Одна из основных категорий лёгких металлов, которые широко применяются в различных отраслях промышленности, - сплавы на основе алюминия. Наиболее распространённый из них - литейный сплав АК12. Для успешного практического использования металла специалистам необходимо уметь правильно распоряжаться информацией о его назначении, составе и свойствах.

Характеристика сплава

В различных областях промышленности наряду с высокопрочными сплавами на основе чёрных металлов (сталь, чугун) широко используются лёгкие соединения на основе алюминия и кремния - силумины. Они отличаются большей прочностью и износостойкостью в сравнении с чистым алюминием, но несколько уступают соединениям алюминия с медью.

Один из наиболее распространённых сплавов алюминия с кремнием - АК12. Он относится к категории литейных.

По устаревшей классификации маркировался литерами АЛ - алюминий литейный.

АК12 по свойствам можно разделить на три группы:

Физические

удельная теплоёмкость - 838 Дж/(кг*град);
модуль упругости - 0,7 Мпа;
плотность - 2650 кг/м3;
коэффициент температурного расширения - 21,1 1/Град;
удельное электрическое сопротивление - 54,8 Ом*м.

Механические

твёрдость по Бринеллю - НВ 10-1=50 МПа;
временное сопротивление разрыву при литье в кокиль или под давлением - 147-157МПа;
относительное удлинение при литье в кокиль - 2-3%;
относительное удлинение при литье под давлением - 1-2%.

Литейно-технологические

коэффициент линейной усадки - 0,8%.

Силумин герметичен и очень устойчив к коррозии. У сплава АК12, применяющегося в морской воде, доля меди в соответствии с требованиями стандарта не должна превышать 0,3%. Отличные антикоррозионные свойства сплав проявляет и в других средах:

слабокислой;
щелочной;
в условиях высокой влажности.

К отрицательным свойствам сплава АК12 следует отнести следующие: - хрупкость при механической обработке.

высокий показатель пористости;
крупнозернистая эвтектическая структура отливок;
невысокий порог физических нагрузок.

Достичь увеличения прочности путём термообработки (закалки) отливок сплава невозможно.

Химический состав

По ГОСТу 1583-93 «Сплавы алюминиевые литейные» АК12 имеет следующий химический состав:

1. Основные металлы

алюминий - 84,3-90%.
кремний - 10-13%.

2. Примеси

железо - до 1,5%
медь - до 0,6%
марганец - до 0,5%
цинк - до 0,3%
магний и титан - до 0,1%

Высоких механических показателей сплав достиг после модификации химическими добавками:

натрием;
калием;
литием.

В отдельных случаях могут применять также соли вышеуказанных химических элементов. Доля модификаторов в составе сплава не превышает 0,01%. Их назначение - увеличение показателя пластичности при литье путём связывания атомов кремния.

Кроме традиционных модификаторов в последнее время стала широко применяться технология добавки соединений на основе стронция, который устойчив к угару. Также его добавка не приводит к увеличению газовой усадки и пористости отливки. АК12 с добавлением стронция сохраняет физико-химическую структуру после многоразовой переплавки.

Практическое применение сплава АК12

Из-за высокого показателя жидкотекучести сплав широко применяется при производстве деталей, работающих в среде с температурой до 200ºС. Отливки из силумина изготавливаются тремя способами:

под давлением.
с использованием металлической литейной формы (кокиля).
с использованием литейной формы из песка.

Наиболее востребованная на рынке форма готовых отливок из АК12 - чушки весом до 15 кг.

В соответствии с требованиями стандарта на отливку путём оттиска наносится следующая информация:

наименование сплава;
номер плавки;
масса.

К упаковке в обязательном порядке прилагается сертификат с указанием точного химического состава сплава.

Области применения и линейка изделий из АК12 необычайно широка:

автомобильная промышленность, авиастроение - блоки цилиндров, поршни и картеры двигателей.
жилищно-коммунальное хозяйство - запорная арматура для сантехнических работ, теплообменники для обогревательных устройств.
Из силумина изготавливаются некоторые виды кухонной бытовой техники.

Сплавы алюминиевые литейные регламентируются ГОСТ 1583-93, который распространяется на сплавы в чушках, используемых в качестве металлошихты, и сплавы в готовых отливках (всего 39 марок). В соответствии с ГОСТ1583-93 при маркировке сплава используется комбинированное (двойное) обозначение: сначала указывается марка сплава в чушках, затем в скобках - марка сплава для готовых фасонных отливок, например: АК12 (АЛ2), АК13 (АЛ13), АК5М (АЛ5).

Сплавы в чушках маркируются следующим образом. Вначале указывается буква "А", которая обозначает, что сплав алюминиевый. Затем буквами обозначают наименование основных или легирующих элементов, за которыми следует цифра, означающая среднее содержание в процентах этих компонентов. Принято следующее обозначение компонентов, входящих в состав алюминиевых литейных сплавов: К - кремний; Су - сурьма; Мц - марганец; М - медь; Мг - магний; Н - никель; Ц - цинк. Например: АК12 - это алюминиевый сплав со средним содержанием Si = 12%; АК10Су- содержит 10% кремния и в качестве легирующего элемента имеется сурьма, остальное - А1; АМг4К1, 5М - сплав, содержащий магния - 40%, кремния - 1,5, меди около 1,0%, остальные - А1.

