АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ
ALUMINUM ALLOY

ОПИСАНИЕ
Изобретение относится к алюминиевому сплаву для деталей с повышенной термостойкостью. Изготовленные из этого сплава детали отличаются высокой прочностью и твердостью после высокой тепловой нагрузки. Предлагаемый изобретением алюминиевый сплав подходит, в частности, для изготовления деталей указанного типа путем прессования выдавливанием, ковки или литья в многократные формы, а также для дальнейшей обработки полученных таким образом деталей посредством термического соединения. Кроме того, изобретение относится к деталям, полученным из указанного сплава, и к применению этого алюминиевого сплава для получения деталей, в частности, для автомобильной промышленности.
Двумя самыми экономически выгодными способами придания формы алюминиевым сплавам являются прессование выдавливанием и литье в литейные формы.
При прессовании выдавливанием возможные конструктивные решения обусловлены и ограничены прежде всего типом сплава, действующими при обработке силами и направлением прессования. Следующим важным параметром при формообразовании путем прессования выдавливанием является температура пресса, максимальное значение которой ограничено составом сплава, в частности, его стойкостью к тепловым нагрузкам. Так как при деформации может происходить локальное нагревание сплава, может возникать частичное плавление, прежде всего в области передних кромок инструмента, что отрицательно влияет на механические свойства продуктов прессования, т.е. прессованных профилей.
При литье под давлением на пределы проектирования влияет прежде всего стремление к максимально простой геометрии детали, так как этот способ должен осуществляться без вставных стержней.
Качество прессованных деталей в значительной степени зависит, помимо наладки станков и геометрии инструмента (геометрии матрицы), от выбранной системы сплавов. Для прессованных продуктов широкое применение находят, в частности, системы сплавов AlMn(Cu) и AlMgSi (F. OSTERMANN: "Anwendungstechnologie Aluminium", 3d ed. 456-457; Berlin 2014). Решающую роль в процессах литья в многократные формы, в частности, при литье под давлением, с точки зрения позднейших технологически важных свойств детали играют также химический состав и микроструктура.
При формовании путем ковки, в частности, при высоких скоростях деформации, также может произойти повышение температуры из-за работы деформации. При этом в заготовке могут возникнуть локальные перегревы, которые отрицательно влияют на микроструктуру и механические свойства. И при этом способе формования большое значение имеет состав сплава. При создании поковок также следует соблюдать обусловленные процессом нормы проектирования, которые ограничивают возможности формообразования.
Как написано выше, свобода выбора действий при выбранном способе формования (прессование выдавливанием, литье в формы, ковка) имеет границы, которые могут быть обусловлены техническими или экономическими причинами.
Однако все чаше применяются, особенно в области автомобильной промышленности, все более сложные детали и узлы, которые вообще невозможно получить таким способом формования, как прессование выдавливанием или литье в формы, или этот способ будет экономически невыгодным.
В результате дальнейшего развития подходящих методов соединения, в частности, сварки или пайки, область применения компонентов из алюминиевых сплавов сильно расширилась, так как эти методы позволяют получать детали и узлы сложной конструкции.
Так как при этом, как правило, применяются такие методы термического соединения, как сварка или пайка, важным условием является надежность материала и его стабильность при встречающихся тепловых нагрузках. Стойкость материала к кратковременным тепловым нагрузкам имеет важное значение как при случайном, так и при намеренном нагреве конструкции, например, при пайке или сварке.
Вообще говоря, и раньше уделялось повышенное внимание разработке алюминиевых сплавов для сложных компонентов с выраженной жаропрочностью при высоких температурах обработки и эксплуатации. В первую очередь в автомобильной промышленности существует потребность в стойкости материалов, в частности, с точки зрения прочности и твердости, после обработки в процессах с максимально высокими тепловыми нагрузками.
В связи с этим, повышается также потребность в алюминиевых сплавах, подходящих для деталей, которые по окончании процесса изготовления не требуют дополнительной обработки для достижения желаемых механических свойств.
