Литейный алюминиевый сплав-(экономнолегированный высокопрочный силумин)

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: головки цилиндров, корпуса водяных насосов, впускные трубы и др. Литейный сплав на основе алюминия содержит следующие компоненты, мас.%: кремний 8,6-10,2, медь 0,3-0,5, магний 0,35-0,5, марганец 0,1-0,45, железо 0,2-0,5, алюминий и примеси остальное. Данный сплав характеризуется тем, что температура равновесного солидуса сплава не ниже 550°С, а температура ликвидуса не выше 605°С. Структура данного сплава характеризуется тем, что железо полностью связано в скелетообразные включения фазы Al15(Fe,Mn)3Si2, а магний полностью связан во вторичные выделения фазы Al5Cu2Mg8Si6 (Q'). Получается новый экономнолегированный силумин, предназначенный для получения фасонных отливок сложной формы и обладающий высокой прочностью. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

 

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

- узкий концентрационный интервал легирующих элементов;

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

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

- 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 σв 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 прочным среди безмедистых силуминов является сплав АК8л (ГОСТ 1583-93), который содержит, мас.%:

Кремний 6,5-8,5
Магний 0,35-0,55
Бериллий 0,15-0,4
Алюминий и примеси остальное

Недостатком этого сплава является наличие в его составе экологически вредной добавки бериллия. Кроме того, рабочие температуры этого сплава не превышают 200°С. Это связано с тем, что вторичные выделения фазы Mg2Si (а именно, метастабильные модификации β' и β") при длительных нагревах свыше ~200°С склонны к огрублению, что приводит к разупрочнению.

Наиболее близким сплавом к предложенному является безбериллиевый силумин, раскрытый в патенте US 5523050 (1996 г., Lloyd; David J. etc., Alcan International Limited).

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

Кремний 7-16
Медь 0-5,0
Магний 0,3-2,0
Марганец 0,5-3,0
Железо 0-1,0
Алюминий и примеси 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, как и силумина АК8ч, является ограничение по максимальной рабочей температуре. 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. Третий недостаток связан с тем, что его температура ликвидуса недостаточно низка, что затрудняет использование специальной технологии обработки расплава.

Задачей изобретения является создание нового безбериллиевого экономнолегированного высокопрочного силумина, предназначенного для получения фасонных отливок сложной формы и допускающего не менее 0,2% Cu и не менее 0,2% Fe. При этом сплав не должен содержать добавок циркония, хрома, титана, бора, а также иметь солидус не ниже 550°С, а ликвидус не выше 605°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 8.6-10.2
Медь 0.3-0.5
Магний 0.35-0.5
Марганец 0.1-0.45
Железо 0.2-0.5

при этом должны выполняться следующие условия:

а) температура равновесного солидуса сплава должна быть не ниже 550°С; а температура ликвидуса не выше 605°С;

б) железо должно быть полностью связано в скелетообразные включения фазы Al15(Fe,Mn)3Si2;

в) магний должен быть полностью связан во вторичные выделения фазы Al5Cu2Mg8Si6(Q').

Указанные параметры следует рассчитывать с использованием программы Thermo-Calc (база данных TTAL5 или выше).

Сущность изобретения состоит в следующем.

Концентрация кремния в заявленных пределах обеспечивает необходимую температуру ликвидуса и, как следствие, высокие технологические свойства (в частности, формозаполняемость).

Медь и магний в заявленных пределах находятся в алюминиевой матрице в виде вторичных выделений фазы Al5Cu2Mg8Si6, что вносит основной вклад в прочность сплава, в частности предел текучести при литье в металлические формы не менее 280 МПа, а относительное удлинение (δ) не менее 3%, а при литье в разовые формы (земляные, холодно твердеющие смеси и т.п.) не менее 280 МПа, а относительное удлинение (δ) не менее 2%. Кроме того, при выбранных концентрациях меди и магния достигается сочетание высокой температуры солидуса, высоких литейных свойства, 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.

Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в табл.1. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях в заводских условиях ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ» на основе вторичного алюминия марки АК9. Химический состав сплавов определяли на эмиссионном спектрометре ARL 3560B-1583 (в процессе плавки состав доводили до заданных значений). Из экспериментальных сплавов были получены отдельно отлитые образцы согласно ГОСТ1583-93. Отливки термообрабатывали по режиму Т6 (нагрев под закалку при 540±5°С, закалка в холодной воде и старение при 175°С). Температуры ликвидуса и равновесного солидуса определяли методом дифференциального термического анализа и уточняли расчетом по программе Thermo-Calc (база данных TTAL5). Объемную доли вторичных выделений фаз, содержащихся в алюминиевой матрице (табл.2), 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 (образец №1 по ГОСТ 1583-93, п.5.2.3.).

