Особенности работы с литейными алюминиевыми сплавами: от выбора до брака 

Когда говорят про литейные алюминиевые сплавы, многие сразу думают про силумины типа АК12, АК9ч и всё. Но в реальной работе, особенно с тонкостенными отливками, всё упирается не столько в марку по ГОСТ, сколько в поведение сплава в конкретной форме, под вакуумом, с конкретным режимом термообработки. Частая ошибка — считать, что взял ?правильный? сплав из справочника, и всё должно литься идеально. На деле же один и тот же АК7ч (А356) от разных поставщиков, с разной структурой зерна и примесей, ведёт себя в литье по-разному. Вот об этих нюансах, которые в учебниках часто опускают, и хочется порассуждать.

Выбор сплава: не только цифры ГОСТ

В теории для ответственных тонкостенных деталей, особенно в авиакосмической или высокоточной технике, идёт литейный алюминиевый сплав типа А356 (у нас аналоги — АК7ч, АК9ч). Высокая жидкотекучесть, хорошие механические свойства после термоупрочнения. Но на практике, например, для корпусов датчиков или сложных кронштейнов, которые мы делали для одного завода, важнее оказалась не прочность на разрыв, а минимальная склонность к образованию усадочной раковины в местах перехода толщин.

Был случай: взяли проверенный АК7ч, а отливки пошли с микротрещинами в рёбрах жёсткости. Вроде и температура правильная, и вакуум. Стали разбираться — оказалось, в партии была повышенная концентрация железа, что привело к образованию хрупких фаз Al-Fe. Пришлось срочно менять поставщика шихты. Вывод: паспортные данные — это одно, а реальный химический анализ каждой плавки — это святое. Особенно для вакуумного литья в гипсовые формы, где мельчайшая пористость от газонасыщения или усадки убивает герметичность детали.

Поэтому сейчас, когда обсуждаем новые проекты, например, с коллегами из ООО Чэнду Йехуа наука и техника сантай филиал предприятия (их сайт — https://www.www.cdyhkj.ru), которые как раз специализируются на тонкостенном вакуумном литье из алюминия, первым делом смотрим не на марку, а на историю конкретных сплавов в аналогичных геометриях. Их опыт с 2005 года в этой узкой нише очень показателен: они давно поняли, что успех кроется в адаптации состава под конкретную конфигурацию формы и требования к конечной детали.

Вакуумное литьё в гипс: где кроются подводные камни

Метод, в котором работает упомянутая компания, — вакуумное литьё в гипсовые формы — это отдельная песня. Многие думают, что вакуум решает все проблемы с заполнением тонких стенок. Отчасти да, но он же может и навредить. Если вакуум слишком ?жёсткий?, слишком быстрый, можно получить не заполнение, а эффект ?прорыва? металла с захватом воздуха или разрушением формы. Скорость подъёма металла в форме — критичный параметр.

Из практики: лили тонкостенный кожух толщиной стенки 1.8 мм. С обычным литьём под давлением были проблемы с недоливами. Перешли на вакуум с гипсовой формой. Первые образцы были с наружной стороны идеальны, но на рентгене обнаружились внутренние дефекты — микропоры, выстроенные в линию. Оказалось, проблема в температуре сплава и температуре самой формы. Гипсовая форма обладает определённой газопроницаемостью, но если её перегреть перед заливкой, происходит локальное вскипание связующего, и газ просто не успевает эвакуироваться через вакуумную систему, оставаясь внутри в виде пор.

Пришлось разрабатывать температурную карту: не просто ?прокалить форму до N градусов?, а иметь градиент по высоте, чтобы верх формы был горячее, а низ — холоднее, для направленного затвердевания. Это типичная задача, где теория литейных процессов встречается с кустарным, почти ремесленным опытом. На сайте ООО Чэнду Йехуа как раз отмечают специализацию на этом методе — значит, они через подобные грабли прошли и выработали свои технологические регламенты.

Термообработка: чтобы свойства ?встали? как надо

Следующий пласт проблем — термообработка (ТО) отливок. Заказчику часто нужны конкретные цифры по твёрдости HB или пределу прочности. Берёшь сплав, скажем, АК9ч (аналог 319), который хорошо реагирует на ТО, делаешь всё по режиму: растворение, закалка, искусственное старение. А свойства ?не выходят? в допуск. Почему?

