Атлас микроструктур промышленных силуминов

1.1. Àëþìèíèé, êðåìíèé è ìàðî÷íûå ñïëàâû

1

Í.À. Áåëîâ, Ñ.Â. Ñàâ÷åíêî, Â.Ä. Áåëîâ

ÀÒËÀÑ ÌÈÊÐÎÑÒÐÓÊÒÓÐ

ÏÐÎÌÛØËÅÍÍÛÕ ÑÈËÓÌÈÍÎÂ

Федеральное агентство по образованию РФ
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Государственный технологический университет 
«Московский институт стали и сплавов»

Ìîñêâà
Èçäàòåëüñêèé Äîì ÌÈÑèÑ 
2009

Ãëàâà 1. Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñèëóìèíîâ

2

УДК 669.715
ББК 34.23
 
Б43

ISBN 9785876232489
© Белов Н.А., 2009
© Савченко С.В., 2009
© Белов В.Д., 2009
© МИСиС, 2009

Белов Н.А., Савченко С.В., Белов В.Д.
Атлас микроструктур промышленных силуминов: Справ. – М.: Изд. 
Дом МИСиС, 2009. – 204 с.

ISBN 9785876232489

Дан системный анализ микроструктуры и фазового состава марочных силуминов, выпускаемых ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ». Приведены значения 
объемных и фазовых долей избыточных фаз, рассчитанные с использованием 
программы Thermo-Calc. В книге также даны основные сведения о промышленных 
силуминах (в частности, составы марочных сплавов, режимы термообработки, 
механические свойства).
Справочник рассчитан на широкий круг специалистов, которые работают с 
алюминиевыми сплавами. Он также может быть полезен аспирантам и студентам 
старших курсов технических вузов.
Рис. 97. Табл. 76. Библиогр. список: 47 назв.

УДК 669.715
ББК 34.23

Б43

Издание осуществлено при финансовой поддержке
ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ»

1.1. Àëþìèíèé, êðåìíèé è ìàðî÷íûå ñïëàâû

3

Оглавление

Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Глава 1. Общая характеристика силуминов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1. Алюминий, кремний и марочные силумины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.1. Первичный алюминий  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2. Первичный кремний. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.3. Диаграмма Al–Si. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.4. Марочные сплавы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2. Влияние легирующих элементов и примесей
на структуру и фазовый состав силуминов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.1. Классификация легирующих элементов и примесей. . . . . . . . . . . . 17
1.2.2. Фазовый состав силуминов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.3. Особенности анализа структуры силуминов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.4. Типичные микроструктуры силуминов в литом состоянии. . . . . . 29
1.2.5. Структурные изменения при термообработке силуминов  . . . . . . . 36

1.3. Свойства силуминов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.3.1. Механические свойства  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.3.2. Литейные свойства  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Глава 2. Структура и свойства марочных силуминов,
выпускаемых ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.1. Группа 1. Силумины без добавки меди  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.1.1. Сплавы АК12оч, АК12пч и АК12  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.1.2. Сплавы АК9 и АК9ч  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.1.3. Сплав АК7  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

2.2. Группа 2. Силумины с добавкой меди  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.2.1. Сплавы АК5Мч и АК6М2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
2.2.2. Сплав АК7М2Мг  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
2.2.3. Сплавы АК8М, АК8М3, АК9М2 и AlSi9Cu3 (Fe) . . . . . . . . . . . . . . 125
2.2.4. Сплавы АК12М2, AlSi12Cu1 (Fe), AlSi11Cu2 (Fe)  . . . . . . . . . . . . . 138

2.3. Группа 3 Поршневые силумины с добавкой никеля. . . . . . . . . . . . . . . . . 153
2.3.1. Сплавы АК12ММгН и АК12М2МгН. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
2.3.2. Сплав АК18  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

Îãëàâëåíèå

4

Глава 3. Повышение свойств силуминов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

