Алюминий AlSi10Mg: состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Обзор

AlSi10Mg — это алюминиевый сплав для литья и аддитивного производства, относящийся к семейству Al-Si-Mg, а не к классическим деформируемым сериям 1xxx–7xxx. Его номинальный химический состав включает около 9–11% кремния с небольшими добавками магния (обычно 0,25–0,45%) и контролируемыми уровнями Fe, Cu, Mn и Ti для баланса литейных свойств и механической прочности.

Основной путь упрочнения — это упрочнение осадочным твердением с термообработкой: растворяющая обработка растворяет фазы, содержащие Mg, затем происходит быстрое закаливание, после чего контролируемое искусственное старение формирует кластеры Mg2Si и кремний-модифицированные структуры, повышающие прочность. Во многих аддитивно изготовленных и литых изделиях исходная структура и быстрый твердофазный переход способствуют мелкодисперсному распределению кремния, которое может достигать или превышать прочность при традиционном T6 состоянии.

Ключевые особенности: благоприятное соотношение прочности и массы, хорошая литейность и теплопроводность по сравнению с многими алюминиевыми сплавами, а также приемлемая коррозионная стойкость в большинстве атмосфер после надлежащей обработки поверхности. Свариваемость и обрабатываемость на станках с ЧПУ обычно хорошие для Al-Si сплавов, хотя повышенное содержание кремния увеличивает износ инструмента и снижает пластичность в состояниях максимальной прочности.

Типичные отрасли применения: автомобилестроение (структурные литые детали, корпуса), мотоспорт и аэрокосмическая промышленность (легкие кронштейны и корпуса), электроника (теплоотводы и корпуса), а также аддитивное производство прототипов и мелкосерийное производство. Инженеры выбирают AlSi10Mg при необходимости сочетания низкой плотности, хорошей литейности или совместимости с АМ и упрочнения с термообработкой, при этом принимая сниженные деформативные способности по сравнению с низкокремниевыми деформируемыми сплавами.

Варианты термообработки

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Отожженное / снятие внутренних напряжений, максимальная пластичность для формовки
F / as-cast / as-built	Низкий–средний	Среднее	Хорошая	Хорошая	Типичное литое или АМ состояние перед термообработкой
T5	Средний–высокий	Средне-низкое	Удовлетворительная	Хорошая	Охлаждение с высокой температуры и искусственное старение; распространено для АМ деталей
T6	Высокий	Низкое	Плохая–удовлетворительная	Хорошая	Растворяющая обработка, закалка и искусственное старение; максимальная прочность
T651	Высокий	Низкое	Плохая–удовлетворительная	Хорошая	T6 плюс снятие напряжений растяжением; используется при критической размерной стабильности
T7	Средний	Средний	Удовлетворительная	Хорошая	Перестарело для улучшенной стабильности, большей вязкости и стойкости к SCC

Термообработка существенно влияет на баланс прочности и пластичности: растворяющая обработка с последующим старением (T6) максимизирует временное сопротивление разрыву и предел текучести за счёт снижения удлинения и формуемости. Возрастное старение при более низких температурах (T5) часто применяется для АМ компонентов, чтобы уменьшить деформацию при сохранении прочности, а отжиг (O) используют, когда требуется максимальная пластичность при формовке или мехобработке.

История термообработки также влияет на усталостную прочность и однородность микроструктуры; во многих литейных и АМ приложениях рекомендуется оптимальный цикл T6 или T5 для минимизации сегрегации в отливках и стабилизации морфологии кремния с целью достижения целевых механических и тепловых свойств.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	9.0–11.0	Основной легирующий элемент; снижает интервал плавления, улучшает жидкотекучесть и износостойкость
Fe	0.4–0.8	Примесный элемент; образует интерметаллические соединения, снижающие пластичность и влияющие на обрабатываемость
Mn	0.05–0.45	Контролирует морфологию Fe-интерметаллидов и умеренно повышает прочность
Mg	0.25–0.45	Элемент для упрочнения осадочным твердением (формирует Mg2Si), контролирует упрочнение осадками
Cu	0.05–0.20	Как правило, низкое содержание; повышает прочность, но может снижать коррозионную стойкость при увеличении
Zn	≤0.2	Незначительное остаточное содержание; ограниченный эффект упрочнения
Cr	≤0.05	Следовая добавка для уточнения зерна и контроля интерметаллидов
Ti	≤0.15	Зернообразователь для литейных и АМ микроструктур
Прочие / остаточные	≤0.15 суммарно	Следовые элементы и примеси, контролируемые для стабильных свойств

