Силумин применение в строительстве

Немногие знают о существовании такого сплава как силумин, но большинство встречает его в виде различных изделий. Из него производят водопроводные краны, посуду и множество других металлических предметов. Так что же представляет собой этот сплав?

Силумин – сплав на основе алюминия и кремния. Большую часть, а именно около 90%, сплава составляет алюминий, остальную часть – кремний. Изготовление силумина очень похоже на производство дюралюминия, но в состав второго также входят медь, магний и марганец.

Главное отличие этого сплава от обычного алюминия заключается в том, что силумин обладает более высоким уровнем прочности.

Химические свойства

Несмотря на то, что к этой группе относят сплавы алюминия и кремния, следует отметить, что силумин может содержать в малом количестве множество других элементов. Состав сплава напрямую влияет на характеристики готовых изделий. Главное условие для причисления сплава к силуминам заключается в процентном соотношении кремния. Он должен составлять от 10% до 15%.

Благодаря тому, что алюминий составляет около 90%, структура силумина очень похожа на структуру алюминия. Невооруженным глазом отличить их практически невозможно.

Свойства силумина отличаются в зависимости от типа алюминиевого сплава. Различают два типа металлов этой группы:

• нормальные силумины;
• износостойкие.

Нормальная группа отличается содержанием кремния в районе 12%. Прочность сплавов этой группы находится не на высоком уровне, но они имеют другие преимущества. В первую очередь – простота обработки и отличные литейные свойства. Отсутствие различных примесей делает этот тип силумина нейтральным к воздействию агрессивной среды и различных химических веществ.

Износостойкие сплавы содержат в составе около 20% кремния. Такой состав придает силумину повышенную прочность, значительно превышающую прочность алюминия. Но обработка изделий из этого сплава более сложная и требует приложения больших усилий.

Характеризуя химические свойства силумина, следует отметить, что они практически не отличаются от свойств алюминия. Лишь немного изменяются в зависимости от процентного соотношения различных добавок. В первую очередь, добавления кремния к алюминию напрямую влияет на физические свойства.

Физические свойства

Такой сплав как силумин по физическим свойствам очень часто сравнивают с нержавеющей сталью. Но он значительно легче стали, что является главным его достоинством. Несмотря на низкий вес, прочность силумина не уступает стали и другим металлам-аналогам. Как и алюминий, этот сплав не поддается коррозии этому способствует защитная пленка, которая образуется из оксидных соединений. Такая пленка образуется на поверхности при малейших повреждения путем взаимодействия кислорода и молекул алюминия.

Цвет силумина серый, при разрезе серебристый, очень сильно напоминает цвет алюминия.

Декоративные элементы из силумина

Легкий вес сплава при высокой прочности возможен благодаря низкой плотности состава, которая значительно ниже чем у стали. Учитывая вышеизложенные преимущества, применение силумина на сегодняшний день предпочтительней применению стали. Учитывая относительно низкую стоимость сплава, силумин используется для производства дешевой бытовой техники, которая часто не уступает в надежности дорогим аналогам.

Его преимуществом также является пластичность. Благодаря этому он подходит для литься сложных форм, требующих равномерного распределения металла и прочной структуры. Литье в данном случае требует меньше усилий, что делает производство экономичнее.

Температура плавления силумина составляет около 670 градусов, что намного ниже температуры плавления стали. Такое физическое свойство также влияет на снижение себестоимости металлических изделий.

Следует отметить, что физические свойства напрямую зависят от количества примесей. К таким относятся магний и марганец, которые добавляют целенаправленно. Или же цинк, кальций и железо, от которых просто не избавляются на производстве. Поэтому качество силумина может отличатся даже при одинаковой маркировке — оно зависит от технологии производства и добросовестности производителя.

К физически свойствам также относиться повышенная износостойкость. Изделия из этого вещества отличаются устойчивостью к механическим нагрузкам и длительным сроком эксплуатации.

