Silumin – co to jest? Rodzaje, właściwości i zastosowanie stopów aluminium z krzemem

Silumin to odlewniczy stop aluminium z krzemem – najpopularniejszy materiał na odlewy aluminiowe. Krzem obniża temperaturę krzepnięcia i poprawia lejność, dlatego siluminy dobrze wypełniają formę i nadają się na cienkościenne, skomplikowane części. Wyjaśniamy, czym różnią się rodzaje siluminów, po co się je modyfikuje i jak zachowują się przy obróbce, spawaniu i anodowaniu.

W skrócie

• Silumin to stop Al-Si; eutektyka w tym układzie występuje przy 12,6% Si i 577 °C (czyste aluminium topi się w 660 °C).
• Wyróżnia się siluminy podeutektyczne (4–10% Si), okołoeutektyczne (10–13% Si) i nadeutektyczne (powyżej 13% Si).
• Modyfikacja sodem, strontem lub fosforem zmienia postać krzemu; w siluminach pod- i okołoeutektycznych może podnieść wydłużenie z ok. 4–5% do ok. 12% (orientacyjnie).
• Siluminy z magnezem lub miedzią można umacniać cieplnie; miedź zwiększa wytrzymałość, ale obniża odporność na korozję.
• Twarde cząstki krzemu przyspieszają zużycie narzędzi i sprawiają, że anodowana powierzchnia jest szara.

Czym jest silumin

Silumin to potoczna nazwa stopów aluminium, w których głównym dodatkiem jest krzem. Według akademickiego podręcznika „Odlewnictwo” (WNT) to najpopularniejsza grupa odlewniczych stopów aluminium.

Silumin a aluminium? Silumin jest stopem aluminium: aluminium stanowi jego główny składnik, a krzem to dodatek, który nadaje mu dobre właściwości odlewnicze. W mowie potocznej słowo „aluminium” obejmuje zarówno czysty metal, jak i jego stopy – a odlewy niemal zawsze wykonuje się ze stopów.

Dlaczego akurat krzem? Większość tworzyw odlewniczych to stopy eutektyczne lub zbliżone do eutektycznych, bo mają najlepszą lejność i najwierniej odtwarzają kształt formy. Siluminy spełniają ten warunek przy umiarkowanej zawartości krzemu i zachowują niską gęstość aluminium.

W dawnych polskich normach siluminy oznaczano literami AK i liczbą równą średniej zawartości krzemu – AK9 to stop z ok. 9% Si. Dziś obowiązują oznaczenia według PN-EN 1706, np. EN AC-42100, czyli AlSi7Mg0,3. Osobno wyjaśniamy, jak czytać oznaczenia EN AC i dawne symbole AK.

Układ Al-Si w pigułce

Aluminium topi się w 660 °C, a krzem w 1414 °C. W układzie Al-Si występuje eutektyka: stop zawierający 12,6% Si krzepnie w jednej temperaturze, 577 °C. Stopy o składzie zbliżonym do eutektycznego krzepną w wąskim przedziale temperatur, dlatego tak dobrze wypełniają formę.

W stałym aluminium rozpuszcza się najwyżej 1,65% krzemu (w 577 °C), a w temperaturze otoczenia znacznie mniej. W praktyce większość krzemu występuje w odlewie jako osobne cząstki: w eutektyce albo – w stopach nadeutektycznych – jako duże kryształy krzemu pierwotnego.

Od kształtu i wielkości tych cząstek zależą plastyczność, udarność i obrabialność siluminu. Dlatego o właściwościach odlewu decyduje nie tylko skład, ale też modyfikacja metalu i szybkość chłodzenia w formie.

