Алюминий AlSi12: состав, свойства, руководство по термообработке и области применения

Обширный обзор

AlSi12 относится к алюминиево-кремниевой группе и классифицируется как литой сплав Al-Si, а не как деформируемые сплавы серий 1xxx–7xxx; обычно используется маркировка по литейным стандартам, а не по номерам деформируемых серий. Сплав содержит примерно 11–13% кремния с остаточным количеством железа, марганца, меди и следовыми элементами, такими как титан и хром, которые применяются для измельчения зерна и контроля свойств.

Основным механизмом упрочнения AlSi12 является микроструктурный: близкоэвтектическая кремниевая фаза, равномерно распределённая в алюминиевой матрице, обеспечивает внутреннюю жёсткость и износостойкость. AlSi12 не является классическим упрочняемым термообработкой деформируемым сплавом; улучшения механических свойств достигаются контролем морфологии кремния (модификация, сфероидизация) и ограниченными термическими обработками, а не процессами старения на основе Mg/Cu.

Ключевые характеристики включают отличную литейную текучесть, низкую усадку при затвердевании, хорошую размерную стабильность в литом состоянии и удовлетворительную коррозионную стойкость благодаря защитной плёнке оксида алюминия. Сплав демонстрирует умерённое временное сопротивление разрыву, невысокое удлинение в литом состоянии и хорошую теплопроводность по сравнению с другими литейными сплавами. Основные сферы применения AlSi12 — автомобильная промышленность (литьё деталей двигателей, корпусов), промышленное машиностроение (корпуса насосов, клапанные корпуса), судовое оборудование и некоторые тепловые системы управления.

Инженеры выбирают AlSi12, когда важна литейность, низкая усадка и баланс прочности с теплопроводностью, а не максимальные показатели временного сопротивления. Высокое содержание кремния делает сплав привлекательным для сложных тонкостенных литых изделий и компонентов, требующих хорошей износостойкости и стабильности при термоциклировании.

Варианты состояния

Состояние	Уровень прочности	Удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
F (как изготовлено)	Низкий–средний	Низкое–среднее	Ограниченная	Умеренная	Типичное состояние после литья в кокиль или песчаную форму
O (отожжённое)	Низкий	Среднее–выше	Улучшенная	Хорошая	Отжиг/снятие внутреннего напряжения для повышения пластичности и снижения остаточных напряжений
T5	Средний	Низкое	Ограниченная	Умеренная	Охлажден после литья и искусственно выдержан для стабилизации свойств
T6	Средний–высокий	Низкое	Ограниченная	Умеренная	Закалка раствором + искусственное старение, может сфеироидизировать кремний и слегка повысить прочность при подходящем составе сплава
T4 (закалённое с естественным старением)	Средний	Низкое–среднее	Ограниченная	Умеренная	Закалка раствором с естественным старением; применяется выборочно после модификации
H14 (наклёпанное)	Не типично	Не типично	Не типично	Не типично	Наклёпывание обычно не применяется к литому AlSi12; указано для справки

Состояние значительно влияет на характеристики AlSi12, поскольку морфология кремния и литейные дефекты являются первичными факторами, определяющими свойства. Термические обработки, такие как закалка раствором и искусственное старение (T6/T5), могут улучшать распределение кремниевых частиц и снижать микросегрегацию, обеспечивая умеренное изменение прочности и пластичности по сравнению с литьём.

Практический выбор состояния зависит от способа литья и назначения детали; отжиг и контролируемое старение применяются для улучшения обрабатываемости и снижения внутренних напряжений, тогда как агрессивные термомеханические методы, используемые для деформируемых сплавов, обычно не применимы к литым изделиям из AlSi12.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	11,0–13,0	Основной легирующий элемент; управляет эвтектической структурой, текучестью и износостойкостью
Fe	0,3–1,3	Распространённая примесь; повышенное содержание вызывает образование хрупких интерметаллических соединений и снижает пластичность
Mn	0,1–0,6	Контролирует морфологию Fe-интерметаллических фаз; улучшает литейные и механические свойства
Mg	0,05–0,5	Может присутствовать в следовых или малых количествах; обеспечивает некоторую возможность упрочнения при достаточном содержании
Cu	0,05–0,5	Обычно низкое; повышение меди увеличивает прочность, но снижает коррозионную стойкость
Zn	0,05–0,5	Следы; контролируется для предотвращения трещин при литье
Cr	0,05–0,25	Небольшая добавка для контроля структуры зерна и связывания Fe в нейтральные фазы
Ti	0,02–0,20	Модификатор зерна, контролирует структуру первичного алюминия
Прочие	Остальное — Al с незначительными примесями	Остаточные элементы (Ni, Pb, Sr от модификации) контролируются для обеспечения качества литья

Кремний является основным фактором воздействия на свойства AlSi12: он снижает температурный интервал плавления, увеличивает текучесть и уменьшает усадку, обеспечивая износостойкость за счёт твёрдых кремниевых частиц. Железо и марганец контролируют образование нежелательных интерметаллидов во время затвердевания. Следовые элементы, такие как Ti и Sr, используются для измельчения зерна и модификации формы кремния от пластинчатой к волокнистой или сфероидальной, что улучшает ударную вязкость и обрабатываемость.

