Алюминий AlSi9Cu3: состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Обзор

AlSi9Cu3 — это литой алюминиевый сплав, относящийся к семейству 4xx или более точно к Al-Si-Cu; обычно его классифицируют с гипоэвтектическими алюминиево-кремниевыми сплавами для литья под давлением и в форму, а не с деформируемыми сплавами серий 6xxx или 5xxx. Обозначение указывает на номинальное содержание кремния около 9 мас.% и меди около 3 мас.%, что делает его литейным сплавом со средним содержанием кремния, упрочнённым медью и оптимизированным для сочетания прочности и термостойкости.

Основные легирующие элементы — кремний (Si), обеспечивающий литейные свойства и текучесть, а также медь (Cu), отвечающая за упрочнение при старении и повышение прочности при повышенных температурах. Небольшие добавки железа (Fe), марганца (Mn) и титана (Ti) регулируют образование интерметаллидов, структуру зерен и кормимость расплава при затвердевании. Упрочнение осуществляется преимущественно термической обработкой — раствором и искусственным старением (условия T), с дополнительным эффектом от микроструктуры, образующейся при затвердевании (морфология эвтектического кремния).

Ключевые свойства включают хорошую литейность и размерную стабильность, умеренно высокую статическую прочность в стареющих состояниях, удовлетворительную усталостную стойкость для литых изделий и приемлемую коррозионную стойкость при правильной последующей обработке. Свариваемость ограничена по сравнению с чистым алюминием, но возможна при использовании соответствующих присадочных материалов и пред/постобработки; пластичность в литом состоянии низкая относительно деформируемых сплавов. Типичные области применения — автомобильная промышленность (литые детали двигателя и трансмиссии, конструкционные литые изделия), промышленное оборудование, гидравлика и корпуса электроники, где важны теплопроводность и детали литья.

Инженеры выбирают AlSi9Cu3, когда на первом месте стоят литейность и баланс прочности с термостойкостью, а не максимальная пластичность или электропроводность. Он предпочтительнее сплавов с более высоким содержанием кремния по вязкости и прочен на разрыв при повышенных температурах за счёт меди; выбирается вместо деформируемых сплавов, если необходима сложная геометрия или интегрированные литые детали.

Состояния / Условия термообработки

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкая	Высокое (8–15%)	Ограничена (только литые изделия)	Хорошая (при контроле нагрева до и после сварки)	Отожжённое или естественно охлаждённое состояние; самое мягкое.
T1	Низкая–средняя	Среднее (6–12%)	Ограниченная	Средняя	Охлаждён от литья с естественным старением; слабое упрочнение за счёт осадков.
T5	Средняя	Низкое–среднее (3–8%)	Плохая	Средняя	Охлаждён от литья с искусственным старением; часто используется для литых деталей с требованиями по размерной стабильности.
T6	Высокая	Низкое (2–6%)	Плохая	Сложная	Растворная обработка, закалка и искусственное старение; пик прочности для многих применений.
T7	Средняя–высокая	Среднее (4–8%)	Плохая	Средняя	Перезакаленное состояние для улучшенной термостабильности и снижения чувствительности к напряжениям.

Состояние термообработки существенно влияет на характеристики AlSi9Cu3, поскольку фазы, богатые медью, образующиеся при старении, определяют предел текучести и временное сопротивление разрыву. Обработка T6 (раствор + искусственное старение) обеспечивает максимальную прочность и минимальную пластичность за счёт осаждения медьсодержащих фаз, тогда как состояния O и T1 сохраняют более высокое удлинение, но значительно меньшую статическую прочность.

Химический состав

Элемент	Диапазон, мас.%	Примечания
Si	8.0–10.0	Основной легирующий элемент; отвечает за текучесть, усадку и эвтектическую микроструктуру.
Fe	0.3–1.3	Неизбежная примесь; образует интерметаллические соединения (β‑AlFeSi), которые при избытке могут вызывать хрупкость.
Mn	0.05–0.5	Связывает Fe, образуя менее вредные интерметаллиды; улучшает вязкость.
Mg	≤0.5	Обычно низкое содержание в данном сплаве; может участвовать в осаждении с Cu в сложных фазах.
Cu	2.5–3.5	Основной элемент упрочнения за счёт старения; повышает прочность и горячую твёрдость.
Zn	≤0.3	Мелкие количества; обычно рассматривается как примесь без серьёзного упрочняющего эффекта.
Cr	≤0.2	Зерноулучшающий элемент и контролирует рекристаллизацию; небольшой эффект на прочность.
Ti	≤0.2	Зерноулучшитель для получения мелкодендритной структуры и повышения механических свойств.
Прочие (включая Ni, Pb, Sn)	Баланс/следы	Остальные элементы минимальны; могут влиять на литейные качества и обрабатываемость в малых количествах.