Марка сплава в отливках обозначается двумя способами:

Первый - буквами АЛ (А - алюминий, Л - литейный), за которыми следуют цифры, показывающие номер сплава. Эти цифры условные, не имеющие никакой связи с химическим составом или механическими свойствами. Пример обозначения - АЛ2, АЛ4, АЛ19;

Второй - аналогично сплавам в чушках.

В конструкторской документации при маркировке фасонных отливок стандарт допускает указывать марку сплава без дополнительного обозначения марки в скобках или только марку, обозначенную в скобках.

В учебном процессе, когда указывается химический состав металла готовой отливки, допускается использовать обозначение по первому способу (АЛ...), когда речь идет о шихте (чушках), используемой для плавки, то можно указывать марку чушек по второму способу (АК...).

3.2.1. Классификация и свойства алюминиевых сплавов

По назначению конструкционные алюминиевые литейные сплавы можно условно разделить на следующие группы:

сплавы, отличающиеся высокой герметичностью: АК12 (АЛ2), АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9), АК8МЗч (ВАЛ8), АК7пч (АЛ9-1), АК8л (АЛ34), АК8М (АЛ32);

сплавы высокопрочные, жаропрочные: АМ5 (АЛ 19), АК5М (АЛ5), АК5Мч (АЛ5-1), АМ4,5 Кд (ВАЛ10);

сплавы коррозионно-стойкие: АМч11 (АЛ22), АЦ4Мг (АЛ24), АМг10 (АЛ27), АМг10ч (АЛ27-1).

Буквы в конце марки обозначают: ч - чистый; пч - повышенной чистоты; оч - особой чистоты; л - литейные сплавы; с - селективный.

Рафинированные сплавы в чушках обозначают буквой "р", которую ставят после обозначения марки сплава. Сплавы, предназначенные для изготовления изделий пищевого назначения, обозначают буквой "П", которую также ставят после обозначения марки сплава.

Алюминиевые литейные сплавы в чушках (металлошихта) и в отливках получают для нужд народного хозяйства и на экспорт по ГОСТ 1583-93.

Марки и химический состав алюминиевых литейных сплавов должны соответствовать приведенным в табл. 3.14.

Силумины в чушках изготовляют со следующим химическим составом:

АК12ч (СИЛ-1): кремний 10-13%, алюминий - основа; примесей, %, не более: железо 0,50, марганец 0,40, кальций 0,08, титан 0,13, медь 0,02, цинк 0,06;

АК12пч (СИЛ-0): кремний 10-13%, алюминий - основа; примесей, %, не более: железо 0,35, марганец 0,08, кальций 0,08, титан 0,08, медь 0,02, цинк 0,06;

АК12оч (СИЛ-00): кремний 10-13%, алюминий - основа; примесей, %, не более: железо 0,20, марганец 0,03, кальций 0,04, титан 0,03, медь 0,02, цинк 0,04;

АК12ж (СИЛ-2): кремний 10-13%, алюминий - основа; примесей, %, не более: железо 0,7, марганец 0,5, кальций 0,2, титан 0,2, медь 0,03, цинк 0,08.

По соглашению изготовителя с потребителем в силумине марки АК12ж (СИЛ-2) допускается содержание железе до 0,9%, марганца до 0,8%, титана до 0,25%.

Для изготовления изделий пищевого назначения применяются сплавы АК7, АК5М2, АК9, АК12. Использование других марок сплавов для изготовления изделий и оборудования, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами и средами, в каждом отдельном случае должно быть разрешено органами здравоохранения.

В алюминиевых сплавах, предназначенных для производства изделий пищевого назначения, массовая доля свинца должна быть не более 0,15%, мышьяка не более 0,015%, цинка не более 0,3%, бериллия не более 0,0005%.

В рафинированных сплавах содержание водорода должно быть не более 0,25 см 3 /100 г металла для доэвтектических силуминов, 0,35 см э /100 г - для заэвтектических силуминов, 0,5 см 3 /100 г - для алюминиево-магниевых сплавов; пористость должна быть не более трех баллов.

В зависимости от химического состава алюминиевые сплавы подразделяются на пять групп (табл. 3.14).

Первая группа - сплавы на основе А1-Si-Мg; для получения мелкозернистой структуры необходимо применять модифицирование.

Вторая группа - сплавы на основе системы А1-Si-Сu; хорошие литейные свойства объясняются оптимальным сочетанием содержания кремния и меди; такое содержание легирующих элементов позволяет применять термическую обработку для повышения механических свойств сплавов.