Механические свойства

Литые изделия из AlSi12 демонстрируют поведение при растяжении, обусловленное морфологией эвтектического кремния и качеством литья (пористость, усадка и скорость затвердевания). Прочность в литом состоянии умеренная, удлинение ограничено; направленные свойства могут изменяться в зависимости от толщины сечения из-за градиентов затвердевания. Прочность можно умеренно повысить закалкой раствором и старением при условии соответствующей химии и микроструктуры сплава.

Порог текучести, как правило, ниже, чем у высокопрочных упрочняемых термообработкой деформируемых сплавов; однако сплав демонстрирует стабильные свойства при различных способах литья при хорошем контроле усадки и пористости. Твёрдость коррелирует с распределением кремниевых частиц: мелкий сфероидизированный кремний даёт повышенную вязкость и немного более низкую поверхностную твёрдость, чем крупный пластинчатый кремний.

Усталостные характеристики AlSi12 чувствительны к литейным дефектам, таким как газовая пористость и оксидные включения, которые служат очагами зарождения трещин; качественное литьё с минимальным количеством дефектов может обеспечить достойный ресурс усталости для неответственных вращающихся узлов. Толщина сечения влияет на скорость охлаждения и, следовательно, на морфологию кремния: тонкие сечения остывают быстро, образуя более мелкую микроструктуру и повышенную прочность, тогда как толстые остывают медленнее, формируя более крупный кремний.

Свойство	O/Отожженное	Основное состояние (T6/T5)	Примечания
Временное сопротивление разрыву (UTS)	90–140 MPa (типично)	150–240 MPa (типично, зависит от состава и технологии)	Широкий разброс из-за метода литья, контроля пористости и модификации микроструктуры
Предел текучести (0,2% смещение)	40–90 MPa	100–170 MPa	Умеренное повышение предела текучести после закалки и старения по сравнению с высокоминерализованными Mg/Cu сплавами
Удлинение	2–10%	1–6%	Пластичность снижается после старения; тонкостенные литья показывают более высокое удлинение
Твёрдость (по Бринеллю)	35–70 HB	60–110 HB	Твёрдость растёт при мелкой морфологии кремния и термообработке; значения зависят от толщины сечения и технологии

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2,68 г/см³	Типичная плотность для алюминиево-кремниевых литейных сплавов; немного выше, чем у чистого алюминия из-за содержания кремния
Температурный интервал плавления	~577–600 °C	Близкоэвтектический сплав имеет более низкую температуру плавления по сравнению с чистым Al; эвтектическая реакция около ~577 °C
Теплопроводность	~110–140 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия, но всё ещё хорошая теплопроводность для отвода тепла в литых компонентах
Электропроводность	~30–40% IACS	Снижена относительно чистого алюминия из-за кремния и интерметаллидов, рассеивающих электроны
Удельная теплоёмкость	~0,88–0,92 кДж/кг·К	Близка к значению для чистого алюминия; полезна для расчёта тепловой массы
Коэффициент термического расширения	~21–24 µм/м·К	Чуть ниже, чем у чистого алюминия в некоторых термообработанных состояниях из-за содержания кремния

Физические свойства AlSi12 делают этот сплав привлекательным для компонентов, где важна тепловая устойчивость и размерная стабильность при циклах нагрева/охлаждения. Более низкая температура плавления и хорошая текучесть способствуют изготовлению тонкостенных сложных деталей с хорошим заполнением формы.

Электропроводность снижена по сравнению с чистым алюминием и должна учитываться при требованиях к электрическим характеристикам. Плотность и удельная теплоёмкость близки к другим литым алюминиевым сплавам, что благоприятно для лёгких конструкций и тепловых применений.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Распространённые состояния	Примечания
Изделия пескоструйного литья	Толщина стенок 3–50 мм	Переменная; более крупная микроструктура в толстых сечениях	F, O, T5	Используются для больших сложных компонентов; микроструктура контролируется скоростью охлаждения
Литьё в металлические (постоянные) формы	Тонкие стенки 1–10 мм	Повышенная прочность за счёт более быстрого охлаждения; мелкодисперсный кремний	F, T5, T6	Распространено для автомобильных корпусов и прецизионных деталей
Литьё по гравитации / металлические формы	2–20 мм	Средняя прочность и качество поверхности	F, T5, T6	Хорошая повторяемость и механические свойства для среднесерийного производства
Песчаные сердечники/слитки	Различно	Исходный материал	F	Исходный или переплавленный материал для литейных заводов
Пруток / литой стержень	Диаметры до 200 мм	Аналогично литью; ограниченное ковка или прокатка	F, O	Используется для обработки и изготовления небольших конструкционных деталей

