Структуры и дефекты слитков из алюминия и его сплавов

В основу монографии положены многолетние 
производственные и научные исследования в области производства алюминия и его сплавов на металлургических предприятиях России. Содержит 
информацию о фазовом составе алюминиевых сплавов, структуре круглых, сплошных, полых и плоских 
слитков и типичных дефектах в них на различных 
этапах производства.

СТРУКТУРЫ И ДЕФЕКТЫ СЛИТКОВ  
ИЗ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации  
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
СТРУКТУРЫ И ДЕФЕКТЫ СЛИТКОВ  
ИЗ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск  
СФУ 
2018 

– 2 – 

УДК 669.71:620.19 
ББК 34.233.1 
С873 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
М.Г. Спичак, генеральный директор АО «Арконик СМЗ»; 
А.М. Дриц, кандидат технических наук, директор по развитию 
бизнеса и новых технологий АО «Арконик СМЗ» 
 
Авторский коллектив: 

 
В.И. Напалков,   
Д.А. Попов, 
А.Е. Афанасьев,  
В.Н. Баранов, 
Б.В. Овсянников,  
В.Ф. Фролов 
Т.Н. Ковалева, 
 
С873   
Структуры и дефекты слитков из алюминия и его сплавов : 
монография / В.И. Напалков, А.Е. Афанасьев, Б.В. Овсянников  
[и др.]. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2018. – 172 с. 
 
ISBN 978-5-7638-3990-6 
 
В основу монографии положены многолетние производственные и научные исследования в области производства алюминия и его сплавов на металлургических предприятиях России. Содержит информацию о фазовом составе 
алюминиевых сплавов, структуре круглых, сплошных, полых и плоских слитков и типичных дефектах в них на различных этапах производства. 
Включает большое количество иллюстраций структуры и видов дефектов, что позволяет провести их идентификацию, установить причину появления 
и оперативно принять меры по их устранению. 
Предназначена для инженерно-технических работников металлургических предприятий и научно-исследовательских институтов, а также для студентов, обучающихся по специальности 22.00.00 «Технологии и материалы». 
 
 
Электронный вариант издания см.:  
УДК 669.71:620.19 
http://catalog.sfu-kras.ru  
ББК 34.233.1 
 
ISBN 978-5-7638-3990-6 
© В.И. Напалков, 
 
А.Е. Афанасьев, 
 
Б.В. Овсянников, 
 
Д.А. Попов, 
 
В.Н. Баранов, 
 
В.Ф. Фролов, 2018 
 
© Сибирский федеральный  
 
университет, 2018 

– 3 – 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................................................ 4 

Глава 1. СТРУКТУРА СЛИТКОВ И ИХ ФАЗОВЫЙ СОСТАВ .................. 6 
1.1. СЛИТКИ НЕЛЕГИРОВАННОГО АЛЮМИНИЯ ................................................. 6 
1.2. СЛИТКИ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ AL-CU-(MG-MN) ........................................ 9 
1.3. СЛИТКИ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ AL-MN ...................................................... 19 
1.4. СЛИТКИ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ AL-SI ......................................................... 21 
1.5. СЛИТКИ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ AL-MG ...................................................... 22 
1.6. СЛИТКИ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ AL-MG-SI-(CU) ......................................... 24 
1.7. СЛИТКИ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ AL-ZN-(MG-CU) ....................................... 27 
1.8. СЛИТКИ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ AL-ME-LI .................................................. 32 
1.9. ДРУГИЕ МАРКИ ДЕФОРМИРУЕМЫХ СПЛАВОВ .......................................... 36 

Глава 2. ВИДЫ ДЕФЕКТОВ ЛИТОГО МЕТАЛЛА В СЛИТКАХ ............ 38 
2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТОВ .................................................................. 38 
2.2. ТРЕЩИНЫ ЛИТЕЙНЫЕ .............................................................................. 39 
2.3. ОТРЫВ ДОННОЙ ЧАСТИ СЛИТКА .............................................................. 60 
2.4. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВОЗНИКНОВЕНИЕ ТРЕЩИН ............................ 62 
2.5. ДЕФЕКТЫ ПОВЕРХНОСТНЫЕ .................................................................... 82 
2.6. ДЕФЕКТЫ ГЕОМЕТРИИ ............................................................................ 107 
2.7. ДЕФЕКТЫ ВНУТРЕННИЕ .......................................................................... 109 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................. 143 

ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................................................................. 144 
 
 

