Алюминий AlSi10: Состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Общий обзор

AlSi10 — это литой алюминиево-кремниевый сплав, входящий в семейство Al-Si, обычно относящийся к гипоэвтектическому или близкому к эвтектическому составу с содержанием кремния около 10 мас.% . Как правило, он классифицируется в рамках литейных сплавов, а не кованых серий 1xxx–7xxx; для каталогизации чаще используется обозначение EN AC-AlSi10 или аналогичные региональные литейные стандарты, а не обозначения кованых сплавов AA 2xxx/6xxx.

Основным легирующим элементом является кремний, который контролирует процесс затвердевания, текучесть и износостойкость; незначительные добавки Fe, Cu, Mn, Mg, Ti и балластные элементы регулируют прочность, литейные свойства и реакцию на термообработку. Упрочнение достигается сочетанием контроля микроструктуры в литом состоянии (эвтектические частицы Si и морфология алюминиевой матрицы) с возможностью возрастного упрочнения при достаточном содержании Mg (например, варианты AlSi10Mg) и применении соответствующих режимов растворения и старения.

Ключевые свойства AlSi10 включают отличную литейность и низкую усадку, хорошую теплопроводность среди алюминиевых сплавов, умеренную или хорошую коррозионную стойкость во многих средах, а также обычно хорошую свариваемость во многих формах при контроле пористости. Сплав широко применяется в автомобилестроении, инструментальном производстве, литье под низким и высоким давлением, аддитивном производстве (SLM/EBM) и потребительских товарах, где требуется баланс точности отливки, размерной стабильности и разумных механических показателей.

Инженеры выбирают AlSi10, когда приоритетами являются текучесть, возможность изготовления тонкостенных отливок, тепловое управление и минимизация дефектов литья, либо если детали аддитивного производства требуют кремнийсодержащей матрицы для тепловой стабильности и минимального искажения. Он предпочтительнее высокопрочных кованых сплавов, когда важны сложные геометрии близкие к готовому размеру, снижение затрат на оснастку или улучшенные тепловые характеристики, нежели максимальные показатели прочности или высокая технологичность деформации.

Варианты термообработки

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O (Отожжённое)	Низкая	Высокая	Отличная	Отличная	Снятие внутренних напряжений, максимально мягкое состояние для вариантов, поддающихся термообработке
Как-литой	Низкая–Средняя	Низкая–Средняя	Ограниченная	Хорошая (при контроле)	Типичное состояние поставки отливок; зависит от микроструктуры
T5 (Искусственное старение после охлаждения)	Средняя	Низкая	Ограниченная	Хорошая	Часто применяется для отливок и аддитивных деталей для повышения прочности без полной растворяющей обработки
T6 (Растворяющая обработка + искусственное старение)	Высокая	Низкая–Средняя	Плохая	Хорошая	Применимо при наличии Mg; значительное увеличение прочности
T7 (Переотожжённое / стабилизированное)	Средняя	Средняя	Ограниченная	Хорошая	Улучшает размерную стабильность и вязкость за счёт снижения прочности

Состояние термообработки существенно влияет на соотношение прочности и пластичности AlSi10: обработки типа T6 (при наличии Mg) увеличивают предел текучести и временное сопротивление разрыву за счёт снижения удлинения. Микроструктура в литом состоянии, скорость охлаждения и последующая термообработка (или её отсутствие) являются основными факторами регулирования характеристик; содержание Mg определяет эффективность возрастного упрочнения.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	9.0 – 11.0	Основной легирующий элемент, контролирующий эвтектическую фазу, текучесть, теплопроводность
Fe	0.2 – 0.8	Примесь, образующая интерметаллиды (β-Al5FeSi), снижающие пластичность
Mn	0.05 – 0.45	Контролирует морфологию Fe-интерметаллидов при небольших количествах
Mg	0.0 – 0.45	При содержании >0.2 обеспечивает возможность возрастного упрочнения (реакция T6)
Cu	0.02 – 0.3	Повышает прочность, но при высоких концентрациях снижает коррозионную стойкость
Zn	0.02 – 0.2	Мелкие добавки; обычно низкое содержание для исключения негативных эффектов
Cr	0.01 – 0.2	Модификатор зерна в некоторых нормативных документах
Ti	0.01 – 0.2	Зерноочиститель для литейных и слиточных процессов
Прочие	Остальное Al; следовые примеси	Остаточные примеси (Ni, Co, Pb) регулируются и ограничены спецификацией

