Сплав АЛ21

Сплав АЛ21 — алюминиевый литейный сплав системы Al–Cu–Ni–Mg, относящийся к группе жаропрочных литейных алюминиевых материалов. Основными легирующими элементами являются медь (4,6–6 %), никель (2,6–3,6 %) и магний (0,8–1,3 %), которые формируют стабильные интерметаллидные фазы, обеспечивающие повышенную прочность при нагреве. Сплав предназначен для изготовления фасонных отливок, работающих при температурах до 300–350 °C в условиях длительного нагрева. АЛ21 хорошо обрабатывается резанием, что позволяет получать детали с высокой точностью размеров.

Сплав АЛ21 был определён в ГОСТ 2685-75 «Сплавы алюминиевые литейные. Марки». В действующем ГОСТ 1583-93 данная марка не представлена: при переходе на новую систему обозначений АЛ21 не был включён в обновлённый стандарт. Тем не менее сплав продолжает применяться в промышленности, а его выпуск может осуществляться по техническим условиям предприятий-изготовителей.

Расшифровка и классификация сплава АЛ21

Обозначение «АЛ» в марке означает «алюминиевый литейный», цифра 21 — порядковый номер сплава в классификации. По системе легирования АЛ21 относится к V группе алюминиевых литейных сплавов (Al — прочие компоненты). В эту же группу входят сплавы АЛ1, АЛ10В, АЛ11, АЛ24, АЛ25 и АЛ30.

По назначению АЛ21 классифицируется как жаропрочный литейный сплав. Жаропрочность обеспечивается присутствием никеля и меди, которые совместно с алюминием образуют нерастворимые при рабочих температурах интерметаллиды. Именно эти фазы препятствуют разупрочнению при длительном нагреве.

Химический состав сплава АЛ21 по ГОСТ 2685-75

Ниже приведён массовый состав сплава АЛ21 согласно ГОСТ 2685-75. Алюминий является основой сплава.

Элемент	Массовая доля, %
Al (алюминий)	87,35–91,75 (основа)
Cu (медь)	4,6–6,0
Ni (никель)	2,6–3,6
Mg (магний)	0,8–1,3
Mn (марганец)	0,15–0,25
Cr (хром)	0,1–0,2
Fe (железо)	до 0,6
Si (кремний)	до 0,5
Zn (цинк)	до 0,3
Примеси (суммарно)	до 1,3

Роль легирующих элементов

Медь (Cu) — основной упрочняющий элемент. Образует с алюминием интерметаллид Al₂Cu (θ-фаза), который при термической обработке обеспечивает дисперсионное упрочнение. Содержание меди 4,6–6 % обеспечивает высокую прочность при комнатной и повышенных температурах.

Никель (Ni) — вводится для повышения жаропрочности. Никель с алюминием и медью формирует сложные интерметаллиды, стабильные при повышенных температурах. Эти фазы тормозят диффузионные процессы и препятствуют разупрочнению сплава при длительном нагреве.

Магний (Mg) — дополнительный упрочнитель. Совместно с медью и кремнием образует фазы типа Mg₂Si и Al₂CuMg (S-фаза), повышающие прочность и твёрдость. Содержание магния ограничено уровнем 0,8–1,3 % для сохранения приемлемых литейных свойств.

Хром (Cr) и марганец (Mn) — вводятся в малых количествах для измельчения зерна и повышения стабильности структуры при нагреве.

Железо (Fe) и кремний (Si) — присутствуют как примеси. Их содержание контролируется, так как избыточное железо может образовывать грубые интерметаллиды, снижающие пластичность отливок.

Механические свойства сплава АЛ21 при комнатной температуре

Механические характеристики АЛ21 зависят от способа литья и режима термической обработки. В таблице приведены справочные данные при температуре 20 °C.

Параметр	Значение (без указания способа литья)	Литьё в песчаную форму
Предел кратковременной прочности (σв), МПа	180–210	220
Предел текучести (σ0,2), МПа	—	200
Относительное удлинение (δ5), %	1,0	1,5
Твёрдость по Бринеллю (HB 10-1), МПа	65–75	65–75

Сплав АЛ21 отличается невысокой пластичностью (δ₅ ≤ 1,5 %). Это характерно для жаропрочных алюминиевых сплавов с высоким содержанием меди и никеля: интерметаллидные фазы, обеспечивающие прочность при нагреве, одновременно ограничивают деформируемость при комнатной температуре.

Физические свойства сплава АЛ21

Параметр	Значение
Плотность при 20 °C	2830 кг/м³
Коэффициент теплопроводности при 20 °C	117,6 Вт/(м·°C)
Коэффициент линейного теплового расширения (20–100 °C)	22,9 × 10⁻⁶ 1/°C
Линейная усадка при литье	1,3 %

Теплопроводность сплава АЛ21 составляет 117,6 Вт/(м·°C), что ниже, чем у чистого алюминия (около 237 Вт/(м·°C)), но характерно для высоколегированных литейных сплавов. Повышенное содержание меди и никеля снижает теплопроводность по сравнению с малолегированными алюминиевыми сплавами.

Коэффициент линейного расширения 22,9 × 10⁻⁶ 1/°C необходимо учитывать при проектировании деталей, работающих в условиях циклического нагрева, для расчёта тепловых зазоров в сопряжениях.

Литейные свойства АЛ21

Линейная усадка сплава при затвердевании составляет около 1,3 %. Для сравнения: у наиболее распространённых силуминов (система Al–Si) усадка составляет 0,9–1,0 %, что делает их более технологичными при литье. Повышенная усадка АЛ21 объясняется отсутствием кремния как основного легирующего элемента — именно кремний в силуминах обеспечивает малую усадку и хорошую жидкотекучесть.

