Жаропрочные литейные алюминиевые сплавы

Многокомпонентные литейные алюминиевые сплавы системы Al–Si–Cu с никелем

Литейные алюминиевые сплавы системы Al–Si–Cu, дополнительно легированные никелем, магнием и марганцем, занимают отдельную нишу среди литейных алюминиевых сплавов. Их главная задача — обеспечить работоспособность деталей при повышенных температурах (до 250–350 °C) в условиях циклических термических нагрузок. В эту группу входят марки АК12М2МгН (АЛ25), АК12ММгН (АЛ30), АК5М7, АК8М3 и АК8М3ч (ВАЛ8), а также ряд специализированных сплавов — АК9М2, АК10М2Н, АК21М2,5Н2,5 (ВКЖЛС-2) и другие. Все они регламентируются ГОСТ 1583-93 и ГОСТ Р 55375-2012.

Ниже приведены верифицированные данные по химическому составу, свойствам и областям применения основных марок этой группы.

Роль легирующих элементов в многокомпонентных силуминах

Кремний (Si) определяет литейные свойства сплава: жидкотекучесть, склонность к образованию горячих трещин и усадку. При содержании Si 10–13 % сплавы приближаются к эвтектическому составу, что обеспечивает узкий интервал кристаллизации и плотные отливки.

Медь (Cu) повышает прочность после термической обработки за счёт выделения дисперсных фаз Al₂Cu при старении. Однако высокое содержание меди (выше 4–5 %) снижает коррозионную стойкость и пластичность.

Никель (Ni) — ключевой элемент жаропрочных литейных силуминов. Он образует с алюминием стабильные алюминиды (Al₃Ni и более сложные фазы), которые сохраняют прочность при нагреве до 300–350 °C. Именно никель препятствует разупрочнению сплава при длительной работе при повышенных температурах.

Магний (Mg) совместно с кремнием и медью участвует в образовании упрочняющих фаз при термической обработке. Марганец (Mn) связывает железо в компактные интерметаллиды и снижает вредное влияние игольчатых железосодержащих фаз. Титан (Ti) измельчает зерно первичного алюминия.

Сплав АК12М2МгН (АЛ25) — поршневой жаропрочный силумин

Сплав АК12М2МгН (старое обозначение АЛ25) — один из наиболее распространённых жаропрочных литейных алюминиевых сплавов с никелем. Разработан для изготовления поршней дизельных двигателей и фасонных отливок, работающих при циклических нагревах.

Химический состав АК12М2МгН по ГОСТ 1583-93

Si	Cu	Mg	Ni	Mn	Ti	Fe	Cr	Zn
11–13	1,5–3,0	0,8–1,3	0,8–1,3	0,3–0,6	0,05–0,2	≤0,8	≤0,2	≤0,5

Примечание: Al — основа. Содержание Fe указано для литья под давлением. Для чушек содержание Mg — 0,85–1,35 %. Sn ≤ 0,02 %, Pb ≤ 0,1 %.

Механические и физические свойства АК12М2МгН

Параметр	Значение	Условия
Плотность	2720 кг/м³	20 °C
Предел прочности σB	≥186 МПа	Кокиль, режим Т1
Твёрдость HB	≥90	Кокиль, режим Т1

Режим Т1 — искусственное старение при 200–220 °C, выдержка 10–12 часов, без предварительной закалки. Этот режим обеспечивает стабилизацию структуры и размерную точность поршней при рабочих температурах.

Высокое содержание кремния (11–13 %) обеспечивает сплаву АЛ25 низкий коэффициент термического расширения, что критически важно для поршней, работающих в паре со стальными или чугунными цилиндрами. Совместное легирование никелем и магнием формирует жаропрочную структуру, устойчивую к разупрочнению при длительном нагреве.

Способы литья и применение АК12М2МгН

Основной способ литья — в кокиль (К). Сплав применяется для поршней дизельных двигателей и фасонных отливок, работающих при циклическом нагреве. Поставляется в чушках, маркируемых на торце белой и чёрной полосами.

Сплав АК12ММгН (АЛ30)

Сплав АК12ММгН (старое обозначение АЛ30) близок по составу к АЛ25, но имеет пониженное содержание меди (0,5–1,5 %) и, соответственно, несколько отличающееся сочетание свойств. Предназначен для фасонных отливок в кокиль.

Химический состав АК12ММгН по ГОСТ 1583-93

Si	Cu	Mg	Ni	Mn	Ti	Fe	Zn
11–13	0,5–1,5	0,8–1,3	0,8–1,3	0,3–0,6	0,05–0,2	≤0,7	≤0,5

Примечание: Al — основа. Сумма учитываемых примесей при литье под давлением ≤ 1,10 %.

