Металловедение литейных алюминиевых сплавов

МЕТАППУРГИЯ И МАТЕРИАПОБЕДЕНИЕ XXI БЕКА 

К 75-летию 

Московского Государственного института стали и сплавов 

(Технологического университета) 

В. с. ЗОЛОТОРЕВСКИИ 
Н. А. БЕЛОВ 

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ 

ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ 

СПЛАВОВ 

МОСКВА 
•мисис» 

2005 

УДК 669.715:621.74 
ББК 34.23 
380 

380 
Золоторевский В. С, Белов Н. А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. 
М.: • МИСиС», 2005. - 376 с. 

ISBN 5 87623-126-6 

В книге обобщены результаты многолетних исследований кафедры металловедения 
цветных металлов МИСиС по структуре и свойствам литейных алюминиевых сплавов. 
Проанализирована роль легирующих элементов и примесей. Приведены фазовые диаграммы двойных и многокомпонентных систем на основе алюминия. Систематически 
рассмотрено формирование микро- и субструктуры алюминиевых сплавов в процессе 
неравновесной кристаллизации и последующей термообработки. Рассмотрены общие особенности механических и литейных свойств алюминиевых сплавов, структура и свойства 
промышленных силуминов, сплавов на основе систем AI—Си и А1—Mg. Сформулированы 
подходы к созданию новых эвтектических сплавов и показаны возможности их реализации на примере высокопрочных сплавов, сплавов с переходными металлами и вторичных 
сплавов. 

Книга предназначена для специалистов в области разработки, исследования и производства литейных алюминиевых сплавов и изаелий из них. Может быть полезна аспирантам и студентам старших курсов, обучающимся по металлургическим специальностям. 
Ил. 216. Табл. 102. Библиогр. Список: 350 назв. 

