигатуры используют для введения кремния в расплав при приготовлении литейных и деформируемых сплавов, а также как самостоятельные конструкционные материалы для электронной упаковки (особенно AlSi30 и AlSi50).

Таблица составов заэвтектических силуминов

Марка / обозначение	Si, %	Cu, %	Ni, %	Mg, %	Прочие	Стандарт
АК18	17–19	0,8–1,5	0,8–1,3	0,8–1,3	Mn ≤0,2; Ti ≤0,2; Fe ≤0,5	ГОСТ 30620‑98
АК21М2,5Н2,5 (ВКЖЛС‑2)	20–22	2,2–3,0	2,2–2,8	0,2–0,5	Mn 0,2–0,4; Cr 0,2–0,4; Ti 0,1–0,3; Fe ≤0,9	ГОСТ 1583‑93
LM28 (Al‑Si18Cu1,5Mg1Ni1)	17–20	1,3–1,8	0,8–1,3	0,8–1,5	Mn ≤0,6; Fe ≤0,7	BS 1490
LM29 (Al‑Si23Cu1Mg1Ni1)	22–25	0,8–1,3	0,8–1,3	0,8–1,3	Mn ≤0,6; Fe ≤0,7	BS 1490
AlSi20(A) / AlSi20(B)	20 (ном.)	—	—	—	Двойная лигатура Al–Si	EN 575 (AM‑91400)
AlSi30	30 (ном.)	—	—	—	Двойная лигатура Al–Si	EN 575
AlSi50(A) / AlSi50(B)	50 (ном.)	—	—	—	Двойная лигатура Al–Si	EN 575 (AM‑91402)
A‑S18UNG	≈18	+	+	+	Аналог LM28	NF (Франция)
A‑S22UNK	≈22	+	+	—	Поршневой сплав	NF (Франция)
A‑S25UNG	≈25	+	+	+	Аналог LM29	NF (Франция)

Примечание: «+» — элемент присутствует в составе; «—» — отсутствует или ≤0,1 %. Для двойных лигатур указано номинальное содержание кремния, остальное — алюминий с контролируемыми примесями.

Физические и механические свойства

Главное отличие заэвтектического силумина от доэвтектического — существенно сниженный КЛТР. Чистый алюминий расширяется при нагреве со скоростью около 23,6·10⁻⁶ °C⁻¹, тогда как кремний имеет КЛТР лишь порядка 2,6·10⁻⁶ °C⁻¹. По мере увеличения доли кремния в сплаве суммарный коэффициент расширения закономерно снижается. Это критически важно для поршней: меньшее тепловое расширение позволяет уменьшить зазор между поршнем и стенкой цилиндра, что снижает прорыв картерных газов и расход масла.

Плотность заэвтектических силуминов несколько ниже, чем у чистого алюминия (2,70 г/см³), поскольку кремний легче (2,33 г/см³). Модуль упругости, напротив, растёт с увеличением содержания кремния — от ~70 ГПа для чистого алюминия до 90–110 ГПа при 30–50 % Si.

КЛТР и плотность в зависимости от содержания кремния

Параметр	AlSi12 (эвтектика)	AlSi18–20	AlSi25	AlSi30	AlSi50
КЛТР (20–200 °C), 10−6 °C−1	≈20	17–18	15–16	13–15	9–12
Плотность, г/см³	2,65	2,63–2,65	2,60–2,62	2,57–2,60	2,48–2,53
Модуль упругости (E), ГПа	≈75	80–85	85–90	90–100	100–110

Значения КЛТР зависят от технологии изготовления (литьё, порошковая металлургия, быстрая кристаллизация), а также от наличия легирующих элементов. Указанные диапазоны соответствуют типичным промышленным полуфабрикатам.

Твёрдость и износостойкость заэвтектических силуминов в сравнении с доэвтектическими

Износостойкий алюминиевый сплав заэвтектического типа значительно превосходит доэвтектические аналоги по твёрдости и сопротивлению абразивному износу. Первичные кристаллы кремния, равномерно распределённые в мягкой матрице α‑Al, действуют как несущие элементы, воспринимающие контактную нагрузку и защищающие матрицу от истирания. По литературным данным, износостойкость сплавов с 20–25 % Si в 5–10 раз выше, чем у обычных конструкционных алюминиевых сплавов, и сопоставима с поверхностно-упрочнённой сталью.

