Плавка и литье заэвтектических силуминов

УДК 621.745.01:669.716 
Б43 

Р е ц е н з е н т 
доктор технических наук, профессор ^.Я. Батышев (МГОУ) 

Белов В.Д. 

Б43 
Плавка и литье заэвтектических силуминов: Учеб. пособие. 
М.:МИСиС,2003.-85с. 

Приведены общие сведения о заэвтектических силуминах, основы технологии плавки (типы плавильных печей, приготовление заавтектических 
силуминов из различных шихтовых материалов, рафинирование от водорода 
и неметаллических включений, модифицирование и микролегирование редкоземельными металлами), технологические особенности изготовления отливок «поршень» литьем в кокиль, под регулируемым газовым давлением и с 
кристаллизацией под давлением и производства слитков методом полунепрерывного литья в вертикальный кристаллизатор скольжения. Рассмотрены некоторые закономерности ликвации кристаллов первичного кремния при затвердевании отливок из заавтектических силуминов и влияние примесей на 
процесс кристаллизации этих сплавов. 

Содержание учебного пособия соответствует программе курса «Производство отливок из сплавов цветных металлов». 

Предназначено для студентов специальности 110400 «Литейное производство черных и цветных металлов». Может быть также использовано студентами 
специальности 110500 «Металловедение и термообработка металлов». 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (Технологический 
университет) (МИСиС), 2003 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
5 

1. Общие сведения о заэвтектических силуминах 
6 

1.1. Легирующие компоненты и примеси 
9 

1.2. Химический состав 
15 

1.3. Физические и механические свойства 
16 

1.4. Литейные свойства 
18 

1.5. Микроструктура 
18 

2. Основы технологии плавки заэвтектических силуминов 
20 

2.1. Печи для плавки заэвтектических силуминов 
20 

2.1.1. Электрические печи сопротивления 
20 

2.1.2. Индукционные тигельные печи 
26 

2.1.3. Индукционные канальные печи 
29 

2.1.4. Дуговые электрические печи постоянного тока 
29 

2.1.5. Топливные плавильные печи 
30 

2.2. Приготовление заэвтектических поршневых силуминов 
34 

2.2.1. Приготовление заэвтектических поршневых 
силуминов из первичных шихтовых материалов 
34 

2.2.2. Приготовление заэвтектических поршневых 
силуминов из вторичных шихтовых материалов 
35 

2.3. Рафинирование заэвтектических силуминов 
37 

2.3.1. Дегазация 
37 

2.3.2. Очистка от неметаллических включений 
40 

2.4. Модифицирование и микролегирование 
заэвтектических силуминов 
43 

2.5. Комплексная технология обработки расплавов 
заэвтектических силуминов 
49 

3. Некоторые особенности кристаллизации заэвтектических 

силуминов 
52 

3.1. Влияние примесей на процесс кристаллизации 
заэвтектических силуминов 
52 

3.2. Некоторые закономерности ликвации кристаллов 
первичного кремния при затвердевании отливок 
из заэвтектических силуминов 
55 

4. Производство отливок из заэвтектических силуминов 
61 

4.1. Изготовление поршней литьем в кокиль 
61 

4.2. Изготовление поршней литьем под регулируемым 
газовым давлением 
67 

3 

4.3. Изготовление поршней литьем с кристаллизацией 

под давлением 
70 

4.4. Некоторые особенности производства слитков 

из заэвтектических силуминов 
75 

Заключение 
79 

Библиографический список 
80 

Приложение 1. Формы и размеры керамических тиглей 

для тигельных печей 
81 

Приложение 2. Области применения и основные свойства 
кокильных противопригарных красок 
фирмы «SHAFER» 
84 

4 

ВВЕДЕНИЕ 

В настоящее время объем производства отливок из сплавов 
на основе алюминия во всем мире неуклонно растет. Это закономерно и легко объяснимо, если сравнить уровень физико-химических, 
механических, технологических и эксплуатационных свойств алюминиевых сплавов с аналогичными свойствами, например, чугуна 
или стали. 

В номенклатуре алюминиевых сплавов объем заэвтектических силуминов невелик, но без них не может обойтись практически 
ни одна отрасль промышленности, так как основное их применение поршни для самых разнообразных двигателей, компрессоров и т.д. 
Требования к уровню свойств этих сплавов со стороны конструкторов изделий и потребителей постоянно растут. 