Третья группа - сплавы на основе системы А1-Сu; обладают способностью к термической обработке, после чего улучшаются их механические свойства, литейные свойства хуже, чем у силуминов.

Четвертая группа - сплавы на основе системы А1-Мg; имеют повышенные механические свойства за счет легирования титаном, бериллием, цирконием; сплавы этой группы выдерживают высокие статические и ударные нагрузки.

Пятая группа - сплавы на основе системы А1-прочие элементы (Ni-Тi и др.); обладают, жаропрочными свойствами, то есть хорошо работают при повышенных температурах; то же можно сказать и о давлениях.

Анализируя ГОСТ 1583-93, видно, что некоторые сплавы одной марки, используемые для металлошихты и фасонных отливок, имеют отличия в химическом составе: у сплавов для отливок допускается небольшое уменьшение содержания магния и увеличение содержания вредных примесей.

* Сумма учитываемых примесей зависит от вида литья.

Примечания:

В скобках указаны обозначения марок сплавов по ГОСТ 1583-89, ОСТ 48-178 и по техническим условиям.
В дробях в числителе приведены данные для чушек, в знаменателе - для отливок.
Допускается не определять массовую долю примесей в сплавах при производстве отливок из металлошихты известного химсостава (за исключением примеси железа).
При применении сплавов марок АК12 (АЛ2) и АМг3Мц (АЛ28) для деталей, работающих в морской воде, массовая доля меди не должна превышать: в сплаве марки АК12 (АЛ2) - 0,30%, в сплаве марки АМг5Мц (АЛ28) - 0,1%.
При применении сплавов для литья под давлением допускается в сплаве марки АК7Ц9 (АЛ 11) отсутствие магния; в сплаве марки АМг11 (АЛ22) содержание магния 8,0-13,0%, кремния 0,8-1,6%, марганца до 0,5% и отсутствие титана.
Сплавы марок АК5М7 (А5М7), АМг5К (АЛ13), АМг10ч (АЛ27), АМг10ч (АЛ27-1) не рекомендуются к использованию в новых конструкциях.
В сплаве АК8М3ч (ВАЛ8) допускается отсутствие бора при условии обеспечении уровня механических характеристик, предусмотренных настоящим стандартом. При изготовлении деталей из сплава АК8М3ч (ВАЛ8) методом жидкой штамповки массовая доля железа должна быть не более 0,4%.
При литье под давлением в сплаве АК8 (АЛ34) допускается снижение предела массовой доли бериллия до 0,06%, повышение допустимой массовой доли железа до 0,1% при суммарной массовой доле примесей не более 1,2% и отсутствие титана.
Для модифицирования структуры в сплавы АК9ч (АЛ4), АК9пч (АЛ4-1), АК7ч (АЛ9), АК7пч (АЛ9-1) допускается введение стронция до 0,08%.
Примеси, обозначенные прочерком, учитываются в общей сумме примесей, при этом содержание каждого из элементов не превышает 0,020%.
По соглашению с потребителем допускается изготовлять чушки, состав которых по массовым долям отдельных элементов (основных компонентов и примесей) отличается от указанного в табл. 3.14.
При применении сплавов для литья под давлением допускается в сплаве АМг7 (АЛ29) содержание примесей бериллия до 0,03% и кремния до 1,5%.
В сплаве марки АМг11 (АЛ22) допускается отсутствие титана.

Вторичные чушковые литейные сплавы получают при переработке стружки, отходов, металлического привозного лома. Химический состав вторичных алюминиевых литейных сплавов в чушках, используемых в качестве шихтовых материалов, должен соответствовать требованиям ГОСТ 1583-93.

Возможность применения того или иного сплава определяют по его механическим, физическим и технологическим свойствам, а также с учетом экономической характеристики сплава, которая во многих случаях является решающей.

Механические свойства алюминиевых литейных сплавов по ГОСТ 153-93 должны соответствовать приведенным в табл. 3.17.

Примечания:

Условные обозначения способов литья: 3 - литье в песчаные формы; В - литье по выплавляемым моделям; К - литье в кокиль; Д - литье под давлением; ПД - литье с кристаллизацией под давлением (жидкая штамповка); О - литье в оболочковой форме; М - сплав подвергается модифицированию.

Условные обозначения видов термической обработки: Т1 - искусственное старение без предварительной закалки; Т2 - отжиг; Т4 - закалка; Т5 - закалка и кратковременное (неполное) старение; Т6 - закалка и полное искусственное старение; Т7 - закалка и стабилизационный отпуск; Т8 - закалка и смягчающий отпуск.

Механические свойства сплавов АК7Ц9 и АК9Ц6 определяют спустя не менее одних суток естественного старения.

Механические свойства, указанные для способа литья В, распространяются также на литье в оболочковые формы.

Технологические свойства алюминиевых сплавов (табл. 3.24) влияют на качество отливок . К этим свойствам сплавов относятся: жидкотекучесть, усадка (объемная и линейная), склонность к образованию пористости и раковин, склонность к образованию литейных напряжений и трещин, газопоглощение и образование неметаллических включений, пленообразование и склонность к образованию грубозернистой и столбчатой структуры.