Rodzaje siluminów

Grupa	Zawartość Si	Struktura	Cechy	Typowe zastosowania	Przykłady stopów
Podeutektyczne	4–10%	dendryty roztworu stałego α i eutektyka	dobra lejność; z Mg lub Cu możliwe umacnianie cieplne; po modyfikacji najlepsza plastyczność	głowice silników, obudowy, korpusy, części maszyn	EN AC-42000 (AlSi7Mg), EN AC-42100 (AlSi7Mg0,3), EN AC-46200 (AlSi8Cu3)
Okołoeutektyczne	10–13%	przeważa eutektyka	doskonałe właściwości odlewnicze, dobre właściwości mechaniczne, cienkie ścianki	cienkościenne obudowy i korpusy, odlewy kokilowe i ciśnieniowe	EN AC-44200 (AlSi12(a)), EN AC-47100 (AlSi12Cu1(Fe))
Nadeutektyczne	powyżej 13%	eutektyka i duże kryształy krzemu pierwotnego	duża twardość (min. 90 HB w kokili), bardzo małe wydłużenie (min. 0,25%), trudna obróbka	tłoki silników samochodowych i lotniczych	dawny AK20 (AlSi21CuNi)

Podział na grupy i zastosowania według podręcznika „Odlewnictwo”; twardość i wydłużenie stopu AK20 – tabl. 3.8 (odlew kokilowy).

Modyfikacja i rozdrobnienie ziarna: jak zmieniają właściwości siluminu

Bez modyfikacji krzem eutektyczny tworzy grube płytki, a w siluminach nadeutektycznych pojawiają się duże, igłowe kryształy krzemu pierwotnego. Takie wydzielenia działają jak karby: skupiają naprężenia i ułatwiają inicjację pęknięć.

Modyfikacja polega na wprowadzeniu do ciekłego metalu niewielkiej ilości substancji, która zmienia postać krzemu:

• w siluminach pod- i okołoeutektycznych – metalicznego sodu lub jego soli albo strontu,
• w siluminach nadeutektycznych – związków fosforu.

Efekt widać przede wszystkim w plastyczności. Z wykresu w podręczniku (odczyt orientacyjny) wynika, że niezmodyfikowany silumin z 7–11% Si ma wydłużenie ok. 4,5–5%, a zmodyfikowany – ok. 12% w szerokim zakresie 5–13% Si. Wytrzymałość rośnie mniej: przy ok. 11% Si z ok. 150 MPa bez modyfikacji do ok. 185 MPa po modyfikacji.

Dwie zasady, które wpływają na jakość odlewu:

1. Modyfikacja sodem jest nietrwała – zanika po ok. 20 minutach, więc metal trzeba odlać w tym czasie.
2. Stront działa trwale, ale rafinacja chlorem lub jego związkami kasuje jego efekt – liczy się kolejność zabiegów na ciekłym metalu.

Coraz częściej, obok modyfikacji eutektyki, rozdrabnia się też ziarno roztworu α związkami TiB₂ lub TiC. Daje to lepsze zasilanie odlewu, wyższe właściwości mechaniczne i szczelność oraz lepsze efekty obróbki cieplnej – szczególnie w odlewach masywnych i odlewanych do form piaskowych, które stygną wolno. Cały proces opisujemy w tekście o odgazowaniu, rafinacji i modyfikacji ciekłego aluminium.

Dodatki stopowe: magnez, miedź, nikiel – i niechciane żelazo

• Magnez umożliwia umacnianie wydzieleniowe, czyli obróbkę cieplną podnoszącą wytrzymałość – to podstawa stopów typu AlSi7Mg i AlSi10Mg.
• Miedź to drugi co do ważności dodatek. Zwiększa wytrzymałość i twardość, ale pogarsza odporność na korozję i może obniżyć stabilność wymiarową. Dawne stopy AK52 i AK64 (pierwsza cyfra – średnia zawartość Si, druga – Cu) stosowano na silnie obciążone części maszyn.
• Nikiel poprawia stabilność wymiarową w podwyższonej temperaturze. Eutektyczny AK12 i nadeutektyczny AK20 to stopy na tłoki, korpusy, głowice i kolektory wydechowe.
• Żelazo jest zanieczyszczeniem: tworzy kruche, płytkowe wydzielenia faz międzymetalicznych, które obniżają plastyczność. Dlatego liczą się czystość wsadu i kontrola składu przy każdym wytopie.