Разница с АЛ25 — в пониженном содержании меди. Это означает меньшее дисперсионное упрочнение при старении, но несколько лучшую коррозионную стойкость. Сплав применяется для деталей, где требуется жаропрочность никелевого типа, но нагрузки ниже, чем у дизельных поршней.

Сплав АК5М7 — высокомедистый литейный силумин

Сплав АК5М7 (старое обозначение АЛ10В) отличается от большинства литейных силуминов аномально высоким содержанием меди — 6–8 %. По ГОСТ 1583-93 этот сплав не рекомендуется к применению в новых конструкциях, однако остаётся востребованным для ремонтных нужд и при производстве отливок по существующей конструкторской документации.

Химический состав АК5М7 по ГОСТ 1583-93

Si	Cu	Mg	Ni	Mn	Fe	Zn
4,5–6,5	6–8	0,2–0,5	≤0,5	≤0,3	≤1,2	≤0,6

Примечание: Al — основа. Сумма примесей — до 2,7 %.

Физические свойства АК5М7

Параметр	Значение
Плотность (20 °C)	2850 кг/м³
КЛТР (20–100 °C)	22 × 10⁻⁶ 1/°C
Температура литья	710 °C
Линейная усадка	1,25 %

Обратите внимание на повышенную плотность (2850 кг/м³) — следствие высокого содержания тяжёлой меди. Это самый «тяжёлый» из рассматриваемых сплавов.

Высокое содержание меди обеспечивает хорошую обрабатываемость резанием и повышенную прочность, но одновременно делает сплав подверженным межкристаллитной коррозии. Сплав применяется для фасонных отливок общего назначения.

Сплав АК8М3 и АК8М3ч (ВАЛ8) — для литья под давлением

Сплавы АК8М3 и его чистый аналог АК8М3ч (ВАЛ8) специально разработаны для литья под давлением силовых и герметичных деталей, работающих при температурах до +250 °C. Это одни из наиболее технологичных сплавов данной группы.

Химический состав АК8М3 по ГОСТ 1583-93

Si	Cu	Mn	Ni	Fe	Mg	Zn
7,5–9,5	2–4	≤0,5	≤0,3	≤1,3	≤0,3	≤0,5

Примечание: Al — основа. Pb + Sn ≤ 0,3 %.

Химический состав АК8М3ч (ВАЛ8) по ГОСТ 1583-93

Si	Cu	Mg	Zn	Ti	Be	B	Fe
7–8,5	2,5–3,5	0,2–0,45	0,5–1,0	0,1–0,25	0,05–0,25	0,005–0,1	≤0,4

Примечание: Al — основа. Zr ≤ 0,15 %, Cd ≤ 0,15 %. Сумма примесей ≤ 0,60 %. Допускается отсутствие бора при обеспечении нормированных механических свойств. При жидкой штамповке Fe ≤ 0,4 %.

Ключевое отличие ВАЛ8 от базового АК8М3 — жёсткий контроль примесей (особенно железа) и обязательное микролегирование бериллием и бором. Бериллий снижает окисляемость расплава и улучшает поверхность отливки, а бор измельчает первичные кристаллы кремния.

Особенности применения АК8М3 и АК8М3ч

Оба сплава предназначены для литья под давлением силовых и герметичных деталей, эксплуатируемых при температурах до +250 °C. Сплав АК8М3ч (ВАЛ8) допускается для всех способов литья: в песчаные формы, по выплавляемым моделям, в кокиль и под давлением. Типичные области — корпусные детали агрегатов, картеры, крышки, элементы пневмо- и гидроаппаратуры.

Сплав АК9М2 — универсальный литейный силумин

Сплав АК9М2 относится к системе Al–Si–Cu с умеренным содержанием меди. Предназначен для литья в кокиль и под давлением.

Химический состав АК9М2 по ГОСТ 1583-93

Si	Cu	Mg	Mn	Ti	Fe	Zn
8–10	1–2	0,2–0,5	0,2–0,5	0,05–0,2	≤1,0	≤0,5

Примечание: Al — основа.

АК9М2 обладает сбалансированным сочетанием прочности и пластичности. Твёрдость — в диапазоне 70–85 НВ в зависимости от способа литья и термообработки. Используется для корпусных деталей, элементов приборов и ненагруженных конструкций.

Сплав АК21М2,5Н2,5 (ВКЖЛС-2) — заэвтектический жаропрочный силумин

Особое место в рассматриваемой группе занимает сплав АК21М2,5Н2,5 (ВКЖЛС-2) — заэвтектический силумин с содержанием кремния около 20–22 %. Это специализированный поршневой алюминиевый сплав с никелем для тяжелонагруженных дизелей и компрессоров.

