Литейный сплав на основе алюминия Советский патент 1993 года по МПК C22C21/04 

твердого раствора, что обуславливает высокие прочностные характеристики сплаву;

- для торможения движения дислокаций границы зерен необходимо блокировать сравнительно плотно прилегающими к периферийным зонам зерен твердого раствора частицами вторых фаз. Кроме того, следует предусмотреть модифицирующие добавки Zr, TI и др, для создания мелкозернистой структуры сплава, что дополнитель- но способствует повышению их прочности и пластичности.

Исследование показало, что содержание кремния в сплаве должно быть 8,5-15,0%. Это обеспечивает высокие литейные свой- ства и меньшую склонность к образованию пористости горячих трещин. Кремний с алюминием не образует химических соединений и присутствует в виде отдельных первичных включений в заэвтектических сплавов, а также входит в состав двойной эвтектики L+SI с температурой плавления 577° С. количество которой увеличивается с повышением содержания кремния до 11,7%. Если детали из сплава длительно ра- ботают при высоких температурах, содержание кремния следует поддерживать на нижнем уровне. Сплав с содержанием кремния ниже 8,5% приводит к резкому снижению литейных свойств сплава, а увеличение содержания выше 15,0% приводит к снижению жаропрочности сплава.

Для увеличения жаропрочности (в интервале рабочих температур 200-300° С.) сплава в него вводят медь в количестве от 0,5 до 5,5%. Исходя из тройной диаграммы состояния сплавов системы Al-Si-Cu доказано, что в этой системе нет тройных соединений, а фазы CuAl2 и Si образуют тройную эвтектику с температурой плавления 525° С. Изотермы совместной растворимости меди и кремния в алюминии показывают, что в тройном-твердом растворе может содержаться достаточно большое количество меди (до 5,5%), что должно способствовать упрочнению сплава при термической обработке. С повышением содержания меди структура сплаоа системы Al-Si-Cu становится более гетерогенной, что обуславливает повышенную (по сравнению с другими силуминами) жаропрочность. Однако, по мере увеличения количества меди (более 5,5%) сплав становится более хрупким. Если детали из сплава предназначены для работы при высоких температурах, содержание меди должно быть на верхнем пределе, если при комнатной температуре, но на нижнем (ни).

Для повышения механических свойств en-лава в него вводят магний в количестве

0,1-1,0%. Магний с кремнием образуют упрочняющую фазу MgaSI, которая кристаллизуется в мелкодисперсной форме. Растворимость Mg2SI в твердом алюминии очень мала (не более 0,1%) при комнатной температуре и 1,5% при температуре закалки, Однако, процесс старения протекает медленно и стадийно (ЗГП -р-р ), и частицы MgsSI выделяются в мелкодисперсной форме; вследствие этого прочность сплава значительно увеличивается. При содержании магния менее 0,1 % снижается предел прочности и текучести, а при увеличении более 1,0% происходит снижение пластичности сплава.

Легирование сплава титаном в количестве 0,1-0,7% приводит к повышению предела прочности и относительного удлинения. Титан образует с алюминием фазу AbTI, частицы которой являются центрами кристаллизации, измельчают зерно, твердого раствора, повышая тем самым механические свойства сплава. При содержании титана более 0,7% фаза укрупняется и появляется в виде крупных частиц, вызывая охрупчивание сплава. При содержании титана менее 0,1% эффект модифицирования отсутствует.

Цирконий, как элемент переходной группы, склонен к образованию в процессе кристаллизации пересыщенного -твердого раствора в алюминии, устойчивого при повышенных температурах, а также оказывает значительный модифицирующий эффект на структуру сплава. Цирконий образует с алюминием двойное соединение AbZr, не образуя сложных соединений с кремнием и медью и не обедняют тем самым твердый раствор. Ультрадисперсные частицы интерметаллического соединения AbZr являются дополнительными центрами кристаллизации. Цирконий в количестве 0,01-0,5% способствует повышению предела прочности и относительного удлинения при комнатной и длительной прочности при повышенных температурах. Увеличение содержания циркония выше 0.5% снижает механические свойства сплава из-за образования избыточного количества фазы AlsZr.

Легирования сплава элементами с низким коэффициентом диффузии (медь, никель, ванадий, хром) способствует образованию в условиях большой скорости кристаллизации пересыщенного твердого раствора, устойчивого при повышенных температурах. Кроме того, частицы вторых фаз (AUMgsSMCm, AleCuaNi и др.), которые мало взаимодействуют с твердым раствором, блокируют зерна и укрепляют из границы, поэтому жаропрочность предлагаемого

сплава выше, чем у прототипа. Но при содержании никеля, хрома, ванадия менее 0,01% увеличение жаропрочности незначительное, а при содержании никеля более 1,0%, ванадия и хрома более 0,5% происхо- дит резкое снижение механических свойств при комнатной температуре.