Кремний — доминирующий преднамеренный легирующий элемент, определяющий литейные свойства, эвтектический состав и твёрдость кремниевых фаз. Магний — активный элемент упрочнения осадочным твердением, формирующий мелкие Mg-содержащие осадки при старении, что обеспечивает упрочнение в состояниях T6/T5. Контролируемые добавки Mn, Ti и низкие уровни Fe и Cu используются для настройки морфологии интерметаллидов, снижения склонности к горячей трещинообразованию и оптимизации микроструктуры литых и АМ изделий для последующей термообработки и механических свойств.

Механические свойства

При растяжении AlSi10Mg демонстрирует относительно высокое временное сопротивление разрыву в состояниях T6/T5 при обычно сниженной пластичности по сравнению с низкокремниевыми деформируемыми сплавами. Предел текучести значительно повышается после растворяющей обработки и искусственного старения за счёт осаждения мелких Mg-содержащих фаз и взаимодействия с кремниевыми частицами. Относительное удлинение при разрушении сильно зависит от состояния и микроструктуры; отожженное или литое состояние обеспечивает максимальную пластичность, тогда как T6 гарантирует максимальную прочность ценой снижения удлинения.

Твёрдость следует той же тенденции: отожженный и литой материал имеют более низкие значения по Бринеллю / HRB, тогда как в состояниях T6/T5 твёрдость существенно возрастает за счёт упрочнения осадками и диспергированием кремния. Усталостные характеристики зависят от состояния поверхности, пористости (особенно критичной для конструкций из литья и АМ) и состояния термообработки; материал в T6 состоянии может демонстрировать высокую усталостную прочность при высоком числе циклов, если минимизировать пористость и поверхностные дефекты. Толщина и размер сечения влияют на механический ответ через различия в скорости затвердевания и истории охлаждения; тонкие сечения обычно имеют более мелкую микроструктуру и более высокую прочность в литом состоянии, тогда как толстые сечения могут быть мягче и более подвержены пористости усадки.

Свойство	O / отожженное	Ключевое состояние (например, T6)	Примечания
Временное сопротивление разрыву (UTS)	160–220 MPa	300–380 MPa	Значения T6 зависят от толщины сечения и особенностей термообработки
Предел текучести (0,2% условное)	80–140 MPa	240–320 MPa	Предел текучести резко растёт при старении; для АМ состояния as-built характерны промежуточные значения
Относительное удлинение (A%)	8–15%	2–8%	Пластичность падает в состояниях максимального упрочнения; режим разрушения нередко межзеренный с прохождением трещины через частицы кремния
Твёрдость (HB)	40–65 HB	90–140 HB	Твёрдость коррелирует с плотностью осадков и морфологией кремния

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.67–2.70 г/см³	Сопоставима с другими алюминиевыми сплавами; отличное удельное сопротивление
Интервал плавления	~570–585 °C	Интервал с эвтектическим влиянием из-за ~10% Si; понижение солидуса и ликвидуса относительно чистого Al
Теплопроводность	100–140 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия, но все еще хорошая для теплоотвода; зависит от температуры и пористости
Электропроводность	~30–40% IACS	Снижена относительно чистого Al из-за легирующих добавок и микроструктурных неоднородностей
Удельная теплоёмкость	~900 Дж/кг·К	Типична для алюминиевых сплавов при комнатной температуре
Тепловое расширение (20–200°C)	~22–24 ×10⁻⁶ /К	Коэффициент подобен другим алюминиевым сплавам; учитывать при конструировании многоматериальных узлов