3.1. Оптимизация состава  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
3.1.1. Область оптимальных концентраций меди и магния. . . . . . . . . . . 175
3.1.2. Влияние примесей и малых добавок  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

3.2. Оптимизация технологии получения чушек и отливок . . . . . . . . . . . . . . 186
3.2.1. Приготовление расплава и литье  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
3.2.2. Термическая обработка отливок. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

Библиографический список. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

Îãëàâëåíèå

5

Основную группу литейных алюминиевых сплавов составляют 
силумины (сплавы с кремнием в количестве 4–22 %), что связано с их 
технологичностью при использовании практически всех видов литья 
[1–8]. Несмотря на значительный прогресс в материаловедении, в 
частности в области создания новых сплавов и композитов, превосходящих по свойствам силумины, последние еще длительное время 
будут занимать ведущие позиции во многих отраслях промышленности 
(в частности, в автомобилестроении). В первую очередь это связано с 
относительно низкой стоимостью силуминов и возможностью широкого использования вторичного сырья при их производстве. Тем не менее 
современные требования к технике становятся все более жесткими, 
поэтому и качество литых деталей должно соответственно повышаться. Учитывая высокие объемы потребления алюминиево-кремниевых 
сплавов, борьба даже за сравнительно небольшое улучшение их качества может быть оправданной.
Важнейшими характеристиками силуминов, определяющими их 
технологичность и области применения, являются литейные и механические свойства. Последние определяются структурой и фазовым составом, которые в свою очередь формируются в зависимости от химического состава сплава, условий плавки, кристаллизации и последующей 
термической обработки. Практически все промышленные силумины 
являются многофазными сплавами, поэтому их металлографический 
анализ требует достаточно высокой квалификации. Научной основой 
анализа фазового состава (и частично микроструктуры) являются диаграммы состояния. Большинство промышленных силуминов содержат 
кроме кремния еще несколько легирующих элементов и примесей, 
что требует рассмотрения соответствующих диаграмм состояния, как 
минимум, трех- и четырехкомпонентных систем. Во многих случаях 

Введение

Ââåäåíèå

6

требуются и более сложные диаграммы, что резко усложняет анализ 
фазового состава. С другой стороны, именно такой анализ лежит в 
основе обеспечения системы качества сплавов при производстве, как 
чушек, так и отливок.
По нашему мнению, в современной материаловедческой литературе 
(особенно относящейся к промышленным сплавам) многокомпонентным диаграммам уделяется неоправданно мало внимания. Наиболее 
полно качественный анализ фазового состава сплавов на основе цветных металлов (в том числе алюминия) был выполнен А.М. Захаровым 
в его монографии [9]. Однако его книга носит в основном учебный 
характер и не предназначена для количественных оценок применительно к производству. Значительная информация, но в малой степени 
относящаяся к конкретным сплавам, приведена в сборниках по диаграммам состояния [10, 11]. В них приводятся лишь основные сведения 
по разным системам, в то время как для практического использования 
многокомпонентных диаграмм состояния применительно к конкретному сплаву удобно иметь серию политермических и изотермических 
сечений. Последние позволяют на основе обычных двухмерных графических изображений проанализировать влияние концентрации 
компонентов (или примесей) и температуры на фазовый состав. Для 
многих важнейших систем таких сечений в литературе приведено явно 
недостаточно, поэтому одна из задач данной книги заключалась в их 
построении. Именно на основе изотермических и политермических 
сечений соответствующих систем анализируются фазовый состав и 
структура промышленных силуминов. Значительная часть фрагментов 
многокомпонентных диаграмм состояния была построена авторами 
с помощью экспериментальных и расчетных методик, в том числе с 
использованием программы Thermo-Calc.
Структура силуминов достаточно широко представлена в литературе, однако она в малой степени привязана к многокомпонентным 
фазовым диаграммам, что в значительной мере затрудняет системный 
анализ. В некоторой степени это сделано в справочнике [1], однако в 
нем отсутствуют сечения диаграмм состояния, о значении которых 
было указано выше. Среди микроструктурных атласов следует выделить 
книгу Бэккеруда [12], в которой дается детальное описание формирования структуры в процессе кристаллизации наиболее используемых 
промышленных литейных алюминиевых сплавов, включая силумины. 
При этом используются некоторые многокомпонентные диаграммы 
состояния. Однако в этой книге также отсутствуют изотермические и 
политермические сечения применительно к рассматриваемым сплавам, 
а все структуры даны только в литом состоянии (т. е. термообработка 