– 4 – 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
 
 
Алюминиевые деформируемые сплавы являются важнейшими конструкционными материалами. Их используют для изготовления широкого ассортимента полуфабрикатов, которые применяют в различных областях, таких как аэрокосмическая техника, 
судостроение, автомобильный и железнодорожный транспорт, 
строительство, атомная энергетика, электротехника и др. В соответствии с этим к качеству данных изделий предъявляют особые 
требования. 
Одна из важнейших задач, направленных на повышение качества полуфабрикатов, – установление природы различных металлургических дефектов и разработка научных и технологических мероприятий по их устранению. В этом направлении в 60–70-е гг. ХХ в. 
была проведена большая работа во Всесоюзном институте легких 
сплавов и внедрена на металлургических заводах, которые производят алюминиевые полуфабрикаты.  
В настоящее время обнаружены новые виды дефектов в слитках из алюминиевых сплавов, которые представлены в данном издании и в монографии «Металлография металлургических дефектов  
в прессованных полуфабрикатах из алюминиевых сплавов».  
Кроме того, развитие металлургической науки и технологии 
производства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов за последние 
десятилетия привело к определенной корректировке представлений  
о причинах ряда дефектов и способов их устранения.  
Настоящая монография, посвященная вопросам металлургических дефектов в слитках из алюминиевых сплавов, дополняет  
и развивает основные положения. В ней приведена классификация 
металлургических дефектов на основе природы их образования, 
название терминов и их определение, которые являются едиными 
для работы на металлургических заводах. Также представлен анализ причин образования дефектов, описание и рекомендации по 
устранению их в технологическом процессе. Каждый дефект характеризуется иллюстративным материалом, содержит виды характерных дефектов в слитках из алюминиевых сплавов. Данная моно

– 5 – 

графия весьма актуальна и представляет большой научный и практический интерес не только для технического персонала металлургических заводов, но и для технического персонала предприятий,  
использующих полуфабрикаты из алюминиевых сплавов, а также 
для научно-исследовательских институтов и высших технических 
учебных заведений. 
 

– 6 – 

Глава 1 
СТРУКТУРА СЛИТКОВ И ИХ ФАЗОВЫЙ СОСТАВ 

 
 
1.1. СЛИТКИ НЕЛЕГИРОВАННОГО АЛЮМИНИЯ 
 
Алюминиевые сплавы, содержащие только примеси и попадающие в алюминий в процессе электролиза, в настоящее время принято 
называть нелегированным алюминием. Однако с целью повышения 
технологичности данные сплавы обычно легируют небольшим количеством железа и титана, а в процессе литья производят модифицирование 
лигатурой алюминий – титан – бор. Для применения данных сплавов  
в специальных областях техники в нелегированном алюминии ограничивают содержание некоторых элементов, например, для алюминия 
электротехнического назначения ограничивают сумму Mn + Cr + Ni + V,  
для атомной энергетики ограничивают содержание бора, для алюминия пищевого назначения ограничивают примеси свинца и мышьяка. 
Нелегированный алюминий относится к сплавам, упрочняемым 
только деформацией (термически не упрочняемым сплавам). Химический состав сплавов, относящихся к нелегированному алюминию, 
в соответствии с российскими и зарубежными стандартами приведен 
в табл. 1.1. 

 
Таблица 1.1 

 
Химический состав основных марок нелегированного алюминия 

 

Марка 
Стандарт 
Массовая доля элементов, % 

Si 
Fe 
Cu 
Mn 
Mg 
Zn 
Ti 
Al 

АД00 
ГОСТ 4784 
0,20 
0,25 
0,03 
0,03 
0,03 
0,07 
0,03 99,70

АД0 
ГОСТ 4784 
0,25 
0,40 
0,05 
0,05 
0,05 
0,07 
0,05 99,50

АД1 
ГОСТ 4784 
0,30 
0,30 
0,05 
0,025
0,05 
0,10 
0,15 99,30

АД 
ГОСТ 4784 
Si+Fe: 1,0 
0,05 
0,05 
– 
0,10 
0,05 
99,0 

А0 
ГОСТ 11069 
Si+Fe: 0,95 
0,05 
005 
0,05 
0,10 
0,02 
99,0 

А5 
ГОСТ 11069 
0,25 
0,30 
0,02 
0,05 
0,03 
0,06 
0,02 99,50

А6 
ГОСТ 11069 
0,18 
0,25 
0,01 
0,03 
0,03 
0,05 
0,02 99,60

А7 
ГОСТ 11069 
0,15 
0,16 
0,01 
0,03 
0,02 
0,04 
0,01 99,70

А99 
ГОСТ 11069 
0,003 
0,003 
0,0020 
0,002
0,0010 0,003 0,002 99,9 

1100 
ISO 209 
Si+Fe: 0,95 
0,05–0,20
0,05 
– 
0,10 
– 
99,0 

1050 
ISO 209 
0,25 
0,40 
0,05 
0,05 
0,05 
0,05 
0,03 99,50

– 7 – 

 
а                                                                             б 

 
Рис. 1.1. Структура слитков алюминия различной чистоты: 
а – высокой чистоты (А99); б – технической чистоты (АД1) 
 

 
а                                    б 

 
Рис. 1.2. Структура плоского  
слитка алюминия АД1 
Рис. 1.3. Структура круглых слитков алюминия 
АД1 диаметром 370 мм: а – без модифицирования; б – с модифицированием 0,1 Ti 
 