Из-за все более высоких рабочих температур повышенная стойкость к тепловым нагрузкам имеет важное значение, например, для компонентов двигателя, таких как поршни. Для этой области применения также требуются благоприятные прочностные свойства при высоких температурах, наряду с другими требуемыми свойствами, такими как высокая износостойкость, малая плотность, низкий коэффициент теплового расширения и хорошая жидкотекучесть. До сих пор этим требованиям могли удовлетворить только литейные сплавы с относительно высоким содержанием Si и добавками Cu. Правда, такие сплавы из-за склонности к образованию включений воздуха плохо подходят для литья под давлением.
Под жаропрочностью обычно понимается прочность материала при повышенных температурах. Самые высокие значения жаропрочности демонстрируют, помимо прочих, сплавы серии 2xxx (AlCu). Жаропрочность достигается, кроме прочего, благодаря повышенному содержанию Si, Cu, Ni или Fe, что, правда, ведет к ухудшению механических свойств (например, вязкости разрушения) (F. OSTERMANN, там же, с. 300-303).
При более высоких температурах может произойти не только необратимое изменение микроструктуры и, тем самым, необратимое снижение прочности, но и могут также протекать процессы ползучести, при которых материал или деталь медленно деформируется пластически. В качестве алюминиевых материалов с подходящими характеристиками ползучести можно назвать системы сплавов серии 3xxx, 5xxx и 6xxx (F. OSTERMANN: "Anwendungstechnologie Aluminium", 3d ed., 300-304; Berlin 2014). Для таких методов соединения, как сварка или пайка, обычно применяются алюминиевые сплавы серии 4xxx.
Требуемые механические свойства, в частности, высокая твердость, обычно достигаются добавлением в сплавы меди или цинка. Кроме того, эти сплавы подвергают термообработке, чтобы в результате эффектов упрочнения достичь улучшения механических свойств. При этом образуются метастабильные фазы, противодействующие движению дислокаций при приложении силы. В качестве альтернативы используются также сплавы Al-Mn.
Необходимым условием для пригодности сплава к пайке является то, что температура солидуса материала должна быть выше температуры ликвидуса припоя. При высокотемпературной пайке рабочая температура обычно составляет от 440°C до 600°C, при низкотемпературной пайке рабочая температура лежит ниже 440°C.
Профиль температуры в процессе высокотемпературной пайки существенно влияет на механические свойства. Если применяются температуры, близкие к точке солидуса, это ведет к размягчению материала. Достичь прочности можно только путем дополнительного естественного или искусственного старения при быстром охлаждении конструкции.
Число пригодных для высокотемпературной пайки алюминиевых сплавов очень ограничено. Это следует из указанного выше условия, согласно которому температура солидуса материала должна лежать выше температуры ликвидуса припоя. Хотя обычные сплавы Al-Mn менее восприимчивы к действию тепла, они при температурах обработки вблизи точки солидуса также проявляют недостаточную стабильность твердости.
3
Кроме того, известны алюминиевые сплавы для применения при высоких температурах, которые включают добавки легирующих элементов из группы редкоземельных металлов (например, Sc, Er). Они образуют в алюминиевой матрице дисперсоиды (например, типа AlEr), что должно привести к улучшению механических свойств при высоких рабочих температурах. Из EP 2110452 A1 известен подобный сплав, который имеет высокое содержание Cu (1,0-8,0 мас.%), однако не содержит Zn.
Учитывая описанные выше требования, в основу настоящего изобретения положена задача разработать алюминиевый сплав, который подходит для прессования выдавливанием, ковки и литья в многократные формы (в частности, литья под давлением) и который хорошо отливается и имеет высокую твердость в литом состоянии, а также при кратковременном, сильном тепловом нагружении. Кроме того, сплав должен иметь хорошие свойства соединения, в частности хорошую пригодность к высокотемпературной пайке, и высокую стойкость к коррозии. Кроме того, сплав должен подходить для изготовления деталей для автомобильной промышленности, в частности деталей с повышенной жаропрочностью.