Теплопроводность и теплоёмкость AlSi10Mg делают его привлекательным для компонентов, требующих эффективного теплового управления при низком весе, хотя теплопроводность ниже, чем у чистого алюминия и более совершенных сплавов с меньшим содержанием легирующих элементов. Сниженный интервал плавления по сравнению с чистым алюминием выгоден при литье и аддитивных технологиях, снижая температуру заливки и тепловые градиенты во многих процессах. Тепловое расширение и теплопроводность необходимо учитывать на сборках из разнородных материалов, чтобы избежать деформаций и термических напряжений в эксплуатации.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение по прочности	Распространённые состояния	Примечания
Отливки (песчаные, гравитационные)	Сечения от нескольких мм до >100 мм	Переменное; крупнозернистая структура в толстых сечениях	Как отливка, T6	Широко используются в автомобильных и промышленных корпусах
Литейные отливки под давлением	Тонкие и средние сечения (1–10 мм)	Хорошие, мелкозернистая микроструктура в тонких стенках	Как отливка, T5/T6	Литейные под давлением обеспечивают более высокое качество поверхности и более мелкую эвтектическую структуру
Аддитивное производство (лазерное спекание)	Сложные геометрии, толщина стенок 0,5–10 мм	Мелкая микроструктура, высокая прочность в состоянии после печати	Состояние после печати, T5, T6	Быстрое затвердевание обеспечивает уникальные механические свойства; обычно применяется термообработка
Экструзия (ограниченно)	Профили до нескольких десятков мм	Ограниченно, так как основной упор на литьё	Похожие на T4/T6	Редко встречается; преимущественно производится в виде отливок или порошков
Пруток/штанга	Малые диаметры из порошкового материала	Зависит от технологии обработки	T6	Обычно производится вторичной обработкой или порошковой металлургией

AlSi10Mg преимущественно поставляется в виде отливок (гравитационные, под давлением) или порошка для аддитивного производства, а не в виде крупных продуктов из полосы или листа. Литейные и AM-процессы формируют микроструктуру и содержание дефектов; литье под давлением и быстрое затвердевание при AM обеспечивают более мелкое распределение кремния и повышенную прочность в исходном состоянии. Форма продукции определяет допустимые степени упрочнения, достижимые размеры сечений и вторичные операции, такие как обработка на станках, термообработка и поверхностная отделка.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
EN / ISO	AlSi10Mg / EN AC-AlSi10Mg	Европа / международный	Типичное европейское обозначение отливок, соответствующее EN 1706 и ISO
AA / ASTM	(прямого аналога AA нет)	США	A356 близка по составу, но содержит меньше Si (~7%) и другой Mg; точного соответствия по номеру сплава для AlSi10Mg нет
JIS	A3560/A357?*	Япония	Японские литейные стандарты имеют аналогичные Al-Si-Mg марки с немного отличающимися пределами по составу
GB/T	AlSi10Mg	Китай	Китайский стандарт для отливок, широко используемый в местных поставках

Стандарты в разных регионах могут различаться по максимальным пределам по примесям, требованиям к прочности и допустимым технологиям термообработки; обозначение EN/ISO AlSi10Mg является часто используемой базой для Европы и многих глобальных поставщиков. Сравнительные марки, такие как A356 (AlSi7Mg) или AlSi12Cu (ADC12), демонстрируют компромиссы по составу и свойствам: A356 содержит меньше кремния, поэтому отличается литьевыми свойствами и балансом прочности/пластичности, а ADC12 содержит повышенные уровни кремния и меди, влияющие на механические и коррозионные характеристики. При международных закупках важно уточнять точный стандарт и критерии приемки по механическим свойствам, а не полагаться только на наименование сплава.

Коррозионная стойкость

AlSi10Mg обладает хорошей общей атмосферостойкостью, в основном за счёт пассивной оксидной плёнки алюминия и относительно низкого содержания меди в сплаве. В типичных условиях внутренней атмосферы и слабоагрессивных промышленных сред по стойкости он схож с другими низкомедными Al-Si отливочными сплавами и часто получает дополнительную защиту за счёт анодирования или конверсионных покрытий для повышения долговечности.

В морской среде или в присутствии хлоридов сплав умеренно подвержен локализованной точечной и щелевой коррозии; для длительной эксплуатации рекомендуется применять соответствующую защиту поверхности, жертвенные покрытия или катодную изоляцию. Склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением ниже, чем у высокопрочных Al-Zn-Mg сплавов, но может проявляться при воздействии растягивающих усилий и агрессивных хлоридных сред, особенно в состояниях максимального упрочнения (T6), если не проведено дополнительное перевыдерживание для повышения устойчивости к SCC.