Силуминовая головка блока ДВС

К недостатком материала можно отнести хрупкость. Изделия обладают повышенным уровнем прочности, но при превышении этого порога они могут треснуть. Их можно отремонтировать, для чего используют либо эпоксидный клей, либо сварку. Но сварочные работы следует проводить с осторожностью, чтобы не расплавить изделие. Обычно используют аргон с припоями для сварки алюминия.

Область применения силумина

На сегодняшний день сфера применения силумина разнообразна, но наиболее часто его используют на производстве автомобилей и самолетов. Основные сферы применения:

1. Высокую популярность в авиастроении он обрел благодаря сочетанию малого веса и высокой прочности, что очень важно для подъема летальных аппаратов в небо и экономии топлива.
2. Подобные свойства желательны и в производстве автомобилей. Так, вес автомобиля напрямую влияет на ходовые свойства авто, маневренность на дороге и расход топлива. В сфере машиностроения сплав применяется для производства деталей двигателя.
3. В последнее время особую популярность силумин получил в оружейной сфере, особенно для производств пневматических винтовок. Страйкболисты предпочитают оружие из этого материала из-за легкого веса, высокой прочности и надежности, что на фоне высокой стоимости таких винтовок является незаменимым качеством.
4. Также его применяют в производстве множества бытовых изделий, от кастрюлей и сковородок до водопроводных смесителей. Бытовые изделия из силумина популярны из-за низкой стоимости.

Маркировка

Исходя из вариативности сплавов, была разработана специальная маркировка силумина. Благодаря ей есть возможность быстро и точно подобрать материал с желаемыми свойствами, определить состав, процентное соотношение элементов и физические свойства.

Маркировка основана на сочетании буквенных и цифровых обозначений. Буквами указываются компоненты, входящие в состав сплава, например, А-алюминий, К-кремний, Ц-цинк. Порядок буквенных обозначений определяется исходя из процентного соотношения компонентов, поэтому марка силумина всегда начинается на букву А.

Цифры указывают на процентное соотношение каждого компонента, кроме алюминия в составе. К примеру, АК20 свидетельствует о наличии в составе 20% кремния и соответственно 80% алюминия.

Следует отметить, что маркировка может отличаться в зависимости от производителей и страны производства. Поэтому при покупке изделий с непонятной маркировкой лучше проконсультироваться с продавцом.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Современная металлургия поставляет свыше 1000 наименований различных типов материалов. Но до сих пор сплав силумин занимает среди них видное место. Его применение продолжает охватывать все новые и новые отрасли производства вот уже в течение 15 лет. Обладание какими свойствами не позволяет терять ему своей актуальности по сей день что это такое?

Общие сведения

Сплавы на базе алюминия и кремния называются силуминами. Они относятся к категории литейных сплавов и занимают около 55% всей алюминиевой металлургической промышленности.

Существует 2 основные разновидности:

• простые, по составу содержащие только 2 компонента: кремний (до 15%) и алюминий.
• специальные, включающие дополнительные легирующие элементы.

Двухкомпонентный силумин является термически неупрочняемым и обладает низкими механическими характеристиками. Единственно возможным способом повысить прочность — уменьшить скорость затвердевания отливки в форме или добавить в расплав лигатур щелочных металлов, таких как стронций, литий или натрий.

Повышение скорости кристаллизации дает более предпочтительные результаты, но имеет один важный недостаток. В случае литья тонкостенных деталей повышается вероятность образования трещин на поверхности отливок. Единственный способ избежать этого — это применение технологии литья под давлением, что более затратно с экономической точки зрения.

Модификация щелочными металлами дает меньший прочностной эффект, но этот процесс более технологичен и универсален. По этой причине он чаще встречается в практике.

Улучшение механических свойств здесь происходит за счет изменения величины зерна. Внутренняя структура при этом остается неизменной.

