Коррозионностойкий литейный алюминиевый сплав

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано для изготовления отливок, предназначенных для получения деталей ответственного назначения, работающих в коррозионной среде при температурах до 300-350°С. Литейный сплав на основе алюминия содержит, мас. %: кальций 2,0-2,6, железо 0,3-0,5, кремний 0,1-0,5, марганец 0,8-1,2, цирконий 0,2-0,3, скандий 0,08-0,12, алюминий - остальное, причем сплав содержит цирконий и скандий в своей структуре в виде наночастиц фазы Al3(Zr, Sc) с кристаллической решеткой L12, имеющих средний размер не более 20 нм. Сплав после выдержки в водном растворе 3%NaCl+0,3%H2O2 в течение до 3 суток включительно обладает следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σв) не менее 240 МПа, предел текучести (σ0,2) не менее 160 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 3%. Техническим результатом изобретения является создание нового экономнолегированного коррозионностойкого алюминиевого сплава, предназначенного для получения фасонных отливок сложной формы и обладающего высокими и стабильными механическими свойствами, не требующего операции закалки в ходе проведения термической обработки. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл., 2 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано для изготовления отливок, предназначенных для получения деталей ответственного назначения, работающих в коррозионной среде при температурах до 300-350°С, в том числе деталей автомобильных двигателей (головки цилиндров, корпуса водяных насосов, впускные трубы и др.), деталей судостроения, водозаборной арматуры, радиаторов отопления и др.

Одним из недостатков марочных алюминиевых сплавов является 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]. Сплавы типа АМ5, как и другие медь-содержащие сплавы, характеризуются пониженной коррозионной стойкостью.

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)+Al3M 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 их коррозионной стойкости. 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.

Известен 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 (масс. %): 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 их коррозионной стойкости.

Наиболее близким сплавом к предложенному является сплав, раскрытый в патенте РФ №2478131 (публ. 27.03.2013, бюл. №9). Сплав, предназначенный для получения отливок, 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 Al3(Zr,Sc) с кристаллической решеткой L12 и средним размером наночастиц не более 20 нм. Техническим результатом является создание нового литейного экономнолегированного термостойкого сплава. Сплав обладает высокими литейными свойствами, что обусловлено наличием в его составе никеля в качестве основного эвтектико-образующего элемента. Снижение концентрации никеля по сравнению со сплавом, приведенным в патенте US 2004/0261916, улучшает коррозионную стойкость. Однако она, тем не менее, остается недостаточно высокой. Еще одним недостатком сплава-прототипа является то, что он имеет строгое ограничение по примеси кремния и для нейтрализации вредного влияния этого элемента на горячеломкость он дополнительно содержит церий.

Техническим результатом изобретения является создание нового термостойкого сплава на основе алюминия, предназначенного для получения фасонных отливок сложной формы и обладающего повышенной коррозионной стойкостью по сравнению со сплавом-прототипом, а также допускающего в своем составе до 0,5% кремния

Технический результат достигается тем, что литейный сплав на основе алюминия, содержащий железо, марганец, цирконий и скандий, отличается тем, что он дополнительно содержит кальций и кремний при следующих концентрациях легирующих компонентов, масс. %:

Компонент Содержание в сплаве, масс. %
Кальций 2,0-2,6
Железо 0,4-0,6
Кремний 0,1-0,5
Марганец 0,8-1,2
Цирконий 0,2-0,3
Скандий 0,08-0,12
Алюминий основа

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана морфология алюминиево-кальциевой эвтектики в заявляемом сплаве состава №3 в литом состоянии (табл. 1), СЭМ, на фиг. 2 показаны вторичные выделения фазы Al6Mn в заявляемом сплаве состава №3 после отжига (табл. 1), ПЭМ, на фиг. 3 изображены наночастицы фазы Al3(Zr,Sc) (кристаллическая решетка L12) в заявляемом сплаве состава №3 после отжига (табл. 1), ПЭМ, темнопольное изображение в рефлексах фазы L12, на фиг. 4 изображены отливки «Арфа», полученная из заявляемого сплава состава №3 (а) и прототипа состава №7 (б), см. табл. 1

Сущность изобретения состоит в следующем.

Кальций выполняет функцию основного эвтектико-образующего элемента, что позволяет сохранить высокие литейные свойства на уровне сплава-прототипа и при этом повысить коррозионную стойкость.

Железо и кремний в заявленных пределах позволяют повысить дисперсность алюминиево-кальциевой эвтектики (Фиг. 1). Другими словами, эти элементы выполняют функцию модификаторов эвтектики, что благоприятно для механических свойств.