Эти задачи решены посредством алюминиевого сплава согласно независимому пункту формулы изобретения, а также посредством указанных в зависимых пунктах вариантов осуществления, а также посредством деталей, полученных с применением алюминиевого сплава согласно изобретению и, необязательно, дополнительно обработанных с помощью методов соединения, в частности методов термического соединения.
С составом сплава согласно изобретению удается добиться высокой термостойкости (термостабильности) при хороших значениях твердости не только у прессованных профилей, но и у поковок и полученных литьем под давлением отливок в изготовленном или литом состоянии. Поэтому такой сплав подходит прежде всего для получения термонагруженных деталей для автомобильной промышленности и/или для дальнейшей обработки с помощью методов соединения, в частности методов термического соединения, таких как высокотемпературная пайка или сварка. (Благодаря повышенной термостойкости сплава процесс прессования выдавливанием или другие процессы обработки давлением можно проводить с более высокой рабочей скоростью или при более высоких давлениях, не вызывая локального перегрева в заготовке.)
Сплав согласно изобретению имеет следующий состав:
0,2-1,8 мас.% Si
0,2-1,8 мас.% Mg
0,3-2,5 мас.% Mn
0,2-1,5 мас.% Fe
0,05-0,75 мас.% Zr
0,03-0,18 мас.% Ti
Кроме того, сплав может необязательно содержать один или несколько из следующих элементов в указанных ниже содержаниях:
макс. 0,1 мас.% Cr
макс. 0,05 мас.% Cu
0,2-1,8 мас.% Zn
0,02-0,5 мас.% Er
Далее сплав может необязательно содержать измельчающую зерно добавку, содержащую Ti и B, в количестве от 0,01 до 0,2 мас.%. Указанный состав сплава остается при этом неизменным. Измельчающую зерно добавку предпочтительно добавляют при получении сплава в виде алюминиевой лигатуры, содержащей упомянутые компоненты.
Остальное составляют алюминий и неизбежные примеси. Количество таких примесей предпочтительно составляет максимум 0,05 мас.% (каждой по отдельности) или максимум 0,15 мас.% в сумме.
Неожиданно оказалось, что ограничение содержания Cu максимальным значением 0,05 мас.% приводит к тому, что точка солидуса сплава не опускается ниже 610°C. Предпочтительно, содержание Cu ограничено максимальным значением 0,03 мас.%.
Кроме того, было найдено, что за счет установления содержания Mn в интервале от 0,3 до 2,5 мас.%, предпочтительно от 0,8 до 1,5 мас.%, особенно предпочтительно от 1,2 до 1,5 мас.%, можно гарантировать высокую размерную стабильность при повышенных температурах, так что при извлечении из литейной формы можно ожидать очень незначительного коробления или его полного отсутствия. Кроме того, при используемых согласно изобретению содержаниях Mn предотвращается прилипание к литейной форме при производстве посредством способов литья, в частности, литья под давлением, и гарантируется легкость извлечения из формы.
Далее, неожиданно оказалось, что за счет установления отношения железо/марганец (в расчете на массовые содержания) в интервале от 0,5 до 0,7, в частности, в интервале от 0,6 до 0,7, происходит улучшение жидкотекучести сплава. Особенно предпочтительно, если отношение Fe/Mn составляет 2:3 (= 0,67).
Предпочтительное содержание кремния составляет от 0,6 до 0,8 мас.%, в частности, 0,7 мас.%. Кроме того, в отношении содержания Si оказалось, что установление отношения Si/Mg в интервале от 0,9 до 1,1 благоприятно влияет на твердость сплава и на его жидкотекучесть. Для оптимальных твердости и жидкотекучести предпочтительно соблюдать отношение Si/Mg 1:1.
