ЛИТЕЙНЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ Российский патент 2010 года по МПК C22C21/04 

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении деталей автомобильных двигателей, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 150-200°С: головки цилиндров, корпуса водяных насосов, впускные трубы и др.

Детали автомобильных двигателей отличаются сложной формой, поэтому их, как правило, изготавливают из силуминов (сплавов на основе системы Al-Si) различными методами фасонными литья: в землю, кокиль, под давлением и др.

Отливки, предназначенные для наиболее ответственных деталей, обычно используют после полной термической обработки типа Т6 (закалка и старение на максимальную прочность). Для достижения необходимого качества последних от сплава требуется сочетание высокой технологичности (в частности, при получении тонкостенных отливок сложной формы) и достаточно хорошего уровня разных механических свойств (прочности, пластичности, вязкости разрушения и др.). Для реализации такого сочетания используют, как правило, специальные силумины, которые отличаются от обычных следующими особенностями:

1) узкий концентрационный интервал легирующих элементов (например, по магнию он составляет менее 0,1%);

2) строгое ограничение по примесям (в первую очередь, по железу), что сильно ограничивает возможность использования вторичного сырья для их приготовления;

3) обязательная термическая обработка, включающая закалку (обычно типа Т6);

4) существенно более строгие (по сравнению с обычными силуминами) требования к приготовлению расплава и его обработке (рафинирование, модифицирование, дегазация, фильтрация).

Силумины с указанными особенностями можно назвать высокопрочными, так как после полной термообработки типа Т6 гарантируемый уровень σ_в обычно составляет 300-400 МПа (т.е. выше, чем у обычных силуминов). Упрочнение после термообработки достигается за счет вторичных выделений фаз Mg₂Si, Al₂Cu и Al₅Cu₂Mg₈Si₆ (как правило, метастабильных модификаций). Поэтому термически упрочняемые силумины обязательно содержат добавки меди и магния, необходимые для образования этих выделений. Многие из них содержат малые добавки, которые, положительно влияя на некоторые свойства, часто оказывают еще больший вред. Примером является бериллий, который, с одной стороны, положительно влияет на морфологию Fe-фазы, а с другой, оказывает вредное влияние на здоровье человека.

Наиболее прочные промышленные силумины (в частности, входящие в ГОСТ 1583-93) содержат добавку бериллия, что приводит к их существенному удорожанию, а также требует специальных мер предосторожности при их производстве.

Наиболее прочный среди них сплав АК8М3ч, который содержит, мас.%:

Кремний 7-8,5 Медь 2,5-3,5 Магний 0,2-0,45 Цинк 0,5-1,0 Бериллий 0,05-0,25 Титан 0,1-0,25 Бор 0,015-0,1 Алюминий и примеси остальное

В этом силумине упрочнение достигается за счет фаз Al₂Cu и Al₅Cu₂Mg₈Si₆. Недостатком сплава АК8М3ч, помимо наличия в его составе бериллия, является низкий солидус (на верхнем пределе по магнию и меди он ниже 520°С), что не позволяет добиться достаточной сфероидизации кремниевой фазы при нагреве под закалку.

Наиболее близким сплавом к предложенному является безбериллиевый силумин, раскрытый в патенте US 6773666 (2004 г., Lin; Jen C. etc., Alcoa Inc).

Данный сплав содержит кремний, магний и марганец при следующих концентрациях компонентов, мас.%:

Кремний 6-9 Магний 0,2-0,8 Марганец 0,1-1,2 Алюминий остальное

Из этого силумина можно получать отливки с хорошим сочетанием литейных и механических свойств за счет добавки марганца, который позволяет связать железо в скелетообразные включения и уменьшить его вредное влияние. В формуле патента особенно подчеркивается отсутствие бериллия и меди. Первым недостатком этого сплава является ограничение по максимальной рабочей температуре. Это связано с тем, что вторичные выделения фазы Mg₂Si при длительных нагревах свыше 180°С склонны к огрублению, что приводит к разупрочнению. Второй недостаток этого сплава заключается в жестком ограничении по предельно допустимой концентрации меди, что предъявляет высокие требования к чистоте шихтовых материалов и затрудняет использование вторичного сырья.

Задачей изобретения является создание нового безбериллиевого высокопрочного силумина, предназначенного для получения фасонных отливок сложной формы и допускающего не менее 0,2% Cu. При этом сплав не должен содержать добавок циркония, хрома, титана, бора и стронция, а также иметь солидус не ниже 550°С.

Поставленная задача решена тем, что литейный сплав на основе алюминия, содержащий кремний, магний, медь, марганец и железо, характеризующийся структурой, представляющей собой матрицу, образованную твердым раствором алюминия с равномерно распределенными в нем дисперсными частицами вторичных выделений, и равномерно распределенные в матрице частицы кремния эвтектического происхождения, содержит легирующие компоненты в следующем количестве, мас.%:

Кремний 7,6-8,6 Медь 0,3-0,5 Магний 0,26-0,38 Марганец 0,1-0,3 Железо 0,1-0,3

при этом должны выполняться следующие условия:

а) температура равновесного солидуса сплава должна быть не ниже 550°С;

б) объемная вторичных выделений фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆ должна быть не ниже 0,8 об.%

Сущность изобретения состоит в следующем.

Медь и магний в заявленных пределах находятся в алюминиевой матрице в виде вторичных выделений фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆, что вносит основной вклад в прочность сплава. При выбранных концентрациях меди и магния достигается сочетание высокой температуры солидуса, высоких литейных свойств сплава, а также термической стабильности.