Кремний определяет микроструктуру (размер, морфология и распределение эвтектических частиц Si) и напрямую влияет на литейные свойства, износостойкость и тепловые характеристики. Железо и марганец влияют на образование хрупких интерметаллидов; контроль их уровня и модификация (например, Sr для модификации Si) улучшают пластичность и обрабатываемость резанием. Наличие магния преобразует AlSi10 в термообрабатываемый сплав (AlSi10Mg), где растворяющая обработка и старение позволяют достигать значительно более высоких прочностных показателей за счет осаждения фазы Mg2Si.

Механические свойства

Поведение AlSi10 при растяжении сильно зависит от способа литья, толщины сечения и термообработки. Как-литой материал обычно характеризуется балансом между пластичностью и хрупкостью, зависящим от размера и морфологии эвтектического кремния и пористости; варианты AlSi10Mg с обработкой T6 значительно повышают предел текучести и временное сопротивление разрыву, но снижают удлинение. Усталостные характеристики ограничены наличием литейных дефектов и состоянием поверхности; присутствие пористости, усадочных полостей или крупных Fe-интерметаллидов резко сокращает ресурс по усталости по сравнению с коваными сплавами.

Предел текучести в как-литом состоянии умеренный и сильно зависит от толщины сечения; более тонкие участки охлаждаются быстрее и обычно демонстрируют более высокие значения предела текучести и временного сопротивления разрыву. Твердость зависит от состояния термообработки: отожжённое и как-литое состояния дают низкую твердость, тогда как искусственное старение T5/T6 значительно её повышает. Поверхностные обработки, горячее изостатическое прессование (HIP) или механическая обработка для удаления поверхностных дефектов улучшают усталостные свойства и устойчивость к циклическим нагрузкам.

Свойство	O/Отожженное	Ключевое состояние (например, T6)	Примечания
Временное сопротивление разрыву (UTS)	120 – 200 MPa	240 – 320 MPa (AlSi10Mg T6)	Широкий диапазон обусловлен методом литья, размером сечения, пористостью и содержанием Mg
Предел текучести (0,2% смещение)	60 – 130 MPa	150 – 250 MPa	T6 существенно повышает предел текучести; в как-литом состоянии он зависит от сечения
Относительное удлинение (A%)	3 – 12%	2 – 8%	Пластичность ниже в T6; выше в отожжённом и как-литом состоянии при мелкозернистой микроструктуре
Твердость (HB)	40 – 80 HB	70 – 120 HB	Твердость коррелирует со степенью возрастного упрочнения и морфологией кремния

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.68 г/см³	Типично для алюминиево-кремниевых литейных сплавов; чуть выше, чем у чистого Al из-за содержания кремния
Температура плавления	~577 – 640 °C	Эвтектическое затвердевание начинается около 577 °C; диапазон плавления зависит от локального состава
Теплопроводность	~120 – 150 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия; частицы Si снижают теплопроводность, но остаётся хорошей для радиаторов и тепловых элементов
Электропроводность	~30 – 38 % IACS	Снижена по сравнению с чистым алюминием; подходит для проводящих литых компонентов, но не для проводников высокой чистоты
Удельная теплоёмкость	~0.90 Дж/г·К (900 Дж/кг·К)	Типичное значение удельной теплоёмкости алюминия при комнатной температуре
Коэффициент линейного теплового расширения	22 – 24 µм/м·К	Похож на другие алюминиевые сплавы; при расчёте композитных конструкций учитывать содержание Si