Предпочтительное содержание циркония составляет от 0,08 до 0,35 мас.%, в частности, от 0,1 до 0,3 мас.%. В отношении содержания Zr было также найдено, что термостойкость и жидкотекучесть сплава можно еще больше улучшить, когда отношение Ti/Zr составляет в интервале от 0,15 до 1, предпочтительно 1:4 (=0,25).
Содержание Fe составляет от 0,2 до 1,5 мас.%, предпочтительно от 0,2 до 1,0 мас.%, в частности от 0,2 до 0,8 мас.%. Предпочтительно устанавливать содержание Fe в зависимости от содержания Fe, как пояснялось выше (отношение Fe/Mn).
Содержание Mg составляет в интервале от 0,2 до 1,8 мас.% Mg, предпочтительно от 0,2 до 1,2 мас.%, в частности от 0,2 до 0,9 мас.%, а особенно предпочтительно составляет 0,7 мас.%. Предпочтительно устанавливать содержание Mg в зависимости от содержания Si, как пояснялось выше (отношение Si/Mg).
Содержание Ti составляет в интервале от 0,03 до 0,18 мас.%, предпочтительно от 0,05 до 0,1 мас.%. Предпочтительно устанавливать содержание Ti в зависимости от содержания Zr, как пояснялось выше (отношение Ti/Zr).
Далее неожиданно оказалось, что за счет добавления эрбия (Er) можно еще больше повысить термостойкость сплава. Поэтому в одном предпочтительном варианте осуществления сплав согласно изобретению содержит эрбий в качестве дополнительного легирующего элемента. Желательный эффект достигается при добавлении от 0,02 до 0,5 мас.% Er. Предпочтительно, количество Er составляет в интервале от 0,02 до 0,3 мас.%.
Кроме того, неожиданно было обнаружено, что термостойкость сплава можно дополнительно повысить добавлением цинка (Zn). Поэтому в одном предпочтительном варианте осуществления сплав согласно изобретению содержит цинк в качестве дополнительного легирующего элемента. Возможное содержание Zn составляет в интервале от 0,2 до 1,8 мас.% Zn, предпочтительно оно составляет от 0,4 до 0,8 мас.%, в частности от 0,5 до 0,7 мас.%. В еще одном варианте осуществления содержание Zn составляет в интервале от 0,4 до 1,2 мас.%, предпочтительно от 0,6 до 1,2 мас.%, в частности, 1 мас.%.
Кроме того, неожиданно было обнаружено, что легирующие элементы Zn и Er, если их использовать в комбинации, позволяют еще больше повысить термостойкость. В частности, такое повышение достигается комбинированным добавлением от 0,02 мас.% до 0,5 мас.% Er и от 0,2 до 1,8 мас.% Zn, предпочтительно 0,4-0,8 мас.% Zn.
Предпочтительно, в сплаве согласно изобретению осуществляют измельчение зерна, причем для этого используют измельчающую зерно добавку, содержащую Ti и B. Содержание измельчающей зерно добавки в сплаве согласно изобретению предпочтительно составляет от 0,5 до 2 кг/т, особенно предпочтительно 1,5 кг/т.
2
3
5
1
6
В качестве измельчающей зерно добавки предпочтительно использовать алюминиевую лигатуру, которая содержит Ti и B (остальное - алюминий) и которую при получении сплава добавляют в количестве предпочтительно от 0,5 до 2 кг/т, особенно предпочтительно 1,5 кг/т. В такой Al-ой лигатуре Ti и B находятся в основном в форме кристаллов или частиц, которые могут служить зародышами кристаллизации (например, TiB, AlTi, AlTiB, AlTi).
Предпочтительно, лигатура содержит от 2,7 до 3,2 мас.% Ti, в частности от 2,9 до 3,1 мас.% Ti, а также от 0,6 до 1,1 мас.% B, в частности, от 0,8 до 0,9 мас.% B, остальное - алюминий.
Кроме того, предпочтительно, чтобы массовое отношение Ti/B в лигатуре составляло от 2,5 до 3,5, в частности, 3:1 (= 3,0).