Эффект от модифицирования тем сильнее, чем больше количество кремния в силумине. Именно зерна кремния подвергаются рекристаллизации в силуминовых сплавах, и именно благодаря этому происходит улучшение механических свойств. Поэтому при содержании кремния меньше 5% модификация становится бессмысленным.

Специальные силуминовые сплавы помимо кремния и алюминия имеют в своем составе такие компоненты как магний, медь и железо. Введение данных элементов делает материал термически упрочняемым. По этой причине специальные сплавы отличаются более высокими механическими свойствами по сравнению с простыми. Особенно это касается такого параметра как предел текучести.

Термическая обработка в большинстве случаев заключается в закалке и последующем искусственном старении. Так, закалка АЛ4 проходит при 550 ºС и выдерживается при данной температуре в течение 3-5 часов. После этого сплав резко охлаждают в воде и отправляют в печь. Там уже проводится искусственное старение (175 ºС), которое окончательно доводит материал по физической структуре и механическим характеристикам.

Также все силуминовые сплавы относят к первой группе свариваемости. Сварка не требует дополнительной подготовки в виде предварительного прогрева детали. Сварные швы получаются плотными и по прочности не уступают цельным сплавам.

Марки и их свойства

Силумины выделяются малым удельным весом на фоне остальных сплавов и металлов. Плотность простых силуминов не превышает 2660 кгм3.

Также они отличаются повышенными коррозионностойкими свойствами. Введение дополнительного процента магния и марганца только способствуют повышению этой характеристики.

Добавление меди в состав снижает его устойчивость к образованию коррозии. Так сплав АЛ5, содержащий 1,5% меди, является самой коррозионно-неустойчивой маркой по сравнению со всеми остальными силуминами.

Как уже было сказано выше, двухкомпонентные силумины значительно уступают по прочности легированным. Сплав АЛ2 после модификации имеет предел прочности на растяжение порядка 180 МПа. Предел текучести еще ниже и равен 80 МПа. Среди плюсов данной категории стоит отметить высокую пластичность. Относительное удельное растяжение его составляет 7%.

Также важным достоинством АЛ2 является низкий интервал кристаллизации. По этой причине отливки меньше подвержены к образованию усадочной пористости.

АЛ4 является более прочным силумином и относится к группе термически упрочняемых сплавов. Силумин отличается низким содержанием кремния (до 7%от состава) и повышенными литейными свойствами. Его склонность к усадочной раковине и пористости значительно ниже по сравнению с АЛ2, что позволяет его применять как материал для самых ответственных отливок. Предел прочности на разрыв силумина АЛ4 равен 260 МПа, а предел текучести 200 МПа.

Силумин АЛ9 не упрочняется ни модифицированием, ни искусственным старением. Его только закаливают. В производстве сплав получил широкое применение из-за оптимального соотношения пластичности, литейных характеристик и прочности. АЛ9 разрушаются при нагрузке свыше 200 МПа. Относительное удельное растяжение равно 6%.

АЛ5 не относится к группе жаропрочных сплавов, но превосходит все силумины устойчивостью к термической нагрузке. Предел прочности данной марки составляет 220 МПа. Пластичность его одна из наиболее низких. Относительное удельное растяжение равно 1%. Также, как уже было отмечено выше, наличие меди делает АЛ5 менее устойчивым к воздействию коррозии.

АЛ34 по сравнению со всеми вышеописанными марками имеет наилучшие механические характеристики. Предел прочности на растяжение составляет 330 МПа, что сравнимо со сталью Ст.3. Такая прочность обеспечивается содержанием дополнительного количества бериллия, магния и титана. Отливки из данных сплавов выделяются повышенной герметичностью.

Также стоит отметить, что на механические свойства отливок сильно влияет способ литья. Все вышеперечисленные значения прочности указаны для литья в песчаную форму. При литье в кокиль или под давлением предел прочности и текучести как правило выше на 20-30 единиц. Причина этому более повышенная скорость кристаллизации, которая приводит к размельчению внутренних структур.