AlSi10 сохраняет полезные свойства теплопроводности и низкой плотности алюминия, при этом содержание кремния снижает теплопроводность по сравнению с чистым алюминием, но улучшает тепловую стабильность и износостойкость. Поведение при плавлении и затвердевании — эвтектические реакции — определяют литейные технологии и влияют на стратегии контроля микроструктуры, такие как модификация и очистка зерна. Электропроводность достаточна для многих вспомогательных электропроводящих применений, но не конкурентоспособна с высокочистым алюминием для электропередачи.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Особенности прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	Редко; ограниченные тонкие отливки	Поведение в состоянии после литья или искусственного старения	После литья / T5	Возможно производство тонкостенных литых листов методом литья под давлением или аддитивного производства; не распространено в виде проката
Плита	2 – 200 мм (литая)	Зависит от сечения; более толстые сечения снижают прочность	После литья / T6 (если присутствует Mg)	Плиты из песчаных и металлических форм применяются для конструкционных отливок
Экструзия	Ограниченно	Не характерно; кованые экструзии доступны только из специальных сплавов	Н/Д	AlSi10 преимущественно является литейным сплавом; для экструзий применяются другие сплавы, например 6063
Труба	Литые или литьё под давлением	Зависит от технологии литья	После литья / T5	Возможно производство тонкостенных литых труб методом литья под давлением или вакуумного литья; аддитивное производство позволяет создавать сложные каналы
Пруток/круг	Литые прутки или слитки	Используются в качестве заготовок и для ковки	После литья	Часто переплавляются или подвергаются дальнейшей обработке под конкретные производственные задачи

AlSi10 преимущественно поставляется и используется в литейных формах: песчаные, литьё под давлением, металлические формы, вакуумное литьё и всё чаще в виде порошка для аддитивного производства. Механические свойства и чувствительность к дефектам значительно различаются между этими формами из-за разницы скорости охлаждения; детали литья под давлением и аддитивного производства охлаждаются быстрее и имеют более мелкозернистую микроструктуру, что обеспечивает более высокие характеристики в состоянии после изготовления. Кованые формы (экструзия, прокатные плиты) редки; проектировщикам рекомендуется использовать другие кованые сплавы при необходимости значительного холодного деформирования.

Аналоги марок

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
EN	AC-AlSi10	Европа	Стандартное литейное обозначение алюминиевого сплава с содержанием кремния около 10%
AA / ASTM	AlSi10 (приблизительно)	США	Не является точным обозначением AA; близкими по составу являются A356 и A357 с низким содержанием кремния и присутствием Mg
JIS	ADC10 (прибл.)	Япония	ADC10 и ADC12 — сплавы для литья под давлением с похожим содержанием Si, но разным уровнем Cu и Mg
GB/T	AlSi10	Китай	Китайские стандарты включают марки AlSi10 с сопоставимым составом для литейных сплавов

Аналоги приведены приблизительно, поскольку региональные стандарты корректируют состав по микроэлементам и допустимым примесям в зависимости от конкретных технологий литья (литьё под давлением или песчаное литьё). Сплавы ADC серии для литья под давлением и EN AC-AlSi10 близки по содержанию кремния, но могут отличаться по Cu и Mg; эти отличия влияют на возможность термообработки и коррозионную стойкость. При замене марок между регионами всегда следует обращаться к конкретному стандарту для уточнения пределов по прочности и химическому составу.

Коррозионная стойкость

AlSi10 обычно обладает хорошей атмосферной коррозионной стойкостью за счёт защитной оксидной плёнки Al2O3; кремний в сплаве инертен и не способствует значительному ускорению равномерной коррозии. Локальная коррозия может возникать в местах скопления Fe-богатых интерметаллических фаз и дефектов литья, образующих микрогальванические пары; поверхности с пористостью или плохой обработкой более подвержены питтингу, особенно в хлоридсодержащих средах.