Характеристика	АК9 (Al‑9Si, доэвт.)	АК12 (Al‑12Si, эвтект.)	АК18 (Al‑18Si, заэвт.)	АК21М2,5Н2,5 (Al‑21Si)
Твёрдость, HB (литое состояние)	60–75	55–70	90–110	100–130
σв, МПа (литое состояние)	150–180	130–160	130–160	160–200
Относительное удлинение δ, %	1,5–3,0	2,0–4,0	0,3–1,0	0,2–0,5
Относительная износостойкость	1,0 (базовая)	1,2–1,5	3–5	5–8

Данные указаны для отливок в кокиль без термообработки. После термообработки Т6 (закалка + старение) прочность сплавов, легированных Cu и Mg, возрастает на 15–30 %. Относительная износостойкость приведена ориентировочно в сравнении с АК9 в условиях сухого трения скольжения.

Модифицирование первичного кремния

В литом состоянии без модифицирования первичные кристаллы кремния в заэвтектическом силумине достигают размеров 50–200 мкм и имеют грубую пластинчатую, звездчатую или октаэдрическую морфологию. Острые грани и углы таких кристаллов являются концентраторами напряжений и резко снижают пластичность, ударную вязкость и обрабатываемость. Поэтому модифицирование — обязательный этап производства изделий из заэвтектических силуминов.

Классический модификатор первичного кремния — фосфор, вводимый в расплав в виде лигатуры Cu‑P (медь–фосфор) или солей фосфора. Фосфор образует дисперсные частицы фосфида алюминия (AlP), кристаллическая решётка которого близка к решётке кремния, и эти частицы служат центрами гетерогенного зародышеобразования. Размер первичных кристаллов Si при правильном модифицировании снижается до 15–40 мкм, а их форма становится более компактной (округлой).

Помимо фосфора исследуются модификаторы нового поколения: наночастицы карбида кремния (SiC), наноалмазы, а также бор (через лигатуру Al‑3B). По данным научных исследований, модифицирование бором при температуре расплава 850 °C позволяет повысить предел прочности сплава Al‑18Si на 25 % и относительное удлинение на 80 % по сравнению с немодифицированным состоянием.

Для эвтектического кремния (в отличие от первичного) применяют другие модификаторы — натрий или стронций. Однако одновременное использование фосфора и стронция/натрия требует тщательного контроля, поскольку эти элементы взаимно нейтрализуют друг друга: фосфор отравляет модификатор эвтектики, а натрий подавляет действие фосфора на первичный кремний.

Особенности получения полуфабрикатов и обработки

Литьё заэвтектических силуминов

Заэвтектические силумины обладают хорошей жидкотекучестью (максимум при 14–18 % Si при перегреве) и малой склонностью к горячим трещинам. Основной промышленный метод — литьё в кокиль (постоянные металлические формы) с принудительным модифицированием расплава фосфором. Для ответственных деталей (поршни высокофорсированных двигателей) применяют литьё под давлением и литьё с кристаллизацией под давлением (жидкая штамповка), которое позволяет минимизировать пористость и получить более плотную структуру.

Температура ликвидуса заэвтектических силуминов растёт с увеличением содержания кремния: для АК18 (17–19 % Si) она составляет порядка 640–660 °C, для сплавов с 25 % Si — около 700–750 °C, а для AlSi50 — превышает 900 °C. Температура солидуса (эвтектическая) остаётся вблизи 577 °C для всех сплавов системы.

Обработка давлением: прокатка и экструзия

Традиционное литьё не позволяет получить тонкодисперсную структуру, необходимую для высоких механических свойств в сплавах с содержанием кремния выше 20 %. Поэтому для AlSi25–AlSi50 применяют технологии быстрой кристаллизации (распылительная кристаллизация, спиннингование расплава) с последующей консолидацией порошка горячей экструзией или горячим изостатическим прессованием (ГИП).

При быстрой кристаллизации скорость охлаждения составляет 10⁴–10⁶ °C/с, что подавляет рост первичного кремния и формирует микроструктуру с размером Si‑частиц 1–5 мкм. Порошковые заготовки затем экструдируют при 400–500 °C с высокой степенью деформации. Получаемый прокат (прутки, полосы, листы) имеет плотность, близкую к теоретической (≥99,5 %), и значительно превосходит литые аналоги по прочности и пластичности.

Для сплава AlSi20 быстрая кристаллизация с последующей экструзией обеспечивает почти двукратное повышение предела текучести по сравнению с литым и экструдированным состоянием обычной кристаллизации. Прокатка заэвтектических силуминов возможна, но требует повышенных температур (350–450 °C) и тщательного подбора режимов обжатия, поскольку твёрдые частицы кремния склонны к растрескиванию при деформации.