Кремний определяет поведение расплава при литье и морфологию эвтектических пластин/частиц кремния, что влияет на вязкость и усталостную прочность. Медь обеспечивает возможность искусственного старения и повышенную прочность при высоких температурах, но увеличивает восприимчивость к определённым типам коррозии и требует точного контроля термообработки. Железо и марганец контролируют образование хрупких интерметаллидов при затвердевании; их баланс критически важен для избежания низкой пластичности и горячих трещин.

Механические свойства

AlSi9Cu3 демонстрирует прочностные характеристики, сильно зависящие от термообработки и скорости охлаждения при затвердевании. В литом или отожженном состоянии временное сопротивление разрыву умеренное из-за крупной эвтектической кремниевой фазы и мягкой матрицы; после обработки T6 осаждение фаз, содержащих медь, значительно повышает предел текучести и временное сопротивление разрыву, снижая при этом пластичность. Предел текучести в пиковом состоянии достигает значительной доли от временного сопротивления разрыву, что отражает эффективность медьсодержащих осадков, препятствующих движению дислокаций.

Относительное удлинение ограничено в T-состояниях из-за того, что частицы эвтектического кремния служат источниками зарождения трещин, а интерметаллические фазы снижают пластичность. Твёрдость (по Бринеллю или Виккерсу) повышается в порядке O < T5 < T6, что соответствует изменению прочностных характеристик; твёрдость также чувствительна к толщине сечения и скорости охлаждения при литье. Усталостная прочность зависит от наличия литейных дефектов, пористости и морфологии эвтектического кремния; оптимизация кормления и термообработка повышают предел выносливости, но литые сплавы обычно имеют меньшую усталостную прочность по сравнению с деформируемыми аналогами.

Толщина сечения существенно влияет на механические свойства, поскольку более толстые участки охлаждаются медленнее, формируя более крупные структуры и интерметаллические фазы, что снижает прочность и пластичность. Гомогенизация после литья и контролируемая растворная обработка снижают градиенты, но не исключают полностью зависимость свойств от толщины сечения. При проектировании необходимо учитывать литейную анизотропию и проведение механической обработки для удаления поверхностных дефектов, чтобы обеспечить заявленные показатели усталости и прочности на разрыв.

Показатель	O/Отожженное	Ключевое состояние (T6)	Примечания
Временное сопротивление разрыву (UTS)	120–180 MPa	260–340 MPa	Широкий диапазон зависит от метода литья, толщины сечения и цикла старения.
Предел текучести (0.2% смещение)	60–110 MPa	200–270 MPa	Доля предела текучести увеличивается с ростом осаждённых медьсодержащих фаз и мелкодисперсной микроструктурой.
Относительное удлинение (% на 50 мм)	8–15%	2–6%	Удлинение резко падает после пикового старения; в более толстых участках иногда наблюдается выше локальное удлинение.
Твёрдость (HB)	40–70 HB	90–130 HB	Твёрдость коррелирует с прочностными показателями; также зависит от морфологии эвтектического Si.

Физические свойства

Показатель	Значение	Примечания
Плотность	~2.70 г/см³	Типичное значение для алюминиевых сплавов; обеспечивает хороший баланс прочности и массы.
Диапазон плавления	Температура солидуса ~520–570 °C; ликвидуса ~580–650 °C	Al–Si сплавы имеют широкий интервал плавления из-за эвтектики и первичной твердой фазы; точные значения зависят от состава.
Теплопроводность	~120–160 Вт/м·К (при комнатной температуре)	Ниже, чем у чистого алюминия из-за содержания кремния и интерметаллидов; однако сохраняет хорошую теплопроводность для отвода тепла.
Электропроводность	~25–36 %IACS	Снижена относительно чистого алюминия из-за легирования; не рекомендуется для применений с высокими требованиями к электропроводности.
Удельная теплоёмкость	~880–910 Дж/кг·К	Сопоставима с другими алюминиевыми сплавами; важна для расчёта тепловой массы.
Коэффициент термического расширения	~21–24 µм/м·К (при 20–200 °C)	Зависит от содержания кремния и микроструктуры; важен при расчёте тепловых напряжений.