Ââåäåíèå 

7

вообще не рассматривается). Кроме того, все микроструктуры получены в световом оптическом микроскопе (ОМ), что во многих случаях 
не позволяет надежно идентифицировать фазовый состав. Авторами 
данной книги широко использованы возможности электронной микроскопии (в основном сканирующей – СЭМ), которая позволяет выявить 
гораздо больше деталей по сравнению с ОМ.
На примере марочных силуминов, выпускаемых ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ», был проведен системный анализ их фазового состава, микроструктуры, а также важнейших характеристик. Поскольку 
на данном предприятии вопросам качества и выполнению требований 
потребителей уделяется первостепенное внимание, публикация данной 
книги должна наилучшим образом показать стремление к совершенствованию процесса производства силуминов. Активное участие ОАО 
«МОСОБЛПРОММОНТАЖ» в создании данной книги обусловлено 
желанием удовлетворить хотя бы часть многочисленных пожеланий 
потребителей сплавов в получении более широкого представления о 
качестве продукции. Авторы надеются, что данная публикация будет 
способствовать расширению номенклатуры литых деталей, производимых с использованием силуминов, приготовленных из вторичного 
сырья. С учетом современного состояния рынка в книге также даны 
основные сведения о силуминах. Стоит отметить, что в данном издании рассмотрен далеко не полный перечень марочных силуминов, 
производимых ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ», так как в настоящее 
время ведутся работы в области освоения новых сплавов с улучшенным 
комплексом свойств.
В настоящем справочнике обобщены, с одной стороны, научные 
результаты, накопленные за многие десятилетия в МИСиС, а с другой 
стороны, результаты почти 10-летней производственной деятельности 
ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ».
Книга рассчитана на широкий круг специалистов, которые имеют 
дело с силуминами. Среди них руководители предприятий и работники заводских лабораторий, ответственные за качество продукции, 
профессорско-преподавательский состав вузов, научные работники 
отраслевых и академических институтов, которые занимаются исследованиями в данной области. Она также может быть полезной аспирантам 
и студентам старших курсов при выполнении курсовых и дипломных 
работ, связанных с алюминиевыми сплавами.
Авторы выражают благодарность д. т. н. С.Б. Новичкову и 
А.Г. Строганову за ценные советы и помощь в создании книги. Отдельная благодарность А.Г. Цыденову за помощь, оказанную в создании данной книги.

Ââåäåíèå

8

С в е д е н и я  о б  а в т о р а х

Белов Николай Александрович – профессор МИСиС, доктор технических наук, директор инжинирингового центра «Инновационные 
литейные технологии и материалы» (ИЦ ИЛТМ) при кафедре технологии литейных процессов (ТЛП), специалист в области металловедения 
алюминиевых сплавов и многокомпонентных фазовых диаграмм, автор 
более 150 научных работ (включая 9 книг) и более 30 изобретений.

Савченко Сергей Вячеславович – начальник ЦЗЛ ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ», имеет 10-летний производственный опыт работы 
в условиях современного рынка, автор 7 научных работ (включая 
книгу).

Белов Владимир Дмитриевич – профессор МИСиС, доктор технических наук, заведующий кафедрой ТЛП, специалист в области технологии литейных процессов сплавов на основе цветных металлов, автор 
более 130 научных работ (включая книги) и более 20 изобретений.