На кафедре технологии литейных процессов МИСиС проф., 
д-ром техн. наук А.В. Курдюмовым, доц., канд. техн. наук 
СВ. Инкиным, проф., д-ром техн. наук В.Д. Беловым, кандидатами 
технических наук В.В.Гусевой, Т.В.Куликовой, Л.В.Глотовой и 
В.А. Палачевым проведены всесторонние исследования влияния 
примесей, редкоземельных металлов, различных модифицирующих 
препаратов на кристаллизацию сплавов АК21М2,5Н2,5 и КС 740, а 
также исследование дегазации расплавов высокоскоростной струей 
инертного газа, ликвации кристаллов первичного кремния и по ряду 
других направлений. 

5 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗАЭВТЕКТИЧЕСКИХ 
СИЛУМИНАХ 

К 
заэвтектическим 
силуминам 
относятся 
алюминиевокремниевые сплавы, массовая доля кремния в которых- более 
12,3 %. Диаграмма состояния системы алюминий - кремний эвтектического типа: в равновесии находятся твердый раствор кремния в 
алюминии и твердый раствор алюминия в кремнии (рис. 1.1) [1]. Положение точки эвтектики и температура ее плавления в различных 
источниках приводятся по-разному. Наиболее признанными являются следующие ее координаты: 12,3 % масс, кремния и температура 
плавления 577 °С. 

гд 

1Ш, 

wool 

600 \ 

20 

M^Al 
J^4^%^ 

r^ies% 
PAL 

1 

i 

^0 
60 
i 

m 

I 

^ 

Ж+Si 

БП^'С 

Al+Si 

i 

3Q 
\ 
^1 

997^0 
J 

98^8% 
1 

\ 

t 
^цгА 

л 
1 
i 
1 

1 
1 

уЛ 

fl 

J HOT 
i tf// 

m? 

1 

AL 
20 
40 
BO 

Содержание кремния, % масс. 

SO 
Si 

Рис. 1.1. Диаграмма состояния системы алюминий - кремний 

Растворимость кремния в алюминии при 577 °С составляет 
1,65 %масс. Давление в З-Ю'Па смещает эвтектическую точку до 
концентрации 25 % кремния, повышает эвтектическую температуру 
до 1027 °С и увеличивает предельную растворимость кремния до 7 %. 

6 

в силуминах, массовая доля кремния в которых более 4 %, 
повышение его концентрации приводит к снижению вязкости расплава (рис. 1.2) [2]. 

Содержание кремния, % масс. 

Рис. 1.2. Изменение вязкости расплава силумина в зависимости 
от содержания в нем кремния 

Плотность кремния в жидком состоянии больше его плотности в твердом, поэтому при увеличении содержания кремния плотность силуминового расплава повышается. С ростом температуры 
расплава его плотность уменьшается (рис. 1.3) [2]. 

Рис. 1.3. Изменение плотности расплава силумина в зависимости 
от температуры и содержания в нем кремния 

7 

Плотность твердых силуминов определяется в соответствии с 
известным правилом аддитивности. В твердом состоянии плотность 
кремния несколько меньше плотности алюминия, поэтому при увеличении концентрации кремния плотность двойных силуминов снижается. Плотность многокомпонентных силуминов зависит от содержания в сплаве не только кремния, но и других легирующих элементов. Например, плотность сплава АК12М2МгН составляет 
2720кг/м\ а сплавов АК18ММгН и АК21М2,5Н2,5 соответственно 
2710и2650кг/м1 

Как отмечено выше, кремний кристаллизуется с увеличением 
объема (так как его плотность в твердом состоянии меньше, чем в 
жидком), поэтому объемная усадка при кристаллизации двойного 
силумина по мере увеличения содержания в нем кремния уменьшается линейно. При 25 % кремния сплав не имеет объемной усадки, а 
при более высоком содержании кремния при кристаллизации имеет 
место увеличение объема. 

Добавка кремния не влияет заметно на поверхностное натяжение алюминия (рис. 1.4) [3]. При содержании кремния в двойном 
сплаве 12 % масс, величина поверхностного натяжения уменьшается 
лишьна20...30мН/м. 

Содержание элемента, % масс. 

Рис. 1.4. Влияние ряда химических элементов на поверхностное 
натяжение алюминия 

8 

При кристаллизации заэвтектических силуминов кремний 
выделяется в виде полиэдрических включений первичного кремния и 
игольчатых частиц кремния в эвтектике. Эти частицы являются концентраторами напряжений, поэтому механические свойства заэвтектических силуминов в меньшей степени зависят от их химического 
состава, чем от формы, размера и количества частиц кремния в 
структуре. 