Марганец и железо в заявленных пределах полностью входят в эвтектические включения фазы Al₁₅(FeMn)₃Si₂, которые кристаллизуются преимущественно в составе тройной эвтектики (Al)+(Si)+Al₁₅(FeMn)₃Si₂. Такой характер кристаллизации оказывает благоприятное влияние на литую структуру (а именно на морфологию кремниевой и железистой фаз), что способствует формированию глобулярных включений кремниевой фазы при нагреве под закалку.

ПРИМЕР 1.

1. Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в табл.1. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия марок А7, сплава АК12оч, магния марки Мг90 (99,9%), меди M1 (99,9%) и лигатур: Al-10%Mn и Al-10%Fе. Отливки термообрабатывали по режиму Т6 (нагрев под закалку при 545±5°С, закалка в холодной воде и старение). Равновесный солидус определяли методом дифференциального термического анализа и уточняли расчетом по программе Thermo-Calc (база данных TTAL5). Объемную долю вторичных выделений фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆ рассчитывали с помощью программы Thermo-Calc по методике, описанной в [Белов Н.А., Савченко С.В., Хван А.В. Фазовый состав и структура силуминов. - М.: МИСиС, 2007, 284 с.]. Механические свойства на разрыв определяли по ГОСТ 1497-84 на цилиндрических отдельно отлитых в кокиль образцах (полученных согласно ГОСТ 1583-93).

Таблица 1 Составы экспериментальных сплавов и их свойства после термообработки Т6 и выдержки при 190°С в течение 8 часов № Концентрации, % по массе σ_в ¹, МПа δ², % НВ³ T_s ⁴, °C Q⁴, об. %   Si Mg Cu Mn Fe Al 1 7 0.2 0,1 0,05 0,05 ост. 260 10 80 570   2 7,6 0,26 0,26 0,3 0,3 ост. 330 8 105 566   3 8 0,32 0,35 0,2 0,2 ост. 345 6 110 563   4 8,4 0,38 0,45 0,1 0,1 ост. 350 4,5 116 560   5 9 0,5 1 0,5 0,5 ост. 320 1,6 120 548   6 7,5 0,5 <0,01 0,7 0,1 ост. 270 3,5 85 561 0 ¹временное сопротивление на разрыв; ²относительное удлинение; ³твердость по Бриннелю; ⁴температура равновесного солидуса (расчет), ⁵объмная доля вторичных выделений фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆

Из табл.1 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает наилучшее сочетание временного сопротивления, относительного удлинения и равновесного солидуса. В сплаве 1 прочность меньше требуемого уровня, что связано с недостаточным количеством выделений фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆. Сплав 5 имеет низкое значение δ, что связано с частичным пережогом из-за того, что T_s<550°C. Сплав прототип (состав 6) уступает сплавам 2-4 по значениям σ_в и НВ, поскольку в нем отсутствует фаза Al₅Cu₂Mg₈Si₆. При этом включения кремниевой фазы во всех составах заявленного сплава имели глобулярную морфологию (см. чертеж ).

ПРИМЕР 2.

Определяли механические свойства сплавов 3 и 6 (см. табл.1) при повышенных температурах. Механические свойства на разрыв определяли по ГОСТ 9651-84 на цилиндрических образцах, выточенных из кокильных отливок (согласно ГОСТ 1583-93). Результаты, приведенные в табл.2, показывают, что заявляемый сплав (№3) превосходит известный (№6), по прочности, как при 150°С, так и при 200°С.

Таблица 2 Прочностные свойства экспериментальных сплавов при повышенных температурах № Т, С° σ_в, МПа σ_0,2, МПа 3 150 190 170 200 95 70 6 150 150 135 200 70 50

ПРИМЕР 3.

Из заявляемого сплава состава №3 (см. табл.1) в заводских условиях ООО «РосАЛит» были залиты 100 шт. серийных отливок дет. 514.1003015 «Головка цилиндров» (см. чертеж 1). Все отливки имели удовлетворительное качество.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении деталей автомобильных двигателей, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 150-200°С. Литейный сплав на основе алюминия содержит следующие компоненты, мас.%: кремний 7,6-8,6, медь 0,3-0,5, магний 0,26-0,38, марганец 0,1-0,3, железо 0,1-0,3, при выполнении следующих условий: температура равновесного солидуса сплава - не ниже 550°С, объемная доля вторичных выделений фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆ - не ниже 0,8 об.%. Получается экономнолегированный силумин, предназначенный для получения фасонных отливок сложной формы и обладающий высокими механическими свойствами σ_в не менее 320 МПа, δ не менее 4%. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Литейный алюминиевый сплав, содержащий кремний, магний, медь, марганец и железо, характеризующийся структурой, представляющей собой матрицу, образованную твердым раствором алюминия с равномерно распределенными в нем дисперсными частицами вторичных выделений фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆, и равномерно распределенные в матрице глобулярные частицы кремниевой фазы, отличающийся тем, что он содержит легирующие компоненты в следующем количестве, мас.%:
Кремний 7,6-8,6 Медь 0,3-0,5 Магний 0,26-0,38 Марганец 0,1-0,3 Железо 0,1-0,3

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде отливки, обладающей следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление σ_в не менее 320 МПа, относительное удлинение δ не менее 4%.

3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде отливки головок блока цилиндров.