Разные формы продукции обусловлены назначением и требуемыми механическими/геометрическими допусками. Литьё в металлические формы обеспечивает наиболее мелкозернистую микроструктуру и лучший контроль размеров, что подходит для тонкостенных деталей массового производства в автомобилестроении. Пескоструйное литьё допускает более крупные сечения и сложную внутреннюю геометрию, но требует тщательного контроля дефектов.

Форма поставки влияет на вторичную обработку: литые детали обычно требуют меньшего припуска на механическую обработку и имеют лучшее качество поверхности, тогда как детали пескоструйного литья могут потребовать больше мехобработки и термообработки для достижения требуемых допусков.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	AlSi12 (литьё)	США	Общее обозначение для алюминиево-кремниевого литья с примерно 12% Si
EN	EN AC-AlSi12 / AlSi12	Европа	Стандартизированное обозначение для литья (ранее AlSi12); часто включает «F» для литейного состояния
JIS	ADC12 (аналогично)	Япония	Широко используется при литье под давлением, состав близок, но часто содержит повышенный Cu и Zn
GB/T	AlSi12	Китай	Китайский стандарт для алюминиево-кремниевых литьевых сплавов, аналогичный по составу; допуски состава могут отличаться

Небольшие различия в региональных марках связаны с пределами содержания Cu, Zn и примесей, а также допустимым уровнем Fe и Mn. ADC12 (JIS) часто содержит больше меди для улучшения механических свойств при литье под давлением, но это снижает коррозионную стойкость. EN AC-AlSi12 контролируется по низкому содержанию Fe и широко применяется для высококачественного литья в Европе.

Коррозионная стойкость

AlSi12 обладает в целом хорошей атмосферной коррозионной стойкостью благодаря образованию защитной плёнки алюминиевого оксида. В нейтральных и слабоагрессивных средах сплав проявляет хорошие свойства, но может возникать локальное анодное растворение в местах дефектов литья, пористости или присутствия интерметаллических фаз. Обработка поверхности и использование герметизирующих покрытий существенно улучшают долговременную стабильность в агрессивных условиях.

В морской и содержащей хлор среды сплав подвержен точечной и щелевой коррозии, особенно в зонах дефектов или на шероховатых поверхностях, где задерживается коррозионная среда. Относительно низкое содержание меди в типичном AlSi12 улучшает стойкость к коррозии при напряжении по сравнению с медесодержащими сплавами, однако при соединении с более благородными металлами необходимо учитывать катодно-анодные взаимодействия.

Трещинообразование под воздействием коррозии не является основной причиной разрушения для AlSi12 из-за ограниченного содержания примесей, вызывающих межкристаллитную хрупкость, однако комплексное действие усталостной коррозии и дефектов литья может приводить к преждевременному выходу из строя в циклических морских или промышленных условиях. Гальванические пары со сталью и медными сплавами следует изолировать с помощью барьеров или предусматривать соответствующий запас на коррозию для предотвращения ускоренного разрушения.

По сравнению с морскими деформируемыми сплавами серии 5xxx, AlSi12 имеет более низкую внутреннюю вязкость и более чувствителен к дефектам литья, но обеспечивает преимущества в литье и стабильности размеров для сложных форм. Инженерам следует учитывать условия эксплуатации и качество литья при выборе AlSi12 для коррозионно-агрессивных сред.

Свойства обработки

Свариваемость

Сварка литейных деталей из AlSi12 возможна методами TIG и MIG при использовании подходящих присадочных сплавов и предварительной подготовки поверхности. Рекомендуются алюминиево-кремниевые присадки ER4043 (Al-5Si) и ER4047 (Al-12Si), соответствующие содержанию кремния в основе для снижения риска горячих трещин. Часто применяются предварительный нагрев и дегазация для уменьшения пористости, связанной с водородом; однако сварка может локально изменить морфологию кремния в зоне термического влияния и вызвать концентрации деформаций и усадки, требующие последующей термообработки или шлифовки удаления дефектов.

Механическая обработка

Обрабатываемость AlSi12 в целом хорошая для литых алюминиевых сплавов, но твёрдые частицы кремния ускоряют износ абразивного инструмента по сравнению с чистым алюминием. Рекомендуется использование твердосплавного инструмента с покрытиями на основе нитрида титана или аналогичными и положительной геометрией режущей кромки для высокоскоростного резания; контроль стружкообразования обычно удовлетворительный, но срок службы инструмента надо контролировать при длительных сериях. Параметры обработки должны учитывать толщину сечения и местные изменения твёрдости, вызванные морфологией кремния и историей термообработки.