Алюминиевый сплав согласно изобретению и изготовленные из него детали отличаются тем, что они имеют твердость по Бринеллю по меньшей мере 55 HBW5/250, предпочтительно по меньшей мере 65 HBW5/250, особенно предпочтительно по меньшей мере 80 HBW5/250.
Алюминиевый сплав согласно изобретению и изготовленные из него детали отличаются также температурой солидуса ≥610°C, в частности, ≥630°C.
В зависимости от области применения или спецификации сплав согласно изобретению можно необязательно подвергнуть термообработке. Ее предпочтительно проводят в течение от 2 до 42 ч, в частности, 6-24 ч, при температуре в интервале от 325 до 425°C, в частности, 350-400°C. Затем проводят охлаждение на воздухе, или термообработанный сплав закаливают в подходящей газообразной (например, воздух или инертный газ) или жидкой (например, вода или масло) среде. Предпочтительная термообработка проводится 6-24 ч при 350-400°C с последующим охлаждением на воздухе.
Сплав согласно изобретению можно использовать для получения деталей для самых разных областей применения, предпочтительно для применения в автомобильной промышленности. Сплав согласно изобретению, в частности, термообработанный сплав (см. выше), подходит для получения деталей, которые подвергаются действию высоких рабочих температур, например, до 250°C или до 300°C (например, компоненты двигателя или трансмиссии, такие как поршни, головки цилиндров, блок цилиндров, картер коробки передач, теплообменник).
Далее, сплав согласно изобретению подходит прежде всего для деталей, которые дополнительно обрабатывают методами термического соединения, такими как пайка (в частности, высокотемпературная пайка) или сварка. Сплав согласно изобретению подходит для пайки алюминиевых деталей с флюсом, например, в автомобильной промышленности и технике кондиционирования воздуха, а также для процессов в печах для пайки; в частности для изготовления теплообменников.
Таким образом, изобретение относится также к деталям, которые получены из сплава, подробно описанного выше. Предпочтительно, детали получают путем литья в многократные формы, в частности литья под давлением, или путем прессования выдавливанием, или путем ковки. При необходимости, детали можно дополнительно обрабатывать и другими методами, в частности методом термического соединения (например, пайки, сварки) или ковкой, чтобы получить сложные узлы или детали со сложной геометрией.
Вообще говоря, термостойкость изготовленных из сплава согласно изобретению деталей, при желании, можно еще больше повысить, подвергнув их искусственному старению. Кроме того, в результате такой термообработки можно достичь повышения твердости по Бринеллю.
Неожиданно оказалось, что высокую твердость (типично в интервале от 50 до 70 HBW 5/250), уже имеющуюся в состоянии после изготовления у деталей, изготавливаемых со сплавом согласно изобретению, можно дополнительно повысить, если провести термообработку при 150-240°C, предпочтительно 180-220°C, особенно предпочтительно при 200°C, в течение периода от 4 ч до 72 ч, предпочтительно 8-24 ч, особенно предпочтительно 8-12 ч. После такой термообработки детали имеют повышенное значении твердости по Бринеллю (HBW5/250), типично в 1,1-1,5 раза выше начального значения (перед термообработкой). Возможно и более значительное повышение твердости.
С вышеописанной термообработкой можно получить детали, имеющие твердость по Бринеллю (HBW5/250) по меньшей мере 70, предпочтительно по меньшей мере 80. Предпочтительно, полученные таким образом детали имеют твердость по Бринеллю в интервале от 70 до 120, в частности, в интервале от 75 до 95.
Сплавы согласно изобретению и изготовленные из них детали отличаются высокой термостойкостью при высокой тепловой нагрузке, причем в течение более длительного времени. Как результат, механические свойства, в первую очередь твердость, очень устойчивы к таким температурным воздействиям.