Литейные свойства АЛ21 оцениваются как удовлетворительные. Сплав пригоден для литья в песчаные формы, а также может использоваться при литье в кокиль. При проектировании литниково-питающих систем следует учитывать склонность сплава к образованию усадочных раковин, что требует применения прибылей достаточного объёма.

Термическая обработка отливок из АЛ21

Для отливок из сплава АЛ21 применяют следующие виды термической обработки.

Отжиг (режим Т2)

Отжиг из литого состояния выполняется при температуре 300 °C с выдержкой 5–10 часов. Охлаждение — на воздухе. Этот режим применяется для снятия литейных напряжений и остаточных напряжений, возникающих при механической обработке. Отжиг несколько повышает пластичность отливок.

Закалка и стабилизирующий отпуск (режим Т7)

Режим Т7 включает два этапа. На первом этапе выполняется закалка: ступенчатый нагрев до температуры около 500–525 °C с последующим охлаждением в воде или на воздухе. Целью закалки является максимальное растворение упрочняющих фаз в твёрдом растворе на основе алюминия. На втором этапе проводится стабилизирующий отпуск, обеспечивающий стабильность размеров и структуры при последующей эксплуатации при повышенных температурах.

Режим Т7 используется для деталей, от которых требуется сочетание достаточной прочности и стабильности геометрических размеров при длительной работе в условиях нагрева.

Коррозионная стойкость сплава АЛ21

Коррозионная стойкость сплава АЛ21 оценивается как пониженная. Это обусловлено высоким содержанием меди (4,6–6 %), которая резко снижает электрохимическую однородность алюминиевого сплава. Медьсодержащие интерметаллиды (прежде всего θ-фаза Al₂Cu) выступают катодами по отношению к алюминиевой матрице, что создаёт условия для развития межкристаллитной и питтинговой коррозии во влажной среде.

При эксплуатации деталей из АЛ21 в агрессивных или влажных средах рекомендуется применение защитных покрытий: анодирование, лакокрасочные покрытия или защитные составы на основе хроматов. Если коррозионная стойкость является определяющим фактором выбора материала, следует рассмотреть сплавы системы Al–Mg (например, АМг10, АЛ27), обладающие существенно лучшей стойкостью к коррозии.

Обрабатываемость резанием

Сплав АЛ21 хорошо обрабатывается резанием, что отмечается в технической литературе для жаропрочных литейных алюминиевых сплавов этой группы (АЛ1, АЛ21, АЛ33). Высокое содержание меди и наличие интерметаллидных фаз способствуют образованию сыпучей стружки при токарной, фрезерной и сверлильной обработке, что упрощает механическую обработку отливок и позволяет достигать высокой чистоты поверхности.

Данное свойство делает АЛ21 подходящим материалом для изготовления деталей с жёсткими допусками на размеры, где требуется финишная механическая обработка после литья.

Применение сплава АЛ21 в промышленности

Основная область применения — изготовление крупногабаритных фасонных отливок, работающих при длительном воздействии температур 300–350 °C. Типичные примеры деталей из АЛ21 в моторостроении:

• поршни двигателей внутреннего сгорания;
• головки блоков цилиндров;
• корпусные детали агрегатов, подвергающиеся длительному нагреву.

Сплав АЛ21 применяется в тех случаях, когда от литой детали одновременно требуется жаропрочность, достаточная механическая прочность и возможность точной механической обработки. В этом отношении он близок по назначению к сплаву АЛ19 (АМ5), хотя отличается от него по химическому составу и легирующей системе.

Близкие по назначению алюминиевые литейные сплавы

Среди жаропрочных литейных алюминиевых сплавов, входящих в одну группу с АЛ21, можно выделить следующие марки:

• АЛ1 — система Al–Cu–Ni–Mg, один из старейших жаропрочных литейных сплавов. Содержит 3,75–4,5 % Cu, 1,75–2,25 % Ni. По жаропрочности близок к АЛ21.
• АЛ19 (АМ5) — система Al–Cu–Mn, высокопрочный жаропрочный сплав. Содержит 4,5–5,3 % Cu. Применяется для нагруженных деталей, работающих при повышенных температурах.
• АЛ25 (АК12М2МгН) — система Al–Si–Cu–Mg–Ni, широко применяемый для изготовления поршней тракторных двигателей. По уровню жаропрочности сопоставим с АЛ21.
• АЛ33 (ВАЛ1) — высокожаропрочный литейный сплав, применяемый при температурах до 350 °C и выше.

Выбор конкретной марки определяется конструктивными требованиями к детали, условиями эксплуатации, способом литья и необходимым балансом прочности, пластичности, жаропрочности и стоимости.

Формы поставки сплава АЛ21

Как и другие алюминиевые литейные сплавы, АЛ21 поставляется в виде металлошихты для литейного производства. Основные формы поставки:

• чушки (слитки) стандартной массы — для плавки и последующего литья в песчаные формы, кокили и оболочковые формы;
• крупногабаритные чушки — для предприятий с большим объёмом потребления;
• готовые фасонные отливки — по чертежам заказчика.

Каждая партия сопровождается документом о качестве, включающим марку сплава, номер плавки, результаты химического анализа и массу партии.

Нормативная документация на сплав АЛ21

Химический состав сплава АЛ21 был регламентирован ГОСТ 2685-75 «Сплавы алюминиевые литейные. Марки». Этот стандарт действовал до введения ГОСТ 1583-93, в который сплав АЛ21 не был включён. В настоящее время выпуск и контроль качества сплава осуществляются по техническим условиям предприятий-изготовителей с обязательным подтверждением химического состава и механических свойств.

При заказе материала рекомендуется согласовывать требования к химическому составу и механическим свойствам непосредственно с поставщиком, ссылаясь на данные ГОСТ 2685-75 как на базовый нормативный документ.