Физические свойства отражают комплекс требований к литым изделиям: теплопроводность и удельная теплоёмкость делают AlSi9Cu3 полезным для деталей, рассеивающих тепло, при этом плотность сохраняет низкую массу. Особенности плавления и затвердевания влияют на формирование дефектов литья, требуя индивидуального подбора систем питания и охлаждающих элементов. Электропроводность значительно снижена по сравнению с чистым алюминием, поэтому сплав редко выбирается для электротехнических применений.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Распространённые состояния термообработки	Примечания
Песчаное литьё	Толщина стенки 3–50 мм	Переменное; более крупная микроструктура в толстых сечениях	O, T1, T5, T6	Широко используется для мелкосерийных и крупных деталей; важен контроль пористости.
Литьё под давлением	Тонкие стенки 1–8 мм	Более мелкая микроструктура, повышенная прочность	T5, T6	Высокое давление литья обеспечивает хорошую поверхность и повторяемость свойств.
Гравитационное литьё	3–30 мм	Промежуточный режим охлаждения и свойства	O, T5, T6	Подходит для деталей средней сложности с более точными допусками, чем при песчаном литье.
Литые прутки/слитки	Переменная	Гомогенизированное поведение после обработки	O, T1	Исходный материал для переплава и последующего литья; используется для контроля химсостава.
Литьё по выплавляемым моделям	Тонкие и средние сечения	Хороший контроль размеров; умеренная прочность	T5, T6	Используется при необходимости сложной геометрии и высококачественной поверхности.

Формы литой продукции доминируют в цепочке поставок AlSi9Cu3, при этом проектировщики выбирают метод литья для регулировки скорости охлаждения, пористости и микроструктуры. Литьё под давлением обеспечивает лучшую повторяемость механических свойств и мелкозернистый эвтектический кремний, повышая прочностные характеристики на разрыв и усталость по сравнению с песчаным литьём. Необходимо заранее учитывать припуски на обработку, доступность термообработки и контроль дефектов литья на этапе разработки компонента.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	AlSi9Cu3	Международный/США	Распространённое обозначение для литых сплавов; составы могут варьироваться у разных поставщиков.
EN AW	AC‑AlSi9Cu3 (или AlSi9Cu3(Fe))	Европа	Обозначения EN часто добавляют «(Fe)» для контроля содержания железа; механические данные соответствуют EN 1706, если применимо.
JIS	ADC10/ADC11 (аналогичные)	Япония	Сплавы семейства ADC имеют сходные Al–Si–Cu химсоставы, но отличаются по пределам по примесям и рекомендациям по обработке.
GB/T	AlSi9Cu3	Китай	Китайский стандарт использует аналогичный номинальный состав, но допуски и требования к контролю могут отличаться.

Таблицы эквивалентности являются приблизительными, поскольку каждый стандарт задаёт разные допуски по примесям (Fe, Zn, Mn) и допускает небольшие вариации состава, влияющие на характеристики литья и термообработки. При замене одной марки на эквивалентную необходимо проверять механические данные, рекомендованные режимы термообработки и допустимые уровни дефектов, особенно для ответственных деталей, работающих на усталость или при повышенных температурах.

Коррозионная стойкость

AlSi9Cu3 обладает умеренной атмосферной коррозионной стойкостью, типичной для литых алюминиево-кремниевых сплавов; естественно образующаяся плёнка оксида алюминия служит барьером, но присутствие меди в матрице может локально снижать коррозионную стойкость. В промышленных атмосферах сплав хорошо работает при окраске или покрытии, но оголённые и необработанные детали могут развивать точечную или нитевидную коррозию в местах скопления влаги и загрязнений.

