ЛИТЕЙНЫЙ АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫЙ СПЛАВ Российский патент 2018 года по МПК C22C21/02 

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении фасонных отливок различными методами литья, в частности дисков автомобильных колес методом литья под низким давлением.

Диски автомобильных колес отличаются сложной формой, поэтому их, как правило, изготавливают из силуминов (сплавов на основе системы Al-Si), которые обладают высокими литейными свойствами. В частности, широко используются сплавы типа АК7пч (и зарубежные аналоги типа АА 356), содержащие около 7% Si (Золоторевский B.C., Белов Н.А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. - М.: МИСиС, 2005, 376 с.). Из-за малого количества эвтектики (около 50 об.%) такие сплавы обладают недостаточно высокими литейными свойствами, что не позволяет получать из них отливки особо сложной формы. Другим недостатком этих сплавов является строгое ограничение по примеси железа (как правило, допускается не более 0,1%), что требует использовать для их приготовления первичный алюминий марки не ниже А85 (ГОСТ 11069-2001). Это ограничивает использование алюминия с повышенным содержанием железа, что обуславливает относительно высокую стоимость отливок.

Наиболее высокими литейными свойствами обладают эвтектические силумины типа АК12. Свойства таких сплавов сильно зависят от структуры, в частности от степени модифицирования алюминиево-кремниевой эвтектики и морфологии железистой фазы.

Известен метод получения эвтектического силумина АК12, раскрытый в патенте RU 2385783 (опубл. 10.04.2010 г., бюл. 10). По данному способу в отливках, полученных методом литья под низким давлением, реализована «структура, содержащая твердый раствор легирующих элементов в алюминии, модифицированную и немодифицированную эвтектики и железосодержащие фазы: Fe2SiAl8 - α-фаза, FeSiAl5 - β-фаза, концентрации которых составляют, в объемных %: твердый раствор легирующих элементов в алюминии 22±3, модифицированная эвтектика 70±5, немодифицированная эвтектика 8±2, а сумма железосодержащих фаз α и β - 0,7±0,2».

Данным способом получают фасонные отливки, обладающие следующими механическими свойствами на растяжение: σ_в=145-184 МПа, σ_0,2=78=97 МПа, δ=4-13,5%. Недостатком отливок, полученных по данному способу, является невысокая пластичность, что обусловлено наличием немодифицированной эвтектики в количестве 8 об. % и фазы β (Al₅FeSi), которая имеет неблагоприятную игольчатую морфологию.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является эвтектический силумин, раскрытый в патенте RU 2576707 (опубл. 10.01.2016, бюл. 7). Данный сплав «содержит, мас. %: кремний 10,0-13,0, магний не более 0,15, железо не более 0,5, марганец не более 0,5, элементы-модификаторы для измельчения эвтектики из ряда Sb, Sr, Na, K, Сa в сумме не более 0,05, элементы-модификаторы для измельчения - твердого раствора из ряда Ti, В, Zr, Sc в сумме не более 0,12, алюминий - остальное, при соотношении железа к марганцу 1:1». Технический результат данного изобретения заключается в повышении условного предела текучести, временного сопротивления разрыву и твердости.

Недостатком данного сплава является нестабильность механических свойств, что обусловлено большим количество модифицирующих добавок, в частности таких элементов, как натрий и калий. При повторных переплавах концентрации этих элементов снижаются и, как следствие, снижается степень модифицирования алюминиево-кремниевой эвтектики и ухудшается морфология железистых фаз.

Раскрытие изобретения.

Задачей изобретения является создание нового алюминиево-кремниевого сплава, предназначенного для получения фасонных отливок различными методами литья, в частности дисков автомобильных колес методом литья под низким давлением, допускающего в своем составе не менее 0,3% Fe и обеспечивающего стабильность механических свойств при переплавах.

Техническим результатом является создание нового экономнолегированного силумина, предназначенного для получения фасонных отливок сложной формы и обладающего высокими и стабильными механическими свойствами.

Технический результат достигается тем, что в литейном алюминиево-кремниевом сплаве, содержащем кремний, магний, марганец, железо и стронций, характеризующийся структурой, состоящей из первичных кристаллов алюминиевого твердого раствора и алюминиево-кремниевой эвтектики, в состав которой входит стронцийсодержащая фаза, новым является то, что он содержит компоненты в следующем количестве, мас. %:

Кремний 10,5-11,5 Стронций 0,03-0,07 Магний 0,06-0,11 Марганец 0,3-0,5 Железо 0,3-0,5

при этом не менее 90% всего количества железа входит в состав алюминиево-кремниевой эвтектики в виде фазы (Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂.