3.2.2. Влияние химических элементов на свойства алюминиевых сплавов

Влияние отдельных химических элементов на свойства литейных алюминиевых сплавов приведено в табл. 3.25 .

3.2.3. Особенности алюминиевых сплавов и области их применения

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. Кроме того, алюминиевые сплавы обладают высокой склонностью к окислению, насыщению водородом, что приводит к таким видам брака отливок, как газовая пористость, шлаковые включения и оксидные включения. Поэтому при разработке технологии плавки и изготовлении фасонных отливок любым из способов литья необходимо учитывать особенности отдельных групп алюминиевых сплавов .

Наибольшее распространение в промышленности имеют сплавы А1-Si-Мg, которые отличаются хорошими технологическими свойствами, определяемыми видом диаграммы состояния. Их структура - α-твердый раствор кремния в алюминии и эвтектика, состоящая из а-твердого раствора и зерен кремния. Литейные свойства обеспечиваются наличием в сплавах большого количества двойной эвтектики α + Si (40-75%) каркасно-матричного типа, основой которой является α-твердый раствор, что обусловливает высокую жидкотекучесть сплавов, а также низкую литейную усадку и пониженную склонность к образованию горячих трещин.

При увеличении количества эвтектики в сплавах уменьшается склонность к образованию усадочных микрорыхлот, что повышает герметичность отливок.

Процесс кристаллизации этих сплавов протекает в узком температурном интервале и идет сплошным фронтом от периферийной зоны (стенок формы) к внутренним зонам отливок, что вызывает образование между первичными кристаллами сплошного слоя мелкозернистой эвтектики. Это препятствует образованию сквозных усадочных каналов между зернами твердого раствора.

С повышением содержания кремния в сплавах понижается коэффициент термического расширения и получается более грубая структура, что приводит к охрупчиванию сплава и ухудшению обрабатываемости резанием. Для измельчения включений кремния в эвтектике используют модифицирование Nа, Li, Ка, Sr, повышающее пластические свойства (δ = 5-8 %).

Для модифицирования силуминов применяют смеси хлористых и фтористых солей натрия и калия различного состава, при этом сплавом усваивается около 0,01% Na. При модифицировании Nа отмечается переохлаждение эвтектики на 15-30 °С, а эвтектическая точка сдвигается к 13-15% Si. Эффект модифицирования тем больше, чем выше содержание кремния в сплаве, так как модификатор воздействует только на эту фазу. Для силуминов, содержащих менее 5-7% Si, модифицирование не оказывает влияние на механические свойства.

Железо в сплавах А1-Si образует соединение β(А1-Fе-Si) в виде хрупких пластин, которые резко снижают пластичность. Отрицательное влияние железа эффективно снижает добавка 0,2-0,5% Мп, при этом образуется новая фаза а (А1-Fе-Si-Мn) в виде компактных равноосных полиэдров, которые в меньшей степени влияют на пластичность.

Сплав АЛ2 (эвтектический) - единственный двойной сплав первой группы, относится к простым силуминам. Эвтектический состав сплава (10-13% Si) обеспечивает высокую жидкотекучесть, отсутствие склонности к пористости и образованию трещин. Из сплава получают плотные, герметичные отливки с концентрированной усадочной раковиной. Применяют сплав в модифицированном состоянии, в основном без термической обработки. Изготовляют малонагруженные детали различными способами литья. Наиболее низкие свойства получаются при литье в песчаные формы, при литье в кокиль или под давлением прочностные и пластические свойства заметно увеличиваются.

Доэвтектические специальные силумины (АЛ4, АЛ9, АЛ4-1, АЛ9-1) имеют более высокие механические свойства, но уступают по технологическим свойствам эвтектическому сплаву АЛ2. Упрочнение достигается за счет образования соединения Мg 2 Si. Пониженное содержание кремния позволяет использовать сплавы при литье под давлением и в кокиль без модифицирования. При литье в песчаные формы и по выплавляемым моделям сплавы рекомендуется модифицировать.

Сплавы АК7 и АК9 отличаются от сплавов АЛ4 и АЛ9 повышенным содержанием примесей, но меньшей пластичностью.

Достоинством сплавов на основе системы А1-Si-Мg является повышенная коррозионная стойкость во влажной и морской атмосфере - АК12 (АЛ2), АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9).

Недостатки этих сплавов - повышенная газовая пористость и пониженная жаропрочность. Технология литья этих сплавов более сложная и требует применения операций модифицирования и кристаллизации под давлением в автоклавах. Особенно это относится к сплаву АК9ч (АЛ4).

Сплавы на основе системы А1-Si-Сu, которые отличаются высокой жаропрочностью (рабочие температуры 250-270 °С), но уступают сплавам А1-Si-Мg по литейным свойствам, коррозионной стойкости и герметичности; не требуют модифицирования и кристаллизации под давлением.

