Повышение качества и надежности деталей и конструкций относится к числу важнейших задач, стоящих перед металлургами и машиностроителями. Повышение свойств фасонных отливок из алюминиевых сплавов возможно при усовершенствовании стандартных сплавов и применении оптимальной технологии их производства. Особого внимания заслуживают вопросы технологии плавки и обработки сплавов, подготовки шихтовых материалов, защиты расплавов в процессе плавки, очистки расплавов от газообразных и твердых неметаллических включений.

Этим вопросам были посвящены теоретические и экспериментальные исследования М.Б. Альтмана в области металлургических процессов при плавке и литье, а также принципы металловедения литейных алюминиевых сплавов [1–3].

Основная причина попадания газовых включений в алюминиевые сплавы – это адсорбционные процессы на поверхности расплава.Поэтому М.Б. Альтман предложил предупредительные мероприятия против загрязнения сплавов неметаллическими включениями.

В основу исследований технологии рафинирования Мориц Борисович положил анализ протекающих при металлургических процессах химических реакций. Он предложил рассматривать систему «расплав –МеО–газ (водород)» исходя из того, что для расплава алюминия газы (последняя составляющая) можно трактовать как комплексные образования типа xAl₂O₃–yH₂. Установлено, что сплавы содержат тем больше оксидов и водорода, чем больше их в исходных шихтовых материалах. Объем посторонних неметаллических примесей в расплавах складывается из содержания примесей в шихтовых материалах (чушковые металлы, переплав крупногабаритных отходов, переплав стружки, лигатуры и т. д.) и примесей, образующихся в процессе плавки. Поэтому алюминий, алюминиевые лигатуры и сплавы следует хранить в закрытых и сухих помещениях. Как показали исследования и производственный опыт, наименьшее содержание неметаллических включений наблюдается в сплавах, приготовленных в индукционных низкочастотных печах, основное преимущество которых – быстрота плавки.

М.Б. Альтманом была выдвинута фундаментальная идея разделения всех составов флюсов на защитные (покровные) и предназначенные для обработки объема расплава. Многообразие необходимых свойств может быть получено только в случае применения многокомпонентных флюсов. Для защиты поверхности расплава алюминиевых сплавов флюсы следует составлять из смесей хлоридов калия и натрия с низкой температурой плавления и малым краевым углом смачивания (<90 град). 

Важной добавкой для алюминиевых расплавов являются фториды, облегчающие отделение флюсов от расплава. Была разработана группа универсальных флюсов, сочетающих защитные, рафинирующие и модифицирующие свойства. Применение таких флюсов дало возможность решить важнейшую производственную задачу – одновременно рафинировать и модифицировать расплав, что обеспечило исключение отдельной операции рафинирования. До разработки универсальных флюсов при плавке силуминов приходилось проводить модифицирование непосредственно перед разливкой, чтобы не потерять эффект воздействия на форму кремния в структуре эвтектики, что практически снижало влияние предыдущей операции рафинирования и вызывало дополнительное загрязнение расплава.

В качестве покровного флюса для всех литейных алюминиевых сплавов, кроме сплавов систем Al–Mg и Al–Mg–Si, было рекомендовано применять флюс следующего состава: 39% NaCl, 50% KCl, 6,6% Na₃AlF₆, 6,4% CaF₂. В качестве покровно-рафинирующего флюса для сплавов систем Al–Mg и Al–Mg–Si рекомендуется применять флюс следующего состава: 60% MgCl₂·KCl; 40% CaF₂.

Активные способы рафинирования расплава М.Б. Альтман разделил в зависимости от характера взаимодействия рафинирующих средств на адсорбционные и неадсорбционные (физические).