Ââåäåíèå 

9

1.1. Алюминий, кремний и марочные силумины

1.1.1. Первичный алюминий

Алюминий имеет номер 13 в Периодической системе элементов Д.И. 
Менделеева, его атомная масса 27. Этот металл имеет гранецентрированную кубическую решетку (с периодом a = 0,40496 нм при 20 °С), его 
температура плавления составляет 660,37 °С, а плотность – 2,698 г/см3 
при 25 °С [13]. С повышением температуры плотность снижается и 
при температуре плавления составляет 2,550 г/см3 для твердой фазы и 
2,368 г/см3 для расплава. Значения теплопроводности и электросопротивления составляют примерно 2/3 от соответствующих значений для 
меди. С повышением температуры теплопроводность (λ) этого металла 
уменьшается. В частности, у алюминия чистотой 99,95 % при 22 °С 
λ = 221,5 Вт/(м ⋅ К), а при 647 °С λ = 184,5 Вт/(м ⋅ К). Температурный 
коэффициент линейного расширения (α) алюминия возрастает с повышением температуры: α = 23,3 ⋅ 106 К–1 при 27 °С, α = 26,8 ⋅ 106 К–1 

при 227 °С и α = 30,6 ⋅ 106 К–1 при 427 °С [13].
Алюминий отличается высокой коррозионной стойкостью на воздухе 
и многих других средах. Содержание алюминия в земной коре составляет 
8 % [4], по этому показателю он занимает 1-е место среди металлов и 
3-е – среди всех элементов, уступая лишь кислороду и кремнию.
По объему производства и потребления (более 22 млн т в год) он 
является бесспорным лидером среди всех цветных металлов. В РФ производится около 4 млн т, практически все производство первичного 
алюминия сосредоточено на заводах РУСАЛа, которые в основном 
располагаются в Сибири и на Урале (КрАЗ, БрАЗ, САЗ, НкАЗ и др.).
Стандартные марки первичного алюминия по ГОСТ 11069–2001 
[14] приведены в табл. 1.1. Для производства промышленных силуминов используется алюминий технической чистоты, марка выбирается 
в зависимости от предельно допустимого содержания железа в сплаве. 
Самый чистый технический алюминий марки А85 (до 0,08 % Fe) по
Глава 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИЛУМИНОВ

Ãëàâà 1. Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñèëóìèíîâ

10

зволяет производить наиболее качественные силумины. С другой стороны, бóльшая часть силуминов допускает более 0,5 % Fe и готовится 
на основе вторичного сырья, поэтому марка первичного алюминия (он 
обычно вводится для подшихтовки), как правило, не имеет значения.

Т а б л и ц а  1.1

Химический состав стандартных марок первичного алюминия,
производимого в России (ГОСТ 11069–2001)

Марка

Концентрация, % (мас.)