ББК 34.23 

ISBN 5 87623-126-6 
О Эомггоревошй B.C., Белов НЛ. 
О МИСиС, 2005 

СОЛЕРЖЛИИЕ 

Введение 
7 

Условные обозначения 
.• 
10 

Раздел 1. ЯЕПРУШЩКЕ ЗКЕМЕПЫ И ЯРШЕСК. вЛЗввЫЕ МКЯГРЛММЫ 
11 

1.1. Роль легирующих элементов и примесей. Базовые системы 
11 

1.2. Диафаммы состояния тройных систем 
22 

1.2.1. Система A!-Be-Fe 
22 

1.2.2. Система Al-Be-Si 
23 

1.2.3. Система А1—Се—Си 
24 

1.2.4. Система Al-Ce-Fe 
25 

1.2.5. Система Al-Ce-Ni 
27 

1.2.6. Система Al-Ce-Si 
28 

1.2.7. Система Al-Cr-Fe 
28 

1.2.8. Система Al-Cr-Mg 
29 

1.2.9. Система А1-Сг-Мп 
30 

1.2.10. Система Al-Cr-Si 
31 

1.2.11. Система Al-Cu-Fe 
32 

1.2.12. Система Al-Cu-Mg 
34 

1.2.13. Система Al-Cu-Mn 
35 

1.2.14. Система Al-Cu-Ni 
37 

1.2.15. Система Al-Cu-Si 
38 

1.2.16. Система Al-Cu-Zn 
39 

1.2.17. Система Al-Fe-Mg 
41 

1.2.18. Система Al-Fe-Mn 
41 

1.2.19. Система Al-Fe-Ni 
42 

1.2.20. Система Al-Fe-Si 
43 

1.2.21. Система Al-Mg-Mn 
45 

1.2.22. Система Al-Mg-Si 
46 

1.2.23. Система Al-Mg-Zn 
48 

1.2.24. Система Al-Mn-Ni 
50 

1.2.25. Система Al-Mn-Si 
51 

1.2.26. Система Al-Ni-Si 
52 

1.3. Диаграммы состояния четырехкомпонентных систем 
52 

1.3.1. Система Al-Be-Fe-Si 
53 

1.3.2. Система Al-Cu-Fe-Mg 
55 

1.3.3. Система Al-Cu-Fe-Mn 
56 

1.3.4. Система Al-Cu-Fe-Ni 
57 

1.3.5. Система Al-Cu-Fe-Si 
58 

1.3.6. Система Al-Cu-Mg-Mn 
59 

1.3.7. Система Al-Cu-Mg-Si 
60 

1.3.8. Система Al-Cu-Mg-Zn 
62 

1.3.9. Система Al-Fe-Mg-Mn 
64 

1.3.10. Система Al-Fe-Mg-Si 
65 

1.3.11. Система Al-Fe-Mn-Si 
66 

1.3.12. Система Al-Fe-Ni-Si 
68 

1.3.13. Система Al-Mg-Mn-Si 
69 

1.3.14. Система Al-Mg-Ni-Si 
70 

1.4. Диаграммы состояния пятикомпонентных систем 
71 

1.4.1. Система Al-Fe-Cu-Mg-Si 
73 

1.4.2. Пятикомпонентные системы с марганцем 
77 

Раздел 2. СТРУКГГРЛ ЛЙШМКМИЕШК СЙЯАВвВ В ЙИТШ евеГвЮНК 
80 

2.1. Количественные характеристики структуры и методы их оценки 
80 

2.2. Неравновесная кристаллизация двойных сплавов 
86 

2.2.1. Внутрикристаллитная ликвация 
87 

2.2.2. Влияние скорости охлаждения при кристаллизации 

на образование избыточных фаз 
98 

2.3. Неравновесная кристаллизация многокомпонентных сплавов 
103 

2.3.1. Неравновесные фазовые диаграммы многокомпонентных систем 
103 

2.3.2. Внутрикристаллитная ликвация в трехкомпонентных 

и промышленных алюминиевых сплавах 
113 

2.4. Микроструктура литых алюминиевых сплавов 
121 

2.5. Субструктура литых алюминиевых сплавов 
129 

2.5.1. Типы дислокационной структуры в литых алюминиевых сплавах 

разных систем 
129 

2.5.2. Влияние условий кристаллизации на дислокационную структуру 
133 

2.5.3. Механизм формирования конечной дислокационной структуры 

литых алюминиевых сплавов 
137 

2.5.4. Распад алюминиевого твердого раствора при охлаждении сплавов 

после окончания кристаллизации 
143 

Раздел 3. ишак ПРЮтСКМ ПРЛиТКМ §М СТРУКТУРУ МКТЫИ итктиИШШ СЮЛт 
148 

3.1. Гомогенизаиионный отжиг 
148 

3.1.1. Растворение неравновесных избыточных фаз 

при гомогенизационном отжиге 
149 

3.1.2. Устранение внутрикристаллитной ликвации 

при гомогенизационном отжиге 
162 

3.1.3. Фрагментация и сфероидизация фаз кристаллизационного 
происхождения 
172 

4 

3.1.4. Изменение зеренной и дислокационной структуры 

алюминиевого раствора при гомогенизационном отжиге 
180 

3.1.5. Распад алю.миниевого твердого раствора при изотермической 

выдержке под закалку 
187 

3.1.6. Развитие пористости при гомогенизации 
195 

3.2. Старение после литья и закалки 
196 

Раздел 
4. ЗАВИСИМОСТЬ ЯКТЕЙВЫХ И МЕХАВИЧЕСКМХ СВВЙСТВ АЯШМИВИЕВЫХ СВВАВвВ 

ВТ ИХ СОСТАВА К СТРУКТУРЫ 
200 

4.1. Литейные свойства 
200 

4.1.1. Общая характеристика литейных свойств 