Гальванические взаимодействия с катодными материалами (нержавеющие стали, медь) могут ускорять локальную коррозию при наличии прямого электрического контакта и электролита; при проектировании рекомендуется использовать изолирующие интерфейсы или близкие по химическому составу материалы для снижения гальванических токов. По сравнению с деформируемыми сплавами серий 5xxx и 6xxx, AlSi10Mg обеспечивает лучшее сочетание литьевых свойств и приемлемой коррозионной стойкости, но не достигает высокой морской стойкости специализированных Al-Mg сплавов и контроля локальной коррозии у некоторых анодированных деформируемых изделий.

Свойства изготовления

Свариваемость

AlSi10Mg хорошо сваривается стандартными методами плавления, такими как GTAW (TIG) и GMAW (MIG), при этом часто используют соответствующие присадочные материалы. Для минимизации горячих трещин обычно применяют присадки, богатые кремнием, например ER4043 (Al-5Si) и проволоку Al-Si-Mg, которые обеспечивают сходное поведение затвердевания. Присадки типа ER5356 (Al-Mg) применяют для повышения прочности и содержания Mg, но при этом возрастает риск пористости и горячих трещин. Основными проблемами сварки являются пористость, поглощение водорода и усадочные трещины; предварительная очистка, грамотная конструкция соединения и контролируемый тепловложение снижают размягчение зоны термического влияния и дефекты сварного шва.

Обрабатываемость

Обработка AlSi10Mg обычно проще, чем ферросплавов, однако частицы кремния повышают абразивность и вызывают интенсивный износ инструмента, поэтому рекомендуются твердосплавные и инструментальные материалы с PVD-покрытием. Скорости подачи и режущие скорости выше, чем у сталей, при этом обязательна мощная подача охлаждающей жидкости для отвода стружки и контроля теплового деформирования; стружка часто имеет прерывистую форму из-за хрупких кремниевых фаз. Качество поверхности сильно зависит от пористости отливки или аддитивного производства, поэтому для ответственных деталей нередко требуются финишные проходы и неразрушающий контроль.

Формовка

Холодная деформация ограничена для состояний максимального упрочнения; состояния O и с лёгким отпуском обеспечивают лучшую формуемость для операций гибки и штамповки. Рекомендуемые минимальные радиусы гиба зависят от состояния и геометрии, но обычно составляют 4–6× толщины материала в отожженном состоянии и большие радиусы для T6, чтобы избежать трещин в областях скопления кремниевых частиц. Для сложных форм рекомендуется использовать отливку под близкую к конечному размеру или аддитивное производство с последующей механической обработкой, так как высокая прочность ограничивает возможности холодной деформации.

Поведение при термообработке

Растворяющая термообработка для AlSi10Mg обычно проводится при 540–545 °C для гомогенизации микроструктуры и растворения фаз, содержащих Mg, при времени выдержки, подобранном в зависимости от толщины сечения, чтобы избежать возникновения плавления низкотемпературных составляющих. Быстрое закаливание после растворения необходимо для сохранения насыщенного твердого раствора; степень закалки влияет на плотность выделенных во время старения вторичных фаз и, следовательно, на конечную прочность. Искусственное старение для достижения состояния T6 обычно производится при 160–180 °C в течение нескольких часов для выделения кластеров Mg2Si и стабилизации морфологии кремния для максимальной прочности.

Темперинг T5, широко используемый для AM-компонентов, включает охлаждение от повышенной температуры и последующее искусственное старение, дающее умеренную прочность с меньшими деформациями по сравнению с полной растворяющей обработкой. Перевыдерживание (T7) применяется для улучшения размерной стабильности и повышения стойкости к коррозионному растрескиванию посредством снижения максимальной прочности. Отжиг и полное размягчение (O) достигаются длительным нагревом при низких температурах для укрупнения выделений и сфероидизации кремниевых фаз, что восстанавливает пластичность для формования и механической обработки.