Здесь может быть масса причин. Одна из частых — скорость охлаждения при закалке. Для тонкостенных деталей, если охлаждать слишком интенсивно (резко опустить в воду), можно вызвать коробление или остаточные напряжения. Если слишком медленно (на воздухе или в масле с низкой скоростью охлаждения) — не добиться нужной степени насыщения твёрдого раствора, и старение не даст эффекта. Нужно подбирать среду: может, полимерный раствор, может, струю сжатого воздуха.

Вспоминается проект с крышкой блока управления. Деталь сложная, с разной толщиной стенок. После стандартной ТО на некоторых партиях появлялись микротрещины в местах перехода от толстой стенки к тонкой. Стали анализировать. Выяснилось, что виновата не сама ТО, а исходная структура сплава в этих местах — из-за особенностей затвердевания в форме там образовалась грубая дендритная структура, которая при резком нагреве под растворение дала локальные напряжения. Пришлось корректировать не режим ТО, а технологию заливки и конструкцию литниковой системы, чтобы обеспечить более равномерное охлаждение отливки в форме. Это к вопросу о том, что литейный процесс — это единая цепочка, и нельзя рассматривать сплав, литьё и термообработку по отдельности.

Брак и его анализ: учимся на ошибках

Ни одно производство не обходится без брака. Важно не просто его отбраковать, а понять причину. Самые коварные дефекты в тонкостенном литье из алюминиевых сплавов — это недоливы и усадочные раковины, маскирующиеся под внешне целые поверхности.

Был у нас инцидент с партией ответственных корпусов. Внешний осмотр и даже керосиновая проба на герметичность не показывали дефектов. Но при динамических испытаниях на вибростенде несколько корпусов дали трещину. Разрушительный анализ показал наличие протяжённой усадочной пористости прямо под поверхностью, в зоне действия максимальных напряжений. Источник — недостаточное питание металлом в критическом сечении при затвердевании. Форма была спроектирована вроде бы правильно, но не учли небольшую, в пару градусов, разницу в теплоотводе с разных сторон формы из-за конструкции опоки.

После этого случая внедрили обязательный выборочный рентген-контроль для каждой новой геометрии детали, особенно в зонах тепловых узлов. Это дороже, но дешевле, чем репутационные потери и возврат партии. Думаю, на любом серьёзном производстве, таком как ООО Чэнду Йехуа наука и техника, есть своя коллекция ?косяков? и способов их недопущения. Они в своей деятельности с 2005 года наверняка накопили огромную базу таких казусов, что и делает их одним из известных производителей в этой области.

Взгляд в будущее: куда движется технология

Сейчас тренд — не просто отлить деталь, а отлить её с минимальной последующей механической обработкой, с уже готовыми каналами, полостями, с высокой точностью размеров. Это требует ещё более тщательного контроля за свойствами литейного алюминиевого сплава на всех этапах. Появляются модифицированные сплавы с нано-добавками, улучшающими жидкотекучесть и снижающими усадку.

Интересно и развитие симуляции процессов. Раньше литейщик действовал по наитию и опыту. Сейчас, перед тем как сделать первую реальную форму, можно промоделировать заливку, затвердевание, выявить потенциальные места образования раковин. Это экономит время и деньги. Но и здесь есть нюанс: любая симуляция работает на входных данных. Если неверно задать теплофизические свойства конкретной партии сплава или реальные свойства гипсовой смеси, модель даст красивую, но ложную картинку. Поэтому цифровизация — это инструмент в руках опытного технолога, а не его замена.

В заключение скажу, что работа с литейными алюминиевыми сплавами, особенно в такой требовательной области, как вакуумное литьё тонкостенных деталей, — это постоянный поиск баланса между наукой и практикой, между стандартом и индивидуальной подстройкой. Универсальных рецептов нет. Есть базовые принципы, но успех определяется вниманием к мелочам: к химии каждой плавки, к температуре в каждом углу цеха, к накопленному и, что важно, правильно проанализированному опыту, в том числе и негативному. Именно этот практический багаж и отличает профессионалов в этой сфере.