В морской или хлоридсодержащей среде AlSi10 показывает умеренную стойкость, но уступает 5xxx-серии магниевых жертвенных сплавов; основная проблема — коррозионный питтинг, поэтому часто применяются защитные покрытия или анодирование. Склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением (SCC) низкая по сравнению с высокопрочными Al-Zn-Mg сплавами, однако остаточные растягивающие напряжения в сочетании с коррозионными очагами могут инициировать усталостные трещины; грамотный проект и постлитейная обработка снижают риски.

Гальванические взаимодействия соответствуют типичному поведению алюминия: AlSi10 корродирует анодным способом при электрическом контакте с более благородными металлами, такими как нержавеющая сталь или медь в проводящих электролитах. По сравнению с коваными упрочнёнными сплавами серий 3xxx/5xxx, AlSi10 жертвует некоторой коррозионной прочностью ради преимуществ литейной технологии; относительно термоупрочняемых высокопрочных сплавов 7xxx, AlSi10 более коррозионно стойкий и менее подвержен SCC, но обычно уступает по максимальной прочности.

Технологические свойства

Свариваемость

Сварка AlSi10 возможна методами TIG и MIG для ремонта или соединения отливок, однако пористость и склонность к горячим трещинам остаются основными проблемами. Предварительный нагрев до умеренных температур, контроль источников водорода и использование соответствующих присадочных материалов (чаще всего алюминиево-кремниевые электроды типа ER4043 или AlSi5) уменьшают трещинообразование и улучшают качество шва. Мягчение термообработанной зоны (HAZ) в целом ограничено по сравнению с сильновоздействующими стареющими сплавами, но локальные изменения морфологии кремния и пористости могут повлиять на механические свойства сварного соединения.

Обрабатываемость на станках

Обрабатываемость AlSi10 умеренная: наличие твёрдых эвтектических частиц кремния увеличивает износ инструмента и создаёт абразивные условия резания по сравнению с чистым алюминием. Рекомендуется карбидный инструмент с полированными канавками, положительным углом режущей кромки и применением охлаждения для увеличения ресурса инструмента и улучшения качества поверхности. Образование стружки, как правило, прерывистое; стабильные подачи и скорости, избегание наклёпа и вибраций способствуют хорошему качеству обработки и точности размеров.

Обрабатываемость холодной деформацией

Холодная деформация AlSi10 очень ограничена, так как это литейный сплав с низкой пластичностью в большинстве состояний; гибка, глубока выдавливание и штамповка, как правило, неосуществимы. Оптимальные методы формовки — это литьё близкое к финальной форме, механическая обработка или локальный термический формовочный процесс специально подготовленных заливок. При необходимости некоторого деформирования используют более мягкие отожжённые состояния и методы горячей деформации, но для значительного формоизменения проектировщики обычно выбирают другие кованые сплавы.

Поведение при термообработке

При наличии Mg выше пороговых значений (AlSi10Mg) сплав становится реактивным к классическим схемам термообработки: растворяющий отжиг при примерно 520–540 °C растворяет фазы с Mg и гомогенизирует микроструктуру, за которым следует быстрый закал и искусственное старение (обычно 150–200 °C) для осаждения Mg2Si и достижения уровней прочности T6 или T5. Кремниевая сетка и крупные эвтектические частицы ограничивают максимальную прочность по сравнению с коваными Al-Mg-Si сплавами, но обработка T6 стабильно повышает предел текучести и временное сопротивление для литых и аддитивно изготовленных частей.

Исходное состояние после литья и не поддающиеся термообработке варианты зависят от микроструктуры затвердевания и потенциального наклёпа для прочности. Отжиги применяются для снятия внутренних напряжений и размягчения материала для ограниченной последующей обработки, обычно с помощью субкритического отжига или снятия напряжений. Перезакал (T7) используется для улучшения размерной стабильности и вязкости компонентов, требующих термоустойчивости при эксплуатации.

Циклы растворяющего отжига и старения должны тщательно подбираться с учётом толщины сечения и наличия пористости; медленное охлаждение или недостаточно быстрое закаливание может привести к формированию крупных осадков и снижению отклика на упрочнение. Горячее изостатическое прессование (HIP) часто применяется перед старением для закрытия внутренней пористости и повышения усталостойкости в ответственных деталях перед окончательным отпуском.