Жаропрочность сплавов обеспечивается содержанием устойчивых тугоплавких фаз, которые кристаллизуются в тонкой разветвленной форме и хорошо блокируют границы зерен твердого раствора, что тормозит развитие диффузионных процессов.

Сплавы на основе системы А1-Сu характеризуются высокими механическими свойствами. Фазовый состав в литом состоянии: α-твердый раствор меди в алюминии + СuА1 2 . При наличии в сплаве примесей кремния и железа могут образовываться фазы А1 7 Сu 2 Fе, АlCuFеSi и тройная эвтектика α + Si + А1Сu 2 с температурой плавления 525 °С. Увеличение содержания кремния в сплавах до 3% приводит к повышению количества эвтектики и улучшению литейных свойств, но к значительному снижению прочности. Наличие 0,05% Мg сильно снижает свариваемость сплавов и их пластичность.

Прочность сплавов на основе системы А1-Мg с увеличением концентрации магния до 13% возрастает, но пластичность начинает снижаться при содержании более 11% Мg; основной упрочняющей фазой является химическое соединение β (А1 3 Мg 2).

Для литейных сплавов используют сплавы с содержанием Мg, % (маc. доля):

4,5-7 - сплавы средней прочности, применяемые без термической обработки АКМг5К (АЛ13), АМг6л (АЛ23);

9,5-13 - сплавы повышенной прочности, применяемые в закаленном состоянии АМг10 (АЛ27), АМг11 (АЛ22).

Для улучшения технологических свойств в большинство сплавов вводят до 0,15-0,2% титана и циркония. Образующиеся на их основе интерметаллиды ТiА1 3 и ZrА1 3 более тугоплавкие, чем основа сплава, и являются модификаторами первого рода. Механические свойства возрастают на 20-30%.

Сплавы на основе системы А1-Мg обладают повышенной склонностью к образованию газовой и газоусадочной пористости, а при взаимодействии с азотом и парами воды образуются неметаллические включения и оксидные плены. Плавку сплавов следует проводить под слоем флюса, а если в их состав входит Ве, - без флюса.

К сплавам на основе системы А1 и прочих компонентов (сложнолегированные сплавы) относятся сплавы: жаропрочные многокомпонентные и самозакаливающийся коррозийно-стойкий АЦ4Мг (АЛ24), поршневые АК12М2МгН (АЛ25), а также цинковый силумин АК7Ц9 (АЛ11).

Сплав АЦ4Мг (АЛ24) относится к системе Аl-Zn-Мg, основной упрочняющей фазой является Т (А1 2 Мg 3 Zn 3). Высокая устойчивость твердых растворов цинка и магния в алюминии обеспечивает "самозакалку" сплава в процессе охлаждения отливки. Сплав может применяться без специальной закалки, в литом и естественно или искусственно состаренном состоянии. Сплав обладает удовлетворительными свойствами, которые улучшаются добавкой титана (0,1-0,2%). Его рекомендуется применять для литья в песчаные формы, оболочковые формы по выплавляемым моделям, свариваемых деталей, а также для деталей с повышенными стабильностью размеров и коррозионной стойкостью.

Эвтектические специальные силумины АК12М2МгН (АЛ25), обладая хорошими литейными свойствами, отличаются более высокой жаропрочностью, так как содержат 0,8-1,3% Ni, образующего сложные фазы в виде жесткого каркаса; добавка титана улучшает технологические свойства. Сплавы имеют малую склонность к объемным изменениям в процессе эксплуатации при повышенных температурах; применяются для изготовления поршней; в этом случае отливки используют без закалки. Для снятия внутренних напряжений поршни термически обрабатывают по режиму Т1.

Цинковый силумин АК7Ц9 (АЛ11), содержащий 7-12% Zn, который хорошо растворим в твердом алюминии, создает растворное упрочнение, что позволяет использовать сплав в литом состоянии (без термической обработки). Он обладает хорошими технологическими свойствами, способность сохранять прочность, твердость и сопротивление действию знакопеременных нагрузок после кратковременных и длительных нагревов до температур 300-500 °С. Применяют сплав для литых деталей в моторостроении и других отраслях промышленности, используют при литье в песчано-глинистые формы, кокиль и под давлением. Имеет пониженную коррозионную стойкость и сравнительно высокую плотность.

Прибыли служат для питания утолщенных мест отливки и располагаются так, чтобы металл в них застывал последним. Усадочная раковина должна полно-

стью располагаться в прибыли.

Литейные формы изготовляют в основном в опоках.

Опока - жесткая рамка (прямоугольная, квадратная, круглая), изготовлен-

ная из чугуна, стали, алюминиевых сплавов, предохраняет форму от разрушения во время ее сборки, транспортировки и заливки жидким металлом. Обычно форму изготавливают в двух опоках, которые центрируются с помощью штырей: в ушки верхней опоки устанавливают штыри и вместе с опокой наводят на ушки нижней опоки.