Концентрация марганца в заявленных пределах обеспечивает необходимый уровень механических свойств. После термообработки марганец присутствует в структуре в виде вторичных выделений фазы Al6Mn, типичный размер которых составляет 100-500 мкм (Фиг. 2).

Концентрации циркония и скандия в заявленных пределах обеспечивают необходимый эффект дисперсионного твердения за счет образования при отжиге наночастиц фазы Al3(Zr,Sc) с решеткой L12 (Фиг. 3)

ПРИМЕР 1.

Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в табл. 1 (№№1-6). Все сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях на основе первичного алюминия марки А85. Из экспериментальных сплавов были получены отдельно отлитые образцы согласно ГОСТ 1583-93. Эти образцы подвергали отжигу в муфельной электропечи сплавы 1-5 по следующему режиму: 300°С, 3 часа + 400°С, 3. часа. После отжига образцы выдерживали в водном растворе 3% NaCl+0,3% H2O2, в течение 3 суток.

Механические свойства (временное сопротивление-σв, условный предел текучести-σ0,2 и относительное удлинение-δ) определяли по результатам испытаний на одноосное растяжение на машине Zwick Z250. Испытания при комнатной температуре проводили по ГОСТ 1497-84.

Из табл. 1 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает наилучшее сочетание временного сопротивления, предела текучести и относительного удлинения. В сплаве 1 прочность меньше требуемого уровня, что связано с недостаточным количеством выделений фаз Al6Mn и Al3(Zr,Sc). Сплав 5 имеет низкое значение δ, что связано с наличием первичных кристаллов интерметаллидов. Сплав прототип (состав 6) уступает сплавам 2-4 по механическим свойствам, что обусловлено наличием никеля, который ухудшает коррозионную стойкость.

ПРИМЕР 2.

Из заявляемого сплава состава №4 и сплава-прототипа №7, содержащим аналогичное количество кремния (см. табл. 1) были залиты по 5 отливок «Арфа». Отливки, полученная из заявленного сплава, не содержали трещин и других видимых литейных дефектов (Фиг. 4а), в то время как отливки из сплава состава №7 были с явными признаками горячеломкости (Фиг. 4,).

1. Литейный сплав на основе алюминия, содержащий железо, марганец, цирконий и скандий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций и кремний при следующих концентрациях легирующих компонентов, мас. %:

Кальций 2,0-2,6
Железо 0,3-0,5
Кремний 0,1-0,5
Марганец 0,8-1,2
Цирконий 0,2-0,3
Скандий 0,08-0,12
Алюминий Основа,

причем сплав содержит цирконий и скандий в своей структуре в виде наночастиц фазы Al3(Zr, Sc) (кристаллическая решетка L12), имеющих средний размер не более 20 нм.

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что после выдержки в водном растворе 3%NaCl+0,3%H2O2 в течение до 3 суток включительно он обладает следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σв) не менее 240 МПа, предел текучести (σ0,2) не менее 160 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 3%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу изготовления листа из алюминиевого сплава, используемого для изготовления металлических бутылок или аэрозольных баллонов. Способ получения листа включает литье сляба из алюминиевого сплава, содержащего, мас.%: Si: 0,10-0,35, Fe: 0,30-0,55, Cu: 0,05-0,20, Mn: 0,70-1,0, Mg: 0,80-1,30, Zn: ≤0,25, Ti: <0,10, неизбежные примеси <0,05 каждая и <0,15 всего, остальное - алюминий, удаление поверхностного слоя и гомогенизацию сляба при температуре 550-630°С в течение по меньшей мере одного часа, горячую прокатку, первый этап холодной прокатки с коэффициентом обжатия 35-80%, рекристаллизационный отжиг, повторную холодную прокатку с коэффициентом обжатия 10-35% до толщины 0,35-1,0 мм, при этом рекристаллизационный отжиг осуществляют при температуре 300-400°С в течение по меньшей мере одного часа.

Изобретение относится к области цветной металлургии и электротехники, в частности к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при производстве изделий электротехнического назначения, таких как проводники круглого и квадратного сечения, токопроводящие элементы в виде проволоки, пластин и шин, провода воздушных линий электропередач.

Изобретение относится к способу получения сплавов на основе алюминия-скандия и может быть использовано в аэрокосмической промышленности, в частности для изготовления компонентов фюзеляжа методом сварки.