Fe
Si
Cu
Zn
Ti
Ост.
Всего
примесей
Al, %, не 
менее

Высокой чистоты

А995
0,0015
0,0015
0,001
0,001
0,001
0,001
0,005
99,995

А99
0,003
0,003
0,002
0,003
0,002
0,001
0,01
99,99

А98
0,006
0,006
0,002
0,003
0,002
0,001
0,01
99,98

А97
0,015
0,015
0,005
0,003
0,002
0,002
0,03
99,97

А95
0,03
0,03
0,015
0,005
0,002
0,005
0,05
99,95

Технической чистоты

А85
0,08
0,06
0,01
0,02
0,01
0,02
0,15
99,85

А8
0,12
0,10
0,01
0,04
0,02
0,02
0,20
99,80

А7
0,16
0,15
0,01
0,04
0,02
0,02
0,30
99,70

А7Е
0,2
0,08
0,01
0,04
0,02
0,02
0,30
99,70

А7Э
0,2
0,1
0,01
0,03
0,02
0,03
0,30
99,70

А6
0,25
0,18
0,01
0,06
0,03
0,03
0,30
99,60

A5E
0,35
0,1
0,02
0,05
0,01
0,02
0,20
99,50

А5
0,30
0,25
0,02
0,06
0,03
0,03
0,30
99,50

A35
0,65 (Fe+Si)
0,05
0,1
0,02
0,03
1,00
99,35

A0
0,95 (Fe+Si)
0,05
0,1
0,02
0,03
1,00
99,00

1.1. Àëþìèíèé, êðåìíèé è ìàðî÷íûå ñïëàâû

11

1.1.2. Первичный кремний

Кремний имеет номер 14 в Периодической системе элементов 
Д.И. Менделеева, его атомная масса 30. Этот элемент относится к полупроводникам, он имеет гранецентрированную кубическую решетку типа 
алмаза (с периодом a = 0,54304 нм при 20 °С), его температура плавления 
составляет 1415 °С, а плотность – 2,328 г/см3 (при 20 °С). Теплопроводность чистого кремния (99,99 %) при 27 °С составляет 152 Вт/(м ⋅ К), а 
при 907 °С – ∼30 Вт/(м ⋅ К). Удельное электрическое сопротивление при 
27 °С составляет 2310 Ом⋅м [13]. Температурный коэффициент линейного 
расширения (α) монокристаллического кремния существенно ниже, чем 
у алюминия (см. выше): α = 2,56 ⋅ 106 К–1 при 27 °С, α = 3,20 ⋅ 106 К–1 при 
127 °С и α = 3,86 ⋅ 106 К–1 при 327 °С. У поликристаллического кремния 
в интервале 20–1000 °С значение α составляет 3,82 ⋅ 106 К–1 [13].
Содержание кремния (по массе) в земной коре составляет 27,6 %, по 
этому показателю он занимает 2-е место среди всех элементов, уступая 
только кислороду [4]. Марки первичного (кристаллического кремния) 
по ГОСТ 2169–69 [15] приведены в табл. 1.2.

Т а б л и ц а  1.2

Химический состав стандартных марок первичного кремния,
производимого в России (ГОСТ 2169–69) 

Марка
Концентрация, %

Si1
Fe2
Al2
Ca2
Сумма2

Кр00
99,0
0,4
0,3
0,4
1,0

Кр0
98,8
0,5
0,4
0,4
1,2

Кр1
98,0
0,7
0,7
0,6
2,0

Кр2
97,0
1,0
1,2
0,8
3,0

Кр3
96,0
1,5
1,5
1,5
4,0

1 Не менее.
2 Не более.

Если мало- и среднекремнистые сплавы можно готовить без 
использования первичного кремния (этот элемент содержится во 
вторичном сырье), то для высококремнистых (заэвтектических) силуминов он необходим. В связи с этим возникает вопрос о приемлемости дешевых марок. Как следует из табл. 1.2, в сплавах c 20 % Si при 
использовании марки Кр3 концентрация железа может увеличиться 
на 0,3 %, что может быть недопустимым. Еще более серьезное ограничение накладывает кальций, который является одной из основных 

Ãëàâà 1. Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñèëóìèíîâ

12

примесей в первичном кремнии. По ГОСТ 1583–93 [16] предельно 
допустимая концентрация этого элемента в марочных силуминах 
специально не оговаривается, но на практике многие потребители 
требуют поставлять чушки с содержанием менее 0,003 %Ca. Это требование можно удовлетворить только при использовании высокочистого кремния. Отметим также, что растворение первичного кремния 
в алюминиевом расплаве требует достаточно высокой температуры 
(обычно выше 800 °С) и длительного времени, особенно при производстве заэвтектических силуминов.

1.1.3. Диаграмма Al–Si

В системе Al–Si [1, 10] отсутствуют промежуточные соединения, 
в равновесии между собой находятся твердые растворы на основе 
алюминия и кремния, которые далее обозначаются как (Al) и (Si) соответственно. Именно эти две фазы и составляют основу силуминов. 
Диаграмма Al–Si имеет простой эвтектический вид (рис. 1.1), реакция 
L → (Al) +(Si) протекает при 577 °С и 11–12,5 % Si (согласно термо
Рис. 1.1. Диаграмма состояния Al–Si