В частном исполнении сплав выполнен в виде отливок, предназначенных для изготовления дисков автомобильных колес.Обладает следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σ_в) не менее 150 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 5%.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Марганец и железо в заявленных пределах полностью входят в эвтектические включений фазы Al₁₅(FeMn)₃Si₂, которые кристаллизуются преимущественно в составе четверной эвтектики (Al)+(Si)+Al₂Si₂Sr+Al₁₅(FeMn)₃Si₂. Такой характер кристаллизации оказывает благоприятное влияние на литую структуру, а именно на морфологию алюминиево-кремниевой эвтектики и железистой фазы, что способствует высокой пластичности отливок в литом состоянии.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 приведена микроструктура заявляемого сплава (состав 3 в табл. 1), СЭМ, где а) общий вид, б) внутренне строение алюминиево-кремниевой эвтектики.

ПРИМЕР 1.

Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в табл. 1. Все сплавы содержали не менее 0,3% Fe. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия марки А85 (ГОСТ 11069-2001), кремния марки Кр00 (ГОСТ 2169-69) и магния марки Мг90 (99,9%) и лигатур: Al-10%Mn, Al-10%Fe и Аl-10%Sr. Заливку сплава осуществляли в стальную изложницу (по ГОСТ1583-93), разогретую до температуры 550°С, что позволило смоделировать скорость затвердевания, близкую к той, которая характерна при литье дисков автомобильных колес методом литья под низким давлением. Все сплавы переплавляли и 2 раза повторяли эксперимент. Таким образом, было сделаны по 3 плавки для каждого сплава. Подшихтовка не проводилась.

Фазовый состав определяли экспериментальным путем с помощью электронной сканирующей микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа, а также с использованием расчета в программе 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 образцах, вырезанных из отливок.

Из табл. 1 видно, что только в составах 2-4 не менее 90% всего количества железа входит в состав алюминиево-кремниевой эвтектики в виде фазы Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂, что обеспечивает наилучшие сочетание временного сопротивления и относительного удлинения. В сплаве 1 механические свойства, особенно пластичность, меньше требуемого уровня, что связано с наличие иглообразных включений фазы Al₅FeSi. Сплав 5 также имеет пониженные механические свойства, что связано с наличием крупных первичных кристаллов фазы Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂. Сплав 6 (прототип) обладает значительным разбросом механических свойств, поскольку в нем низкая концентрация стронция и, как следствие, недостаточная степень модифицирования эвтектики после переплава.

¹доля железа, входящего в состав алюминиево-кремниевой эвтектики; ²временное сопротивление на разрыв; ³относительное удлинение. Верхнее число отвечает максимальному значению, а нижнее – минимальному.

ПРИМЕР 2.

Из сплава состава 3 (табл. 1) в промышленных условиях были отлиты отливки диска автомобильного колеса. Структурный анализ показал, что более 90% всего количества железа входит в состав алюминиево-кремниевой эвтектики в виде фазы Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂.

_{Механические свойства на разрыв определяли на цилиндрических образцах, выточенных из различных мест отливок. Результаты, приведенные в табл. 2, показывают, что заявляемый сплав в промышленной отливке обеспечивает заданное сочетание временного сопротивления и относительного удлинения.}

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении фасонных отливок различными методами литья, в частности дисков автомобильных колес методом литья под низким давлением. Литейный алюминиево-кремниевый сплав содержит, мас. %: кремний 10,5-11,5, стронций 0,02-0,08, магний 0,05-0,15, марганец 0,3-0,5, железо 0,3-0,5, алюминий и примеси – остальное, и имеет структуру, состоящую из первичных кристаллов алюминиевого твердого раствора и модифицированной алюминиево-кремниевой эвтектики, в состав которой входит стронцийсодержащая фаза, при этом не менее 90% всего количества железа входит в состав алюминиево-кремниевой эвтектики в виде фазы Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂. Изобретение направлено на создание нового экономнолегированного силумина, предназначенного для получения фасонных отливок сложной формы и обладающего высокими и стабильными механическими свойствами. 2 з.п. ф-лы, 2 пр., 2 табл., 1 ил.

1. Литейный алюминиево-кремниевый сплав, содержащий кремний, магний и стронций и имеющий структуру, состоящую из первичных кристаллов алюминиевого твердого раствора и модифицированной алюминиево-кремниевой эвтектики, в состав которой входит стронцийсодержащая фаза, отличающийся тем, что он дополнительно содержит марганец и железо при следующем содержании компонентов, мас. %:

кремний 10,5-11,5 стронций 0,02-0,08 магний 0,05-0,15 марганец 0,3-0,5

железо 0,3-0,5

алюминий и примеси остальное

при этом не менее 90% всего количества железа входит в состав алюминиево-кремниевой эвтектики в виде фазы Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂.

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен в виде отливок, предназначенных для изготовления дисков автомобильных колес.

3. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он обладает следующими свойствами на растяжение, включающими временное сопротивление (σ_в) не менее 150 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 5%.