К адсорбционным относятся рафинирование инертными газами (азотом или аргоном), хлором и хлористыми солями. Методы адсорбционного рафинирования построены по одной принципиальной схеме: введение или образование в расплаве газа, всплывание пузырьков этого газа на поверхность, адсорбция других газов и твердых неметаллических частиц и удаление их из расплава. Помимо химического состава рафинирующего вещества, на эффект рафинирования оказывают влияние температура расплава, вязкость, размеры и скорость выделения рафинирующих газовых пузырьков. Чем выше вязкость расплавленного металла, тем труднее выделить из него неметаллические примеси, так как скорость их всплывания замедляется. Следует учитывать, что сплавы, близкие к эвтектическому составу (АЛ2, АЛ4), можно рафинировать при более низких температурах, чем сплавы с меньшим содержанием эвтектической составляющей или с повышенным содержанием магния.

К неадсорбционным относятся рафинирование ультразвуковыми колебаниями и в вакууме [4–6]. Отличие этих методов рафинирования от адсорбционных заключается в разрушении равновесия системы «металл–газ–оксид» во всем объеме расплава, а не в отдельных участках. Основываясь на идеях М.Б. Альтмана, в настоящее время ведутся работы по разработке новых рафинирующих флюсов с добавками экологически чистых дисперсных тугоплавких частиц SiO₂  и метакаолинита Al₂O₃·2 SiO₂ [7].

Алюминиевые сплавы с содержанием кремния от 6 до 13% (АЛ2, АЛ4, АЛ9, ВАЛ5) после рафинирования подвергают модифицированию металлическим натрием или смесью галоидных солей натрия и калия с целью измельчения структуры и повышения механических свойств. Модифицирование изменяет процесс эвтектической и первичной кристаллизации.

Модификаторы можно разделить на две основные группы. В первую группу входят модификаторы, которые в расплаве образуют высокодисперсную, коллоидно-дисперсную взвесь. Отдельные частицы этой взвеси служат зародышами, вокруг которых образуются и растут кристаллы. Модификаторы этой группы увеличивают число центров кристаллизации. Они не должны химически взаимодействовать с расплавом, должны быть тугоплавкими, чтобы обеспечить твердую фазу в модифицируемом расплаве, и быть изоморфными с кристаллами расплава. Вторую группу составляют модификаторы, действие которых на расплав сводится к тому, что поверхностно-активные молекулы этих модификаторов адсорбируются на границах зародившегося кристалла и понижают скорость его роста. Уменьшение скорости роста приводит к увеличению промежутка времени от начала появления зародыша до окончательного затвердевания расплава; увеличивается число центров кристаллизации, в результате чего получается более мелкозернистая структура.

Поверхностно-активными являются обычно вещества с низкой температурой плавления и малыми значениями поверхностной энергии в расплавленном состоянии на границе с воздухом. К таким веществам относятся щелочные и щелочноземельные металлы, действие которых обычно проявляется при концентрациях от 0,001 до 0,1%.

Теории и гипотезы, объясняющие модифицирование алюминиево-кремниевых сплавов натрием, можно условно разбить на две группы. Первая – теория переохлаждения, т. е. понижение температуры начала кристаллизации ряда металлов и сплавов ниже ее истинного значения. При медленном охлаждении кристаллизация происходит после образования в жидкости первых центров кристаллизации. Вторая – адсорбционно-коллоидная теория, сущность которой состоит в том, что натрий ограничивает рост кристаллов коллоидного кремния, выделяющегося из жидкости. Однако ни одна из этих теорий не в состоянии обобщить все обнаруженные факты или объяснить их.

Весьма сложно осуществить модифицирование заэвтектических силуминов, где необходимо создать условия для измельчения и равномерного распределения первичного кремния. С этой целью используют преимущественно модификаторы первой группы: красный фосфор, титан, бор.

Малые добавки некоторых металлов оказывают существенное влияние на процесс первичной кристаллизации алюминиевых сплавов. Малые добавки титана, циркония и др. в значительной степени уменьшают размеры зерна и повышают свойства многих алюминиевых сплавов.