Таблица 1
Составы экспериментальных сплавов и их свойства после термообработки Т6
Концентрации, % по массе σ0,21, МПа δ2, % TS4, °C TL4, °C
Si Mg Cu Mn Fe Al
1 8 0,2 0,1 0,05 0,05 ост. 195 8,5 570 609
2 8,6 0,55 0,4 0,5 0,5 ост. 335 4,2 554 603
3 9,4 0,45 0,3 0,3 0,3 ост. 320 4,8 559 598
4 10,2 0,35 0,5 0,1 0,1 ост. 305 5,7 560 592
5 11 0,7 1 0,7 0,7 ост. 340 1,3 544 583
6 7,5 0,5 <0,01 0,7 0,1 ост. 295 5,0 562 612
1предел текучести; 2относительное удлинение; 3температура равновесного солидуса (расчет), 4температура ликвидуса (расчет)

Из табл.1 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает наилучшее сочетание предела текучести, относительного удлинения и температур ликвидуса и равновесного солидуса. При этом эвтектические включения кремниевой и железистой фаз во всех составах заявленного сплава имели компактную морфологию (фиг.1).

В сплаве 1 прочность меньше требуемого уровня, что связано с недостаточным количеством выделений фазы Al5Cu2Mg8Si6 (табл.2). Сплав 5 имеет низкое значение δ, что связано с частичным пережогом из-за того, что Ts<550°C. Сплав-прототип (состав 6) уступает сплавам 2-4 по значению σ0,2, поскольку в нем отсутствует фаза Al5Cu2Mg8Si6 (табл.2). Кроме того, он имеет более высокую температуру ликвидуса.

Таблица 2
Фазовый состав алюминиевой матрицы экспериментальных сплавов в состоянии Т6
1 Объемная доля фазы, об.% (расчет)
Mg2Si Al5Cu2Mg8Si6 Al2Cu (Si)
1 0,07 0,81 0 0,97
2 0 1,7 0 0,60
3 0 1,39 0 0,69
4 0 1,11 0,20 0,81
5 0 1,53 0,66 0,64
6 1,22 0 0 0,98
1см. табл.1

ПРИМЕР 2.

Из заявляемого сплава состава №3 (см. табл.1) в заводских условиях ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ» были залиты 10 шт. серийных отливок детали (фиг.2) методом гравитационного литья в металлическую форму (кокиль). Все отливки имели удовлетворительное качество: в них отсутствовали дефекты литейного происхождения, а механические свойства вырезанных образцов имели следующие значения: σ0,2=330 МПа, δ=5,1%.

ПРИМЕР 3.

Из заявляемого сплава состава №3 (см. табл.1) в лабораторных условиях МИСиС были залиты 5 шт. фасонных отливок детали (фиг.3) методом быстрого прототипирования (керамические формы). Все отливки имели удовлетворительное качество: в них отсутствовали дефекты литейного происхождения, а механические свойства вырезанных образцов имели следующие значения: σ0,2=290 МПа, δ=2,8%.

1. Литейный сплав на основе алюминия, содержащий кремний, магний, медь, марганец и железо, характеризующийся структурой, представляющей собой алюминиевую матрицу и равномерно распределенные в матрице частицы кремниевой и железистой фаз эвтектического происхождения, отличающийся тем, что он содержит легирующие компоненты в следующем количестве, мас.%:

Кремний 8,6-10,2
Медь 0,3-0,5
Магний 0,35-0,5
Марганец 0,1-0,45
Железо 0,2-0,5
Алюминий и примеси Остальное,

при выполнении следующих условий:
температура равновесного солидуса сплава не ниже 550°С, а температура ликвидуса не выше 605°С, железо полностью связано в скелетообразные включения фазы Al15(Fe,Mn)3Si2, а магний полностью связан во вторичные выделения фазы Al5Cu2Mg8Si6 (Q').

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он получен в металлических формах в виде кокильных отливок, обладающих следующими свойствами на растяжение: предел текучести (σ0,2) - не менее 310 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 3%.