200 

4.1.2. Зависимость литейных свойств от состава 
209 

4.2. Механические свойства 
221 

4.2.1. Геометрия диафамм растяжения литых и закаленных сплавов 

и ее связь со структурными изменениями при деформации 
221 

4.2.2. Количественный анализ связей между механическими 

свойствами при растяжении и характеристиками структуры отливок 
227 

4.2.3. Расчеты механических свойств отливок по совокупности 

структурных характеристик 
238 

4.2.4. Влияние структуры отливок на вязкость разрушения и усталость 
244 

4.2.5. Закономерности изменения механических свойств 

в зависимости от состава сплавов 
252 

Раздел 
5. ВРвМЫИВЕЙВЫЕ СВЙЛВЫ 
267 

5.1. Силумины 
267 

5.1.1. Общая характеристика силуминов 
267 

5.1.2. Промышленные силумины без меди и цинка («безмедистые») 
276 

5.1.3. Промышленные силумины, легированные медью и цинком 
(«медистые» и «цинковистые») 
282 

5.1.4. Поршневые силумины 
290 

5.2. Сплавы на основе системы А1—Си 
292 

5.3. Магналии и сплавы на основе системы А1—Mg—Zn 
298 

5.3.1. Общая характеристика магналиев 
298 

5.3.2. Промышленные сплавы на базе систем Al-Mg и А1—Mg—Zn 
302 

Раздел 
6. ВВВЫЕ СВМАВЫ 
306 

6.1. Сплавы с малым количеством эвтектики 
306 

6.2. Общие принципы легирования сплавов эвтектического типа 
312 

6.3. Высокопрочный свариваемый никалин AU6H4 
318 

6.4. Жаропрочные сплавы, легированные переходными металлами 
323 

6.5. Малокремнистые (< 4 % Si) силумины 
330 

Библиографический список 
336 

Приложение I. Составы стандартных литейных алюминиевых сплавов РФ и США 
34" 

Приложение 2. Основные характеристики двойных фазовых диаграмм систем 

на основе алюминия 
363 

Приложение 3. Гарантируемые механические свойства стандартных литейных 

алюминиевых сплавов по ГОСТ 1583-93 
365 

Приложение 4. Оптимальные режимы термической обработки стандартных 

литейных алюминиевых снлавов по ГОСТ 1583-93 
369 

Приложение 5. Данные по вязкости разрушения, ударной вязкости, пределе 

выносливости, характеристикам жаропрочности, коррозионной 
стойкости и литейным свойствам стандартных силуминов 
374 

Ввеавиие 

Литейными называют сплавы, которые используются для производства фасонных отливок. Литейные алюминиевые сплавы — широко распространенные (в основном конструкционные) материалы, потребление которых растет с каждым годом 
почти во всех отраслях современной промышленности. 

По разным оценкам от 20 до 30 % всего производимого в мире алюминия используется в фасоннолитейном производстве. В Советском Союзе в конце 1970-х 
годов производилось более 1 млн т алюминиевых отливок. Это производство было 
рассредоточено на сотнях заводах различных министерств. Аналогичная ситуация 
наблюдается и в других промышленно развитых странах. Так, в США сейчас работают более 400 литейных алюминиевых фабрик (у нас в стране они называются центролитами). Кроме того, существуют сотни цехов и участков алюминиевого литья в 
составе различных предприятий, выпускающих изделия с деталями, изготовленными методами фасонного литья из алюминиевых сплавов. 

Особенностью производства литейных алюминиевых сплавов является высокая 
доля используемого вторичного сырья. В США, Западной Европе, Японии 70—85 % 
от массы шихты при выплавке литейных алюминиевых сплавов составляют лом и 
отходы, что в несколько раз больше, чем аналогичная цифра для деформируемых 
алюминиевых сплавов. Раньше это объяснялось более низким уровнем требований 
к свойствам большинства отливок, которые использовались для производства не 
очень ответственных (в частности слабо нафуженных) деталей. Для таких деталей 
применение вторичных сплавов с повышенным содержанием примесей было допустимым. 