Изобретение относится к получению алюминиевых сплавов, в частности к способу раскисления выплавляемых алюминиевых сплавов. Способ раскисления сплава Al-Nb-Ti включает плавление и выдержку сплава, содержащего от 50 до 75 мас.% Al и от 5 до 30 мас.% Nb при суммарном содержании Al и Nb 80 мас.% или менее, с использованием исходных алюминиевого, ниобиевого и титанового материалов с суммарным содержанием кислорода 0,5 мас.% или более, при этом плавление осуществляют методом плавки с использованием охлаждаемого водой медного сосуда в атмосфере с давлением от 1,33 Па до 2,67×105 Па при температуре 1900 К или более.

Изобретение относится к получению металлических контейнеров, в частности к изготовлению бутылок для напитков, из алюминиевого листа. Способ изготовления бутылки из алюминиевого листа включает получение алюминиевого листа, выполненного из алюминиевого сплава серии 3ххх или 5xxx, при этом алюминиевый лист имеет измеренный в продольном направлении предел текучести при растяжении 27-33 ksi и предел прочности при растяжении, причем предел прочности при растяжении минус предел текучести при растяжении составляет менее 3,30 ksi (ППР-ПТР<3,30 ksi), и при этом алюминиевый лист имеет толщину от 0,006 дюйма до 0,030 дюйма, вытяжку и утонение алюминиевого листа с образованием контейнера с куполом, шейкообразование для уменьшения диаметра части алюминиевого контейнера с образованием бутылки и финишную обработку бутылки, выполненной с возможностью приема крышки.

Изобретение относится к области металлургии. Алюминиевый сплав содержит 5.4-6,4% кальция, 0,3-0,6% кремния и 0,8-1,2% железа.

Изобретение относится к технологии алюминиевых сплавов и может быть использовано при получении изделий, работающих при повышенных температурах. Алюминиевый сплав, содержащий цирконий и по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, содержащей железо и никель, имеет структуру, представляющую собой алюминиевую матрицу с распределенными в ней частицами вторично выделенной фазы Al3Zr с кристаллической решеткой L12 и с размером не более 20 нм и частицами фаз эвтектического происхождения в количестве от 0,5 до 3,0 мас.%, содержащих железо и/или никель, при этом алюминиевая матрица содержит по массе не более 1/3 циркония от общего содержания циркония в сплаве.

Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано при получении лигатуры Al-Zr электрохимическим способом, пригодной для промышленного производства.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии получения алюминиевых сплавов, и может быть использовано для получения изделий электротехнического назначения, способных работать при повышенных температурах.

Изобретение относится к стальному листу с покрытием из сплава на основе Al, нанесенным погружением в расплав, имеющему высокую обрабатываемость. Слой покрытия из сплава на основе Al, нанесенный погружением в расплав, содержит от 1,0 до 12,0 мас.% кремния и от 0,002 до 0,080 мас.% бора и образован на поверхности стального листа-подложки, причем слой покрытия имеет соотношение IMAX/I0, равное 2,0 или более, полученное измерением профиля по глубине с помощью оптической эмиссионной спектрометрии c тлеющим разрядом (GDS) от наружной поверхности в глубину слоя покрытия, где IMAX является максимальной интенсивностью обнаружения бора в зонах с глубиной распыления от 0 до 1,0 мкм, а I0 является средней интенсивностью обнаружения бора в пределах глубины распыления от 1,0 до 5,0 мкм.

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано для изготовления отливок, предназначенных для получения деталей ответственного назначения, работающих в коррозионной среде при температурах до 300-350°С. Литейный сплав на основе алюминия содержит, мас. : кальций 2,0-2,6, железо 0,3-0,5, кремний 0,1-0,5, марганец 0,8-1,2, цирконий 0,2-0,3, скандий 0,08-0,12, алюминий - остальное, причем сплав содержит цирконий и скандий в своей структуре в виде наночастиц фазы Al3 с кристаллической решеткой L12, имеющих средний размер не более 20 нм. Сплав после выдержки в водном растворе 3NaCl+0,3H2O2 в течение до 3 суток включительно обладает следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление не менее 240 МПа, предел текучести не менее 160 МПа, относительное удлинение - не менее 3. Техническим результатом изобретения является создание нового экономнолегированного коррозионностойкого алюминиевого сплава, предназначенного для получения фасонных отливок сложной формы и обладающего высокими и стабильными механическими свойствами, не требующего операции закалки в ходе проведения термической обработки. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл., 2 пр.

Наверх