Механическая обработка заэвтектических силуминов

Обрабатываемость резанием — одна из главных технологических проблем алюминия с высоким содержанием кремния. Твёрдые частицы первичного Si вызывают интенсивный абразивный износ инструмента. При точении обычными твердосплавными резцами скорость резания ограничена примерно 100 м/мин. Для производительной обработки необходим инструмент с режущими элементами из поликристаллического алмаза (PCD) или монокристаллического алмаза, что позволяет увеличить скорость резания до 1000 м/мин и более при фрезеровании.

Модифицирование расплава фосфором и измельчение первичного кремния частично улучшают обрабатываемость: мелкие округлые частицы Si вызывают менее интенсивный износ, чем крупные пластинчатые. Электроэрозионная обработка (проволочная WEDM) применяется для заэвтектических силуминов там, где традиционное резание невозможно или экономически нецелесообразно.

Области применения заэвтектических силуминов

Поршни двигателей внутреннего сгорания

Основная область применения заэвтектических силуминов — поршни бензиновых и дизельных ДВС. Пониженный КЛТР позволяет уменьшить рабочий зазор между поршнем и цилиндром, что снижает прорыв газов, шум при холодном пуске (piston slap) и выброс несгоревших углеводородов. Именно экологические нормы стали основным стимулом массового перехода на заэвтектические поршни в серийном автомобилестроении с конца 1980‑х годов.

Для серийных двигателей используют сплавы с 17–19 % Si (типа АК18, LM28, A‑S18UNG), обеспечивающие оптимальный баланс между низким расширением, достаточной прочностью и приемлемой обрабатываемостью. Для высокофорсированных дизельных двигателей применяют сплавы с 20–25 % Si (АК21М2,5Н2,5, АК21М2,5Н2,5К, LM29, AlSi25CuMgNiCr), в которых повышенное содержание Cu и Ni обеспечивает жаропрочность при рабочих температурах днища поршня до 350–400 °C.

Электронная теплоотводящая упаковка

Сплавы AlSi30–AlSi50, полученные порошковыми методами, применяются как материалы теплоотводящих оснований (heat sinks) и корпусов микроэлектронных модулей. Их КЛТР (9–15·10⁻⁶ °C⁻¹) близок к КЛТР кремниевых кристаллов (~2,6·10⁻⁶ °C⁻¹), керамики Al₂O₃ (~7·10⁻⁶ °C⁻¹) и меди (~17·10⁻⁶ °C⁻¹), что минимизирует термомеханические напряжения на границах раздела при термоциклировании. Теплопроводность таких сплавов составляет 100–130 Вт/(м·К), что существенно выше, чем у керамики, при значительно меньшей массе по сравнению с медью.

Цилиндровые гильзы и блоки двигателей

Заэвтектические силумины с 16–18 % Si используют для изготовления моноблочных блоков цилиндров без вставных чугунных гильз. После литья рабочую поверхность цилиндра подвергают химическому травлению, которое удаляет тонкий слой алюминиевой матрицы и обнажает выступающие кристаллы кремния. Эти кристаллы формируют износостойкую опорную поверхность, а углублённая матрица между ними удерживает масло, создавая условия для надёжной гидродинамической смазки.

Износостойкие детали общего назначения

Износостойкий алюминиевый сплав заэвтектического типа применяют также для шкивов, компрессорных роторов, тормозных дисков лёгкого транспорта, подшипников скольжения и других деталей, работающих в условиях абразивного или адгезионного износа, где требуется сочетание малой массы и высокой поверхностной твёрдости. Антифрикционный силумин АК12пч является эвтектическим аналогом, используемым при менее жёстких требованиях к износостойкости.

Формы поставки

Заэвтектические силумины поставляются в следующих формах:

Чушки — основная форма для литейных марок АК18 и АК21М2,5Н2,5. Чушки изготавливают из первичных металлов в соответствии с ГОСТ 30620‑98 и ГОСТ 1583‑93. Маркировка наносится несмываемой краской на торец (три чёрные полосы для АК21М2,5Н2,5).

Лигатурные чушки и гранулы — двойные лигатуры AlSi20, AlSi25, AlSi30, AlSi50 для введения кремния в расплав при приготовлении литейных сплавов. Поставляются в виде чушек (вафельных) или дроблёных гранул.

Порошок и гранулы для порошковой металлургии — газоатомизированные порошки сплавов AlSi25–AlSi50 с размером частиц 10–100 мкм, используемые для ГИП и экструзии изделий электронной упаковки.

Экструдированные прутки, полосы и трубы — полуфабрикаты из AlSi25–AlSi50, полученные горячей экструзией консолидированного порошка. Поставляются в разрезном состоянии по чертежам заказчика.