Поведение при высоких температурах

AlSi10Mg испытывает постепенное снижение прочности с ростом температуры выше комнатной, при этом существенное снижение предела текучести и временного сопротивления разрыву обычно наблюдается выше 150 °C. Длительное нахождение при температурах свыше примерно 125–150 °C способствует укрупнению выделений и потере эффектов пикового старения, поэтому для конструкций, несущих нагрузку, сервисные температуры устанавливаются с запасом. Окисление ограничено защитной оксидной плёнкой алюминия, однако при высоких температурах возможно образование оксидных наслоений и локальная окислительная коррозия кремниевых фаз при отсутствии защитных покрытий.

Зона термического влияния при сварке или локальном нагреве может приводить к размягчению сплава из-за растворения выделений или перевыдерживания; для сохранения механической целостности необходимо предусматривать после сварочную термообработку или конструктивные решения, снижающие локальные максимумы температуры. Кратковременные термические нагрузки сплав переносит удовлетворительно, но для длительной эксплуатации при повышенных температурах обычно выбирают высокотемпературные алюминиевые сплавы или альтернативные материалы.

Области применения

Отрасль	Пример изделия	Почему используется AlSi10Mg
Автомобильная промышленность	Крышки двигателей, корпуса коробок передач, монтажные кронштейны	Отличная литьевая способность, хорошее соотношение жёсткости к весу и теплоотдачи
Аэрокосмическая и оборонная промышленность	Кронштейны, корпуса, мелкие несущие элементы	Низкий вес при хорошей прочности после термообработки T6, хорошая совместимость с аддитивным производством для сложных форм
Судостроение	Корпуса насосов, неответственные конструктивные элементы	Хорошая коррозионная стойкость с защитными покрытиями и хорошая литьевая способность
Электроника	Радиаторы, корпуса	Теплопроводность плюс возможность формировать сложные интегрированные каналы с помощью аддитивных технологий
Мотоспорт / Промышленность	Лёгкие компоненты, прототипы	Быстрое прототипирование и хорошее соотношение прочности к весу после термообработки

Использование AlSi10Mg обусловлено сочетанием литьевой способности, совместимости с процессами аддитивного производства и возможности упрочнения термообработкой. Этот сплав превосходно подходит для деталей со сложной геометрией, сохраняющих размерную стабильность после термообработки и обладающих разумной коррозионной стойкостью при низком весе, часто заменяя более тяжёлые чугунные отливки или дорогостоящие экзотические сплавы.

Рекомендации по выбору

Для лёгких конструктивных деталей, изготавливаемых литьём или методом послойного спекания, выбирайте AlSi10Mg, когда требуется прочность выше, чем у технически чистого алюминия, но при этом важна отличная литьевая способность и тепловые характеристики. По сравнению с 1100 (технически чистым алюминием) AlSi10Mg жертвует электрической/теплопроводностью и пластичностью ради значительно большей прочности и улучшенной износостойкости.

В сравнении с деформируемыми упрочнёнными сплавами, такими как 3003 или 5052, AlSi10Mg обеспечивает более высокую прочность после термообработки, но обычно меньшую пластичность и несколько сниженную коррозионную стойкость в агрессивных хлоридных средах; выбирайте AlSi10Mg, когда важнее литьевая способность и прочность после термообработки, чем возможность штамповки или глубокой вытяжки. По сравнению с распространёнными деформируемыми термообрабатываемыми сплавами, такими как 6061 или 6063, AlSi10Mg может иметь более низкую временную прочность в некоторых режимах старения, но предпочтителен там, где преимущества литья или аддитивного производства и эвтектического кремния превышают более высокую прочность или доступность деформируемых профилей.

Используйте AlSi10Mg, когда геометрия изделия или технологические ограничения предполагают литьё или аддитивное производство, когда допустима последующая термообработка, и когда конструкторы ценят оптимальное сочетание технологичности, тепловых характеристик и массы, а не абсолютную пластичность или коррозионную стойкость в особо агрессивных условиях.

Заключение

AlSi10Mg остаётся весьма актуальным алюминиевым сплавом для современного машиностроения благодаря уникальному сочетанию литьевой способности и совместимости с аддитивным производством, возможности упрочнения термообработкой с осадочным упрочнением за счёт Mg, а также оптимальному балансу тепловых, механических и коррозионных свойств для лёгких конструктивных и тепловых компонентов.