ТЕРМОСТОЙКИЙ ЛИТЕЙНЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ Российский патент 2013 года по МПК C22C21/06 B82B3/00 

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано для изготовления отливок, предназначенных для получения деталей ответственного назначения, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 300-350°С. Среди них: детали автомобильных двигателей (головки цилиндров, корпусы водяных насосов, впускные трубы и др.), детали авиационного назначения (корпусы, крышки, сопла, задвижки, фланцы и т.д.), детали водозаборной арматуры, ступени погружного насоса для нефтегазового комплекса, детали радиаторов отопления и др.

Одним из недостатков марочных алюминиевых сплавов, который препятствует их более широкому использованию, является ограничение по рабочим температурам. Даже у лучших по этой характеристике сплавов на базе системы Al-Cu типа АМ5 [ГОСТ 1583-93] рабочие температуры не превышают 250-300°С. При этом минусом последних является и то, что технология получения из них отливок требует полной термообработки, включающей в себя операцию закалки. Это удорожает их стоимость и нередко приводит к появлению нежелательного брака, в частности к нестабильности размеров. Следует также отметить, что сплавы типа АМ5 имеют очень низкие литейные свойства, что затрудняет получение из них тонкостенных отливок сложной формы [Золоторевский B.C., Белов Н.А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. - М.: МИСиС, 2005, 376 с.].

Для устранения недостатков, свойственных сплавам типа АМ5, в работе [Belov N.A. "Principles of Optimising the Structure of Creep-Resisting Casting Aluminium Alloys Using Transition Metals". Journal of Advanced Materials, 1994 1 (4), p.321-329] было предложено создавать термостойкие сплавы на базе эвтектики (Al)+Al₃Ni за счет легирования никелем и другими переходными металлами (Mn, Zr, Cr, Sc, V и т.д.). Сконструированные таким образом сплавы ориентированы на традиционные литейные технологии и имеющееся оборудование, технологический цикл получения из них готовых деталей намного короче по сравнению с марочными сплавами на базе системы Al-Cu (в частности, отсутствует операция закалки). Этот подход нашел отражение в ряде патентов. В частности, в патенте РФ №2001145 (бюл. 37-38 от 15.10.1993, МИСиС) заявлен сплав на основе алюминия, содержащий 3-6,5% Ni, 0,5-2% Mn, 0,2-0,8% Sc и 0,05-0,3% Zr. Данный сплав обладает превосходными литейными свойствами и более высокой жаропрочностью при 300-350°С по сравнению со сплавами типа АМ5. На базе эвтектики (Al)+Al₃Ni было разработано несколько экспериментальных сплавов (они получали название никалины), которые успешно прошли опытно-промышленное опробование в условиях ОАО «ИЛ» и ОАО «ВАСО» [Белов Н.А., Золоторевский B.C. «Литейные сплавы на основе алюминиево-никелевой эвтектики (никалины) как возможная альтернатива силуминам». Цветные металлы, 2003, №2, С.99-105]. Недостатком этих сплавов является высокое содержание никеля, что отрицательно сказывается на стоимости отливок. Вторым недостатком является строгое ограничение по предельно допустимому содержанию железа, т.е. для их производства требуется алюминий высокой чистоты, что также приводит к удорожанию отливок.

Наиболее близким сплавом к предложенному является сплав, раскрытый в патенте US 2004/0261916 F1 (публ. 30.12.2004, патентовладелец: Alcoa Inc.). Данный сплав, предназначенный для получения фасонных отливок различными методами литья, содержит, мас.%: 0,5-6% Ni, 1-3% Mn, до 1% Zr, до 0,6% Sc. В частных пунктах этого патента заявлены наиболее предпочтительные концентрации легирующих элементов: ~4% Ni, ~2% Mn, ~0,6 % Zr (или ~0,3% Sc). Основным недостатком этого сплава является неэкономный состав: высокое содержание никеля и отсутствие среди легирующих компонентов железа. Это препятствует использованию лома отходов для его производства. Следует также отметить, что повышенное содержание никеля отрицательно сказывается на общей коррозии. В условиях воздействия средне-агрессивной среды (например, морской воды) это приводит к сильному потемнению поверхности отливок.