Обработка пластической деформацией

Пластическая формовка AlSi12 ограничена, так как сплав обычно применяется в литой форме и характеризуется низкой пластичностью по сравнению с деформируемыми алюминиевыми сплавами. Холодная гибка или глубокая вытяжка типичных литых деталей невозможны; вместо этого для достижения нужной геометрии используются конструкция форм, сердечники и вставки. Для улучшения пластичности возможно применение полутвёрдого литья или модификация микроструктуры кремния с помощью термообработки с целью сфероидизации, что повысит локальную пластичность, но не достигнет пластичности сплавов серий 5xxx или 6xxx.

Особенности термообработки

AlSi12 не является основным алюминиевым сплавом с упрочнением за счёт осадочного старения, так как не содержит значимого количества магния и меди для классического упрочнения T6. Тем не менее термообработка влияет на морфологию кремния и остаточные напряжения. Закалка при температуре около 520–540 °C с последующим быстрым охлаждением частично гомогенизирует микроструктуру и способствует сфероидизации части кремния; последующее искусственное старение (T5/T6) стабилизирует структуру и даёт небольшое повышение прочности.

Для многих литых изделий AlSi12 основными термообработками являются отжиг и гомогенизация для снятия литейных напряжений и уменьшения микросегрегации. Эти обработки улучшают обрабатываемость и снижают вероятность горячих трещин при вторичных операциях. Так как пластическое упрочнение для литых деталей неэффективно, инженеры пользуются контролем микроструктуры, термообработкой и модификацией состава (например, обработкой Sr) для настройки свойств.

Контроль процесса термообработки критичен: перезакаливание или неправильное закаливание могут привести к росту частиц кремния и снижению пластичности, тогда как недостаточная дегазация или медленное охлаждение вызывают пористость и ухудшают механические свойства. Для сплавов с небольшими добавками Mg или Cu оптимальные режимы закалки и старения дают наибольший эффект; в противном случае акцент делается на снятие напряжений и оптимизацию структуры кремния.

Поведение при высоких температурах

При повышенных температурах AlSi12 постепенно теряет прочность из-за термической активации движения дислокаций и коалесценции микроструктурных фаз. Практически эксплуатационные температуры обычно ограничиваются уровнем ~150–200 °C для конструкционных применений, чтобы избежать значительных деформаций ползучести и потери жёсткости. Кратковременное воздействие до 250 °C возможно для ненагруженных тепловых компонентов, но долговременная механическая надёжность снизится.

Поведение при окислении типично для алюминия: формируется стабильный оксидный слой, защищающий металл, однако утолщение оксидной плёнки может ухудшать тепловой контакт в теплообменных устройствах. Зона термического влияния сварки или локальной термообработки может иметь изменённое распределение кремния, что локально снижает сопротивляемость высоким температурам и ускоряет процессы ползучести и трещинообразования вследствие окисления. Для деталей, предназначенных для эксплуатации при повышенных температурах, необходим тщательный конструктивный расчёт для минимизации концентраций напряжений и избегания тонких сечений в несущих зонах.

Области применения

Отрасль	Пример детали	Почему используется AlSi12
Автомобильная промышленность	Корпуса трансмиссий, корпуса коробок передач, корпуса клапанов	Отличная способность к литью под давлением и размерная стабильность для сложных тонкостенных деталей
Судостроение	Корпуса насосов, некритичные конструкционные отливки	Коррозионная стойкость и литейная способность при сложных геометриях
Аэрокосмическая и оборонная промышленность	Кронштейны, корпуса для второстепенных конструкций	Хорошее соотношение прочности к весу для литых деталей и высокая тепловая стабильность
Промышленное оборудование	Корпуса передач, корпуса подшипников, корпуса клапанов	Низкая усадка, хорошая износостойкость и достаточная механическая прочность
Электроника / Тепловое управление	Корпуса теплоотводов и тепловые масс-детали	Оптимальная теплопроводность в сочетании с возможностью литья сложных форм

Сплав AlSi12 демонстрирует хорошие эксплуатационные характеристики там, где преимущества технологии литья (сложные формы, интегрированные ребра, тонкие стенки) перевешивают необходимость достижения максимальной прочности на разрыв или экстремальной пластичности. Его сочетание размерной точности, теплопроводности и адекватной прочности обеспечивает широкое применение в высокотиражных деталях, изготовленных литьём под давлением, а также в экономичных отливках среднего размера.

Рекомендации по выбору