Термостойкий литейный алюминиевый сплав



Термостойкий литейный алюминиевый сплав
Термостойкий литейный алюминиевый сплав
Термостойкий литейный алюминиевый сплав

 


Владельцы патента RU 2478131:

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

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·CZr+CSc<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.

 

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·CZr+CSc<0,64 (где CZr и CSc - 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 (σв) 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 - σв, условный предел текучести - σ0,2 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 σв, МПа σ0,2, 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 (σв), предела текучести (σ0,2) и относительного удлинения (δ): временное сопротивление (σв) не менее 250 МПа, предел текучести (σ0,2) 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 (σв) - 265 МПа, предел текучести (σ0,2) - 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.

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·CZr+CSc<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 (σв) 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.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, используемым в качестве конструкционного материала в авиационной промышленности.
Изобретение относится к цветной металлургии и может быть применено при получении сплавов системы алюминий-свинец. .

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к литейным сплавам на основе алюминия, применяемым в авиационной технике и других отраслях машиностроения для нагруженных деталей внутреннего набора фюзеляжа, деталей управления, силовых кронштейнов и др.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически неупрочняемым сплавам системы алюминий-магний, используемым для сварных конструкций в судостроении, авиакосмической технике и транспортном машиностроении.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически неупрочняемым алюминиевым сплавам, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала, преимущественно для токопроводящих и теплопроводных элементов конструкции в авиакосмической технике, судостроении, криогенном машиностроении и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, в частности к сварочным материалам, предназначено для изготовления сварочной проволоки для сварки плавлением конструкций из деформируемого термически неупрочняемого сплава системы Al-Mg-Sc.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически неупрочняемым сплавам системы алюминий-магний, предназначенным для использования в качестве конструкционного материала в различных областях техники: судостроении, авиакосмической и нефтегазодобывающей промышленности.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически неупрочняемым алюминиевым сплавам, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала преимущественно для паяных конструкций теплообменников космических летательных аппаратов, получаемых методами высокотемпературной пайки.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления полуфабрикатов и изделий из бета-титановых сплавов путем термомеханической обработки, сопровождающейся изменением свойств материала.

Изобретение относится к новым полимерам и способам их получения. .

Изобретение относится к коллоидным растворам различных наноформ гексагонального нитрида бора (h-BN) в жидких средах, а именно к получению гексагонального нитрида бора h-BN, растворимого в воде и полярных растворителях.

Изобретение относится к технологии создания сложных проводящих структур и может быть использовано в нанотехнологии. .

Изобретение относится к плазменной технологии, а именно к способу плазменной обработки дисперсного материала. .

Изобретение относится к области неорганического материаловедения, к способам получения материалов - бета-излучателей на основе ориентированного пиролитического графита.

Изобретение относится к определенным актуальным областям нанотехнологий (В82В 3/00 - изготовление или обработка наноструктур), технической физики и водородной энергетики.

Изобретение относится к области получения волокнистых фильтрующих материалов. .
Изобретение относится к области органической химии, а именно к области получения производных стерола, и может быть использовано при получении 4-hydroxy-17R-methylincisterol из эргостерола с использованием фотоизомеризации.

Изобретение относится к области технологии микроэлектроники и наноэлектроники, а именно к технологии формирования упорядоченных наноструктур на поверхности твердого тела, и может быть использовано для создания проводников, длина которых на несколько порядков превышает его диаметр (нанопроволоки)
Наверх