Задачей изобретения является создание нового термостойкого сплава на основе алюминия (экономнолегированного никалина), предназначенного для получения фасонных отливок сложной формы, содержащего не более 2,5% Ni и допускающего не менее 0,3% Fe.

Поставленная задача решена тем, что литейный сплав на основе алюминия, содержащий никель, марганец, цирконий и скандий, отличается тем, что он дополнительно содержит железо и церий при следующих концентрациях легирующих компонентов, мас.%:

Компонент Содержание в сплаве, мас.% Никель 1,5-2,5 Железо 0,3-0,7 Марганец 1,0-2,0 Цирконий¹ 0,2-0,6 Скандий¹ 0,02-0,12 Церий 0,002-0,1 ¹для достижения наилучшего сочетания механических свойств должно выполниться условие: 0,44<2·C_Zr+C_Sc<0,64 (где C_Zr и C_Sc - концентрации циркония и скандия в сплаве, мас.%).

Цирконий и скандий присутствуют в его структуре в виде наночастиц фазы Al₃(Zr, Sc) (кристаллическая решетка L1₂), имеющих средний размер не более 20 нм. Это позволяет достичь в отливках следующего уровня механических свойств: временное сопротивление (σ_в) не менее 250 МПа, относительное удлинение (6) - не менее 4%, 100-часовая прочность (σ₁₀₀) при 350°С составляет не менее 40 МПа, при этом прочностные свойства не снижаются после нагрева при температурах до 400°С включительно при выдержке до 10 часов.

Сущность изобретения состоит в следующем. Концентрации никеля и железа в заявленных пределах обеспечивают высокие технологические свойства при получении тонкостенных отливок (в частности, формозаполняемость и стойкость к образованию горячих трещин). Эти элементы полностью входят в состав фаз Al₃Ni и Al₉FeNi эвтектического происхождения. Для достижения наилучших механических свойств, в частности пластичности, эвтектика должна обладать достаточно дисперсной структурой подобно той, которая показана на фигуре 1. Концентрация марганца в заявленных пределах обеспечивает необходимый уровень жаропрочности. После термообработки марганец присутствует в структуре в виде вторичных выделений фазы Al₆Mn, типичный размер которых составляет 100-500 мкм (фигура 2). Концентрации циркония и скандия в заявленных пределах обеспечивают необходимый эффект дисперсионного твердения за счет образования при отжиге наночастиц фазы Al₃Zr и/или Al₃(Zr, Sc) с решеткой L1₂. Средний размер этих наночастиц не должен превышать 20 нм (фигура 3). Церий в заявленных пределах выполняет вспомогательную функцию, нейтрализуя отрицательное влияние примеси кремния на показатель горячеломкости.

ПРИМЕР 1

Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в табл.1. Все сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях на основе переплава отходов катанки марки А5Е (0,4% примесей, остальное алюминий). Из экспериментальных сплавов были получены отдельно отлитые образцы согласно ГОСТ 1583-93. Эти образцы подвергали отжигу в муфельной электропечи по следующему режиму: 350°С, 3 часа +450°С, 3 часа. Механические свойства (временное сопротивление - σ_в, условный предел текучести - σ_0,2 и относительное удлинение - δ) определяли по результатам испытания на одноосное растяжение на машине Zwick Z250. Испытания при комнатной температуре проводили по ГОСТ 1497-84. Испытания на 100-часовую прочность при 350°С проводили по ГОСТ 10145-81.