Под действием высоких температур изготовленные из сплава согласно изобретению детали обычно демонстрируют описываемое ниже поведение в отношении изменения твердости (твердости по Бринеллю) в зависимости от температуры:
- тепловое воздействие на детали при 150°C-240°C, предпочтительно 180-220°C, особенно предпочтительно при 200°C, в течение периода времени от 4 ч до 72 ч, предпочтительно 8-24 ч, особенно предпочтительно 8-12 ч, приводит обычно к повышению твердости. Вследствие этого повышения детали имеют твердость по Бринеллю, которая по меньшей мере в 1,1-1,5 раза выше начального значения твердости (в единицах HBW5/250). Более длительная термообработка (например, более 3 дней, до 30 дней или еще дольше), какая может иметь место, например, при применении или в режиме эксплуатации деталей, также не оказывает отрицательного влияния на твердость или иные механические свойства деталей;
- если тепловое воздействие при вышеуказанных температурах проводится в течение более длительного времени (> 3 дней, в частности, 4 дня или же дольше, например, 30 дней), то после этого детали имеют твердость по Бринеллю, которая по меньшей мере в 1-1,3 раза больше начальной твердости по Бринеллю (HBW5/250). Выгодно, что и при длительном тепловом воздействии (3 дня или больше, в частности, 4 дня или больше, например, 30 дней) при вышеуказанных температурах не происходит ухудшения твердости. По крайней мере, первоначально имеющаяся твердость по существу сохраняется, если не повышается, как было описано;
- тепловое воздействие на детали при 260-350°C, предпочтительно 280-320°C, особенно предпочтительно при 300°C, в течение периода времени от 4 ч до 72 ч, предпочтительно 8-24 ч, особенно предпочтительно 8-12 ч, приводит лишь к небольшому снижению твердости. Как правило, после такой термообработки твердость по Бринеллю все еще составляет 80-95% от начального значения (т.е. в состоянии после изготовления). Предпочтительно, и при более длительном тепловом воздействии (3 дня или дольше, в частности, 4 дня или дольше, например, до 30 дней) при указанных выше температурах не происходит дальнейшего изменения твердости по Бринеллю (т.е. она остается по существу постоянной на примерно 80-95% от начального значения).
Другим важным и предпочтительным свойством сплава согласно изобретению является то, что полученные из него детали можно временно подвергать воздействию температуры, близкой к точке солидуса, не вызывая тем самым существенного ухудшения твердости или других механических свойств. Эта термостойкость имеет практическое значение, так как такую тепловую нагрузку детали испытывают, когда их дополнительно обрабатывают, например, методом термического соединения (в частности, высокотемпературной пайкой или сваркой).
Полученные со сплавом согласно изобретению детали можно подвергать кратковременной тепловой нагрузке (≤ 30 мин, предпочтительно ≤ 20 мин, в частности, ≤ 15 мин) при температуре от 400°C до 650°C, предпочтительно от 400°C до 620°C, в частности, от 400°C до 610°C, не вызывая тем самым значительного ухудшения механических свойств, в частности, твердости. После тепловой нагрузки, как указывалось выше, наблюдается лишь незначительное снижение твердости. Как правило, после такой кратковременной тепловой нагрузки твердость по Бринеллю все еще составляет 70-95% от начального значения (в состоянии после изготовления).
Таким образом, сплав согласно изобретению и произведенные из него детали отвечают указанным во введении требованиям, в частности, в отношении термостойкости при высоких тепловых нагрузках.
Алюминиевый сплав согласно изобретению подходит прежде всего для получения деталей для автомобильной промышленности путем литья под давлением, ковки или прессования выдавливанием, причем эти детали необязательно могут дополнительно обрабатываться с помощью процессов соединения, в частности, термического соединения.
Алюминиевый сплав согласно изобретению можно с успехом применять для изготовления таких деталей, которые при их получении, их дальнейшей обработке или при их позднейшем применении испытывают действие высоких температур, таких как, например, компоненты двигателя или трансмиссии (например, поршни, головки цилиндров, блоки цилиндров, картер коробки передач и т.д.), теплообменники, а также деталей ходового механизма (шасси) и деталей кузова.