Высокое содержание кремния обеспечивает минимальный коэффициент термического расширения среди алюминиевых сплавов, а также высокую износостойкость. Никель (2,0–3,0 %) и медь (2,0–3,0 %) формируют жаропрочную матрицу, сохраняющую прочность при температурах выше 300 °C.

Сравнительная характеристика многокомпонентных литейных силуминов

Марка	Старое обозн.	Si, %	Cu, %	Ni, %	Основной способ литья	Рабочая температура
АК12М2МгН	АЛ25	11–13	1,5–3,0	0,8–1,3	Кокиль	до 350 °C (кратковременно)
АК12ММгН	АЛ30	11–13	0,5–1,5	0,8–1,3	Кокиль	до 300 °C
АК5М7	АЛ10В	4,5–6,5	6–8	≤0,5	Кокиль, песок	до 200 °C
АК8М3	—	7,5–9,5	2–4	≤0,3	Под давлением	до 250 °C
АК8М3ч	ВАЛ8	7–8,5	2,5–3,5	—	Все способы	до 250 °C
АК9М2	—	8–10	1–2	—	Кокиль, под давлением	до 200 °C
АК21М2,5Н2,5	ВКЖЛС-2	20–22	2,0–3,0	2,0–3,0	Кокиль	до 350 °C

Термическая обработка жаропрочных литейных силуминов

Литейные алюминиевые сплавы с никелем подвергаются следующим основным режимам термической обработки (обозначения по ГОСТ 1583-93):

Режим Т1 — искусственное старение без предварительной закалки. Для АК12М2МгН: температура 200–220 °C, выдержка 10–12 часов. Обеспечивает снятие литейных напряжений и стабилизацию размеров. Это основной режим для поршней.

Режим Т5 — закалка с последующим кратковременным неполным искусственным старением. Обеспечивает повышенную прочность при сохранении удовлетворительной пластичности.

Режим Т6 — закалка и полное искусственное старение. Даёт максимальную прочность, но минимальную пластичность. Применяется для деталей, работающих преимущественно при статических нагрузках.

Выбор режима термообработки зависит от условий эксплуатации конкретной детали. Для поршней дизелей, испытывающих циклические термические нагрузки, предпочтителен режим Т1 — он обеспечивает размерную стабильность при рабочих температурах.

Особенности шихтовки и плавки

Многокомпонентный состав рассматриваемых сплавов предъявляет повышенные требования к шихтовым материалам. Для приготовления расплава применяются:

— первичные чушки сплавов соответствующих марок по ГОСТ 1583-93;

— шихтовые ленты (готовые лигатуры заданного состава), которые упрощают дозирование компонентов;

— лигатуры Al–Ni, Al–Cu, Al–Si для корректировки состава.

При плавке необходимы дегазация и рафинирование расплава для удаления водорода и неметаллических включений. Температура расплава при заливке зависит от способа литья: для кокильного литья — 700–730 °C, для литья под давлением — 660–700 °C (для АК8М3). Перегрев расплава выше 750–760 °C нежелателен — усиливается газонасыщение и окисление.

Формы поставки

Все рассмотренные сплавы поставляются в чушках массой ~20 кг, маркируемых несмываемой краской по ГОСТ 1583-93. На каждой чушке — оттиск номера плавки. Партия сопровождается сертификатом с указанием химического состава по каждой плавке.

Маркировка чушек цветными полосами на торце: АК12М2МгН (АЛ25) — белая и чёрная; АК12ММгН (АЛ30) — белая, чёрная, чёрная; АК5М7 — чёрная и красная; АК8М3 — белая и синяя; АК8М3ч (ВАЛ8) — два белых креста; АК9М2 — белая, жёлтая, белая; АК21М2,5Н2,5 — чёрная, чёрная, чёрная.

Выбор марки сплава: практические рекомендации

Для поршней дизелей и деталей, работающих при циклическом нагреве до 300–350 °C, оптимальный выбор — АК12М2МгН (АЛ25) или АК21М2,5Н2,5 (ВКЖЛС-2) для наиболее тяжёлых условий.

Для силовых корпусных деталей, изготовляемых литьём под давлением и работающих при температурах до 250 °C, — АК8М3 или АК8М3ч (ВАЛ8) для ответственных изделий.

Для корпусов приборов и слабо нагруженных деталей — АК9М2 как наиболее технологичный и доступный вариант.

Сплав АК5М7 не рекомендуется для новых разработок согласно примечанию 7 к ГОСТ 1583-93. При проектировании новых изделий следует рассматривать другие марки данной группы.