Таким образом, наибольший эффект дает комплексное модифицирование (особенно в сложнолегированных сплавах), т. е. одновременное введение в расплав элементов, влияющих на характер кристаллизации вторых фаз, эвтектики и твердого раствора.

Свойства стандартных литейных алюминиевых сплавов могут быть существенно повышены путем изменения в пределах, допускаемых ГОСТ, химического состава по основным компонентам и примесям. Большое влияние на прочностные характеристики оказывает содержание неметаллических включений. В процессе плавки в алюминиевые сплавы попадают различные металлические примеси (железо, цинк, бериллий, титан и др.), которые изменяют их структуру, а также механические, коррозионные, технологические, физические, химические и другие свойства. Для получения отливок с требуемыми свойствами содержание примесей в сплавах должно быть регламентировано.

Для повышения механических свойств алюминиевых сплавов используют шихтовые материалы повышенной чистоты [8–11].

За годы существования ВИАМ удалось добиться значительных успехов в области разработки литейных алюминиевых сплавов и производства из них фасонных отливок, отвечающих в первую очередь требованиям авиакосмической техники.

Это стало возможным благодаря изучению новых и систематизации известных научно-теоретических и технологических положений регламентированного формирования структурно-фазового состояния отливок, проведенного в работах М.Б. Альтмана (глубокие изыскания и разработки в области металлургии литейных алюминиевых сплавов), И.Ф. Колобнева (разработка теоретических основ металловедения, создание высокопрочных жаропрочных литейных алюминиевых сплавов), Н.А. Аристовой, А.В. Мельникова, Н.С. Постникова, В.В. Черкасова, В.М. Лебедева, Л.В. Швыревой, Л.Н. Мартыновой.

Сплав ВАЛ12, имея s_в=550 МПа, способен успешно конкурировать не только с деформируемыми алюминиевыми сплавами, но по удельной прочности – и с литейными сталями. Он может применяться до 200°С.

Уровень свойств литейных алюминиевых сплавов таков, что эти материалы могут конкурировать с деформируемыми алюминиевыми сплавами, малоуглеродистыми сталями, латунями и бронзами. Эти сплавы имеют удовлетворительные литейные свойства, коррозионную стойкость. Из них можно изготовлять фасонные отливки, к которым предъявляются повышенные требования по таким характеристикам надежности, как прочность, текучесть, усталость.

Отливки из жаропрочных литейных алюминиевых сплавов ВАЛ1 и ВАЛ18, эксплуатирующихся при температурах 250–400°С, применяются для изготовления деталей, работающих вблизи двигателя, в системах воздухоотбора. Эти специальные сплавы на основе системы Al–Cu–Ce и Al–Cu–Ni отличаются высокой степенью легированности. Жаропрочные литейные алюминиевые сплавы вне конкуренции при сравнении с алюминиевыми ковочными сплавами и в некоторых случаях могут заменять титановые сплавы.

Отливки из коррозионностойких сплавов системы Al–Mg (типа магналий) обладают малой плотностью и хорошо обрабатываются резанием. Получили распространение в авиационной, судостроительной и других отраслях промышленности после создания рациональных методов литья, предотвращающих их окисление в жидком состоянии (сплавы АЛ8, АЛ27, ВАЛ16).

Свариваемый коррозионностойкий сплав ВАЛ16 отличается от остальных магналиев более высоким и стабильным уровнем механических свойств отливок и сварных соединений. Эти сплавы имеют близкий к единице коэффициент ослабления сваркой (K_о.св). Поэтому сплавы предназначены для производства отливок и литодеформированных сварных соединений, эксплуатирующихся при длительных нагревах (до 150°С) во всеклиматических условиях.

Хорошие литейные свойства этих сплавов (жидкотекучесть составляет 315 мм) практически исключают образование горячих трещин при литье и сварке, поэтому возможно получение фасонных отливок в металлические формы с затрудненной усадкой.