2 Литейные сплавы

В современном машиностроении для получения отливок наиболее часто применяют чугун, сталь, цветные сплавы (алюминиевые, медные, магниевые). В

данной работе для получения отливок будем использовать силумин марки АК12

(АЛ2) Силумин марки АК12 - это сплав алюминия с 10-13% кремния.

Свойства силумина марки АК12:

3 Получение жидкого металла

Исходные материалы, применяемые для выплавки металлов и сплавов, на-

зываются шихтовыми материалами (шихтой). В качестве шихты используют чистые металлы, специальные сплавы, отходы производства, а также флюсы,

служащие для образования шлака, который защищает жидкий металл от окисле-

Для получения силумина марки АК12 в данной работе используются отхо-

ды производства с добавлением свежего силумина. Для расплавления силумина применяют тигельную печь сопротивления.

Устройство электрической печи сопротивления показано на рисунке 4

Рисунок 4 - Схема электрической печи сопротивления 1 - теплоизоляция, 2 - огне-

упорный кирпич, 3 - кожух, 4 - крышка, 5 - тигель. 6 - нагреватель Электрическая печь сопротивления состоит из цилиндрического сварного

кожуха 3, футерованного огнеупорным кирпичом 2. Между кожухом 3 и футе-

ровкой находится теплоизолирующий асбестовый экран 1. В качестве нагревате-

ля используется нихромовая спираль6. Внутри печи установлен чугунный ти-

гель 5, закрытый крышкой 4

Заливка металлом литейных форм производится разливочным ковшом. Заливка металла должна производиться непрерывной струей, чтобы исключить попадание шлака и воздуха в полость формы.

4 Последовательность изготовления литейной формы

1. Изготовить нижнюю полуформу (рисунок 5), для чего:

- установить нижнюю половину модели 5 и модель питателя 3 на подмодель-

ную плиту 1;

Накрыть модели нижней опокой 2 так, чтобы расстояние от края модели до опоки было не менее 20 мм. Ушки 4 на опоке должны быть внизу (рисунок 5);

Рисунок 5 - Установка нижней половины модели и питателя в нижней опоке: 1 – подмодельная плита, 2- - нижняя опока, 3- питатель, 4 – ушки, 5- нижняя по-

ловина модели

Толщиной20-30 мм и плотно обжать руками смесь;

- добавить слой формовочной смеси до 50-60 мм и утрамбовать;

- полностью заполнить формовочной смесью опоку и уплотнить трамбовкой.

У стенок опоки плотность набивки должна быть наибольшей, так как смесь мо-

жет высыпаться при переворачивании опоки;

- удалить излишки смеси линейкой;

- наколоть душником (иглой) вентиляционные каналы. Они недолжны находиться ближе 10-15 мм от модели (рисунок 6);

Рисунок 6 - Эскиз разреза нижней полуформы: 1 - формовочная смесь; 2 - вентиляционные каналы, 3 - нижняя половина модели,

4-питатель, 5- подмодельная плита

2. Изготовить верхнюю полуформу (рисунок 7), для чего:

- перевернуть нижнюю опоку 1 на 180 0 ;

- установить по шипам вторую половину модели 2;

- установить по направляющим штырям верхнюю опоку 3;

- посыпать плоскость разъема разделительным слоем песка;

- установить модели шлакоуловителя 4, стояка 5 и выпора 6 (рисунок 7);

Рисунок 7 - Изготовление верхней полуформы: 1 - заформованная нижняя опока, 2 - верхняя половина модели. 3 - верхняя опока, 4 – модель шлакоуловителя,

5 - модель стояка, 6 - модель выпора, 7- штырь

Модель шлакоуловителя и часть модели стояка показаны пунктирными ли-

ниями, так как они находятся за моделью детали

- засыпать модели слоем формовочной смеси толщиной20-50мм и плотно обжать руками смесь вокруг моделей;

- заформовать верхнюю опоку подобно нижней (рисунок 8).

Рисунок 8 - Заформованная модель детали

3. Извлечь элементы модельного комплекта из формы, для чего:

- извлечь модели стояка и выпора. Расширить верхнюю часть стояка для образо-

вания литниковой чаши;

Раскрыть опоки (снять верхнюю опоку с нижней) и положить плоскостью разъе-

ма вверх;

- извлечь из обеих опок модели отливки, питателя, шлакоуловителя;

- исправить гладилкой поврежденные места и продуть литейную форму струей воздуха.

4. Собрать литейную форму, для чего (рисунок 9):

- установить в нижнюю опоку стержень на отпечатки знаков;

- закрыть форму, т.е. накрыть нижнюю опоку верхней;

- подать опоки под заливку.

5. Запить металл в литейную форму.

6. Выбить и очистить отливку.