3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он получен в разовых формах в виде отливок, обладающих следующими свойствами на растяжение: предел текучести (σ0,2) - не менее 280 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 2%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к литейному производству, а именно к модифицированию доэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов. .

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении разнообразных изделий методами фасонного литья, в частности литья под поршневым давлением для производства отливок различного назначения, разнообразной фурнитуры, товаров народного потребления, средненагруженных узлов и агрегатов машин.

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.
Изобретение относится к литейному производству, в частности к модифицированию алюминиево-кремниевых сплавов. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам литейных сплавов на основе алюминия, и может быть использовано в производстве поршней двигателей внутреннего сгорания.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам силуминов, которые могут быть использованы в авиационной, автомобильной, приборостроительной, судостроительной и электротехнической промышленности.

Изобретение относится к сплаву системы Al-Mg-Si, способу его изготовления, а также к изготовленному из него конструктивному элементу. .
Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов на основе алюминия, которые могут быть использованы в автомобилестроении. .
Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов на основе алюминия, которые могут быть использованы для изготовления поршней, головок цилиндров и других деталей, работающих при температурах до +275°С.
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбиностроении для защиты лопаток турбин от высокотемпературного окисления и сульфидной коррозии.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при получении паяных конструкций из алюминия и его сплавов
Изобретение относится к алюминиевому литейному сплаву, который может быть использован для изготовления литых деталей, подвергающихся термическим и механическим напряжениям, получаемых методами литья под давлением, фасонного литья или литья в песчаные формы
Изобретение относится к литейному производству, в частности к модифицированию литейных алюминиево-кремниевых сплавов доэвтектического состава

Изобретение относится к области получения алюминиевых сплавов и может быть использовано для изготовления изделий электротехнического назначения

Изобретение относится к области металлургии легких сплавов и может быть использовано для получения слитков из алюминиевых сплавов повышенного качества при изготовлении изделий атомной, авиакосмической и автомобильной промышленности
Изобретение относится к металлургии литейных сплавов на основе алюминия и может быть использовано при изготовлении конструкционных материалов для машиностроения и электрической промышленности
Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано для получения изделий литьем, в частности к модифицированию заэвтектических силуминов
Изобретение относится к металлургии литейных сплавов, в частности к антифрикционным сплавам на основе алюминия, работающим в условиях трения скольжения. Антифрикционный сплав на основе алюминия содержит основные компоненты в следующем соотношении, мас.%: кремний - 12-15, медь - 3-5, алюминий - остальное, и имеет структуру, содержащую кристаллы эвтектического кремния глобулярной формы размером от 2 до 8 мкм. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости сплава при трении скольжения. 3 пр.

Изобретение относится к литейному и металлургическому производству, в частности к получению псевдолигатуры для модифицирования алюминиевых сплавов. Способ включает смешивание в планетарной мельнице полученного по технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза ультрадисперсного порошка карбида титана, содержащего соли хлорида калия и натрия, с порошком основы, содержащим алюминий и медь, в соотношении 9:1, и прессование полученной композиции. В результате получают лигатуру, содержащую 8-12% ультрадисперсной модифицирующей композиции. Использование полученной псевдолигатуры при модифицировании алюминиевых сплавов позволяет измельчать дендриты α-Al в 2,6 раза. 1 ил., 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к многослойной трубе и ее применению. Многослойная труба включает металлическую трубу с внутренней поверхностью и внешней поверхностью, первый полимерный слой, связанный с внешней поверхностью, и, предпочтительно, второй полимерный слой, связанный с внутренней поверхностью, и при этом металлическая труба изготовлена из алюминиевого сплава, содержащего, вес.%: Si от 1,5 до 2,45, Fe от 0,5 до 1,2, Mn от 0,5 до 1,2, Cu от 0,3 до 1, Mg от 0,04 до 0,3, Ti<0,25, Zn<1,2 и другие примеси или случайные элементы <0,05 каждого, включая Cr<0,05 и Zr<0,05, всего <0,25, а остальное - алюминий. Технический результат - получение многослойных труб с сердцевиной из алюминия, обладающих улучшенными свойствами ползучести, в частности стойкостью к постоянному и длительно поддерживаемому внутреннему давлению. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил., 1 пр.

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: головки цилиндров, корпуса водяных насосов, впускные трубы и др

Наверх