Применение

Повышенный производственный интерес к силумину обусловлен главным образом обладанием такими свойствами как высокая жидкотекучесть, низкий удельный вес и низкой склонностью к образованию усадочных раковин.

По этим причинам силумин активно применяется в следующих сферах:

• В самолетостроении силумин марок АЛ2 используется при изготовлении деталей, не подверженных механическим и термическим нагрузкам. Из АЛ9 и АЛ34 производят узлы более ответственного назначения. В частности, сюда относятся поршни галлейного охлаждения, насосы и прочее.
• В судостроении силумин применяется в качестве обшивки стальных и чугунных конструкций. Возможно это благодаря устойчивости силумина к агрессивному воздействию морской воды.
• В космической отрасли сплавы силумина используются в производстве приборов, детали которых требуют от материала наличие низкого коэффициента линейного расширения и низкого значения плотности.- В автомобилестроении активно применяется силумин АЛ34 для изготовления картеров двигателей внутреннего сгорания и других корпусных деталей, работающих при большом внутреннем давлении.
• Силумин служит материалом для изготовления фитингов трубопровода. Смесители, переходники, ниппеля, накидные гайка — это неполный список деталей, где используются сплавы силумина.

Ценообразование

Алюминий входит в пятерку самых распространенных металлов на планете Земля. Несмотря на это добыча его постепенно сокращается. Происходит это из-за углубления залежей алюминиевых руд с одной стороны, с другой стороны развитому рынку вторичных металлов. По этой причине с экономической точки зрения выгоднее перерабатывать алюминиевый сплав.

Стоимость на силумин зависит от следующих факторов:

• Химический состав. Чем больше алюминия, меди и титана, тем выше его цена на рынке металлолома.
• Знание котировок на биржах цветных сплавов. По стоимости сплавы силумина коррелируются согласно ценам входящих в них металлов, стоимость которых определяется на мировых биржах.
• Качество лома. Наличие следов коррозии на поверхности сильно снижает стоимость.
• Объем партии. Пункты приема металлолома отдают предпочтение в работе с крупными поставками, т. к. это позволяет снизить время товарооборота. Поэтому в случае сдачи лома свыше одной тонны они делают на него наценку.

Оцените статью:

В настоящее время активно разрабатываются и исследуются новые методы модификации состояния поверхностного слоя различных материалов с целью придания им требуемых свойств[1], так как возможности традиционных методов химико-термической обработки практически исчерпаны. Принципиально новые возможности для модификации поверхностных свойств различных материалов и существенного улучшения их эксплуатационных характеристик предоставило использование в промышленности концентрированных потоков энергии (КПЭ) [2]. Особенно актуальным является применение таких методов для модификации алюминиевых сплавов, более широкое применение которых в промышленности сдерживается низкими трибологическими и прочностными характеристиками.

Несмотря на значительный прогресс в материаловедении, в частности в области создания новых сплавов и композитов, превосходящих по свойствам сплавы на основе алюминия, последние еще длительное время будут занимать ведущие позиции во многих отраслях промышленности. В первую очередь это связано с относительно низкой стоимостью данных сплавов и возможностью широкого использования вторичного сырья при их производстве. Учитывая высокие объемы потребления алюминиевых сплавов, борьба даже за сравнительно небольшое улучшение их качества может быть оправданной.

Одним из важнейших сплавов алюминия является силумин или сплав алюминия с кремнием. Диаграмма состояния силуминов имеет простой эвтектический вид, что видно из рисунка 1, именно поэтому промышленные силумины подразделяются по содержанию кремния на доэвтектические (4-12% Si), эвтектические (12,2% Si) и заэвтектические (свыше 12% Si). Силумины широко используются в авиации, судостроении, автомобилестроении и для бытовых нужд благодаря своим механическим свойствам. По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.