Кремний уменьшает растворимость водорода в твердом алюминии. При 550 °С она составляет 0,011; 0,009 и 0,007 CMVIOO г при содержании 0,46; 0,83 и 1,25 %масс. кремния. Вместе с тем количество 
водорода, поглощенного сплавами системы алюминий - кремний, резко 
возрастает при появлении в структуре второй фазы, что объясняется адсорбцией водорода на межфазных поверхностях раздела. Литературные 
данные о влиянии кремния на растворимость водорода в жидком состоянии противоречивы, однако большинство исследований достаточно 
убедительно показали, что кремний увеличивает растворимость водорода в расплаве алюминия. 

В определенных пределах концентраций кремний может понижать скорость окисления алюминия. Это связано с тем, что кремний по сравнению с алюминием имеет меньший ионный радиус и 
больший коэффициент Пиллинга. 

С увеличением концентрации кремния силумин интенсивнее 
взаимодействует с «черными металлами», которые, как известно, широко применяются в качестве материала тиглей в раздаточных печах. 

1.1. Легирующие компоненты и примеси 

Многокомпонентные заэвтектические силумины легируют 
магнием, медью, никелем, марганцем, что позволяет получить сплавы с высоким уровнем механических, технологических и эксплуатационных свойств. 

Магний хорошо растворим в алюминии. При комнатной температуре равновесная растворимость составляет около 1 %. При повышенных скоростях охлаждения сплав может удерживать в твердом 
растворе до 7 % магния. Магний в Al-Si сплавах взаимодействует с 
кремнием с образованием интерметаллидного соединения MgzSi с 
весьма высокой микротвердостью (П,2о=6ГПа). Растворимость фазы MgjSi в твердом растворе на основе алюминия при высокой температуре (596 °С) сравнительно велика (1,85 %), но резко снижается 
при понижении температуры и при 200 °С составляет лишь 0,27 %. 

9 

Скорость растворения этой фазы при температурах, близких к температуре плавления тройной эвтектики, весьма значительна. В силуминах, легированных магнием, при температуре 535 °С фаза MgjSi 
полностью растворится в течение 35 мин. 

Неравновесный твердый раствор кремния и магния в алюминии распадается при низкотемпературном отжиге и даже при комнатной температуре. Концентрация кремния в силумине не влияет на 
растворимость фазы MgjSi в алюминии, но увеличение его количества благоприятно сказывается на форме частиц этой фазы. 

Легирование силуминов магнием позволяет повысить их механические свойства и сделать более восприимчивыми к упрочняющей термообработке. Для высококремнистых поршневых силуминов 
оптимальным является содержание магния в пределах 0,7... 1,1 %. 

Медь достаточно хорошо растворяется в алюминии. В соответствии с равновесной диаграммой состояния системы Al-Cu растворимость меди при температуре плавления эвтектики (547 °С) составляет 5,7 % масс. С понижением температуры растворимость меди уменьшается и при 20 °С практически равна нулю. Структура 
промышленно применяемых Al-Cu сплавов состоит из твердого раствора меди в алюминии и эвтектики а + СиАЬ. 

Добавка меди делает силумины термоупрочняемыми и позволяет повысить их механические свойства, в частности, жаропрочность. В сплавах системы Al-Si-Cu общий эффект упрочнения при 
термической обработке меньше, чем в двойных сплавах Al-Cu, причем упрочнение тем меньше, чем выше содержание кремния в сплаве. В процессе кристаллизации силуминов часть меди входит в алюминиевый твердый раствор, а другая часть образует жаростойкую, 
плохо растворяющуюся в твердом растворе фазу W (Al,Mg5Si4Cu4), 
которая, выделяясь в дисперсном состоянии, блокирует границы зерен и повышает жаростойкость сплава. 

При термической обработке сплавов системы Al-Si-Cu необходимо принимать во внимание, что низкая скорость диффузии меди 
в твердой фазе приводит к дендритной ликвации в процессе кристаллизации отливок. Следствие дендритной ликвации - кристаллизация 
сплавов по неравновесной диаграмме состояния, в результате чего 
низкоплавкая тройная эвтектика появляется в сплавах, содержащих 
всего 1...1,5% меди. 

Присадка меди к сплавам типа силумин несколько снижает 
их коррозионную стойкость. 

10 

Никель практически не растворяется в алюминии: при комнатной температуре его растворимость менее 0,003 %. В сплавах 
системы Al-Si-Ni присутствуют фазы ам. Si и NiAb, образующие 
при температуре 567 °С тройную эвтектику, которая содержит 
4,9 % Ni и 10,98 % Si. Растворимость кремния в алюминии в присутствии никеля заметно снижается. Растворимость кремния в NiAls ограничена 0,6 % ат. При наличии в легированном силумине никеля 
образуется сложная фаза TMCAleCusNis), способствующая повышению жаропрочности сплава. Кроме того, никель образует жаропрочное соединение AlsNi и в присутствии железа - (FeNi)Al9 

Никель обеспечивает лучшую по сравнению с медью стабилизацию структуры легированных силуминов при длительном отжиге. 