Сплав согласно изобретению можно получать известными специалисту способами, обычно путем приготовления расплава, который имеет состав, соответствующий указанному выше составу сплава согласно изобретению. Легирующие элементы Ti и B предпочтительно добавляют в виде лигатуры при получении сплава, как пояснялось выше.
Сплав согласно изобретению предпочтительно получают способом вертикальной непрерывной разливки. В результате предшествующей обработки расплава инертными газами обеспечивается достаточное качество плавки, и получают отливку с низким содержанием водорода; это также является важным условием для достижения высокой стабильности твердости при тепловой нагрузке. Способы обработки расплавов металлов инертными газами известны специалисту.
В одном предпочтительном варианте осуществления сплав после его получения подвергают необязательной термообработке. Ее предпочтительно проводят в течение периода времени от 2 до 42 ч, в частности, 6-24 h, при температуре в интервале от 325°C до 425°C, в частности, от 350°C до 400°C. Затем проводят охлаждение на воздухе, или термообработанный сплав закаливают в подходящей газообразной (например, воздух или инертный газ) или жидкой (например, вода или масло) среде. Предпочтительно проводить термообработку 6-24 ч при 350-400°C с последующим охлаждением на воздухе.
Получение деталей с применением сплава согласно изобретению можно также осуществлять известными способами, предпочтительно прессованием выдавливанием, литьем в многократные формы (в частности, литьем под давлением) и/или ковкой. Необязательно, можно провести дополнительную обработку деталей методами соединения (в частности, высокотемпературной пайкой или сваркой) или обработки давлением.
В одном предпочтительном варианте осуществления детали, полученные из сплава согласно изобретению, для повышения твердости подвергают необязательной термообработке (искусственному старению). Эту термообработку проводят при температуре от 150°C до 240°C, предпочтительно от 180°C до 220°C, особенно предпочтительно при 200°C, в течение периода времени от 4 ч до 72 ч, предпочтительно 8-24 ч, особенно предпочтительно 8-12 ч.
Примеры
1,6
В качестве отправной точки, или сравнительного сплава, служил сплав Al-Mn в соответствии с EN AW-3103, известный под торговым наименованием "Aluman-16" (AlMn, производитель Aluminium Rheinfelden GmbH). Этот сплав из-за его высокой точки затвердевания пригоден для высокотемпературной пайки и подходит для литья под давлением. Этот сплав применяется для производства холодильников и в пищевой промышленности.
Состав этого сплава приведен ниже в таблице 1 (первая строка, "V").
Из-за относительно высокого содержания Mn и Fe этот сплав отличается хорошей термической стойкостью при высоких температурах. Однако в описанных выше новых областях (в частности, в автомобильной промышленности) этот сплав имеет ограниченное применение. В частности, его твердость недостаточна для удовлетворения требуемых свойств деталей. С описанным в настоящей заявке сплавом удалось достичь заметного улучшения в этом отношении, что показывают результаты испытаний, приведенные в таблицах 2, 3 и 4.
Таблица 1.
Составы сплавов
Si
Mg
Mn
Fe
Zn
Zr
Ti
Cr
Cu
Er
Солидус [°C]
V
0,15
0,05
1,5
0,9
0,1
-
0,15
-
0,03
-
650
L1
0,7
0,7
1,5
0,8
-
0,1
0,1
0,06
-
-
635
L2
0,7
0,7
1,2
0,8
-
0,2
0,05
0,06
-
-
630
L3
0,7
0,7
1,2
0,8
-
0,3
0,05
0,06
-
-
630
L5
0,7
0,7
1,2
0,8
-
0,3
0,05
0,06
-
0,05
630
L6
0,7
0,7
1,2
0,8
0,8
0,3
0,05
0,06
-
-
620
L7
0,7
0,7
1,2
0,8
0,8
0,3
0,05
0,06
0,03
-
615
L4
0,7
0,7
1,2
0,8
0,6
0,3
0,08
0,06
-
0,1
625
L8*
0,7
0,7
1,2
0,8
0,6
0,3
0,08
0,06
-
0,1
625
*термообработан согласно пункту 18 формулы изобретения
Все данные приведены в мас.%; остаток - Al и неизбежные примеси. Строки таблицы, обозначенные L1, L2, L3, L4, L5, L6 и L7, относятся к вариантам сплава согласно настоящему изобретению. L8 соответствует сплаву L7 с дополнительной термообработкой по пункту 18 формулы изобретения и также представляет собой сплав по изобретению.