Промышленное значение силуминов обусловлено их высокой жидкотекучестью, низкой склонностью к образованию усадки при литье, возможностью пайки и сварки. Однако заэвтектические силумины нашли лишь ограниченное применение из-за наличия в структуре очень твердой кремниевой составляющей, которая значительно снижает стойкость режущего инструмента[3], что в некоторой степени компенсируется повышенным модулем упругости по сравнению с доэвтектическими сплавами, низким температурным коэффициентом линейного расширения, хорошей свариваемостью и обрабатываемостью резанием с точки зрения качества поверхности и низкой стоимостью. Кроме того, еще недостаточно ясны специфика производства и особые требования к сплавам этой системы, необходимые для точного контроля микроструктуры и пористости отливок, которые существуют для доэвтектических промышленных силуминов. В настоящее время чаще всего заэвтектические силумины используются для производства поршней ДВС и ряда других деталей, изготавливаемых методами фасонного литья или жидкой штамповки. Но не смотря на ограниченное применение заэвтектических силуминов, интерес к данным сплавам растет.

Рис. 1. Диаграмма состояния Al-Si[4]

Рис. 2. Применение силуминов: детали автомобилей из доэвтектических (а, б, в, г) и литые поршни из заэвтектических силуминов немецкой фирмы Mahle (д, е)[4]

В авиации например важную роль играет малый удельный вес сплавов на основе алюминия. Расход топлива самолета во многом определяется весом аппарата, что играет определяющую роль в случае частных самолетов, отношение массы к грузу у которых больше, чем например в грузовых авиалайнерах. Стоит отметить еще и то, что при изготовлении различных авиационных узлов и деталей преимущественно применяются деформируемые сплавы на основе алюминия. Объем применения литейных сплавов в связи с их меньшей технологичностью ниже. Вместе с тем, в летательных аппаратах используются сварно-литые конструкции и узлы, например, в поршнях с галерейным охлаждением, насосах и пр.

В судостроении силумины получили распространение благодаря своим коррозийным свойствам в купе с малым удельным весом. Хорошо известно, что морская вода очень богата на содержание различных солей и прочих веществ, которые оказывают пагубное влияние на обшивку корабля. Также хорошо известно, что алюминий и его сплавы применяется и для алитирования (алюминирования) – насыщения поверхности стальных или чугунных изделий алюминием с целью защиты основного материала от окисления при сильном нагревании, т.е. повышения жароупорности (до 1100 °C) и сопротивления атмосферной коррозии.

В последнее время наметилась перспектива использования силуминов в космической промышленности, где особое место занимают сплавы для приборной техники, от которых требуются низкие значения температурного коэффициента линейного расширения в сочетании с необходимым уровнем механических свойств. Для изготовления различных узлов космических аппаратов нужны сплавы с малым удельным весом и низким температурным коэффициентом линейного расширения. Имеющиеся в настоящее время прецизионные сплавы, построенные на основе системы железо-никель, обладают уникальными физическими свойствами. Однако эти сплавы отличаются рядом недостатков, которые в основном сводятся к сложной технологии получения их и обработки, дороговизне и большому удельному весу. В связи с этим в последнее время в мире уделяется большое внимание поиску композиций сплавов на основе алюминия, среди которых самой перспективной является система Al-Si.

В цветной металлургии силумины подразделяются прежде всего на деформируемые сплавы (доэвтектические и эвтектические) и литейные (заэвтектические). Литейные алюминиевые сплавы имеют ряд особенностей: повышенную жидкотекучесть, обеспечивающую получение тонкостенных и сложных по конфигурации отливок; сравнительно невысокую линейную усадку; пониженную склонность к образованию горячих трещин. Доэвтектические силумины при литье применяют легированные только кремнием либо имеющие также небольшие количества других примесей (Cu, Mn). Структура их представляет собой б-твердый раствор и эвтектику (б+Si). Эвтектика содержит 12,5% Si, Максимальное содержание кремния в твердом растворе при эвтектической температуре (577°С) составляет 1,65%. Закалкой такого насыщенного твердого раствора можно на непродолжительный период времени удержать его в пересыщенном состоянии (растворимость кремния при комнатной температуре — около 0,1%).