Таблица 1 Составы экспериментальных сплавов и их свойства после термообработки № Легирующие компоненты¹, мас.% Мех. свойства на растяжение Ni Mn Fe Zr Sc Се Ti σ_в, МПа σ_0,2, МПа δ, % 1 1 0,5 0,1 0,1 0,01 0,001   135 75 14,5 2 1,5 2 0,7 0,2 0,12 0,1   250 160 6,5 3 2 1,4 0,5 0,4 0,05 0,01   260 170 7,5 4 2,5 1 0,3 0,6 0,02 0,002   255 165 6,0 5 3 2,5 1 0,8 0,2 0,2   190 185 0,5 6 4 2   0,3 0,15   0,1 205 155 3,5 ¹основа алюминий (вместе с примесями)

Из табл.1 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает наилучшее сочетание временного сопротивления (σ_в), предела текучести (σ_0,2) и относительного удлинения (δ): временное сопротивление (σ_в) не менее 250 МПа, предел текучести (σ_0,2) не менее 160 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 4%.

В сплаве 1 прочность меньше требуемого уровня, что связано с недостаточным количеством выделений фазы Al₃(Zr, Sc).

Сплав 5 имеет низкое значение 5, что связано с наличием первичных кристаллов интерметаллидов.

Сплав прототип (состав 6) уступает сплавам 2-4 по механическим свойствам. При этом он содержит больше никеля.

ПРИМЕР 2

Образцы заявляемого сплава состава №3 были подвергнуты отжигу при 400°С в течение 10 часов. После испытания на растяжение были получены следующие значения: временное сопротивление (σ_в) - 265 МПа, предел текучести (σ_0,2) - 170 МПа. Таким образом, снижения прочностных свойств по сравнению с исходным уровнем (см. табл.1) не произошло, что обусловлено высокой термической стабильностью структуры сплава.

ПРИМЕР 3

Образцы заявляемого сплава состава №3 были подвергнуты испытанию на 100-часовую прочность при 350°С. Полученное значение (σ₁₀₀) составило 43 МПа.

ПРИМЕР 4

Образцы заявляемого сплава состава №3 и сплава-прототипа №6 (см. табл.1) были подвергнуты испытанию на общую коррозию в водном растворе 5,7% NaCl+0,3% H₂O₂. После выдержки в течение 24 часов заявляемый сплав имел существенно меньшее потемнение поверхности по сравнению со сплавом-прототипом. Повышенная коррозионная стойкость заявленного сплава обусловлена меньшим содержанием никеля.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления отливок, предназначенных для получения деталей ответственного назначения, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 300-350°С, автомобильных двигателей, деталей водозаборной арматуры, ступеней погружного насоса для нефтегазового комплекса, деталей радиаторов отопления и др. Сплав содержит, мас.%: 1,5-2,5 Ni; 1-2 Mn; 0,3-0,7 Fe, 0,2-0,6 Zr, 0,02-0,12 Sc, 0,002-0,1 Се при содержании циркония и скандия, удовлетворяющем условию 0,44<2·C_Zr+C_Sc<0,64, причем цирконий и скандий присутствуют в структуре сплава в виде фазы Al(Zr, Sc) с кристаллической решеткой L1₂ и средним размером наночастиц не более 20 нм. Техническим результатом является создание нового экономнолегированного термостойкого сплава. 1 табл., 4 пр., 3 ил.

1. Литейный сплав на основе алюминия, содержащий никель, марганец, цирконий и скандий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо и церий при следующем соотношении, мас.%:
Никель 1,5-2,5 Железо 0,3-0,7 Марганец 1,0-2,0 Цирконий 0,2-0,6 Скандий 0,02-0,12 Церий 0,002-0,1

при содержании циркония и скандия, удовлетворяющего следующему условию: 0,44<2·C_Zr+C_Sc<0,64, причем цирконий и скандий присутствуют в структуре сплава в виде фазы Al(Zr, Sc) с кристаллической решеткой Ll₂ и средним размером наночастиц не более 20 нм.

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде отливки и имеет после отжига временное сопротивление (σ_в) не менее 250 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 4%.

3. Сплав по п.2, отличающийся тем, что его 100-часовая прочность (σ₁₀₀) при 350°С составляет не менее 40 МПа.