Однако в последние 10-15 лет ситуация постепенно меняется. Сейчас благодаря 
совершенствованию технологий плавки и литья удается получать высококачественные отливки с уровнем свойств, не уступающим соответствующим свойствам деформированных полуфабрикатов. Причем это удается делать не только на 
первичных, но и на вторичных сплавах. Основной же причиной сохранения высокой доли использования вторичного сырья в производстве отливок из алюминиевых 
сплавов теперь является их более низкая себестоимость. 

Наша страна пока отстает по уровню технологии в литейном производстве от 
передового уровня. В нашем фасоннолитейном производстве до сих пор не стало 
обязательным применение современных эффективных методов очистки расплава от 
вредных неметаллических примесей, практически не используется ГИП (горячее изостатическое прессование) для устранения пористости. В результате качество отливок, особенно из вторичных сплавов, на отечественных заводах заметно уступает качеству лучших зарубежных образцов. 

Основные требования к литейным алюминиевым сплавам - это высокий уровень эксплуатационных характеристик (т е. механических и коррозионных свойств) 
в сочетании с хорошей технологичностью при литье. Последнее для используемых 
сейчас в прюмышленности технологий означает низкую склонность к образованию 
горячих (кристаллизационных) трещин, хорошую жидкотекучесть, минимальную 
усадочную пористость, т. е. хорошие литейные свойства. Именно благодаря им силумины — сплавы, в которых основным легирующим элементом (> 4 мае. %) является кремний, - уже более 60 лет сохраняют свои лидирующие позиции среди всех 
известных литейных алюминиевых сплавов. И это несмотря на то, что они уступают 
по низкотемпературной прочности сплавам на базе систем А1—Си и Al-Zn—Mg-Cu. 
По жаропрочности — сплавам А1—Си—Мп, по коррозионной стойкости — сплавам 
A]-Mg и Al-Zn-Mg. Однако все эти сплавы с хорошими эксплуатационными характеристиками имеют низкие литейные свойства. Результат, более 90 % (!) алюминиевого литья делается из силуминов. 

Сложившаяся ситуация ненормальна, поскольку тормозит дальнейшее повышение качества фасонных отливок из алюминиевых сплавов. По всей видимости, есть 
два направления решения этой многолетней проблемы: 

1) дальнейшее совершенствование технологии и создание новых технологических процессов, которые позволят получать качественные отливки из сплавов с низкими литейными свойствами; 

2) разработка новых сплавов, сочетающих высокие эксплуатационные свойства 
с хорошей технологичностью при литье по традиционным технологиям (на уровне 
силуминов). 

По объемам применения (в тоннах) фасонных отливок из алюминиевых сплавов 
несомненным лидером является автомобильная промышленность. С каждым годом 
эти объемы заметно растут, особенно показательно последнее десятилетие, когда 
существенно увеличивалось количество выпускаемых машин и начало развиваться 
производство «алюминиевых» автомобилей. Уже давно из алюминиевых сплавов 
льют блок цилиндров, головку блока, поршень, корпуса и крышки различных других устройств «под капотом», детали интерьера салона. В последние годы к ним прибавились корпусные детали в автомобилях с алюминиевым кузовом, детали систем 
управления и ходовой части. Вся эта большая номенклатура отливок изготавливается различными методами фасонного литья в условиях крупносерийного производства - миллионами отливок в год. 

Благодаря высокой удельной прочности, коррозионной стойкости, относительно низкой трудоемкости производства литейные алюминиевые сплавы широко 
используются и в других транспортных отраслях машиностроения: аэрокосмическом 
комплексе, судостроении, железнодорожном транспорте. Если в автомобилестроении 
пока используются в основном различные силумины, то в аэрокосмическом комплексе значительная относительная доля (по массе) отливок приходится на высокопрочные сплавы системы AI—Си типа АМ5 (АЛ19) в России, 2ХХ серии в США, в 
судостроении - на коррозионностойкие Al—Mg сплавы типа АМгбл (АЛ23) в России 
и 5ХХ серии в США. Сплавы на базе системы Al—Mg (наряду с силуминами) используются и в вагоностроении. Например, из сплавов типа АМгбл отливают массивные 
корпуса тормозных букс. 