Хром и марганец в легированных силуминах способствуют 
выделению железистой составляющей в более компактной форме. 
Кроме того, образуя устойчивые соединения MnAl^ и CrAl,, они блокируют границы зерен. Рекомендуется в легированные силумины 
вводить 0,5...0,85 % Мп и 0,2...0,4 % Сг, причем снижение содержания указанных элементов уменьшает горячую твердость сплавов, а 
повышение приводит к их ликвации по плотности и снижению прочности и пластичности сплава. 

Титан в легированных силуминах повышает технологические и прочностные свойства. Титан вводится в сплав в количестве 
0,1...0,3 %масс. в виде лигатуры алюминий - титан или из титаносодержащих солей. 

Железо взаимодействует с алюминием с образованием нескольких химических соединений, из которых наиболее богато алюминием РеА1з. При концентрации 1,8 % железа между алюминием и 
РеА1з при температуре 655 °С образуется эвтектика. Растворимость 
железа в твердом алюминии при эвтектической температуре составляет 0,05 %, ниже 400 °С она падает практически до нуля. 

При одновременном присутствии в алюминии железа и кремния кроме фаз, характерных для двойных систем, в структуре могут 
появляться и сложные тройные соединения aCAl^jFcsSi) и pCA^FeSi). 

Железо при отсутствии марганца, кобальта, ванадия, никеля, 
хрома выделяется в структуре сплава в виде игольчатой составляющей РеА1з и тем самым снижает механические свойства силуминов. 
Эта составляющая значительно повышает хрупкость и снижает 
прочность сплава. 

В присутствии никеля при соотношении 1:1 железо играет в 
легированных силуминах положительную роль, так как связывает 

11 

никель в соединение (FeNi)Al9 и тем самым препятствует образованию фазы AlCuNi, расходование атомов меди на которую уменьшает 
количество упрочняющей фазы S (A^CuMg). Кроме того, фаза 
(FeNi)Al9 повышает жаропрочность такого силумина, ибо она препятствует развитию процессов фазовой перекристаллизации при повышенных температурах. 

Олово в силуминах, применяемых для изготовления поршней, 
является нежелательной примесью, потому что, образуя с алюминием и кремнием тройную легкоплавкую эвтектику, снижает жаропрочность сплавов и исключает возможность проведения термической обработки по режиму Т6, позволяющей повысить механические 
свойства сплава. 

Свинец и цинк так же, как и олово, являются вредными примесями в заэвтектических силуминах. 

Бор, кобальт, марганец, ванадий и вольфрам не влияют на 
микроструктуру заэвтектических силуминов. Примеси бария и сурьмы не изменяют размера и формы кристаллов первичного кремния и 
не препятствуют модифицированию этих сплавов фосфором. Натрий, стронций, калий и кальций являются ярко выраженными демодификаторами заэвтектических силуминов, поэтому рекомендуется 
для получения надежного эффекта модифицирования иметь в заэвтектическом силумине не более 0,001 % масс. Na и 0,004 % масс. Са. 

Несмотря на то что водород является основной газовой примесью в сплавах на основе алюминия, до сих пор нет однозначного мнения о его влиянии на микроструктуру заэвтектических силуминов. 
Имеются сведения как об усилении модифицирующего действия фосфористой меди, так и об укрупнении кристаллов первичного кремния в 
насыщенных водородом заэвтектических силуминах. Отмечается также, 
что наводороживание сплава А1- 18 % масс. Si способствует повышению микротвердости кристаллов первичного кремния. 

Основной источник попадания в расплавы металлических примесей- это шихтовые материалы. В настоящее время для приготовления 
промышленных алюминиево-кремниевых литейных сплавов используются материалы технической чистоты: алюминий А0-А85; кремний 
Кр0-Кр2; электролитическая медь МО, Ml; электролитический никель 
Н-1, Н-2; чушковой магний Мг95-Мг90; марганец МрОО-Мр1. Применяют также готовые сплавы (силумин АК12пч, АК12ч), подготовительные сплавы и лигатуры (А1 - Си, А1 - Ni, А1 - Мп, А1 - Mg, А1 - Ti и 
др.). Содержание основных примесей в первичных металлах и сплавах 
регламентируется ГОСТами (табл. 1.1). 

12