Введение в сплав сурьмы, являющейся эффективным модификатором эвтектики Al-Si, увеличивает прочностные характери- стики сплава при комнатной температуре. Содержание сурьмы менее 0,005% не дает заметного модифицирующего эффекта, а увеличение содержания более 0,3% не дает увеличения прочностных характеристик.

Химический состав и свойства исследованных сплавов приводится в табл.1,2.

Как видно из .2 предлагаемый способ в сравнении с прототипом имеет более высокие значения механических свойств (предел прочности на 30%, относительное удлинение на 50% и жаропрочность на 40%}.

Плавки массой 30кг проводили в тигельных печах электросопротивления. Исследо- вание механических свойств проводились в термообработанном состоянии на стандартных образцах 0 10 мм, выточенных из кокильных заготовок и образцах 0 12 мм, отлитых в песчаные формы.

Анализ приведенных данных показывает, что представленный сплав имеет высокие механические свойства при комнатной температур --, а при повышенных температурах (250-350°С) свойства сплава на 3 1% превышает анэлс чные значения систчлу Al-Si.

Предпагаег- Г -чав чз основе алюминия найдет прик е::ение в качестве высокопрочного и жаропрочного материала.

Ф о р м / л а изобретения

Литейный сплав на основе алюминия содержащий кремний, медь, магний итшач. отличающийся тем, что. с цеж.к. повышения механических свойств при комнатной и повышенной темперэтурй.ч, os-s дополнительно содержит по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей цирконий, никель, ванадий, хром и сурьму при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кремний8,5-15,0

Медь0,5-5,5

Магний0.1-1,0

Титан .0,1-0,7

по крайней мере, один металл, выбранный из группы, содержащий:

Цирконий0.01-0,5

Никель0,01-1,0

Ванадий0,01-0,5

Хром0,01-0,5

Сурьма0,01-0,4

Алюминий . Остальное

Таблица 1

Литейный сплав на основе алюминия. Изобретение относится к литейным сплавам на основе алюминия, предназначенным для применения в качестве конструкционИзобретение относится к цветной металлургии, а именно к легким материалам для применения в авиационно-космической технике и других отраслях народного хозяйства. Самые высокие значения прочностных характеристик при комнатной и повышенных (до 250° С) температурах в сочетании с хорошей технологичностью имеют сплавы на основе системы AI-Si-Mg-Cu. Целью изобретения является повышение прочности при комнатной и повышенных температур, выше уровня известного сплава, взятого за прототип. Для достижения указанной цели литейный сплав на основе алюминия, содержащий кремний, медь, титан, дополнительно легирован металлом из группы: цирконий, никель, ванадий, хром, сурьма (содержание кремния и меди изменено) при следующем соотношении компонентов в весовых %: Кремний8,5-15,0 Медь0,5-5,5 Магний0,2-1,0 Титан0,1-0.7 ного материала. Сплав содержит, мас.%: кремний 8,5-15,0; медь 0,5-5,5; магний 0,1- 1,0; титан 0,1-0,7; по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей цирконий 0,01-0,5; никель 0,01-1,0; ванадий 0,01-0,05; хром 0,01-0,5; сурьма 0.01-0,4; алюминий - остальное. Свойства сплава следующие: ав 380-450 МПа; 220° С 5з50 4-6%; OIQO 150 МПа. споо 250° С 350° С 100 МПа, moo 2 табл. 35 МПа; НВ - 120-130. металл, выбранный из группы, содержащий: Цирконий0,01-0,5 Никель0,01-1,0 Ванадий0,01-0,5 Хром0,01-0,5 Сурьма0,01-0.4 АлюминийОстальное Для получения высокопрочного и жаропрочного литейного сплава в основу разработки были положены следующие соображения: -для обеспечения высоких литейных свойств сплав должен содержать не менее 8% кремния; -двойной сплав, содержащий 8-15% кремния, необходимо легировать медью и магнием в соотношениях, чтобы в закаленном состоянии обеспечить высокую степень пересыщения твердого раствора, а при старении - многоступенчатый процесс фазовых превращений: CuAl2 и W(AlxMg5SUCu4) которые могли бы создать высокую плотность микрогетерогенности внутри зерен W Ё 00 со ON Јь XI О СА)

Продолжение табл, 1

Т а б л и ц а 2