При старении выделяются тонкодисперсные частицы легирующего компонента, однако упрочняющий эффект незначителен. Очень быстрой закалкой можно кратковременно удержать в твердом растворе около 16% Si и сдвинуть эвтектическую точку до 17% Si. Эффективный модификатор силуминов — натрий в количестве 0,01%. Модифицированный силумин не рекомендуется применять в сочетании со сплавами Аl — Mg. Возможна также модификация силумина фосфором. Силумины, не содержащие кроме кремния других примесей, термически не упрочняемы. Небольшие количества магния вследствие образования его силицида дают возможность осуществлять термическое упрочнение сплава. В отличие от технического алюминия, небольшие количества примеси железа оказывают на силумины отрицательное влияние, которое частично нейтрализуется марганцем.

Железо с кремнием дает хрупкие пластинчатые образования — б-фазу (Fe₂SiAl₈) и в-фазу (FeSiAl₅). При большом содержании кремния возможно образование д-фазы (FeSi₂Al₄) и г-фазы (FeSiAl₃). При большом содержании железа возможно появление наиболее тугоплавкого соединения FeAl₃ (Т_пл=655°С). Марганец с железом дает смешанные менее хрупкие кристаллы (Fe,Mn)₃Si₂Al₅. Легирование медью наряду с магнием позволяет получать более сложные упрочняющие фазы (например, Cu₂Mg₈Si₆Al₅) и соответственно достигать большего эффекта в результате термического упрочнения[3]. Из всех литейных сплавов силумины отличаются наивысшей жидкотекучестью. Вслед за ними идут алюминий-магниевые и алюминий-медные сплавы. Не стоит также забывать об оксидировании алюминия и его сплавов различными кислотами электролитическими методами и химическими методами с целью дополнительной защиты от коррозии.

В работе [2] сообщается о повышении микротвердости заэвтектического силумина (30 ат. %Si) в два раза после обработки сильными импульсными ионными пучками. В данной работе кристаллиты кремния в эвтектике становятся более дисперсными, а границы первичных кристаллов кремния размываются и огрубляются при воздействии ионов p + на поверхность заэвтектического силумина. Также в данной работе было рассчитано смещения пика Al(111) и затем вычислено изменение постоянной решетки алюминия в зависимости от содержания в нем кремния.

В работе [5] указывается на некоторое улучшение коррозийных характеристик после обработки доэвтектических и эвтектических силуминов лазерным излучением.

Характеристики силуминов

Одной из важнейших механических характеристик является микротвердость, для повышения которой в силуминах применяются следующие механизмы:

1) Улучшение структуры первичных кристаллов кремния (Уменьшение размеров, сфероидизация, равномерное распределение по объему сплава).

2) Уменьшение размера всех структурных компонент сплава, включая нерастворимые в матрице интерметаллиды (первичные кристаллы, эвтектики, вторые фазы)

3) Улучшение структуры эвтектики (Диспергирование, превращение дендритов в равноосные кристаллы[1])

4) Легирование магнием и медью

Для реализации этих механизмов в настоящее время применяются различные традиционные химико-термические методы:

1)Быстрое охлаждение расплава[6]:

-применение конвективной теплопередачи (ультразвуковое распыление),

-контактного охлаждения (Способы "поршня и наковальни", "молота и наковальни")

-литье в кокиль (литейный метод)

2)Увеличение числа зародышей для кристаллов кремния, а также измельчение частиц кремния путем химической модификации(чаще всего применяется в металлургии)[3]:

-Модифицирование натрием (0,006-0,012%), калием, литием, висмутом, сурьмой 0,1-0,3%, стронцием 0,01-0,05% (сурьма и стронций – модификаторы длительного действия), смесью солей (0,1% натрия и 2% смеси фтористого и хлористого натрия) в доэвтектических силуминах.

-Модифицирование фосфором 0,05-0,1% или серой в заэвтектических силуминах