Работа при высоких температурах

AlSi10 демонстрирует постепенное снижение прочности с ростом температуры; практические пределы для длительной эксплуатации составляют примерно 100–150 °C для конструкционных применений, при этом кратковременные воздействия до ~200 °C возможны в зависимости от состояния. Кремниесодержащая микроструктура обеспечивает лучшую размерную стабильность при повышенной температуре по сравнению со многими более мягкими алюминиевыми сплавами, но прочность, обусловленная осадочным упрочнением (если оно присутствует), снижается при термическом воздействии и перезакале.

Окисление на воздухе ограничено поверхностно благодаря защитному слою Al2O3, поэтому скорость окисления невелика при обычных рабочих температурах, но длительное воздействие высоких температур ускоряет коарсцирование микроструктуры и размягчение. Поведение зоны термоуплотнения при сварке или локальных пиковых температурах может сопровождаться охрупчиванием или снижением пластичности из-за коарсцирования кремния и эволюции пористости.

Области применения

Отрасль	Пример детали	Почему используется AlSi10
Автомобильная промышленность	Кронштейны двигателя, впускные коллектора, корпуса	Отличная литейная способность, возможность изготовления тонкостенных деталей, тепловые свойства
Судостроение	Несущие корпуса, компоненты насосов	Хорошая атмосферостойкость к коррозии и литейная способность для сложных форм
Авиакосмическая отрасль	Кронштейны, воздуховоды, корпуса для низких нагрузок	Низкая плотность и стабильность размеров для сложных отливок или компонентов, изготовленных аддитивными технологиями
Электроника	Радиаторы, теплоотводы	Хорошая теплопроводность и простота изготовления сложных каналов охлаждения
Аддитивное производство / Инструментальное производство	Вставки с конформным охлаждением, прототипы	Высокая точность при SLM/EBM, тонкая микроструктура, возможность последующей термообработки

AlSi10 предпочтителен для изготовления сложных деталей близких к конечной форме с тепловыми требованиями и умеренной механической прочностью. Его широкое применение в аддитивном производстве и литье под давлением объясняется стабильной микроструктурой, хорошими тепловыми характеристиками и экономичностью изготовления лёгких деталей.

Рекомендации по выбору

Для общего выбора рекомендуют использовать AlSi10, когда ключевыми параметрами являются литейная способность, точность размеров и теплопроводность, а форма детали допускает изготовление близкой к конечной форме. Ожидается умеренная статическая прочность и ограниченная пластичность; для деталей с повышенными требованиями к прочности и контролю пористости (важно при динамических нагрузках) рекомендуется использование состояния T6 (для варианта AlSi10Mg).

По сравнению с технически чистым алюминием (1100), AlSi10 уступает по электрической и тепловой проводимости, а также пластичности, но значительно превосходит по прочности в литом состоянии и литейной способности. В сравнении с упрочнёнными холодной деформацией сплавами типа 3003 или 5052, AlSi10 обычно обеспечивает большую прочность, специфичную для литья, и упрощённое изготовление сложных форм, но уступает по холодной деформируемости и устойчивости к коррозии в агрессивных хлоридных средах. По сравнению с термически упрочняемыми деформируемыми сплавами 6061/6063, AlSi10 (особенно без Mg) может иметь более низкую максимальную прочность на растяжение, но обладает лучшей литейной способностью и тепловыми характеристиками, что делает его предпочтительным для литых или аддитивно изготовленных компонентов даже при меньшей конечной прочности.

Краткое резюме

AlSi10 остаётся актуальным инженерным сплавом, поскольку сочетает превосходную литейную способность и тепловые характеристики с достаточными механическими свойствами для многих промышленных применений, особенно в литье под давлением и аддитивных технологиях. Его кремниевый состав и универсальные методы обработки (литьё, термообработка, прессование под изостатическим давлением, аддитивное производство) дают конструкторам практичный компромисс между технологичностью изготовления и эксплуатационными характеристиками для лёгких и сложных компонентов.