Wytrzymałość konkretnego siluminu zależy też od technologii: w kokili i przy odlewaniu ciśnieniowym metal stygnie szybciej niż w piasku i ma drobniejszą strukturę. Liczby i przyczyny omawiamy w tekście o wytrzymałości odlewów aluminiowych i wpływie technologii.

Silumin w praktyce: obróbka, spawanie, anodowanie, korozja

Obróbka skrawaniem. Krzem tworzy twarde cząstki, które ścierają ostrza – tym mocniej, im więcej Si w stopie, a najmocniej w siluminach nadeutektycznych. W produkcji seryjnej stosuje się narzędzia z ostrzami diamentowymi (PCD) albo węglikowe o geometrii przeznaczonej do aluminium. Dobór narzędzi i parametrów to część obróbki mechanicznej aluminium, którą warto zaplanować razem z odlewem.

Spawanie. Siluminy bez miedzi odlewane do piasku i kokili, np. AlSi10Mg, AlSi12 czy AlSi7Mg, spawa się metodą TIG lub MIG dobrze lub bardzo dobrze. Typowe stopy do odlewania ciśnieniowego, np. EN AC-46000 i EN AC-47100, PN-EN 1706 ocenia natomiast jako nienadające się do spawania, a porowatość i zanieczyszczenia utrudniają spawanie każdego odlewu. Szczegóły, w tym ograniczenia odlewów ciśnieniowych, opisujemy w artykule o spawaniu i naprawie odlewów z aluminium.

Anodowanie. Krzem nie utlenia się anodowo jak aluminium i zostaje w powłoce. Im więcej krzemu, tym powłoka ciemniejsza, bardziej szara i mniej jednolita. Jeśli wygląd po anodowaniu jest ważny, stop trzeba wybrać już na etapie projektu – wyjaśniamy to w tekście o tym, czy odlewy aluminiowe można anodować.

Korozja. Siluminy bez miedzi dobrze znoszą warunki atmosferyczne, a miedź tę odporność obniża. Sama technologia odlewania ma na korozję znikomy wpływ – decyduje gatunek stopu i ewentualna obróbka cieplna. W środowisku agresywnym, np. przy kontakcie z solą drogową, odlew zabezpiecza się powłoką.

Jak wybrać silumin do odlewu

• Cienkie ścianki i skomplikowany kształt – silumin okołoeutektyczny (np. AlSi12) albo stop Al-Si-Cu typowy dla odlewania ciśnieniowego.
• Wysoka wytrzymałość i plastyczność po obróbce cieplnej – silumin podeutektyczny z magnezem (np. AlSi7Mg0,3 w stanie T6), odlewany w kokili lub w formie piaskowej.
• Odporność na korozję – stop bez miedzi.
• Praca w podwyższonej temperaturze lub ścieranie – siluminy z niklem albo nadeutektyczne.
• Dekoracyjne anodowanie – zwykle nie silumin, lecz stop aluminium z magnezem.

Jeśli dopiero decydujesz o materiale, przyda się też porównanie odlewów z aluminium i z żeliwa.

Najczęściej zadawane pytania

Dobierzemy silumin do Twojego odlewu

Napisz, w jakich warunkach pracuje część (obciążenia, temperatura, środowisko, wymagany wygląd powierzchni) i jaką serię planujesz. W Odlewni Poznań odlewamy stopy według PN-EN 1706, m.in. siluminy EN AC-42000, EN AC-46200, EN AC-46500 i EN AC-47100 – w formach piaskowych, ciśnieniowo i metodą odlewania kokilowego. Wyślij zapytanie z rysunkiem, a doradzimy stop i technologię.

Źródła i normy

• M. Perzyk (red.), Odlewnictwo, WNT, Warszawa – rozdz. 3.1 (materiały na odlewy, s. 116) i 3.1.5.1 (stopy aluminium: układ Al-Si, modyfikacja, rozdrabnianie ziarna, rys. 3.19–3.21, tabl. 3.8, s. 144–150).
• PN-EN 1706:2020+A1:2021 – Aluminium i stopy aluminium – Odlewy – Skład chemiczny i właściwości mechaniczne.