Структура слитков алюминия высокой чистоты обычно столбчатая (рис. 1.1, а). Структура слитков алюминия технической чистоты  
за счет присутствия примесей железа в количестве до 0,3 % и титана 
до 0,02 % имеет равноосное зерно, но неоднородное по размеру зерна по сечению слитка (рис. 1.1, б, 1.2). При производстве слитков 
алюминиевых сплавов для измельчения структуры вводят модифи

– 8 – 

цирующие добавки лигатурой AlTiB и по сечению слитка получается 
мелкокристаллическая структура (рис. 1.3). Вследствие присутствия 
железа и кремния технический алюминий является тройным сплавом 
Al-Fe-Si. Типичные микроструктуры литого слитка высокой и технической чистоты представлены на рис. 1.4, а, б. При превышении  
в техническом алюминии содержания железа над содержанием 
кремния в пределах 1,3–1,5 по границам дендритных ячеек наблюдаются иглообразные кристаллы Al3Fe, которые выделяются из расплава как составляющие эвтектики α(Al)+Al3Fe (рис. 1.4, в). При других соотношениях железа и кремния образуются соединения 
α(AlFeSi) и β(AlFeSi) (рис. 1.4, г). Последняя фаза наблюдается при 
соотношении Si:Fe более 1,3. Тройные соединения образуются по 
перитектической реакции или выделяются непосредственно из расплава в форме скелетообразных кристаллов (фаза α) и пластинчатых 
кристаллов (фаза β). Эти три фазы являются хрупкими, что приводит 
к снижению пластичности алюминия. После проведения процесса 
гомогенизации границы дендритных ячеек фазы β становятся более 
тонкими и прерывистыми, что свидетельствует о частичном растворении и коагуляции химических соединений. Как сплав с узким  
интервалом кристаллизации алюминий обладает повышенной склонностью к образованию горячих кристаллизационных трещин (горячеломкость), которые обусловлены усадкой при переходе из твердожидкого состояния в твердое. Для снижения склонности к горячеломкости необходимо выдерживать соотношение Fe : Si = 1,3–1,5,  
а также вводить в расплав модификаторы в виде алюминидов титана 
или AlTiB, чтобы уменьшить размер дендритов и снизить напряжения на границе зерна в процессе усадки. 
 
 

а 
в 
б 
г 

 
Рис. 1.4. Микроструктура слитков алюминия различной чистоты: 
а – алюминий высокой чистоты ×150; б – алюминий технической чистоты ×150;  
в – фаза Al3Fe в алюминии техническом ×300; г – фаза AlFeSi  
в алюминии техническом ×150 

– 9 – 

1.2. СЛИТКИ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Al-Cu-(Mg-Mn) 
 
 
Алюминиевые сплавы, основным легирующим элементом  
которых является медь, образуют большую группу термически 
упрочняемых сплавов средней прочности, которую можно разделить 
на четыре основные подгруппы: 
 сплавы системы Al-Cu-Mn – криогенные сплавы, имеющие 
прочность и пластичность при температуре жидкого азота значительно выше, чем при комнатной температуре, и неохрупчивающиеся при температурах, близких к абсолютному нулю; сплавы данной 
системы обладают высокой длительной прочностью при повышенных температурах; 
 сплавы системы Al-Cu-Mg-Mn – сплавы, традиционно называемые дуралюминами в честь первого термически упрочняемого 
алюминиевого сплава, относящегося к данной системе; 
 сплавы системы Al-Cu-Mg-Si-Mn – сплавы, разработанные  
в первую очередь для изготовления поковок и штамповок (ковочные); 
 сплавы системы Al-Cu-Mg-Fe-Ni – жаропрочные сплавы.  
 
 
Слитки сплавов системы Al-Cu-Mn 
 
Химический состав сплавов системы Al-Cu приведен в табл. 1.2. 
 
Таблица 1.2 
Химический состав сплавов системы Al-Cu 
 

Марка 
сплава Стандарт 
Массовая доля элементов, % 

Si 
Fe 
Cu 
Mn 
Mg
Zn
Ti 
Zr 
V 

Д20 ГОСТ 4784 0,3 
0,3 6,0–7,0
0,4–0,8 0,05 0,1
0,1–0,2 
0,2 
– 

1201 ГОСТ 4784 0,20 0,30 5,8–6,8 0,20–0,40 0,02 0,10 0,02–0,10 0,10–0,25 0,05–0,15
2219 
ISO 209 
0,20 0,30 5,8–6,8 0,20–0,40 0,02 0,10 0,02–0,10 0,10–0,25 0,05–0,15

 
 
Слитки сплавов системы Al-Cu-Mg-Mn 
 
Химический состав сплавов системы Al-Cu-Mg-Mn приведен  
в табл. 1.3.