Плавка алюминиевых сплавов представляет ряд трудностей. Малая плотность алюминиевых сплавов способствует образованию газовых раковин и пористости, так как газы легко проникают в металлическую среду и насыщают ее. Алюминий легко окисляется. Очищать расплав от шлака и окислов трудно. Шлак и окислы остаются в расплаве в мелкораздробленном виде во взвешенном состоянии, что в значительной степени влияет на качество сплава.

Применение флюсов (хлористого цинка, криолита) или модификаторов также не позволяет очистить расплав полностью, так как затруднено отделение их от расплава.

При приготовлении алюминиевых сплавов особенно важное значение имеют чистота исходных материалов и точность состава шихты. Нередко ничтожные количества вредных примесей значительно ухудшают механические свойства сплавов. Все это вызывает необходимость особенно тщательной сортировки отходов. Без переплавки можно пользоваться ими только в том случае, если известен их химический состав. Лом неизвестного происхождения или плохо отсортированный и переплавы (вторичные сплавы), содержащие много окислов и вредных примесей, следует переплавлять в чушки. Во время переплавки очищают расплав от примесей и производят химический анализ.

Плавку и заливку алюминия производят при строгом соблюдении температурного режима и постоянном и точном контроле нагрева сплава. Даже незначительный перегрев и излишнее выдерживание сплава при высокой температуре ведут к чрезмерному насыщению его газами и окислами и появлению усадочных раковин.

Для удаления окислов и шлаков необходимо применять флюсы, действующие как химически, так и механически. После очистки расплава от окислов не следует его перемешивать.

Разливку надо производить осторожно, короткой струей.

При приготовлении алюминиевых сплавов следует придерживаться такого порядка:

расплавление около 2/3 чушкового алюминия;

присадка и расплавление лигатуры;

присадка остального чушкового алюминия;

присадка отходов и литников;

очистка расплава от окислов после его расплавления путем добавки очистительных флюсов и хорошего перемешивания;

выемка тигля и снятие шлака и окислов (не следует снимать шлак во время плавки, так как поверхностная пленка окислов защищает расплав от дальнейшего окисления);

выдерживание расплава перед заливкой до требуемой температуры.

Пример плавки алюминиевого сплава АК12 (АЛ2).

Сплав АК12 (АЛ2) можно изготовить из чушковых силуминов. В случае отсутствия силуминов в качестве шихтовых материалов можно использовать чушковый алюминий и кремний.

Приготовление сплава происходит следующим образом: расплавляют чушковый алюминий и нагревают его до температуры 850° С. В подогретый алюминий добавляют небольшими порциями кремний, который перед введением в алюминий завертывают в алюминиевую фольгу для того, чтобы он не покрылся окисью алюминия, затрудняющей растворение кремния. После полного растворения всего кремния сплав рафинируют и подвергают модифицированию.

Алюминиевые сплавы плавят в тигельных и пламенных стационарных, поворотных и наклоняющихся печах, электропечах сопротивления и индукционных печах. Плавка алюминиевых сплавов в электрических печах сопротивления состоит в следующем.

Шихтовые материалы, представляющие собой подогретые чушки первичного и вторичного сплава, отходы собственного производства и соответствующие лигатуры, загружаются в камеры, футерованные шамотным кирпичом. В камерах в фасонном огнеупоре расположены электроспирали, по которым проходит электрический ток, нагревающий их.

Расплав из камер стекает в сборник. В сборнике расплав рафинируют хлористым цинком, тщательно перемешивают, удаляют с поверхности пеку и шлак, а затем присаживают добавки. Перед разливкой в ковши расплав еще раз перемешивают, снимают с зеркала расплава шлак, замеряют температуру погружающей термопарой и заливают образцы для контроля химического анализа и механических качеств.

Сплавы-силумины перед выпуском в ковш подвергают модифицированию солями металлического натрия для получения мелкозернистой структуры. В отдельных случаях сплавы для дегазации продувают хлором при температуре 680-720°. При наклоне печи с помощью механизма поворота и роликов расплав выливается через желоб в разливочные ковши. Емкость печей сопротивления 0,3-3,0 т, число плавок в сутки 4-5.

Шихтовые материалы

Для получения алюминиевых сплавов используют чушковый алюминий, машинный лом, отходы литейного производства и различные лигатуры (например, 90% Аl и 10% Мn, температура плавления 770 - 830°).

В состав металлической шихты вводят 40 - 60% оборотных металлов (лома, брака, литников, выпоров, прибылей и т. д.) и 60 - 40% чистых металлов. Для предохранения металла от окисления применяют флюсы различного состава, например 50% NaCl + 50% СаСl2; или 50% NaCl + 35% KCl + 15% Na3AlF6.

Все эти флюсы являются легкоплавкими (температура плавления в пределах 500 - 600º). Для получения плотного металла с более мелким строением в него добавляют модификаторы. Для алюминиевых сплавов в качестве модификатора применяют чистый натрий и его соли: 67% NaF + 33% NaCl, или 25% NaF + 62,5% NaCl + 12,5% КСl. Модифицированию подвергают сплавы марки Ал2, Ал4 и др.