Морские условия более агрессивны: основными проблемами для AlSi9Cu3 являются коррозия питтинга и щелевое коррозионное разрушение, особенно в термообработках T, где гальванические пары с медиосодержащими интерметаллическими соединениями и неоднородности матрицы ускоряют локальное разрушение. Для прибрежных применений часто применяются защитные покрытия, жертвенные аноды или коррозионно-стойкие поверхностные обработки.

Коррозионное растрескивание под напряжением встречается реже, чем у некоторых высокопрочных деформируемых сплавов, но возможно при растягивающих напряжениях в хлоридных средах и при переразвитии (overaged), когда интерметаллические распределения создают анодные участки. Гальванические взаимодействия с разнородными металлами (сталь, медь) следует контролировать с помощью изоляции или подбора совместимых крепежных элементов; AlSi9Cu3 аноден по отношению к нержавеющей стали и меди, поэтому контакт ускоряет коррозию алюминиевого сплава. По сравнению с деформируемыми сплавами серий 5xxx и 6xxx, AlSi9Cu3 жертвует частью природной коррозионной стойкости ради более высокой литейной производительности и прочности при повышенных температурах.

Технологические свойства

Свариваемость

Сварка литого AlSi9Cu3 возможна методами TIG и MIG, но требует внимания к пористости, горячим трещинам и подбору сварочного материала. Рекомендуется использовать проволоку Al‑Si или Al‑Si‑Cu с химическим составом, близким к основному сплаву, чтобы снизить риск горячих трещин и образование низкотемпературных эвтектик в зоне шва. Предварительный подогрев и контроль температуры между проходами уменьшают температурные напряжения и пористость; после сварки может потребоваться термическая обработка раствором и старение для восстановления прочности, хотя она может вызвать деформации.

Обрабатываемость

Обрабатываемость AlSi9Cu3 обычно хорошая для литых сплавов, но зависит от морфологии эвтектического кремния и наличия интерметаллических включений, которые могут усиливать износ режущего инструмента. Рекомендуется карбидный инструмент с положительным углом режущей кромки, высокая подача и умеренные скорости резания; использование охлаждающей жидкости улучшает удаление стружки и тепловой режим. Геометрия пластин, разрушающая стружку и предотвращающая длинные ленты, способствует качеству обработки; чистота поверхности зависит от размера кремниевых частиц и может требовать дополнительной доводки.

Формуемость

Как литейный сплав, AlSi9Cu3 обладает очень ограниченной холодной формуемостью и не может легко вытягиваться или глубоко штамповаться, как деформируемые листовые сплавы. Операции гибки на тонких отливках ограничены хрупкостью за счёт эвтектического кремния и интерметаллидов; минимальные радиусы гиба обычно велики относительно толщины и зависят от состояния (O более податливое, чем T6). При необходимости формовки рекомендуется проектировать детали с близкой к чистовому размеру формой отливки и минимальной последующей формовкой во избежание растрескивания.

Поведение при термообработке

AlSi9Cu3 подвержен термообработке: классическая схема включает растворяющее отжиг, закалку и искусственное старение для формирования медных упрочняющих выделений и повышения прочности. Типичные температуры растворения около 500–540 °C растворяют фазы меди и кремния; выдержка зависит от толщины детали, обычно 2–6 часов для литых компонентов. Быстрое охлаждение в воде сохраняет пересыщенный твёрдый раствор, после чего следует искусственное старение при ~160–200 °C в течение нескольких часов для осаждения упрочняющих фаз и достижения свойств T6.

Пересыщение (T7) снижает максимальную прочность взамен повышенной термостойкости и уменьшению склонности к холодным трещинам; применяется, если детали работают при повышенной температуре или требуются стабильные размеры. Неполное растворение или плохая закалка приводят к неоднородным свойствам и снижению максимальной прочности. Для деталей с умеренными требованиями к прочности и повышенной пластичностью применяют естественное старение или состояние T1, однако полный потенциал упрочнения меди достигается только при контролируемом растворяющем отжиге и искусственном старении.

Если термообработка невозможна, некоторый эффект даёт контролируемое упрочнение при холодной обработке тонких литых сечений, хотя литые сплавы менее чувствительны к холодной деформации, чем деформируемые. Гомогенизационный отжиг уменьшает сегрегацию и растворяет грубые интерметаллические фазы перед окончательной обработкой или термообработкой.

