Что такое силумин

О чем идет речь? Силумин – это сплав, который используется в различных областях промышленности. Он состоит из алюминия, кремния и других металлов, придающих ему уникальные свойства, которые делают его идеальным для определенных целей.

На что обратить внимание? Чаще всего его применяют в производстве компонентов самолетов и деталей машин, но он также может использоваться для изготовления медицинских имплантатов и протезов.

Что такое силумин

Несмотря на то, что этот материал широко применяется в самых разных областях производства и окружает нас повсюду, многие не представляют, что же такое силумин. Этим термином принято обозначать алюминиевый сплав, в состав которого входит кремний и небольшие количества железа, меди, марганца, кальция, углерода и еще нескольких элементов.

По структуре силумин схож, например, с дюралюминием: в его основе алюминий и кремний, к которым добавлены легирующие компоненты – медь, марганец и магний. От присутствия и концентрации добавок существенно зависят характеристики сплава, поэтому так важно правильно подобрать и ввести лигатуры. В правильном соотношении компоненты сплава повышают его твердость, износостойкость и улучшают литейные свойства.

Наличие в силумине кремния связано с относительной мягкостью алюминия в чистом виде. Эта добавка позволяет сделать материал более прочным. В состав также могут входить натрий и литий, необходимые для того, чтобы довести долю Si в эвтектике сплава до 14 %.

Состав сплава

Разные виды силумина отличаются друг от друга химическим составом, чаще всего в сплав входят алюминий и кремний, доля которого составляет примерно 10 %. Другой разновидности силуминовых сплавов свойственна более высокая прочность за счет повышенной концентрации кремния (20 %).

Также широко применяется ряд других материалов на основе алюминия, в состав которых входят:

• магний и кремний – сплавы этих металлов с алюминием применяются для изготовления кузовных деталей автомобилей;
• олово, которое в соединении с алюминием позволяет получить оптимальный материал для литых подшипников;
• магний – сплавы этого металла с алюминием очень устойчивы к воздействию агрессивных сред, что позволяет применять их, к примеру, в строительстве для отделки фасадов.

Особенности сплава силумина

Силумин отличается от дюралюминия более высокой коррозионной стойкостью и пластичностью. Он легко поддается штамповке, хорошо льется и обрабатывается ковкой. Кроме того, востребованность этого сплава обусловлена его декоративными свойствами и малым удельным весом. Силумин широко применяется для производства деталей автомобилей и мотоциклов, накладных сантехнических элементов и декоративных изделий для украшения интерьера.

Высокая окислительная активность, которая свойственна алюминию и кремнию, входящим в состав сплава, обуславливает его плохую свариваемость. Разновидности силумина, содержащие цинк в большой процентной доле, вообще не поддаются сварке – выгорание этого металла при нагревании приводит к критическому повышению хрупкости. Относительно качественные сварные соединения образует литейный силумин, содержащий кремний в концентрации от 5 до 22 %.

Свойства силумина

Силумин востребован на современном рынке за счет прочности и надежности в сочетании с относительной дешевизной. В ряде сфер этот материал не имеет конкурентов.

Химические свойства

Химические качества силумина близки к характеристикам чистого алюминия, а отличия обусловлены составом и количеством добавок. В отличие от дюраля, этот материал проявляет высокую коррозионную стойкость во влажных и агрессивных средах, включая морскую воду.

Физические свойства

Физические характеристики силуминовых сплавов делают их схожими с нержавеющей сталью, однако силумин выгодно отличается малым весом.

Физические свойства:

1. по прочности силумин уступает стали, но выгодно отличается меньшей плотностью, которая позволяет существенно облегчать детали;
2. визуально сплав схож с чистым алюминием;
3. высокая текучесть делает силумин пригодным для изготовления деталей сложной конфигурации;
4. силумин плавится при температуре +700 °С;
5. силуминовые сплавы при высокой прочности отличаются хрупкостью;
6. силумин – немагнитный материал.

Механические свойства

Химический состав силумина и особенности технологического процесса выплавки – основные факторы, определяющие механические характеристики материала. Сплав обладает:

1. хрупкостью, которая может приводить к разрушению при обработке;
2. высокой плотностью;
3. низкой микротвердостью.

Литейные свойства

Силумин широко применяется в производстве различных деталей литьем, выгодно отличаясь от других металлов и их сплавов низкой стоимостью. Основной недостаток силуминовых сплавов заключается в высокой газовой пористости. Современные технологии позволяют избавляться от этого минуса при отливке деталей.

Применение силумина

Сферы производства, где сегодня применяется силумин, очень разнообразны:

• Сочетание прочности с малым удельным весом обеспечили этому материалу широкое применение в авиационной промышленности и автомобилестроении.
• Малый вес, прочность и надежность сплава делают его популярным материалом для изготовления оружия для страйкбола.
• Из силумина изготавливается широкая номенклатура посуды, деталей сантехники и других бытовых изделий.