Печи для плавки алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы плавят в следующих печах: поворотных тигельных печах с металлическим тиглем (рис. 83, а); в электрических тигельных печах сопротивления стационарных и поворотных (для приготовления до 0,25 т сплава); камерных печах сопротивления стационарных и поворотных (рис. 83, б) емкостью до 1,5 т; индукционных двухканальных печах с металлическим сердечником.

Рис. 83. Плавильные печи для плавки алюминиевых сплавов: а - тигельный горн; б - электропечь сопротивления: 1 - загрузочное окно; 2 - ванна для расплавления металла; 3 - сопротивление

Процесс плавки алюминиевых сплавов представляет ряд трудностей вследствие их сильного окисления и насыщения газами при нагревании свыше 800°. Существует несколько способов плавки, обеспечивающих получение качественных отливок; плавка под слоем флюса, газовое рафинирование, рафинирование солями, применение вымораживания и модифицирования.

Плавка алюминиевых сплавов под слоем флюсов проходит в такой последовательности; шихтовые материалы плотно укладывают в тигель или печь и сверху засыпают флюсами; загружают и расплавляют металл по частям: сначала расплавляют примерно треть шихты, потом остаток шихтового материала подогревают до 100 - 120° для удаления влаги с поверхности и погружают в расплавленный металл под слой флюсов.

При газовом рафинировании плавку проводят в такой последовательности: загружают и расплавляют треть шихты, добавляют лигатуры (Al + Сu, Al + Si и др.) и остаток шихты. После расплавления сплав перемешивают, нагревают до 660 - 680° и рафинируют хлором. Рафинирование осуществляют продуванием через сплав хлора в течение 5 - 15 мин. При этом хлор вступает в химическое взаимодействие с алюминием и другими элементами.

Образующиеся газообразные продукты АlСl3, НСl и часть Сl2 удаляются из металла, присоединяя к себе Аl2O3, SiО2 и газы. После газового рафинирования металл приобретает высокие механические свойства. Для газового рафинирования можно применять азот.

С кремнием и незначительной долей магния, а также прочих примесей. Для силуминов характерна низкая литейная усадка, герметичность, стойкость к коррозии и высокая твёрдость по сравнению с другими сплавами на основе Al. Однако, не все силумины проявляют свои качества одинаково и по-разному ведут себя в условиях повышенной нагрузки, в морской воде и при высоких температурах.

У нас Вы можете приобрести:

Чушки АК12пч (повышенной чистоты).

Химический состав и механические свойства АК12

Так как АК12 – это литейный сплав алюминия, то химический состав и другая важная информация о нём изложена в ГОСТ 1583-93.

Литейно-технологические свойства

Заготовки из АК12 в ряду прочих заготовок из алюминия выделяются малой литейной усадкой в процентном соотношении 0,8 %, высокой текучестью в жидком состоянии и малой плотностью. Кроме того, во время литья этот материал не даёт трещин. Однако, предел кратковременной прочности у этого силумина меньше, поэтому спектр его применения ограничен деталями, работающими под небольшой нагрузкой.

Отливки из АК12 получаются с минимальной литейной усадкой, они обладают хорошей плотностью и высокой герметичностью. Прочность деталей не сильно колеблется в меньшую сторону, при отливке толстостенных изделий. Коррозионная стойкость в обычной воде и атмосфере – хорошая. Свариваемость АК12 – без ограничений аргонно-дуговой или точечной сваркой, при достаточной квалификации сварщика. Более подробно мы расскажем о применении этого материала ниже.

Эксплуатационные особенности АК12

Стоит отметить, что детали из данного сплава не предназначены для функционирования в морской воде. Причиной тому служит высокое содержание меди в его составе. Содержание Cuв АК12 составляет около 0,6 %, а для использования в морской воде применяются только сплавы алюминия с содержанием меди ниже 0,3 %. Поэтому для этих целей АК12 применять не рекомендуется.

Что же касается температурного режима работы, то многие силумины относятся к ковочным и жаропрочным сплавам, но АК12 занимает особую нишу среди прочих силуминов. Он также может применяться для ковки, но детали из него нельзя использовать при температуре выше 200 °C. За пределами этой температуры сплав начнёт утрачивать стойкость к коррозии и прочность. Эти изменения несут необратимый характер.

Продукция из силумина АК12

В виду хорошей текучести, герметичности, коррозионной стойкости этот материал рекомендуется применять для отливки деталей техники, аппаратуры, приборов сложной формы. Однако хрупкость этого сплава не позволяет использовать его для отливки ответственных деталей, работающих под нагрузкой.

АК12 применяют для отливки деталей в кокиль, песчаные формы, под давлением, по моделям, в формы в виде оболочек. Из него изготавливают корпусы помп, детали двигателей, аппаратуры и бытовых приборов. В прочем из силумина этой марки повышенной чистоты выпускают и пищевую продукцию, но только со специального разрешения: казаны, кастрюли и т.д. Возможно также его применение и в оружейном деле.