Большую группу высокотехнологичных сплавов, предназначенных для изготовления отливок различными видами литья, составляют силумины (сплавы на основе систем Al–Si и Al–Si–Cu).

На рис. 1 представлены отливки высокого качества, изготовленные в соответствии с рекомендациями М.Б. Альтмана по плавке, рафинированию, модифицированию.

За последние годы [12–19] разработан медистый силумин АЛ4МС со скандием для агрегатного литья. В настоящее время этот сплав обладает самым высоким и оптимальным сочетанием значений механических свойств (предела прочности и относительного удлинения) из существующих медистых силуминов. Высокопрочный высокотехнологичный сплав АЛ4МС системы Al–Si–Cu–Mg обеспечивает при литье в кокиль s_в=360–400 МПа и d³4%, не склонен к трещинообразованию, рабочая температура 250°С, из него можно отливать детали любыми способами, в том числе прогрессивным способом литья по газифицируемым и выжигаемым моделям.

 Рисунок 1. Фасонные отливки:

а – узел носовой части фюзеляжа тяжелого самолета из отливок «панель» и «каркас» (сплав ВАЛ5); б – каркас из сплава АЛ19

В настоящее время разрабатывается опытно-промышленная технология литья корпусных отливок из сплава АЛ4МС для вертолетов (рис. 2).

 Рисунок 2. Корпус-кронштейн из сплава АЛ4МС

Высокопрочный технологичный сплав ВАЛ20 системы Al–Cu–Mg (типа твердого раствора) с оптимальным сочетанием свойств применяется для литья в песчаные формы отливок сложной конфигурации вместо серийного малотехнологичного сплава ВАЛ10.

Высокопрочный литейный сплав ВАЛ20 системы Al–Cu–Mg предназначен для литья в песчаные формы фасонных отливок сложной конфигурации деталей внутреннего набора (корпуса, качалки, кронштейны), рабочая температура: 200°С (длительно) и 250°С (кратковременно), s_в³420 МПа, d³7,0%, =120 МПа, =100 МПа, =60 МПа, с жидкотекучестью 300 мм, повышенными прочностью и пластичностью по сравнению с применяемыми в промышленности серийными сплавами АЛ5 и АЛ9. В настоящее время разрабатывается опытно-промышленная технология литья деталей рулевого управления (рис. 3) из сплава ВАЛ20.

 Рисунок 3. Оптимизированная модель корпуса из сплава ВАЛ20

Перспективными направлениями на ближайшие 10–20 лет являются следующие [20–25]:

– разработка высокопрочного коррозионностойкого литейного сплава на основе системы Al–Mg с пониженной плотностью – для литья самолетных деталей, в том числе деталей гидросамолетов, работающих во всеклиматических условиях, со свойствами: s_в≥380 МПа, d≥8%;

– применение высокопрочных, технологичных конструкционных литейных алюминиевых сплавов нового поколения с повышенным уровнем служебных характеристик позволит обеспечить изготовление различных фасонных отливок на уровне, соответствующем мировому;

– технология литья по газифицируемым и выжигаемым моделям перспективна при наличии хорошей производственной базы – современных компьютеризированных установок, печей и форм с вакуумированием расплава, линий для изготовления моделей методом стереолитографии;

– разработка технологии формообразования фасонных отливок тиксолитьем. Главная особенность такой технологии состоит в использовании новых качеств сплавов, которые они способны проявлять в твердожидком состоянии и позволяют при этом осуществлять сложное формообразование за одну операцию и при пониженном удельном энергосодержании металла. Применение такой технологии обеспечивает отсутствие газов и усадочных дефектов в отливках.

Перспективным является применение литейных алюминиевых сплавов не только в самолето- и ракетостроении, но и в автомобильной промышленности и других отраслях народного хозяйства. Возможно изготовление сложных тонкостенных отливок для деталей двигателей: головки блоков цилиндров, поршни; картеры рулевого управления и сцепления, корпуса карбюратора, дросселя распределителя, топливного и масляного насосов.