Серьезными потребителями и производителями отливок из алюминиевых сплавов у нас в стране и за рубежом являются оборонная промышленность, электроника, 
ядерная энергетика и многие др. В качестве примеров использования алюминиевого 
литья можно привести танковые башни, колеса различных бронемашин, корпуса 
электромоторов. 

Успехи дальнейшего совершенствования существующих и разработки новых литейных алюминиевых сплавов в значительной мере определяются состоянием металловедения этих сплавов, т. е. уровнем наших знаний о зависимости их свойств от 
состава и структуры. Во второй половине XX века этот уровень был существенно повышен, однако и сейчас остается много вопросов по закономерностям и природе 
структуры и свойств отливок. Такая ситуация в значительной мере обусловлена тем, 
что металловедением литейных алюминиевых сплавов занималось лишь небольшое 
число специалистов как у нас в стране, так и, особенно, на Западе. В американских и 
западноевропейских университетах эта тематика была «немодной». Исследованиями и разработкой новых литейных алюминиевых сплавов занимались лишь немногие технические центры крупных промышленных компаний. 

В настоящей книге обобщены в основном материалы, накопленные за многие 
десятилетия на кафедре металловедения цветных металлов МИСиС под руководством сначала А. А. Бочвара( 1930—40-е годы), затем И. И. Новикова (1950—60-е годы) 
и позднее — авторов. В этих работах принимали участие многие преподаватели, сотрудники, аспиранты и студенты кафедры. Среди них надо вьшелить внесших особенно значительный вклад канд. техн. наук В. В. Истомина-Кастровского, докт. техн. 
наук В. В. Темнова, докт. техн. наук Т. Н. Чурбакову. 

Авторы выражают большую благодарность инженеру В. В. Чеверикину и 
Н. Н. Авксентьевой за помощь при подготовке рукописи. 

УЕйвВНЫЕ ввезиАЧЕЙИЯ 

(А1), (Si) - твердые растворы на основе алюминия, кремния и других элементов 
О-размер зерна первичных кристаллов (А1): /)„,,„, Z)„^ — минимальный и максимальный размеры 

d - размер дендритной ячейки первичных кристаллов (А1) 
d' - размер субзерна 
D^~ размер эвтектических колоний 
dg — толщина ветвей фаз в эвтектике 
V^ - скорость охлаждения при кристаллизации 
5 - удельная поверхность включений (границ зерен) 
Cj^- концентрация компонента в сплаве: Cj, Cj, С^-ц, Ср^ 
С^_^ - концентрация компонента в фазе; С,.^, С2.2, C^-U-AI 
С^, Сд - концентрация компонента в эвтектике и предельная растворимость в (А1) 
ДС, C^j^, C^j^ - разность концентраций, минимальная и максимальная концентрации 

А'- коэффициент распределения элемента 
0J,-объемная доля фаз, пор и эвтектики 
Q^ - массовая доля фазы или эвтектики 
т - толщина включений второй фазы 
/ - расстояние между включениями второй фазы 
у-плотность 
р - плотность дислокаций 
р, -плотность дислокаций, не входящих в плоские субграницы 
Р2 - плотность дислокаций, сосредоточенных в плоских субграницах 
Ь - вектор Бюргерса дислокаций 
а — период кристаллической решетки 
8 - угол разориентировки между субзернами 
Dy - коэффициент объемной диффузии 
Т - температура 
т - время 
% - содержание элементов дано в массовых процентах (мае. %), если не указано ино