Было выплавлено семь сплавов согласно изобретению L1, L2, L3, L4, L5, L6 и L7, состав которых указан в таблице 1. Сплав L8 соответствует сплаву L7 с дополнительной термообработкой по пункту 18 формулы изобретения. В качестве контроля был выплавлен сравнительный сплав V ("Aluman-16", см. выше), состав которого также приведен в таблице 1. Из всех восьми сплавов отливали цилиндрические образцы (∅ 40 мм, высота 30 мм).
Для исследования влияния температуры на изменение твердости отлитые из восьми указанных сплавов образцы подвергали различным тепловым нагрузкам.
Опыты проводили при трех температурах в течение разного периода времени. Результаты приведены в следующих таблицах 2, 3 и 4.
Проводили длительные испытания при 200°C (таблица 2) и 300°C (таблица 3) продолжительностью 10 ч и 100 ч.
Кроме того, было проведено ускоренное испытание при 600°C и 900 с (15 мин) (таблица 4), моделирующее термическую нагрузку и поведение сплавов в процессах термического соединения.
Образцы, обработанные в указанных ниже температурных условиях, охлаждали после термообработки на воздухе до комнатной температуры (около 25°C) и затем определяли их твердость по Бринеллю (HBW5/250; шарик для испытания на твердость из карбидвольфрамового твердого сплава; диаметр шарика 5 мм). В таблицах 2, 3 и 4 приводится среднеарифметическое значение измеренных значений твердости.
Результаты показывают, что все алюминиевые сплавы согласно изобретению (L1-L8), независимо от длительности теплового воздействия, имели более высокую твердость, чем сравнительный сплав V.
Уже в литом состоянии (т.е. до начала испытания) варианты сплава согласно изобретению (L1-L8) обнаруживают заметно более высокую твердость по сравнению со сравнительным сплавом V. В результате термообработки при 200°C (10 ч) удалось еще больше повысить твердость (смотри таблицу 2).
Все остальные опыты показывают, что варианты сплава согласно изобретению (L1-L8) превосходят сравнительный сплав в отношении твердости. Хотя при более высоких температурах или при большей длительности испытания установлено уменьшение твердости по сравнению с литым состоянием (смотри таблицы 3 и 4), достигнутые при этом значения твердости также лежат выше твердости сравнительного сплава.
Проведенное ускоренное испытание при 600°C также показывает однозначный результат. Измеренные значения твердости алюминиевых сплавов L1-L8 согласно изобретению более чем на 10 единиц твердости по Бринеллю превышают твердость сравнительного сплава V.
Таблица 2.
Сравнение твердости (HBW5/250) при 200°C
перед началом испытания
10 ч
100 ч
V
42
43
45
L1
72
85
74
L2
69
80
72
L3
57
83
73
L5
62
83
74
L6
65
85
72
L7
65
83
72
L4
69
81
74
L8
72
81
75
Таблица 3.
Сравнение твердости (HBW5/250) при 300°C
перед началом испытания
10 ч
100 ч
V
42
43
43
L1
72
58
58
L2
69
60
55
L3
57
55
57
L5
62
58
58
L6
65
56
55
L7
65
56
55
L4
69
60
58
L8
72
62
60
Таблица 4.
Сравнение твердости (HBW5/250) при 600°C
перед началом испытания
900 с
V
42
40
L1
72
52
L2
69
54
L3
57
55
L5
62
56
L6
65
54
L7
65
51
L4
69
57
L8
72
60