Использование в авиастроении

Для того чтобы летательный аппарат поднимался в воздух, расходуя как можно меньше топлива, необходимо изготавливать его детали из как можно более легких материалов, которые должны при этом обладать достаточной прочностью. Силумин отвечает этим требованиям, что делает его чрезвычайно востребованным в самолетостроении. Использование подобных сплавов не только делает возможной серьезную экономию авиационного керосина, но и обеспечивает самолетам дополнительную грузоподъемность.

Благодаря жидкотекучести, малому удельному весу и сниженной склонности к образованию пустот при усадке силуминовые сплавы применяются при изготовлении деталей, которые должны выдерживать высокие ударные нагрузки и перепады температуры. К примеру, из силумина марки АЛ 2 выполняются кронштейны и корпуса приборов. Марки АЛ 9 и АЛ 34 используются для изготовления сверхважных и ответственных элементов, в частности, поршней с галерейным охлаждением и различных насосных установок.

Применение в производстве сантехнических изделий

Силумин применяется в производстве водопроводных смесителей, фитингов, переходников, гаек, ниппелей и многих других элементов сантехники. Большинство таких деталей предназначено для использования внутри тех или иных узлов, которые в ходе эксплуатации не подвергаются большим нагрузкам. Из-за высокой пористости и крупнозернистой структуры подобные сплавы – довольно хрупкий материал, а значит, удары и вибрация могут привести к растрескиванию или разрушению силуминовых элементов сантехнических систем.

Использование в авто- и мотопромышленности

Благодаря высокой прочности и низкому удельному весу силуминовые сплавы получили широкое применение в автомобилестроении и производстве мотоциклов, где от массы деталей и узлов зависят эксплуатационные характеристики – управляемость, расход бензина и т. п.

Силуминовый сплав АЛ 34 применяется в автомобильной промышленности и при изготовлении деталей мототехники. Из него изготавливают картеры двигателей внутреннего сгорания и многие другие детали. Силумин широко используется в производстве поршней и блоков цилиндров.

Применение в оружейном производстве

В последние годы силумин широко используется как материал для изготовления деталей пневматического оружия. Из силуминовых сплавов часто изготавливают электропневматические реплики различных популярных моделей огнестрельного оружия, страйкбольных винтовок и т. п. Причины широкого распространения силумина в оружейном производстве заключаются в его относительно низкой стоимости, малом удельном весе и высоких литейных качествах.

Использование при изготовлении бытовых изделий

В производстве различной бытовой техники силуминовые сплавы служат материалом для изготовления теплообменников, запорной арматуры, корпусов мясорубок, соковыжималок и прочих полезных приспособлений и устройств. Из силумина изготавливается самая разная кухонная утварь и посуда: от сковородок и кастрюль до штопоров и прессов для чеснока.

Применение в других сферах

В кораблестроении силуминовые сплавы получили широкое применение благодаря не только прочности и малому весу, но и высокой коррозионной стойкости. Из силумина изготавливают различные элементы обшивки, которые затем крепят на стальные и чугунные несущие конструкции. Еще одна сфера, в которой силумин отлично себя зарекомендовал – космическая промышленность, где этот материал востребован благодаря низкому коэффициенту линейного расширения и относительно малой плотности.

Маркировка

Существуют различные варианты маркировки силуминовых сплавов. Одна из них – международная система стандартизации ISO. Разберем несколько примеров:

• АК 15 – буквами обозначены алюминий, составляющий основу сплава, и кремний, а цифра указывает процентную долю последнего.
• АЛ 9 – буквой «Л» в маркировке этого сплава обозначено присутствие в составе лития, а цифра – доля этого элемента в процентах.

Если в состав сплава в значимой концентрации входит еще один металл, в маркировку добавляют соответствующее буквенное обозначение и цифры, указывающие его процентную долю:

• АК 15 Ц8 – маркировка сообщает, что сплав, помимо алюминия и 15 % кремния, содержит 8 % цинка.

Для реализации на международном рынке используют маркировку, разработанную Алюминиевой Ассоциацией, в которой четырьмя цифрами указывают систему легирования, порядковый номер конкретного сплава, химический состав и его чистоту. Когда речь идет об опытной отливке, к цифрам добавляется латинская буква X.

Виды силуминовых сплавов

Силуминовые сплавы, применяемые в современной промышленности, представлены тремя основными видами:

1. С содержанием кремния не более 10 %. Помимо алюминия и кремния, в состав сплава могут вводиться добавки магния, марганца или меди.
2. С содержанием кремния от 10 до 20 %. Такие соединения относят к группе износоустойчивых.
3. Третий вид сплавов может содержать добавки других элементов, к примеру, цинка или титана.

Процентные доли компонентов соединения зависят от назначения будущих изделий и условий их эксплуатации. По большому счету силумины условно делят на два вида. Например, в производстве изделий, которые предназначены для работы под высоким давлением, используют сплавы с высоким содержанием легирующих добавок. Такому металлу свойственна повышенная стойкость к перепадам температуры и устойчивость к воздействию нагрузок разного рода. А силумин с содержанием кремния от 10 до 12 % применяют для отливки деталей, эксплуатация которых будет осуществляться в более мягких условиях.