Работа при повышенных температурах

AlSi9Cu3 сохраняет лучшую механическую прочность при повышенных температурах по сравнению со многими литейными Al–Si сплавами без меди, поскольку медные выделения повышают горячую твёрдость. Однако выше примерно 150–200 °C преимущество по прочности снижается из-за повышения коэрцита выделений и размягчения матрицы; длительная эксплуатация выше 200–250 °C существенно снижает предел текучести и ресурс по усталости. Поэтому проектировщикам следует ограничивать рабочую температуру или применять темперамент с переразмещением (overaged) для улучшенной стабильности, но с пониженной прочностью.

Окисление умеренное благодаря защитной плёнке алюминия, но при высоких температурах усиливается образование окалины и может изменяться химический состав поверхности; в таких условиях часто применяют защитные покрытия или краски. Зона термического влияния (ЗТВ) вокруг сварных швов подвержена размягчению и растворению выделений, что снижает локальную прочность и может стать источником концентрации напряжений; для ответственных конструкций рекомендуется послесварочная термообработка для восстановления однородных свойств.

Применение

Отрасль	Пример детали	Почему используется AlSi9Cu3
Автомобилестроение	Блоки цилиндров, головки цилиндров, корпуса коробок передач	Хорошая литейность, тепловая стабильность и прочность при повышенных температурах благодаря упрочнению медью.
Судостроение	Корпуса насосов, корпуса клапанов (с защитой)	Возможность литья сложных форм и приемлемая коррозионная стойкость с покрытием.
Авиация	Второстепенные несущие элементы, корпуса	Оптимальное сочетание прочности и массы, возможность литья сложной геометрии.
Электроника	Радиаторы, корпуса	Теплопроводность и простота литья деталей с точной геометрией для управления теплом.
Промышленное оборудование	Гидравлические корпуса, детали компрессоров	Размерная стабильность, износостойкость (с обработкой поверхности) и обрабатываемость.

AlSi9Cu3 превосходен там, где требуются функциональная сложность, умеренно высокая статическая прочность и тепловые характеристики от литых деталей. Возможность надёжного старения по T6 делает сплав подходящим для компонентов, сохраняющих свойства после термических циклов и механической обработки.

Выбор материала

AlSi9Cu3 является практичным выбором, когда литой компонент требует сочетания хорошей литьевой способности, высокой прочности при elevated температуре и размерной стабильности. Рекомендуется использовать этот сплав при необходимости изготовления деталей близкой к конечной форме литьём, что позволяет избежать дорогостоящих сборок, а также при возможности применения термообработки T6 для достижения требуемой прочности.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100) сплав AlSi9Cu3 уступает по электрической проводимости и пластичности, но значительно превосходит его по статической прочности и прочности при повышенных температурах, что делает его подходящим для конструкционных литых деталей. По сравнению с распространёнными упрочнёнными деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, AlSi9Cu3 демонстрирует более высокие прочностные показатели и лучшую работу при высоких температурах, но за счёт меньшей пластичности и потенциально менее равномерной коррозионной стойкости. По сравнению с термообрабатываемыми деформируемыми сплавами, например 6061, AlSi9Cu3 обычно имеет более низкую максимальную удельную прочность в тонких сечениях, но предпочтителен в случаях, когда сложная литая геометрия и интегрированные функциональные элементы важнее максимальной достижимой прочности деформируемых профилей и поковок.

Рекомендуется использовать краткий чек-лист при заказе: уточнить метод литья и размеры сечений, указать состояние (темпер) и график термообработки, определить требования по пористости и ограничения по неразрушающему контролю (NDT) для деталей, работающих на усталость, а также проверить эквивалентные допуски стандартов (EN, JIS, GB/T) при закупке материалов из разных источников.

Итог

AlSi9Cu3 сохраняет свою актуальность, поскольку занимает уникальную позицию, объединяя в одном материале хорошую литьевую способность, термическую надёжность и прочность, достигаемую упрочнением за счёт выделения фаз. Сбалансированный химический состав по Si и Cu позволяет конструкторам создавать сложные и долговечные изделия с контролируемой термообработкой. Это делает сплав незаменимым для автомобильных, промышленных и тепловых компонентов, где приоритетами являются изготовление близкое к конечной форме и эксплуатационная стабильность.