Производство силумина

Постоянное развитие металлургии способствует появлению новых технологий получения сплавов с необходимыми для решения конкретных задач параметрами. Кроме того, с каждым годом совершенствуются и оптимизируются традиционные технологические процессы. По классической методике силумин получают, переплавляя алюминий, смешанный с кремнием в заданной пропорции. Металл, из которого изготавливают шихту, добывают из соответствующих руд.

Также широко практикуется производство силумина путем качественного восстановления золы от бурого угля, остающейся после его сжигания на тепловых электростанциях. Для получения силуминовых сплавов смесь золы, содержащей кремний, с криолитом перерабатывается в электролизере.

В золе содержится не только кремний, но и множество различных примесей, присутствие которых, однако, не сказывается на качестве получаемого сплава. Речь в первую очередь идет о железе, процентная доля которого в отходах теплоэлектроцентралей составляет от 0,8 до 1,5 %, что не превышает допустимую в качестве легирующей добавки для силумина концентрацию.

Ремонт изделий из силумина

Хрупкость силуминовых сплавов приводит к растрескиванию или поломке выполненных из них деталей при ударах или других повреждающих воздействиях. Для восстановления треснувших изделий из силумина пользуются специальными методами. Для ремонта применяют склеивание, пайку, сварку – обычную или холодную. Рассмотрим каждый из этих методов детально:

Сварка

Сварить силумин своими силами проблематично, поэтому лучше обратиться за помощью к специалисту. Процесс затрудняется тем, что при нагревании на поверхности соединяемых элементов формируется слой оксидов, который препятствует соединению. По этой причине работа ведется в аргоновой среде. Этот инертный газ препятствует контакту сплава с атмосферным кислородом.

Сварку проводят в несколько этапов. Необходимо:

• подготовить электроды с вольфрамовыми стержнями и специальный припой;
• очистить поверхность от жира и надежно закрепить соединяемые детали;
• подложить стальную пластину для отведения тепла;
• разогреть детали до + 220 °C;
• использовать для сварки переменный ток.

Пайка

Если необходим ремонт декоративных изделий из силумина или деталей, эксплуатация которых не связана с большими нагрузками, можно прибегнуть к пайке. Для работы потребуется мощный паяльник или газовая горелка, с помощью которой необходимо разогреть материал соединяемых фрагментов до +200 °C. Пространство вокруг зоны спайки следует прикрыть металлическими пластинами, чтобы защитить прилегающую поверхность от перегрева.

Рабочая температура при пайке достигает +600 °C. От оксидной пленки избавляются с помощью специального флюса, к примеру, такого как Castolin 190 Flux.

Склейка

Для того чтобы склеить изделие из силуминового сплава, необходим специальный клей для алюминия, разведенный до требуемой консистенции. Склеиваемые поверхности должны быть очищены от грязи, обезжирены и высушены. Далее на них необходимо аккуратно нанести ровный слой клеящего состава, после чего прижать детали друг к другу. Затем следует поместить изделие под груз и оставить на 24 часа до полного схватывания клея. Этот метод применим для ремонта изделий, эксплуатация которых не связана с серьезными нагрузками.

Холодная сварка

Данный способ часто используется для восстановления целостности силуминовых деталей при ремонте транспортных средств и сантехники. Основной компонент специального клея – эпоксидная смола. В зависимости от назначения состава в него добавляют различные наполнители и добавки, которые позволяют формировать высокопрочные и качественные клеевые соединения.

Существует две основные формы выпуска двухкомпонентных составов для холодной сварки:

1. Два тюбика или флакона с жидкой или полужидкой массой, один из которых с клеем, а во втором находится отвердитель. При смешивании содержимого начинается реакция, приводящая к затвердеванию смеси.
2. Масса, которая консистенцией напоминает пластилин. Сердцевина небольшого бруска состоит из отвердителя, который смешивают с основным компонентом, разминая состав пальцами.

Поверхности соединяемых деталей должны быть подготовлены – очищены от загрязнений, зачищены наждачной шкуркой, обезжирены и тщательно просушены. Далее готовится клеевая масса – либо смешивается содержимое двух емкостей, либо смесь тщательно разминается в руках. После равномерного нанесения полученного состава на склеиваемые поверхности необходимо прижать их друг к другу, приложив небольшое усилие.

Как правило, смесь схватывается примерно в течение получаса в зависимости от состава «холодной сварки», на полное склеивание деталей может уходить от нескольких часов до суток.

Отличие силумина от других металлов и сплавов

Отличить силуминовый сплав от алюминия, стали и других металлов можно по ряду характерных признаков:

• По цвету: медь, бронза или латунь отличаются от силумина оттенком – у последнего это сероватая поверхность и серебристый блеск на срезе.
• По магнитным свойствам: силумин отличается от стальных сплавов тем, что не магнитится.
• По удельному весу: силумин ощутимо легче стали.

Выше мы подробно разобрали химический состав, физические характеристики и различные типы силумина. Этот широко востребованный материал наряду с множеством значимых преимуществ имеет серьезный недостаток – высокую хрупкость, которая ограничивает сферу его применения.